頂空GC-MS 測定皮革及其制品中的9 種溶劑殘留

陸靜，付善良，成婧，賀鵬，朱紹華，陳練

（長沙海關技術中心，湖南長沙410004）

引言

在皮革生產加工產品過程中，不可避免地要使用各種各樣的化學品，特別是復鞣、加脂、染色等后整理加工工序，作為典型的化學處理過程，會用到種類繁多的有機溶劑、染料、助劑等，最終導致在皮革成品中揮發(fā)性有機化合物（VOCs）的殘留，這些物質散發(fā)于空氣中可經由皮膚接觸或呼吸進入人體，在皮革消費量日漸增加的今天，其對人體健康和生態(tài)環(huán)境的影響已成為不可忽視的重要問題[1]。如乙二醇醚類有機溶劑在體內代謝后會形成劇毒物質，對人體造成永久性傷害，甚至會致癌。歐盟法規(guī)《化學品的注冊、評估、授權和限制》（REACH 法規(guī)）規(guī)定，乙二醇醚類有機溶劑使用量不得超過0.1%[2]。N，N-二甲基甲酰胺（DMF）對皮膚有輕微刺激性，有時可引起過敏，其蒸氣或霧對眼睛、粘膜和上呼吸道有刺激作用；N，N-二甲基乙酰胺（DMAc）中毒表現(xiàn)為活動減少，四肢無力，側臥，呼吸急促。目前，這兩種酰胺類物質均被列為REACH 法規(guī)中的高度關注物質（SVHC）[3]，每一種化合物的限制均為1000 mg/kg。

對于皮革中殘留溶劑的測定方法研究，報道的檢測方法主要為氣相色譜法（GC）[4-6]和氣相色譜-質譜法（GC-MS）[2,3,5,7,8]，樣品處理方式主要為有機溶劑直接提取法[2,3,9]、頂空（HS）直接進樣[5,10,11]，頂空-吹掃捕集-氣相色譜質譜法[8,12]、頂空-固相萃取（HS-SPME）進樣[13]。采用GC-MS 法測定易揮發(fā)性有機溶劑時，具有較高的準確度、較好的確證性和較高的靈敏度，并可以通過選擇離子模式排除本底和干擾離子的影響。

因此，本研究選取已列入SVHC 清單的乙二醇二乙醚（CET）、乙二醇單甲醚（2-ME）、乙二醇單乙醚（2-EE）、乙二醇乙醚醋酸酯（CAC）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、N,N-二甲基乙酰胺（DMAc）、1,2,3-三氯丙烷（TCP）、N-甲基吡咯烷酮（NMP）和三乙二醇二甲醚（TCE）9 種有機溶劑為研究對象，擬采用GC-MS 法測定其在皮革及皮革制品中的殘留量。檢測方法主要包括樣品的前處理和儀器分析2 個方面，本文在綜合VOCs 檢測技術的基礎上，采用目前應用較為成熟的頂空進樣分析技術，對皮革中VOCs 的含量進行測試。研究中以GC-MS 作為分析儀器，選擇系列皮革樣品，采用已建立的方法，對樣品中的多種VOCs 進行定量檢測，基于系列測定結果，評估皮革中揮發(fā)性有機物含量的現(xiàn)狀。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

HS-20 頂空進樣器（日本島津公司），GCMS-QP2020 氣相色譜質譜（日本島津公司）。電子分析天平。

甲醇（色譜純，德國Merck 公司）；乙二醇二乙醚（CET，純度98.0%，加拿大TRC 公司）、乙二醇單甲醚（2-ME，純度99.7%，德國Dr.S.Ehernstorfer 公司），乙二醇單乙醚（2-EE，純度99.4%，德國Dr.S.Ehernstorfer 公司）、乙二醇乙醚醋酸酯（CAC，純度99.2%，德國Dr.S.Ehernstorfer 公司）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF，純度99.9%，德國Dr.S.Ehernstorfer 公司）、N,N-二甲基乙酰胺（DMAc，純度99.9%，德國Dr.S.Ehernstorfer 公司）、1,2,3-三氯丙烷（TCP，純度99.5%，美國ACCU 公司）、N-甲基吡咯烷酮（NMP，純度99.5%，德國Dr.S.Ehernstorfer 公司）、三甘醇二甲醚（TCE，純度99.7%，北京曼哈格公司）。

