一种衍生‑顶空气相色谱法测定烟用水基胶中的甲醛、乙醛和丙酮的方法

摘要

本发明公开了一种衍生‑顶空气相色谱法测定烟用水基胶中的甲醛、乙醛和丙酮的方法，包括如下步骤：(1)烟用水基胶按配比分散于去离子水中，进行震荡萃取，经离心后取上清液至顶空瓶中，按配比加入衍生试剂溶液，压盖密封，混匀后进样进行顶空‑气相色谱分析；所述衍生试剂溶液为五氟苄基羟胺的水溶液；(2)绘制目标分析物的色谱峰面积对其浓度的标准曲线，将步骤(1)所得色谱结果带入对应的标准曲线即可分别计算出烟用水基胶中甲醛、乙醛和丙酮的浓度。本发明建立了一种简单、快速、准确测定水基胶中的甲醛、乙醛和丙酮的衍生‑顶空气相色谱法测定方法。该方法具有简单、快速、准确、可自动化及无有机溶剂消耗等优点。

说明书

技术领域

本发明属于烟用水基胶中有害物的检测技术领域，尤其涉及一种衍生-顶空气相色谱法测定烟用水基胶中的甲醛、乙醛和丙酮的测定方法，具体说是通过水作为基质校正剂，五氟苄基羟胺衍生，在一定的平衡温度和平衡时间下，以顶空-气相色谱(HS-GC)进行测定的方法。

背景技术

羰基化合物如醛类和酮类化合物作为有害物质，在环境和生物化学研究中长期得到关注。长期暴露在高含量醛酮的环境中，容易引发肺部疾病、老年痴呆症、癌症等多种疾病。水基胶作为一种重要的烟用材料，近年来其安全卫生受到烟草行业的高度重视，而醛酮类羰基化合物是胶粘剂合成中常用的原料和溶剂。对于烟用水基胶，2010年国家烟草令卖局发布了YC/T 332-2010《烟用水基胶甲醛的测定高效液相色谱法》以规范甲醛的测定，而对于其他羰基化合物的测定暂无规定。

目前，低分子醛酮类化合物的测定以样品衍生处理后经气相色谱和高效液相色谱测定为主。其中样品经2,4-二硝基苯肼衍生成苯腙后高效液相色谱分析应用最多，在衍生反应所需要的酸性环境中，苯腙易水解导致测定值下降。气相色谱分析需要经过五氟苄基羟胺(PFBHA)、五氟苯肼等衍生试剂前处理，然后将衍生产物通过有机溶剂转移到有机相中才能进行GC分析，操作存在处理繁琐、消耗有机溶剂不环保等缺点。

发明内容

针对现在技术存在的不足之处，本发明进行了研究，建立了一种简单、快速、准确测定水基胶中的的甲醛、乙醛和丙酮的衍生-顶空气相色谱法测定方法。该方法具有简单、快速、准确、可自动化及无有机溶剂消耗等优点。

本发明在水基胶加水振荡萃取，离心后取上清液加入五氟苄基羟胺，在一定条件下衍生反应顶空平衡后气体部分以气相色谱测定甲醛、乙醛和丙酮的肟衍生物含量，

一种衍生-顶空气相色谱法测定烟用水基胶中的甲醛、乙醛和丙酮的方法，包括如下步骤：

(1)烟用水基胶按配比分散于去离子水中，进行震荡萃取，经离心后取上清液至顶空瓶中，按配比加入衍生试剂溶液，压盖密封，混匀后进样进行顶空-气相色谱分析；所述衍生试剂溶液为五氟苄基羟胺的水溶液；

(2)绘制目标分析物的色谱峰面积对其浓度的标准曲线，将步骤(1)所得色谱结果带入对应的标准曲线即可分别计算出烟用水基胶中甲醛、乙醛和丙酮的浓度。

顶空技术(HS)具有样品处理简单、易自动化、溶剂消耗少、降低了样品对仪器的污染等优点，已在烟草行业得到广泛应用。反应顶空分析可以把难挥发和难检测性物质经过化学衍生反应后进行顶空分析，大大拓展了顶空技术的应用范围。五氟苄基羟胺(PFBHA)与羰基化合物反应在水相中可反应生成弱极性的肟衍生物热稳定性好、易挥发，适合水相顶空进样分析，操作简单且不使用有机溶剂。目前尚无文献报道烟用水基胶中甲醛、乙醛和丙酮的顶空气相色谱法。

