氣相色譜/質譜聯用法測定炭黑中的多環芳烴含量

馬秀菊，倪淑杰，付友健，閆福江

（三角輪胎股份有限公司，山東 威海 264200）

我國是世界輪胎第一大生產國，也是第一大出口國。隨著世界橡膠輪胎環保法規的陸續出臺，我國輪胎出口面臨越來越多的貿易壁壘和技術壁壘。特別是歐盟2005/69/EC指令（多環芳香烴指令）和REACH法規對輪胎中有致癌風險的多環芳烴含量的限制，對我國輪胎出口提出了更為嚴苛的要求，引起了業界的特別關注。多環芳烴（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，簡稱PAHs）在有機化合物中具有很強的附著力并易被固體物質所吸收，而且保留時間長，難降解，是一種高致癌、誘變和致畸物質。歐盟2005/69/EC指令和REACH法規對輪胎填充油中8種強致癌性PAHs作了嚴格限制，要求輪胎中苯并（a）芘（BaP）含量不大于1.0 mg·kg-1，8種PAHs總含量不大于10.0 mg·kg-1。輪胎中的PAHs主要來源于操作油和炭黑，目前主要通過使用環保油的方式對操作油中的PAHs進行控制，因此炭黑中的PAHs測定顯得更為重要，然而目前尚未出臺輪胎及非輪胎橡膠用炭黑及原材料中的PAHs測定標準。

國產炭黑的原料油主要是煤焦油，其次是蒽油、萘油和乙烯焦油等。煤焦油是極其復雜的化學物質混合物，主要成分是多環芳烴化合物和雜環化合物，已發現在煤焦油中有多種PAHs存在，如萘、蒽、菲、芘、芴、茚、?、苊、苊烯、熒蒽等。炭黑生產過程是在高溫下將烴裂解，會產生微量的PAHs，包括氣態PAHs和吸附在炭黑粒子上的PAHs，有研究表明炭黑中包括3種強致癌性PAHs：苯并（b）熒蒽、BaP和二苯并（a，h）蒽。炭黑生產過程中產生的PAHs在運輸和使用過程中會牢固地結合于炭黑表面。關于炭黑中的PAHs目前尚無強制性限量法規，也無相關的檢測標準，但炭黑在輪胎生產中被大量使用，為減少輪胎中PAHs的含量必須嚴格控制炭黑中的PAHs含量，因此尋找一種快捷簡便的炭黑中PAHs含量測定方法具有重要意義[1]。

本工作研究氣相色譜/質譜（GC/MS）聯用方法測定炭黑中的PAHs含量。

1 實驗

1.1 試劑

甲苯（分析純）和乙酸乙酯（分析純），上海埃彼化學試劑有限公司產品；8種PAHs標準溶液，美國AccuStandard公司提供；十氘代芘和十二氘代苝溶液，美國O2si Smart Solutions公司產品。

1.2 儀器與材料

Agilent7890A/5975C型GC/MS聯用儀，美國安捷倫科技有限公司產品；PS-40型可控溫超聲波清洗器，深圳好順超聲設備有限公司產品；LD4-2A型離心機，北京京立離心機有限公司產品；CPA124S型電子天平（精確至0.1 mg），Sartorius公司產品；0.45 μm濾膜，天津津騰實驗設備有限公司產品。

1.3 操作方法

1.3.1 標準溶液的配制

（1）內標溶液。用甲苯將內標1（十氘代芘）、內標2（十二氘代苝）稀釋成一定濃度的儲備液，使用時稀釋配制成所需濃度。

（2）萃取劑。配制內標物質量濃度為0.04 mg·L-1的甲苯溶液作為萃取劑。

（3）混合標準溶液。用甲苯將8種PAHs混合標準溶液稀釋成一定濃度的儲備液，然后逐級稀釋成質量濃度為0.002～0.1 mg·L-1的標準溶液（其內標溶液質量濃度為0.04 mg·L-1）。

1.3.2 樣品前處理

準確稱取0.25 g樣品（精確至0.000 1 g），放入螺口刻度試管中，準確加入10 mL萃取劑，密封試管，置于水溫為60 ℃的超聲波中處理90 min，冷卻至室溫，離心，過濾。

1.4 GC/MS測試

1.4.1 分析條件

色譜柱 HP-5MS；升溫程序 50 ℃保持2 min，以25 ℃·min-1速率升至200 ℃，再以8℃·min-1速率升至300 ℃，保持10 min；進樣口溫度 280 ℃；離子源溫度 270 ℃；四級桿溫度150 ℃；電離方式 EI；電離能量 70 eV；定量方式 SIM（選擇離子監測）。

1.4.2 分析方法

利用SCAN掃描測試混合標準溶液，根據NIST11數據庫及色譜峰的保留時間和特征離子對PAHs類物質進行定性分析。利用SIM方法測試混合標準溶液，利用內標法繪制標準曲線，對樣品中的PAHs進行定量分析。

