质谱仪-Mass VOCs-密室中的隐形杀手

Volatile organic compounds (VOCs)，挥发性有机化合物,是指多种亦挥发性有机化合物的总称。在制造产品过程中常使用的溶剂，如：甲醛、甲苯、二甲苯、正丁醇、乙酸乙酯…等，都包含在VOCs里头，长期处于高密度VOCs环境之中，除了容易出现身体不适、恶心等症状，更容易引发癌症等重大疾病。

近年来，环保意识抬头，许多欧美国家或是跨国企业对于消费性产品的规范越来越严格，除了重金属、卤素之外，对产品中总挥发性有机化合物(TVOCs)释放量率的规范也越来越严苛，像是三星对于产品的验收条件就增加了VOCs(TVOC)的测试，其要求如下：

1. 先做TVOC测试，若浓度小于20ppm则通过
2. 若TVOC结果大于或等于20ppm，则进行苯、甲苯、甲醛及磷化氢检验。

VOCs影响的是空气的品质，因此大部分使用或存放在密闭空间的产品都必须通过VOCs的测试，像是对于涂料、家具以及汽车内部装潢等，都已经有许多标准的规范。对于这种多成分气体样品，使用气相层析法(GC, gas chromatography)检验。 GC的工作原理为：混合物瞬间加热，将产生的气体通入管柱中，进行分离，再由侦测器得知不同的成分，不论是定量或是定性上都是相当有利的分析工具；而VOCs容易挥发的特性，是相当适合使用GC做为检测的方式。

GC的检测通常会搭配前处理方法，在VOCs的规范中，常见的是热脱附(TD)和顶空(Head space)进样。热脱附用于分子量小，不易捕集的易挥发性化合物；顶空法常用来测量苯烃类的VOCs。顶空法的采样方式较TD简单，将样品置入顶空瓶后，在一定的温度下恒温一段时间后(温度和时间须遵循规范方法)，将顶空瓶内的气体通入GC进行分析(图一)。
 

图1、顶空示意图	图2、汽车内装VOCs检测

黏着剂、建筑涂料中，含有许多易挥发性有机溶剂，其中乙酸乙酯、甲苯等物质是常见的原料。我们也可以使用顶空法，直接分析产品中VOCs成分与含量。将欲分析的涂料倒入顶空瓶中(图4)，使用恰当的温度进行分析。图3是以图4中的涂料样品进行顶空-GC-MS检验，分析出涂料易散气体中含有乙酸乙酯(Ethyl Acetae)和甲苯(Toluene)等易挥发性有机物质。此外，也可以利用二甲苯(Xylene)标准品，进行半定量(图4)。顶空进样的实验温度不会太高，尽量低于主溶剂成分，避免大量主溶剂逸散，造成分离分析效果不差。
 

图3、GC图谱-涂料样品使用顶空-GC/MS分析	图4、GC图谱-涂料样品中二甲苯含量测试

空调电子产品(冷气、空气清净机)中，除了滤网之外的零件也会吸附一些物质，为了确保室内空气的品质，我们针对滤网零件上的塑胶才进行VOCs分析。除了液体样品，固体样品也可以使用顶空装置分析，减少前处理的步骤与气体采样的麻烦。直接将固体样品放入顶空瓶中(图6)，在一定时间下恒温后，使用顶空装置内的Trap(Tenax TR,TA)吸附逸散出的气体，再使用JEOL JMS-Q1000GC GC/ MS分析(JEOL JMS-Q1000GC，图5)。

分析条件与分析结果如下:

Condition of GC/MS
Column	DBWAX 30mX0.25mmX0.25um
Oven	40℃(5min)-10℃/min-250℃(3min)
Column Flow	2 mL/min
Ionization Energy	70 eV
Ionization Current	200 uA
Ion Source Temp.	230℃
GCITF Temp.	230℃
SCAN Range	29-500(m/z)

 

Condition of Headspace
Sampling Mode	Trap
Trap	GL Trap 1
Extraction Times	3 times
Vial volume	22 mL
Sampling weight	0.3 g
Sampling Temp.	80℃
Sampling Time	30 min

 

以DBWAX管柱分离逸散气体，得知内含二甲苯、苯乙烯、苯甲醛、柠檬烯、1,3-二氯苯、苯甲醛、2-乙基己醇、苯酚…等成分。从此次分析结果，我们发现空气清净机内部会随着使用时间的增加，吸附部分有害物质。此外，我们也可以藉由这些吸附的物质得知室内空气的污染程度与品质。

顶空进样方式适合应用于多种样品型态的VOCs测试，且许多标准规范方法也采用顶空进样。对于高挥发性的烃类、含苯环化合物，使用顶空进样方式可有效且精确的分析，再搭配自动进样装置更能减少人力且自动化分析，是相当具有经济效力且必要的分析工具。