优选地，烟用水基胶以45～55mg/mL分散于去离子水中；进一步优选地，烟用水基胶以50mg/mL分散于去离子水中。

优选地，所述衍生试剂溶液中五氟苄基羟胺的浓度为1mg/mL～10mg/mL；进一步优选地，所述衍生试剂溶液中五氟苄基羟胺的浓度为4～6mg/mL；进一步优选地，所述衍生试剂溶液中五氟苄基羟胺的浓度为5mg/mL。

优选地，进行顶空-气相色谱分析的上清液与加入的衍生试剂溶液的体积比为10:1。

更进一步优选地，烟用水基胶以50mg/mL分散于去离子水中；所述衍生试剂溶液中五氟苄基羟胺的浓度为4mg/mL～6mg/mL；进行顶空-气相色谱分析的上清液与加入的衍生试剂溶液的体积比为10:1。

最优选地，烟用水基胶以50mg/mL分散于去离子水中；所述衍生试剂溶液中五氟苄基羟胺的浓度为5mg/mL；进行顶空-气相色谱分析的上清液与加入的衍生试剂溶液的体积比为10:1。

优选地，顶空-气相色谱分析时，上清液的进样体积为3～7mL；进一步优选为5mL。

优选地，顶空-气相色谱分析的顶空条件为：

平衡温度：40～70℃；样品环温度：130℃；传输线温度：150℃；平衡时间：20～70min；加压平衡时间：0.5min；进样时间：0.5min。

进一步优选地，平衡温度为60～70℃，平衡时间为40～50min；更进一步优选地，平衡温度为70℃，平衡时间为50min。

优选地，顶空-气相色谱分析的气相色谱条件为：

载气：纯度≥99.999％的氦气；柱流量：1.5mL/min；色谱柱：填料为(5％-苯基)-甲基聚硅氧烷的色谱柱；进样方式：分流进样，分流比：5:1；进样口温度：250℃；程序升温：50℃保持3min然后以7℃/min升温至120℃，120℃保温1min，然后以7℃/min升温至280℃，280℃保温6min；FID检测器温度：250℃；氢气流速：30mL/min；空气流速：400mL/min；氦气作为尾吹气，流速：30mL/min。

优选地，制作标准曲线时配置甲醛、乙醛和丙酮的混合标准液，先配置成甲醛10.0μg/mL、乙醛50.0μg/mL、丙酮50.0μg/mL的混合标准储备液，再用去离子水稀释成甲醛为0.05,0.10,0.15,0.25,0.50和1.0μg/mL，乙醛和丙酮分别为0.25,0.50,0.75,1.25,2.50和5.0μg/mL，进行进样分析，分别以甲醛、乙醛和丙酮的峰面积对其浓度绘制标准曲线。

最优选地，具体步骤如下：

1)配制混标储备液、混合标准工作溶液、衍生试剂溶液：准确称取1.0mL甲醛标准溶液、5.0mL乙醛标准溶液、5.0mL丙酮标准溶液，用去离子水定容于100mL容量瓶中，得到混合标准储备液(甲醛10.0μg/mL、乙醛50.0μg/mL、丙酮50.0μg/mL)。移取适量混合标准储备溶液，用去离子水稀释成甲醛为0.05,0.10,0.15,0.25,0.50和1.0μg/mL(乙醛、丙酮为0.25,0.50,0.75,1.25,2.50和5.0μg/mL)的混合标准工作溶液。准确称量五氟苄基羟胺0.5g，用去离子水定容于100mL容量瓶中，得到5.0mg/mL的五氟苄基羟胺衍生试剂溶液。