混合標準溶液：稱取CET、2-ME、2-EE、CAC、DMF、DMAc、TCP、NMP、TCE 各50 mg，置于預先加入2 mL 甲醇的10 mL 容量瓶內，溶解后用甲醇稀釋至刻度，搖勻，各濃度均為5 mg/mL。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品處理條件

空白樣品的處理：將皮革及其制品剪成大小約0.5 cm×0.5 cm 的顆粒，于真空干燥箱中90 ℃下干燥24 h 左右，直到GC-MS 分析無干擾。

測試樣品的處理：用剪刀或其他工具將皮革樣品剪成大小約0.5 cm×0.5 cm 的顆粒，稱取1.00 g（精確至0.001 g）樣品放入頂空瓶中，加入50 μL 的甲醇，迅速壓緊瓶蓋，于80 ℃下恒溫60 min，自動頂空進樣器抽取瓶內氣體，用GC-MS 分析，采用基質校正，外標法定量。

1.2.2 儀器分析條件

頂空條件：平衡溫度為80 ℃，平衡時間為60 min，加壓時間1.5 min，加壓平衡時間1.0 min，進樣時間1 min，樣品流路溫度100 ℃，傳輸線溫度120℃，GC 循環(huán)時間35 min。

氣相色譜-質譜條件：色譜柱Agilent DB-Wax UI（60 m×0.25 mm×0.25 μm），分流比為20∶1；柱升溫程序：初始溫度50 ℃，保持1 min，以10 ℃/min升溫至200 ℃，保持9 min；接口溫度220 ℃，載氣為氦氣（純度不小于99.999%），流量為1 mL/min，恒流模式；離子源溫度230 ℃，電離能量70 eV。溶劑延遲時間4.5 min。

表1 9 種殘留溶劑定量離子、定性離子和保留時間Tab.1 Quantitative ions, qualitative ions and retention time of 9 residual solvents

圖1 9 種殘留溶劑標準溶液色譜圖（20 μg）Fig.1 Chromatogram of 9 residual solvent standard solutions (20 μg)

質量掃描方式：選擇離子掃描模式（SIM）。各物質定量離子和定性離子及保留時間見表1。

2 結果與分析

2.1 色譜柱及儀器檢測條件的選擇

色譜分離時，固定液種類的不同極大地影響目標化合物在色譜柱上的保留時間和分離度。本實驗選用了Agilent DB-624（30 m×0.25 mm×1.4 μm）、Agilent CP-Wax 57CB （50 m×0.32 mm×1.2 μm）、Agilent CP-Wax 57CB（50 m×0.25 mm×0.2 μm）和Agilent DB-Wax UI（60 m×0.25 mm×0.25 μm）四種不同型號及規(guī)格的毛細管色譜柱。當選用聚二甲基硅氧烷類的DB-624 色譜柱時，結果發(fā)現(xiàn)CET、2-ME、2-EE 的響應差，CAC 和TCP 得不到有效的分離，且峰形較差。當選用聚乙二醇類的Wax 色譜柱時，各物質的峰形好，峰形均較對稱，而且也能得到有效的分離。這是由于Wax 色譜柱的極性較DB-624 的極性強，更加適合于強極性類的醇醚、酰胺等有機溶劑的分析[2]。

本研究還同時對比了三種不同規(guī)格的Wax 色譜柱的分析測定效果。當選用長度更長、內徑更小、膜層更薄的色譜柱時，各物質的分離度更優(yōu)，且柱流失較小，能夠得到更小的基線噪音，從而達到了降低檢出限的目的。圖1 為9 種殘留溶劑標準樣品的色譜圖（20 μg）。

