HPLC法检测纸张中的荧光增白剂VBL

李志健， 苗　玉， 杜　飞, 孟卿君

(陕西科技大学 轻工与能源学院， 陕西 西安　710021)



HPLC法检测纸张中的荧光增白剂VBL

李志健， 苗玉， 杜飞, 孟卿君

(陕西科技大学 轻工与能源学院， 陕西 西安710021)

摘要：建立了一种可以测定自制样品中荧光增白剂VBL的高效液相色谱-紫外检测器法.样品采用20 mL的N’N-二甲基甲酰胺作为提取剂，在40 ℃下超声提取30 min，再用高效液相色谱进行检测；采用Waters Symmetry C18(4.6 mm×75 mm，3.5 μm)色谱柱，以甲醇和超纯水为流动相，等梯度洗脱，紫外检测器的检测波长为360 nm.结果表明：本方法可以快速有效地检测出纸质材料中的荧光增白剂VBL，仪器检出限为6 μg·L-1，方法定量限为17 μg·L-1;本方法在40~140 μg·L-1范围内的线性关系良好，相关系数R大于0.99，方法回收率为90.1%~93.6%，相对标准偏差RSD为2.14%~2.38%.该方法样品处理简单，检测快速准确，是一种较好的纸张中荧光增白剂VBL的检测方法.

关键词：荧光增白剂； 高效液相色谱； 超声振荡； 纸张； VBL

0引言

随着社会的发展，人们的生活水平亦不断提高，对生活中一次性卫生用品的质量要求也越来越高.一次性卫生用品的质量安全与我们每个人的生活息息相关.大量的研究表明，食品包装用纸[1]、卷烟的接装纸、成形纸[2]等中均含有荧光增白剂.在一次性卫生用品、纺织用品中，为了提高浆料的白度、降低成本，往往也会加入一定量的荧光增白剂.

荧光增白剂是一种荧光染料，它可以吸收不可见的紫外光，其波长范围在300~400 nm之间，还可激发出可见的蓝色或蓝紫色荧光，其波长范围在420~480 nm[2]之间.荧光增白剂VBL是我国生产的第一个荧光增白剂产品[3]，其分子式为C36H34N12Na2O8S2，分子量为872.840 3，化学结构式如图1所示.

图1　荧光增白剂VBL的化学结构式

目前，荧光增白剂的检测方法有紫外分光光度法[4-6]、荧光分光光度法[7,8]、高效液相色谱法[9-12]、超高效液相色谱法[13]、高效液相色谱-质谱联用法[14,15]等，主要用于检测纺织品、洗涤剂、包装纸、食品等中的荧光增白剂.

紫外分光光度法和荧光分光光度法只能粗略地检测出样品中荧光增白剂的总量，并不能将样品中的荧光增白剂进行分类;而高效液相色谱法可以有效地检测出样品中荧光增白剂的含量，灵敏度高，精密度好，样品处理也简单快速.

1实验部分

1.1　主要仪器与试剂

(1)主要仪器：纸样抄取器(陕西科技大学机械厂)；纤维解离器(陕西科技大学机械厂)；KQ2200型超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司)；高效液相色谱仪(美国，Waters 1525，配备二元高压梯度泵(最大耐受压为410 bar)、真空脱气机、手动进样器、柱温箱、Waters 2489紫外可见检测器等)；色谱柱Symmetry C18(4.6 mm× 75 mm，3.5μm)；79-2双单磁力搅拌器(金坛市科析仪器有限公司)；普利菲尔去离子水发生器.

(2)主要试剂：标准品VBL(美国 International Laboratory USA)；甲醇(色谱纯，德国Merck)；N’N-二甲基甲酰胺(DMF)、无水甲醇、三氯甲烷、四氢呋喃及其余试剂(皆为分析纯，天津市富宇精细化工有限公司)；实验用水(为去离子水).

1.2　实验材料

称取一定量湿浆，加入1.5%的荧光增白剂VBL(对绝干浆)，利用纸页快速成型器制备定量为60 g/m2的手抄片，平衡水分后备用.

1.3　实验方法

1.3.1纸张中荧光增白剂的提取

(1)自制样品荧光增白剂的提取：将抄造成的纸张剪成0.5~1.5 mm2的纸屑，混合均匀，将其置于磨口广口瓶中，待水分平衡后准确称取0.5 g(精确到0.01 g)，放入50 mL具塞三角瓶中，加入25 mL的DMF，超声振荡30 min，静置后上清液用0.45μm的有机滤膜过滤，滤液避光保存进行HPLC检测.

(2)实际样品荧光增白剂的提取：其提取方法与上述自制样品荧光增白剂的提取方法相同.

