劉 靜，孫姝琦，黃文氫，張明森

（中國(guó)石化 北京化工研究院，北京 100013）

超高效合相色譜法快速檢測(cè)聚烯烴材料中的15種抗氧劑

劉 靜，孫姝琦，黃文氫，張明森

（中國(guó)石化 北京化工研究院，北京 100013）

采用超高效合相色譜技術(shù)（UPC2）建立了快速分析聚烯烴材料中15種抗氧劑的方法。通過考察色譜柱、流動(dòng)相助溶劑、柱溫、系統(tǒng)背壓及試樣稀釋溶劑對(duì)分離效果的影響，最終確定15種抗氧劑分離的最優(yōu)條件：色譜柱采用ACQUITY UPC2CSHTMBEH 2-EP（100 mm×3.0 mm，1.7 μm），流動(dòng)相助溶劑為甲醇/乙腈（體積比1∶1），流速1.5 mL/min，柱溫40 ℃，系統(tǒng)背壓12.41 MPa，氯仿為試樣的稀釋溶劑。在該條件下15種抗氧劑在4.5 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)基線分離。利用超聲波輔助萃取法對(duì)試樣中的抗氧劑進(jìn)行提取，15種抗氧劑在2～100 mg/L范圍內(nèi)線性良好，定量限在0.5～1.0 mg/L之間。該方法簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確度高且耗時(shí)短，可用于快速檢測(cè)聚烯烴材料中的抗氧劑。

聚烯烴；抗氧劑；超高效合相色譜；二極管陣列檢測(cè)器

聚烯烴材料在造粒加工、貯存和使用過程中受光、氧和熱的作用易發(fā)生老化降解，失去優(yōu)良的物理性能和使用價(jià)值，因此聚烯烴材料常在造粒階段加入抗氧劑以降低材料的氧化速度，延緩老化，延長(zhǎng)使用壽命。對(duì)某種聚烯烴材料，如果抗氧劑品種選擇不當(dāng)或添加量過高，在使用過程中容易造成抗氧劑遷移或溶出，對(duì)人體產(chǎn)生危害。隨著安全環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于聚烯烴制品安全性和環(huán)保性的法律、法規(guī)日益完善［1］。

目前聚烯烴材料中抗氧劑的檢測(cè)方法主要包括傅里葉變換紅外光譜法［2-4］、氣相色譜-質(zhì)譜法［5-7］和高效液相色譜法［8-10］。這些方法涉及到的抗氧劑種類較少，同時(shí)試樣前處理方法繁瑣耗時(shí)，有機(jī)溶劑用量大，不符合分析方法綠色環(huán)保的發(fā)展趨勢(shì)。在聚烯烴材料生產(chǎn)工藝中，常需要多種抗氧劑配合使用，因此建立快速高效的聚烯烴材料中抗氧劑的分析檢測(cè)方法對(duì)改進(jìn)生產(chǎn)工藝、提高聚烯烴材料的性能極有必要。

超高效合相色譜（UPC2）是Waters公司于2012年推出的基于超臨界流體色譜的新型分離技術(shù)［11］。該技術(shù)主要以超臨界二氧化碳和少量助溶劑為流動(dòng)相，具有黏度低、傳質(zhì)性好和綠色環(huán)保的優(yōu)勢(shì)。此外，UPC2色譜柱填料的粒度由5 μm降至1.7 μm，可以使用更小內(nèi)徑的色譜柱，靈敏度更高，溶劑使用量更小。該技術(shù)可同時(shí)分析極性和非極性化合物，適用于聚烯烴材料中抗氧劑的分析。目前有將UPC2技術(shù)用于聚合物中添加劑分析的報(bào)道［12］，但該方法只包含了5種受阻酚類抗氧劑，其他常見的亞磷酸酯類抗氧劑和硫酯類抗氧劑均未包含。

