液相色譜-串聯三重四極桿質譜法測定船舶防腐涂料中三丁基氧化錫的含量

劉 君,王 雪,張 菅,王青松,穆 倩

(1.海檢檢測有限公司,青島 266235;2.國家海洋設備質量檢驗檢測中心(山東),青島 266235)

有機錫化合物是一類合成的具有持久穩定性有機金屬化合物,碳錫間以共價鍵(Sn-C)的形式連接[1],在一種有機錫化合物內通常含有一個及以上碳錫共價鍵。有機錫化合物具有優良的穩定性、殺菌性和抗腐性等特點,被廣泛應用于多種商業領域,如被加入聚氯乙烯塑料[2-3]、印花紡織布料[4-7]、木質品[8]和船用防腐涂料[9]中。有機錫屬于內分泌干擾物,長期接觸或攝入可以對人體的大腦、肝臟、脂肪等多種組織和器官造成損害,其毒性大小與具體物質的形態、碳錫共價鍵的個數有關[10-14]。

三丁基氧化錫(TBTO)是一種含雙錫元素的有機錫化合物,作為海洋生物防腐劑被廣泛應用于船舶防腐涂料中[15-18]。研究表明,當水體中含有較低濃度水平的TBTO時,即可對水生生物產生較高的生物毒性,因此歐盟將其列入Reach法規的高度關注(SVHC)物質,國際海事組織(IMO)、香港和歐盟分別于2001年、2009年和2013年相繼發布了《國際控制船舶有害防污底系統公約》《2009年香港國際安全與環境無害化拆船公約》和(EU) No 1257/2013法規對其管轄領域內航行的船舶體上涂料中的TBTO提出了限量要求。

目前國內外對有機錫的研究主要集中在只含單錫元素的有機錫化合物含量測定和合成方面,對于TBTO這種含有雙錫元素的化合物的檢測方法鮮有報道。測定TBTO含量的方法主要有氣相色譜法(GC)[19]、原子吸收光譜法(AAS)[20-21]。GC需要將目標化合物在酸性條件下衍生成極性較小的化合物,通過間接測定的方式來換算目標物的含量,該方法操作過程復雜、成本高、耗時長且存在不完全衍生化的風險(衍生原理見圖1);AAS操作簡單,但只能測定樣品中總錫含量,無法確認被檢測到的錫元素是否全部來源于目標物。液相色譜-質譜聯用儀是一種通用性的有機化合物測定儀器,本工作提出了液相色譜-串聯三重四極桿質譜法測定船舶防腐涂料中TBTO含量的方法,該方法無需預反應,操作簡單、耗時短,且準確度高。

圖1 TBTO衍生機理

1 試驗部分

1.1 儀器與試劑

1290-6470型液相色譜-質譜聯用儀; XSR105型電子天平; KQ600DV型控溫式超聲清洗器; MARS6型微波消解儀;SHZ-B型水浴振蕩器;RE 2000B型旋轉蒸發儀;UGC-24C型氮吹儀;Milli-Q Reference型超純水系統。

TBTO標準儲備溶液:1 000 mg·L-1,稱取適量的TBTO標準品,用甲醇溶解并定容至10 mL,于-20 ℃環境下保存,有效期12個月。使用時用甲醇稀釋至所需質量濃度。

TBTO標準品的純度為99.90%;乙腈、甲醇和甲酸均為色譜純;試驗用水為一級水。

1.2 儀器工作條件

1.2.1 色譜條件

EC-C18色譜柱(100 mm×2.1 mm,2.7 μm);柱溫35 ℃;流量0.4 mL·min-1;進樣量10 μL;流動相A為0.1%(體積分數,下同)甲酸溶液,B為甲醇。梯度洗脫程序:0～1.5 min時,A由80%降至40%;1.5～2.0 min時,A由40%降至30%;2.0～3.0 min時,A由30%降至10%;3.0～5.0 min時,A由10%升至80%,保持2.0 min。

1.2.2 質譜條件

電噴霧離子(ESI)源,正離子(ESI+)掃描模式;多反應監測(MRM)模式;離子源溫度250 ℃;霧化氣流量 7 L·min-1;輔助加熱氣壓力241 kPa;鞘氣溫度300 ℃;鞘氣流量 11 L·min-1;毛細管電壓3 500 V;TBTO的保留時間 2.39 min;母離子 質荷比(m/z)597.0;子離子m/z235.0(定量離子),176.7,178.7,對應的碎裂電壓均為138 V,對應的碰撞能量依次為18,31,33 eV。

1.3 試驗方法

稱取混合均勻的樣品1.00 g于比色管中,加入15 mL溶劑(水基型涂料采用甲醇;溶劑型涂料采用乙酸乙酯),于35 ℃超聲提取15 min,提取液以轉速5 000 r·min-1離心5 min。取10 mL上層清液加入氮吹管中,氮吹至近干,用甲醇復溶并定容至2 mL,過0.45 μm濾膜(水基型涂料采用尼龍濾膜;溶劑型涂料采用有機濾膜),濾液裝入樣品瓶中,按照儀器工作條件進行測定,外標法定量。

2 結果與討論

2.1 色譜行為

按照儀器工作條件對0.5 mg·L-1TBTO標準溶液、溶劑型涂料空白樣品加標溶液、水基型涂料空白樣品加標溶液進行測定,均能有較好的響應。TBTO標準溶液的總離子流色譜圖見圖2。

