色谱  2016, Vol. 34 Issue (8): 795-800   PDF    
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李泽全
超高效合相色谱快速检测塑料制品中的15种邻苯二甲酸酯
李武林1,2, 李雪敏2, 李根容1, 李沿飞1, 徐溢2, 李泽全2     
1. 重庆市计量质量检测研究院, 重庆 401123;
2. 重庆大学化学化工学院, 重庆 400030
收稿日期：2016-03-14
基金项目：重庆市社会民生科技创新专项（cstc2015shmszx00015）
通讯联系人： Tel:(023)89136322,E-mail:lwl656pll@163.com.
摘要：建立了使用超高效合相色谱检测塑料中15种邻苯二甲酸酯的方法。样品经正己烷超声萃取，过0.45 μ m有机膜后上机测试。采用ACQUITY UPC2 HSS C18 SB色谱柱（150 mm×3 mm, 1.8 μ m），以超临界CO2流体为主流动相、乙腈为流动相改性剂进行梯度洗脱，流速为1.5 mL/min。在系统背压为12.41 MPa、色谱柱温度为65 ℃、二极管阵列检测器（PDA）检测波长为220 nm的条件下，15种邻苯二甲酸酯可以在8 min内实现分离检测。实验结果表明：15种邻苯二甲酸酯的线性范围为0.5~10 mg/L，相关系数大于0.9960，检出限（S/N=3）为1.0~2.2 mg/kg，加标回收率为78.1%~122.3%，相对标准偏差为2.95%~8.26%。该方法分析速度快，为邻苯二甲酸酯类物质的检测提供了新的选择。
关键词： 超高效合相色谱     二极管阵列检测器     邻苯二甲酸酯     塑料    
Determination of 15 phthalate esters in plastic products by ultra performance convergence chromatography
LI Wulin1,2, LI Xuemin2, LI Genrong1, LI Yanfei1, XU Yi2, LI Zequan2     
1. Chongqing Academy of Metrology and Quality Inspection, Chongqing 401123, China ;
2. College of Chemistry and Chemical Engineering, Chongqing University, Chongqing 400030, China
Received: 2016-03-14
Foundation Item: Science and Technology Innovation Project for Social Livelihood of Chongqing (No. cstc2015shmszx00015)
* Corresponding author. Tel:(023)89136322,E-mail:lwl656pll@163.com.
Abstract: Ultra performance convergence chromatography (UPC2) is cost effective, sustainable, and it uses green technology that lowers the use of organic solvents. Based on these advantages, a method was developed for the determination of 15 phthalate esters in plastic products by UPC2. The samples were extracted with hexane and then quantitatively analyzed by UPC2. The separation of the 15 phthalate esters was achieved on an ACQUITY UPC2 HSS C18 SB column (150 mm×3 mm, 1.8 μ m) by a gradient elution with supercritical CO2 and acetonitrile as mobile phases. External standard method was used for the quantitative determination and the calibration curves showed good linearity in the concentration range of 0.5-10 mg/L for the phthalate esters with correlation coefficients higher than 0.9960. The limits of quantification of the phthalate esters were 1.0-2.2 mg/kg. Their spiked recoveries were 78.1%-122.3%, and the relative standard deviation range was from 2.95% to 8.26%. The method can be successfully applied for the determination of the phthalate esters in plastic products.
Key words: ultra performance convergence chromatography (UPC2)     photodiode array detector (PDA)     phthalate esters (PAEs)     plastic    

作为一类应用广泛的增塑剂,邻苯二甲酸酯在人体和动物体内发挥着类似雌性激素的作用,可干扰内分泌,世界各国对其使用范围与使用量进行了限制。目前,检测邻苯二甲酸酯类增塑剂的方法主要有气相色谱法[1]、气相色谱-质谱法[2-4]、液相色谱法[5]、液相色谱-质谱法[6-8]、红外光谱法[9]、荧光光度法[10]等。光谱法不能对目标物准确定性,测定的准确性较低,实际应用有限。而色谱方法在实际检测过程中主要面临下述问题:一是检测时间相对较长,为了有效分离多种邻苯二甲酸酯,需要不同的温度梯度或洗脱梯度以保证各目标物完全分离;二是检测成本相对较高,不够绿色环保。

