自动化,高通量Vocus PTR-TOF材料VOCs释放分析

headspace analysis Using PTR-TOF

Liang Zhu, Wen Tan, Rui Li
TOFWERK, Thun, Switzerland

因种类和质量的参差不齐,材料物料可能会释放有毒或者异味或兼具的化学物质。这些挥发性气体,哪怕浓度很低,对生产过程中的生产安全和产品质量都可能会带来潜在的负面影响。因此对上述材料释放出的痕量气体的定性和定量测量非常重要。一般的标准分析方法是采用色谱质谱GC-MS分析吸附管所采集到的的气体样品:这种处理方法通常耗时耗力,需要标准物质进行定性定量,对含氧或者其他杂化原子等异味分子有较差的选择性,而且不易与其他方法研究进行对比。

Vocus PTR-TOF能够在数秒内对多种类的,超低浓度(亚pptV级别)的VOCs进行全谱检测。就材料物料检测而言,Vocus PTR-TOF提供了实时的排放因子信息,尤其是在有较大数量样品需要检测的场景下。配置PAL自动顶空采样系统可大大简化和加速样品分析过程,从而实现自动化高通量分析。

耦合有PAL自动进样系统的Vocus PTR-TOF的分析能力每小时可达几十上百个样品。同时,自动进样器的软件也被集成到Vocus PTR-TOF的采集端来进行数据获取和控制,给终端用户带来操作上的便利。

本次测试中,我们共选择并测试了12种聚氨酯(PU)材质的人造皮革样品和2种发泡材料样品。从文献综述中可以得知,除酮类、醛类、芳香烃和胺类外,PU材料中还可能会释放出生产过程残留下的二甲基甲酰胺。长期暴露在含有这些化合物的环境中会让人体产生有毒二次代谢物并带来潜在的肝损伤。

图1. 测试中所选的人造皮革材料样品和发泡材料样品一览

传统的分析方法的单个样品进样和分析通常需要10到60分钟,而Vocus PTR-TOF可以亚秒级的时间分辨率对多物种的有害物因子进行定性定量。上述14个样品全部测完只需要40分钟,这当中还包含了自动进样器的采样臂在样品和仪器进样口之间的运动时间、样品平衡时间和空白样测量时间。图2中用三维图的形式展示了从各样品顶空气体采集到的部分VOCs及其浓度信息。从图中可见,各样品的VOCs‘指纹’存在较大差异。

常见VOCs,例如丙烯醛、乙醛或丙酮等通过精确质量来进行鉴别,样品之间的浓度差别也非常明显。此外,在F1样品中检测到了较高浓度的甲酰胺和C5H10N2 (暂且定性为吡唑啉或咪唑啉)。其中D28和D39A样品所释放的甲苯相对于其他样品较为显著。

图2. 人造皮革样品(A5, A9, A16, B1, B10, B15, C4, C21, D19, D28, D39A和 D53)和发泡材料样品(F1和F2)所释放的部分节选VOCs及浓度信息

自动进样Vocus PTR-TOF系统能够轻松的应用到VOCs排放的长周期监测中。图3展示了14种样品中在长达34个小时的测量周期内环己烯浓度随着时间的变化序列。该实验完全自动运行,期间无人为干预。F2样品释放的环已烯呈现出一个明显的递减特征,说明F2样品的表面可能受到了一定的环已烯污染。作为对比,其他样品释放的环已烯在34小时内相对比较稳定。

类似的高通量,快速采样分析系统可为其他领域的应用提供思路,如流水线产品质控或实验室反应釜内部VOCs实时在线监测等。Vocus PTR-TOF可靠的定性和定量能力,使之能成为高通量样品质量控制、特征物料快速筛选、研发过程中快速反馈材料VOC释放水平、以及揭示材料挥发性有害物释放随外部条件变化的理想分析平台。

图3. 人造皮革和发泡材料的长时间观测(34个小时里43次重复测量)。每次循环都包含对14种样品顶空和2个空白样的采样(减少可能的高浓度采样后带来的系统残留)。F2样品中检测到的环已烯(蓝色,C10H16)随着采样时间有着明显的衰减,而其他样品则表现相对稳定。

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