UPLC-MS/MS測定二苯甲烷二異氰酸酯

郭巧珍,杜振霞

(北京化工大學(xué)理學(xué)院,分析測試中心,北京 100029)

UPLC-MS/MS測定二苯甲烷二異氰酸酯

郭巧珍,杜振霞

(北京化工大學(xué)理學(xué)院,分析測試中心,北京 100029)

建立了二苯甲烷二異氰酸酯(MDI)的超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜(UPLC-MS/MS)聯(lián)用的分析方法。實(shí)驗(yàn)用甲醇作衍生試劑,將二苯甲烷二異氰酸酯衍生成二苯甲烷二氨基甲酸甲酯(MDC),通過測定二苯甲烷二氨基甲酸甲酯來確定二苯甲烷二異氰酸酯的含量。實(shí)驗(yàn)采用Waters Acquity BEH C18超高效液相色譜柱,甲醇-0.1%甲酸作為梯度洗脫液,二苯甲烷二氨基甲酸甲酯在1.5 min內(nèi)與其他化合物進(jìn)行完全分離,經(jīng)四極桿質(zhì)譜選擇離子監(jiān)測模式檢測。線性范圍為2～100μg/L,檢出限為1μg/L,相關(guān)系數(shù)0.999 4?？疾炝怂⒓姿?、甲酸銨流動相體系,以及進(jìn)樣量大小對樣品的分離效果,發(fā)現(xiàn)甲酸流動相體系的分離效果優(yōu)于其他兩種流動相體系,同時發(fā)現(xiàn)在進(jìn)樣量大時出現(xiàn)平頭峰。并且在優(yōu)化條件下,對實(shí)際樣品中游離的二苯甲烷二異氰酸酯進(jìn)行了測定。

超高效液相色譜-串聯(lián)四極桿質(zhì)譜(UPLC-MS/MS);二苯甲烷二異氰酸酯(MDI);二苯甲烷二氨基甲酸甲酯(MDC)

二苯甲烷二異氰酸酯(MDI)是一種芳香族的二異氰酸酯,是生產(chǎn)聚氨酯最重要的原料之一,廣泛用于硬質(zhì)泡沫、RIM彈性體、熱塑性聚氨酯彈性體、涂料、粘合劑、彈性纖維和建筑材料等行業(yè)[1]。但是,游離態(tài)的MDI因其具有低沸點(diǎn)和高蒸汽壓的特點(diǎn),易揮發(fā)到空氣中造成空氣污染;且能與人體的蛋白質(zhì)反應(yīng)生成變性蛋白[2],同時對眼粘膜有刺激性,會引發(fā)鼻子和喉刺激、咳嗽和肺部喘鳴音,吸入MDI氣體/氣溶膠或含有I-BOND膠黏劑的粉塵會嚴(yán)重危害健康[3],空氣中允許的濃度為0.02 mg/kg[4]。隨著人們環(huán)境意識和自我健康意識的提高,對聚氨酯產(chǎn)品中游離單體的要求更為嚴(yán)格,快速準(zhǔn)確檢測游離的MDI單體成為一項(xiàng)重要技術(shù)。目前,常用的方法有氣相色譜法[5]、凝膠滲透色譜法、高效液相色譜法[6-9]等。氣相色譜法測定時需要較高的汽化溫度和柱溫,易使預(yù)聚體降解,使測定結(jié)果失真[5];常規(guī)的高效液相色譜法常利用紫外檢測器,出峰時間長、靈敏度低。由于異氰酸酯易與活潑氫反應(yīng),因此在液相色譜測定時需要將其衍生化,用甲醇或乙醇對MDI進(jìn)行氨基甲酸酯衍生化時,吸光系數(shù)相對較小[7],MDI氨基甲酸酯衍生物響應(yīng)值較低,特別是對于低濃度的樣品無法進(jìn)行準(zhǔn)確的定量檢測。國家規(guī)定的MDI職業(yè)接觸限值為0.1 mg/m3[3],其濃度較低,給常規(guī)液相分析帶來挑戰(zhàn)。本研究采用超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法檢測游離的MDI,為殘留MDI檢測提供可靠有效的方法。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Waters AcquityTM超高效液相色譜儀:美國Waters公司產(chǎn)品,配有 Waters Acquity BEH C18色譜柱、自動進(jìn)樣器、Binary溶劑管理系統(tǒng);Waters Micromass-Quattro Premier三重四極桿質(zhì)譜儀:美國 Waters公司產(chǎn)品,配有電噴霧(ESI)電離源、Masslynx V4.1 HPLC/MS軟件操作平臺。

