木材及木制品中有机锡的测定气相色谱Word下载.docx
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化学劣化
污染、变色
化学试剂（酸、碱、金属等）
耐化学腐蚀性
机械劣化
变形、疲劳龟裂等
载荷、重复载荷、振动、磨耗
耐磨性、耐疲劳性
其他
射线等
有机锡防腐剂属于有机溶剂防腐剂，是60年代发展起来的新型木材防腐剂，1959年首先在英国使用，它不仅能预防真菌和昆虫对木材的危害，而且抵抗海生钻孔动物的效果也很好，其中防腐防虫效果最好、使用广泛的是三丁基氧化锡（TBTO）和三丁基醋酸锡（TBTA）。
与其它防腐剂相比，有机锡对败坏木材生物的毒杀能力更强，如比煤杂酚油大几百倍，比五氯苯酚大20倍，且毒效期长，所以实际上对人体接触、生态环境的毒性更小，但木材却不发生腐蚀，浓度为0.3%~2.0%的有机锡-煤油溶液即可成为有效的木材防腐剂。
有机溶剂防腐剂中不含水分，最大优点时在处理过程中不影响木材的含水率和尺寸，可以直接处理各种形状的终端木材产品，而无需二次加工，因此大多用于尺寸要求比较严格的关键部位。
有机锡化合物具有高度或中毒毒性，环境中极低含量的有机锡即能对生物产生毒性影响。
有机锡化合物具有脂溶性，易进入生物体，并通过食物链、直接接触等方式进入人体，对人体神经系统、胆管、肝脏、皮肤和内分泌系统均有毒害和影响。
目前有机锡化合物污染己引起世界普遍关注，许多国家制订了相关法规限制其使用。
欧盟的“危险品指令”明确规定，凡含有有机锡化合物的产品必须根据其浓度范围以标签注明——浓度大于或等于0.25%但小于1%时（以锡的浓度计），标明“有害”；
大于或等于1%时，标明“有毒”。
三丁基锡和三苯基锡是欧盟近期关注并准备实施“RoHS”指令的环境管理物质，主要管理对象为涂料、墨水、防腐剂、防锈剂等。
欧洲化学品管理署（ECHA）已正式将三丁基氧化锡列为15种高度关注物质（SVHC）之一，纳入授权使用的候选物质清单，用途主要为木材防腐剂，如果产品中含有该物质，并且含量超过0.1％，则产品供应商需要向客户和消费者提供产品的安全使用信息。
此外，从2011年6月1日起，生产商和进口商在某些情况下，有责任向欧洲化学品管理局（ECHA）进行通报。
联合国粮农组织和世界卫生组织规定，三丁基锡的人体每日可容忍吸收量（TDI）为0.5μg/kgbwd。
随着使用范围的不断扩大，对有机锡化合物的研究也日益增多。
近20年内，研究内容主要集中在生态环境污染、生物毒性作用、工业产品添加及检测方法四个主要方面。
在工业产品添加领域，防污涂料、纺织品抗菌剂、塑料热稳定剂中有机锡的使用均已受到普遍关注，但在木材及木制品中有机锡防腐剂检测方面的研究相对较少，特别是在国内，有机锡防腐剂使用量不大，因此相关研究报道也很少见。
目前，仅国外针对有机锡防腐剂发布了一些检测标准，如《BS5666-7:
1991木材防腐剂及防腐木材第7部分丁基锡氧化物防腐剂的定量分析：
总锡测定》、《DD257-2:
2003木材防腐剂及防腐木材检测方法第2部分丁基锡氧化物防腐剂溶液及防腐木材定量分析：
一丁基锡、二丁基锡、三丁基锡测定》、《JISK1571:
2004木材保存剂的性能试验方法及其性能基准》，其中主要是采用灰化或回流萃取的方式提取木材中的总锡或丁基锡，然后以极谱法、薄层色谱法、原子吸收光谱法、比色法等方式定量测定。
随着前处理手段及检测方法的日益更新，亟待建立更简便快捷的提取方法及准确度更高、检出限更低的定量测定方法。
本研究经过大量实验，优化木材及木制品中有机锡化合物的提取条件，建立了乙醇超声提取、气相色谱-质谱定量测定方法。
本方法操作简单、准确度高、重现性好，能够满足实际检测需要。
3实验部分
3.1仪器与装置
气相色谱-质谱联用仪，7890A-5975C（带EI源），7683自动进样器，化学工作站，NIST质谱谱库，美国安捷伦科技公司。
配备DB-5非极性色谱柱。
重型切割式研磨仪，SM2000，RETSCH公司。
液氮冷冻研磨机，SPEX-6870，美国TKI公司。
超声波可控清洗器，KQ2200B，80W，昆山市超声仪器有限公司。
电子天平，XS205，METTLERTOLEDO公司。
真空旋转蒸发仪，V700，BUCHI公司。
酸度计，PH510，EUTECH公司。
纯水仪，Milli-Q，MilliPore公司。
3.2材料与试剂
3.2.1标准物质
4种有机锡标准物质，均购自德国Dr.EhrenstorferGmbH公司，信息见表2。
表2有机锡标准物质信息
化合物名称
英文名称
缩写
CASNo.
