混合無機(jī)酸消解-固相萃取-高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法分析貝類殼體中的3種全氟磺酸化合物

楊 錦, 汪 磊, 陳 晨, 張 姣, 孫紅文

(環(huán)境污染過程與基準(zhǔn)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南開大學(xué)),天津300071)

混合無機(jī)酸消解-固相萃取-高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法分析貝類殼體中的3種全氟磺酸化合物

楊 錦, 汪 磊＊, 陳 晨, 張 姣, 孫紅文

(環(huán)境污染過程與基準(zhǔn)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南開大學(xué)),天津300071)

建立了采用混合無機(jī)酸消解-固相萃取(SPE)-高效液相色譜-電噴霧電離串聯(lián)質(zhì)譜(HPLC-ESI-MS/MS)分析貝類殼體中的3種全氟磺酸化合物的方法。將貝殼粉經(jīng)硝酸/鹽酸混合酸消解,用氫氧化鈉調(diào)節(jié)消解液的pH值至6后采用Oasis WAX固相萃取柱富集凈化,然后采用內(nèi)標(biāo)法通過HPLC-ESI-MS/MS在分時(shí)段選擇反應(yīng)監(jiān)測(cè)模式下分析上述全氟磺酸化合物。結(jié)果表明,該方法對(duì)于貝殼中全氟丁烷磺酸、全氟己烷磺酸和全氟辛烷磺酸的檢出限(LOD)分別為0.28,0.42和0.43ng/g,加標(biāo)回收率為94.88%～96.24%。采用此方法對(duì)渤海灣兩種雙殼貝類殼體進(jìn)行的采樣分析也表明,貝殼中3種目標(biāo)污染物的含量范圍為

混合酸消解;固相萃取;高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜;全氟磺酸;貝類殼體

Abstract:For the analysis of perfluorobutane sulfonate(PFBS),perfluorohexane sulfonate(PFHxS)and perfluorooctane sulfonate(PFOS)in shells,an extraction method of mixed inorganic acid digestion coup led with solid phase extraction(SPE)was established.The target com pounds were determ ined by high performance liquid Chromatography-tandem mass spectrometry(HPLC-MS/MS).The shell pow derwas at first digested with the mixture of nitric acid and hydrochloric acid,then the digestion solution was adjusted to pH6with sodium hydroxide,and cleaned up with Oasis WAX SPE cartridge.The perfluoro sulfonated Chemicals were quantified with HPLC-MS/MS using electrospray ionization in negativeionmode with internal standard method.The limits of detection(LOD s)were of0.28ng/g for PFBS,0.42ng/g for PFHxS and0.43ng/g for PFOS,and matrix recoveries of the perfluoro sulfonated Chemicals were 94.88%-96.24%.The analytical results for the shells of two bivalves from Bohai Bay show ed this p retreatment method is suitable for the determination of perfluoro sulfonated acids(PFSAs)in shells.Concentrations of PFSAs in the shells ranged from

Key words:mixed acid digestion;solid phase extraction(SPE);high performance liquid Chromatography-tandem mass spectrometry(HPLC-MS/MS);perfluoro sulfonated Chemicals;shells

以全氟辛烷磺酸(PFOS)為代表的全氟磺酸類化合物是全氟化合物中的一類重要物質(zhì),它們被廣泛應(yīng)用于紡織、造紙、包裝、農(nóng)藥、地毯、皮革、裝潢、聚合物添加劑、表面活性劑及滅火泡沫等民用和工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)領(lǐng)域[1]。含全氟磺酸化合物產(chǎn)品的大量使用使其以各種途徑進(jìn)入全球范圍內(nèi)的各種環(huán)境介質(zhì),尤其是水體中[2]。該類物質(zhì)由于具有表面活性劑性質(zhì),含有水溶性官能團(tuán),在水中的溶解度大(如PFOS為570m g/L),因此能在水體中大量長(zhǎng)期存在,造成海水、地下水和飲用水水源污染[3]。PFOS等長(zhǎng)碳鏈全氟磺酸化合物在環(huán)境和生物體內(nèi)具有不分解性和高蓄積性,因此易于隨食物鏈的傳遞在生物機(jī)體內(nèi)富集和放大至相當(dāng)高的濃度,OSPAR(Oslo-Paris Commission,保護(hù)東北大西洋海洋環(huán)境公約)指出PFOS在全魚中的生物富集因子高達(dá)2 796[4]。目前在許多動(dòng)物組織和人體中發(fā)現(xiàn)了PFOS的存在[5-7]。全氟磺酸類物質(zhì)已經(jīng)成為備受關(guān)注的一類重要的全球性污染物,PFOS甚至被列入《斯德哥爾摩公約》新一批持久性有機(jī)污染物(PO Ps)名單中[8]。貝類作為人類膳食的一個(gè)重要來源,其可食用部分主要是軟組織部分。對(duì)于貝類等生物體的軟組織中全氟化合物的分析方法已經(jīng)有較多研究。作為一種典型的生物礦物質(zhì),貝類殼體作為動(dòng)物飼料和寵物食品中的鈣添加劑被廣泛使用,甚至有時(shí)貝殼粉也被用作人類藥物和保健品的生物鈣源。因此貝殼中的污染物,也有很大機(jī)會(huì)進(jìn)入人類食物鏈,甚至直接被人體攝入。然而,對(duì)于貝類殼體這類生物“硬組織”中全氟化合物分析方法的研究,目前尚未見報(bào)道。

