现代分析测试技术在印染行业的应用（二）——液质（LCMS）联用分析技术.doc

现代分析测试技术在印染行业的应用（二）液-质（lc-ms）联用分析技术印染(2oo7no.4)w1wwoeden.c咖.cn矿.6讲座2.现代分析测试技术在印染行业的应用(二)液-质(lc-ms)联用分析技术陈如,苏红伟(上海天祥质量技术服务有限公司,上海200233)摘要:液相色谱-质谱(lc?ms)联用分析法检测限低,灵敏度高.文章中介绍了该技术的发展历程,基本原理,特点,及其在测定纺织产品中的烷基酚聚氧乙烯醚,致敏性分散染料,杀虫剂,全氟辛烷磺酰基化合物和阻燃剂等化合物含量的应用.关键词:测试;液相色谱法;质谱法;应用中图分类号:ts197文献标识码:c文章编号:10004017(2007)04004204applicationofmodernanalyticaltestingtechniquestodyeingandfinishingindustry()lc-msspectrometrytechnologychenru.suhong-wei(shanghaihuenektesting.ltd.,shanghai200233,china)abstract:thispaperintroducesthetheory,characteristicanddevelopmentofliquidchromatographymass(lc?ms)spec-trometry.theyarewidelyusedindeterminationofapeo.allergenousdispersedye.pesticides.pfos.andflameretardantsintextiles.thistechnologyhaspotentialapplicationprospectintextileindustrywithhighsensitivityandlowdetectioniimits.keywords:testing;liquidphasechromatography:massspectrometricmethod;apply0引言1906年,俄国植物学家茨维特(tswett)用碳酸钙柱分离植物色素时得到了不同的颜色带,并由此提出了色谱法(chroma-tography)概念.100年来,随着色谱技术研究的不断深入,纸色谱法(pc),薄层色谱法(tlc),气相色谱法(gc)和液相色谱法(lc)等各种色谱分析技术相继问世.液相色谱法是指流动相为液体的色谱分析技术.早期的液相色谱法即为经典液相色谱法,通常利用大直径的玻璃管柱在室温和常压下,因液面位置不同而产生的压差输送流动相.该方法分离效能低,所需时间长.2o世纪6o年代后期,在该法的基础上,引入了气相色谱理论.它通过采用高压泵输送流动相,减小,均匀固定相填料颗粒,提高柱效,加快分析速度,从而提高分离效率.人们称此种分析技术为高效液相色谱法(highperformanceliquidchromatography,hplc,简称lc),高压液相色谱法(hishpressureliquidchromatography,hplc)或现代液相色谱法.高效液相色谱法除具有高压,高效,高速,高灵敏度和高分辨率等特点外,还特别适用于分离或分析沸点高,热稳定性差,相对分子质量大的有机物,而且样品经过色谱柱后不会被破坏,可收集单一组分(采用大容量色谱柱时可作为制备色谱),这些都是常用气相色谱分析技术无法实现的.1液一质联用技术的原理与发展1.1液相色谱(lc)收稿日期:20070110作者简介:陈如(1979一),女,硕士研究生,助理工程师,主要从事仪器分析方面的工作.42作为一种有效的分离分析技术,液相色谱法可用于复杂样品的分离分析.其原理是待测混合物中各组分的物理和化学性质存在差异,它们会不同程度地分配在两个互不相溶的相中;当两相发生相对运动时,各组分在两相中反复多次重新分配,使混合物得到分离.