本實(shí)驗(yàn)選擇了聚烯烴材料中較為常用的15種抗氧劑，包含了受阻酚類、亞磷酸酯類和硫酯類抗氧劑，所選目標(biāo)化合物相對(duì)分子質(zhì)量跨度大且大部分含有極性基團(tuán)，適于利用UPC2進(jìn)行分離分析。通過對(duì)色譜條件的系統(tǒng)優(yōu)化，借助光電二極管陣列（PDA）檢測(cè)器建立了針對(duì)聚烯烴材料中不同類型抗氧劑的簡(jiǎn)便、快速的UPC2-PDA分析方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

超高效合相色譜儀：ACQUITY Ultra-performance Convergence ChromatographyTM型，美國(guó)Waters公司，配PDA檢測(cè)器；超聲波清洗器：KQ5200E型，昆山市超聲儀器有限公司。

高純二氧化碳：純度99.999%，北京市北溫氣體制造廠；抗氧劑BHT、245、330、565、1010、1024、1076、1098、1790、2246、3114、168、1035、405、HP136：德國(guó)BASF公司，性質(zhì)見表1。甲醇、乙腈：色譜純，美國(guó)Fisher公司；氯仿：分析純，北京化工廠。

表1 15種抗氧劑的性質(zhì)Table 1 Properties of 15 antioxidants

續(xù)表1

1.2 標(biāo)準(zhǔn)試樣配置

分別準(zhǔn)確稱取15種抗氧劑40.00 mg，精確至0.01 mg，用氯仿溶解并分別定容于10 mL容量瓶中，制成質(zhì)量濃度為4 g/L的單一標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液；然后分別準(zhǔn)確移取0.25 mL單一標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液于10 mL容量瓶中，用氯仿定容，制成質(zhì)量濃度為100 mg/L的混合標(biāo)準(zhǔn)液。以氯仿為溶劑，采用逐級(jí)稀釋法制備系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液。

1.3 色譜條件

采用ACQUITY UPC2CSHTMBEH 2-EP色譜柱，100 mm×3.0 mm，1.7 μm；柱溫40 ℃；流動(dòng)相：A相為超臨界二氧化碳，B相為甲醇/乙腈（體積比1∶1）；流速1.5 mL/min；流動(dòng)相梯度洗脫程序：0～1 min內(nèi)保持1%B，1～3 min內(nèi)由1%B線性升至15%B，3～4 min內(nèi)由15%B線性升至30%B，4～5 min內(nèi)由30%B線性降至1%B；系統(tǒng)背壓保持12.41 MPa；試樣進(jìn)樣量1 μL；PDA檢測(cè)波長(zhǎng)2D為220 nm，3D為190～420 nm。

1.4 試樣前處理

試樣剪碎成小于3 mm×3 mm的小塊，準(zhǔn)確稱取0.5 g于25 mL具塞試管中，加入10 mL氯仿進(jìn)行超聲萃取30 min；萃取液過0.22 μm濾膜后氮吹近干，定容至1 mL，用氯仿稀釋后上機(jī)檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 UPC2方法的優(yōu)化

在UPC2系統(tǒng)耐壓范圍內(nèi)，為了保證色譜柱有較高的分離效率，經(jīng)實(shí)驗(yàn)確定流動(dòng)相流速為1.5 mL/min，PDA檢測(cè)波長(zhǎng)選擇15種目標(biāo)物響應(yīng)較高的220 nm。在此條件下，對(duì)色譜柱、流動(dòng)相助溶劑、柱溫、系統(tǒng)背壓及試樣稀釋溶劑進(jìn)行優(yōu)化，以得到最好的分離效果。

2.1.1 色譜柱的選擇

從表1可看出，15種目標(biāo)物結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，相對(duì)分子質(zhì)量跨度大且有結(jié)構(gòu)類似的化合物，分離難度較大。色譜分離方法的核心是色譜柱選擇，考察了具有明顯差異的3種不同填料但規(guī)格相同的色譜柱ACQUITY UPC2CSHTMBEH 2-EP，ACQUITY UPC2CSHTMBEH，ACQUITY UPC2CSHTMFluoro-phenyl。3種色譜柱對(duì)15種抗氧劑的分離效果見圖1。

圖1 不同色譜柱對(duì)15種抗氧劑的分離效果Fig.1 Effects of different chromatographic columns on the separation of the 15 antioxidants.