甲醇(色譜純):美國 Fisher公司產(chǎn)品;甲酸(純度≥99%):美國 Tedia公司產(chǎn)品;氨水,無水甲醇(分析純):北京化工廠產(chǎn)品;MDI(分析級):美國拜耳公司產(chǎn)品;Milli-Q超純水(0.2μm濾膜):德國Menbrana公司產(chǎn)品。

1.2 二苯甲烷二異氰酸酯的衍生化

由于二苯甲烷二異氰酸酯分子中異氰酸酯基團(tuán)(-NCO)的化學(xué)性質(zhì)非?；顫?易與水、甲醇、胺等活潑氫化合物發(fā)生反應(yīng)而不穩(wěn)定[10]。因此,MDI的液相法分析需要把MDI的異氰酸根衍生保護(hù)起來,測其衍生化產(chǎn)物的含量,再推算MDI的含量。本實(shí)驗(yàn)用甲醇作為衍生劑[7],反應(yīng)完全后,得到產(chǎn)物二苯甲烷二氨基甲酸甲酯(MDC),經(jīng)紅外光譜鑒定其衍生化后的MDI,在2 270 cm-1處的 NCO吸收峰已經(jīng)消失,說明NCO全部參加了反應(yīng)。電噴霧質(zhì)譜圖只出現(xiàn)了衍生化后產(chǎn)物的準(zhǔn)分子離子峰m/z314.7、331.8、336.7,分別是其加氫、加氨、加鈉峰 ,示于圖1,而觀察不到 MDI的準(zhǔn)分子離子峰m/z250,說明MDI完全轉(zhuǎn)變?yōu)镸DC。

二苯甲烷二異氰酸酯標(biāo)準(zhǔn)品的衍生化:取一定量的標(biāo)準(zhǔn)品加入到10 mL無水甲醇中,于60℃水浴加熱45 min。蒸出多余的甲醇后,傾入大量的蒸餾水,有白色沉淀,用精制的甲醇重新溶解后,再用大量的重蒸水清洗,得白色沉淀物。并于50℃,真空度為0.266 kPa下干燥24 h,得到白色粉末,即為二苯甲烷二氨基甲酸甲酯。

由于實(shí)際樣品含量較低,因此衍生化簡略為:取一定量的樣品加入到10 mL無水甲醇中,于60℃水浴加熱45 min,上層液體冷卻至室溫,即得到二苯甲烷二氨基甲酸甲酯的甲醇溶液,蒸出過多的甲醇,定容1 mL。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 液相色譜條件 Waters Acquity UPLCTM BEH C18色譜柱(2.1 mm ×50 mm ×1.7μm);柱溫25 ℃;樣品溫度20 ℃;進(jìn)樣體積1μL;流動相 A為甲醇,B為含0.1%(體積分?jǐn)?shù))甲酸的水溶液;線性梯度洗脫;洗脫程序:0～2 min,60%A～100%A;流速 0.25 mL/min。

1.3.2 質(zhì)譜條件 電噴霧電離(ESI+)離子源,毛細(xì)管電壓3.5 kV,錐孔電壓25 V,射頻透鏡(RF Lens)電壓0.3 V,離子源溫度100℃,脫溶劑溫度200℃,脫溶劑氣流速600 L/h,采用選擇離子監(jiān)測模式。

2 結(jié)果與討論

2.1 質(zhì)譜條件的優(yōu)化

由于MDI及MDC含有氮原子,容易帶正電荷,因此使用 ESI(+)電離模式。配制0.5 mg/L標(biāo)準(zhǔn)溶液,六通閥進(jìn)樣,在全掃描模式下優(yōu)化毛細(xì)管電壓、錐孔電壓、裂解溫度等參數(shù),使MDC分子離子峰最強(qiáng),進(jìn)而提高檢測靈敏度。在正離子模式下,MDC在電噴霧質(zhì)譜中的準(zhǔn)分子離子峰有m/z314.7、331.8、336.7,分別是其加氫、加氨、加鈉峰,示于圖1。選擇目標(biāo)化合物[M+H]+作為碰撞誘導(dǎo)解離的母離子,產(chǎn)生m/z283.0、251.0、163.8、131.7 子離子 ,推測的斷裂機(jī)理示于圖2。進(jìn)一步說明,m/z314.7為二苯甲烷二氨基甲酸甲酯,以此選擇[M+H]+的準(zhǔn)分子離子峰m/z314.7來定量。由于在整個衍生化過程中只用到甲醇溶液,對于 ESI軟電離模式不存在基質(zhì)效應(yīng)。