化学分子式
分子量
一丁基三氯化锡
Butyltintrichloride
MBT
1118-46-3
C4H9Cl3Sn
282.17
二丁基二氯化锡
Dibutyltindichloride
DBT
683-18-1
（C4H9）2Cl2Sn
303.83
三丁基氯化锡
Tributyltinchloride
TBT
1461-22-9
（C4H9）3ClSn
325.49
三苯基氯化锡
Triphenyltinchloride
TPhT
639-58-7
（C6H5）3ClSn
385.46
3.2.2试剂
乙醇、四氢呋喃、正己烷等均为ACS/HPLC纯，Burdick&
Jackson公司。
乙酸、乙酸钠均为分析纯，天津市化学试剂三厂。
乙酸-乙酸钠缓冲溶液，用去离子水配置1mol/L乙酸钠溶液，根据不同的pH要求、以不同的比例与乙酸混合。
四乙基硼酸钠，98%，INTERNATIONALLABORATORYUSA。
衍生化试剂，2%四乙基硼酸钠溶液，使用当天用去离子水配置。
双三丁基氧化锡（TBTO），97%，AlfaAesar公司。
TBTO防腐剂溶液，浓度分别为2%，以甲醇配置，冰箱中冷藏保存。
三丁基醋酸锡（TBTA），98%，AlfaAesar公司。
3.2.3标准溶液配制
标准储备溶液浓度以有机锡阳离子浓度计。
准确称取相应质量的标准品，用甲醇定容于100mL容量瓶，标准储备溶液浓度为1000mg/L。
具体配制方法见表3。
标准储备溶液以棕色硅烷化反应瓶盛装，置于4℃冰箱中避光保存，使用有效期为6个月。
表3标准储备溶液配置方法（以有机锡阳离子计）
化合物
有机锡阳离子浓度（mg/L）
有机锡氯化物与阳离子换算系数
定容体积（mL）
称样量（g）
相当于有机锡阳离子质量（g）
1000
177/282
100
0.1593
0.1000
234/304
0.1299
291/326
0.1120
351/386
0.1100
移取一定量的标准储备溶液，用甲醇稀释至有机锡阳离子浓度分别为0.1、0.5、1.0、5.0、10、20mg/L，作为标准工作溶液。
标准工作溶液应置于4℃冰箱中避光保存，使用有效期为1个月。
3.2.4实验器具与耗材
滤膜，0.22μm，NYLON，WHATMAN公司。
容量瓶、三角瓶等玻璃量器，每次使用后用水冲洗，超声清洗2h，再用水冲洗后置于10%硝酸中浸泡12h以上，最后再取出用热水、蒸馏水、去离子水分别冲洗干净，烘干或自然晾干待用。
3.2.5阳性样品的制备
在各类木材及木制品材质中，收集了黑胡桃、白橡木、松木、沙贝利、曲柳、泰柚、楸木等7种天然原木及胶合板、细木工板、定向刨花板、复合地板等4种人造板材。
本方法以使用量相对较多的松木作为天然原木代表性样品、以胶合板作为人造板材代表性样品，添加有机锡防腐剂，制备阳性样品。
阳性样品的添加量参数主要包括防腐剂保持量、防腐剂有效浓度及木材密度：
A.有机锡防腐剂的有效浓度一般为0.3~2.0%，因此选择添加0.1%、0.5%、2.0%三个水平。
B.有机锡化合物对败坏木材生物的毒杀能力很强，如：
保持量0.12~0.82kg/m3可有效防止地窖粉孢革菌；
保持量0.15~0.37kg/m3即可防止彩绒革盖菌等。
因此，选择最大值1kg/m3为添加保持量。
C.部分常见木材密度见表4，选择平均木材密度为0.5g/cm3。
表4常见木材密度
木材名称
密度（g/cm3）
红松
0.440
马尾松
0.533
云南松
0.588
红皮云杉
0.417
兴安落叶松
0.625
长白落叶松
0.594
四川红杉
0.452
臭冷松
0.384
铁杉
0.500
杉木
0.376
柏木
0.600
曲柳
0.686
榆木
0.584
白桦
0.607
楠木
0.610
柞木
0.766
软木
0.1~0.4
香樟
0.580
