頂空氣相色譜法測定離子交換樹脂中8種有機溶劑殘留

朱賀文, 臧穎超, 張光生, 盧立新, 夏海鋒*

(1. 江南大學糧食發酵工藝與技術國家工程實驗室, 江蘇 無錫 214122; 2. 江南大學環境與土木工程學院,江蘇 無錫 214122; 3. 江南大學江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室, 江蘇 無錫 214122)

離子交換色譜(ion-exchange chromatography, IEC)是生物技術分離純化方向應用最為廣泛的一種色譜分離方法[1]。它的原理是利用目標物上所帶電荷與層析介質上面的帶電集團所帶相反電荷之間的靜電作用力而結合[2]。由于不同分子的電荷位點的差異以及電荷量的不同導致結合強度不同,因此可以按照結合力由弱到強的順序將不同分子逐個洗脫下來,達到純化效果[3]。離子交換樹脂交換容量高,機械強度好,綠色環保不產生污染,成本低廉,工藝步驟簡單,所以在食品、保健品和醫藥工業中得到迅速的推廣使用[4]。離子交換色譜作為色譜技術的核心之一,早已廣泛應用于重組蛋白、抗體和疫苗等的純化過程[5,6]。在食品工業中,離子交換樹脂不但可以處理工業廢水,還可用于糖類、酒、奶、油脂、飲料等的去鹽、脫色、分離、提純、去渾濁、去堿、去酸、催化等方面[7,8]。

離子交換樹脂應用廣泛,但同時,由于市場上購買到的樹脂都是化工生產樹脂,有機物殘留問題嚴重[9],我國目前食品工業所用離子交換樹脂的安全標準還不完善,只是有一些文件依據分離物所帶電荷的正負以及帶電量的不同對個別類型的樹脂產品進行了限定。而離子交換樹脂在生產或保存過程中產生的有機殘留物可能在接觸食品、藥品、保健品后影響目標產品的安全性[10]。隨著近年來人們對食品的安全、衛生、無毒要求越來越高,對樹脂的檢測及遷移的研究就越來越重要。

文獻報道離子交換樹脂生產或保存時涉及的有機溶劑一般為苯系物、二氯乙烷、二甲苯、甲基丙烯酸酯、氯苯等[11],結合預實驗的氣相色譜質譜法的檢測結果,我們確定了甲基異丙基甲酮(methyl isopropyl ketone)、丁酸甲酯(methyl butyrate)、3-戊酮(3-pentanone)、1,3-二乙基苯(1,3-diethyl benzene)、1,4-二乙基苯(1,4-diethyl benzene)、1,2-二氯乙烷(dichloroethane)、間二氯苯(m-dichlorobenzene)、甲基丙烯酸甲酯(methyl methacrylate) 8種有機物為研究對象,離子交換樹脂的提取方法有多種,如超聲提取、溶劑萃取、頂空分析、熱脫附等[12],有機殘留物的檢測方法包括頂空氣相色譜法[13]、頂空固相微萃取-氣相色譜法[14]、液相色譜-質譜聯用法[15]、頂空-固相微萃取-氣相色譜-質譜法,進樣方式主要有氣相色譜直接進樣法和頂空進樣法[16],本實驗采用干擾小、精確度高、操作方便的頂空氣相色譜法進行檢測,而對于提取溶劑的選擇既要考慮到提取效率的問題,還要兼顧到分離效果、溶解性、揮發性。報道過的溶劑有水、0.2 mol/L的NaOH溶液、乙醇[17,18]和二甲亞砜,本實驗選擇二甲亞砜作為溶劑,用超聲波提取結合溶劑萃取的方法提取有機物[19]。市面上根據基體分類離子交換樹脂主要有甲基丙烯酸酯、交聯丙烯酸、酚醛、苯乙烯等類型,我們在4種類型樹脂中挑選了Amberlite FPA53、Amberlite XAD7HP、Amberlite XAD761、Seplite LX-016、Seplite LX-762、Seplite LX-28、Seplite LX-1600、Seplite LX-T5、Seplite LX-69B、Seplite LSL-010、Seplite LX-T81共計11種樹脂進行檢測。