两相中固定的一相称为固定相,移动的一相称为流动相.其中,流动相不仅运载被分离的样品,而且还有选择性分离的作用.液相色谱按分离机理,可分为分配色谱,吸附色谱,离子交换色谱和空间排阻色谱等;按使用的固定相和流动相的极性大小,又可分为正相色谱和反相色谱.液相色谱具有较强的分离能力,但和其它色谱技术一样,它也不能直接获得分离组分的化学结构信息,而是必须依靠与标样作对比,推定所分离出的未知物的结构;而且对于复杂混合未知物,单纯使用色谱技术也很难分析出其结构.普通的液相色谱仪采用示差,电导,荧光和紫外.可见等检测器,并用标准样品对分离组分进行定性或定量分析.但示差,电导等检测器易受外界环境,如温度,流速等影响,灵敏度低,且不能进行梯度洗脱.紫外-可见分光检测器和荧光检测器等,主要根据物质的保留时间定性,以峰强度(峰高)或峰面积定量,但在同时分析多组分,且某些组分因结构过于接近而几乎同时从柱中洗出的情况下,单纯依赖这类检测器往往会得到错误的结论.1.2质谱(ms)与质谱检测器(msd)质谱(ms)是一种具有较强结构分析功能的仪器分析技术,随着其仪器结构小型化的实现,目前已被应用到多种现代仪器联用分析技术中.在色谱系列分析技术中,如小型质谱仪的质谱检测器(msd)最早被用于与气相色谱仪联用,其与液相色谱分析技术的联用近几年才成熟起来.质谱分析先将待测化合物的分子离子化(mm),再在现代分析测试技术在印染行业的应用(-)印染(2007no.4)电场和磁场作用下,将所得不同质荷比的离子(包括分子离子和碎片离子)分离,从而得到一组特征质谱图.由于特定分子在确定的质谱分析条件下,具有特征的碎裂和离子化规律,并呈良好的重现性,因此,质谱分析可以为未知组分的分析提供丰富的结构信息,是最有效的定性分析手段之一.质谱分析对样品纯度要求较高,其样品预处理过程十分繁复.把色谱分离能力的优势与质谱的结构分析能力优势有机地结合起来,是分析技术的重大突破.20世纪70年代,人们开始对液.质联用(ix;.ms)技术进行研究,为有机分析化学的发展提供了技术支持.lc.ms是lc和ms相结合的装置.一方面,lc可以对混合组分进行有效的分离,并提供与定性分析有关联的保留时间等信息;另一方面,ms可以对不同的lc洗脱组分进行离子化,并得到其特征的质谱信息,然后推断出其分子量和化学结构信息.现代的lc-ms联用技术具有强大的数据分析和处理功能,它可以迅速得到定性分析结果,即使在ijc分离效果不太理想的情况下,仍可以通过选择离子模式(sim),对选择的特定离子进行有效的检测.1.3液-质联用(lc-ms)的接口技术从一般原理上讲,lc.ms联用技术似乎与gcms(气相色谱质谱联用)十分接近,但两者的接口技术其实相差很大,前者在技术的实现上有很大的难度.lc-ms由hplc单元,lcms接口部分,试样离子化和ms单元等组成.其中,接口部分是液.质联用的关键部分,其作用是将洗脱剂及样品分子气化;分离去除大量的洗脱剂;电离样品分子;在样品分子电离的情况下,最好能碰撞诱导断裂,形成一组更为特征的碎片离子.事实上,绝大部分样品的背景基底都非常复杂,即使经过lc分离,还会很”脏”.因此,在设计接口时,既要考虑离子化的效率,又要考虑接口的抗污染能力和耐用性.早期的ix;一ms接口仿效gc.ms,仅蒸发样品.但由于lc洗脱剂的流量较大,大大限制了其的实际应用.后来出现直接液体导入(dli),粒子束(pb),热喷雾(tsi)和连续流动快原子轰击(cffab)等接口,它们都能完成溶液的气化,温和地去除样品中的溶剂,但却很难提供被测物质的有用信息.api接口技术的出现,打破了lc-ms技术发展的瓶颈,并迅速成为许多实验室科研与日常分析的工具.api接口是在大气压条件下完成化学电离的.lc柱后流出的物质先在大气压下电离,带电离子从洗脱剂中分离出来,进入高真空的质谱分析器.