超高效合相色谱(ultra performance convergence chromatography,UPC2)基于超临界流体色谱的原理,以超临界CO2为主要流动相,具有更加快速、高效的分离能力和更加广泛的选择性。与气相色谱相比,UPC2不受分析物挥发性的限制,对于挥发性或非挥发性的组分都能提供良好的保留和分离,且其分析条件温和。与液相色谱相比,其固定相种类可涵盖现有正、反相液相色谱的固定相,选择性更加广泛,对于分离结构类似物能提供更好的效果。已有文献报道应用UPC2检测脂肪酸[11, 12]、生物胺[13]、荧光增白剂[14]、多环芳烃[15]等,但尚无采用UPC2分离检测邻苯二甲酸酯类物质的报道。

本文致力于建立一种基于UPC2分离、检测塑料制品中邻苯二甲酸酯类物质的方法,通过优化固定相、流动相改性剂、色谱柱温度、流动相流速、系统背压等分离条件,最终实现了15种邻苯二甲酸酯类物质的快速有效分离,节约了检测时间与成本,提高了检测效率,为邻苯二甲酸酯类物质的检测提供了新的选择。

1 实验部分
1.1 仪器、试剂与材料

ACQUITY 超高效合相色谱仪(美国Waters公司),配ACQUITY UPC2二极管阵列(PDA)检测器。ACQUITY UPC2 BEH色谱柱(100 mm×3 mm,1.7 μm)、ACQUITY UPC2 BEH 2-EP色谱柱(100 mm×3 mm,1.7 μm)、ACQUITY UPC2 HSS C18 SB色谱柱(150 mm×3 mm,1.8 μm)和ACQUITY UPC2 CSH Fluoro-Phenyl色谱柱(100 mm×3 mm,1.7 μm)(美国Waters公司)。

邻苯二甲酸酯标准物质:邻苯二甲酸二(4-甲基-2-戊基)酯(BMPP)、邻苯二甲酸二异丁酯(DIBP)、邻苯二甲酸二丁酯(DBP)、邻苯二甲酸二乙酯(DEP)、邻苯二甲酸二(2-乙基)己酯(DEHP)、邻苯二甲酸二甲酯(DMP)、邻苯二甲酸二己酯(DHXP)、邻苯二甲酸二正辛酯(DNOP)、邻苯二甲酸丁基苄基酯(BBP)、邻苯二甲酸二苯酯(DPhP)、邻苯二甲酸二异壬酯(DINP)、邻苯二甲酸二环己酯(DCHP)、邻苯二甲酸二(2-丁氧基)乙酯(DBEP)、邻苯二甲酸二(2-乙氧基)乙酯(DEEP)、邻苯二甲酸二(2-甲氧基)乙酯(DMEP)均为1 g/L正己烷溶液,购于北京海岸鸿蒙标准物质技术有限公司;正己烷、乙腈、甲醇和异丙醇均为HPLC级,购于美国Tedia公司;二氧化碳为食品级,纯度＞99.97%。

1.2 实验条件

色谱条件:ACQUITY UPC2 HSS C18 SB色谱柱,柱温为65 ℃,系统背压为12.41 MPa。进样量为3 μL;流动相A为超临界二氧化碳,流动相改性剂B为乙腈;流速为1.5 mL/min。流动相洗脱梯度程序:0～5 min,保持5%B;经1 min升至15%B;再经1.5 min升至20%B;最后经0.5 min降至5%B,共计用时8 min。PDA检测波长为220 nm。

1.3 标准溶液的配制

准确移取15种邻苯二甲酸酯标准品各1 mL至50 mL容量瓶中,用正己烷定容,得到质量浓度为20 mg/L的混合标准储备溶液。用正己烷逐级稀释标准储备溶液,得到10、5、2、1、0.5 mg/L的系列混合标准工作溶液。

1.4 样品处理

从市场上收集塑料包装样品,样品前处理过程见文献[16]。将塑料样品切割至重量不超过0.02 g的颗粒,准确称取0.5 g样品,置于25 mL具塞比色管中,加入10 mL正己烷,超声提取30 min,萃取液经0.45 μm有机膜过滤后直接进行分析。

