时间:2024-05-22
荣杰峰,毛树禄,钟坚海,李军法,黄秋兰,
邹 强1,张元金1,陈学灿1
(1.泉州出入境检验检疫局,福建 泉州 362000;2.龙岩出入境检验检疫局,福建 龙岩 364000)
超高效液相色谱-串联质谱法测定橡胶产品中4种秋兰姆类硫化促进剂含量
荣杰峰1*,毛树禄1,钟坚海2,李军法1,黄秋兰1,
邹强1,张元金1,陈学灿1
(1.泉州出入境检验检疫局,福建泉州362000;2.龙岩出入境检验检疫局,福建龙岩364000)
摘要:建立了橡胶产品中4种秋兰姆类硫化促进剂(二硫化四苄基秋兰姆(TBZTD)、二硫化二甲基二苯基秋兰姆(TMD)、福美双-D12(Thiram D12)、二环戊亚甲基二硫化秋兰姆(DPTD))的超高效液相色谱-串联质谱检测方法。橡胶材料中的硫化促进剂经甲醇超声多次提取,提取液离心过滤后以反相C18色谱柱为分离柱,甲醇和水作为流动相进行洗脱,经超高效液相色谱-串联质谱仪测定,外标法定量。研究了不同色谱条件下目标物质的分离情况和不同提取溶剂对提取净化效率的影响。在最优化条件下,TMD和Thiram D12在0.002~1.000 mg/L浓度范围内线性关系良好,其定量下限分别为0.001 0 mg/L和0.001 2 mg/L;TBZTD在0.100~10.000 mg/L浓度范围内线性关系良好,定量下限为0.100 0 mg/L;DPTD在0.020~10.000 mg/L浓度范围内线性关系良好,定量下限为0.020 0 mg/L。空白样品在不同浓度水平的平均加标回收率为82.7%~98.8%,相对标准偏差(RSD)为4.6%~7.0%。该方法简便、快速、灵敏,可满足橡胶产品中TBZTD,TMD,Thiram D12和DPTD的测试要求。
关键词:秋兰姆;硫化促进剂;橡胶产品;超高效液相色谱-串联质谱法;检测
硫化促进剂是橡塑材料硫化工业中不可或缺的物质,被广泛用于鞋材橡塑制品中;秋兰姆类硫化促进剂是硫化促进剂中非常重要的一类,包括一硫化秋兰姆、二硫化秋兰姆和多硫化秋兰姆。近年来,随着秋兰姆类硫化促进剂的广泛使用,其危害性也逐渐被人们发现和关注。秋兰姆类物质可作为杀菌剂或杀虫剂应用于农药生产,其本身对人体具有急性毒性,随着对化学品毒理实验和MSDS评估认证报告的不断完善,越来越多的秋兰姆类硫化促进剂被证明对人体或环境有着更多的潜在危害。研究表明,秋兰姆在橡胶硫化过程中可生成致癌的亚硝胺;秋兰姆类促进剂能引起动物的肺、心和其它器官严重变形,并可经呼吸道、消化道及皮肤吸收进入生物体内,危害人类健康。秋兰姆类硫化促进剂是一类重要的过敏源,人体接触含有秋兰姆类硫化促进剂的橡胶制品会造成皮肤过敏[1-5]。我国对橡胶促进剂目前没有明确的标准要求,但鉴于橡胶及其制品直接与皮肤接触较多,所以很有必要对橡胶及其制品中的秋兰姆类硫化促进剂进行有效的检测与监控,以适应国内外安全需求,保障使用人员身体健康,促进进出口贸易的顺利进行。
图1 4种秋兰姆类硫化促进剂的分子结构式Fig.1 Molecular structures of four vulcanization accelerators
目前橡塑产品中秋兰姆类硫化促进剂的检测方法少有报道,农业上常用作杀菌剂、杀虫剂和除草剂的秋兰姆类和二硫代氨基甲酸酯(盐)类农药的检测方法报道较多,相应的检测方法主要是基于Keppel在1969年提出的二硫代氨基甲酸酯酸水解法。该法基于二硫代氨基甲酸酯在SnCl2存在的酸性水溶液中水解释放CS2,继而用气相色谱法[6-7]、气相色谱-质谱法[8]等进行检测。这些方法具有灵敏度高、分析时间短等优点,但不能分别测定各种二硫代氨基甲酸酯的含量,且易出现假阳性结果。其它不经水解而测定二硫代氨基甲酸酯的方法有气相色谱法[9]等。近年来,液相色谱-串联质谱(LC-MS/MS)技术得到快速发展,已越来越多地被应用于食品和环境中二硫代氨基甲酸酯含量的检测[10-15]。目前橡胶产品中秋兰姆类硫化促进剂的检测方法尚缺乏研究,无相关检测方法和标准的报道。