1.3.2高效液相色谱分析条件

Waters Symmetry C18(4.6 mm×75 mm，3.5μm)柱；柱温：30 ℃；流速：1.0 mL·min-1；检测器：紫外检测器(检测波长为360 nm)；流动相：甲醇和水(其体积比=90∶10)；进样量：10μL；运行时间：10 min.

1.4　标准溶液的配置

准确称取一定质量的荧光增白剂VBL标准品，在100 mL棕色容量瓶中加N’N-二甲基甲酰胺(DMF)溶解、定容，得到质量浓度为4 mg·mL-1的荧光增白剂单标准母液.吸取1 mL的4 mg·mL-1的溶液，在100 mL容量瓶中定容，得到浓度为40 mg·L-1的溶液，放入4 ℃冰箱保存备用.

用上述母液继续稀释，得到质量浓度分别为40μg·L-1、60μg·L-1、80μg·L-1、120μg·L-1、140μg·L-1的标准溶液.

2结果与讨论

2.1　液相色谱条件的确定

2.1.1紫外检测器检测波长的确定

使用紫外检测器对荧光增白剂VBL的标准溶液进行扫描，其扫描结果如图2所示.从该扫描光谱图可以看出，荧光增白剂VBL在280 nm和360 nm处有很强的吸收峰.由于此荧光增白剂属于双三秦氨基二苯乙烯型荧光增白剂，其分子结构式中含有苯胺基团和二苯乙烯分子的共轭体系，所以其会在280 nm和360 nm处出峰.因其在360 nm处的出峰强度更大，所以确定高效液相色谱中紫外检测器的检测波长为360 nm.

图2　荧光增白剂VBL的紫外光谱图

2.1.2流动相的确定

为了选择合适的流动相，分别使用甲醇/水以不同的比例、流速对荧光增白剂样品进行检测.当使用流速为1.0 mL·min-1时，初始甲醇∶水=30∶70，出峰很小；提高甲醇的比例，使甲醇∶水=50∶50，峰形略微增大；继续提高比例甲醇∶水=70∶30，峰形很大，但仍然会有杂峰出现，且杂峰和荧光增白剂VBL的出峰不能很好地分离；当甲醇∶水=90∶10时，出来的峰很大且峰形尖锐对称，杂峰很小，所以选择流动相为甲醇和水，其比例为90∶10.

当流速提高至1.5 mL·min-1时，虽然会减少分离时间，但是峰形几乎没有发生改变，且流速增大，会增大柱压，减低色谱柱的寿命，故选择流速为1.0 mL·min-1.

2.2　提取条件的选择

2.2.1提取溶剂的选择

为了获得最好的提取效果，本文考察了纯水、三氯甲烷、无水乙醇、四氢呋喃、N’N-二甲基甲酰胺(DMF)等5种溶剂，对自制样品中荧光增白剂的提取效果.在相同的提取条件(40 ℃超声振荡提取30 min，样品质量为0.5 g，提取溶剂的体积为25 mL)下，采用5种溶剂分别进行提取，其结果如图3所示.

图3　不同提取溶剂所对应的峰面积

由图3可以看出，不同溶剂对自制样品中荧光增白剂VBL的提取率大小顺序为：DMF>去离子水>三氯甲烷>无水甲醇>四氢呋喃.其中，DMF的提取效果最好，其对荧光增白剂VBL的提取率超过85%；以三氯甲烷和去离子水作提取溶剂时，提取效果都很差，低于10%；四氢呋喃和无水甲醇作提取溶剂时，几乎不能提取出荧光增白剂VBL.所以，本实验选用DMF作为提取溶剂.

2.2.2自制样品质量的选择

分别称取提前剪裁好并混合均匀的0.5~1.5 mm2的纸屑各0.2 g、0.5 g、0.8 g、1.1 g，在相同的提取条件(40 ℃超声振荡30 min，加DMF 25 mL)下，分别对不同质量样品中FWA 85进行提取，其结果如图4所示.

图4　不同样品质量所对应的峰面积

从图4可以看出，随着称取样品质量的增大，峰面积逐渐增大，即每单位体积的FWA 85提取量逐渐增大.由于本实验所提取的目标物存在于纸张中，如果样品质量过大，可能会导致溶剂不能完全浸透样品，影响样品在溶剂中的溶出率，降低目标物的提取率，所以样品的质量不能过大.当样品质量为0.5 g时，其对样品的溶出基本与样品为0.8 g时一样;当样品质量继续升高为1.1 g时，对目标物的溶出基本不变.所以,为了减低样品的消耗，增大对目标物的溶出率，本实验选取样品的质量为0.5 g.

