顶空GC-MS 测定皮革及其制品中的9 种溶剂残留

陆静，付善良，成婧，贺鹏，朱绍华，陈练

（长沙海关技术中心，湖南长沙410004）

引言

在皮革生产加工产品过程中，不可避免地要使用各种各样的化学品，特别是复鞣、加脂、染色等后整理加工工序，作为典型的化学处理过程，会用到种类繁多的有机溶剂、染料、助剂等，最终导致在皮革成品中挥发性有机化合物（VOCs）的残留，这些物质散发于空气中可经由皮肤接触或呼吸进入人体，在皮革消费量日渐增加的今天，其对人体健康和生态环境的影响已成为不可忽视的重要问题[1]。如乙二醇醚类有机溶剂在体内代谢后会形成剧毒物质，对人体造成永久性伤害，甚至会致癌。欧盟法规《化学品的注册、评估、授权和限制》（REACH 法规）规定，乙二醇醚类有机溶剂使用量不得超过0.1%[2]。N，N-二甲基甲酰胺（DMF）对皮肤有轻微刺激性，有时可引起过敏，其蒸气或雾对眼睛、粘膜和上呼吸道有刺激作用；N，N-二甲基乙酰胺（DMAc）中毒表现为活动减少，四肢无力，侧卧，呼吸急促。目前，这两种酰胺类物质均被列为REACH 法规中的高度关注物质（SVHC）[3]，每一种化合物的限制均为1000 mg/kg。

对于皮革中残留溶剂的测定方法研究，报道的检测方法主要为气相色谱法（GC）[4-6]和气相色谱-质谱法（GC-MS）[2,3,5,7,8]，样品处理方式主要为有机溶剂直接提取法[2,3,9]、顶空（HS）直接进样[5,10,11]，顶空-吹扫捕集-气相色谱质谱法[8,12]、顶空-固相萃取（HS-SPME）进样[13]。采用GC-MS 法测定易挥发性有机溶剂时，具有较高的准确度、较好的确证性和较高的灵敏度，并可以通过选择离子模式排除本底和干扰离子的影响。

因此，本研究选取已列入SVHC 清单的乙二醇二乙醚（CET）、乙二醇单甲醚（2-ME）、乙二醇单乙醚（2-EE）、乙二醇乙醚醋酸酯（CAC）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、N,N-二甲基乙酰胺（DMAc）、1,2,3-三氯丙烷（TCP）、N-甲基吡咯烷酮（NMP）和三乙二醇二甲醚（TCE）9 种有机溶剂为研究对象，拟采用GC-MS 法测定其在皮革及皮革制品中的残留量。检测方法主要包括样品的前处理和仪器分析2 个方面，本文在综合VOCs 检测技术的基础上，采用目前应用较为成熟的顶空进样分析技术，对皮革中VOCs 的含量进行测试。研究中以GC-MS 作为分析仪器，选择系列皮革样品，采用已建立的方法，对样品中的多种VOCs 进行定量检测，基于系列测定结果，评估皮革中挥发性有机物含量的现状。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

HS-20 顶空进样器（日本岛津公司），GCMS-QP2020 气相色谱质谱（日本岛津公司）。电子分析天平。

甲醇（色谱纯，德国Merck 公司）；乙二醇二乙醚（CET，纯度98.0%，加拿大TRC 公司）、乙二醇单甲醚（2-ME，纯度99.7%，德国Dr.S.Ehernstorfer 公司），乙二醇单乙醚（2-EE，纯度99.4%，德国Dr.S.Ehernstorfer 公司）、乙二醇乙醚醋酸酯（CAC，纯度99.2%，德国Dr.S.Ehernstorfer 公司）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF，纯度99.9%，德国Dr.S.Ehernstorfer 公司）、N,N-二甲基乙酰胺（DMAc，纯度99.9%，德国Dr.S.Ehernstorfer 公司）、1,2,3-三氯丙烷（TCP，纯度99.5%，美国ACCU 公司）、N-甲基吡咯烷酮（NMP，纯度99.5%，德国Dr.S.Ehernstorfer 公司）、三甘醇二甲醚（TCE，纯度99.7%，北京曼哈格公司）。

