UPLC-MS/MS測定二苯甲烷二異氰酸酯

郭巧珍,杜振霞

(北京化工大學理學院,分析測試中心,北京 100029)

UPLC-MS/MS測定二苯甲烷二異氰酸酯

郭巧珍,杜振霞

(北京化工大學理學院,分析測試中心,北京 100029)

建立了二苯甲烷二異氰酸酯(MDI)的超高效液相色譜-串聯質譜(UPLC-MS/MS)聯用的分析方法。實驗用甲醇作衍生試劑,將二苯甲烷二異氰酸酯衍生成二苯甲烷二氨基甲酸甲酯(MDC),通過測定二苯甲烷二氨基甲酸甲酯來確定二苯甲烷二異氰酸酯的含量。實驗采用Waters Acquity BEH C18超高效液相色譜柱,甲醇-0.1%甲酸作為梯度洗脫液,二苯甲烷二氨基甲酸甲酯在1.5 min內與其他化合物進行完全分離,經四極桿質譜選擇離子監測模式檢測。線性范圍為2～100μg/L,檢出限為1μg/L,相關系數0.999 4?？疾炝怂⒓姿?、甲酸銨流動相體系,以及進樣量大小對樣品的分離效果,發現甲酸流動相體系的分離效果優于其他兩種流動相體系,同時發現在進樣量大時出現平頭峰。并且在優化條件下,對實際樣品中游離的二苯甲烷二異氰酸酯進行了測定。

超高效液相色譜-串聯四極桿質譜(UPLC-MS/MS);二苯甲烷二異氰酸酯(MDI);二苯甲烷二氨基甲酸甲酯(MDC)

二苯甲烷二異氰酸酯(MDI)是一種芳香族的二異氰酸酯,是生產聚氨酯最重要的原料之一,廣泛用于硬質泡沫、RIM彈性體、熱塑性聚氨酯彈性體、涂料、粘合劑、彈性纖維和建筑材料等行業[1]。但是,游離態的MDI因其具有低沸點和高蒸汽壓的特點,易揮發到空氣中造成空氣污染;且能與人體的蛋白質反應生成變性蛋白[2],同時對眼粘膜有刺激性,會引發鼻子和喉刺激、咳嗽和肺部喘鳴音,吸入MDI氣體/氣溶膠或含有I-BOND膠黏劑的粉塵會嚴重危害健康[3],空氣中允許的濃度為0.02 mg/kg[4]。隨著人們環境意識和自我健康意識的提高,對聚氨酯產品中游離單體的要求更為嚴格,快速準確檢測游離的MDI單體成為一項重要技術。目前,常用的方法有氣相色譜法[5]、凝膠滲透色譜法、高效液相色譜法[6-9]等。氣相色譜法測定時需要較高的汽化溫度和柱溫,易使預聚體降解,使測定結果失真[5];常規的高效液相色譜法常利用紫外檢測器,出峰時間長、靈敏度低。由于異氰酸酯易與活潑氫反應,因此在液相色譜測定時需要將其衍生化,用甲醇或乙醇對MDI進行氨基甲酸酯衍生化時,吸光系數相對較小[7],MDI氨基甲酸酯衍生物響應值較低,特別是對于低濃度的樣品無法進行準確的定量檢測。國家規定的MDI職業接觸限值為0.1 mg/m3[3],其濃度較低,給常規液相分析帶來挑戰。本研究采用超高效液相色譜-串聯質譜法檢測游離的MDI,為殘留MDI檢測提供可靠有效的方法。

1 試驗部分

1.1 儀器與試劑

Waters AcquityTM超高效液相色譜儀:美國Waters公司產品,配有 Waters Acquity BEH C18色譜柱、自動進樣器、Binary溶劑管理系統;Waters Micromass-Quattro Premier三重四極桿質譜儀:美國 Waters公司產品,配有電噴霧(ESI)電離源、Masslynx V4.1 HPLC/MS軟件操作平臺。

甲醇(色譜純):美國 Fisher公司產品;甲酸(純度≥99%):美國 Tedia公司產品;氨水,無水甲醇(分析純):北京化工廠產品;MDI(分析級):美國拜耳公司產品;Milli-Q超純水(0.2μm濾膜):德國Menbrana公司產品。

