頂空氣相色譜法測定離子交換樹脂中8種有機(jī)溶劑殘留

朱賀文, 臧穎超, 張光生, 盧立新, 夏海鋒*

(1. 江南大學(xué)糧食發(fā)酵工藝與技術(shù)國家工程實驗室, 江蘇 無錫 214122; 2. 江南大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院,江蘇 無錫 214122; 3. 江南大學(xué)江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點實驗室, 江蘇 無錫 214122)

離子交換色譜(ion-exchange chromatography, IEC)是生物技術(shù)分離純化方向應(yīng)用最為廣泛的一種色譜分離方法[1]。它的原理是利用目標(biāo)物上所帶電荷與層析介質(zhì)上面的帶電集團(tuán)所帶相反電荷之間的靜電作用力而結(jié)合[2]。由于不同分子的電荷位點的差異以及電荷量的不同導(dǎo)致結(jié)合強(qiáng)度不同,因此可以按照結(jié)合力由弱到強(qiáng)的順序?qū)⒉煌肿又饌€洗脫下來,達(dá)到純化效果[3]。離子交換樹脂交換容量高,機(jī)械強(qiáng)度好,綠色環(huán)保不產(chǎn)生污染,成本低廉,工藝步驟簡單,所以在食品、保健品和醫(yī)藥工業(yè)中得到迅速的推廣使用[4]。離子交換色譜作為色譜技術(shù)的核心之一,早已廣泛應(yīng)用于重組蛋白、抗體和疫苗等的純化過程[5,6]。在食品工業(yè)中,離子交換樹脂不但可以處理工業(yè)廢水,還可用于糖類、酒、奶、油脂、飲料等的去鹽、脫色、分離、提純、去渾濁、去堿、去酸、催化等方面[7,8]。

離子交換樹脂應(yīng)用廣泛,但同時,由于市場上購買到的樹脂都是化工生產(chǎn)樹脂,有機(jī)物殘留問題嚴(yán)重[9],我國目前食品工業(yè)所用離子交換樹脂的安全標(biāo)準(zhǔn)還不完善,只是有一些文件依據(jù)分離物所帶電荷的正負(fù)以及帶電量的不同對個別類型的樹脂產(chǎn)品進(jìn)行了限定。而離子交換樹脂在生產(chǎn)或保存過程中產(chǎn)生的有機(jī)殘留物可能在接觸食品、藥品、保健品后影響目標(biāo)產(chǎn)品的安全性[10]。隨著近年來人們對食品的安全、衛(wèi)生、無毒要求越來越高,對樹脂的檢測及遷移的研究就越來越重要。

文獻(xiàn)報道離子交換樹脂生產(chǎn)或保存時涉及的有機(jī)溶劑一般為苯系物、二氯乙烷、二甲苯、甲基丙烯酸酯、氯苯等[11],結(jié)合預(yù)實驗的氣相色譜質(zhì)譜法的檢測結(jié)果,我們確定了甲基異丙基甲酮(methyl isopropyl ketone)、丁酸甲酯(methyl butyrate)、3-戊酮(3-pentanone)、1,3-二乙基苯(1,3-diethyl benzene)、1,4-二乙基苯(1,4-diethyl benzene)、1,2-二氯乙烷(dichloroethane)、間二氯苯(m-dichlorobenzene)、甲基丙烯酸甲酯(methyl methacrylate) 8種有機(jī)物為研究對象,離子交換樹脂的提取方法有多種,如超聲提取、溶劑萃取、頂空分析、熱脫附等[12],有機(jī)殘留物的檢測方法包括頂空氣相色譜法[13]、頂空固相微萃取-氣相色譜法[14]、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法[15]、頂空-固相微萃取-氣相色譜-質(zhì)譜法,進(jìn)樣方式主要有氣相色譜直接進(jìn)樣法和頂空進(jìn)樣法[16],本實驗采用干擾小、精確度高、操作方便的頂空氣相色譜法進(jìn)行檢測,而對于提取溶劑的選擇既要考慮到提取效率的問題,還要兼顧到分離效果、溶解性、揮發(fā)性。報道過的溶劑有水、0.2 mol/L的NaOH溶液、乙醇[17,18]和二甲亞砜,本實驗選擇二甲亞砜作為溶劑,用超聲波提取結(jié)合溶劑萃取的方法提取有機(jī)物[19]。市面上根據(jù)基體分類離子交換樹脂主要有甲基丙烯酸酯、交聯(lián)丙烯酸、酚醛、苯乙烯等類型,我們在4種類型樹脂中挑選了Amberlite FPA53、Amberlite XAD7HP、Amberlite XAD761、Seplite LX-016、Seplite LX-762、Seplite LX-28、Seplite LX-1600、Seplite LX-T5、Seplite LX-69B、Seplite LSL-010、Seplite LX-T81共計11種樹脂進(jìn)行檢測。