2.2 樣品前處理方法的選擇

比較了超聲萃取、直接頂空進樣等前處理方法。皮革直接提取方法多采用有機溶劑，如三氯甲烷[14]、甲醇[2，3]、乙酸乙酯[15]等，大量有毒有機溶劑的使用，不僅對實驗室環(huán)境造成污染，也容易影響實驗操作人員的身心健康。同時，皮革樣品基質十分復雜，大量雜質往往會與待測組分一起被提取出來，嚴重干擾待測組分的測定，因此，直接提取法后續(xù)一般需要進一步的凈化過程，如采取固相萃取小柱凈化[16]。而樣品直接頂空加熱，前處理更簡單，避免了難揮發(fā)組分帶來的干擾，同時避免了大量有機溶劑的使用，對環(huán)境友好，因此本實驗選擇直接頂空進樣的前處理方法。

圖2 頂空平衡溫度對各化合物測定的影響Fig.2 Effect of headspace equilibrium temperature on the determination of various compounds

圖3 頂空平衡時間對各化合物測定的影響Fig.3 Effect of headspace equilibrium time on the determination of various compounds

程小艷等人采用頂空法分析皮革中的揮發(fā)性有機物，發(fā)現(xiàn)含有皮革基質的頂空效率只有無基質標準溶液頂空效率的29%，而且內標法也無法補償標準溶液中的皮革基質效應[8]。其中頂空氣相色譜法定量方法多為外標法，但由于基質有一定的吸附性，使得直接以標準溶液進行定量的外標法回收率偏低，定量不準確。因此，本方法采用基質曲線進行校正和定量，測定皮革及其制品中9種溶劑殘留，同時對該方法的基質效應進行了系統(tǒng)研究。

表2 HS-GC/MS 法測定皮革中9 種溶劑殘留的線性方程Tab.2 The linear equation for the determination of 9 residual solvents in leather by HS-GC/MS

2.3 頂空條件的選擇

頂空提取過程是一個氣相-固相平衡過程，影響待測物分析結果的因素主要有平衡溫度、平衡時間等。于20 mL 頂空瓶中加入50 μL 質量濃度為40 μg/mL 的9 種殘留溶劑標準溶液，每個平行測定3 次，對頂空條件進行了優(yōu)化。

（1）分別對平衡溫度80 ℃、90 ℃進行了探討，結果如圖2 所示，溫度對各化合物的響應值影響不大，說明繼續(xù)升高溫度對于提高方法靈敏度的作用不大。由于頂空瓶體積恒定、耐受壓力有限，為了避免高溫帶來的壓力不穩(wěn)定影響，本實驗選擇80 ℃的平衡溫度。

（2）對平衡時間30、45、60 min 進行了探討，結果如圖3 所示，隨著時間的增加，各化合物的響應增加，45、60 min 時各化合物的響應差異不大，但是在60 min 時，TCE 和NMP 的重復性較45 min 好，這可能跟兩者具有較高的沸點有關。其他7 種化合物的重復性受儀器條件影響較小，因此本實驗選擇60 min 的平衡時間。

2.4 方法的線性和檢出限

對上述已經優(yōu)化的方法進行了線性和檢出限（Limit of detection,LOD）的考察。用甲醇將9 種有機溶劑配成濃度為20～1000 μg/mL 的6 個濃度標準工 作 液（濃 度 分 別 為20，40，100，200，400，1000 μg/mL）。分別加入50 μL 不同濃度標準溶液（加入的含量依次為1、2、5、10、20、50 μg），于含有1.0 g空白樣品的頂空瓶中，壓緊瓶蓋，然后將標準樣品按含量從低到高濃度，在上述優(yōu)化好的儀器條件下依次測定。以目標物的含量為橫坐標，峰面積為縱坐標，繪制標準曲線，求出線性相關方程，各物質的線性方程見表2，線性相關系數R2＞0.99，表明該方法在較寬的濃度范圍內色譜峰面積與含量呈較好的線性關系。根據國際純粹和應用化學聯(lián)合會（IUPAC）對檢出限和定量限所作的規(guī)定，進行空白樣品加標實驗，S/N 為3 時，對應的加標濃度為檢出限，S/N 為10 時，對應的加標濃度為定量限。本方法各溶劑的檢出限和定量限見表2，9 種殘留溶劑的方法檢出限為0.11～0.68 mg/kg，由表2 的數據可知，DMF 和DMAc 的方法檢出限和定量限完全可以滿足REACH 法規(guī)對于酰胺類化合物的限制和檢測要求（1000 mg/kg）[3]。