混合标准溶液：称取CET、2-ME、2-EE、CAC、DMF、DMAc、TCP、NMP、TCE 各50 mg，置于预先加入2 mL 甲醇的10 mL 容量瓶内，溶解后用甲醇稀释至刻度，摇匀，各浓度均为5 mg/mL。

1.2 实验方法

1.2.1 样品处理条件

空白样品的处理：将皮革及其制品剪成大小约0.5 cm×0.5 cm 的颗粒，于真空干燥箱中90 ℃下干燥24 h 左右，直到GC-MS 分析无干扰。

测试样品的处理：用剪刀或其他工具将皮革样品剪成大小约0.5 cm×0.5 cm 的颗粒，称取1.00 g（精确至0.001 g）样品放入顶空瓶中，加入50 μL 的甲醇，迅速压紧瓶盖，于80 ℃下恒温60 min，自动顶空进样器抽取瓶内气体，用GC-MS 分析，采用基质校正，外标法定量。

1.2.2 仪器分析条件

顶空条件：平衡温度为80 ℃，平衡时间为60 min，加压时间1.5 min，加压平衡时间1.0 min，进样时间1 min，样品流路温度100 ℃，传输线温度120℃，GC 循环时间35 min。

气相色谱-质谱条件：色谱柱Agilent DB-Wax UI（60 m×0.25 mm×0.25 μm），分流比为20∶1；柱升温程序：初始温度50 ℃，保持1 min，以10 ℃/min升温至200 ℃，保持9 min；接口温度220 ℃，载气为氦气（纯度不小于99.999%），流量为1 mL/min，恒流模式；离子源温度230 ℃，电离能量70 eV。溶剂延迟时间4.5 min。

表1 9 种残留溶剂定量离子、定性离子和保留时间Tab.1 Quantitative ions, qualitative ions and retention time of 9 residual solvents

图1 9 种残留溶剂标准溶液色谱图（20 μg）Fig.1 Chromatogram of 9 residual solvent standard solutions (20 μg)

质量扫描方式：选择离子扫描模式（SIM）。各物质定量离子和定性离子及保留时间见表1。

2 结果与分析

2.1 色谱柱及仪器检测条件的选择

色谱分离时，固定液种类的不同极大地影响目标化合物在色谱柱上的保留时间和分离度。本实验选用了Agilent DB-624（30 m×0.25 mm×1.4 μm）、Agilent CP-Wax 57CB （50 m×0.32 mm×1.2 μm）、Agilent CP-Wax 57CB（50 m×0.25 mm×0.2 μm）和Agilent DB-Wax UI（60 m×0.25 mm×0.25 μm）四种不同型号及规格的毛细管色谱柱。当选用聚二甲基硅氧烷类的DB-624 色谱柱时，结果发现CET、2-ME、2-EE 的响应差，CAC 和TCP 得不到有效的分离，且峰形较差。当选用聚乙二醇类的Wax 色谱柱时，各物质的峰形好，峰形均较对称，而且也能得到有效的分离。这是由于Wax 色谱柱的极性较DB-624 的极性强，更加适合于强极性类的醇醚、酰胺等有机溶剂的分析[2]。

本研究还同时对比了三种不同规格的Wax 色谱柱的分析测定效果。当选用长度更长、内径更小、膜层更薄的色谱柱时，各物质的分离度更优，且柱流失较小，能够得到更小的基线噪音，从而达到了降低检出限的目的。图1 为9 种残留溶剂标准样品的色谱图（20 μg）。