1.2 二苯甲烷二異氰酸酯的衍生化

由于二苯甲烷二異氰酸酯分子中異氰酸酯基團(-NCO)的化學性質非?；顫?易與水、甲醇、胺等活潑氫化合物發生反應而不穩定[10]。因此,MDI的液相法分析需要把MDI的異氰酸根衍生保護起來,測其衍生化產物的含量,再推算MDI的含量。本實驗用甲醇作為衍生劑[7],反應完全后,得到產物二苯甲烷二氨基甲酸甲酯(MDC),經紅外光譜鑒定其衍生化后的MDI,在2 270 cm-1處的 NCO吸收峰已經消失,說明NCO全部參加了反應。電噴霧質譜圖只出現了衍生化后產物的準分子離子峰m/z314.7、331.8、336.7,分別是其加氫、加氨、加鈉峰 ,示于圖1,而觀察不到 MDI的準分子離子峰m/z250,說明MDI完全轉變為MDC。

二苯甲烷二異氰酸酯標準品的衍生化:取一定量的標準品加入到10 mL無水甲醇中,于60℃水浴加熱45 min。蒸出多余的甲醇后,傾入大量的蒸餾水,有白色沉淀,用精制的甲醇重新溶解后,再用大量的重蒸水清洗,得白色沉淀物。并于50℃,真空度為0.266 kPa下干燥24 h,得到白色粉末,即為二苯甲烷二氨基甲酸甲酯。

由于實際樣品含量較低,因此衍生化簡略為:取一定量的樣品加入到10 mL無水甲醇中,于60℃水浴加熱45 min,上層液體冷卻至室溫,即得到二苯甲烷二氨基甲酸甲酯的甲醇溶液,蒸出過多的甲醇,定容1 mL。

1.3 實驗方法

1.3.1 液相色譜條件 Waters Acquity UPLCTM BEH C18色譜柱(2.1 mm ×50 mm ×1.7μm);柱溫25 ℃;樣品溫度20 ℃;進樣體積1μL;流動相 A為甲醇,B為含0.1%(體積分數)甲酸的水溶液;線性梯度洗脫;洗脫程序:0～2 min,60%A～100%A;流速 0.25 mL/min。

1.3.2 質譜條件 電噴霧電離(ESI+)離子源,毛細管電壓3.5 kV,錐孔電壓25 V,射頻透鏡(RF Lens)電壓0.3 V,離子源溫度100℃,脫溶劑溫度200℃,脫溶劑氣流速600 L/h,采用選擇離子監測模式。

2 結果與討論

2.1 質譜條件的優化

由于MDI及MDC含有氮原子,容易帶正電荷,因此使用 ESI(+)電離模式。配制0.5 mg/L標準溶液,六通閥進樣,在全掃描模式下優化毛細管電壓、錐孔電壓、裂解溫度等參數,使MDC分子離子峰最強,進而提高檢測靈敏度。在正離子模式下,MDC在電噴霧質譜中的準分子離子峰有m/z314.7、331.8、336.7,分別是其加氫、加氨、加鈉峰,示于圖1。選擇目標化合物[M+H]+作為碰撞誘導解離的母離子,產生m/z283.0、251.0、163.8、131.7 子離子 ,推測的斷裂機理示于圖2。進一步說明,m/z314.7為二苯甲烷二氨基甲酸甲酯,以此選擇[M+H]+的準分子離子峰m/z314.7來定量。由于在整個衍生化過程中只用到甲醇溶液,對于 ESI軟電離模式不存在基質效應。

2.2 色譜分離條件的優化

2.2.1 流動相的優化 考察了甲醇-水、甲醇-甲酸(0.1%)、甲醇-甲酸銨(p H 5.8)流動相體系對樣品的分離效果,與甲醇-水作為流動相比較,酸性流動相體系有利于改善峰型?？紤]到色譜柱的維護,因此選用甲醇-0.1%甲酸作為流動相。

圖1 MDC(a)及其子離子掃描(b)質譜圖(碰撞能量為10 eV)Fig.1 MS chromatograms for MDC(a)and its daughter ions(b)(collision energy is 10 eV)

圖2 MDC的斷裂機理Fig.2 Mechanism of MDC

2.2.2 進樣量的優化 通常情況下,使用 Waters AcquityTM超高效液相色譜儀的自動進樣器進樣5μL的定量效果較好,但本實驗發現,在質量濃度為10μg/L,進樣量為5μL時,出現了平頭峰,示于圖3。本實驗考察了進樣量為5、3、1、0.5、0.1μL情況對峰型的影響,發現進樣量為5 μL和3μL時,出現平頭峰,進樣量為1、0.5和0.1μL時,峰擴散不嚴重,因此選擇進樣量1μL。產生平頭峰的原因可能是大體積進樣導致進樣環產生大面積的吸附作用,洗脫出來的峰擴散比較寬。選擇進樣量1μL是為了減弱大面積的吸附,從而改善峰型。