2)样品前处理：称取水基胶1.0g(精确至0.1mg)于50mL锥形瓶中，加入20mL去离子水，恒温振荡仪上振荡30min。移取10mL乳液以12000r/min离心10min。取5.0mL上清液于20mL顶空瓶中，加入0.5mL衍生试剂溶液，立即压盖密封，涡旋混匀，进样分析。

3)顶空-气相色谱测试：

顶空条件：平衡温度：70℃；样品环温度：130℃；传输线温度：150℃；平衡时间：50min；加压平衡时间：0.5min；进样时间：0.5min。

气相色谱条件：载气：氦气(纯度≥99.999％)；柱流量：1.5mL/min；色谱柱：填料为(5％-苯基)-甲基聚硅氧烷的色谱柱(30m×0.25mm×0.25μm)；进样方式：分流进样，分流比：5:1；进样口温度：250℃；程序升温：FID检测器温度：250℃；氢气流速：30mL/min；空气流速：400mL/min；尾吹气(氦气)流速：30mL/min。

4)定性和定量：使用标准品保留时间和单标进样定性，空白溶液、混合标准溶液(甲醛1.0μg/mL、乙醛5.0μg/mL、丙酮5.0μg/mL)和水基胶样品的色谱图如图1所示。取空白溶液、混合标准工作溶液按设置条件进样，以目标分析物的色谱峰面积为y(乙醛的异构体峰面积加和计算)，浓度为x，绘制标准工作曲线，以信噪比(S/N)为3和10计算检测限(LOD)和定量限(LOQ)，将水基胶样品的色谱数据带入对应标准曲线计算得到水基胶样品中甲醛、乙醛和丙酮的浓度。

本发明建立了一种测定烟用水基胶中的甲醛、乙醛和丙酮的衍生-顶空气相色谱方法。与现有技术相比本发明具有如下优良效果：

1)该前处理方法简单易操作，采用顶空进样器的重叠平衡功能，柱箱同时平衡多个样品瓶以提高工作效率，实现了高通量自动分析；

2)相对传统的溶剂萃取后衍生，不消耗有机溶剂，环境友好；

3)顶空进样降低了样品对仪器的污染，减少了仪器在使用过程中的维护，并简化了样品前处理过程，避免了被测目标物的前处理过程中的损失。该方法具有简单、快速、准确、可自动化及无有机溶剂消耗等优点。

附图说明

图1为本发明中空白溶液、标准溶液、实际样品的色谱图(其中S.五氟苄基羟胺；1-甲醛衍生物；2,2’-乙醛衍生物；3-丙酮衍生物)。

图2为取样体积对峰面积的影响图。

图3为衍生试剂浓度对峰面积的影响图。

图4为顶空温度对峰面积的影响图。

图5为顶空时间对峰面积的影响图。

具体实施方式

以下结合实施例子对本发明做进一步描述，但并不以任何方式限制本发明的范围。

实施例1

1实验部分

1.1材料、试剂与仪器

水基胶样品(浙江中烟工业责任有限公司提供)。甲醛、乙醛、丙酮的单标溶液(1.0mg/mL，百灵威科技有限公司)；五氟苄基羟胺标准品(东京化成工业株式会社)。7890型气相色谱仪(配HP-7697A顶空进样器)、HP-5色谱柱(30m×0.25mm×0.25μm)(美国Agilent公司)；AG104电子天平(感量0.0001g，瑞士Metter-Toledo公司)；Milli-Q Advantage A10超纯水系统(美国Millipore公司)；涡旋混匀器(海门市其林贝尔仪器有限公司)；Sigma 4-16k高速离心机(德国Sigma公司)。

1.2配制混标储备液、混合标准工作溶液、衍生试剂溶液。：准确称取1.0mL甲醛标准溶液、5.0mL乙醛标准溶液、5.0mL丙酮标准溶液，用去离子水定容于100mL容量瓶中，得到混合标准储备液(甲醛10.0μg/mL、乙醛50.0μg/mL、丙酮50.0μg/mL)。移取适量混合标准储备溶液，用去离子水稀释成甲醛为0.05,0.10,0.15,0.25,0.50和1.0μg/mL(乙醛、丙酮为0.25,0.50,0.75,1.25,2.50和5.0μg/mL)的混合标准工作溶液。准确称量五氟苄基羟胺0.5g，用去离子水定容于100mL容量瓶中，得到5.0mg/mL的五氟苄基羟胺衍生试剂溶液。

