CN109030640A - 电子电气产品聚合物材料中六溴环十二烷的定性筛选法 - Google Patents

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Abstract

本发明属分析化学领域，涉及一种电子电气产品聚合物材料中六溴环十二烷的定性筛选法，待测样品经粉碎或剪切后，直接引入热裂解器中，以300℃瞬间裂解的方式将六溴环十二烷从聚合物材料中解析出来，进入气相色谱‑质谱联用仪，采用VF‑5MS毛细管柱(15m，0.25mm，0.1μm)分离，通过保留时间和化合物特征离子定性。方法的检出限可达100mg/kg。方法简单快速，无需复杂的前处理过程，固体样品直接进样，样品用量少，灵敏度高，可满足实际电子电气产品中六溴环十二烷快速筛选的需要。

Description

电子电气产品聚合物材料中六溴环十二烷的定性筛选法
技术领域
本发明属分析化学领域，涉及一种电子电气产品聚合物材料中六溴环十二烷的定性筛选法，具体涉及一种电子电气产品聚合物材料中六溴环十二烷的热裂解-气相色谱-质谱定性筛选法。
背景技术
早在1997年，欧盟就开始对六溴环十二烷(Hexabromocyclododecane，HBCDD)进行了风险评估工作，将HBCDD归于重点管控物质。此后，美国、澳大利亚、加拿大等国也相继开展评估工作，挪威已将HBCDD列入了国家禁用化学物质。2013年，联合国《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》宣布在全球范围内禁止生产和使用HBCDD。近年来，世界各国对于安全、环保要求日趋严格，欧盟、挪威等国家已经颁布了相关技术法规和限量标准。国际生态纺织品标准(Standard 100)于2009年的修订版本中增加了HBCDD阻燃剂禁止使用；美国服装与鞋类协会(AAFA)受限物质清单(RSL)的创建，限制和禁止在家纺、服装和鞋类成品中使用HBCDD。另有部分法规在电子电气设备领域对HBCDD的使用进行了明确规定。2007年挪威污染控制管理局发布的《消费性产品中禁用特定有害物质》(PoHS)禁令要求HBCDD在电子电气、塑料、纺织品和皮革等工业产品和消费品中的含量不得高于0.1％。2008年欧洲化学管理局(ECHA)颁布的REACH法规将HBCDD列入首批15项高关注物质(SVHC)清单，规定其在消费品中含量不得高于0.1％。欧盟《电子电气设备中限制使用某些有害物质指令》(RoHS)也对该类物质的使用和限量进行了关注。这些指令及法规的实施必然会对我国电子电气设备的出口产生影响。
HBCDD是一种高含溴量的脂环族添加型高效阻燃剂，与多溴联苯醚、四溴双酚A合称为世界三大阻燃剂，主要用作聚苯乙烯(PS)、聚丙烯(PP)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)、聚乙烯(PE)、聚碳酸酯(PC)等材料中，参考用量为2％左右，工业产品主要有α-、β-和γ-HBCDD三种同分异构体。现有法规涉及的HBCDD的CAS号如表1所示。HBCDD作为一种高毒性、易于生物累积的持久性有机污染物，可在生产、使用以及废弃物的处置过程中进入环境。由于HBCDD广泛使用，在全球范围内已经带来一定程度的环境问题，是环境污染的重度“危险物质”。
表1：现有法规涉及HBCDD的CAS号
