質譜儀-Mass VOCs-密室中的隱形殺手-頂空進樣

Volatile organic compounds (VOCs)，揮發性有機化合物,是指多種亦揮發性有機化合物的總稱。在製造產品過程中常使用的溶劑，如：甲醛、甲苯、二甲苯、正丁醇、乙酸乙酯…等，都包含在VOCs裡頭，長期處於高密度VOCs環境之中，除了容易出現身體不適、噁心等症狀，更容易引發癌症等重大疾病。

近年來，環保意識抬頭，許多歐美國家或是跨國企業對於消費性產品的規範越來越嚴格，除了重金屬、鹵素之外，對產品中總揮發性有機化合物(TVOCs)釋放量率的規範也越來越嚴苛，像是三星對於產品的驗收條件就增加了VOCs(TVOC)的測試，其要求如下：

1. 先做TVOC測試，若濃度小於20ppm則通過
2. 若TVOC結果大於或等於20ppm，則進行苯、甲苯、甲醛及磷化氫檢驗。

VOCs影響的是空氣的品質，因此大部分使用或存放在密閉空間的產品都必須通過VOCs的測試，像是對於塗料、傢俱以及汽車內部裝潢等，都已經有許多標準的規範。對於這種多成分氣體樣品，使用氣相層析法(GC, gas chromatography)檢驗。 GC的工作原理為：混合物瞬間加熱，將產生的氣體通入管柱中，進行分離，再由偵測器得知不同的成分，不論是定量或是定性上都是相當有利的分析工具；而VOCs容易揮發的特性，是相當適合使用GC做為檢測的方式。

GC的檢測通常會搭配前處理方法，在VOCs的規範中，最常見的是熱脫附(TD)和頂空(Head space)進樣。熱脫附用於分子量小，不易捕集的易揮發性化合物；頂空法常用來測量苯烴類的VOCs。頂空法的採樣方式較TD簡單，將樣品置入頂空瓶後，在一定的溫度下恒溫一段時間後(溫度和時間須遵循規範方法)，將頂空瓶內的氣體通入GC進行分析(圖一)。
 

圖1、頂空示意圖	圖2、汽車內裝VOCs檢測

黏著劑、建築塗料中，含有許多易揮發性有機溶劑，其中乙酸乙酯、甲苯等物質是常見的原料。我們也可以使用頂空法，直接分析產品中VOCs成分與含量。將欲分析的塗料倒入頂空瓶中(圖4)，使用恰當的溫度進行分析。圖3是以圖4中的塗料樣品進行頂空-GC-MS檢驗，分析出塗料易散氣體中含有乙酸乙酯(Ethyl Acetae)和甲苯(Toluene)等易揮發性有機物質。此外，也可以利用二甲苯(Xylene)標準品，進行半定量(圖4)。頂空進樣的實驗溫度不會太高，儘量低於主溶劑成分，避免大量主溶劑逸散，造成分離分析效果不差。
 

圖3、GC圖譜-塗料樣品使用頂空-GC/MS分析	圖4、GC圖譜-塗料樣品中二甲苯含量測試

空調電子產品(冷氣、空氣清淨機)中，除了濾網之外的零件也會吸附一些物質，為了確保室內空氣的品質，我們針對濾網零件上的塑膠才進行VOCs分析。除了液體樣品，固體樣品也可以使用頂空裝置分析，減少前處理的步驟與氣體採樣的麻煩。直接將固體樣品放入頂空瓶中(圖6)，在一定時間下恒溫後，使用頂空裝置內的Trap(Tenax TR,TA)吸附逸散出的氣體，再使用JEOL JMS-Q1000GC GC/ MS分析(JEOL JMS-Q1000GC，圖5)。

分析條件與分析結果如下:

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管柱分離逸散氣體，得知內含二甲苯、苯乙烯、苯甲醛、檸檬烯、1,3-二氯苯、苯甲醛、2-乙基己醇、苯酚…等成分。從此次分析結果，我們發現空氣清淨機內部會隨著使用時間的增加，吸附部分有害物質。此外，我們也可以藉由這些吸附的物質得知室內空氣的污染程度與品質。

頂空進樣方式適合應用於多種樣品型態的VOCs測試，且許多標準規範方法也採用頂空進樣。對於高揮發性的烴類、含苯環化合物，使用頂空進樣方式可有效且精確的分析，再搭配自動進樣裝置更能減少人力且自動化分析，是相當具有經濟效力且必要的分析工具。