1.3样品前处理：称取水基胶1.0g(精确至0.1mg)于50mL锥形瓶中，加入20mL去离子水，恒温振荡仪上振荡30min。移取10mL乳液以12000r/min离心10min。取5.0mL上清液于20mL顶空瓶中，加入0.5mL衍生试剂溶液，立即压盖密封，涡旋混匀，进样分析。

1.4顶空条件：平衡温度：70℃；样品环温度：130℃；传输线温度：150℃；平衡时间：50min；加压平衡时间：0.5min；进样时间：0.5min。

气相色谱条件：载气：氦气(纯度≥99.999％)；柱流量：1.5mL/min；色谱柱：HP-5色谱柱(30m×0.25mm×0.25μm)；进样方式：分流进样，分流比：5:1；进样口温度：250℃；程序升温：FID检测器温度：250℃；氢气流速：30mL/min；空气流速：400mL/min；尾吹气(氦气)流速：30mL/min。

2结果与讨论

2.1气相色谱条件的优化

采用HP-INNOWax极性色谱柱和HP-5非极性色谱柱用于色谱分离，单标进样，确定分析物及其保留时间。实验中发现HP-INNOWax极性色谱柱不能完全分离分析物的肟衍生物和五氟苄基羟胺。采用HP-5非极性色谱柱在1.2节所述的柱流速和升温程序下，分析物的肟衍生物和五氟苄基羟胺完全分离且峰形良好，乙醛的肟衍生物异构体也能完全分离。在该条件下得到的空白溶液、混合标准溶液(甲醛1.0μg/mL、乙醛5.0μg/mL、丙酮5.0μg/mL)和水基胶样品的色谱图如图1所示。

2.2衍生-顶空处理条件的选择

2.2.1取样体积和衍生试剂浓度

选定混合标准溶液1mL、3mL、5mL、7mL，分别进行衍生顶空分析，考察取样体积对峰面积的影响，结果如图2。结果表明，随着进样体积的提高，响应值变大，考虑到随着体积的增大，蒸汽压力过高可能漏气影响分析重现性，所以选定取样体积为5mL。

在选定混合标准溶液进样体积为5mL的情况下，分别添加0.5mL不同浓度的五氟苄基羟胺衍生溶液，进行衍生顶空分析，考察衍生试剂浓度对峰面积的影响，结果如图3。结果表明，衍生浓度较低时，甲醛和乙醛较丙酮更快与五氟苄基羟胺衍生反应，随着衍生试剂浓度的提高，分析物的目标峰面积均增大；添加到3mg/mL后三种目标分析物的峰面积不再提高，为保证实际样品衍生完全，选定衍生试剂浓度为5mg/mL。

2.2.2顶空温度

采用五氟苄基羟胺衍生顶空法，顶空温度既是衍生反应温度，也是顶空平衡温度。样品的平衡温度与蒸气压直接相关并影响分配系数，同时顶空温度的提高一方面加快了衍生反应向右进行，另一方面也有助于顶空平衡的实现。实验选择混标溶液顶空进样，平衡时间30min，对40，50，60和70℃进行考察(如图4)，结果表明，40～70℃之间随着平衡温度的升高，响应值变大。如果继续提高温度，会接近水的沸点，会产生大量水蒸气进入气相，对色谱柱造成一定的负担和损害。为了减少基质干扰效应和对色谱柱的损害，同时避免过高的温度导致压力过高而漏气影响分析灵敏度和重现性。综合考虑，不再进一步提高顶空温度，选定70℃为顶空温度。为了避免实际样品中的高沸点分析物和其他杂质发生吸附和冷凝，保证传输有效性，实验优化选定了样品环温度和传输线温度分别为130℃和150℃。