本研究建立了不同類型樹脂中8種有機(jī)化合物的頂空氣相色譜檢測方法,優(yōu)化了頂空進(jìn)樣處理和氣相色譜檢測的條件參數(shù),具有充分的理論和技術(shù)基礎(chǔ)以及操作可行性,該方法優(yōu)點在于有機(jī)溶劑對氣相色譜的污染和測定結(jié)果的影響較小、操作簡單、精密度好、結(jié)果準(zhǔn)確、能滿足離子交換樹脂中有機(jī)物的檢測需要。

1 實驗部分

1.1 儀器、試劑與材料

HS-10頂空進(jìn)樣器、GC-2010氣相色譜儀(日本島津公司)、DB-23石英毛細(xì)柱(60 m×0.32 mm×0.25 μm)(美國安捷倫科技有限公司)。

Amberlite FPA53、Amberlite XAD7HP、Amberlite XAD761樹脂購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司;Seplite LX-016、Seplite LX-762、Seplite LX-28、Seplite Seplite LX-1600、Seplite LX-T5、Seplite LX-69B、Seplite LSL-010、Seplite LX-T81樹脂購自西安藍(lán)曉科技新材料股份有限公司;HZ-818大孔樹脂購自上海華震科技有限公司;微孔濾膜(混纖-有機(jī)系,孔徑為0.22 μm)購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;二甲亞砜及8種目標(biāo)有機(jī)溶劑均為色譜純,購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 頂空及氣相色譜條件

采用頂空進(jìn)樣毛細(xì)管氣相色譜法,頂空進(jìn)樣器樣品平衡時間30 min;平衡溫度80 ℃;進(jìn)樣量750 μL;色譜柱為DB-23毛細(xì)管柱(60 m×0.32 mm×0.25 μm);氫火焰離子化檢測器;柱溫(程序升溫): 初始溫度60 ℃,保持16 min,再以20 ℃/min的升溫速率升至200 ℃,保持2 min;進(jìn)樣口溫度240 ℃; FID溫度300 ℃;分流比為3∶1;載氣為氮氣,流速為1.2 mL/min。

1.3 樣品制備

稱取濕重2.0 g的樹脂,置于25 mL的容量瓶中,準(zhǔn)確加入10 mL二甲亞砜,蓋上瓶塞后用封口膜密封,超聲提取20 min以后取5 mL提取液過0.22 μm濾膜待測。

1.4 混合標(biāo)準(zhǔn)儲備液的制備

分別精密量取8種目標(biāo)有機(jī)溶劑各0.2 g混合后用二甲亞砜定容至100 mL,配制成2 g/L的標(biāo)準(zhǔn)儲備液,用封口膜密封備用。

1.5 混合標(biāo)準(zhǔn)工作溶液

用二甲亞砜將標(biāo)準(zhǔn)儲備液逐級稀釋為0.002、0.02、0.2、2、20、200 mg/L的系列標(biāo)準(zhǔn)溶液,待用。

2 結(jié)果與討論

2.1 混合進(jìn)樣法分析8種有機(jī)化合物

以DB-23石英毛細(xì)柱為分析柱,將8種有機(jī)物的混合標(biāo)準(zhǔn)儲備液按照1.2節(jié)所述條件進(jìn)樣,結(jié)果顯示8種有機(jī)物得到了高效分離,響應(yīng)高,峰形較好,色譜圖見圖1。

圖 1 8種有機(jī)溶劑的色譜圖Fig. 1 Chromatogram of the eight organic compounds 1. methyl isopropyl ketone; 2. 3-pentanone; 3. methyl butyrate; 4. methyl methacrylate; 5. dichloroethane; 6. 1,3-diethyl benzene; 7. 1,4-diethyl benzene; 8. m-dichlorobenzene.

2.2 頂空平衡溫度的優(yōu)化

在其他參數(shù)固定的條件下,使用按1.4節(jié)制備的混合標(biāo)準(zhǔn)儲備液,分別經(jīng)頂空40、50、60、70、80、90 ℃恒溫下平衡30 min后進(jìn)樣,按照1.2節(jié)儀器條件進(jìn)行測定,考察不同平衡溫度對目標(biāo)物峰面積的影響,檢測結(jié)果表明,在40～90 ℃范圍內(nèi),8種有機(jī)物的峰面積隨溫度上升而增加(見圖2),故在一定溫度范圍內(nèi),平衡溫度越高,8種有機(jī)物的蒸汽壓越高;另一方面,過高的平衡溫度可能造成樣品中揮發(fā)物增加,導(dǎo)致干擾增多,同時結(jié)合進(jìn)樣器恒溫狀態(tài)控制性能、頂空耐壓性及密性等因素,選擇80 ℃作為最優(yōu)平衡溫度。

