基质匹配-气相色谱质谱法快速测定聚甲基丙烯酸甲酯塑料中6种苯并三唑类紫外线吸收剂含量

Rapid Determination of Content of Six kinds of Benzotriazole Ultraviolet Absorbers in Polymethyl Methacrylate Plastics by Matrix Matching-Gas Chromatography Mass Spectrometry

摘要

建立同时测定聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）塑料中6种苯并三唑类紫外线吸收剂含量的基质匹配-外标定量的气相色谱质谱法。将样品剪碎，用甲苯-二氯甲烷（体积比1∶1）混合溶剂超声萃取，正己烷沉淀，经0.22 μm有机滤膜净化过滤后，采用TG-5毛细管色谱柱，不分流进样，全扫描模式进样，气相色谱质谱仪测定，基质匹配-外标法定量。对提取溶剂、时间、基质效应等对比分析，优化质谱参数，研究基质效应变化规律。6种苯并三唑类紫外线吸收剂可以很好地分离，定量准确。在3种浓度加标水平下，回收率为85.4%~104.0%，相对标准偏差为0.7%~5.1%，相关系数在0.996 0以上，检出限为0.7~1.6 mg/kg。该方法操作简单高效，采用基质匹配-外标法定量，结果准确度更高，适用于PMMA塑料中6种紫外线吸收剂含量的准确测定。

关键词

气相色谱质谱法 / 聚甲基丙烯酸甲酯塑料 / 紫外线吸收剂 / 基质匹配

Key words

Gas chromatography mass spectrometry / Polymethyl mmethacrylate plastic / Ultraviolet absorber / Matrix matching

苯并三唑类紫外线吸收剂是紫外线吸收剂的一种，因与聚合物的相容性较好，稳定性较佳，因此常作为添加剂被广泛地应用于各种塑料产品中，以减少塑料制品的光降解和老化，延长使用寿命^[1]，是消费量最大的一类紫外吸收剂之一^[2]。苯并三唑类紫外线吸收剂不易降解，在使用过程中易发生挥发而迁移，很容易通过吸收、溶解、扩散等途径引起健康问题和环境问题^[3]。据报道，紫外线吸收剂具有高度亲酯性、生物蓄积性和持久性^[4]。相关研究表明，某些紫外线吸收剂会导致皮肤过敏和生物体甲状腺系统和脂肪酸代谢失衡^[5]。为了避免其非法或过量添加，欧洲化学品管理局将2-(2'-羟基-3',5'-二叔丁基苯基)-苯并三唑(UV-320)、2-(2'-羟基-3',5'-二叔丁基苯基)-5-氯代苯并三唑(UV-327)、2-(2'-羟基-3',5'-二叔戊基苯基)苯并三唑(UV-328)等纳入有害物质限用范围^[6]。我国对食品接触类材料中苯并三唑类紫外线吸收剂限量提出了要求，但目前并未出台塑料中苯并三唑类紫外线吸收剂检测标准，不利于苯并三唑紫外线吸收剂的监管。

目前，苯并三唑类紫外线吸收剂检测方法主要包括液相色谱法^[6-11]、气相色谱质谱法^[12-16]、液相色谱质谱法^[5,17-18]。检测大多涉及纺织、皮革、果汁、食品接触材料等领域，塑料基质复杂，气相色谱质谱法塑料中有害物质的检测大多未涉及基质效应^[19-20]，影响实验的准确性。本实验建立了基质匹配-气相色谱质谱法快速测定聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)塑料中的6种苯并三唑类紫外线吸收剂的方法。该方法简单高效、准确，为建立塑料中苯并三唑类紫外线吸收剂的标准制定提供参考，对保护消费者安全具有重要意义。

