人造革合成革中的中链和短链氯化石蜡的测定——气相色谱-负化学离子源质谱法

赵建明，范浩军，张磊，袁翔，王维新

（1.四川大学轻工科学与工程学院，四川成都610065；2.昆山阿基里斯新材料科技有限公司，江苏昆山215300；3.四川大学皮革化学与工程教育部重点实验室，四川成都610065；4.中国家用电器研究院（轻工业标准化研究所），北京100037；5.昆山北测检测技术有限公司，江苏昆山215300）

氯化石蜡（chlorinated paraffins，简称CPs）是一种多氯代烷烃化合物，其通用分子式为CnH2n+2-mClm（n=10~30，m=1~17），根据碳链长度的不同可将其分为3类：C10~C13的短链氯化石蜡（SCCPs），C14~C17的中链氯化石蜡（MCCPs），C18~C30的长链氯化石蜡（LCCPs）。CPs具有阻燃性、低挥发性和电绝缘性等优点，曾被广泛应用于人造革合成革行业，可作为增塑剂或助增塑剂，其成品皮革断裂伸长率高，弹性好。但是由于CPs具有耐久性、生物累积性和毒性，以及远距离迁移能力，长时间接触会影响免疫系统和生殖系统，还可能会导致癌症[1-2]，CPs的使用量已被国内外许多法规进行了限制。欧盟化学品管理署（ECHA）发布的首批15种纳入程序的高关注物（SVHC）中包含了SCCPs，并将其纳入REACH法规限制物质清单，规定了在相应条件下，SCCPs的含量不得超过1000 mg/kg。欧盟（EU）2016/1332决议规定了家具类纺织皮革产品中MCCPs的含量不得超过1000 mg/kg。挪威PoHS法案限制在相关产品中使用MCCPs。中国轻工业联合会团体标准《T/CNLIC 0002-2019绿色设计产品评价技术规范水性和无溶剂人造革合成革》[3]等同采用国际有害化学物质零排放组织（ZDHC基金会）制定的生产限用物质清单（MRSL），规定了在人造革合成革行业SCCPs和MCCPs的含量均不得超过1000 mg/kg。

CPs因其氯原子位置不同和氯化程度不同[氯含量通常为30%~75%（氯含量指CPs中氯原子质量占整个化合物分子质量的质量分数）]，有各种异构体、同系物，这使得对CPs的定性定量分析非常困难。目前对CPs的测试方法有气相色谱-电子轰击离子源-质谱法（GC-EI-MS）、气相色谱-电子轰击离子源-串联质谱（GC-EI-MS/MS）、气相色谱-电子捕获负化学离子源质谱法（GC-ECNI-MS）（或者被称为气相色谱-负化学离子源质谱法GC-NCI-MS）、气相色谱-电子捕获检测器法（GC-ECD）、亚稳态原子轰击高分辨质谱（MAB-HRMS）、液相色谱-大气压化学电离源质谱（LC-APCI-MS）、气相色谱-氢火焰检测器法（GC-FID）等。

气相色谱-电子轰击离子源-质谱法（GC-EI-MS）直接测定，虽然操作简单，但干扰严重、灵敏度不高，仅对于测定产品中氯原子数小于5的SCCPs有参考价值[4]。气相色谱-电子捕获检测器法（GC-ECD）选用电子捕获检测器（ECD）可以降低一部分来自基质的干扰，但人造革合成革产品的配方成分相对复杂，在实际样品测定中定性困难。气相色谱-电子轰击离子源-串联质谱（GC-EI-MS/MS）和气相色谱-电子捕获检测器法（GC-ECD）均只能获得包含SCCPs和MCCPs的CPs总量，当样品中同时存在SCCPs和MCCPs时，不能单独获得SCCPs的含量[5]。高分辨质谱（HRMS）检测器在常规实验室中的应用较少，价格也相对昂贵，不适用于批量性样品分析。气相色谱-氢火焰检测器法（GC-FID）并不是直接测试CPs的含量，而是要将CPs经过钯催化反应脱氢，变成正构烷烃进行测试，其在操作过程中催化方法复杂，且结果会受催化效率的影响。液相色谱-大气压化学电离源质谱法（LC-APCI-MS）由于无质谱图，只能以保留时间定性，在测定实际样品时，容易出现假阳性。