目前，HBCD主要的检测方法包括气相色谱-质谱联用法、液相色谱-质谱联用法、超高效液相色谱-质谱联用法等。但研究报道主要集中在生物、环境和食品样品等方面，对电子电气类产品的研究相对较少。而且现有的检测方法前处理过程复杂，大多采用溶剂萃取法，不仅消耗大量的有机溶剂，而且耗时较长，费用昂贵。本发明采用热解析-气相色谱-质谱法(Py-GC-MS)对电子电气产品中的HBCDD进行快速定性筛选，聚合物样品经粉碎后，直接引入热裂解仪器中，以特定的加热程序将HBCDD从聚合物材料中解析出来。热解析出的HBCDD进入气相色谱-质谱仪进行分析，通过保留时间和化合物特征离子定性。该方法无需复杂的前处理过程，固体样品直接进样，样品用量少，灵敏度高。
发明内容
根据以上现有技术的不足，本发明提供一种电子电气产品聚合物材料中六溴环十二烷的定性筛选法，方法简单快速，无需复杂的前处理过程，固体样品直接进样，样品用量少，灵敏度高，可满足实际电子电气产品中六溴环十二烷快速筛选的需要。
本发明所述的一种电子电气产品聚合物材料中六溴环十二烷的定性筛选法，其特征在于：将待测样品放入到热裂解器中进行热解析，热解析释放的六溴环十二烷经热裂解器的出口直接进入到气相色谱-质谱联用仪的进样口中，然后在气相色谱-质谱联用仪中进行后续的分析测定。
其中，优选方案如下：
所述的待测样品的用量为0.5mg，精确到0.01mg，可以为片状或粉末状，对具体规格无具体限制，只要满足质量要求即可。
所述的热裂解器的热解析温度为300℃瞬间裂解，即待测样品在热裂解器中经升温至300℃时，HBCCD即释放完全，可以结束热裂解器的工作。
所述的气相色谱-质谱联用仪中气相色谱的条件为：采用VF-5MS毛细管柱；升温程序：初温150℃，保持2min，以15℃/min升至280℃，保持10min；进样口温度为250℃，分流进样，分流比20:1；载气为氦气，流速1.0mL/min。
所述的VF-5MS毛细管柱规格为柱长15m、内径0.25mm、膜厚0.1μm。
所述的气相色谱-质谱联用仪中质谱的条件为：电子轰击电离源，电子能量70eV；质谱接口温度280℃，离子源温度230℃，四级杆温度150℃；质量扫描方式为SIM模式，定性离子：239，319，401，561amu，定量离子319amu。
所述的热裂解器采用日本Frontier公司生产的EGA/PY-3030D型号。
所述的气相色谱-质谱联用仪采用美国Agilent公司生产的5890N/5975C型号。
本发明所具有的的优点是：待测样品经粉碎或剪切后，直接引入热裂解器中，以300℃瞬间裂解的方式将六溴环十二烷从聚合物材料中解析出来，进入气相色谱/质谱，采用VF-5MS毛细管柱(15m，0.25mm，0.1μm)分离，通过保留时间和化合物特征离子定性。方法的检出限可达100mg/kg。方法简单快速，无需复杂的前处理过程，固体样品直接进样，样品用量少，灵敏度高，可满足实际电子电气产品中六溴环十二烷快速筛选的需要。
附图说明
图1为实施例2中PC样品中HBCDD化合物的热解吸区域离子色谱图；
图2为实施例2中四种不同的高分子材料中HBCDD化合物的热解吸区域离子色谱图；
图3为实施例2中GC-MS中不同进样口分流比条件下的HBCDD的吸收峰谱图；
图4为实施例2中GC-MS中不同进样口温度条件下的HBCDD的吸收峰谱图；
图5为实施例2中GC-MS中不同初始温度条件下的HBCDD的吸收峰谱图；
图6为实施例2中GC-MS中不同升温速度条件下的HBCDD的吸收峰谱图；
图7为实施例2中HBCDD标准溶液的总离子流图(SIM模式)；
图8为实施例2中PC/PS为基质的HBCDD的标准曲线；
图9为实施例2中PC塑料基质中HBCDD的吸收峰谱图；
图10为实施例2中PS塑料基质中HBCDD的吸收峰谱图；
图11为实施例2中PP塑料基质中HBCDD的吸收峰谱图；
图12为实施例2中PE塑料基质中HBCDD的吸收峰谱图；
图13为实施例2中PMMA塑料基质中HBCDD的吸收峰谱图；