本研究建立了混合無機(jī)酸消解-固相萃取(SPE)法提取貝類殼體中全氟磺酸類化合物的前處理方法,并采用高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜聯(lián)用儀(HPLC-MS/MS)對(duì)海洋貝類殼體中的全氟磺酸類化合物進(jìn)行了分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Waters2695Separations Module高效液相色譜儀及Quattro Micro API三重四極桿串聯(lián)質(zhì)譜儀(Waters Corporation,Milfor,MS,USA)。Oasis WAX SPE小柱(6mL/150m g,Waters Corporation,Milfor,MS,USA)。

全氟丁烷磺酸(perfluorobutane sulfonate,PFBS,98%(純度)),全氟己烷磺酸(perfluorohexane sulfonate,PFHxS,98%(純度))和全氟辛烷磺酸(perfluorooctane sulfonates,PFOS,99%(純度))均購(gòu)自Sigm a-Aldrich Chemical,St Louis,MO,USA。內(nèi)標(biāo)物13C4-標(biāo)記的PFOS鈉鹽(sodium perfluoro-1-[1,2,3,4-13C4]octanesulfonate,13C4-PFOS,>98%)購(gòu)自W ellington Laboratories,Guelph,Ontario,Canada)。實(shí)驗(yàn)中使用的甲基叔丁基醚(m ethyl tert-butyl ether,M TBE)、丙酮、甲醇、乙酸和醋酸銨均為色譜純?cè)噭?/p>

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品

提取方法的建立和優(yōu)化使用從某貝殼粉加工廠購(gòu)得的天然貝殼粉,該貝殼粉原料為產(chǎn)自渤海灣的牡蠣殼和蛤殼。

驗(yàn)證提取方法所采用2種實(shí)際貝類樣品分別為采自渤海灣的花蛤(clam,Variegate venus)和縊蟶(razor clam,Solen strictus),其殼體和軟組織分別經(jīng)過清洗、凍干后,研磨成粉備用。

1.3 提取方法

為了消除生物礦物結(jié)構(gòu)對(duì)貝殼中全氟磺酸化合物提取效果的影響,實(shí)驗(yàn)中采用混合無機(jī)酸消解[9]結(jié)合SPE法作為貝殼粉的前處理方法。向5.0g貝殼粉中加入5mL50%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))HNO3和10mL 20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))HC l,置于250mL聚丙烯燒杯中超聲混合2h。此后用超純水稀釋至100mL,并用N aOH溶液調(diào)pH至6。提取液過0.45μm尼龍濾膜過濾,并采用2mL甲醇對(duì)濾膜上殘留物進(jìn)行沖洗,將洗液并入提取液中。在每份提取液中分別加入5ng內(nèi)標(biāo)物質(zhì)13C4-PFOS。提取液用Oasis WAX SPE小柱進(jìn)行富集處理。

SPE柱依次使用4mL含0.1%醋酸銨的甲醇溶液和4mL超純水進(jìn)行活化,之后使水樣以1滴/s流速通過SPE柱,在此過程中避免SPE柱干燥,之后加入4mL25mmol/L醋酸緩沖溶液(pH 4)進(jìn)行淋洗,并抽真空20m in以使SPE柱干燥。SPE柱用4mL含0.1%醋酸銨的甲醇溶液洗脫,洗脫液置于15mL聚丙烯(PP)離心管中,氮吹并采用甲醇定容到1mL,經(jīng)0.22μm尼龍濾頭過濾后轉(zhuǎn)移至自動(dòng)進(jìn)樣瓶中。