2.2.3顶空时间

采用五氟苄基羟胺衍生顶空法，顶空时间既是衍生反应时间，也是顶空平衡时间，因此顶空时间内需要衍生反应完全，同时实现顶空平衡。实验比较了70℃平衡温度下，平衡时间为10，20，30，40，50，60和70min时目标分析物峰面积的变化(如图5)。由图3可知，10～50min内，随着衍生反应进一步向右进行，目标分析进一步向顶空气相平衡，峰而积缓慢增加；50min后，衍生反应完全，顶空实现平衡，峰而积基本无变化。实验中还发现，70℃顶空50min时，不同浓度的乙醛肟衍生物两种异构体的峰面积比例固定，达到了异构化平衡。因此，选定50min为平衡时间。采用顶空进样器重叠平衡功能，柱箱可以同时平衡多个样品瓶以提高工作效率，实现高通量分析的目的。

2.2.3盐类的影响

样品加入顶空瓶后，分别添加一定量的无水硫酸钠、氯化钠、碳酸钠进行衍生顶空测定，发现目标峰面积没有变大，甚至更小了，这可能是因为加盐导致衍生反应受到干扰，所以后续实验不加盐类。

2.2.4进样时间

进样时间对检测结果存在影响，时间太短，进样量少，检测灵敏度低；时间太长，进样量太大，峰形展宽，影响检测。通过对进样时间进行优化发现，选择0.5min作为进样时间。

2.3方法评价

2.3.1线性回归方程、检出限和定量限

移取适量混合标准储备溶液，用去离子水稀释成甲醛为0.05,0.10,0.15,0.25,0.50和1.0μg/mL(乙醛、丙酮为0.25,0.50,0.75,1.25,2.50和5.0μg/mL)的混合标准工作溶液。

取空白溶液、混合标准工作溶液按1.2节条件进样，以目标分析物的色谱峰面积为y(乙醛的异构体峰面积加和计算)，浓度为x，绘制标准工作曲线，以信噪比(S/N)为3和10计算检测限(LOD)和定量限(LOQ)，如表1。结果表明，各分析物的标准曲线线性良好，各化合物的定量限≤0.075mg/kg，可满足实际检测的要求。

表1目标分析物的保留时间、线性方程、仪器检出限和定量限

2.3.2回收率和重现性

取一水基胶样品，按照低、中、高3个水平，分别加入不同浓度的目标分析物，平行测定6次，计算其回收率及相对标准偏差(RSD)(见表2)，回收率为95.3％～106.0％，相对标准偏差(RSD)小于6.1％，说明该方法的重复性和稳定性良好，满足日常检测的需求。

表2实际样品的加标回收率及其相对标准偏差(n＝6)

2.4实际样品分析：衍生-顶空气相色谱法与现行标准方法的结果对比对水基胶样品1^#,2^#,3^#处理后，分别按照衍生-顶空气相色谱法、YC/T332-2010的液相色谱法进行检测。结果(表3)表明，顶空气相色谱法与现行标准高效液相色谱法检测值的RSD小于6.6％，测定结果具有一致性。乙醛和丙酮的测定值比甲醛高很多，有必要对水基胶中除甲醛外的醛酮指标进行检测。

表3顶空气相色谱法与现行标准的结果对比

3结论

建立了一种测定烟用水基胶中的甲醛、乙醛和丙酮的衍生-顶空气相色谱方法。在确定的最优条件下，色谱分离全过程只需25min:①该方法精密度好，线性范围广，检出限为0.013～0.023mg/kg，定量限为0.042～0.075mg/kg，回收率为95.3％～106.0％，相对标准偏差(RSD)小于6.1％，方法重复性良好。②该方法的测定结果与行业标准高效液相色谱法的结果一致。③顶空进样简单易操作易实现高通量分析，且降低了样品对仪器的污染，减少了仪器在使用过程中的维护。总之，该方法具有简单、快速、准确、可自动化及无有机溶剂消耗等优点。

以上所述仅为本发明专利的具体实施案例，但本发明专利的技术特征并不局限于此，任何相关领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。