高效液相色譜法測定水性涂料中碘丙炔醇丁基氨甲酸酯和吡啶硫酮鋅的含量

張 琳,楊 娟,郭爭云,徐 駿,程欲曉

(上海海關工業品與原材料檢測技術中心,上海 200135)

隨著環保意識、人類可持續發展意識的增強以及大眾對高質量生存需求的日益提高,人們對使用的涂料中有害物質的關注度日趨增強。水性涂料中含有的有機物質,為微生物和藻類的滋生和繁殖提供了豐富的營養,而微生物和藻類在新陳代謝過程中產生的酶和有機酸等代謝物質可使涂料中的有機物質、涂膜受到破壞。在涂料中添加合適的防霉劑、抗菌劑或抗藻劑,可以使得涂料產品免受微生物侵蝕,并在成膜后能夠長時間抑制涂膜中微生物與藻類的生長,并殺死抵御外部侵蝕涂膜的各種微生物和藻類,增強涂膜的保護作用[1]。碘丙炔醇丁基氨甲酸酯(IPBC)和吡啶硫酮鋅(ZPT)具有廣譜殺菌、高效等特點,廣泛應用于涂料、木材、皮革、建筑材料、化妝品等領域[2]。

生物殺傷劑對人類健康和環境具有一定的危害,歐盟2014/312/EU 中對IPBC和ZPT 的含量都有明確的限制[3],我國在2018年頒布實施的國家標準GB/T 35602－2017?綠色產品評價 涂料?中也對這兩種物質的使用限量進行了規定,其限量值均為1 500 mg?kg－1[4]。目前IPBC和ZPT 的檢測方法主要集中在化妝品、木材、皮革等領域[5-7],而對于涂料中殺菌劑的相關測定方法有高效液相色譜法[8-9]、氣相色譜法[10]等。這些方法均針對單個物質進行檢測,對于ZPT 的測定多采用柱前衍生化,存在樣品前處理復雜、成本過高等缺點。由于涂料基質較為復雜,衍生化可能存在引入新的雜質等問題。本工作通過優化流動相、萃取條件等,采用高效液相色譜法對水性涂料中的IPBC 和ZPT 同時進行直接測定,方法準確、便捷、成本較低。

1 試驗部分

1.1 儀器與試劑

Agilent 1260 型高效液相色譜儀;XS105 型電子天平;Allegra 64R 型高速離心機;2150T 型超聲波清洗器;0.22μm 親水聚四氟乙烯(PTFE)濾膜。

10 mmol?L－1磷酸二氫鉀-1.0 mmol?L－1乙二胺四乙酸二鈉(Na2EDTA)溶液(pH 4.0):稱取磷酸二氫鉀約1.36 g 和Na2EDTA 約0.28 g 于1 000 mL燒瓶中,加水至1 000 mL,溶解后用磷酸調節pH 至4.0。

IPBC和ZPT 標準儲備溶液:3 000 mg?L－1,分別稱取IPBC 和ZPT 各0.3000 g,加入N,N-二甲基甲酰胺(DMF)超聲溶解后定容至100 mL,現配現用。

IPBC標準溶液系列:分別準確移取IPBC 標準儲備溶液0.06,0.1,0.3,0.5,1.0,2.0,4.0,7.0 mL 至10 mL容量瓶中,用乙腈定容,混勻后得到質量濃度為20,30,90,150,300,600,1 200,2 000 mg?L－1的IPBC標準溶液系列,現配現用。

ZPT 標準溶液系列:分別準確移取ZPT 標準儲備溶液0.15,0.4,0.8,1.2,1.6,2.7 mL 至10 mL容量瓶中,用乙腈定容,混勻后得到質量濃度為50,120,240,360,480,800 mg?L－1的標準溶液系列,現配現用。