同時(shí),實(shí)驗(yàn)中還采用有機(jī)溶劑甲醇、丙酮和M TBE對(duì)貝殼粉中的全氟磺酸化合物進(jìn)行了直接提取,即用10和5mL有機(jī)溶劑分兩次對(duì)5.0g貝殼粉進(jìn)行12h提取,并將提取液合并濃縮,將其提取結(jié)果與酸消解-SPE的提取結(jié)果進(jìn)行比較。

此外,研究還參照Taniyasu等[10]的提取方法,采用M TB E提取結(jié)合SPE的方法對(duì)貝類軟組織中的全氟磺酸化合物的濃度進(jìn)行了分析。向1.0g軟組織樣品中加入10mL M TBE(含5ng13C4-PFOS),在30℃下超聲提取2h,離心移出上清液后再使用5mL M TB E重復(fù)提取過程,將合并的上清液氮吹至干后用2mL甲醇重新溶解,再用超純水稀釋至100mL,經(jīng)0.45μm尼龍濾膜過濾后使用與貝殼粉相同的方法進(jìn)行SPE富集。

上述提取實(shí)驗(yàn)中,所有樣品均設(shè)置3組平行。

1.4 色譜與質(zhì)譜條件

采用X-Terra MS C18色譜柱(150mm×2.1 mm,5μm,Waters Corporation,Milfor,MS,USA)對(duì)3種全氟磺酸化合物進(jìn)行分離。流動(dòng)相A為含2.5mmol/L醋酸銨的甲醇,B為2.5mmol/L醋酸銨水溶液,梯度洗脫,流速為0.25mL/m in,柱溫40℃,進(jìn)樣量20μL。梯度洗脫條件為:流動(dòng)相A的比例在0.8m in內(nèi)由10%提高至60%,并在12.8m in時(shí)升到100%,在14.3m in時(shí)重新回到起始條件,并在此條件下重新平衡色譜柱8m in。

目標(biāo)物離子化采用電噴霧離子化源(ESI)在負(fù)離子模式下進(jìn)行。毛細(xì)管電壓3.25kV,萃取錐孔電壓3V,RF透鏡電壓0.5V,離子源溫度100℃,去溶劑溫度300℃;去溶劑氣流速600L/h,錐孔氣流速20L/h。采用多反應(yīng)監(jiān)測(cè)模式(MRM),目標(biāo)物母離子/子離子質(zhì)荷比分別選用299/80(PFBS)、399/80(PFHxS)、499/80(PFOS)和503/80(13C4-PFOS)。錐孔電壓分別為40V(PFBS)、45V(PFHxS)、55V(PFOS)和55V(13C4-PFOS),碰撞能分別為30eV(PFBS)、39eV(PFHxS)、45eV(PFOS)和45eV(13C4-PFOS)。

全氟磺酸化合物的定量采用內(nèi)標(biāo)法進(jìn)行,將混合標(biāo)準(zhǔn)溶液(13C4-PFOS內(nèi)標(biāo)和3種全氟磺酸化合物的濃度均為5ng/mL)20μL進(jìn)樣分析以確定校正因子,根據(jù)樣品提取液中13C4-PFOS和目標(biāo)化合物的響應(yīng)值對(duì)3種目標(biāo)全氟磺酸化合物定量。

1.5 實(shí)驗(yàn)室污染消除

實(shí)驗(yàn)所用器皿均為PP材質(zhì)或石英材質(zhì)容器。實(shí)驗(yàn)用到的15mL和50mL的螺口PP離心管(CNW Technologies Gm bH,Düsseldorf,Germ an)在使用前加入M TB E或甲醇,振蕩24h以去除PP管中可能含有的可溶于目標(biāo)溶劑的物質(zhì)。250mL的石英燒杯使用前在硝酸溶液中浸泡8h。