因此经计算，在100g木材中添加浓度水平分别为2.0%、0.5%、0.1%的TBTO防腐剂10mL，则相当于防腐剂保持量为1kg/m3的木材中分别含有2000mg/kg、500mg/kg、100mg/kg的TBTO。
制备添加TBTO防腐剂（2%）的阳性样品，含量为2000mg/kg，用于模拟实际防腐木材，进行样品前处理条件的优化。
制备添加4种有机锡标准品的阳性样品，含量分别为2000mg/kg、500mg/kg、100mg/kg，用于方法回收率与精密度试验、及实验室间验证。
具体制备步骤如下：
A.将空白木材样品用重型切割式研磨仪粉碎成木屑。
B.称取一定量的木屑于具塞圆底烧瓶中，加入适量有机锡溶液，并适量添加甲醇，以保证全部样品浸入液面。
C.将圆底烧瓶水浴振荡6小时，使木材充分吸收防腐剂。
D.再经旋转蒸发，低速将圆底烧瓶中的溶剂蒸发至近干。
E.将近干的木屑样品均匀的平铺在聚四氟乙烯托盘上，直至溶剂完全挥发，即得到所需阳性样品。
F.为进一步保证阳性样品的均匀性，用冷冻粉碎研磨机对样品进行深入粉碎并混匀。
3.3气相色谱测定条件
DB-5色谱柱，30m×
0.25mm×
0.25μm。
进样口温度250℃，压力3.38psi，不分流进样，进样量1μL。
载气流速1.5mL/min。
升温程序：
初始温度60℃，停留1min，以20℃/min升至280℃，停留5min。
溶剂延迟：
3min。
MSD传输线温度：
280℃；
离子源温度：
230℃；
电离方式：
EI；
电离能量：
70eV；
质量扫描范围：
40~500amu。
3.4样品处理方法
准确称取0.5g粉碎样品（精确至0.001g），加入10mL乙醇，超声提取60min，过滤后转移至100mL容量瓶中以乙醇定容。
准确移取1mL样品溶液于10mL比色管中，加入5mL乙酸缓冲溶液（pH5.0）、1mL四乙基硼酸钠溶液（2%）、1mL正己烷，超声30min，静置分层，提取上层有机相清液，经无水硫酸钠脱水、滤膜过滤后注入进样小瓶中待测。
4结果与讨论
4.1气相色谱条件优化
4.1.1升温程序的选择
4种烃基锡均属于长链烃，易于分离，且响应较好，后续升温程序只需满足各有机锡衍生物适当分离即可。
经优化试验，得到最佳分离效率的升温程序为：
初始温度60℃，保留1min，以20℃/min的速率升温至280℃，保留5min。
SCAN全扫描模式，扫描范围40-500amu。
SIM选择离子模式，选择离子条件见表5。
4种有机锡化合物标准溶液色谱图见1。
表5SIM选择离子条件
分组
保留时间/min
特征离子/amu
定量离子/amu
1
6.088
149；
179；
207；
235
179
2
7.316
235；
263
207
3
8.357
177；
263；
291
4
13.158
120；
197；
349；
351
图14种有机锡标准品的气相色谱图
4.1.2载气流速的选择
不同载气流速对有机锡的流出时间、分离效果均有很大影响。
分别选择载气流速为0.8、1.0、1.2、1.5mL/min，流速对比气相色谱图见图2。
由图中可见，流速越大、化合物的流出时间越短。
流速在1.5mL/min时分离峰丰度最大、峰形最好，因此选择载气流速为1.5mL/min。
图2载气流速对比
4.2质谱定性分析
锡有24种同位素，其中10种为稳定同位素，分别为Sn112（0.95%）、Sn114（0.65%）、Sn115（0.34%）、Sn116（14.24%）、Sn117（7.57%）、Sn118（24.01%）、Sn119（8.58%）、Sn120（32.97%）、Sn122（4.71%）、Sn124（5.96%）。
有机锡的质谱图为非常有特征的簇状峰，这对有机锡的定性分析非常重要。
