氣相色譜法直接測定水性涂料乳液中游離丙烯酰胺含量
發布時間：2024-08-21作者：小編來源：點擊：次
丙烯酰胺（AM）作為乳液合成中的一個重要功能單體，用于丙烯酸乳液改性，可以改善乳液的機械穩定性、凍融穩定性，大幅提高乳液的黏度[1][2]，另外還可以提升乳液膜的性能，如降低乳液膜的吸水率，提高其耐溶劑性和耐熱性[3]。丙烯酰胺改性丙烯酸乳液在生產和使用過程中或多或少會殘留未聚合的丙烯酰胺單體，尤其對規模不大、生產工藝和檢測手段相對落后的生產企業而言，改性丙烯酸乳液中丙烯酰胺單體殘留的含量可能較高。
丙烯酰胺具有神經毒性，可引起感覺和運動功能障礙，尤其對末梢神經系統的毒害最為明顯，還具有生殖毒性和潛在致癌性，以及引起氧化損傷從而導致細胞損傷[4]。丙烯酰胺可經消化道、皮膚、呼吸道等多種途徑侵入人體，被國際癌癥研究機構（IARC）列為對人類可疑致癌物，屬嚴格管制的高風險物質[5]。作為極為嚴格的紡織品環保標準，瑞士藍標Bluesign認證已經把丙烯酰胺納入限用物質清單，要求不得超過0.1%[6]。
建筑涂料用丙烯酸乳液成分較復雜，雜質含量較多，目前沒有關于乳液中丙烯酰胺含量檢測方法的文獻和標準。大多數關于丙烯酰胺的檢測標準及文獻所涉及的產品類型主要有食品、食品包裝、化妝品、玩具和紡織品等[7]，主要檢測方法包括溴化法[8]、氣相色譜法[9][10]、液相色譜法[11][12][13][14]、液相色譜質譜法[15][16]等。溴化法成本較低，一般用于高含量的成分分析，具有局限性；氣相色譜法需要進行衍生化學反應，過程繁瑣，但是經過衍生化后用電子捕獲檢測器專屬性強，干擾性??；液相色譜法前處理簡單，應用廣泛，但容易受到干擾，對于低痕量濃度的丙烯酰胺響應有一定局限性；液相色譜質譜法的設備相對昂貴，但是其選擇性好，靈敏度高，更加準確可靠。綜合比較，本研究采用氣相色譜法直接測定建筑涂料乳液中游離丙烯酰胺單體含量。
1試驗部分
1.1原材料和儀器設備
1.1.1原材料
甲醇（色譜純），德國Sigma-Aldrich公司；丙烯酰胺（分析純），上海阿拉丁生化科技股份有限公司；乙酰胺（分析純），上海麥克林生化科技股份有限公司；超純水（達到GB/T 6682—2008中一級水的要求），自制。
1.1.2儀器設備
GC 8890型氣相色譜儀（FID檢測器），；電子天平（感量0.1 mg,LE204E/02型），梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；高速離心機（TGL-16型），江蘇中大儀器科技有限公司；快速混勻器（SK-1型），常州兆圣實驗設備制造有限公司；超聲清洗儀（SG5200HPT型），上海冠特超聲儀器有限公司；超純水機（UPHW-11-90T型），四川優普超純水科技有限公司。
1.2色譜條件
色譜柱：DB-WAX（規格30 m×0.32 mm×0.50μm),Rtx-200（規格60 m×0.32 mm×1.50μm）；進樣口溫度：230℃；進樣量：1μL;FID檢測器溫度240℃；分流比：5∶1；流量：1.0 mL/min；柱溫：初始溫度60℃，以20℃/min升溫至220℃，保持6 min；空氣流量：400 mL/min；氫氣流量：30 mL/min。
1.3實驗方法
1.3.1標準溶液的配制
(1）標準儲備液和標準使用液配制
精確稱取丙烯酰胺粉末0.050 g，用純水稀釋定容至100 mL，得到質量濃度為500μg/m L的儲備液。逐級稀釋，得到質量濃度分別為10μg/m L、25μg/m L、50μg/m L、100μg/m L、250μg/m L的丙烯酰胺標準使用液。
(2）內標使用液配制