2.2 样品前处理方法的选择

比较了超声萃取、直接顶空进样等前处理方法。皮革直接提取方法多采用有机溶剂，如三氯甲烷[14]、甲醇[2，3]、乙酸乙酯[15]等，大量有毒有机溶剂的使用，不仅对实验室环境造成污染，也容易影响实验操作人员的身心健康。同时，皮革样品基质十分复杂，大量杂质往往会与待测组分一起被提取出来，严重干扰待测组分的测定，因此，直接提取法后续一般需要进一步的净化过程，如采取固相萃取小柱净化[16]。而样品直接顶空加热，前处理更简单，避免了难挥发组分带来的干扰，同时避免了大量有机溶剂的使用，对环境友好，因此本实验选择直接顶空进样的前处理方法。

图2 顶空平衡温度对各化合物测定的影响Fig.2 Effect of headspace equilibrium temperature on the determination of various compounds

图3 顶空平衡时间对各化合物测定的影响Fig.3 Effect of headspace equilibrium time on the determination of various compounds

程小艳等人采用顶空法分析皮革中的挥发性有机物，发现含有皮革基质的顶空效率只有无基质标准溶液顶空效率的29%，而且内标法也无法补偿标准溶液中的皮革基质效应[8]。其中顶空气相色谱法定量方法多为外标法，但由于基质有一定的吸附性，使得直接以标准溶液进行定量的外标法回收率偏低，定量不准确。因此，本方法采用基质曲线进行校正和定量，测定皮革及其制品中9种溶剂残留，同时对该方法的基质效应进行了系统研究。

表2 HS-GC/MS 法测定皮革中9 种溶剂残留的线性方程Tab.2 The linear equation for the determination of 9 residual solvents in leather by HS-GC/MS

2.3 顶空条件的选择

顶空提取过程是一个气相-固相平衡过程，影响待测物分析结果的因素主要有平衡温度、平衡时间等。于20 mL 顶空瓶中加入50 μL 质量浓度为40 μg/mL 的9 种残留溶剂标准溶液，每个平行测定3 次，对顶空条件进行了优化。

（1）分别对平衡温度80 ℃、90 ℃进行了探讨，结果如图2 所示，温度对各化合物的响应值影响不大，说明继续升高温度对于提高方法灵敏度的作用不大。由于顶空瓶体积恒定、耐受压力有限，为了避免高温带来的压力不稳定影响，本实验选择80 ℃的平衡温度。

（2）对平衡时间30、45、60 min 进行了探讨，结果如图3 所示，随着时间的增加，各化合物的响应增加，45、60 min 时各化合物的响应差异不大，但是在60 min 时，TCE 和NMP 的重复性较45 min 好，这可能跟两者具有较高的沸点有关。其他7 种化合物的重复性受仪器条件影响较小，因此本实验选择60 min 的平衡时间。

2.4 方法的线性和检出限

对上述已经优化的方法进行了线性和检出限（Limit of detection,LOD）的考察。用甲醇将9 种有机溶剂配成浓度为20～1000 μg/mL 的6 个浓度标准工 作 液（浓 度 分 别 为20，40，100，200，400，1000 μg/mL）。分别加入50 μL 不同浓度标准溶液（加入的含量依次为1、2、5、10、20、50 μg），于含有1.0 g空白样品的顶空瓶中，压紧瓶盖，然后将标准样品按含量从低到高浓度，在上述优化好的仪器条件下依次测定。以目标物的含量为横坐标，峰面积为纵坐标，绘制标准曲线，求出线性相关方程，各物质的线性方程见表2，线性相关系数R2＞0.99，表明该方法在较宽的浓度范围内色谱峰面积与含量呈较好的线性关系。根据国际纯粹和应用化学联合会（IUPAC）对检出限和定量限所作的规定，进行空白样品加标实验，S/N 为3 时，对应的加标浓度为检出限，S/N 为10 时，对应的加标浓度为定量限。本方法各溶剂的检出限和定量限见表2，9 种残留溶剂的方法检出限为0.11～0.68 mg/kg，由表2 的数据可知，DMF 和DMAc 的方法检出限和定量限完全可以满足REACH 法规对于酰胺类化合物的限制和检测要求（1000 mg/kg）[3]。