本文首次建立了橡胶产品中4种秋兰姆类硫化促进剂二硫化四苄基秋兰姆(TBZTD)、二硫化二甲基二苯基秋兰姆(TMD)、福美双-D12(Thiram D12)、二环戊亚甲基二硫化秋兰姆(DPTD)同时检测的超高效液相色谱-串联质谱检测方法,能单独对各种秋兰姆类硫化促进剂进行定性和定量分析。4种硫化促进剂的结构式如图1所示。其中TBZTD具有分子量大、熔点高、分解难的特性,主要用来取代易产生致癌亚硝胺的秋兰姆类促进剂二硫化四甲基秋兰姆和二硫化四乙基秋兰姆,以减少有致癌嫌疑的亚硝胺的存在。TMD是天然橡胶、合成橡胶的硫化促进剂,可用于高硫、低硫或无硫等硫化体系;其既可作促进剂,又可作硫化剂,也可作二硫化四甲基秋兰姆、一硫化四甲基秋兰姆和二硫代氨基甲酸锌的第二促进剂。Thiram D12是福美双的氘代同位素化合物;福美双可以治疗疫病等菌类感染疾病,广泛用作植物杀菌剂和橡胶工业中的促进剂。DPTD同样被广泛用作橡胶工业中的促进剂。
1实验部分
1.1仪器与试剂
AB SCIEX(Distribution) 3500型超高效液相色谱-串联四极杆质谱联用仪;KQ-500E型数控超声波清洗器(昆山超声仪器公司),超声频率40 kHz,超声电功率500 W,温度40 ℃;管状硬质玻璃瓶,40 mL,带旋盖(有聚四氟乙烯垫片)。
二硫化四苄基秋兰姆(无纯度)、二硫化二甲基二苯基秋兰姆(含量>97.0%)、二环戊亚甲基二硫化秋兰姆(含量>99.0%)均购自上海安谱实验科技股份有限公司,福美双-D12(含量99.5%,德国Dr.Ehrenstorfer GmbH);乙腈、甲醇、丙酮(色谱纯,美国M-Tedia公司);乙酸铵、甲酸(HPLC级,美国 ROE Scientific INC);实验用水为超纯水,其他试剂均为分析纯。
1.2标准溶液的配制
标准储备溶液:分别称取适量的TBZTD,TMD,Thiram D12和DPTD标准物质,用甲醇稀释定容得浓度为100 mg/L的标准储备溶液,置于4 ℃冰箱中保存。
混合标准工作液:各取一定体积的上述4种标准储备液,用甲醇稀释,配成质量浓度在0.002~10.000 mg/L范围的系列混合标准工作液,现配现用。
基质标准工作溶液:各取一定体积的上述4种标准储备液,用不含上述4种硫化促进剂的提取液稀释得质量浓度在0.002 ~10.000 mg/L范围的系列基质标准工作溶液,现配现用。
1.3样品前处理
提取:准确称取1 mm×1 mm以下橡胶产品样品1.00 g,置于管状硬质玻璃瓶中,加入15 mL甲醇,超声提取20 min,过滤并收集提取液;样品中再次加入10 mL甲醇,超声提取20 min,过滤,合并滤液转移至25 mL容量瓶中,用甲醇定容至刻度;取上层溶液过0.22 μm有机滤膜后上UPLC-MS/MS,以峰面积外标法定量。
1.4色谱-质谱条件
色谱条件:ACQUITY UPLC BEH C18反相液相色谱柱(2.1 mm×100 mm,粒径1.7 μm);流动相为甲醇-水(9∶1)溶液,流速为0.30 mL/min;柱温30 ℃;进样量2 μL。
质谱条件:电喷雾离子源(ESI),正离子扫描模式,扫描时间:100 ms;离子源温度:550 ℃,气帘气:25 psi;碰撞气:7 psi;毛细管电压:5 500 V;离子源气体1:55 psi;离子源气体2:55 psi。
2结果与讨论
2.1质谱条件的优化
分别取0.5 mg/L的4种硫化促进剂标准溶液,以5 μL/min的流速分别注入到离子源,在ESI+和ESI-离子化模式下分别进行全扫描,以选择适当的电离方式和准分子离子峰。实验结果表明,TBZTD,TMD,Thiram D12和DPTD均更适合在ESI+离子化模式下检测,在ESI+模式下分别对其进行一级质谱扫描(Q1扫描)得到分子离子峰[M+H]+,再对其分子离子进行二级质谱分析(子离子扫描),得到碎片的离子信息。通过优化二级质谱参数使特征碎片离子的强度达到最佳状态,根据各化合物的二级质谱图,选择TBZTD,TMD,Thiram D12和DPTD的定量离子对分别为m/z546.2/239.9,m/z365.2/149.9,m/z253.2/125.5,m/z320.8/128.1。 确定定量、定性离子对后,再对去簇电压及碰撞气能量等参数进行优化,使得分子离子和特征碎片离子强度达到最大,优化后的质谱条件见表1。
