柱前衍生高效液相色谱法同时测定水性涂料中6种醛类化合物


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陈潜¹, 周宇艳², 程欲晓², 林苗¹

1. 东华大学化学化工与生物工程学院, 生态纺织教育部重点实验室, 上海 201620;
2. 上海出入境检验检疫局工业品与原材料检测技术中心, 上海 200135

收稿日期：2013-11-14

基金项目：国家质检总局“双打”质检公益专项基金项目（2012104020）.

通讯作者：E-mail: linmiao@dhu.edu.cn.

摘要：建立了柱前衍生高效液相色谱同时测定水性涂料中甲醛、乙醛、丙醛、苯甲醛、正戊醛和对甲基苯甲醛等6种醛类化合物的方法。样品经水超声提取后，与2，4-二硝基苯肼乙腈溶液在酸性条件下衍生，再经0.45 μm针式过滤器过滤后进样分析。系统考察了酸度调节剂、pH值、反应温度、时间等因素对衍生反应的影响，优化的反应条件为：以稀释后的盐酸溶液作为酸度调节剂，缓冲溶液pH=3，反应温度为60 ℃，反应时间为30 min。在此条件下，于0.08~2.0 mg/L浓度范围内，6种醛类化合物呈良好的线性关系；检出限为0.05~2.50 mg/kg；在2.0、4.0、6.0 mg/kg 3个水平下的加标回收率为87.0%~112.8%；RSD为1.12%~9.54%。结果表明，本方法具有较宽的线性范围，良好的精密度和准确度，适用于水性涂料中6种醛类化合物的同时测定。

关键词：柱前衍生高效液相色谱法醛类化合物 2,4-二硝基苯肼水性涂料

Simultaneous determination of six aldehydes in water-based coatings by high performance liquid chromatography with pre-column derivatization

CHEN Qian¹, ZHOU Yuyan², CHENG Yuxiao², LIN Miao¹

1. College of Chemistry, Chemical Engineering and Biotechnology, Donghua University, Key Laboratory of Science & Technology of Eco-Textile (Donghua University), Ministry of Education, Shanghai 201620, China;
2. Technical Center for Industrial Products and Raw Materials Inspection, Shanghai Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau, Shanghai 200135, China

Received: 2013-11-14

Abstract: A high performance liquid chromatography method with pre-column derivatization was developed for the simultaneous determination of formaldehyde, acetaldehyde, propionaldehyde, benzaldehyde, n-valeraldehyde and p-tolualdehyde in water-based coatings. After ultrasonic extraction with water, the samples were derivatized with 2,4-dinitrophenylhydrazine (2,4-DNPH) in acetonitrile under acidic condition, then filtrated by 0.45 μm organic syringe filters for the determination. Systematic investigation was carried out on the dependence of the derivatization conditions such as the acidity regulator, pH value, reaction temperature, reaction time and other factors. The optimized conditions were as follows: the dilute hydrochloric acid solution as acidity regulator, the pH of the buffer solution of 3, the reaction temperature of 60 ℃, and the reaction time of 30 min. Under the conditions, a linear relation was achieved in the range of 0.08-2.0 mg/L for the peak area to concentration of the six aldehydes. The detection limits were 0.05-2.50 mg/kg. The recoveries of standard addition at the spiked levels of 2.0, 4.0, 6.0 mg/kg were 87.0%-112.8% with the relative standard deviations (RSDs, n=6) of 1.12%-9.54%. The results showed that this method has a wide linear range, good precision and accuracy, and it is suitable for the simultaneous determination of the six aldehydes in water-based coatings.