通过有机锡的特征质谱图，结合对比标准物质保留时间及NIST质谱谱库，即可确定有机锡的形态，同时确认SIM选择离子模式的监测离子。
气相色谱-质谱分析的是乙基化的有机锡化合物，标准物质中的氯、实际防腐剂中的氧和醋酸根等，在衍生化反应过程中被乙基取代。
乙基的化学式为CH3CH2-，质量数为29。
丁基的化学式为CH3（CH2）3-，质量数为57。
从图3可以看出，121为[Sn+H]+；
149与Sn122质量数相差29，为1个乙基与Sn连接的碎片峰；
179与Sn122质量数相差57，为1个丁基与Sn连接的碎片峰；
207与[Sn120+H]+质量数相差86，为1个丁基、1个乙基与Sn连接的碎片峰；
235与Sn120质量数相差115，为1个丁基、2个乙基与Sn连接的碎片峰；
未发现2个丁基与Sn连接的碎片。
结合对比标准物质保留时间及NIST质谱谱库（图4），确认此物质为一丁基锡，SIM选择离子模式的监测离子为149/179/207/235；
定量离子为179。
图3MBT特征质谱图（6.081min）
图4MBT-NIST标准谱库
在MBT特征质谱图的基础上，从图5可以看出，与MBT离子碎片基本相同，不同的是含有最大碎片峰263，与Sn120质量数相差143，为2个丁基、1个乙基与Sn连接的碎片峰。
结合对比标准物质保留时间及NIST质谱谱库（图6），确认此物质为二丁基锡，SIM选择离子模式的监测离子为179/207/235/263；
定量离子为207。
图5DBT特征质谱图（7.313min）
图6DBT-NIST标准谱库
在MBT、DBT特征质谱图的基础上，从图7可以看出，与MBT、DBT离子碎片基本相同，不同的是含有最大碎片峰291，与Sn120质量数相差171，为3个丁基与Sn连接的碎片峰。
结合对比标准物质保留时间及NIST质谱谱库（图8），确认此物质为三丁基锡，SIM选择离子模式的监测离子为177/207/263/291；
图7TBT特征质谱图（8.355min）
图8TBT-NIST标准谱库
苯基的化学式为C6H5-，质量数为77。
从图9可以看出，120为Sn120；
197与Sn120质量数相差77，为1个苯基与Sn连接的碎片峰；
273与Sn119质量数相差154，为2个苯基与Sn连接的碎片峰；
351与Sn120质量数相差231，为3个苯基与Sn连接的碎片峰。
结合对比标准物质保留时间及NIST质谱谱库（图10），确认此物质为三苯基锡，SIM选择离子模式的监测离子为120/197/351；
定量离子为351。
图9TPhT特征质谱图（13.158min）
图10TPhT-NIST标准谱库
整体分析4种有机锡特征质谱图发现，苯基锡丰度最高的Sn同位素峰为质量数120，与《银矿地质普查》标准一致。
丁基锡的Sn同位素峰丰度最高的为质量数121，尽管Sn的10种稳定同位素中并无121同位素，但已有文献提出，推测质量数121为[Sn120+H]+。
在所有有机锡的质谱图上，最大质量数的簇状峰均不是该有机锡的分子离子峰，主要原因在于乙基化的有机锡为Sn连接四个烃基，长链烃基锡受到空间排阻作用，空间结构属于热力学不稳定结构，因此，分子进入离子源后，在高能电子流轰击下，最先断裂一个烃基而形成三烃基锡，因此长链烃基锡的最大质量峰均不是分子离子峰，而是三烃基锡碎片峰。
4.3衍生化条件优化
4.3.1衍生化试剂的选择
一般而言，有机锡化合物的毒性主要与其连接的有机基团密切相关，而其阴离子对此贡献不大，且环境中主要存在的氯化有机锡、溴化有机锡、氢氧化有机锡等形态难以气化，易损坏色谱柱，为获得挥发性更高、更稳定的化合物，使用气相色谱分离有机锡化合物时需要利用衍生化试剂将目标物转化为四烷基取代物或氢化物，仅保留其有机基团，而其阴离子及其他杂原子键在衍生期间均被裂解。
目前，有机锡检测常用的衍生化技术主要包括硼氢化钠（NaBH4）氢化、格氏试剂烷基化及四乙基硼酸钠（NaBEt4）乙基化三种方式。
