液相色譜法測定環(huán)境空氣中異氰酸酯類化合物

張歡燕，陳曉婷，陸立群，宋釗，周守毅

(上海市環(huán)境監(jiān)測中心，上海 200030)

異氰酸酯類化合物是一類含有異氰酸酯基團(tuán)(—NCO)的低分子質(zhì)量芳香族和脂肪族化合物，—NCO官能團(tuán)反應(yīng)活性高，易與水、甲醇、胺等活潑氫化合物發(fā)生反應(yīng)。此類化合物廣泛應(yīng)用于涂料、聚氨酯、塑料和黏合劑等工業(yè)[1]，年消耗量最大的分別是甲苯二異氰酸酯(TDI)、二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI)和六亞甲基二異氰酸酯(HDI)。其中TDI有2種異構(gòu)體：2,4-甲苯二異氰酸酯(2,4-TDI)和2,6-甲苯二異氰酸酯(2,6-TDI)。異氰酸酯是一種廣為人知的呼吸道致敏物[2]，也是多靶器官毒性的空氣污染物[3-4]，其環(huán)境危害不容忽視[5-6]。

目前，我國僅對工作場所TDI和MDI的排放濃度進(jìn)行了規(guī)定[7]，上海市地方標(biāo)準(zhǔn)《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 31/933—2015)中對異氰酸酯類的排放濃度和速率做出了限值要求，而生態(tài)環(huán)境部還未對其排放做出相關(guān)規(guī)定。工作場所環(huán)境空氣的分析普遍通過衍生化試劑捕集并生成穩(wěn)定的衍生物來實(shí)現(xiàn)[8],相關(guān)分析標(biāo)準(zhǔn)主要有工作場所空氣有毒物質(zhì)測定系列標(biāo)準(zhǔn)(GBZ—T 300)[9-11]。國內(nèi)外現(xiàn)有的異氰酸酯標(biāo)準(zhǔn)檢測方法雖各有異同，但均是針對工作場所中的異氰酸酯類化合物，缺少對環(huán)境空氣或固定污染源廢氣中此類化合物的檢測標(biāo)準(zhǔn)。

異氰酸酯因反應(yīng)活性高，故在使用液相色譜測定時(shí)需要先將其衍生化，以測其穩(wěn)定的衍生化產(chǎn)物的含量，再推算其游離異氰酸酯的含量[12]。空氣中的氣溶膠態(tài)和蒸氣態(tài)異氰酸酯可用浸漬濾膜采集，與1-(2-吡啶)哌嗪(1-2PP)反應(yīng)生成較穩(wěn)定的脲類衍生物，用含10 %二甲亞砜(DMSO)的乙腈溶劑洗脫，經(jīng)C18或C8液相色譜柱分離，可用熒光或紫外檢測器檢測?，F(xiàn)根據(jù)異氰酸酯的檢測原理，優(yōu)化了色譜條件和采集方法，建立了基于液相色譜分析測定空氣中2,4-TDI、2,6-TDI、MDI和HDI 的檢測方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

儀器：TDP-1000C型雙氣路大氣采樣儀(鹽城市科博電子儀器有限公司)；1260高效液相色譜儀(美國Agilent公司)，配有二極管陣列檢測器(DAD)和熒光檢測器(FLD)； Luna C8(2)高效液相色譜柱(3 μm×100 mm×2.00 mm，美國Phenomenex公司)；Zorbax Eclipse Plus C18高效液相色譜柱(5.0 μm×250 mm×4.6 mm，美國Agilent公司)；0.45 μm針頭式過濾器(上海安譜實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司)；超純水儀(美國Milli-Pore公司)。

試劑：4種異氰酸酯(2,4-TDI、2,6-TDI、HDI和MDI)未衍生化合物標(biāo)準(zhǔn)溶液(色譜純，美國o2si公司)；4種異氰酸酯的1-2PP脲類衍生物標(biāo)準(zhǔn)溶液(色譜純，美國Supelco公司)；1-2PP標(biāo)準(zhǔn)溶液(純度>99.0%，美國Sigma-Aldrich公司)；涂漬1-2PP的玻璃纖維濾膜(直徑37 mm，美國Supelco公司)；乙腈、DMSO、乙酸酐、乙酸銨(均為色譜純，德國Merck公司)；超純水(電阻率18.2 MΩ·cm)。