2.2.3提取方式的选择

本文讨论了两种提取方式，即自然浸置和超声振荡.分别称取裁剪好并混合均匀的纸屑0.5 g共10份，加入25 mL的DMF，分别自然浸置0.5 h、1 h、1.5 h、2 h、2.5 h，超声振荡10 min、20 min、30 min、40 min、50 min，然后冷却，用0.45μm有机滤膜过滤，滤液用HPLC分析，其结果如表1所示.

表1　不同提取方式及时间对

从表1中可以看出,随着自然浸置时间的延长，峰面积逐渐升高；而采用超声振荡30 min时，峰面积达到最大，这时溶剂对目标物的提取达到最大，而且此时的提取效果比自然浸置2.5 h的提取效果更好.所以,本实验为了节省时间、提高效率，采用超声振荡30 min对样品进行提取.

2.2.4提取温度的选择

称取提前剪裁并混合均匀的纸屑0.5 g共5份，加25 mL的DMF后分别在20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃下避光超声振荡30 min，然后冷却，用0.45μm有机滤膜过滤，滤液用高效液相色谱分析，其结果如图5所示.

图5　不同温度下所对应的峰面积

从图5可以看出，在提取时间在20~30 min时，样品的提取率几乎没有变化，且提取率较低；当温度升高到40 ℃时，样品的提取率明显升高，超过85%.这可能是因为温度的升高，使纸张纤维可以充分地在溶剂中溶解，增大了纤维与溶剂之间的接触面积，从而使添加到纸张中的目标物更多地迁移到溶剂中，最终达到一个更大的平衡；但随着温度的继续升高，溶剂对目标物的提取效率反而降低.所以,本实验选用的最佳提取温度为40 ℃.

2.2.5提取时间的选择

准确称取已经裁剪并混合均匀的纸屑0.5 g共5份，加25 mL的DMF后在40 ℃下分别超声振荡10 min、20 min、30 min、40 min、50 min，然后冷却，用0.45μm有机滤膜过滤，滤液用高效液相色谱分析，其结果如图6所示.

图6　不同超声时间所对应的峰面积

从图6可以看出，随着超声时间的延长，溶剂DMF对目标物的提取率先升高后降低.在超声时间为30 min时，提取效果最佳，对目标物的提取率超过85%.所以，本实验选择30 min为最佳超声时间.

2.2.6提取溶剂体积的选择

准确称取已经裁剪并混合均匀的纸屑0.5 g共6份，分别加入DMF各15 mL、20 mL、25 mL、30 mL、35 mL、40 mL，在40 ℃下超声振荡30 min，然后冷却，用0.45μm有机滤膜过滤，滤液用高效液相色谱分析，其结果如图7所示.

从图7可以看出,当提取溶剂体积在15~25 mL时，溶剂对目标物的提取效果影响不是很大，但当溶剂体积增长到30 mL时，提取效果明显降低，再继续增大提取溶剂的体积时，提取率仍然在降低.

由于本实验是从纸张中提取目标物，如果提取溶剂的体积过小，可能不能完全将纸张纤维浸透，使纤维不能充分地与溶剂接触，从而影响纸张中目标物向溶剂中的迁移量，进而影响到溶剂对目标物的提取率.所以,本实验采用提取溶剂的体积为25 mL.

图7　不同DMF体积所对应的峰面积

2.2.7正交试验确定最佳提取条件

本实验在单因素实验的基础上，继续做了正交试验，验证了各因素对目标物提取的影响大小，从而区分影响因素的主次情况.

由于影响溶剂对目标物提取效率的各因素不是独立存在，而是互相影响的，所以,在单因素实验的基础上，设计了正交试验，验证各因素对目标物提取效率的影响大小.正交试验因素和水平设计如表2所示，正交试验结果如表3所示.

由表3可以看出，A(自制样品质量)、B(提取溶剂体积)、C(超声振荡时间)、D(超声振荡温度)四个因素对自制样品中目标物的提取效率的影响主次为A>B>D>C，提取的最佳方案为A3B1C2D3.

由表4可以看出，A、B、C、D四个因素对自制样品中目标物的提取影响显著.如果A过大，而提取溶剂的体积很小，则不能使溶剂充分浸透样品，进而不能使目标物充分地溶解在提取溶剂中.所以,本文选择影响次要的A2作为试验方案因素之一.

最终确定目标物的提取方案为：自制样品质量为0.5 g，提取溶剂体积为20 mL，超声振荡时间为30 min，超声振荡温度为40 ℃.

表2　正交试验因素和水平设计

表3　正交试验结果

表4　试验方差分析结果

2.3　色谱柱的选择

通过对以往文献的查阅、总结，本文采用C18柱对纸张纤维中的目标物进行提取，其标准的色谱峰如图8所示.由图8可以看出，使用该柱可以很好地将目标物分离出来.所以,本实验采用C18柱，与文献查阅内容相一致.