Key words: pre-column derivatization high performance liquid chromatography (HPLC) aldehydes 2,4-dinitrophenylhydrazine water-based coatings

醛是一类带有强烈刺激性气味的化合物,常用作涂料中的溶剂或树脂原料,因其干扰机体代谢,具有致癌、致畸性,故会对人体健康造成严重损害^{[ 1,2 ]}。涂料中的醛类化合物会在装修涂饰过程中及日后使用过程中缓慢释放^{[ 3 ]},故我国强制性国家标准《GB 24410-2009室内装饰装修材料水性木器涂料中有害物质限量》^{[ 4 ]}及《GB 18582-2008室内装饰装修材料内墙涂料中有害物质限量》^{[ 5 ]}中严格规定涂料中甲醛含量不得超过100 mg/kg,而对其他醛类化合物无限量要求。然而随着涂料产品的升级,内含的其他有害物质也备受人们的关注,我们的课题正是顺应了这一变化,满足了涂料产品中日益增长的有害物质(特别是醛类化合物)的检测需求。

目前采用的醛类化合物定量分析方法主要有分光光度法^{[ 5 ]}、色谱法^{[ 6,7 ]}和催化动力学法^{[ 8 ]},已应用于检测水^{[ 9 ]}、大气^{[ 10 ]}、汽车尾气^{[ 11 ]}、生物基质^{[ 12,13 ]}、化妆品^{[ 14 ]}等样品,其中2,4-二硝基苯肼(2,4-DNPH)、2-氨基乙硫醇(半胱胺)和邻-五氟苯甲基羟胺(PFBOA)为常用的衍生试剂^{[ 15 ]}。刘雄艳等^{[ 16,17,18 ]}采用高效液相色谱法(HPLC)测定了涂料中的甲醛和乙醛,但同时测定涂料中的6种醛类化合物尚未见报道。

本文以2,4-二硝基苯肼作为衍生剂,采用柱前衍生高效液相色谱(HPLC)建立了水性涂料中6种醛类化合物同时测定的方法,检出限低,稳定性好,耗时短,可大大降低检测成本,缩短检测周期,应用于实际样品检测，均检出6种醛类化合物。该法为日后制定涂料中多种醛类化合物的限量标准提供了理论基础。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

Agilent 1200高效液相色谱仪(美国Agilent公司),配Agilent 1200二极管阵列检测器(DAD); PTFE针式过滤器,0.45 μ m(上海安谱科学仪器有限公司); pH计(Metrohm公司); Milli-Q超纯水一体机(Millipore公司)。

甲醛(37%水溶液,含稳定剂)、乙醛(40%水溶液)、丙醛(纯度≥99% )、苯甲醛(纯度≥98% )、正戊醛(纯度≥98.5% )、对甲基苯甲醛(纯度≥98% )等标准品和乙腈(色谱纯)、2,4-二硝基苯肼(≥98% ,50%的水作稳定剂)均购自北京百灵威科技有限公司;硫酸(H₂SO₄,≥98% )、盐酸(HCl,36% ～38% )、磷酸(H₃PO₄,≥85% )、无水乙酸钠(纯度≥99% )和乙酸(纯度≥99.5% )均购自国药集团化学试剂有限公司;实验用水为Milli-Q纯水系统制备的超纯水。

1.2 溶液配制

混合醛标准储备液(200 mg/L):分别准确称取0.02 g(精确至 0.0001 g)甲醛、乙醛、丙醛、苯甲醛、正戊醛和对甲基苯甲醛标准品于100 mL容量瓶中,超纯水定容,4 ℃下避光保存。

2,4-二硝基苯肼乙腈溶液(1000 mg/L):准确称取0.1 g(精确至 0.0001 g)2,4-二硝基苯肼于100 mL容量瓶中,用乙腈溶解定容,4 ℃避光保存。

乙酸钠缓冲溶液(pH=3):称取24 g无水乙酸钠,用100 mL超纯水溶解,不断滴加乙酸至pH=3,4 ℃下避光保存。

硫酸、盐酸、磷酸均稀释100倍待用。

1.3 色谱条件

Eclipse XDB-C18色谱柱(150 mm×4.6 mm,5 μ m; Agilent公司);柱温:35 ℃;进样体积:20 μ L;检测波长:365 nm;流动相:乙腈-水(65 ∶ 35,v/v);流速:1 mL/min;等度洗脱。