由圖1可看出，ACQUITY UPC2CSHTMBEH 2-EP色譜柱的分離效果最好，且峰形較尖銳對(duì)稱，目標(biāo)化合物在4.5 min內(nèi)出峰，而其他兩種色譜柱出峰均有一定程度重疊，這是由于ACQUITY UPC2CSHTMBEH 2-EP色譜柱的固定相為表面鍵合了2-乙基吡啶的亞乙基橋雜化顆粒，對(duì)具有極性官能團(tuán)的目標(biāo)化合物具有較好的選擇性，因此實(shí)驗(yàn)采用ACQUITY UPC2CSHTMBEH 2-EP色譜柱。

2.1.2 流動(dòng)相中助溶劑的選擇

UPC2系統(tǒng)中流動(dòng)相主要為超臨界二氧化碳，實(shí)驗(yàn)中常使用少量有機(jī)溶劑作為助溶劑進(jìn)行分離，以提供對(duì)目標(biāo)物不同的選擇性和洗脫能力。常用的有機(jī)溶劑包括甲醇、乙醇、異丙醇及乙腈，其中醇類為質(zhì)子給予型溶劑、乙腈為質(zhì)子接受型溶劑。根據(jù)試樣及助溶劑的性質(zhì)，考察了3種不同助溶劑，甲醇、乙腈和甲醇/乙腈（體積比1∶1）對(duì)目標(biāo)化合物的洗脫情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。從圖2看出，甲醇對(duì)15種抗氧劑的洗脫能力大于乙腈，乙腈的分離效果差且使峰形展寬并出現(xiàn)拖尾，甲醇分離效果較好但未實(shí)現(xiàn)基線分離。當(dāng)使用甲醇/乙腈為助溶劑時(shí)，試樣實(shí)現(xiàn)基線分離且峰形改善，因此，選擇甲醇/乙腈作為流動(dòng)相助溶劑進(jìn)行定量分析。

圖2 不同有機(jī)溶劑對(duì)15種抗氧劑的分離效果Fig.2 Effects of organic solvents on the separation of the 15 antioxidants.

2.1.3 柱溫優(yōu)化

與一般液相色譜不同，UPC2系統(tǒng)中柱溫的改變可嚴(yán)重影響目標(biāo)物的分離能力。柱溫升高時(shí)，二氧化碳密度降低、黏度減小，對(duì)試樣的洗脫能力減弱，相應(yīng)地試樣保留時(shí)間延長(zhǎng)；相反，柱溫降低時(shí)，試樣保留時(shí)間縮短。除此之外，溫度改變時(shí)流動(dòng)相的擴(kuò)散系數(shù)、介電常數(shù)等也有所改變，因此，柱溫也是目標(biāo)物保留行為和選擇性的重要調(diào)整參數(shù)。通常UPC2系統(tǒng)可設(shè)置的柱溫為35～65 ℃，本實(shí)驗(yàn)考察了40，50，60 ℃柱溫對(duì)目標(biāo)物分離效果的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。從圖3可看出，隨柱溫的升高，目標(biāo)物保留時(shí)間有不同程度的延長(zhǎng)，同時(shí)部分組分的峰開始出現(xiàn)重疊，因此最終選擇分離效果最好時(shí)的柱溫40 ℃。

圖3 柱溫對(duì)15種抗氧劑分離效果的影響Fig.3 Effects of column temperature on the separation of the 15 antioxidants.

2.1.4 系統(tǒng)背壓優(yōu)化

在UPC2分離方法中，系統(tǒng)背壓也是一個(gè)很重要的參數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)背壓升高時(shí)，較高的系統(tǒng)壓力使二氧化碳流動(dòng)相密度增大，目標(biāo)物保留時(shí)間縮短，通常系統(tǒng)壓力可在11.72～24.14 MPa內(nèi)變化。系統(tǒng)背壓對(duì)目標(biāo)物分離效果的影響見圖4。由圖4可見，隨系統(tǒng)背壓升高，目標(biāo)物保留時(shí)間縮短但分離效果變差。同時(shí)，系統(tǒng)背壓過低可能導(dǎo)致流動(dòng)相從超臨界狀態(tài)變?yōu)檩^接近氣體的狀態(tài)，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性及分離效果，因此將系統(tǒng)背壓設(shè)置為12.41 MPa。

圖4 系統(tǒng)背壓對(duì)15種抗氧劑分離效果的影響Fig.4 Effects of automatic back pressure regulators on the separation of the 15 antioxidants.