1 实验部分

1.1 主要原料

6种紫外线吸收剂：UV-320、UV-327和UV-328为1 000 mg/L溶于乙腈的单标溶液；2-(2'-羟基-5'-甲基苯基)苯并三唑(UV-P)纯品，质量分数为98.8%；2-(2H-苯并三唑-2)-4,6-二(1-甲基-1-苯基乙基)苯酚(UV-234)纯品，质量分数为99.0%；2'-(2'-羟基-3'-叔丁基-5'-甲基苯基)-5-氯苯并三唑(UV-326)纯品，质量分数为99.0%，上海安谱实验科技有限公司；10种有机溶剂包括甲醇、乙腈、正己烷、甲苯、二氯甲烷、丙酮、乙酸乙酯、二甲苯、四氢呋喃(THF，色谱级)，上海安谱实验科技有限公司；二甲基甲酰胺(DMF)，色谱级，国药集团化学试剂有限公司。

PMMA中的紫外线吸收剂质量控制样品由东莞迪卡实验技术有限公司提供。材料中分析物标准值为：UV-320(767 mg/kg)、UV-327(903 mg/kg)、UV-328(933 mg/kg)。

从购物市场和电子商务平台购买20个PMMA实际样品，包括亚克力装饰球、亚克力收纳盒、展示牌、工牌、亚克力钥匙扣等日常消费品。

1.2 仪器与设备

气相色谱质谱联用仪，ISQ LT，美国赛默飞世尔有限公司；数控超声波清洗器，KQ-500DB，昆山超声仪器有限公司；电子分析天平，BSA224S，赛多利斯科学仪器(北京)有限公司；氮气蒸发器，EFAA-DC24，上海安谱实验技术有限公司；有机针头过滤器，尼龙66(0.22 μm)，上海安谱实验科技有限公司。

1.3 实验方法

气相色谱条件：色谱柱为TG-5的毛细管色谱柱(柱长30 m，内径为0.25 mm，膜厚为0.25 μm)；进样方式为不分流进样，进样体积为1.0 µL。载气为氦气，流速为1.0 mL/min。程序升温：60 ℃保持1 min，12 ℃/min升温至210 ℃，15 ℃/min升温至230 ℃，3 ℃/min升温至250 ℃，25 ℃/min升温至300 ℃，保持7 min。

质谱条件：电离方式为电子轰击离子源(EI)；离子化能量为70 eV；溶剂延迟：3 min；离子源温度为280 ℃，传输线温度为290 ℃，质荷比(m/z)扫描范围为50~700 amu。表1为6种紫外线吸收剂的化学名称、化学物质登记号(CAS号)和离子信息。

1.4 标准溶液的配制

标准储备液(1 000 mg/L)：分别称取纯品UV-P、UV-234和UV-326各25.0 mg(精确至0.1 mg)，用二氯甲烷溶解后，定容至25 mL，于4 ℃冰箱中避光保存。

标准工作溶液：准确移取适量标准储备液，用甲苯、二氯甲烷和正己烷的混合物(体积比1∶1∶4)，配置质量浓度为0.5、1.0、2.0、5.0、10.0、20.0 mg/L的标准工作溶液。

空白基质匹配标准工作溶液：将PMMA空白样品按照1.5中实际制样方法进行处理，得到空白基质萃取液。然后，准确移取适量标准储备液，用该空白基质萃取液配置质量浓度为0.5、1.0、2.0、5.0、10.0、20.0 mg/L的空白基质匹配标准工作溶液。

1.5 样品制备与样品前处理

从市场和网络平台购买PMMA塑料样品，对样品进行编号1~20号，将样品剪碎，混合均匀。

称取0.3 g(精确至0.1 mg)样品，置于40 mL玻璃瓶中，加入10 mL甲苯-二氯甲烷混合溶剂(体积比1∶1)，在40 ℃水温下超声提取60 min。超声提取完成后，缓慢加入20 mL正己烷进行溶解和沉淀。将溶液不断摇匀，然后等待10 min。取上清液5 mL，经0.22 μm有机滤膜过滤后，采用氮吹浓缩仪浓缩至1 mL，按1.3中GC-MS条件进行分析。同时测定平行样和空白样品。

2 结果与讨论

2.1 毛细管色谱柱的选择及质谱条件的优化

通过优化发现，采用TG-5毛细管色谱柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)在35 min内可对6种苯并三唑类紫外线吸收剂进行很好的分离。TG-5毛细管色谱柱为弱极性色谱柱，耐高温和分离效果好，6种紫外线吸收剂均为弱极性物质，因此选用TG-5色谱柱。图1为6种苯并三唑类紫外线吸收剂10.0 mg/L标准溶液GC-MS总离子流图。