表1 4种硫化促进剂的质谱参数
2.2液相色谱条件的优化
分别考察了甲醇-水(9∶1)、甲醇-盐水溶液(5 mmol/L乙酸铵、0.1%甲酸水溶液)(9∶1)、乙腈-水(9∶1)、乙腈-盐水溶液(5 mmol/L乙酸铵、0.1%甲酸水溶液)(9∶1) 4种流动相对1 mg/L的TBZTD,TMD,Thiram D12和DPTD混合标准溶液出峰情况的影响。结果表明:采用甲醇-水为流动相时,4种物质的响应均明显优于乙腈-水为流动相时的响应,而采用甲醇-水和采用甲醇-盐水溶液为流动相时的响应相近,采用乙腈-水和采用乙腈-盐水溶液为流动相时的响应相近。此外,采用乙腈-水时的出峰时间相对于采用甲醇-水为流动相时稍微提前,其中TBZTD的保留时间由4.26 min前移至2.69 min,其它3种促进剂的保留时间稍有提前。以上4种流动相条件下,TMD和DPTD的保留时间基本相同,从TIC图上无法分辨,但两者的定量离子对和定性离子对均不同,所以可以通过不同的离子对来进行区分;由于采用盐水溶液(5 mmol/L乙酸铵、0.1%甲酸水溶液)对检测对象的响应无明显改善,所以实验最终选择甲醇-水作为流动相。
实验对流速及甲醇-水流动相的比例进行了考察,结果表明,当流速增加时,峰形变窄、对称。随着甲醇含量的增加,4种硫化促进剂色谱峰的保留时间变短,峰形更窄,由于TMD和DPTD的极性相近,即使增加水相含量,仍然无法使得这几种物质达到完好分离;但使用二级质谱可以很好地分辨出这几种物质。当流动相甲醇和水的比例为9∶1,流速为0.3 mL/min时,TBZTD,TMD,Thiram D12和DPTD的分离效果较好,峰形较好,保留时间依次为4.26,1.68,1.36,1.65 min,实验最终选择在该条件下进行。
2.3提取条件的优化
这4种硫化促进剂均含有双巯基结构,均属较强极性有机化合物,不宜用乙酸乙酯、二氯甲烷、正己烷等中等极性或弱极性有机溶剂提取。采用超声波辅助萃取,考察了甲醇和乙腈两种提取溶剂对硫化橡胶中TBZTD,TMD,Thiram D12和DPTD的提取效率:准确称取1.00 g(1 mm×1 mm)以下阳性样品,加入15 mL提取溶剂,超声提取20 min,提取液用0.22 μm滤膜过滤,上机测试;随后样品中加入10 mL提取溶剂,按照上述步骤超声20 min,过滤,上机测试;再次于样品中加入10 mL提取液,超声,过滤,上机测试,平行测定3次。对两种溶剂3次提取的实验结果进行考察。
结果显示,甲醇第1次的提取效率略高于乙腈,且两种溶剂均无法一次将目标化合物完全提取;提取两次后,两种溶剂对TBZTD,TMD,Thiram D12和DPTD的提取效率均可达99%以上。为使流动相和样液一致,最终选择甲醇作为提取溶剂,提取两次,第1次用量15 mL,第2次用量10 mL,合并提取液,定容至25 mL。
2.4线性关系、定量下限及方法的定量下限
选用不含目标硫化促进剂的橡胶样品为基质,按照“1.3”方法进行前处理得空白基质溶液,以该基质溶液为溶剂稀释配制浓度为0.1,0.5,2.0 mg/L的基质混合标准溶液,结果显示4种硫化促进剂基质加标溶液的响应仅相当于标准溶液的30%~50%左右,说明基质效应较明显。为了获得较好的回收率和更准确的检测,实验采用基质标准工作曲线进行定量分析,在样品加标回收实验中获得较好的效果。选用不含目标化合物的橡胶样品为基质,按照“1.3”方法前处理后得空白基质溶液,用空白基质溶液逐级稀释标准储备液,配成浓度分别为0.002,0.020,0.100,0.500,1.000,10.000 mg/L的混合基质标准工作溶液。