图14为实施例2中ABS塑料基质中HBCDD的吸收峰谱图；
图15为实施例3中的PC阳性样品的总离子流图(SIM模式)；
图16为实施例3中的PS阳性样品的总离子流图(SIM模式)。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明做进一步说明。
实施例1：
一种电子电气产品聚合物材料中六溴环十二烷的定性筛选法，使用镊子或者微量勺取0.5mg的小片或粉末样品放入样品杯中，精确到0.01mg。将称量好的样品放入到热裂解器中进行热解析，热解析释放的六溴环十二烷经热裂解器的出口直接进入到气相色谱-质谱联用仪的进样口中，然后在气相色谱-质谱联用仪中进行后续的分析测定。
所述的热裂解器的热解析温度为300℃瞬间裂解，即待测样品在热裂解器中经升温至300℃时，HBCCD即释放完全，可以结束热裂解器的工作。
所述的气相色谱-质谱联用仪中气相色谱的条件为：采用VF-5MS毛细管柱；升温程序：初温150℃，保持2min，以15℃/min升至280℃，保持10min；进样口温度为250℃，分流进样，分流比20:1；载气为氦气，流速1.0mL/min。
所述的VF-5MS毛细管柱规格为柱长15m、内径0.25mm、膜厚0.1μm。
所述的气相色谱-质谱联用仪中质谱的条件为：电子轰击电离源，电子能量70eV；质谱接口温度280℃，离子源温度230℃，四级杆温度150℃；质量扫描方式为SIM模式，定性离子：239，319，401，561amu，定量离子319amu。
所述的热裂解器采用日本Frontier公司生产的EGA/PY-3030D型号。
所述的气相色谱-质谱联用仪采用美国Agilent公司生产的5890N/5975C型号。
实施例2：
实施例1中的实验条件优化确定实验：
1.1仪器与试剂
气相色谱-质谱联用仪(美国Agilent公司生产的5890N/5975C型号)，热裂解器(日本Frontier公司生产的EGA/PY-3030D型号)；
分析天平，感量为0.01mg；
数控超声波清洗器(KQ-300E，昆山市超声仪器有限公司)：工作频率40kHz；
样品制备工具：剪刀、钳子、冷冻研磨机等类似工具。
微量注射器；
丙酮，四氢呋喃，二氯甲烷(色谱纯，Baker公司)；
HBCDD标准品(CAS：3194-55-6，纯度95％)，上海麦克林生化科技有限公司。
HBCDD标准品(CAS：25637-99-4，纯度97％)，摩贝(上海)生物科技有限公司。
1.2标准溶液的配制
HBCDD标准储备溶液：准确称取0.01g标准品，用丙酮溶解并转移到10mL的容量瓶中定容，配制成1000mg/L的标准储备液，置于棕色瓶中于4℃冰箱内保存。
HBCDD标准工作溶液：根据需要，移取适量HBCDD标准储备溶液用丙酮逐级稀释，摇匀，配制成系列标准工作溶液。
1.3阳性样品的制备
准确称取不含目标物的塑料原粒5.0g，加入100mL的有机溶剂，超声直至溶解完全，配制成50mg/mL的空白溶液。溶解塑料的有机溶剂如表2所示。
表2：溶解塑料基质的有机溶剂
塑料基质 ABS PC PS PMMA PVC
有机溶剂 丙酮 二氯甲烷 二氯甲烷 二氯甲烷 四氢呋喃
向空白溶液中加入一定量的HBCDD标准工作溶液，超声混匀后倒入聚四氟乙烯托盘，放入通风橱中，直至溶剂完全挥发。得到的塑料阳性样品粉碎，备用。
2.1 HBCDD热解吸条件试验
释放气体分析(EGA)-质谱(MS)用来确定HBCDD化合物的热解吸区域。该部分采用去活的不锈钢管UA-DTM(2.5m×0.15mmi.d)进行实验，热解吸阶段挥发出来的组分通过不锈钢管直接被质谱检测。样品温度与检测信号的关系图就是EGA谱图。