在api条件下,样品的质谱取决于物质本身的结构和性质.采用api技术可提高样品的离子化效率,增强分析灵敏度和稳定性.api的灵敏度比化学电离(ci)高3个数量级,因而可与普通lc流速相匹配,含100%水的流动相也可以使用.主要用于分析中等极性以上的化合物.api包括电喷雾电离(esi)和大气压化学电离(apci).esi是一种软电离,可直接测定热不稳定的极性化合物,能产生大量多电荷离子,它使质谱的测量范围发生了根本性的改变.该接口可使用的溶剂范围很广.可从100%水相到100%有机相.esi是迄今为止最柔和的电离方式,主要给出准分子离子峰,很少有结构碎片信息,可以有效降低质谱分析的难度.但esi不适于非极性化合物的分析,仅适应于低流速的lc.esi的工作原理是:样品溶液流出毛细管喷口后,在雾化器(n)和强电场(36kv)的作用下,溶液迅速雾化并产生高电荷液滴.随着液滴的挥发,电场增强,离子向液滴表面移动并从表面挥发,产生单电荷或多电荷离子.通常小分子得到m+h或mh一单电荷离子,大分子则倾向于产生多电荷离子.由于质谱测量的是质荷比,因此,esi可测定的大分子的质量高达几十万.大气压化学电离(apci)也是一种软电离,它只产生单电荷峰,适合于测定弱极性的小分子化合物.另外,它适用于高流量的梯度洗脱,高低水溶液变换的流动相.通过调节离子源电压,可以得到不同断裂情况的碎片离子质谱图.样品溶液流出毛细管后仍由氮气流雾化到加热管中,在加热管末端的尖端coronadischarge(电晕放电)电极使溶剂分子形成反应气体的等离子体.样品分子与等离子体通过氢质子交换被电离.形成m+h或mh一,并进入质谱仪.液相色谱分析技术的出现,解决了许多强极性,热不稳定,高分子量以及低挥发性有机化合物的分离分析难题.而msd作为色谱检测器几乎可以检测所有的化合物,具有很高的检测灵敏度.即使样品在色谱上没有完全分离,也可通过msd的特征离子选择功能进行质谱的定性定量分析.msd具有极高的灵敏度,可检测含量<10g的样品,若采用选择离子(sim)检测方式,其检测能力至少还可以提高一个数量级.因此,液.质联用分析已经发展成为一种灵敏度高,选择性强,样品用量少,分析速度快的成熟的现代仪器分析手段.此外,lc与高选择性,高灵敏度的串联质谱(ms/ms)联用技术(lc.ms/ms)也正在成为一项新的分析手段,其可对复杂样品进行实时分析.在lc难分离的情况下,可以克服背景干扰,通过ms和ms对目标化合物进行中性碎片扫描,发现并突出混和物中的目标化合物,显着提高信噪比,即使复杂样品也可达到很高的灵敏度.2lc-ms分析技术在印染行业的应用目前,崇尚自然,追求绿色,关注安全已经成为全球纺织品服装消费领域最主要的消费潮流.从生态环保和可持续发展战略的角度出发,各国政府纷纷制订相关的法律法规,限制某些有毒有害物质的生产,使用和销售,规范消费品市场.许多国际买家对生产商和供应商所提供的产品也提出了越来越多的生态和安全性能方面的要求.纺织品上生态毒性物质的监控越来越被强化,与之相对应的相关检测技术及其标准化的要求也愈来愈高.事实上,在被列入监控范围的有害物质中,相当一部分必须采用现代的分析测试技术才能被鉴别和定量测定.本文就lc-ms联用分析技术在检测一些新近被列入监控范围的有害物质的应用方面,进行简要的介绍.2.1烷基酚聚氧乙烯醚(apeo)的检测apeo是一类应用相当广泛的非离子表面活性剂,它具有良好的润湿,渗透,乳化,分散,增溶和洗涤作用.在纺织加工中,主要应用于洗涤剂或纺织助剂,如精练剂,润湿剂和渗透剂印染(20o7no.4)等,以去除被清洗物中的油污和污垢等,染色用匀染剂有时也含有apeo.全球每年apeo的用量为8.8亿磅,其中,壬基酚聚氧乙烯醚(npeo)占80%85%,辛基酚聚氧乙烯醚(opeo)占15%以上.