按照上述最优化色谱-质谱条件对基质标准工作溶液进行检测,以各种硫化促进剂的质量浓度(X,mg/L)为横坐标,以对应的峰面积(Y)为纵坐标,绘制基质标准工作曲线,其中TMD和Thiram D12在0.002~1.000 mg/L,TBZTD在0.100~10.000 mg/L,DPTD在0.020~10.000 mg/L浓度范围内响应线性良好;在不含目标组分的橡胶样品中添加适量的混合标准工作溶液后,按照“1.3”方法进行处理后上机,以10倍信噪比(S/N=10)确定各硫化促进剂的仪器定量下限(LOQ),以1.00 g样品提取最终定容至25 mL计算方法的定量下限,相关参数见表2,其中TMD和Thiram D12获得了较好的灵敏度和较低的定量下限;而TBZTD和DPTD的响应和灵敏度稍差。
表2 方法的回归方程、相关系数、线性范围、仪器定量下限、方法定量下限
表3 方法的平均回收率和相对标准偏差
2.5回收率与精密度
选用不含目标化合物的橡胶样品为基质,按照检出限选择加入浓度不同的4种硫化促进剂标准溶液,按最优化的方法进行前处理后上机,平行测定5次,基质标准曲线外标法定量,获得相应的回收率和相对标准偏差(见表3)。结果表明,4种硫化促进剂的平均回收率为82.7%~98.8%,相对标准偏差(RSD)为4.6%~7.0%。
图2 实际样品的TIC谱图Fig.2 TIC chromatogram of a practical sample
2.6实际样品的检测
应用本方法对20个橡胶产品进行检测,其中5个样品检出TBZTD,含量为2.35~8.47 mg/kg;2个样品检出TMD,含量为2.75~4.26 mg/kg;1个样品检出DPTD,含量为7.08 mg/kg。某一实际样品的TIC谱图见图2。结果表明TBZTD作为一种环保型硫化促进剂被广泛使用;TMD和DPTD的存在说明其使用较为普遍,所以加强相关硫化促进剂检测方法的建立对于保障使用人员身体健康,推动相关行业健康发展有重要意义。
3结论
本文首次建立了橡胶产品中4种秋兰姆类硫化促进剂TBZTD,TMD,Thiram D12,DPTD的超高效液相色谱-串联质谱检测方法,研究了不同色谱条件下目标物质的分离情况和橡胶中秋兰姆类硫化促进剂的提取方法。该方法简便、快速、灵敏,可满足橡胶产品中TBZTD,TMD,Thiram D12,DPTD的测定要求。从实际样品的检测情况看,开展相关硫化促进剂的检测方法研究对于适应国内外安全需求,保障使用人员身体健康,确保相关行业的健康发展和推动相应法律法规的建立具有非常积极的意义。
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Determination of 4 Thiurams Vulcanization Accelerators in Rubber Products by Ultra Performance Liquid Chromatography-Tandem Mass Spectrometry
RONG Jie-feng1*,MAO Shu-lu1,ZHONG Jian-hai2,LI Jun-fa1,HUANG Qiu-lan1,ZOU Qiang1,ZHANG Yuan-jin1,CHEN Xue-can1
(1.Quanzhou Entry-Exit Inspection & Quarantine Bureau,Quanzhou362000,China;2.Longyan Entry-Exit Inspection & Quarantine Bureau,Longyan364000,China)