1.4 样品处理

准确称取0.2 g(精确至 0.0001 g)市售涂料样品于20 mL玻璃瓶中,加入10 mL超纯水,室温下超声10 min,取1 mL超声后溶液于10 mL容量瓶中,加入1 mL 2,4-二硝基苯肼乙腈溶液、0.2 mL稀释后的盐酸溶液、1 mL缓冲溶液,于60 ℃下衍生30 min,冷却,乙腈定容,进样分析。

2 结果与讨论

2.1 衍生条件的优化

2.1.1 酸度调节剂

醛需在强酸性条件下与2,4-二硝基苯肼反应生成苯腙^{[ 19 ]},方可采用HPLC进行定量分析。故选取稀释后的硫酸、盐酸、磷酸作为备选酸度调节剂,3种无机酸的添加量分别为0.01、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0 mL,结果如图1。可以看出,当3种酸的体积达到0.2 mL时,大多数醛的衍生化反应转化率已达到最高,而正戊醛只有在HCl条件下衍生化反应转化率更好。故选择稀释后的HCl作为酸度调节剂,添加量为0.2 mL。

图 1 酸度调节剂对衍生产物峰面积的影响 Fig. 1 Effect of acids on the peak area of the derivatives a. formaldehyde; b. acetaldehyde; c. propionaldehyde; d. benzaldehyde; e. n-valeraldehyde; f. p-tolualdehyde.

2.1.2 缓冲溶液的pH值

在高效液相色谱柱允许的pH值范围内,分别考察缓冲溶液pH值为3、4、5、6时6种醛类化合物的衍生化反应转化率。6种醛类化合物的转化率均随酸度增大而增加,故宜控制缓冲溶液的pH=3。

2.1.3 反应温度

分别考察40、50、60、70、80 ℃下衍生30 min对6种醛生成腙的影响,在60 ℃时醛类转化成腙的量达到最大。故本文的衍生温度选择60 ℃。

2.1.4 反应时间

在60 ℃下,分别衍生10、20、30、40、50、60 min,考察反应时间对衍生化反应转化率的影响。30 min后衍生化反应转化率趋于稳定,故衍生时间选择30 min较适宜。

2.1.5 衍生化试剂用量

在反应温度为60 ℃,反应时间为30 min,稀释后的盐酸溶液用量为0.2 mL,缓冲溶液pH=3的条件下,考察2,4-二硝基苯肼用量对1 mL 2.0 mg/L 混合醛溶液中6种醛衍生化反应的影响,结果见图2。可见,当2,4-二硝基苯肼用量不小于1 mL时,6种醛类的衍生物腙的浓度基本保持不变,故确定2,4-二硝基苯肼用量为1 mL。

图 2衍生化试剂用量对衍生产物峰面积的影响 Fig. 2Effect of derivatization reagent volume on the peak area of derivatives 1. formaldehyde; 2. acetaldehyde; 3. propionaldehyde; 4. benzaldehyde; 5. n-valeraldehyde; 6. p-tolualdehyde.

综上所述,优化后的衍生化反应条件为:稀释后的盐酸溶液添加量为0.2 mL,缓冲溶液pH=3,反应温度60 ℃,反应时间30 min,2,4-二硝基苯肼用量为1 mL。

2.2 方法评价

取混合醛标准储备液,配制成一系列醛类化合物的标准溶液(0.08～2.0 mg/L),按上述优化的实验方法衍生后,进样,进行线性回归分析。所得线性回归方程、相关系数和检出限(以S/N=3计)见表1。由表1可知,在0.08～2.0 mg/L 浓度范围内线性关系良好。以3个浓度水平(2.0、4.0、6.0 mg/kg)进行添加回收实验(n=6),平均回收率在87.0% ～112.8%之间,精密度为1.12% ～9.54%(n=6)(见表2)。

表 1 线性回归方程、相关系数和检出限 Table 1 Linear regression equations,correlation coefficients (r²) and detection limits

表 2 6种醛在实际样品中的加标回收率和相对标准偏差 Table 2 Table 2 Recoveries and RSDs of the six aldehydes spiked in a sample