精確稱取乙酰胺粉末0.050 g，甲醇稀釋定容至250 mL，得到質量濃度為200μg/mL的內標使用液。
1.3.2標準曲線的建立
在6個10 mL容量瓶中，分別加入10μg/mL、25μg/m L、50μg/m L、100μg/m L、250μg/m L、500μg/m L的標準溶液2 mL，再加入1 mL內標使用液，用甲醇稀釋定容至10 mL，混合均勻，配置得到丙烯酰胺的質量濃度分別為2μg/mL、5μg/mL、10μg/mL、20μg/mL、50μg/mL、100μg/mL和內標物質量濃度為20μg/mL的6個標準系列，詳見表1。從低濃度到高濃度依次進樣分析，以丙烯酰胺濃度和內標物濃度的比值為x軸，丙烯酰胺峰面積和內標物峰面積的比值為y軸，繪制標準曲線如圖1所示。
表1 丙烯酰胺標準曲線數據
Table 1 Standard curve data of acrylamide
圖1 丙烯酰胺標準曲線
Figure 1 Standard curve of acrylamide
1.3.3樣品前處理與測試
將2.0 g乳液樣品放置于10 mL容量瓶中，加入1 mL內標溶液，甲醇定容后混合均勻，超聲提取15 min，高速（16 000 r/min）離心，上層清液經0.45μm濾膜過濾，濾液經氣相色譜儀分析，記錄丙烯酰胺和內標峰面積，計算樣品中丙烯酰胺含量。
2結果與討論
2.1內標物的選擇
根據相關文獻和標準報道，初步篩選出異丁醇[17]和乙酰胺[18]兩個內標物。由于乳液生產中所用的功能單體——丙烯酸異丁酯和甲基丙烯酸異丁酯因原料異丁醇的引入以及異丁酯水解等原因，可能會導致部分乳液中含有異丁醇。另外，異丁酯類成膜助劑的使用也會給乳液帶來一定量的異丁醇。而乙酰胺與丙烯酰胺性質類似，乳液中不含乙酰胺，氣相色譜中乙酰胺和丙烯酰胺也能很好地分離，其中t乙酰胺=8.648 min、t丙烯酰胺=9.803 min（圖2）。從色譜圖的保留時間上看，異丁醇和乙酰胺均可與丙烯酰胺較好地分離，但是異丁醇與丙烯酰胺的保留時間相差太遠，t異丁醇=4.385 min、t丙烯酰胺=9.800 min（圖3），同時異丁醇峰處于溶劑甲醇峰的尾端，而乙酰胺與丙烯酰胺的保留時間相近，無溶劑峰干擾。綜上所述，本試驗選擇乙酰胺作為丙烯酰胺測試的內標物。
圖2 乙酰胺（內標物）和丙烯酰胺的氣相色譜圖
Figure 2 Gas chromatogram of acetamide(internal standard)and acrylamide
圖3 異丁醇（內標物）和丙烯酰胺的氣相色譜圖
Figure 3 Gas chromatogram of isobutanol(internal standard)and acrylamide
2.2提取溶劑的選擇
丙烯酰胺為極性化合物，易溶于水、醇類、醚類及三氯甲烷等極性溶劑，在酸性溶液中能穩定存在，在堿性溶液中易發生水解反應，生成丙烯酸等物質。據相關文獻報道，可采用水[19]、甲醇[20][21]、甲醇水（V甲醇∶V水=8∶2)[9]、丙酮[22]、乙腈[23]、1%乙酸水溶液[6]或三氯甲烷[10]等作為提取溶劑。由于本試驗采用的DB-WAX色譜柱對水比較敏感，故分別采用甲醇、丙酮、乙腈、三氯甲烷對樣品進行提取試驗。結果發現使用丙酮、乙腈、三氯甲烷對乳液樣品進行提取時，會出現嚴重的結團現象，阻礙游離的丙烯酰胺從樣品中釋放，從而影響測試結果的準確性，而使用甲醇則不存在類似情況，故選擇甲醇作為提取溶劑。
2.3色譜柱的選擇