以含有HBCDD的阳性样品PC为例，热裂解器从100℃到700℃以10℃/min的速度程序升温，得到PC样品的EGA谱图。离子239是HBCDD的特征离子，用来确定塑料基体中HBCDD热解吸的温度。结果如图1所示。
从图1中看出，HBCDD从100℃开始释放，300℃之前释放完全。该方法仅需要把目标化合物HBCDD从塑料基体中解析出来，不必使塑料裂解。塑料裂解产生的碎片反而对HBCDD的检测有一定的影响。实验结果显示的温度段PC仅有少部分裂解，因此HBCDD热解吸的温度段确定为：100-300℃。类似的，常见含有HBCDD化合物的塑料基体(PVC//ABS/PS/PC)的EGA图如图2所示。图中显示不同的塑料基体中，HBCDD的热解吸区间基本一致。最终确定HBCDD的热解吸温度：300℃瞬间裂解。
2.2 GC-MS检测条件优化
2.2.1进样口分流比的确定
如图3所示，分别设置进样口分流比为20:1和50:1进行实验。实验结果发现，分流比为20:1时，HBCDD响应值更高，峰型更佳。最终确定进样口分流比为20:1。
2.2.2进样口温度的选择
如图4所示，试验设置三个不同的进样口温度200℃、250℃和300℃进行考察。实验结果表明：进样口温度200℃时，热裂解阶段挥发出来的HBCDD可能在进样口发生部分冷凝，响应值较低；进样口温度300℃时，HBCDD分解程度大。进样口温度250℃时分解峰最小，主峰响应值最大，最终选择250℃作为进样口温度。
2.2.3升温程序的优化
如图5所示，进样口温度250℃，程序升温初始温度分别设为100、120、150和200℃，考察同一升温速率下HBCDD的响应，结果发现初始温度为150℃时，样品的响应值最高。在此条件下，如图6所示，选用10、15、20℃/min三个不同的升温速率，比较HBCDD的响应，结果表明升温速率为15℃/min时，HBCDD峰型最佳。
2.2.4标准品色谱图
六溴环十二烷有多种异构体，目前法规、指令规定涉及的和市售的主要有：1,2,5,6,9,10-HBCDD(CAS号：3194-55-6)及其异构体α-HBCDD(CAS号：134237-50-6)、β-HBCDD(CAS号：134237-51-7)、γ-HBCDD(CAS号：134237-52-8)和1,3,5,7,9,11-HBCDD(CAS号：25637-99-4)，详见表1。文献报道，采用气相色谱-质谱测定，在VF-5MS类毛细管柱上α-HBCDD、β-HBCDD和γ-HBCDD三种同分异构体，无论是保留时间还是响应因子，都几乎完全一样，无法进行分离(唐志锟，陈强等。气相色谱-质谱法测定涂料中的六溴环十二烷[J]，理化检测，2012,48(7)：807-810。)。采用优化后的仪器条件对HBCDD(CAS：3194-55-6和CAS：25637-99-4)标准溶液进行分析，其总离子流图(SIM模式)如图7所示。从图3看出，两个CAS号对应的标准物质保留时间完全一致。现有市售较多的HBCDD对应的CAS号为3194-55-6。因此，本实验选取HBCDD(3194-55-6)作为研究物质。
2.3工作曲线
分别以空白塑料样品PC、PS为基质，配制HBCDD浓度为200、500、1000、1200和1500mg/kg的系列标准物质，绘制标准曲线如图8所示。结果表明无论哪种基质，HBCDD均呈现良好的线性关系，相关系数均大于0.99。但PC和PS为基质的标准曲线斜率有一定的差异，即基质效应抑制目标分析物HBCDD的测定。因此，实际样品检测过程中，鉴于样品基质的差异，阳性样品应采用标准加入法作为校准方法用于半定量分析。
2.4检出限