2.3 实际样品分析

应用上述方法对市售的6种水性涂料实际样品(S1～S6)进行测定,其中S3样品的色谱图见图3。结果显示,S1～S6样品均有6种醛类化合物检出(见表3),其中的甲醛均未超出国标限定值,但S4样品中乙醛及苯甲醛含量远高于其他样品。同时采用国家标准GB 18582-2008^{[ 5 ]}建议的乙酰丙酮分光光度法对该6种水性涂料样品中的醛类进行测定,结果为均未检出。这是因为分光光度法的检出限较高且选择性较差,无法满足现有实际样品的分析。

图 3S3样品中醛类衍生物的色谱图 Fig. 3 HPLC chromatogram of aldehyde derivatives in the sample S3 1. formaldehyde; 2. acetaldehyde; 3. propionaldehyde; 4. benzaldehyde; 5. n-valeraldehyde; 6. p-tolualdehyde.

表 3 实际样品中6种醛的含量 Table 3 Contents of the six aldehydes in real samples

3 结论

本文采用醛与2,4-二硝基苯肼在酸性条件下衍生,建立了采用高效液相色谱对水性涂料中6种醛类化合物同时检测的定量分析方法。由分析检测结果可知,本方法操作简单,检出限低,灵敏度和稳定性高,检测周期短,适合水性涂料中6种醛类化合物的同时测定,为日后制定涂料中多种醛类化合物的限量标准提供了理论基础。

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本文献在全文中的定位：

... 故会对人体健康造成严重损害^{[ 1,2 ]} ...

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... 故会对人体健康造成严重损害^{[ 1,2 ]} ...

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... 涂料中的醛类化合物会在装修涂饰过程中及日后使用过程中缓慢释放^{[ 3 ]} ...

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... 故我国强制性国家标准《GB 24410-2009室内装饰装修材料水性木器涂料中有害物质限量》^{[ 4 ]}及《GB 18582-2008室内装饰装修材料内墙涂料中有害物质限量》^{[ 5 ]}中严格规定涂料中甲醛含量不得超过100 mg/kg ...

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... 前采用的醛类化合物定量分析方法主要有分光光度法^{[ 5 ]}、色谱法^{[ 6]} ...

... 同时采用国家标准GB 18582-2008^{[ 5 ]}建议的乙酰丙酮分光光度法对该6种水性涂料样品中的醛类进行测定 ...

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... 物定量分析方法主要有分光光度法^{[ 5 ]}、色谱法^{[ 6,7 ]}和催化动力学法^{[ 8 ]} ...

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... 前采用的醛类化合物定量分析方法主要有分光光度法^{[ 5 ]}、色谱法^{[ 6,7 ]}和催化动力学法^{[ 8 ]} ...

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... ^{[7 ]}和催化动力学法^{[ 8 ]} ...

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... 已应用于检测水^{[ 9 ]}、大气^{[ 10 ]}、汽车尾气^{[ 11 ]}、生物基质^{[ 12]} ...

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... 已应用于检测水^{[ 9 ]}、大气^{[ 10 ]}、汽车尾气^{[ 11 ]}、生物基质^{[ 12]} ...

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... 已应用于检测水^{[ 9 ]}、大气^{[ 10 ]}、汽车尾气^{[ 11 ]}、生物基质^{[ 12,13 ]}、化妆品^{[ 14 ]}等样品 ...

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... 已应用于检测水^{[ 9 ]}、大气^{[ 10 ]}、汽车尾气^{[ 11 ]}、生物基质^{[ 12,13 ]}、化妆品^{[ 14 ]}等样品 ...

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... ^{[13 ]}、化妆品^{[ 14 ]}等样品 ...

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...乙硫醇(半胱胺)和邻-五氟苯甲基羟胺(PFBOA)为常用的衍生试剂^{[ 15 ]} ...

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... 刘雄艳等^{[ 16,17,18 ]}采用高效液相色谱法(HPLC)测定了涂料中的甲醛和乙醛 ...

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... 刘雄艳等^{[ 16,17,18 ]}采用高效液相色谱法(HPLC)测定了涂料中的甲醛和乙醛 ...

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... 4-二硝基苯肼反应生成苯腙^{[ 19 ]} ...