A因生成的氢化物稳定性差，NaBH4氢化主要用于水基体的在线衍生方法，且存在干扰严重、氢化产率低及重复性差的缺点。
特别是对于甲基锡衍生反应，生成的甲基锡氢化物沸点低、易挥发，在常规气相色谱上难于分离，可行性差。
B格氏试剂包括甲基、乙基、丙基、丁基、戊基或己基多种类别，其优点在于可以用于水体、沉积物、生物样品等多种基质，衍生成易挥发、热力学稳定的四烷基有机锡化合物，衍生效率高，回收率好，衍生产物可长期保存，适用于检测稳定性差的苯基锡及甲基锡。
但其缺点是需要分析步骤复杂，如通过淬灭破坏格林试剂、反萃取混合的四烷基锡等，分析步骤的增多大大提高了污染、分解和损失的可能性，从而严重影响检测结果的准确性。
C近年来，四乙基硼酸钠乙基化已成为应用最广泛的衍生反应，实现了原位衍生、并同步将乙基化有机锡直接萃取至己烷等有机相中，避免了格林试剂衍生中试剂络合等复杂步骤，及氢化衍生产生的甲基锡氢化物等只能使用低温色谱检测的问题，对于甲基锡、丁基锡、苯基锡等均可获得较高的衍生效率。
综合考虑三种衍生化方法及分析目标物质，本方法最终选择四乙基硼酸钠乙基化衍生反应。
4.3.2衍生化试剂用量及缓冲溶液pH的选择
衍生化试剂浓度并不能显著影响衍生效率，根据现有研究，确定衍生化试剂浓度为2%。
除此之外，衍生化试剂用量及溶液的反应pH值是影响衍生效果的重要参数。
衍生化试剂用量一般要求过量加入即可满足衍生需要，但从检测成本考虑，也不宜过多。
反应溶液酸度可以通过选择合适的缓冲溶液（如：
醋酸-醋酸钠缓冲溶液）来实现反应体系的最佳酸度，pH值一般设置为4~5，酸性过强将使部分四乙基硼酸钠转化为硼氢化钠，因此而产生有机锡氢化物，但对于固体样品中有机锡的萃取应稍偏酸性。
因衍生化试剂呈强碱性，尽管试样中已加入缓冲溶液，但加入不同体积的衍生化试剂后仍会导致溶液反应pH值的变化出现一定差异，因此同步优化衍生化试剂用量与溶液最佳反应pH两个影响参数，将得到最佳衍生化条件。
移取1mL混合标准溶液（20mg/L），加入5mLpH值分别为3~6的乙酸-乙酸钠缓冲溶液，将衍生化试剂用量分别设置为（0.5~3.0）mL，然后超声反应30min，以1mL正己烷提取，GC/MS测定提取液中的4种化合物并计算峰面积（表6），以三平行的平均结果计（n=3）。
表6衍生化试剂用量及缓冲溶液pH优化试验结果（n=3）
pH
NaBEt4（2%）
0.5mL
1.0mL
1.5mL
2.0mL
2.5mL
3.0mL
84×
104
185×
257×
243×
166×
145×
122×
231×
235×
179×
133×
94×
5
171×
290×
150×
165×
76×
57×
6
177×
118×
27×
30×
26×
73×
155×
222×
234×
121×
120×
114×
199×
193×
130×
103×
89×
123×
112×
95×
41×
137×
87×
54×
21×
19×
13×
211×
226×
153×
106×
126×
195×
158×
128×
110×
220×
132×
92×
108×
66×
35×
24×
61×
29×
55×
45×
51×
18×
44×
74×
34×
11×
16×
32×
22×
5×
6×
从数据结果可以看出，加入0.5mL衍生化试剂时，在任何pH条件下衍生效果均不完全，且在pH6时由于碱性增强，衍生效果已不再继续提高；
在加入1.0mL衍生化试剂后，DBT、TBT在1.0mLNaBEt4/pH5、1.5mLNaBEt4/pH3、2.0mLNaBEt4/pH3三个条件下的峰面积最大且基本相同，MBT、T
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