1.2 樣品采集與保存

采樣點(diǎn)的位置、采樣頻次、采樣器的放置以及采樣記錄等參照《大氣污染物無組織排放監(jiān)測技術(shù)導(dǎo)則》(HJ/T 55—2000)和《環(huán)境空氣質(zhì)量手工監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ 194—2017)的相關(guān)規(guī)定。

采樣開始，用裝好浸漬濾膜的采樣夾連接在采樣泵上，進(jìn)行敞開式采樣。校準(zhǔn)流量1 L/min，采集15.0 L氣體樣品。通過采樣期間流速測量值的平均值，計(jì)算所采集空氣樣品的體積。采樣泵流量穩(wěn)定，調(diào)節(jié)氣體流量并使用一級流量計(jì)校準(zhǔn)流量時(shí)，應(yīng)滿足前后2次誤差<5 %的要求。

采樣結(jié)束，打開采樣夾，用鑷子取出濾膜，將接塵面向內(nèi)放入預(yù)裝有4 mL洗脫液[V(乙腈)/V(DMSO)=9∶1]的容器中。密封后樣品在<4 ℃的避光環(huán)境中運(yùn)輸和保存。室溫下將含浸漬濾膜的樣品瓶振蕩洗脫10 min，也可靜置洗脫1 h。試樣經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后，轉(zhuǎn)移至2 mL棕色樣品瓶中待測。

1.3 實(shí)驗(yàn)條件與色譜圖

選用Luna C8(2)高效液相色譜柱為分離柱，流動相A為20 mmol/L乙酸銨緩沖溶液(pH值=6.0～6.2)，流動相B為乙腈，流量為0.5 mL/min。梯度洗脫程序：0～0.5 min，70 %A；0.5～10 min，70%～30% A；10～12 min，30% A。柱溫為40 ℃，進(jìn)樣體積為10 μL。DAD檢測器波長為254 nm；FLD檢測器激發(fā)波長為240 nm，發(fā)射波長為370 nm。4種異氰酸酯的1-2PP脲類衍生物的標(biāo)準(zhǔn)溶液和實(shí)際樣品加標(biāo)溶液的液相色譜圖見圖1(a)(b)(c)(d)。

1.4 結(jié)果測定

DAD和FLD檢測器均采用標(biāo)準(zhǔn)色譜圖中各組分的保留時(shí)間進(jìn)行定性，色譜峰面積外標(biāo)法進(jìn)行定量。

空氣樣品中的異氰酸酯類化合物的質(zhì)量濃度計(jì)算公式見式(1)：

(1)

式中：ρA——樣品中異氰酸酯類化合物的質(zhì)量濃度，μg/m3；ρl——洗脫液中異氰酸酯類化合物的質(zhì)量濃度，mg/L；Vl——洗脫液定容體積，mL；Vg——空氣樣品體積，L。

2 結(jié)果與討論

2.1 色譜方法的優(yōu)化

2.1.1 流動相選擇

2.1.2 色譜柱選擇

除本方法使用C8色譜柱，也可使用其他性能近似的液相色譜柱，如C18柱(250 mm×4.6 mm×5 μm)，經(jīng)條件優(yōu)化，2,6-TDI和HDI的色譜分離度也可達(dá)到1.5，色譜分離情況見圖2。

1—2,6-TDI；2—HDI；3—2,4-TDI；4—MDI

2.1.2 檢測器選擇

異氰酸酯和1-2PP的脲類衍生物在254 nm波長附近有較強(qiáng)的紫外吸收，可適用紫外或DAD檢測器(254 nm)。同時(shí)其具有熒光基團(tuán)，亦可適用選擇性較高的FLD檢測器(發(fā)射波長為370 nm，激發(fā)波長為240 nm)。2種檢測器均可用于異氰酸酯類化合物多參數(shù)的定性和定量檢測。

2.2 采集效率的影響因素

濾膜可有效采集蒸氣態(tài)樣品，對大氣塵混合樣品和部分氣溶膠態(tài)樣品等粒徑>10 μm的異氰酸酯，因不能被完全衍生，容易由于脫落或其本身的高活性而發(fā)生損失，影響采集效率。因此采樣后的濾膜需要立即浸泡在洗脫液中。氣態(tài)樣品的濕度會影響玻璃纖維濾膜對異氰酸酯衍生物的保留能力，隨濕潤空氣體積的增加，異氰酸酯衍生物的損失隨之增加[13]。