研究表明j,apeo对眼睛和皮肤有较强的刺激性,且可能会干扰人体和动物的荷尔蒙体系,导致精子数量减少,生殖器官异常;apeo生物降解中间体在水体中具有很长的半衰期,不容易降解,毒性更大.apeo已成为生物界的天敌.欧盟2003/53/ec指令规定,严格限制apeo的使用,欧洲,澳大利亚和日本等国家的清洗剂产品中已停止使用apeo.因此,对出口发达国家的纺织产品进行apeo检测显得尤为重要.apeo一般为同系物的混合物,分子量较大,且难以分离出单一分子结构的纯物质,较难进行分析测定.采用液一质联用技术,可有效地对apeo混合组分进行测定.韩绍先等采用eims分析,直接进样,选取质荷比为179,223,267,487,531,575和619的碎片作结构分析,获得了很好的效果.p.devoogt等人利用lcms的正离子模式测定apeo,其衍生物用负离子模式测定.intertek利用zorbaxe-clipsexdbc183.5m色谱柱,5mmol乙酸铵溶液/乙腈流动相梯度洗脱,选择正离子模式测定,在0.11mr/l具有良好的线性.2.2致敏性分散染料的检测致敏染料是指会引起人体或动物的皮肤,粘膜或呼吸道过敏的染料.染料的过敏性并非必然的特性而仅是其毒理学的一个内容.欧盟指令已禁用的致敏染料均属分散染料.目前已知涉嫌的致敏性分散染料有20种.这类染料主要用于聚酯,聚酰胺和醋酯纤维的染色.由于分散染料通常采用多种染料复配技术,加上其商品化过程中也会添加大量的助剂或其它化学品,因此分散染料的检测在技术上有相当的难度.研究表明,lcms联用分析技术是目前用于致敏性分散染料检测的最理想的手段.lcms联用技术比gc-ms联用技术或hplc.dad(配备二极管阵列检测器的高效液相色谱)技术更适合于极性染料分析.这是因为gcms联用一般需要样品的衍生化,而hplc-dad技术的灵敏度和选择性不及lcms.安捷伦公司在lc-ms上建立了同时测定20种致敏性分散染料的方法.该方法以5mmo甲酸铵水溶液/乙腈为流动相,选用zorbaxxdb.c8色谱柱,离子源为电喷雾正离子,样品检测限可达kg水平,线性可达三个数量级,通过精确质量数,可以得到化合物的确定信息,是一种有效的染料定性,定量分析手段.由天祥集团(intertek)牵头起草,于20o6年12月1日实施的我国国家标准gb/t20383-2006(纺织品致敏性分散染料的测定,亦采用lcms联用分析技术测定纺织品上致敏性分散染料.该标准中,待测纺织样品用甲醇在7o水浴超声波萃取,选用zorbaxeclipsexdb?c183.5m色谱柱,以ph值3.6的0.01mol/l醋酸铵溶液/乙腈为流动相,预处理简单快速,可在20min内同时测定2o种分散染料,而且检测低限可达0.5mr,/kg.2.3杀虫剂的检测棉花等天然植物纤维生长过程中使用的农药,部分会被纤维吸收,虽然其中绝大部分会自然降解或在加工中被去除,但仍可能有少量残留在最终产品上,其中有些极易经皮肤被人体吸收,对人体产生相当的危害.0ek0texstandard100和gb/t18885生态纺织品技术要求对相关杀虫剂作出了限量规定,共有54种杀虫剂和农药被列入控制范围.甲胺磷(methamidophos),久效磷(monocroto-phos)和西维因(carbary1)等均为oeko-texstandard100禁用的杀虫剂.明红等人利用lcms-ms同时分析这几种杀虫剂,在10200吕/kg浓度范围内有良好的线性响应和重现性.刘莹雯等利用agilent1100型液相/api3000型质谱.质谱仪,测定甲胺磷,乙酰甲胺磷,乐果,敌百虫和毒死蜱等五种农药的残留量,2min内即完成,快速高效.该方法色谱柱为luertsilc18ods一3,甲醇:0.1%乙酸铵水溶液(体积比)=95:5溶液作流动相,质谱为esi,正离子模式采集.样品用乙腈超声萃取,0.45m滤膜过滤后直接进样,样品预处理简便.5种杀虫剂残留为1200g/l,线性良好(相关系数r>0.998),最低检测限可达1.05.0kg,方法回收率为77%一104%.