2.1.5 稀釋溶劑的選擇

在UPC2系統(tǒng)中，當(dāng)流動(dòng)相中的有機(jī)溶劑比例較低時(shí)，會(huì)對(duì)分離效果產(chǎn)生較大影響，溶劑效應(yīng)顯著，一般選擇非極性溶劑作為試樣的溶劑以降低溶劑效應(yīng)。本實(shí)驗(yàn)中，在上述優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件下，氯仿的保留時(shí)間為0.27 min，在其他15種目標(biāo)物出峰前流出（見圖4），對(duì)試樣的分離無干擾。結(jié)合本實(shí)驗(yàn)的前處理?xiàng)l件，選擇氯仿作為試樣溶劑，既避免了溶劑效應(yīng)同時(shí)前處理后的試樣可直接進(jìn)樣，無需吹干后更換溶劑復(fù)溶。

2.2 定量限、線性范圍及試樣加標(biāo)回收率

配置不同質(zhì)量濃度的混合標(biāo)準(zhǔn)工作液，在最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行測(cè)定，采用外標(biāo)法定量，通過Masslynx 4.1軟件計(jì)算化合物響應(yīng)面積和質(zhì)量濃度的關(guān)系，結(jié)果見表2。

表2 15種抗氧劑的評(píng)價(jià)結(jié)果Table 2 Evaluation of the analytic method for the 15 antioxidants

由表2可見，15種目標(biāo)化合物的線性范圍在2～100 mg/L之間且線性關(guān)系良好，定量限在0.5～1.0 mg/L之間。

以陰性聚丙烯試樣為基質(zhì)，采用標(biāo)準(zhǔn)添加法進(jìn)行回收率和精密度的測(cè)定，在0.05%，0.10%，0.20%三個(gè)不同濃度的添加水平下，平均回收率為88.6%～106.5%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（n= 5）為2.5%～5.3%，由此可見本方法的實(shí)驗(yàn)精密度可滿足分析要求。

2.3 實(shí)際試樣的檢測(cè)

采用本方法對(duì)市場(chǎng)上的某聚丙烯茶葉罐、聚丙烯兒童玩具和聚乙烯服裝包裝袋進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果表明，茶葉罐中含有抗氧劑1076，含量為0.29 mg/g；兒童玩具中未檢出抗氧劑；包裝袋中含抗氧劑168和1076，含量分別為0.22 mg/g和0.16 mg/g。典型的聚乙烯塑料包裝袋的色譜圖見圖5。

圖5 聚乙烯塑料包裝袋試樣的色譜圖Fig.5 Chromatogram of a polyethylene packaging material.

3 結(jié)論

1）采用UPC2技術(shù)對(duì)聚烯烴材料中的15種抗氧劑進(jìn)行了分析和檢測(cè)。采用超聲輔助萃取技術(shù)對(duì)試樣進(jìn)行前處理，通過優(yōu)化色譜柱、助溶劑、柱溫及系統(tǒng)背壓等條件得到最佳分離條件。

2）本方法能夠在4.5 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)相對(duì)分子質(zhì)量跨度較大的15種抗氧劑的基線分離，分析時(shí)間比常規(guī)液相色譜顯著縮短。同時(shí)，儀器分析中使用的流動(dòng)相主要為超臨界二氧化碳，有機(jī)溶劑消耗少，檢測(cè)成本低，更符合綠色環(huán)保的分析檢測(cè)要求。

3）該方法簡(jiǎn)便快速，準(zhǔn)確度和靈敏度高，可以為UPC2技術(shù)在聚烯烴材料中抗氧劑含量的檢測(cè)提供參考。

［1］ 李杰，時(shí)凱，李惜，等. 塑料制品的安全和環(huán)保要求與抗氧劑的選擇和應(yīng)用［J］.塑料助劑，2014（4）：21-26.