Abstract:A rapid method was developed for the determnation of 4 thiurams vulcanization accelerators,tetrabenzyl thiuram disulfide(TBZTD),dimethyldiphenylthiuram disulfide(TMD),thiram D12 and dicyclopentamethylenethiuram disulfide(DPTD) in rubber products by ultra performance liquid chromatography tandem mass spectrometry(UPLC-MS/MS).Rubber samples were diluted in methanol and extracted by ultrasonic.After centrifugation and filtration,the target compounds were separated on a reversed-phase C18column with a mixture of methanol and water as mobile phase,analyzed by UPLC-MS/MS and quantified by the external standard method.Separation of the target substances in different chromatographic conditions was investigated,and effects of different extraction solvents on extraction effienciency were investigated.Under the optimal conditions,the calibration curves for TMD,thiram D12,TBZTD and DPTD were in good linearity in the ranges of 0.002-1.000,0.002-1.000,0.100-10.000, 0.020-10.000 mg/L,respectively,with limits of quantitation of 0.001 0,0.001 2,0.100 0,0.020 0 mg/L,respectively.Recovery tests were made by the addition of standards to blank sample at different concentrations,and the recoveries were in the range of 82.7%-98.8% with relative standard deviations(RSDs,n=5) of 4.6%-7.0%.The method is simple,rapid and sensitive,and could meet the requirements for detection of TBZTD,TMD,Thiram D12 and DPTD in rubber products.
Key words:thiuram;vulcanization accelerator;rubber products;ultra performance liquid chromatography tandem mass spectrometry(UPLC-MS/MS);detection
收稿日期:2015-10-15;修回日期:2015-11-03
基金项目:国家质检总局科研项目(2014IK182)
*通讯作者:荣杰峰,工程师,研究方向:轻工产品及食品检测,Tel:0595-68292691,E-mail:jfrong2010@163.com
doi:10.3969/j.issn.1004-4957.2016.04.011
中图分类号:O657.63;TQ314.243
文献标识码:A
文章编号:1004-4957(2016)04-0438-05
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