圖2 TBTO標準溶液的總離子流色譜圖

2.2 樣品前處理條件的選擇

2.2.1 提取劑

根據有機溶劑極性相似相溶原理,分別選擇甲醇、乙腈、四氫呋喃作為水基型涂料提取劑,選擇乙酸乙酯、正己烷、乙酸丁酯作為溶劑型涂料提取劑。試驗選取兩類涂料各3款產品(水基型涂料1～3,溶劑型涂料1～3)進行加標(加標量均為1.0 mg·kg-1),考察了不同溶劑對兩類加標涂料產品中目標物的提取效果,結果見表1。

表1 提取劑對樣品中目標物提取的影響

結果表明:以甲醇作為水基型涂料提取劑的效果明顯優于其他兩種;以乙酸乙酯和乙酸丁酯作為溶劑型涂料的提取劑效果較好,但乙酸乙酯作為通用性試劑,是絕大多數標準方法中推薦使用的提取劑。因此,試驗選擇甲醇和乙酸乙酯分別作為水基型涂料和溶劑型涂料的提取劑。

2.2.2 提取方式

試驗考察了振蕩提取、渦旋提取和超聲提取等3種方式在不同提取時間(5,10,15,20 min)下對加標樣品(加標量均為1.0 mg·kg-1)中目標物的提取效果,結果見表2。

表2 提取方式對樣品中目標物提取的影響

結果表明:隨著提取時間的延長,目標物的提取效率不斷提高;對于渦旋提取和超聲提取兩種方式而言,當提取時間達到15 min后,不同類型樣品中的目標物已達到完全提取程度,對于振蕩提取方式而言,通過對比15 min和20 min的目標物提取效果的數據可知,當提取時間為15 min時,未達到完全提取程度。原因可能為渦旋提取過程產生的渦流效應能較好地將提取劑和樣品混合;超聲提取過程中通過超聲波加速目標物分子運動,使其不斷地向提取劑中轉移,因此渦旋提取和超聲提取可在較短的時間內達到較好的提取效果。考慮到渦旋處理過程中需要人力拿住樣品持續操作,而超聲提取過程中只需要將盛有樣品的反應器放入超聲器中即可,可解放分析人員雙手,因此試驗選擇超聲提取15 min的方式用于后續試驗操作。

2.2.3 濃縮方式

常用的濃縮方式有氮吹濃縮和不同溫度(40,50,60 ℃)下旋蒸濃縮。試驗通過對0.5 mg·L-1TBTO標準溶液在室溫氮吹濃縮和不同溫度(40,50,60 ℃)下旋蒸濃縮,考察了濃縮方式對目標物測定的影響。結果表明,在上述濃縮方式下,目標物的回收率分別為91.2%,47.9%,40.3%,41.2%,說明旋蒸濃縮下目標物損失較大。因此,試驗選擇的濃縮方式為氮吹。

2.3 色譜條件的選擇

使用EC-C18色譜柱,考察了水或0.1%甲酸溶液為流動相A,甲醇或乙腈為流動相B時對目標物的分離和響應情況的影響。結果表明:TBTO在ESI+掃描模式下,采用0.1%甲酸溶液作為流動相A時的響應強度優于水;采用甲醇作為流動相B時,TBTO的響應強度和色譜峰形均優于乙腈。考慮到與前處理提取劑的銜接,試驗選擇0.1%甲酸溶液作為流動相A,甲醇作為流動相B。

2.4 質譜條件的選擇

采用ESI+掃描模式對1 mg·L-1的TBTO標準溶液進行母離子全掃描,確定母離子為m/z597.0;經過碰撞后產生子離子,選擇響應較強的離子m/z235.0為定量子離子,m/z176.7,178.7為定性子離子。進一步優化碎裂電壓和碰撞能量,優化后的質譜參數見1.2.2節。

2.5 標準曲線、檢出限和測定下限

移取10 mg·L-1的TBTO標準溶液,用甲醇逐級稀釋,配制成質量濃度分別為0.1,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,2.0 mg·L-1的TBTO標準溶液系列,按照儀器工作條件進樣分析,以TBTO的質量濃度為橫坐標,對應的峰面積為縱坐標繪制標準曲線。結果表明:TBTO標準曲線的線性回歸方程為y=14.01x-1.065,線性范圍為0.1～2.0 mg·L-1,相關系數不小于0.997 3。

以不小于3倍的信噪比計算方法的檢出限,結果為0.031 mg·kg-1;以不小于10倍的信噪比計算方法的測定下限,結果為0.10 mg·kg-1。

2.6 精密度和回收試驗

按照試驗方法分別對空白溶劑型涂料和水基型涂料進行低、中、高3個濃度水平的加標回收試驗,每個濃度水平平行測定6次,計算TBTO的回收率和測定值的相對標準偏差(RSD),結果見表3。

表3 精密度和回收試驗結果(n=6)

由表3可知,兩種類型涂料中TBTO的回收率為86.9%～92.9%,測定值的RSD為1.1%～3.4%,表明該方法的準確度和精密度較好,滿足涂料產品中TBTO含量的測定。

2.7 樣品分析

按照試驗方法對溶劑型涂料和水基型涂料兩類樣品各10個樣品進行測定,其中溶劑型涂料中有2個樣品檢出TBTO,檢出量為1.18,0.82 mg·kg-1;水基型涂料中有1個樣品檢出TBTO,檢出量為0.48 mg·kg-1。

本工作以超聲提取目標物,氮吹濃縮提取液,提出了液相色譜-串聯三重四極桿質譜法測定船舶防腐涂料中TBTO含量的方法。該方法無需預反應,操作簡單、耗時短,且準確度高,可滿足涂料中TBTO含量測定的要求。