采用全扫描模式(SCAN)，扫描范围(m/z)为50~700 amu，特征离子定量。6种苯并三唑类紫外线吸收剂的特征离子及保留时间分别见表1，在35 min内可以完全分离。图2为6种苯并三唑类紫外线吸收剂10.0 mg/L标准溶液GC-MS标准质谱图。

2.2 提取溶剂、提取时间的选择和优化

目前塑料中有害物质提取方法为索氏提取法^[21-22]、微波萃取法^[23]、超声萃取法^[24-25]等。然而，大多数方法预处理过程复杂、检测周期长、溶剂消耗大，检测成本相对较高。超声萃取法方法简单易操作，节省检测时间，降低成本。本实验采用超声萃取，优化条件后回收率和精密度满足要求。

本实验首先考察了不同极性的甲醇、丙酮、正己烷、乙酸乙酯、甲苯、二甲苯、二氯甲烷、DMF、THF、乙腈共10种溶剂以及甲苯/二氯甲烷(体积比1∶1)混合溶剂对PMMA质控样品的萃取效果。首先在10种溶剂中选出最优萃取溶剂为甲苯和二氯甲烷，研究表明主辅溶剂相互混合萃取效果更好^[26-27]，故对甲苯-二氯甲烷混合溶剂进行萃取结果对比分析。图3为质控样品中紫外线吸收剂UV-320、UV-327和UV328在不同溶剂条件下萃取结果的面积比较。从图3可以看出，甲苯和二氯甲烷混合溶液的萃取效果比其他溶剂效果好。在基质匹配标液下，紫外吸收剂UV-320、UV-327和UV-328的回收率为86.3%~89.0%。因此，选择了极性不同的溶剂二氯甲烷和甲苯的混合溶液(1∶1)作为萃取溶剂。

超声时间对萃取效果也存在一定的影响，若超声时间短，温度低，塑料中有害物质无法得到完全释放，若超声时间长，则降低实验效率，浪费时间。因此，在确定合适溶剂后，分别考察阳性质控样品中UV-320、UV-327和UV328在超声时间为20、30、60、100、150 min条件下的回收率。图4为基质匹配溶液标液下的UV-320、UV-327和UV328的回收率。从图4可以看出，随着超声时间增加，3种紫外线吸收剂的回收率逐渐增大，当超声时间达到60 min时回收率达到平衡。因此，选择60 min为有效超声时间。

2.3 沉淀剂的选择和优化

塑料中的净化过程一般有固相萃取(SPE)柱纯化，离心，滤膜过滤等，过程复杂，时间较长，增加了检测成本。而超声萃取的方法如果只过滤膜则由于聚合物分子的存在变得很难过滤。沉淀剂的加入可以吸附分散在溶液中的聚合物基质，从而使溶液更干净，容易过滤。因此，采用正己烷沉淀溶解，滤膜过滤，节省时间，提高效率。沉淀过程中会沉淀聚合物分子，有可能吸附有害物质，从而导致测定结果较低。本实验对比了甲醇和正己烷两种沉淀剂。实验中发现材料对两种沉淀剂表现出不同的反应。其中，当加入两倍萃取溶剂的沉淀剂时，甲醇作为沉淀剂时沉淀效果不明显，而正己烷有利于形成均匀细小的沉淀，形成分层。最终选择正己烷作为本实验的首选沉淀溶剂。从回收率来看，正己烷沉淀剂对UV-320、UV-327和UV-328的吸附作用可以忽略不计。