气相色谱-电子捕获负化学离子源质谱法（GC-ECNI-MS）获得的仪器响应信号与CPs中的氯原子数成正比，且CPs在负化学源测试下，电离程度弱，不会产生很多碎片离子，这使得该方法对CPs的测试具有很好的选择性和灵敏度，且可以同时对SCCPs和MCCPs定性定量分析。虽然该方法由于氯原子数小于5的CPs不能获得足够强的仪器响应信号，导致不适用于分析氯原子数小于5的CPs化合物，但实际人造革合成革产品样品中氯原子数小于5的CPs化合物含量非常少，对于使用气相色谱-电子捕获负化学离子源质谱法（GC-ECNI-MS）来测定人造革合成革产品样品中CPs的含量，其影响可以忽略不计。

本文建立了使用气相色谱-电子捕获负化学离子源质谱法（GC-ECNI-MS）测定人造革合成革产品中中短链氯化石蜡含量的检测方法，优化了测定实验过程中的萃取条件和净化方法，提高了萃取效率，减少了杂质的干扰，并通过总体响应因子校正定量法，解决了气相色谱-电子捕获负化学离子源质谱法（GC-ECNI-MS）对氯含量依赖的问题。由于该定量方法需要分别计算CPs溶液中不同氯含量的SCCPs和MCCPs同系物的相对峰面积，实测氯含量和总体响应因子，且CPs在使用负化学离子源电离时，不会产生过多的碎片离子[6-7]，可以对人造革合成革产品中SCCPs和MCCPs进行同时分析。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

气相色谱质谱联用仪（GC-ECNI-MS）：8860+5977B，NCI源，美国安捷伦科技有限公司；数控温超声波清洗器：40 kHz，KQ-5200DE，昆山超声波仪器厂；电子天平：BSA224S，精度0.1 mg，赛多利斯科学仪器（北京）有限公司；涡旋混匀仪：V2，上海一恒科技有限公司；离心机：BLF-6K，上海一恒科技有限公司；水浴氮吹仪：NBI-12B，上海精其仪器有限公司；索氏提取器：SXT-02，上海精其仪器有限公司；SCCPs标准溶液：氯含量分别为51.5%、55.5%和63%，质量浓度均为100 mg/L，CAS号为85535-84-8，美国Dr.Ehrenstorfer公司；中链氯化石蜡（MCCPs）标准溶液：氯含量分别为42%和52%，质 量 浓 度 均 为100 mg/L，CAS号 为85535-85-9，美国Dr.Ehrenstorfer公司；内标溶液：林丹，CAS号为58-89-9，1000 mg/L，上海安谱璀世标准技术服务有限公司；正己烷：HPLC级，国药集团化学试剂有限公司；浓硫酸：优级纯，国药集团化学试剂有限公司。

1.2 标准工作溶液的配置

1.2.1 SCCPs标准工作溶液的配置

用移液枪（按照表1的体积）将氯含量分别为51.5%、55.5%和63%的SCCPs标准溶液，移入2 mL容量瓶中，加入100 μL林丹内标溶液，正己烷定容至刻度，得到氯含量分别为53.5%、55.5%、56.25%、57.75%和59.25%，质量浓度为50 mg/L的SCCPs标准工作溶液。内标质量浓度为50 mg/L。

表1 SCCPs标准工作溶液配置表Tab.1 SCCPs standard solution configuration

1.2.2 MCCPs标准工作溶液的配置

用移液枪（按照表2的体积）将氯含量分别为42%和52%的MCCPs标准溶液，移入2 mL容量瓶中，加入100 μL林丹内标溶液，正己烷定容至刻度，得到氯含量分别为42%、44%、47%、50%和52%，质量浓度为50 mg/L的MCCPs标准工作溶液。内标质量浓度均为50 mg/L。

