主题：【第十届原创】【我爱创新】沉淀分离-气相色谱法快速测定PET包装材料中邻苯二甲酸酯

1 引言
    聚对苯二甲酸乙二醇酯（简称PET）是目前应用最为广泛的食品包装材料之一。PET材料中可能存在的邻苯二甲酸酯类增塑剂对食品安全构成了潜在的威胁。为了有效鉴别PET产品，简便可靠的检测方法尤为必要。本实验室结合PET自身的特点开发了一种简便快速的新方法，这里主要从实验角度对该方法进行介绍。
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2、方法背景
    目前邻苯二甲酸酯类物质的检测方法很多，但试样前处理是难点。对于PET包装材料的检测，其关键是将目标物从聚合物基质中定量提取出来。按照现行国标，目前采用的提取方法有两种
    （1）用正己烷溶剂超声提取，提取时间约为1h（GB 31604.30-2016 食品接触材料及制品邻苯二甲酸酯的测定和迁移量的测定）
    （2）或用二氯甲烷溶剂索氏提取器提取6h（GB/T 22048-2015玩具及儿童用品中特定邻苯二甲酸酯增塑剂的测定）
    上述提取方法较为可靠，但耗时很长。有通过红外光谱法快速测定塑料制品中邻苯二甲酸酯类物质的研究，可以免除提取步骤，但该方法只能测定各种邻苯二甲酸酯类物质的总量，而且方法的准确度和灵敏度都很低。
    溶解-沉淀法是高分子科学中常用的分离方法之一，可有效的将聚合物与小分子物质分离。美国消费品安全委员会标准CPSC-CH-C1001-09.3给出了通过沉淀分离法提取和测定聚氯乙烯中邻苯二甲酸酯类物质的方法。但对于PET材料，由于缺乏合适的溶剂和沉淀剂，相关方法的研究很少。
    为简化操作步骤、提高样品处理的速度，提出以六氟异丙醇为溶剂、对二甲苯为沉淀剂沉淀分离PET中邻苯二甲酸酯的方法，并用气相色谱法进行定量检测，获得了较好的效果。
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3、实验方法

3.1  仪器与试剂
    仪器：岛津GC2014气相色谱仪，配大口径毛细管直接进样口（WBI）和氢火焰离子化检测器（FID）；梅特勒XS105DU天平（精度0.01 mg）；微量注射器和玻璃量具均通过重量法校准。
    试剂：六氟异丙醇（HFIP）购于上海阿拉丁试剂，纯度不小于99.5%。对二甲苯为分析纯，经全玻璃器皿重蒸两次后使用。邻苯二甲酸酯标样包括邻苯二甲酸二甲酯（DMP）、邻苯二甲酸二乙酯（DEP）、邻苯二甲酸二丁酯（DBP）、邻苯二甲酸丁苄酯（BBP）、邻苯二甲酸二-2-乙基己酯（DEHP）、邻苯二甲酸二正辛酯（DNOP）。色谱用气体纯度均为99.999%。
    标准溶液：准确称取6种邻苯二甲酸酯标样各20.00 mg置于干燥的10 mL容量瓶中，用色谱纯甲醇定容，得浓度均为2.000 g/L的邻苯二甲酸酯混合标准储备液。将混合储备液用二甲苯稀释成浓度为0.50~100.0 mg/L的工作标准溶液，用于建立标准曲线。
    待测PET试样：PET饮料瓶用蒸馏水冲洗干净，用滤纸或脱脂棉擦干，剪成宽度小于1 mm、长20 mm左右的细丝备用。食用油瓶用脱脂棉擦拭多次除去表面的油脂，然后剪碎成细丝状。
3.2  色谱条件
    DB-5毛细管柱（30 m×0.53 mm×0.25μm）；柱温初始80℃保持1 min，以20℃/min升温至200℃，再5℃/min升温至260℃，保持2 min；进样口250℃；检测器280℃；载气为氢气，流速为9.0 mL/min；WBI进样口不分流直接进样，进样量为1.00 μL。
3.3  试样处理和测定方法
    试样的沉淀分离与色谱测定：根据试样中含量高低不同，称取试样0.05~0.2 g（精确至0.0001 g）放入10 mL具塞刻度离心管中。加入HFIP溶剂1.0 mL，加塞振荡5~10 min使试样完全溶解。然后加对二甲苯至10 mL刻度，振荡混匀，静置5 min沉淀完全。以4000 rpm速度离心3 min使沉淀沉降，用取上清液1.00uL按3.2所述色谱条件进行测定，用外标法保留时间定性、峰面积定量。
    加标回收实验：准确称取待测PET试样放入10 mL具塞刻度离心管中，通过微量注射器将一定量的工作标准溶液注射到试样上，用氮气吹干溶剂，然后按待测试样相同操作进行处理和测定。
3.4  对照方法
    按照“GB 31604.30-2016 食品安全国家标准 食品接触材料及制品 邻苯二甲酸酯的测定和迁移量的测定”所述，用正己烷超声提取、GC-MS法进行测定，以下简称“国标法”。
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4、讨论
4.1  沉淀分离条件的选择与优化
    PET的溶度参数约为21.9 J^1/2 mol^-3/2（10.7 cal^1/2mol^-3/2，数据参见：何曼君. 高分子物理 . 上海: 复旦大学出版社, 2007（第三版），下同），但其结构属于结晶性高聚物。常见溶剂虽然有很多溶度参数与其接近，却均难以有效溶解PET。文献报道的溶剂主要有酚类、酚类与四氯乙烷的混合物、二氯乙酸等，但都必须在长时间加热条件下才能溶解PET。长时间加热不仅使得样品处理效率低下，而且有造成目标物损失和分解的可能，因此不宜使用。实验表明，含氟溶剂对PET溶解性较好，三氟乙酸和六氟异丙醇都可以在常温下溶解PET，且溶解时间仅需5~10 min。考虑到三氟乙酸的酸性太强，有造成酯类物质水解的可能，本方法选择六氟异丙醇作为PET的溶剂。
    选择沉淀剂需遵循下列原则：①与HFIP完全混溶；②沉淀剂与PET的溶度参数有较大差异；③沉淀剂对邻苯二甲酸酯溶解效果好。根据上述原则进行筛选，常见溶剂中，除烷烃和水外，大部分都可用来沉淀PET。但实验表明，用乙醇、乙酸乙酯、丙酮、乙醚等作为沉淀剂使用时，沉淀生成过快，而且沉淀物易包裹溶液，不利于分离。
    实验表明，用芳烃类作为沉淀剂时具有适当的沉淀速度，沉淀效果较好且不易发生包裹。上述芳烃中，对二甲苯的溶度参数为17.9 J^1/2mol^-3/2 (8.75 cal^1/2 mol^-3/2)，与PET差别最大，因此本方法选择对二甲苯作为PET的沉淀剂。
    溶解沉淀过程如下图。实验表明，使用甲苯或者混合二甲苯也能获得类似的实验效果。
    考察了沉淀剂用量，在1 mL溶液中加入对二甲苯4~5 mL时开始有沉淀生成，加入量达到8 mL时基本沉淀完全。为了保险起见，本方法选择沉淀剂的用量为9 mL，即用对二甲苯定容至总体积10mL。后续的加标回收实验也证明该体系的分离效果较好。