本研究建立了不同類型樹脂中8種有機化合物的頂空氣相色譜檢測方法,優化了頂空進樣處理和氣相色譜檢測的條件參數,具有充分的理論和技術基礎以及操作可行性,該方法優點在于有機溶劑對氣相色譜的污染和測定結果的影響較小、操作簡單、精密度好、結果準確、能滿足離子交換樹脂中有機物的檢測需要。

1 實驗部分

1.1 儀器、試劑與材料

HS-10頂空進樣器、GC-2010氣相色譜儀(日本島津公司)、DB-23石英毛細柱(60 m×0.32 mm×0.25 μm)(美國安捷倫科技有限公司)。

Amberlite FPA53、Amberlite XAD7HP、Amberlite XAD761樹脂購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司;Seplite LX-016、Seplite LX-762、Seplite LX-28、Seplite Seplite LX-1600、Seplite LX-T5、Seplite LX-69B、Seplite LSL-010、Seplite LX-T81樹脂購自西安藍曉科技新材料股份有限公司;HZ-818大孔樹脂購自上海華震科技有限公司;微孔濾膜(混纖-有機系,孔徑為0.22 μm)購自國藥集團化學試劑有限公司;二甲亞砜及8種目標有機溶劑均為色譜純,購自國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 頂空及氣相色譜條件

采用頂空進樣毛細管氣相色譜法,頂空進樣器樣品平衡時間30 min;平衡溫度80 ℃;進樣量750 μL;色譜柱為DB-23毛細管柱(60 m×0.32 mm×0.25 μm);氫火焰離子化檢測器;柱溫(程序升溫): 初始溫度60 ℃,保持16 min,再以20 ℃/min的升溫速率升至200 ℃,保持2 min;進樣口溫度240 ℃; FID溫度300 ℃;分流比為3∶1;載氣為氮氣,流速為1.2 mL/min。

1.3 樣品制備

稱取濕重2.0 g的樹脂,置于25 mL的容量瓶中,準確加入10 mL二甲亞砜,蓋上瓶塞后用封口膜密封,超聲提取20 min以后取5 mL提取液過0.22 μm濾膜待測。

1.4 混合標準儲備液的制備

分別精密量取8種目標有機溶劑各0.2 g混合后用二甲亞砜定容至100 mL,配制成2 g/L的標準儲備液,用封口膜密封備用。

1.5 混合標準工作溶液

用二甲亞砜將標準儲備液逐級稀釋為0.002、0.02、0.2、2、20、200 mg/L的系列標準溶液,待用。

2 結果與討論

2.1 混合進樣法分析8種有機化合物

以DB-23石英毛細柱為分析柱,將8種有機物的混合標準儲備液按照1.2節所述條件進樣,結果顯示8種有機物得到了高效分離,響應高,峰形較好,色譜圖見圖1。

圖 1 8種有機溶劑的色譜圖Fig. 1 Chromatogram of the eight organic compounds 1. methyl isopropyl ketone; 2. 3-pentanone; 3. methyl butyrate; 4. methyl methacrylate; 5. dichloroethane; 6. 1,3-diethyl benzene; 7. 1,4-diethyl benzene; 8. m-dichlorobenzene.

2.2 頂空平衡溫度的優化

在其他參數固定的條件下,使用按1.4節制備的混合標準儲備液,分別經頂空40、50、60、70、80、90 ℃恒溫下平衡30 min后進樣,按照1.2節儀器條件進行測定,考察不同平衡溫度對目標物峰面積的影響,檢測結果表明,在40～90 ℃范圍內,8種有機物的峰面積隨溫度上升而增加(見圖2),故在一定溫度范圍內,平衡溫度越高,8種有機物的蒸汽壓越高;另一方面,過高的平衡溫度可能造成樣品中揮發物增加,導致干擾增多,同時結合進樣器恒溫狀態控制性能、頂空耐壓性及密性等因素,選擇80 ℃作為最優平衡溫度。