表2 MCCPs标准工作溶液配置表Tab.2 MCCPs standard solution configuration

1.3 样品的制备

将人造革合成革样品剪碎至2 mm的小块，准确称取0.5 g（精确至0.1 mg）于20 mL密闭锥形瓶中，加入9.9 mL正己烷和0.1 mL内标物林丹，50℃下超声60 min，冷却至室温，取5 mL萃取液至20 mL具塞比色管中，加入5 mL浓硫酸，涡旋混匀5 min后，用高速离心仪在10000 r/min的条件下，离心5 min，收集上层有机溶液，经0.45 μm有机相过滤膜过滤后待测。

1.4 仪器工作条件

1.4.1 色谱条件

色谱柱为DB-5 MS超惰性色谱柱（30 m×250 μm×0.25 μm）；升温程序为初始温度100℃，保持1 min，然后以20℃/min升温至300℃，保持10 min；进样口温度为280℃；传输线温度为300℃；不分流进样；进样量1 μL；载气为高纯氦气。

1.4.2 质谱条件

离子源为负化学离子源（NCI源）；离子源温度为180℃；MS四级杆温度为150℃；溶剂延迟时间为5 min；采集类型为离子检测（SIM）模式；反应气为甲烷气。CPs的定性定量离子见表3和表4。

表3 SCCPs的定性定量离子Tab.3 Qualitative and quantitative ions of SCCPs

表4 MCCPs的定性定量离子Tab.4 Qualitative and quantitative ions of MCCPs

2 结果与讨论

本实验进行结果与讨论中使用的样品为人为加标的阳性人造革合成革产品样品，该样品使用压延工艺制备。在配料工艺中加入0.8%的SCCPs和1.2%的MCCPs增塑剂，同时混入PVC树脂、稳定剂、碳酸钙和发泡剂等原料，通过搅拌、密炼工艺和开炼工艺得到固状塑胶，而后经过压延工艺将固状塑胶压制延展成胶片后贴合在基布上，再经过发泡、后处理等工艺，

最终制成人造革合成革样品。

2.1 萃取条件的优化

2.1.1 萃取条件

影响超声萃取效率的主要因素有萃取溶剂、萃取温度和萃取时间，本实验对比了三种不同极性的萃取溶剂正己烷、二氯甲烷和甲醇在不同温度和时间条件下的萃取效率。

样品在GCMS仪器中获得的离子色谱图总峰面积与浓度成正比，本实验用样品的离子色谱图总峰面积表示萃取效率，实验结果见图1~图5。经实验证实，萃取溶剂对CPs的最大萃取效率在一定范围内随着萃取温度与时间的增加而提高。但由于萃取溶剂与目标分析物挥发等因素影响，在相同萃取温度下，随着萃取时间的进一步增加，萃取效率降低，并且当萃取温度接近萃取溶剂的沸点时，最大萃取效率也会降低。

由图1~图3可知，对于样品中SCCPs的萃取，用正己烷作为萃取溶剂时的萃取效率最高。由图2、图4和图5可知，对于样品中MCCPs的萃取，用正己烷和二氯甲烷作为萃取溶剂时的最大萃取效率相近，且均高于甲醇。但由于二氯甲烷中含氯，可能会对负化学离子源检测样品造成干扰，并且正己烷毒性最低，因此本实验选用正己烷作为样品中MCCPs的萃取溶剂。

图1 不同温度下以正己烷为萃取溶剂超声萃取SCCPs的萃取效率Fig.1 Extraction efficiency of ultrasonic extraction of SCCPs with n-hexane as extraction solvent at different temperatures

图2 25℃时以二氯甲烷为萃取溶剂超声萃取SCCPs和MCCPs的萃取效率Fig.2 Extraction efficiency of ultrasonic extraction of SCCPs and MCCPs with dichloromethane as extraction solvent at 25℃

图3 不同温度下以甲醇为萃取溶剂超声萃取SCCPs的萃取效率Fig.3 Extraction efficiency of ultrasonic extraction of SCCPs with methanol as extraction solvent at different temperatures

图4 不同温度下以正己烷为萃取溶剂超声萃取MCCPs的萃取效率Fig.4 Extraction efficiency of ultrasonic extraction of MCCPs with n-hexane as extraction solvent at different temperatures