2.2 色譜分離條件的優(yōu)化

2.2.1 流動相的優(yōu)化 考察了甲醇-水、甲醇-甲酸(0.1%)、甲醇-甲酸銨(p H 5.8)流動相體系對樣品的分離效果,與甲醇-水作為流動相比較,酸性流動相體系有利于改善峰型?？紤]到色譜柱的維護(hù),因此選用甲醇-0.1%甲酸作為流動相。

圖1 MDC(a)及其子離子掃描(b)質(zhì)譜圖(碰撞能量為10 eV)Fig.1 MS chromatograms for MDC(a)and its daughter ions(b)(collision energy is 10 eV)

圖2 MDC的斷裂機(jī)理Fig.2 Mechanism of MDC

2.2.2 進(jìn)樣量的優(yōu)化 通常情況下,使用 Waters AcquityTM超高效液相色譜儀的自動進(jìn)樣器進(jìn)樣5μL的定量效果較好,但本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在質(zhì)量濃度為10μg/L,進(jìn)樣量為5μL時,出現(xiàn)了平頭峰,示于圖3。本實(shí)驗(yàn)考察了進(jìn)樣量為5、3、1、0.5、0.1μL情況對峰型的影響,發(fā)現(xiàn)進(jìn)樣量為5 μL和3μL時,出現(xiàn)平頭峰,進(jìn)樣量為1、0.5和0.1μL時,峰擴(kuò)散不嚴(yán)重,因此選擇進(jìn)樣量1μL。產(chǎn)生平頭峰的原因可能是大體積進(jìn)樣導(dǎo)致進(jìn)樣環(huán)產(chǎn)生大面積的吸附作用,洗脫出來的峰擴(kuò)散比較寬。選擇進(jìn)樣量1μL是為了減弱大面積的吸附,從而改善峰型。

2.2.3 線性關(guān)系考察與檢出限 將MDI標(biāo)準(zhǔn)品衍生MDC依次稀釋為不同濃度來建立標(biāo)準(zhǔn)曲線,其中相當(dāng)于 MDI的質(zhì)量濃度為 2～100 μg/L。以目標(biāo)組分的峰面積對相應(yīng)的質(zhì)量濃度X(μg/L)做標(biāo)準(zhǔn)曲線,示于圖4,其相關(guān)系數(shù)為0.999 4,表明 MDI質(zhì)量濃度在 2～100μg/L時,具有較好的線性關(guān)系,檢出限為1μg/L(S/N ＞3)。

圖3 進(jìn)樣量為1μL(a)、5μL(b)的標(biāo)樣色譜圖Fig.3 The standard chromatograms with 1μL(a),5μL(b)injection volumes

圖4 標(biāo)準(zhǔn)曲線圖Fig.4 The standard curve

2.2.4 回收率 取適量空白樣品,加入一定量的MDI標(biāo)準(zhǔn)品,每一個添加濃度重復(fù)5次,進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,在5～50μg/L添加水平下,平均回收率為96.4%～101.5%。

2.2.5 精密度實(shí)驗(yàn) 取3個高、中、低不同濃度的MDI標(biāo)準(zhǔn)品,每一濃度處理5批,進(jìn)行精密度考察,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)列于表1。

從表1可以看出,最大相對標(biāo)準(zhǔn)偏差＜5%,在允許的范圍內(nèi)。

表1 精密度實(shí)驗(yàn)Table 1 Experiment of precision

2.3 實(shí)際樣品含量的測定

檢測了實(shí)際樣品聚氨酯預(yù)聚體中游離的MDI含量。利用樣品衍生化方法將聚氨酯預(yù)聚體甲醇衍生化,經(jīng)過0.2μm濾膜過濾,以除去大分子質(zhì)量的高聚物。在優(yōu)化色譜條件下,實(shí)際樣品的色譜圖示于圖5。用外標(biāo)法定量,計算出樣品中 MDI的含量分別為 0.38、0.15、0.09、0.04μg/kg。

