高效液相色谱法测定水性涂料中碘丙炔醇丁基氨甲酸酯和吡啶硫酮锌的含量

张 琳,杨 娟,郭争云,徐 骏,程欲晓

(上海海关工业品与原材料检测技术中心,上海 200135)

随着环保意识、人类可持续发展意识的增强以及大众对高质量生存需求的日益提高,人们对使用的涂料中有害物质的关注度日趋增强。水性涂料中含有的有机物质,为微生物和藻类的滋生和繁殖提供了丰富的营养,而微生物和藻类在新陈代谢过程中产生的酶和有机酸等代谢物质可使涂料中的有机物质、涂膜受到破坏。在涂料中添加合适的防霉剂、抗菌剂或抗藻剂,可以使得涂料产品免受微生物侵蚀,并在成膜后能够长时间抑制涂膜中微生物与藻类的生长,并杀死抵御外部侵蚀涂膜的各种微生物和藻类,增强涂膜的保护作用[1]。碘丙炔醇丁基氨甲酸酯(IPBC)和吡啶硫酮锌(ZPT)具有广谱杀菌、高效等特点,广泛应用于涂料、木材、皮革、建筑材料、化妆品等领域[2]。

生物杀伤剂对人类健康和环境具有一定的危害,欧盟2014/312/EU 中对IPBC和ZPT 的含量都有明确的限制[3],我国在2018年颁布实施的国家标准GB/T 35602－2017«绿色产品评价 涂料»中也对这两种物质的使用限量进行了规定,其限量值均为1 500 mg•kg－1[4]。目前IPBC和ZPT 的检测方法主要集中在化妆品、木材、皮革等领域[5-7],而对于涂料中杀菌剂的相关测定方法有高效液相色谱法[8-9]、气相色谱法[10]等。这些方法均针对单个物质进行检测,对于ZPT 的测定多采用柱前衍生化,存在样品前处理复杂、成本过高等缺点。由于涂料基质较为复杂,衍生化可能存在引入新的杂质等问题。本工作通过优化流动相、萃取条件等,采用高效液相色谱法对水性涂料中的IPBC 和ZPT 同时进行直接测定,方法准确、便捷、成本较低。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

Agilent 1260 型高效液相色谱仪;XS105 型电子天平;Allegra 64R 型高速离心机;2150T 型超声波清洗器;0.22μm 亲水聚四氟乙烯(PTFE)滤膜。

10 mmol•L－1磷酸二氢钾-1.0 mmol•L－1乙二胺四乙酸二钠(Na2EDTA)溶液(pH 4.0):称取磷酸二氢钾约1.36 g 和Na2EDTA 约0.28 g 于1 000 mL烧瓶中,加水至1 000 mL,溶解后用磷酸调节pH 至4.0。

IPBC和ZPT 标准储备溶液:3 000 mg•L－1,分别称取IPBC 和ZPT 各0.3000 g,加入N,N-二甲基甲酰胺(DMF)超声溶解后定容至100 mL,现配现用。

IPBC标准溶液系列:分别准确移取IPBC 标准储备溶液0.06,0.1,0.3,0.5,1.0,2.0,4.0,7.0 mL 至10 mL容量瓶中,用乙腈定容,混匀后得到质量浓度为20,30,90,150,300,600,1 200,2 000 mg•L－1的IPBC标准溶液系列,现配现用。

ZPT 标准溶液系列:分别准确移取ZPT 标准储备溶液0.15,0.4,0.8,1.2,1.6,2.7 mL 至10 mL容量瓶中,用乙腈定容,混匀后得到质量浓度为50,120,240,360,480,800 mg•L－1的标准溶液系列,现配现用。

乙腈、甲醇均为色谱纯;磷酸二氢钾、Na2EDTA、磷酸、DMF 均为分析纯;试验用水为超纯水。

1.2 色谱条件

Agilent ZORBAX Eclipse Plus C18色谱柱(250 nm×4.6 nm,5 μm);柱温30 ℃;流量1.5 mL•min－1;进样量10μL;流动相为体积比7∶3的乙腈-[10 mmol• L－1磷酸二氢钾-1.0 mmol•L－1Na2EDTA 溶液(pH 4.0)]混合液;二极管阵列检测器(DAD),检测波长235 nm。

1.3 试验方法

称取涂料样品约2 g,置于25 mL离心管中,加入10 mL DMF,超声萃取10 min,冷却至室温,以转速15 000 r•min－1离心5 min,移取上清液至50 mL容量瓶中。向残余物中加入10 mL乙腈,超声萃取10 min,冷却至室温,以转速15 000 r•min－1离心5 min,移取上清液,重复2次。合并上清液,用乙腈定容,用0.22μm 亲水PTFE 滤膜过滤,按仪器工作条件进行测定。标准溶液上机前也加入相同量的乙腈和DMF,与样品溶液的基质保持一致。

2 结果与讨论

2.1 前处理条件的选择

2.1.1 萃取剂

试验考察了甲醇、乙腈、DMF 等3种溶剂对样品的萃取效果。结果发现,3种溶剂对IPBC的萃取效果几乎没有差别,但DMF对ZPT 的提取效果明显优于前两者,但DMF 对测定结果有干扰。为了取得有效提取效果和准确的测定结果,试验选择使用DMF和乙腈进行萃取、定容,比较了DMF 的体积分数分别为20%,40%,50%时样品溶液的色谱图,结果见图1。

图1 不同体积分数DMF萃取下样品溶液的色谱图Fig.1 Chromatograms of sample solution extracted with different volume fractions of DMF