图5 不同温度下以甲醇为萃取溶剂超声萃取MCCPs的萃取效率Fig.5 Extraction efficiency of ultrasonic extraction of MCCPs with methanol as extraction solvent at different temperatures

由图1和图4可知，当萃取温度为50℃，萃取时间为60 min时，用正己烷作为萃取溶剂萃取样品中CPs的萃取效率最高。

综上所述，超声萃取选择正己烷为溶剂，在50℃下萃取60 min的试验条件为最优选择。

2.1.2 萃取方法

萃取样品中氯化石蜡的方法主要有索氏萃取和超声萃取。索氏萃取一个循环的回流时间为2 min，使用正己烷为溶剂，进行索氏萃取实验，如图6所示，可得出结论，在索氏萃取60个循环后，样品中SCCPs和MCCPs峰面积同步达到最大，达到萃取平衡，而后随着萃取循环的继续增加，SCCPs和MCCPs峰面积出现平缓趋势。同时进行超声萃取实验，使用正己烷为溶剂，在50℃下进行萃取，经过实验可得出结论，超声萃取60 min后，样品中SCCPs和MCCPs峰面积达到最大值，并且对比索氏萃取达到萃取平衡时的最大峰面积，超声萃取的萃取浓度要高于索氏萃取。分析原因为皮革样品在正己烷中溶胀后，超声萃取可进一步增加提取溶剂的穿透力，使其深入扩散至皮革内部，使得萃取效率更高。同时，索氏萃取消耗的溶剂量和花费的时间均高于超声萃取。

图6 超声萃取和索氏萃取皮革中氯化石蜡的提取效率图Fig.6 Extraction efficiency of CPs in leather by ultrasonic extraction and Soxhlet extraction

综上所述，对于皮革样品中氯化石蜡的萃取推荐使用超声萃取法。

2.2 净化方法的优化

由于人造革合成革的生产工艺中有后处理环节，且基体较为复杂，在检测中会共流干扰色谱峰，所以需要进行净化。净化方法的优化对比了固相萃取法和浓硫酸净化法对人造革合成革样品的净化效果。经过实验结果的对比，固相萃取法净化皮革样品后，SCCPs的回收率为80.7%，MCCPs的回收率为92.9%；浓硫酸净化皮革样品后，SCCPs的回收率为95.4%，MCCPs的回收率为93.8%。对于皮革样品中SCCPs的测定，浓硫酸净化效果高于固相萃取；对于皮革样品中MCCPs的测定，两种净化方法效果类似，但浓硫酸净化法操作难度低于固相萃取法。

综上所述，对于人造革合成革中CPs的测定选用浓硫酸净化法。

2.3 定量分析干扰的排除

对于SCCPs和MCCPs定性定量分析的干扰主要来自两方面，第一个方面是来自基体的干扰，如脂类、醇类和含氮氧等原子的有机化合物，该方面的干扰可通过前处理萃取后的样品净化去除。第二个方面是SCCPs和MCCPs之间的相互干扰。负化学离子源在对SCCPs和MCCPs进行电离的过程中，主要获取的特征碎片离子为[M—CI]-，该离子稳定性好且响应灵敏度高，可作为SCCPs和MCCPs的定量离子。Reth[7]等提出在对SCCPs和MCCPs同时定量分析时，氯原子数为7~9的SCCPs中丰度最高的两个[M—CI]-离子和氯原子数少1，碳原子数多2的MCCPs会相互干扰，但其干扰对SCCPs和MCCPs的单独定量分析可忽略不计，干扰离子的相对丰度仅有0.2%~16%。Reth[8]等对氯原子差2，碳原子差5的SCCPs和MCCPs的[M—CI]-定量离子之间的相互干扰做了评估，结果表明，利用负化学离子源对SCCPs和MCCPs同时分析时，SCCPs和MCCPs中的主要同系物组分（C11~C14）在定量时不受干扰，C10和C15同系物组分之间的干扰对定量结果有一定的影响，但该影响可以通过对比[M—CI]-离子丰度比和保留时间等进行辨认，避免定量时的误差。MCCPs中的C16和C17同系物组分和SCCPs中的C11和C12同系物组分会相互干扰，但C16和C17同系物组分在MCCPs含量中的占比很低，例如在氯含量为52%的MCCPs中仅占4%，忽略该干扰对整体的定量结果影响不大[9]。