圖 2 不同平衡溫度下8種有機(jī)物色譜峰面積的變化Fig. 2 Changes of peak areas of the eight organic compounds at different equilibrium temperatures

2.3 頂空平衡時間的優(yōu)化

頂空平衡時間本質(zhì)上取決于被測組分分子從樣品基質(zhì)到氣相的擴(kuò)散速度。擴(kuò)散速度越快,所需平衡時間越短,頂空分析可以通過峰面積的變化進(jìn)行判斷。

使用按1.4節(jié)制備的混合樣品分別在80 ℃恒溫下分別平衡4、6、8、10、20、30、40 min后,開始進(jìn)樣,按照1.2節(jié)儀器條件進(jìn)行測定,考察不同平衡時間對峰面積的影響,結(jié)果見圖3?？梢钥闯?8種有機(jī)物起初隨著平衡進(jìn)程的進(jìn)行而快速增加,在20 min左右時即可到達(dá)曲線最高點;在10～40 min階段,峰面積變化不大,說明過長的平衡時間并不會使檢測靈敏度明顯提高。考慮到不同樣品類型、頂空進(jìn)樣器功能不同,為保證充分達(dá)到平衡狀態(tài),同時考慮到混合樣品測定的連續(xù)進(jìn)樣,且避免過長受熱可能導(dǎo)致的組分變化,選擇30 min作為標(biāo)準(zhǔn)平衡時間。

圖 3 不同平衡時間下8種有機(jī)物色譜峰面積的變化Fig. 3 Changes of peak areas of the eight organic compounds under different equilibrium times

2.4 方法學(xué)考察

2.4.1線性方程及方法檢出限

將0.002、0.02、0.2、2、20、200 mg/L的8種有機(jī)溶劑混合標(biāo)準(zhǔn)溶液在優(yōu)化并確立的頂空氣相色譜條件下分析,以有機(jī)物的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)(x, mg/L),峰面積為縱坐標(biāo)(y),制作標(biāo)準(zhǔn)曲線。結(jié)果顯示,在0.02～200 mg/L范圍內(nèi),8種有機(jī)物的質(zhì)量濃度與峰面積線性關(guān)系良好,相關(guān)系數(shù)(R2)均大于0.999。

取20 mg/L標(biāo)準(zhǔn)溶液用二甲亞砜逐步稀釋,精密吸取5 mL至10 mL頂空瓶里,進(jìn)行測定,確定信噪比約為3時的檢測量為檢出限(LOD),信噪比(S/N)為10時為定量限(LOQ),回歸方程、線性范圍、相關(guān)系數(shù)、檢出限及定量限見表1。

表 1 8種有機(jī)物的線性方程、線性范圍、相關(guān)系數(shù)、檢出限和定量限

2.4.2方法的回收率與精密度

向HZ-818樹脂樣品中添加3個水平(5.0、10、20 mg/L)的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液,再將樹脂按照1.3節(jié)所述方法前處理,進(jìn)行加標(biāo)回收率實驗,每個加標(biāo)水平測6次,結(jié)果見表2。由表3可見,3個添加水平的回收率為82.3%～109.2%,相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為1.06%～4.16%說明該方法的重復(fù)性和精密性良好,準(zhǔn)確度可達(dá)到檢測要求。

2.5 不同離子交換樹脂樣品中有機(jī)化合物的測定

按照1.3節(jié)將基體分別為交聯(lián)丙烯酸、甲基丙烯酸酯、酚醛、苯乙烯4類共11種樹脂進(jìn)行處理,將樣品按照1.2節(jié)所述的檢測條件進(jìn)行檢測,檢測的頂空氣相色譜圖見圖4,具體種類及含量如表3所示。結(jié)果表明,樹脂樣品中均存在一定量的不同有機(jī)物,少數(shù)產(chǎn)品的殘留量較高,苯乙烯類樹脂LX-69B中甲基丙烯酸甲酯含量高達(dá)470.76 μg/g。

圖 4 不同離子交換樹脂樣品的色譜圖Fig. 4 Chromatograms of different ion exchange resin samples 1. methyl isopropyl ketone; 2. 3-pentanone; 3. methyl butyrate; 4. methyl methacrylate; 5. dichloroethane; 6. 1,3-diethyl benzene; 7. 1,4-diethyl benzene; 8. m-dichlorobenzene.

3 結(jié)論

本文建立了頂空氣相色譜法測定離子交換樹脂中8種有機(jī)物的方法,并進(jìn)行了一系列方法學(xué)驗證,該實驗方法靈敏、準(zhǔn)確,能同時分離和定量測定離子交換樹脂中8種有機(jī)殘留物,采用二甲亞砜直接提取樹脂樣品省去了繁瑣的樣品前處理過程,提高了實驗效率。該方法適用于離子交換樹脂中殘留溶劑的檢測,為樹脂材料在應(yīng)用過程中對多種有機(jī)殘留物快速篩查提供有效途徑。