2.3 干擾的減少

任何可在玻璃纖維濾膜上采集，且可與1-2PP發(fā)生反應(yīng)或參與異氰酸酯的競爭反應(yīng)的化合物，都應(yīng)被視為干擾物，會影響色譜分析結(jié)果。空氣中造成正向和反向偏差的潛在干擾物有醛、胺、醇、羧酸類等。DAD檢測器的光譜圖結(jié)果可增強(qiáng)定性的準(zhǔn)確性，減少干擾物的假陽性影響；DAD和FLD檢測器串聯(lián)使用，可進(jìn)一步提高方法對復(fù)雜基質(zhì)樣品測定的可行性和分辨能力。

2.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線

取異氰酸酯1-2PP衍生物的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，用乙腈分別稀釋為質(zhì)量濃度為0.01，0.05，0.20，1.00，2.50，5.00 mg/L(以異氰酸酯計(jì))的標(biāo)準(zhǔn)系列。按照上述色譜條件進(jìn)行測試，以響應(yīng)值對濃度做線性回歸，結(jié)果見表1。由表1可見，每種化合物校準(zhǔn)曲線的相關(guān)系數(shù)≥0.999 9，具有較好的線性關(guān)系。

表1 異氰酸酯1-2PP衍生物的保留時(shí)間和校準(zhǔn)曲線①

2.5 方法檢出限

取適量的4種異氰酸酯未衍生的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液滴于涂漬1-2PP的玻璃纖維濾膜上，重復(fù)測試7次。當(dāng)采樣體積為15.0 L時(shí)，樣品質(zhì)量濃度為2.7 μg/m3(以異氰酸酯計(jì))。計(jì)算其測定結(jié)果的檢出限(MDL)，結(jié)果見表2。

表2 檢出限和測定下限(n=7) μg/m3

由表2可見，方法檢出限為0.8～1.0 μg/m3，測定下限為3.2～4.0 μg/m3。與美國職業(yè)安全與健康監(jiān)察局的工作場所環(huán)境空氣中異氰酸酯全程檢出限(OSHA全程MDL)和美國國家職業(yè)安全衛(wèi)生研究所的8 h加權(quán)平均濃度檢出限(NIOSH 8 h-TWA)相比[13-14]，本方法建立的檢出限完全可以滿足環(huán)境空氣中異氰酸酯類化合物的檢測。

2.6 精密度和準(zhǔn)確度

因異氰酸酯類化合物性質(zhì)極不穩(wěn)定且具有毒性，很難得到穩(wěn)定可控的氣樣測試環(huán)境，故使用4種異氰酸酯未衍生化合物的混合標(biāo)液，在1-2PP浸漬濾膜上進(jìn)行吸附和實(shí)際衍生化實(shí)驗(yàn)，以檢驗(yàn)方法的精密度和準(zhǔn)確度，并進(jìn)一步評估衍生化環(huán)節(jié)可能造成的誤差影響。分別在1-2PP浸漬濾膜上加入0.25，1.0和2.5 μg的4種異氰酸酯未衍生化合物標(biāo)準(zhǔn)溶液，各平行測定6次。4種異氰酸酯類化合物經(jīng)DAD和FLD檢測器所獲得的加標(biāo)回收率和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差見表3。由表3可見，DAD檢測器的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.1 %～6.8 %，加標(biāo)回收率為85.8%～98.7%；FLD檢測器的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.7%～5.6%，加標(biāo)回收率為85.3 %～101%。表明本方法精密度和準(zhǔn)確度均良好。

表3 異氰酸酯的加標(biāo)回收率和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(n=6) %

3 結(jié)語

依據(jù)異氰酸酯類化合物的理化性質(zhì)及反應(yīng)特性，建立了空氣中的2,4-TDI、2,6-TDI、HDI 和MDI 4種異氰酸酯類化合物的監(jiān)測分析方法。結(jié)果表明，這4種化合物在質(zhì)量濃度為0.01～5.00 mg/L 的范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)曲線線性關(guān)系良好，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.999 9。按采集空氣樣品 15.0 L 計(jì)算，方法檢出限為0.8～1.0 μg/m3，測定下限為3.2～4.0 μg/m3。相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.7%～6.8 %；加標(biāo)回收率為85.3%～101 %，吸附和衍生化效率理想。該方法可同時(shí)測定空氣中的多種異氰酸酯類化合物，采樣簡便，反應(yīng)快速、穩(wěn)定，線性范圍廣，檢出限較低，精密度和準(zhǔn)確度均能滿足檢測要求，是空氣中該類化合物檢測的可靠方法。