2.4 方法评价

2.4.1 线性方程和检出限

本实验采用Reth[7]等提出的总体响应因子校正法，分别计算CPs标准工作溶液中不同氯含量的SCCPs和MCCPs同系物的相对峰面积、实测氯含量和总体响应因子，以标准样品的实测氯含量和总体响应因子建立定量标准曲线。计算公式如下：

式中：A'为标准样品中CPs的相对峰面积；A（CnH2n+2-mClm）为CPs同系物的峰面积；A（ISTD）为内标物峰面积；F为总体响应因子；Cs为标准样品浓度，mg/L；Vs为标准样品进样体积，μL；D为CPs同系物的理论氯含量；D'为标准样品中CPs的实测氯含量。

由此建立F与D'的线性方程F=k×D'+b。

实际测试人造革合成革产品样品中SCCPs和MCCPs时，计算公式如下：

式中：C为样品中SCCPs或MCCPs的质量浓度，mg/L；A'a为样品中SCCPs或MCCPs的相对峰面积；V为样品的定容体积，μL；Va为样品进样体积；m为样品质量，g。

结果见图7和图8。

图7 优化实验条件下氯含量56.25%SCCPs SIM谱图Fig.7 SIM chromatogram of 56.25% SCCPs under optimized experimental conditions

图8 优化实验条件下氯含量47%MCCPs SIM谱图Fig.8 SIM chromatogram of 47% MCCPs under optimized experimental conditions

本实验SCCPs标准工作溶液的线性方程为y=364 273 302.0581x-198 447 265.7053（y为总响应因子，x为实测氯含量），线性系数为0.9972。MCCPs标准工作溶液的线性方程为y=510 081 509.4326x-283 194 069.7280，线性系数为0.9992。

本实验中SCCPs和MCCPs标准工作曲线的检出限按3倍信噪比（S/N）测得为5 mg/L，定量限按10倍信噪比测得为17 mg/L。

2.4.2 回收率和精密度

对空白皮革样品分别添加100 mg/L氯含量为53.5%、56.25%和59.25%的SCCPs标准溶液、100 mg/L氯含量为42%、47%和52%的MCCPs标准溶液、氯含量为55.5%质量浓度为20、50和100 mg/L的SCCPs标准溶液、氯含量为52%质量浓度为20、50和100 mg/L的MCCPs标准溶液。在优化后的萃取条件下萃取，按照1.4仪器工作条件下平行测试5次，结果见表5。由表5可知，SCCPs样品在相同浓度，不同加标氯含量下，回收率为91.9%~95.7%，相对标准偏差为1.7%~2.7%；在相同加标氯含量，不同浓度下，回收率为88.4%~94.6%，相对标准偏差为1.5%~3.0%。MCCPs样品在相同浓度，不同加标氯含量下，回收率为93.6%~103.2%，相对标准偏差为1.6%~6.9%；在相同加标氯含量，不同浓度下，回收率为88.3%~93.6%，相对标准偏差为1.6%~6.2%。

表5 回收率与精密度Tab.5 Recovery and precision

综上所述，本实验方法对于不同氯含量和不同浓度的CPs均具有较高的回收率和精密度。

2.5 人造革合成革样品分析

按照本实验方法对10个人造革合成革样品进行分析，其中1#样品中检出有SCCPs和MCCPs，其中SCCPs含量为102 mg/kg，MCCPs含量为387 mg/kg。其余9个样品均未检出目标物。

3 结论

在总体响应因子校正定量法的基础上，针对人造革合成革行业进行了实验条件的优化，通过实验数据分析，总结了实验中萃取条件、净化方法和定性定量方法的最优选择。并根据SCCPs和MCCPs的特征碎片离子，对SCCPs和MCCPs的多种同系物进行离子监测（SIM）扫描，可同时对SCCPs和MCCPs进行定性定量分析，解决了二者相互干扰而无法准确定量分析的问题，为人造革合成革行业提供了一种高效的测定样品中中短链氯化石蜡含量的方法。