2 结果与讨论
2.1 固定相的选择

色谱柱固定相对邻苯二甲酸酯类物质的分离效果影响很大,根据选择性与极性的差异,UPC2配有4种不同固定相的色谱柱,强极性的ACQUITY UPC2 BEH色谱柱和ACQUITY UPC2 BEH 2-EP色谱柱、中等极性的ACQUITY UPC2 CSH Fluoro-Phenyl色谱柱以及非极性的ACQUITY UPC2 HSS C18 SB色谱柱。研究了不同固定相色谱柱对邻苯二甲酸酯分离效果的影响,结果如图 1所示,ACQUITY UPC2 CSH Fluoro-Phenyl色谱柱和ACQUITY UPC2 BEH 2-EP色谱柱的保留能力较差,15种邻苯二甲酸酯在4 min内均全部流出,色谱峰之间重叠严重,分离能力较差。ACQUITY UPC22BEH色谱柱和ACQUITY UPC2 HSS C18 SB色谱柱均能够在8 min内完成分离,其中ACQUITY UPC2 HSS C18 SB色谱柱分离效果更好。ACQUITY UPC2 CSH Fluoro-Phenyl色谱柱对弱碱性物质有较好的保留,ACQUITY UPC2 BEH 2-EP色谱柱和ACQUITY UPC2 BEH色谱柱对极性物质分离效果较好,ACQUITY UPC2 HSS C18 SB对非极性物质有较好的分离效果,而邻苯二甲酸酯的极性相对较弱,因此采用ACQUITY UPC2 HSS C18 SB色谱柱进行分离能取得更好的分离效果。

图 1 不同固定相对15种邻苯二甲酸酯分离效果的影响 Fig. 1 Effects of different stationary phases on the separation of the 15 phthalate esters (PAEs)
2.2 流动相改性剂的选择

UPC2保留行为类似于正相色谱,因此流动相的极性改变会对待分析物的保留产生主要影响。一般使用的改性剂有甲醇、乙醇、异丙醇和乙腈。本试验研究了甲醇、异丙醇、乙腈这3种溶剂对邻苯二甲酸酯分离效果的影响,结果显示使用乙腈作改性剂时分离效果最佳(见图 2)。邻苯二甲酸酯的极性相对较弱,而甲醇与异丙醇溶剂极性较强,属于质子给予型溶剂,易与邻苯二甲酸酯发生作用,在色谱柱上保留较弱,不易实现有效分离。乙腈极性较弱,属于质子接受型溶剂,与邻苯二甲酸酯作用较弱,分离效果较佳[17]。

图 2 不同改性剂对15种邻苯二甲酸酯分离效果的影响 Fig. 2 Effects of different modifier solutions on the separation of the 15 PAEs
2.3 色谱柱温度的选择

对于UPC2而言,色谱柱温度的变化主要影响流动相的密度,在保持其他试验条件不变的情况下,流动相的密度随温度的升高而降低,随温度的降低而升高。因此,一般情况下,分析物的保留会随着温度的升高而增强,随着温度的降低而减弱[18]。本试验考察了15种邻苯二甲酸酯在柱温为55、60和65 ℃时的分离效果,结果见图 3。当温度为55 ℃时,DBP、DEP、DEHP、DMP、DHXP这5种化合物的分离效果不好;当色谱柱温度升到60 ℃时,分离效果有所改善;随着温度升到65 ℃,各化合物之间达到较好的分离效果。仔细对比各化合物的出峰时间,发现保留时间都有一定程度的增加。这说明随着色谱柱温度的上升,流动相状态更接近液态,邻苯二甲酸酯的保留性增加。

图 3 色谱柱温度对15种邻苯二甲酸酯分离效果影响 Fig. 3 Effects of different column temperatures on the separation of the 15 PAEs 1. dibutyl phthalate (DBP); 2. diethyl phthalate (DEP); 3. bis(2-ethylhexyl) phthalate (DEHP); 4. dimethyl phthalate (DMP); 5. dihexyl phthalate (DHXP).
2.4 流动相流速的选择

合适的流动相流速不仅可以提高分离效率,还可以缩短分析时间。本试验研究了不同流动相速度下邻苯二甲酸酯的分离,结果见图 4。当流动相速度为1.0 mL/min时,DBP和DEP以及DEHP和DMP不能被有效分离;随着流速增大到1.2 mL/min,上述几种化合物有一定程度的分离;当流速增大到1.5 mL/min时,邻苯二甲酸酯达到较好的分离效果;随着流速的进一步增大,各物质出峰时间被进一步压缩,不利于邻苯二甲酸酯的分离,所以将流动相的流速定为1.5 mL/min。流速能够影响邻苯二甲酸酯分离的原因主要是邻苯二甲酸酯的化学性质虽然接近,但其分子大小、结构存在些微差异,在不同流速的流动相洗脱下,其移动速度存在一定差异,故能在一定程度上改善分离效果。