图8　荧光增白剂VBL的HPLC图

2.4　标准曲线、检出限、定量限

分别将配置好的浓度为40μg·L-1、60μg·L-1、80μg·L-1、100μg·L-1、120μg·L-1、140μg·L-1的标准荧光增白剂VBL溶液进行标准高效液相色谱进样，以分析物的峰面积Y对质量浓度X(μg·L-1)进行线性回归.结果表明，荧光增白剂VBL在40~140μg·L-1的浓度范围内线性关系良好，其相关系数R大于0.99，仪器检出限(LOD，S/N=3)为6μg·L-1，方法定量限(MLOQ，S/N=10)为17μg·L-1.其标准曲线如图9所示.

图9　荧光增白剂VBL的标准曲线

2.5　精密度和回收率

(1)精密度:精密度是指在规定的测定条件下，用一个均匀样品，经多次取样测定所得各个结果之间的接近程度.精密度一般用偏差或相对标准偏差表示.

(2)回收率：回收率是指实际样品经过处理后，其和原先标准样品的比率.

选择原纸进行精密度和回收率实验.选取高、中、低三个浓度，三个浓度水平分别为40μg·L-1、80μg·L-1、140μg·L-1，将原纸分别浸泡在这三个浓度水平下的标准溶液中，避光放置2 h，用镊子将纸从溶液中夹出，平铺在表面皿上，放在通风橱内自然晾干.然后用这三个添加浓度水平下的纸张做高效液相色谱实验.每个浓度水平下的纸张分别做6组平行实验.通过实验得出:该方法回收率为90.1%~93.6%，相对标准偏差RSD为2.14%~2.38%.

2.6　实际样品的测定

应用本文所建立的方法测定从超市购买的5种餐巾纸、5种纸尿裤、5种卫生巾中的荧光增白剂含量状况.其中,在1种餐巾纸和1种卫生巾中检测出了荧光增白剂VBL.

实验表明，运用本文所建立的高效液相色谱-紫外检测器法可以有效地检测出与人们生活密切相关的一次性卫生用品中的荧光增白剂VBL,由于VBL会对人体造成一定的伤害，故相关政府部门应加大监管力度.

3结论

本文建立了测定纸张中荧光增白剂VBL的高效液相色谱-紫外检测器的检测方法.样品用N’N-二甲基甲酰胺作为提取溶剂，在40 ℃下超声提取30 min，可以获得最佳的提取效果；采用Waters Symmetry C18色谱柱，以甲醇和超纯水(其体积比为90∶10)作为流动相，可以获得最好的出峰效果；通过标准工作曲线可以进行定量;通过回收率和精密度实验可以证明该方法回收率高、精密度好.所以,本实验建立的方法是一种可以快速有效地检测出纸张中荧光增白剂VBL含量的方法.

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【责任编辑：晏如松】

Determination of fluorescent brightener VBL in

papers by HPLC method

LI Zhi-jian, MIAO Yu, DU Fei， MENG Qing-jun

(College of Light Industry and Energy, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)

Abstract:A method based on high performance liquid chromatography-UV detector was developed for determining the fluorescent brightener VBL in papers.Samples with 20 mL of N’N-dimethylformamide as the extraction agent, at 40 ℃ ultrasonic extraction 30 min,were detected by high performance liquid chromatography.In this study,use Waters Symmetry C18(4.6 mm×75 mm, 3.5 μm)as column,using methanol and ultrapure water as the mobile phase,isocratic,UV detector detection wavelength was 360 nm.The results show that this method can quickly and effectively detect the fluorescent brighteners VBL in paper material,instrument detection limit is 6 μg · L-1,the method limit of quantitation is 17 μg · L-1,which in the 40~140 μg · L-1has good linear relationship,the correlation coefficient R is greater than 0.99,the recoveries are 90.1%~93.6% and the relative standard deviation (RSD) are 2.14%~2.38%.This method is simple,fast and detect accurately,detection of the paper is a good method for the fluorescent whitening agent VBL.

Key words:fluorescent brightener; high performance liquid chromatography; ultrasonic oscillations; paper; VBL

中图分类号：TS77

文献标志码：A

文章编号：1000-5811(2016)01-0001-06

作者简介:李志健(1964-)，男，陕西蓝田人，教授，博士，研究方向：制浆造纸新技术

基金项目：陕西省教育厅专项科研计划项目(14JK1109)； 陕西科技大学博士科研启动 (BJ15-14)

收稿日期:*2015-10-23