2 結果與討論

2.1 標準曲線的繪制

SACN掃描所得8種PAHs混合物及內標物相關參數見表1，8種PAHs混合物及內標物SIM掃描結果如圖1所示。由于所用色譜柱為非PAHs專用柱，無法將苯并（b）熒蒽、苯并（k）熒蒽、苯并（j）熒蒽3個同分異構體分離，因此采用面積加和法進行定量[2]。

圖1 8種PAHs及內標物的SIM掃描結果

表1 8種PAHs及2種內標物相關參數

利用SIM掃描測試內標液質量濃度為0.04 mg·L-1、8種PAHs混合標準溶液質量濃度為0.002，0.008，0.02，0.05和0.1 mg·L-1的系列標準溶液，繪制的標準曲線如圖2所示，相關標準曲線及線性相關因數（R2）見表2，由表2可見，各標準曲線的R2≥0.998。

表2 內標法測定的標準曲線及R2

圖2 內標法測定的標準曲線

2.2 樣品處理條件的選擇

2.2.1 萃取劑

樣品中多環芳烴的提取方法有很多，如索氏提取法、固相萃取法、超臨界流體法和超聲波萃取法等[3]，本試驗根據炭黑的性質選擇超聲波萃取法。

PAHs化合物的萃取液有甲苯、二氯甲烷、正己烷、丙酮混合液等，甲苯對高沸點PAHs苯并蒽、苯并芘提取效果較好[4]。對ZEK 01.4-08（2011）[5]及GB/T 29614—2013[6]所用的萃取劑進行了對照，選擇某一型號的炭黑分別以甲苯、乙酸乙酯為萃取劑，各做3組平行試驗，分析結果見表3。由表3可以看出，在相同的試驗條件下，甲苯萃取炭黑中的PAHs效率明顯優于乙酸乙酯，因此后續試驗以甲苯為萃取劑。

表3 不同萃取劑的試驗結果對比

2.2.2 萃取溫度

根據相關標準，利用超聲波萃取法萃取塑料、輪胎、彈性體等樣品中PAHs時所選溫度均為60℃，此溫度下所監控的8種PAHs及所用萃取劑較穩定，因此試驗均采用60 ℃水浴超聲萃取。

2.2.3 樣品量

樣品質量與萃取劑的體積比應適當，樣品量過小則低于方法檢出限，樣品量過大則超聲處理后會形成過濃的懸濁液，即使離心也無法得到澄清的液體。按照BaP的檢出限及其在樣品中的最大允許值（0.1 mg·kg-1），所需樣品量至少為0.13 g，為了提高數據的準確性，適當增大了樣品的用量，由于炭黑粒徑小，當樣品量超過0.4 g時超聲分散后易形成混濁液，不易分離，因此選擇0.25 g·（10 mL）-1的比例進行試驗。

2.2.4 萃取時間

萃取時間直接關系到樣品中PAHs的萃取效率，若時間太短則萃取不完全，時間過長可能會導致部分PAHs分解。將已知含有PAHs的某一炭黑分為5組、每組3個平行試樣進行試驗，結果取平均值。稱取0.25 g樣品加入10 mL含有內標物的甲苯溶液，于60 ℃的水浴中超聲處理30，60，90，120和150 min，然后進行冷卻、離心、過濾、GC/MS分析，測試結果如圖3所示。由圖3可以看出，隨著時間的延長，PAHs檢測含量先增大，90 min后則逐漸減小。原因可能是萃取時間的延長導致部分樣品分解，因此選擇最優的萃取時間為90 min。

圖3 萃取時間優化曲線

2.2.5 方法的準確性

利用所優化的條件對已知含有PAHs的炭黑樣品進行4組平行試驗，測試結果見表4。由表4可以看出，平行試驗PAHs的測試相對標準偏差小于8.7%，表明方法準確度高，能夠用于炭黑中PAHs含量的測定。

表4 方法準確性測試結果

2.2.6 樣品測試

稱取0.250 0 g（精確到0.000 1 g）的樣品，按優化條件進行GC/MS測試分析。每批樣品測試前先測試一個質控樣，對標準曲線進行校正。公司日常生產用炭黑監控測試結果見表5。從測試數據分析，共監控了7個廠家的17個炭黑樣品，合格率為70.59%。其中不合格產品中BaP不合格率為100%，PAHs不合格率為20%。

表5 GC/MS法測試不同廠家炭黑中PAHs含量

3 結語

炭黑在輪胎普通生產配方中用量一般達60份，若使用PAHs含量超標的炭黑必將影響輪胎中PAHs的含量。

建立了氣相色譜/質譜聯用測定炭黑中PAHs含量的方法。試驗優化條件如下：萃取劑 甲苯，水浴超聲萃取溫度 60 ℃，樣品質量/萃取劑體積比 0.25 g·（10 mL）-1，萃取時間 90 min。測定標準曲線的R2≥0.998，相對標準偏差小于8.7%。該方法簡便快捷、準確性高，能夠滿足輪胎生產用炭黑中PAHs含量的測定要求。