2.5 方法的基质效应

皮革样品基质复杂，为了研究该方法的基质效应，我们分别选取了PU 皮、猪皮、牛皮、羊皮、袋鼠皮等皮革样品，按上述处理步骤，于含有空白样品的顶空瓶、顶空瓶中分别加入50 μL 的不同浓度标准溶液，以HS-GC/MS 测定。以上述两种不同校正曲线的斜率，按下式计算基质效应：

基质效应=（基质标准曲线的斜率-容积标准曲线的斜率）/溶剂标准曲线的斜率×100%

表3 9 种残留溶剂在各样品中的基质效应Tab.3 Matrix effects of 9 residual solvents in different samples

当｜基质效应｜＜20%为弱基质效应，可忽略而无需采取补偿措施；当20%≤｜基质效应｜≤50%为中等程度基质效应；当｜基质效应｜＞50%为强基质效应，两者均须采取措施补偿基质效应[24]。9 种残留溶剂在上述5 种样品中的基质效应见表3。由表3 数据可知，9 种残留溶剂在不同的皮革中均存在较强的基质效应。皮革对残留溶剂的影响主要是其具有较强的吸附作用，皮革会对一些挥发物产生吸附，使其在加热时，一些物质不能被完全释放出来，产生基质抑制效应，从而影响方法的准确度[10]。因此，在使用HS-GC/MS 法测定皮革中的残留溶剂时，需要以基质校正曲线进行定量，以减少强基质效应带来的干扰。

表4 9 种溶剂在皮革中的加标回收率和相对标准偏差(n=6)Tab.4 Recoveries and relative standard deviations (RSD) of 9 organic solvent residues in leather (n=6)

表5 9 种残留溶剂在实际样品中的检测情况Tab.5 The content of 9 residual solvents in real samples

2.6 方法的回收率和精密度

分别以空白PU 皮、猪皮、牛皮、羊皮、袋鼠皮等皮为例，9 种溶剂的添加浓度为1 mg/kg、2 mg/kg、20 mg/kg，按上述方法进行样品前处理并分析测定，采用基质校正，外标法定量，每个添加浓度设6 组平行实验，实验结果见表4。各添加水平，9 种溶剂的回收率为82.9%～106.5%，相对标准偏差（Relative standard deviation,RSD）为1.7%～8.9%。因此，该方法准确可靠，可以满足实际皮革及其制品中9 种溶剂残留的测定要求。

2.7 实际样品的测定

图4 9 种残留溶剂在实际样品中的总离子流图Fig.4 Total ion chromatogram of 9 residual solvents in real sample

本实验选取常见的皮革样品进行测试，结果见表5。由表5 可知，检出的有机物主要为DMF、DMAc 酰胺类有机溶剂，以及2-EE、TCE 醇醚类有机溶剂，同时NMP 也有检出。其中DMF 在PU 皮及真皮中的检出率为100%，含量为4.5～624.3 mg/kg，浓度最高的样品含量超过REACH 限量（1000 mg/kg）的一半，同时DMF 在真皮中的含量也远远大于其在PU 皮中的含量。真皮中的DMAc 也均有检出，含量为1.8～57.7 mg/kg。目前只在PU 皮中检测到少量的TCE，含量为1.3～2.0 mg/kg，在真皮中检测到少量的2-EE，含量为0.5～2.2 mg/kg，可能与制备过程有关。其中残留溶剂较严重的样品是土黄色牛皮，图4 是该样品的总离子流图，该样品中共检出DMF、DMAc 和NMP 3 种有机溶剂，其含量分别为543.5、57.7、67.2 mg/kg，残 留 溶 剂 总 量 为668.4 mg/kg。

3 结论

本论文建立了一种直接顶空进样测定皮革及其制品种9 种溶剂残留的方法。样品前处理简单，不需要使用大量的提取溶剂。采用基质校正，外标法定量，结果准确，方法灵敏度高、精密度好，适用于大量皮革样品中9 种残留溶剂的简单分析和检测。