乙腈、甲醇均為色譜純;磷酸二氫鉀、Na2EDTA、磷酸、DMF 均為分析純;試驗用水為超純水。

1.2 色譜條件

Agilent ZORBAX Eclipse Plus C18色譜柱(250 nm×4.6 nm,5 μm);柱溫30 ℃;流量1.5 mL?min－1;進樣量10μL;流動相為體積比7∶3的乙腈-[10 mmol? L－1磷酸二氫鉀-1.0 mmol?L－1Na2EDTA 溶液(pH 4.0)]混合液;二極管陣列檢測器(DAD),檢測波長235 nm。

1.3 試驗方法

稱取涂料樣品約2 g,置于25 mL離心管中,加入10 mL DMF,超聲萃取10 min,冷卻至室溫,以轉速15 000 r?min－1離心5 min,移取上清液至50 mL容量瓶中。向殘余物中加入10 mL乙腈,超聲萃取10 min,冷卻至室溫,以轉速15 000 r?min－1離心5 min,移取上清液,重復2次。合并上清液,用乙腈定容,用0.22μm 親水PTFE 濾膜過濾,按儀器工作條件進行測定。標準溶液上機前也加入相同量的乙腈和DMF,與樣品溶液的基質保持一致。

2 結果與討論

2.1 前處理條件的選擇

2.1.1 萃取劑

試驗考察了甲醇、乙腈、DMF 等3種溶劑對樣品的萃取效果。結果發現,3種溶劑對IPBC的萃取效果幾乎沒有差別,但DMF對ZPT 的提取效果明顯優于前兩者,但DMF 對測定結果有干擾。為了取得有效提取效果和準確的測定結果,試驗選擇使用DMF和乙腈進行萃取、定容,比較了DMF 的體積分數分別為20%,40%,50%時樣品溶液的色譜圖,結果見圖1。

圖1 不同體積分數DMF萃取下樣品溶液的色譜圖Fig.1 Chromatograms of sample solution extracted with different volume fractions of DMF

由圖1可知,DMF的體積分數為20%時,分離效果較好。因此,試驗選擇使用DMF 和乙腈進行萃取、定容,其中DMF的體積分數為20%。

2.1.2 萃取方式和萃取時間

試驗考察了超聲、振蕩兩種方式對樣品萃取效果的影響,結果顯示采用超聲方式的萃取效果顯著優于振蕩方式,且采用振蕩方式進行萃取時,萃取時間對結果影響不大。試驗進一步比較了超聲萃取5,10,15,20,30 min后樣品溶液中ZPT 和IPBC的響應值,結果見圖2。

圖2 超聲萃取時間對ZPT 和IPBC響應值的影響Fig.2 Effect of ultrasonic extraction time on response values of ZPT and IPBC

由圖2可知,當超聲萃取時間達到10 min時,樣品溶液中ZPT 和IPBC 的響應值已無顯著變化。因此,試驗采用超聲萃取10 min就可以滿足測定需求。

2.1.3 乙腈超聲萃取次數

試驗考察了乙腈超聲萃取次數對樣品提取效果的影響,比較了乙腈超聲萃取1,2,3,4,5次后樣品溶液中ZPT 和IPBC的響應值,結果見圖3。

圖3 超聲萃取次數對ZPT 和IPBC響應值的影響Fig.3 Effect of ultrasonic extraction times on response values of ZPT and IPBC

由圖3可知,當乙腈超聲萃取次數達到3次時,樣品溶液中ZPT 和IPBC 的響應值已無顯著變化。因此,試驗進行3 次乙腈超聲萃取可以滿足測定需要。

2.2 檢測波長的選擇

使用DAD 分別對IPBC和ZPT 進行全波長掃描,結果見圖4。

圖4 ZPT 和IPBC的全波長吸收光譜圖Fig.4 Full-wavelength absorption spectra of ZPT and IPBC

由圖4可知,IPBC 在190～250 nm 內有較強吸收,ZPT 在200～280 nm 內有兩個較強的吸收峰。

試驗考察了220,235,260 nm 等3個波長條件下的IPBC、ZPT 的色譜行為。結果表明:在220 nm波長下ZPT 響應最強,但DMF 干擾較大;在260 nm 波長下雖然無DMF 干擾峰,但IPBC 的響應明顯變弱;在235 nm 波長下可以有效避開DMF的干擾,同時可得到相對均衡的ZPT 和IPBC 響應。因此,試驗選擇的檢測波長為235 nm。