2.4 基质效应研究

塑料中基质复杂，气相色谱质谱法测定塑料中有害物质容易引起基质效应增强^[28-29]。基质效应是指由于样品中存在非预期分析物或其他干扰物质而导致的间接改变或干扰反应^[30]。基质效应通常不可避免，且随着基质复杂性的增加，必须在分析中进行评估和考虑。基质效应通常用基质标样和纯标样峰面积之比乘以百分之百来表示。结果大于百分之百表明基质增强，小于百分之百表明基质减弱^[31-32]。因此，本实验探讨基质效应对实验结果的影响。在相同条件下，测定了甲苯-二氯甲烷-正己烷(体积比1∶1∶4)溶剂混合标准溶液和PMMA空白基质匹配标准溶液，比较等浓度下目标物质的分离和反应。图5为10.0 mg/L质量浓度下GC-MS总离子流图，其中绿色谱图（下面谱图）为混合溶剂标准溶液，橙色谱图（上面谱图）为基质匹配标准溶液。从图5可以看出，两种标准溶液条件对紫外线吸收剂的出峰顺序和时间没有影响。

图6为6种苯并三唑类紫外线吸收剂不同浓度下的基质效应规律。从图6可以看出，PMMA中6种紫外线吸收剂普遍表现出基质增强效应，且6种目标物由于极性的不同，基质效应有所不同。根据结构式可以看出，UV-P极性最大，毛细管色谱柱TG-5 MS为弱极性柱子，根据相似相溶原理，UV-P保留性相对于其他5种目标比较最小。与基质竞争活性位点能力最弱，基质增强效应最明显，这与文献中报道的极性化合物往往基质效应较强一致^[29]。

不同浓度下的基质效应有所不同。值得注意的是，基质效应在浓度较低时更为明显，并普遍存在随着浓度的增加先减小，再增大，随后减小，趋于平稳。这是因为基质对目标物有吸附作用^[33]，随着浓度增大，物理吸附是逐渐增加的，当到达一定浓度时，吸附达到平衡，表现为基质效应逐渐增加。当浓度超过5.0 mg/L时，目标物浓度大，基质的影响变小，表现为基质效应减小，直到趋于平衡。因此，在实际样品检测中，应配制空白基质匹配标准溶液，以减小实验误差，使实验更准确。

2.5 线性方程、范围和检出限

配制质量浓度为0.5、1.0、2.0、5.0、10.0、20.0 mg/L的空白基质匹配标准溶液，依据GC-MS试验方法条件进行分析。以6种目标物定量离子峰面积为纵坐标，质量浓度为横坐标，做线性方程，按照3倍信噪比计算检出限，表2为6种目标物的线性方程、相关系数和检出限数。从表2可以看出，相关系数大于0.996 0，在配制的质量浓度范围内线性关系良好，满足目标物的定量要求。

2.6 回收率和精密度

按照1.5的方法制备空白样品，准确称取0.3 g(精确至0.1 mg)，在3种浓度加标水平下进行加标回收实验，按照实验条件进行GC-MS上机分析，每个浓度水平平行测定6次，计算回收率和精密度，表3为实验结果。

从表3可以看出，6种紫外线吸收剂的加标回收率为85.4%~104.0%，相对标准偏差为0.7%~5.1%，满足检测要求。

2.7 实际样品分析

根据本实验方法，对电商平台及市场购买的20批次PMMA塑料中6种苯并三唑类紫外线吸收剂含量进行测定。其中有两批次样品中检测出UV-P，其含量分别为4.0 mg/kg和3.5 mg/kg，其他样品未检测出紫外线吸收剂。

3 结论

本文建立了超声萃取-正己烷沉淀-基质匹配-气相色谱质谱法快速测定PMMA塑料中6种苯并三唑类紫外线吸收剂含量的检测方法。样品以甲苯/二氯甲烷混合溶剂为萃取溶剂，超声萃取，正己烷沉淀，滤膜过滤后经GC-MS分析，基质匹配外标法定量。本实验方法灵敏度高，准确度高，简单高效。本实验可为塑料中6种苯并三唑类紫外线吸收剂含量测定方法标准的制定和、多种类塑料中苯并三唑类紫外线吸收剂含量的检测提供参考。

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基金资助

国家重点研发计划“儿童用品中吸入性化学应激源迁移规律研究”(2022YFF0606203)

泰山学者青年专家项目“消费品中多类化学物质同步筛查技术研究及防控体系建设”