需注意的是,该方法随着流动相水含量的增加,分析时间变长,峰形变宽,拖尾现象严重,灵敏度降低;含水量过低时,峰形变窄,对称性好,但灵敏度降低.因此,选择该方法时,应调整流动相的比例至最佳状态.2.4全氟辛磺酸(pfos)的检测pfos是纺织品和皮革制品防污整理剂的主要组分,是目前最难降解的有机污染物.研究表明,pfos具有很高的生物蓄积性和多种毒性,可造成人体呼吸系统问题和膀胱癌,甚至导致新生婴儿的死亡.pfos所造成的全球性污染已13渐受到人们的关注.欧洲议会关于在全欧盟内禁止使用pfos的提议,已被欧洲委员会采纳,并最终可能添加到欧洲化学品注册,评估和许可法案(reach)中.金一和等采用lc-ms联用技术,选择离子监测,以质荷比499的方法,测定了我国部分城市自来水,地面水,地下水和海水中的pfos含量.该试验利用agilem1100型高效液相/agilentmsdsl型质谱,色谱柱为c18柱,以乙酸铵溶液:乙腈=55:45(体积比)为流动相,esi负离子模式,监测m/z为499的碎片.pfos标准溶液和样品中pf06的保留时间均为13.16min,pfos浓度与色谱峰面积之间具有显着的正相关关系(r=0.9987,p<0.01),其样品加标回收率为88.9%105.9%,变异系数为3.4%4.3%.检测低限可达o.05ng/l.2.5阻燃剂的检测纺织品属易燃材料,其防火安全性问题一直是人们关注的对象.美国消费品安全委员会更是对在美国市场销售的纺织及相关产品提出了众多苛刻的防火安全性能要求.纺织产品的阻燃性能通常是通过在纺丝过程中添加阻燃荆或对纺织制品进行阻燃整理加工而实现的.研究表明,目前被使用的部分阻燃剂会对人体或环境产生危害,如五溴联苯醚(pbde),八澳联苯醚(obde),磷酸三邻甲苯酯和三(2-氯乙基)磷酸酯等.其中多溴联苯醚可通过生物富集过程在生物体内聚集,具有致现代分析测试技术在印染行业的应用t二)印染(2007no.4)癌及致畸作用,其易溶于脂肪和其它有机化合物中,但是难以生物降解.根据欧盟2003/11/ec指令,欧盟标准en71-9要求三岁以下的儿童纺织品和玩具中必须测定以上四种阻燃剂.en71一ll中的测定方法,利用lcms联用分析技术,选用正离子模式和esi电离源,以m/z=110500的碎片离子作全扫描;选用zorbaxeclipsexdbc183.5m色谱柱,并以乙酸铵溶液/乙腈为流动相,进行45min梯度洗脱,能很好分离以上四种阻燃剂.在该测试条件下,标准样品浓度线性最低为1.0mg/l,可达到2003/11/ec的检测限,且线性良好,相关系数>0.995,回收率69%103%.3结语目前lcms联用分析技术仍属于新型,高端的分析测试技术,设备投入和运行成本相对较高,但其解决复杂分析技术难题的能力正越来越受到人们的广泛关注,特别是在应对绿色技术壁垒和环境分析方面,lcms联用分析技术正在发挥着不可替代的作用.因此,随着液一质联用技术的不断完善,其在纺织工业上的应用将占据越来越重要的地位.参考文献:1陈立仁,蒋生祥.刘霞.候经国.高效液相色谱基础与实践(第一版)m.北京:科学出版社,2001.2niessen.w.m.a.,vandergreef.j.liquidchromatographymassspectrometrym.newyork:marc,eldekker.1992.3周文苑,王军.烷基酚聚氧乙烯丁醚的毒忡和法规现状fj.n用化学品科学,1998.1ol(8):2023.4ch6stianzwiener,fritzh.frimme1.lcmsanalysisintheaquaticenvironmentandinwatertreatment!echn0l”盱acriticalreviewj.analyticalandbioanalyticalchemi