2.5 方法的基質效應

皮革樣品基質復雜，為了研究該方法的基質效應，我們分別選取了PU 皮、豬皮、牛皮、羊皮、袋鼠皮等皮革樣品，按上述處理步驟，于含有空白樣品的頂空瓶、頂空瓶中分別加入50 μL 的不同濃度標準溶液，以HS-GC/MS 測定。以上述兩種不同校正曲線的斜率，按下式計算基質效應：

基質效應=（基質標準曲線的斜率-容積標準曲線的斜率）/溶劑標準曲線的斜率×100%

表3 9 種殘留溶劑在各樣品中的基質效應Tab.3 Matrix effects of 9 residual solvents in different samples

當｜基質效應｜＜20%為弱基質效應，可忽略而無需采取補償措施；當20%≤｜基質效應｜≤50%為中等程度基質效應；當｜基質效應｜＞50%為強基質效應，兩者均須采取措施補償基質效應[24]。9 種殘留溶劑在上述5 種樣品中的基質效應見表3。由表3 數據可知，9 種殘留溶劑在不同的皮革中均存在較強的基質效應。皮革對殘留溶劑的影響主要是其具有較強的吸附作用，皮革會對一些揮發(fā)物產生吸附，使其在加熱時，一些物質不能被完全釋放出來，產生基質抑制效應，從而影響方法的準確度[10]。因此，在使用HS-GC/MS 法測定皮革中的殘留溶劑時，需要以基質校正曲線進行定量，以減少強基質效應帶來的干擾。

表4 9 種溶劑在皮革中的加標回收率和相對標準偏差(n=6)Tab.4 Recoveries and relative standard deviations (RSD) of 9 organic solvent residues in leather (n=6)

表5 9 種殘留溶劑在實際樣品中的檢測情況Tab.5 The content of 9 residual solvents in real samples

2.6 方法的回收率和精密度

分別以空白PU 皮、豬皮、牛皮、羊皮、袋鼠皮等皮為例，9 種溶劑的添加濃度為1 mg/kg、2 mg/kg、20 mg/kg，按上述方法進行樣品前處理并分析測定，采用基質校正，外標法定量，每個添加濃度設6 組平行實驗，實驗結果見表4。各添加水平，9 種溶劑的回收率為82.9%～106.5%，相對標準偏差（Relative standard deviation,RSD）為1.7%～8.9%。因此，該方法準確可靠，可以滿足實際皮革及其制品中9 種溶劑殘留的測定要求。

2.7 實際樣品的測定

圖4 9 種殘留溶劑在實際樣品中的總離子流圖Fig.4 Total ion chromatogram of 9 residual solvents in real sample

本實驗選取常見的皮革樣品進行測試，結果見表5。由表5 可知，檢出的有機物主要為DMF、DMAc 酰胺類有機溶劑，以及2-EE、TCE 醇醚類有機溶劑，同時NMP 也有檢出。其中DMF 在PU 皮及真皮中的檢出率為100%，含量為4.5～624.3 mg/kg，濃度最高的樣品含量超過REACH 限量（1000 mg/kg）的一半，同時DMF 在真皮中的含量也遠遠大于其在PU 皮中的含量。真皮中的DMAc 也均有檢出，含量為1.8～57.7 mg/kg。目前只在PU 皮中檢測到少量的TCE，含量為1.3～2.0 mg/kg，在真皮中檢測到少量的2-EE，含量為0.5～2.2 mg/kg，可能與制備過程有關。其中殘留溶劑較嚴重的樣品是土黃色牛皮，圖4 是該樣品的總離子流圖，該樣品中共檢出DMF、DMAc 和NMP 3 種有機溶劑，其含量分別為543.5、57.7、67.2 mg/kg，殘 留 溶 劑 總 量 為668.4 mg/kg。

3 結論

本論文建立了一種直接頂空進樣測定皮革及其制品種9 種溶劑殘留的方法。樣品前處理簡單，不需要使用大量的提取溶劑。采用基質校正，外標法定量，結果準確，方法靈敏度高、精密度好，適用于大量皮革樣品中9 種殘留溶劑的簡單分析和檢測。