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4.2  色谱分离条件的选择和分离效果
    气相色谱法测定邻苯二甲酸酯类物质主要使用含5%苯基的聚甲基硅氧烷固定相，本文选择DB-5柱。本方法采用大口径毛细管柱直接进样，重现性和灵敏度都优于分流进样。由于邻苯二甲酸酯类物质沸点较高，在柱头的冷凝聚焦效果较好，因此可以获得尖锐的峰型，分离效果较为理想。加标实验表明试样基体对目标物无干扰。本方法采用氢气作为载气，成本比使用氦气低且分析速度更快，柱温也能够一定程度的降低，这对减少柱流失的干扰也是有利的。
    本实验仅考察了较为常见的6种邻苯二甲酸酯，若需要测定更多的目标物，也可进行相应的验证。

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4、方法验证
    以浓度为0.50~100.0mg/L的8个工作标准溶液考察了方法的线性范围，结果见表1。6种目标物在0.50~100.0 mg/L浓度范围内具有良好的线性响应关系，相关系数均大于0.999。
    在本方法的仪器条件下，信号噪音约为5~7 μV，根据信噪比S/N=10计算方法定量限（取样量按0.2g计算），结果见表1。本方法对于6种邻苯二甲酸酯类物质的定量限约为5~13 mg/kg，与GB 31604.30-2016所述的GC-MS法接近。
    取某PET饮料瓶试样进行测定，并在不同的加标水平下进行加标回收实验。在中、高浓度水平下相对标准偏差小于5%，在低浓度水平下相对标准偏差小于8%。本方法的加标回收率在90.5~103.5%之间。


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5、实际样品的测定
    从市售产品中选取纯净水瓶、碳酸饮料瓶、乳制品瓶、白酒瓶、食用油瓶各一种进行测定，同时按国标法进行对照实验，结果见表3，本法测定结果与国标法基本一致。
    国标法的样品处理时间接近1 h，本方法缩短到不足 20min，效率显著提高。
    但测定实际样品时，某些试样基体复杂，存在一些与目标物保留时间较为接近的杂质，有可能造成假阳性，必须仔细比对。因此本方法适用于大量试样的快速筛查，对于复杂试样和仲裁分析仍然需要使用定性更为准确的的GC-MS法。但是本文所述的前处理方法也是可以与GC-MS法结合使用的。

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6、结语
    分析测试一般需参照标准，以便获得具有一致性的结果。但是实际样品各有特点，需要具体问题具体分析，不宜生搬硬套。本方法结合PET试样自身的特点，通过HFIP溶解PET试样，再加对二甲苯沉淀分离聚合物基质，可有效提取PET包装材料中的邻苯二甲酸酯类物质，同时能消除基体干扰。该方法的样品处理时间不足20 min，不到现行国标方法的1/3。而且溶剂用量也大为减少，这不仅更加环保，还避免了样品的过度稀释，使用GC-FID检测就能获得与国标中GC-MS法接近的定量限，省去了进一步浓缩的麻烦。
    本文写作的另一目的是想说明：在实际检测过程中，遇到国标方法存在不足或适应性不佳的情况并不少见。这时我们不能消极适应，而是要积极寻求更好的解决办法，因为标准方法本身也是不断发展和完善的。本方法的开发过程中，正好跨越GB 31604.30-2016颁布实施，GB/T21928-2008废止（2017年4月19日）的时间段，旧标准中检出限的明显错误得到了改正。不断的质疑和改正才是符合科学思想的。