以乙酰胺作為內標物測定丙烯酰胺含量，內標物和待測物均為極性分子，故選擇極性毛細管色譜柱。對于低相對分子質量的極性分子，采用極性越大的毛細管色譜柱，其極性分子的保留時間越長?？紤]到樣品基質的復雜性，干擾因素較多，為保證樣品中丙烯酰胺具有良好的分離度，本試驗選用中等極性以上的色譜柱進行實驗。分別選用DB-WAX色譜柱和Rtx-200色譜柱進行測試，以相似條件進行分析，對目標物的分離度、峰形、出峰時間進行比對。乙酰胺和丙烯酰胺都是強極性化合物，在中等極性Rtx-200色譜柱上分離效果較差，峰型均呈現拖尾狀況，如圖4a所示；而在強極性DB-WAX色譜柱上，乙酰胺和丙烯酰胺的峰形尖銳、對稱，不存在拖尾狀況，如圖4b所示。因此，本法選用分離效果較好的DB-WAX色譜柱，30 m的色譜柱可以滿足分離雜質和目標物的效果。
2.4線性范圍、檢出限、定量限
在優化的色譜條件下，對2～100μg/mL的丙烯酰胺標準工作溶液進行測定，以丙烯酰胺和內標物的峰面積比值對丙烯酰胺和內標物的質量濃度比值進行線性回歸，得到線性回歸方程（圖1），曲線呈良好的線性關系，相關系數R2≥0.999 9。將最低濃度的標準溶液上機分析，選取一段平穩的基線計算噪音，以噪音的3倍計算測定儀器的濃度檢出限，10倍噪音為定量限，計算得到儀器的丙烯酰胺質量濃度檢出限為0.26μg/m L，對應的方法檢出限為1.3 mg/kg，定量限為4.3 mg/kg，方法的測量范圍為1.3～500 mg/kg。因此該方法具有良好的線性范圍、具有較低的檢出限和定量限，測定范圍廣。
圖4 不同色譜柱對丙烯酰胺分離效果的影響
Figure 4 Influence of different chromatographic columns on the separation effect of acrylamide
2.5回收率和精密度
制備不含游離丙烯酰胺的乳液樣品，并分成3份，分別加入一定濃度的丙烯酰胺標準溶液，攪拌均勻后，得到含有低、中、高三種丙烯酰胺含量的乳液樣品，每個水平的樣品按照該方法平行測試6次，以加標量及加標后測定結果計算回收率，以每個水平樣品的6次測試數據計算方法的精密度，結果如表2所示。
由表2可見，乳液中丙烯酰胺的加標回收率在96.46%～101.13%之間，這表明本方法回收率高，適合定量分析。相對標準偏差（RSD）為0.71%～1.27%，這表明本方法具有良好的重現性，可以準確定量分析。
表2 回收率及精密度試驗數據
Table 2 Experiment of percent recovery and precision
2.6實際應用
采用以上乳液樣品中游離丙烯酰胺含量的測定方法，對市售的15個乳液樣品——8個防水涂料乳液、7個建筑涂料乳液進行測試。測試結果如表3所示。
表3 市售涂料乳液中丙烯酰胺含量的測試結果
Table 3 Test results of acrylamide content in emulsion for coatings in the market
由表3可見，在15個樣品中，10個樣品檢出了丙烯酰胺；大部分防水涂料乳液檢出丙烯酰胺；部分建筑涂料乳液檢出丙烯酰胺。
3結語
本研究建立了氣相色譜法直接測定涂料乳液中游離丙烯酰胺含量的方法，樣品中丙烯酰胺經甲醇提取后，直接進樣，無需對其進行衍生化處理，操作簡單，可用于水性涂料乳液的產品質量檢測。在優化的試驗條件下，標準曲線中丙烯酰胺質量濃度在2.00～100μg/mL范圍內時，呈良好的線性關系（R2≥0.999 9），基質加標回收率在96.46%～101.13%，相對標準偏差≤3%，檢出限為1.3 mg/kg，定量限為4.3 mg/kg，方法的測量范圍為1.3～500 mg/kg。該方法重復性好、回收率較高、操作簡便、實用性強、檢出限低，可滿足水性涂料乳液中游離丙烯酰胺含量檢測的實際需求。