2.3 流動相的選擇

根據相關文獻[9,11-12],以C18色譜柱為分離柱,試驗分別考察了甲醇-磷酸二氫鉀溶液(pH 4.0)、乙腈-磷酸二氫鉀溶液(pH 4.0)、乙腈-[磷酸二氫鉀-Na2EDTA 溶液(pH 4.0)]等3種流動相體系對IPBC和ZPT 分離效果的影響。結果表明:磷酸二氫鉀溶液對二者分離效果無明顯影響;流動相體系的酸度對出峰時間無顯著影響,當流動相體系的pH 為4.0時ZPT 的峰形明顯改善;當使用甲醇作為有機相時,涂料中其他組分對待測物分離產生干擾,改用乙腈調節流動相極性大小,可使涂料中的其他組分與待測物分離;在乙腈-磷酸二氫鉀溶液(pH 4.0)中添加了1.0 mmol?L－1Na2EDTA 溶液后,ZPT 響應值得到提高;流動相的改變對IPBC 色譜峰形、響應值均影響不大。綜上考慮,試驗選擇以乙腈-[磷酸二氫鉀-Na2EDTA 溶液(pH 4.0)]為流動相體系。

通過不斷優化和調整流動相比例,結果發現乙腈和10 mmol?L－1磷酸二氫鉀-1.0 mmol?L－1Na2EDTA 溶液(pH 4.0)體積比為7∶3時,待測物與樣品中其他組分分離度較好,且出峰時間短,因此試驗選擇體積比7∶3的乙腈-[10 mmol?L－1磷酸二氫鉀-1.0 mmol?L－1Na2EDTA 溶液(pH 4.0)]混合液為流動相。在優化的條件下,得到的樣品溶液色譜圖見圖5。

圖5 色譜圖Fig.5 Chromatogram

2.4 標準曲線、檢出限和測定下限

按照儀器工作條件分別測定IPBC 和ZPT 標準溶液系列,結果表明,IPBC和ZPT 的質量濃度在一定范圍內與對應的峰面積呈線性關系,所得線性回歸方程、相關系數見表1。

表1 線性參數、檢出限和測定下限Tab.1 Linearity parameters,detection limits and lower limits of determination

采用在空白基質中添加目標物來檢測基線噪聲,按照3倍信噪比(S/N)計算檢出限(3S/N),按照10倍信噪比計算測定下限(10S/N),結果見表1。

2.5 精密度和回收試驗

向空白基質涂料樣品中添加3 個濃度水平的ZPT 和IPBC,按試驗方法進行測定,計算回收率和測定值的相對標準偏差(RSD),結果見表2。

表2 精密度和回收試驗結果(n＝6)Tab.2 Results of tests for precision and recovery(n＝6)

由表2可知,ZPT 的回收率為97.1%～103%,IPBC的回收率為92.4%～96.7%,測定值的RSD均小于3.0%。

2.6 樣品分析

按試驗方法對室內、室外、汽車、工業用4種類型水性涂料樣品進行測定,其中一款室內用水性涂料檢出含有920 mg?kg－1的ZPT,其余樣品中均未檢出IPBC和ZPT。

本工作采用高效液相色譜法測定水性涂料中IPBC和ZPT 的含量,結果表明方法能有效地分離涂料中的成分,前處理簡單,適合水性涂料中IPBC和ZPT 的快速測定。通過實際樣品的測定,證明該方法可以滿足GB/T 35602－2017?綠色產品評價涂料?中限制使用的生物殺傷劑ZPT 和IPBC 的限量檢測要求,為綠色涂料評價提供了簡便快捷的檢測方法。