圖5 實(shí)際樣品的色譜圖Fig.5 Chromatogram of the actual sample

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)采用超高效液相色譜-串聯(lián)四極桿質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)建立了MDI的檢測方法。以甲醇-0.1%甲酸的水溶液為流動相,梯度洗脫,正離子選擇離子監(jiān)測模式測定,出峰在1.24 min,且檢出限(S/N＞3)為1μg/L,實(shí)現(xiàn)了快速、準(zhǔn)確地檢測MDI含量,為殘留MDI檢測提供了可靠、有效的方法。

[1]王 敏.TDI、MDI合成技術(shù)與市場展望[J].中國石油和化工,2001(11):46-49.

[2]中國化工信息網(wǎng).聚氨酯材料氣味性的評價和改進(jìn)[R/OL].[2009-08-26].http://www.cpi360.com/docpage/c421/200908/0826_421_589720.aspx.

[3]楊紅光,吳大為.中密度纖維板工廠作業(yè)環(huán)境空氣中的 MDI檢測[J].中國人造板,2009(2):26-27.

[4]4,4’-二苯基甲烷二異氰酸酯[EB/OL].http://www.chinabaike.com/article/316/hx/2007/2007110 8626301.html.

[5]張 敏,雷興紅.涂料中游離甲苯二異氰酸酯的氣相色譜測定法[J].環(huán)境與健康雜志,2003,20(6):364-365.

[6]陳為都,王小妹,黃仲立.IPDI及MDI型聚氨酯預(yù)聚體中游離二異氰酸酯含量測定[J].聚氨酯工業(yè),2009,24(2):43-46.

[7]姚 潔,胡曉佳,王慶印,等.4,4’-二苯甲烷二異氰酸酯的高效液相色譜分析[J].化學(xué)通報,2008,6:457-460.

[8]欒 楊,李 翎,王曉云,等.高效液相色譜測定車間空氣中4,4’-二苯甲烷二異氰酸酯[J].中國公共衛(wèi)生,1999,5(10):937-938.

[9]姚 潔,王公應(yīng).4,4’-二苯甲烷二異氰酸酯的HPLC分析[J].天然氣化工,2005,30:68-70.

[10]劉玉海,趙 輝,李國平,等.異氰酸酯[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004:195-207.

Determination of Diphenylmethane Diisocyanate by Ultra-Performance Liquid Chromatography-Tandem Mass Spectrometry

GUO Qiao-zhen,DU Zhen-xia
(A nalysis and Testing Center,Beijing University of Chemical Technology,Beijing100029,China)

A sensitive ultra performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry(UPLC-MS/MS)method was developed for the separation and determination diphenylmethane diisocyanate(MDI).Methanol was used for the derived reagent,and diphenylmethane diisocyanate was transformed into diphenylmethane dicarbamate(MDC),then calculated the content of MDI.The sample was effectively separated in 1.5 min on a Waters Acquity BEH C18 column using methanol and water(containing 0.1%formic)as mobile phase under the condition of gradient elution.The detection of compound was performed by MS under single ion monitoring(SIM)mode.The calibration curve is linear over the concentration range of 2—100μg/L for the compound with detection limits of 1μg/L,and the correlation coeffi-cient is 0.999 4.The effects of mobile phase systems and the injection volumes of the sample were investigated.The results indicate that the separation efficiency of compounds in acidity mobile phase is higher than other systems,and the large injection has flat head peak in spectrum.Under the optimum conditions,the method was applied in the determination of free monomeric isocyanates in the actual samples.

ultra performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry(UPLCMS/MS);diphenylmethane diisocyanate(MDI);methylene diphenyl dicarbamate(MDC)

O 657.63

A

1004-2997(2011)02-0112-05

2010-04-07;

2010-07-22

郭巧珍(1984～),女(漢族),陜西西安人,碩士研究生,分析化學(xué)專業(yè)。E-mail:qiao037@126.com

杜振霞(1968～),女(漢族),河北石家莊人,教授,從事液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)研究。E-mail:duzx@mail.buct.edu.cn