由图1可知,DMF的体积分数为20%时,分离效果较好。因此,试验选择使用DMF 和乙腈进行萃取、定容,其中DMF的体积分数为20%。

2.1.2 萃取方式和萃取时间

试验考察了超声、振荡两种方式对样品萃取效果的影响,结果显示采用超声方式的萃取效果显著优于振荡方式,且采用振荡方式进行萃取时,萃取时间对结果影响不大。试验进一步比较了超声萃取5,10,15,20,30 min后样品溶液中ZPT 和IPBC的响应值,结果见图2。

图2 超声萃取时间对ZPT 和IPBC响应值的影响Fig.2 Effect of ultrasonic extraction time on response values of ZPT and IPBC

由图2可知,当超声萃取时间达到10 min时,样品溶液中ZPT 和IPBC 的响应值已无显著变化。因此,试验采用超声萃取10 min就可以满足测定需求。

2.1.3 乙腈超声萃取次数

试验考察了乙腈超声萃取次数对样品提取效果的影响,比较了乙腈超声萃取1,2,3,4,5次后样品溶液中ZPT 和IPBC的响应值,结果见图3。

图3 超声萃取次数对ZPT 和IPBC响应值的影响Fig.3 Effect of ultrasonic extraction times on response values of ZPT and IPBC

由图3可知,当乙腈超声萃取次数达到3次时,样品溶液中ZPT 和IPBC 的响应值已无显著变化。因此,试验进行3 次乙腈超声萃取可以满足测定需要。

2.2 检测波长的选择

使用DAD 分别对IPBC和ZPT 进行全波长扫描,结果见图4。

图4 ZPT 和IPBC的全波长吸收光谱图Fig.4 Full-wavelength absorption spectra of ZPT and IPBC

由图4可知,IPBC 在190～250 nm 内有较强吸收,ZPT 在200～280 nm 内有两个较强的吸收峰。

试验考察了220,235,260 nm 等3个波长条件下的IPBC、ZPT 的色谱行为。结果表明:在220 nm波长下ZPT 响应最强,但DMF 干扰较大;在260 nm 波长下虽然无DMF 干扰峰,但IPBC 的响应明显变弱;在235 nm 波长下可以有效避开DMF的干扰,同时可得到相对均衡的ZPT 和IPBC 响应。因此,试验选择的检测波长为235 nm。

2.3 流动相的选择

根据相关文献[9,11-12],以C18色谱柱为分离柱,试验分别考察了甲醇-磷酸二氢钾溶液(pH 4.0)、乙腈-磷酸二氢钾溶液(pH 4.0)、乙腈-[磷酸二氢钾-Na2EDTA 溶液(pH 4.0)]等3种流动相体系对IPBC和ZPT 分离效果的影响。结果表明:磷酸二氢钾溶液对二者分离效果无明显影响;流动相体系的酸度对出峰时间无显著影响,当流动相体系的pH 为4.0时ZPT 的峰形明显改善;当使用甲醇作为有机相时,涂料中其他组分对待测物分离产生干扰,改用乙腈调节流动相极性大小,可使涂料中的其他组分与待测物分离;在乙腈-磷酸二氢钾溶液(pH 4.0)中添加了1.0 mmol•L－1Na2EDTA 溶液后,ZPT 响应值得到提高;流动相的改变对IPBC 色谱峰形、响应值均影响不大。综上考虑,试验选择以乙腈-[磷酸二氢钾-Na2EDTA 溶液(pH 4.0)]为流动相体系。

通过不断优化和调整流动相比例,结果发现乙腈和10 mmol•L－1磷酸二氢钾-1.0 mmol•L－1Na2EDTA 溶液(pH 4.0)体积比为7∶3时,待测物与样品中其他组分分离度较好,且出峰时间短,因此试验选择体积比7∶3的乙腈-[10 mmol•L－1磷酸二氢钾-1.0 mmol•L－1Na2EDTA 溶液(pH 4.0)]混合液为流动相。在优化的条件下,得到的样品溶液色谱图见图5。

图5 色谱图Fig.5 Chromatogram

2.4 标准曲线、检出限和测定下限

按照仪器工作条件分别测定IPBC 和ZPT 标准溶液系列,结果表明,IPBC和ZPT 的质量浓度在一定范围内与对应的峰面积呈线性关系,所得线性回归方程、相关系数见表1。

表1 线性参数、检出限和测定下限Tab.1 Linearity parameters,detection limits and lower limits of determination

采用在空白基质中添加目标物来检测基线噪声,按照3倍信噪比(S/N)计算检出限(3S/N),按照10倍信噪比计算测定下限(10S/N),结果见表1。

2.5 精密度和回收试验

向空白基质涂料样品中添加3 个浓度水平的ZPT 和IPBC,按试验方法进行测定,计算回收率和测定值的相对标准偏差(RSD),结果见表2。

表2 精密度和回收试验结果(n＝6)Tab.2 Results of tests for precision and recovery(n＝6)

由表2可知,ZPT 的回收率为97.1%～103%,IPBC的回收率为92.4%～96.7%,测定值的RSD均小于3.0%。

2.6 样品分析

按试验方法对室内、室外、汽车、工业用4种类型水性涂料样品进行测定,其中一款室内用水性涂料检出含有920 mg•kg－1的ZPT,其余样品中均未检出IPBC和ZPT。

本工作采用高效液相色谱法测定水性涂料中IPBC和ZPT 的含量,结果表明方法能有效地分离涂料中的成分,前处理简单,适合水性涂料中IPBC和ZPT 的快速测定。通过实际样品的测定,证明该方法可以满足GB/T 35602－2017«绿色产品评价涂料»中限制使用的生物杀伤剂ZPT 和IPBC 的限量检测要求,为绿色涂料评价提供了简便快捷的检测方法。