2.2.3 線性關系考察與檢出限 將MDI標準品衍生MDC依次稀釋為不同濃度來建立標準曲線,其中相當于 MDI的質量濃度為 2～100 μg/L。以目標組分的峰面積對相應的質量濃度X(μg/L)做標準曲線,示于圖4,其相關系數為0.999 4,表明 MDI質量濃度在 2～100μg/L時,具有較好的線性關系,檢出限為1μg/L(S/N ＞3)。

圖3 進樣量為1μL(a)、5μL(b)的標樣色譜圖Fig.3 The standard chromatograms with 1μL(a),5μL(b)injection volumes

圖4 標準曲線圖Fig.4 The standard curve

2.2.4 回收率 取適量空白樣品,加入一定量的MDI標準品,每一個添加濃度重復5次,進行加標回收實驗。結果表明,在5～50μg/L添加水平下,平均回收率為96.4%～101.5%。

2.2.5 精密度實驗 取3個高、中、低不同濃度的MDI標準品,每一濃度處理5批,進行精密度考察,實驗數據列于表1。

從表1可以看出,最大相對標準偏差＜5%,在允許的范圍內。

表1 精密度實驗Table 1 Experiment of precision

2.3 實際樣品含量的測定

檢測了實際樣品聚氨酯預聚體中游離的MDI含量。利用樣品衍生化方法將聚氨酯預聚體甲醇衍生化,經過0.2μm濾膜過濾,以除去大分子質量的高聚物。在優化色譜條件下,實際樣品的色譜圖示于圖5。用外標法定量,計算出樣品中 MDI的含量分別為 0.38、0.15、0.09、0.04μg/kg。

圖5 實際樣品的色譜圖Fig.5 Chromatogram of the actual sample

3 結論

本實驗采用超高效液相色譜-串聯四極桿質譜聯用技術建立了MDI的檢測方法。以甲醇-0.1%甲酸的水溶液為流動相,梯度洗脫,正離子選擇離子監測模式測定,出峰在1.24 min,且檢出限(S/N＞3)為1μg/L,實現了快速、準確地檢測MDI含量,為殘留MDI檢測提供了可靠、有效的方法。

[1]王 敏.TDI、MDI合成技術與市場展望[J].中國石油和化工,2001(11):46-49.

[2]中國化工信息網.聚氨酯材料氣味性的評價和改進[R/OL].[2009-08-26].http://www.cpi360.com/docpage/c421/200908/0826_421_589720.aspx.

[3]楊紅光,吳大為.中密度纖維板工廠作業環境空氣中的 MDI檢測[J].中國人造板,2009(2):26-27.

[4]4,4’-二苯基甲烷二異氰酸酯[EB/OL].http://www.chinabaike.com/article/316/hx/2007/2007110 8626301.html.

[5]張 敏,雷興紅.涂料中游離甲苯二異氰酸酯的氣相色譜測定法[J].環境與健康雜志,2003,20(6):364-365.

[6]陳為都,王小妹,黃仲立.IPDI及MDI型聚氨酯預聚體中游離二異氰酸酯含量測定[J].聚氨酯工業,2009,24(2):43-46.

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Determination of Diphenylmethane Diisocyanate by Ultra-Performance Liquid Chromatography-Tandem Mass Spectrometry

GUO Qiao-zhen,DU Zhen-xia
(A nalysis and Testing Center,Beijing University of Chemical Technology,Beijing100029,China)

A sensitive ultra performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry(UPLC-MS/MS)method was developed for the separation and determination diphenylmethane diisocyanate(MDI).Methanol was used for the derived reagent,and diphenylmethane diisocyanate was transformed into diphenylmethane dicarbamate(MDC),then calculated the content of MDI.The sample was effectively separated in 1.5 min on a Waters Acquity BEH C18 column using methanol and water(containing 0.1%formic)as mobile phase under the condition of gradient elution.The detection of compound was performed by MS under single ion monitoring(SIM)mode.The calibration curve is linear over the concentration range of 2—100μg/L for the compound with detection limits of 1μg/L,and the correlation coeffi-cient is 0.999 4.The effects of mobile phase systems and the injection volumes of the sample were investigated.The results indicate that the separation efficiency of compounds in acidity mobile phase is higher than other systems,and the large injection has flat head peak in spectrum.Under the optimum conditions,the method was applied in the determination of free monomeric isocyanates in the actual samples.

ultra performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry(UPLCMS/MS);diphenylmethane diisocyanate(MDI);methylene diphenyl dicarbamate(MDC)

O 657.63

A

1004-2997(2011)02-0112-05

2010-04-07;

2010-07-22

郭巧珍(1984～),女(漢族),陜西西安人,碩士研究生,分析化學專業。E-mail:qiao037@126.com

杜振霞(1968～),女(漢族),河北石家莊人,教授,從事液相色譜-質譜聯用技術研究。E-mail:duzx@mail.buct.edu.cn