圖 2 不同平衡溫度下8種有機物色譜峰面積的變化Fig. 2 Changes of peak areas of the eight organic compounds at different equilibrium temperatures

2.3 頂空平衡時間的優化

頂空平衡時間本質上取決于被測組分分子從樣品基質到氣相的擴散速度。擴散速度越快,所需平衡時間越短,頂空分析可以通過峰面積的變化進行判斷。

使用按1.4節制備的混合樣品分別在80 ℃恒溫下分別平衡4、6、8、10、20、30、40 min后,開始進樣,按照1.2節儀器條件進行測定,考察不同平衡時間對峰面積的影響,結果見圖3。可以看出,8種有機物起初隨著平衡進程的進行而快速增加,在20 min左右時即可到達曲線最高點;在10～40 min階段,峰面積變化不大,說明過長的平衡時間并不會使檢測靈敏度明顯提高。考慮到不同樣品類型、頂空進樣器功能不同,為保證充分達到平衡狀態,同時考慮到混合樣品測定的連續進樣,且避免過長受熱可能導致的組分變化,選擇30 min作為標準平衡時間。

圖 3 不同平衡時間下8種有機物色譜峰面積的變化Fig. 3 Changes of peak areas of the eight organic compounds under different equilibrium times

2.4 方法學考察

2.4.1線性方程及方法檢出限

將0.002、0.02、0.2、2、20、200 mg/L的8種有機溶劑混合標準溶液在優化并確立的頂空氣相色譜條件下分析,以有機物的質量濃度為橫坐標(x, mg/L),峰面積為縱坐標(y),制作標準曲線。結果顯示,在0.02～200 mg/L范圍內,8種有機物的質量濃度與峰面積線性關系良好,相關系數(R2)均大于0.999。

取20 mg/L標準溶液用二甲亞砜逐步稀釋,精密吸取5 mL至10 mL頂空瓶里,進行測定,確定信噪比約為3時的檢測量為檢出限(LOD),信噪比(S/N)為10時為定量限(LOQ),回歸方程、線性范圍、相關系數、檢出限及定量限見表1。

表 1 8種有機物的線性方程、線性范圍、相關系數、檢出限和定量限

2.4.2方法的回收率與精密度

向HZ-818樹脂樣品中添加3個水平(5.0、10、20 mg/L)的混合標準溶液,再將樹脂按照1.3節所述方法前處理,進行加標回收率實驗,每個加標水平測6次,結果見表2。由表3可見,3個添加水平的回收率為82.3%～109.2%,相對標準偏差(RSD)為1.06%～4.16%說明該方法的重復性和精密性良好,準確度可達到檢測要求。

2.5 不同離子交換樹脂樣品中有機化合物的測定

按照1.3節將基體分別為交聯丙烯酸、甲基丙烯酸酯、酚醛、苯乙烯4類共11種樹脂進行處理,將樣品按照1.2節所述的檢測條件進行檢測,檢測的頂空氣相色譜圖見圖4,具體種類及含量如表3所示。結果表明,樹脂樣品中均存在一定量的不同有機物,少數產品的殘留量較高,苯乙烯類樹脂LX-69B中甲基丙烯酸甲酯含量高達470.76 μg/g。

圖 4 不同離子交換樹脂樣品的色譜圖Fig. 4 Chromatograms of different ion exchange resin samples 1. methyl isopropyl ketone; 2. 3-pentanone; 3. methyl butyrate; 4. methyl methacrylate; 5. dichloroethane; 6. 1,3-diethyl benzene; 7. 1,4-diethyl benzene; 8. m-dichlorobenzene.

3 結論

本文建立了頂空氣相色譜法測定離子交換樹脂中8種有機物的方法,并進行了一系列方法學驗證,該實驗方法靈敏、準確,能同時分離和定量測定離子交換樹脂中8種有機殘留物,采用二甲亞砜直接提取樹脂樣品省去了繁瑣的樣品前處理過程,提高了實驗效率。該方法適用于離子交換樹脂中殘留溶劑的檢測,為樹脂材料在應用過程中對多種有機殘留物快速篩查提供有效途徑。