分别以空白塑料样品(PC、PS、ABS、PP、PE和PMMA)为基质，配制HBCDD浓度为100mg/kg的标准物质。标准物质的制备可以按如下方法：在样品杯中注入10μL空白塑料溶液(50mg/mL)和5uL HBCDD标准工作溶液(10μg/mL)，置于室温下干燥后测定。标准物质的吸收峰如图9～图14所示。根据标准物质的吸收峰作信噪比计算，结果如表3所示。
表3：各塑料基质中HBCDD吸收峰信噪比
塑料基质 信噪比(S/N)
PC 9.2
PS 4.6
ABS 3.4
PP 11.2
PE 11.7
PMMA 7.7
各种塑料基质中，浓度为100mg/kg的HBCDD标准物质的信噪比均大于3，方法检出限设为100mg/kg，远低于REACH法规要求的1000mg/kg的限量标准。
2.5阳性样品的测定
选择电子电气产品中广泛使用的3种塑料(PC、PS和ABS)空白样品作为基质，制备阳性样品进行实验，每个水平平行测定3次，标准加入法进行半定量分析。结果如表4所示。结果表明，方法无假阴性，半定量结果的标准偏差均小于20％。
表4：阳性样品的测定
实施例3：
采用实施例1所建立的方法对对1#电脑显示屏外壳(黑色)、2#硒鼓外壳(灰色)、3#打印机外壳(白色)、4#鼠标壳(黑色)、5#鼠标线外壳(黑色)、6#鼠标线内线壳(橙色)、7#鼠标线接口胶套(绿色)、8#插排外壳(白色)、9#插排开关(红色)、10#插排显示屏壳(透明色)、11#插排线外壳(白色)、12#插排线内线外壳(蓝色)、13#插排插头处外壳(白色)13个实际样品以及自制PC、PS样品进行了测定，检测结果如表5所示。阳性样品PC、PS的色谱图如图15和图16所示。
表5：实际样品检测结果

Claims (8)

1.电子电气产品聚合物材料中六溴环十二烷的定性筛选法，其特征在于：将待测样品放入到热裂解器中进行热解析，热解析释放的六溴环十二烷经热裂解器的出口直接进入到气相色谱-质谱联用仪的进样口中，然后在气相色谱-质谱联用仪中进行后续的分析测定。
2.根据权利要求1所述的电子电气产品聚合物材料中六溴环十二烷的定性筛选法，其特征在于：所述的待测样品的用量为0.5mg，精确到0.01mg。
3.根据权利要求1所述的电子电气产品聚合物材料中六溴环十二烷的定性筛选法，其特征在于：所述的热裂解器的热解析温度为300℃瞬间裂解。
4.根据权利要求1所述的电子电气产品聚合物材料中六溴环十二烷的定性筛选法，其特征在于：所述的气相色谱-质谱联用仪中气相色谱的条件为：采用VF-5MS毛细管柱；升温程序：初温150℃，保持2min，以15℃/min升至280℃，保持10min；进样口温度为250℃，分流进样，分流比20:1；载气为氦气，流速1.0mL/min。
5.根据权利要求4所述的电子电气产品聚合物材料中六溴环十二烷的定性筛选法，其特征在于：所述的VF-5MS毛细管柱规格为柱长15m、内径0.25mm、膜厚0.1μm。
6.根据权利要求1所述的电子电气产品聚合物材料中六溴环十二烷的定性筛选法，其特征在于：所述的气相色谱-质谱联用仪中质谱的条件为：电子轰击电离源，电子能量70eV；质谱接口温度280℃，离子源温度230℃，四级杆温度150℃；质量扫描方式为SIM模式，定性离子：239，319，401，561amu，定量离子319amu。
7.根据权利要求1所述的电子电气产品聚合物材料中六溴环十二烷的定性筛选法，其特征在于：所述的热裂解器采用日本Frontier公司生产的EGA/PY-3030D型号。
8.根据权利要求1所述的电子电气产品聚合物材料中六溴环十二烷的定性筛选法，其特征在于：所述的气相色谱-质谱联用仪采用美国Agilent公司生产的5890N/5975C型号。
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