图 4 流动相流速对15种邻苯二甲酸酯分离效果的影响 Fig. 4 Effects of different flow rates on the separation of the 15 PAEs Peak Nos. are the same as in Fig. 3
2.5 系统背压的影响

系统背压主要影响流动相的密度和黏度。随着背压的降低,流动相密度减小,洗脱能力减弱,对应化合物的保留增强,反之亦然。图 5为3个不同系统背压下目标化合物的色谱图。将在系统背压为12.41 MPa时获得的色谱图与系统背压为11.72 MPa及13.10 MPa时获得的色谱图相比,可发现系统背压主要影响DEP、DEHP、DMP的分离。在较低的系统背压下,DMP和DEHP重叠,没有分离;在较高的系统背压下,DEP和DEHP有较大程度重叠,不利于进一步分析。

图 5 系统背压对15种邻苯二甲酸酯分离效果的影响 Fig. 5 Effect of different ABPR on the separation of the 15 PAEs Peak Nos. are the same as in Fig. 3

综合上述因素,邻苯二甲酸酯的最佳色谱分离条件如1.2节所述。优化条件下获得的邻苯二甲酸酯混合标准工作溶液色谱分离结果如图 6所示。分离度(Rs)是评价色谱峰分离程度的物理量,其值大小直接影响峰高和峰面积的准确测量,从而影响色谱定量分析的准确性[19]。由图 6可知,与其他邻苯二甲酸酯相比,DBP、DEP、DEHP、DMP分离效果较差。通过计算这几种物质的分离度,其相互之间的Rs分别为2.47(DBP与DEP)、2.40(DEP与DEHP)和2.78(DEHP与DMP),说明DBP、DEP、DEHP、DMP分离程度较好,可用于定量分析。

图 6 15种邻苯二甲酸酯混合标准工作溶液的色谱图 Fig. 6 Chromatogram of a standard mixture solution of the 15 PAEs 1. bis(4-methyl-2-pentyl) phthalate (BMPP); 2. diisobutyl phthalate (DIBP); 3. DBP; 4. DEP; 5. DEHP; 6. DMP; 7. DHXP; 8. di-n-octyl phthalate (DNOP); 9. benzyl butyl phthalate (BBP); 10. diphenyl phthalate (DPhP); 11. diisononyl ortho-phthalate (DINP); 12. dicyclohexyl phthalate (DCHP); 13. bis(2-n-butoxyethyl) phthalate (DBEP); 14. bis(2-ethoxyethyl) phthalate (DEEP); 15. bis(2-methoxyethyl) phthalate (DMEP).
2.6 线性范围与检出限

在最优条件下测试不同浓度的邻苯二甲酸酯混合标准溶液,利用其峰面积(Y)对质量浓度(X,mg/L)进行线性回归,得到15种邻苯二甲酸酯的线性方程。以S/N=3计算得到方法的检出限,结果见表 1。15种邻苯二甲酸酯在0.5～10 mg/L范围内线性关系良好,相关系数R2＞0.996 0,检出限为1.0～2.2 mg/kg。以空白样品为基质,考察了15种邻苯二甲酸酯在2 mg/kg添加水平下的加标回收率与精密度,按最优条件进行分析,平行测定3次。测试结果表明,空白样品加标回收率为78.1%～122.3%,RSD为2.95%～8.26%,可满足邻苯二甲酸酯的测定。

表 1 15种邻苯二甲酸酯的保留时间、线性方程、相关系数和检出限 Table 1 Retention times,linear equations,correlation coefficients (R2) and LODs of the 15 PAEs
2.7 实际样品检测

采用本方法对收集的样品进行分析,检测结果(表 2)表明,有两种样品检出邻苯二甲酸酯,该结果与GC-MS标准方法[20]相比,其绝对差值在其算术平均值的17%以内。

表 2 采用不同方法检测实际样品中邻苯二甲酸酯的结果 Table 2 Determination results of PAEs in real samples with different methods
3 结论

通过优化色谱柱、柱温、流动相改性剂、流速等条件,建立了15种邻苯二甲酸酯的UPC2检测方法。采用ACQUITY UPC2 HSS C18 SB色谱柱,以超临界CO2流体为流动相、乙腈为流动相改性剂进行梯度洗脱,流速为1.5 mL/min,系统背压为12.41 MPa,色谱柱温度为65 ℃,PDA检测波长为220 nm,15种邻苯二甲酸酯可以在8 min内实现分离。该方法能够满足建立绿色环保分析方法的需求,同时也降低了检测成本。

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