［2］ 卞麗琴，谷和平，丁大喜，等. 紅外光譜法快速測(cè)定聚乙烯中微量抗氧劑的含量［J］.石油化工，2005，34（6）：587-590.

［3］ 陳鍵，張桂云，梁進(jìn)杰. 聚丙烯中抗氧劑168含量的定量分析［J］.塑料科技，2014，42（3）：103-106.

［4］ 楊素，楊蘇平，周正亞. 紅外光譜法對(duì)聚烯烴中抗氧劑1010的定性、定量研究［J］.紅外，2007，28（2）：40-43.

［5］ Jansson K D，Zawodny C P，Wampler T P. Determination of polymer additives using analytical pyrolysis［J］.J Anal Appl Pyrol，2007，79（1/2）：353-361.

［6］ 王華英，張隱峰，應(yīng)俊揚(yáng). 萃取-氣相色譜法測(cè)定順丁橡膠中抗氧劑264含量［J］.橡膠科技，2013，11（3）：42-46.

［7］ 周相娟，趙玉琪，李偉，等. 氣相色譜/質(zhì)譜法檢測(cè)食品塑料包裝材料中三種抗氧劑［J］.食品工業(yè)科技，2010（9）：288-289，297.

［8］ Garrido-López A，Sancet I，Monta?o P，et al. Microwaveassisted oxidation of phosphite-type antioxidant additives in polyethylene fi lm extracts［J］.J Chromatogr，A，2007，1175（2）：154-161.

［9］ Moreta C，Tena M T. Determination of plastic additives in packaging by liquid chromatography coupled to high resolution mass spectrometry［J］.J Chromatogr，A，2015，1414：77-87.

［10］ 吳漪，曲亞南. HPLC法測(cè)定三層共擠輸液用袋中抗氧劑1010、抗氧劑330、抗氧劑1076含量［J］.塑料包裝，2015，25（5）：30-33.

［11］ 徐永威. WatersACQUITYUPC2儀器結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)［J］.現(xiàn)代儀器，2012，18（5）：45-48.

［12］ 張?jiān)?，杜振霞，于文? 超高效超臨界色譜分析聚合物制品中的7種添加劑［J］.色譜，2014，32（1）：52-56.

（編輯 王 萍）

Rapid determination of 15 antioxidants in polyolefins by ultra-performance convergence chromatography

Liu Jing，Sun Shuqi，Huang Wenqing，Zhang Mingsen

（Sinopec Beijing Research Institute of Chemical Industry，Beijing 100013，China）

A method，namely ultra-performance convergence chromatography(UPC2)，for rapid determination of 15 antioxidants commonly used in polyolefins was established. The effects of chromatographic columns，mobile phase additives，column temperature，automatic back pressure regulators and diluting solvents on the separation of the 15 antioxidants were investigated. It was showed that，under the optimized conditions of ACQUITY UPC2CSHTMBEH 2-EP(100 mm× 3.0 mm，1.7 μm) as the column，the mixture of methanol/acetonitrile(volume ratio of 1∶1) as the mobile phase additive，1.5 mL/min as the fl ow rate，40 ℃ as the column temperature，12.41 MPa as the automatic back pressure regulator and chloroform as the diluting solvent，the full baseline separation of the 15 antioxidants was achieved in 4.5 min. Some polyolefin samples were pretreated by ultrasoundassisted extraction and analyzed by UPC2. The external standard method was used for the quantitative determination and the calibration curve showed good linearity in the concentration range of the 15 antioxidants of 2-100 mg/L. The limits of quantification were in the range of 0.5-1.0 mg/L.

polyolefins；antioxidants；ultra-performance convergence chromatography；photodiode array detector

1000-8144（2017）03-0364-07

O 657.7

A

10.3969/j.issn.1000-8144.2017.03.017

2016-09-22；［修改稿日期］2016-12-09。

劉靜（1984—），女，山東省泰安市人，博士，工程師，電話 010-59202147，電郵 liuj.bjhy@sinopec.com。