2 結(jié)果和討論

2.1 商品貝殼粉樣品的酸消解-SPE提取

對(duì)于生物樣品(血漿和生物軟組織等)和環(huán)境樣品(水和沉積物等)中的全氟化合物,通常采用有機(jī)溶劑進(jìn)行提取[11-13]。然而作為生物“硬組織”的貝殼在生長(zhǎng)過程中,生物礦化作用不斷發(fā)生,新生的礦物質(zhì)(主要為碳酸鈣)可能使已附著或沉積在殼體上的污染物被“鎖定”在其微小礦化結(jié)構(gòu)內(nèi),使之難以釋放。因此單純采用有機(jī)溶劑提取可能無法充分提取貝殼礦物結(jié)構(gòu)中存在的污染物。本研究采用混合無機(jī)酸對(duì)貝殼粉進(jìn)行消解,并通過SPE對(duì)消解液中的目標(biāo)物進(jìn)行凈化富集,此方法能夠?qū)ι唐坟悮し壑?種目標(biāo)物質(zhì)進(jìn)行有效的提取(見圖1),其含量分別為0.71ng/g(PFBS)、0.92ng/g(PFHxS)和1.71ng/g(PFOS)。而在采用M TBE、丙酮、甲醇3種有機(jī)溶劑對(duì)貝殼粉直接提取時(shí),濃縮提取液中目標(biāo)物濃度均低于儀器檢出限。采用有機(jī)溶劑提取后,5g貝殼粉的殘留物質(zhì)量為4.76～4.95 g,貝殼中的碳酸鹽晶體并未消解,這可能令“鎖定”于貝殼礦物結(jié)構(gòu)中的目標(biāo)污染物無法被有效提取;而采用混合無機(jī)酸消解可以破壞貝殼的礦物結(jié)構(gòu),因此無機(jī)酸消解結(jié)合SPE的方法是提取貝殼粉中全氟磺酸化合物的更有效方法。

圖1 酸消解-SPE法提取貝殼粉中3種全氟磺酸化合物的HPLC-M S/M S色譜圖Fig.1 HPLC-M S/M Schromatograms of3perfluoro sulfonated chemicals in she ll powde rextracted by mixed inorganic acid digestion coup led with solid phase ex traction(SPE)

2.2 回收率和檢出限

為檢驗(yàn)混合無機(jī)酸消解結(jié)合SPE的方法對(duì)3種全氟磺酸類物質(zhì)提取的回收率,在貝殼粉樣品中加入了PFBS、PFHxS、PFOS以及13C4-PFOS標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)以進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn),各物質(zhì)的加標(biāo)量均為2 ng/g。結(jié)果表明,該提取方法對(duì)3種全氟磺酸類物質(zhì)的加標(biāo)回收率分別為PFBS(94.88±2.88)%、PFHxS(96.24±6.30)%和PFOS(95.21±3.42)%(n=3)。

分別配制不同濃度的3種全氟磺酸化合物的標(biāo)準(zhǔn)溶液,加入貝殼粉中,按實(shí)驗(yàn)部分所述方法進(jìn)行前處理、分析,以信噪比為3時(shí)所對(duì)應(yīng)的全氟磺酸含量為檢出限?；旌纤嵯?SPE-LC-MS/MS分析方法對(duì)貝殼中3種全氟磺酸化合物的檢出限分別為0.28(PFBS)、0.42(PFHxS)和0.43ng/g(PFOS)。

2.3 2種貝類殼體中的全氟磺酸類物質(zhì)檢測(cè)

采用酸消解與SPE結(jié)合的提取方法,分別對(duì)兩種實(shí)際貝類樣品(采集自渤海灣的縊蟶和花蛤)殼體中的3種全氟磺酸化合物進(jìn)行了分析。在兩種樣品中,均檢出了PFOS;同時(shí),在縊蟶殼與花蛤殼中,還分別檢出了PFHxS和PFBS(見表1)。同時(shí),對(duì)兩種貝類軟組織中的目標(biāo)污染物的檢測(cè)結(jié)果表明,軟組織中全氟磺酸化合物的含量分別為1.13～9.02ng/g(縊蟶)和2.16～12.24ng/g(花蛤)。全氟磺酸化合物在貝類殼體中的含量水平比其在軟組織中低約1個(gè)數(shù)量級(jí)。然而,研究中并未觀察到污染物在貝類殼體與軟組織中的含量之間存在顯著的相關(guān)關(guān)系。例如,在花蛤軟組織中PFHxS的濃度高達(dá)12.24ng/g,但在花蛤殼體中PFHxS的濃度則低于檢出限。這種差異可能是由貝類軟組織和殼體對(duì)環(huán)境污染物的富集行為差異所導(dǎo)致的。由于貝類殼體中的污染物是伴隨著殼體生物礦化而進(jìn)入貝殼中,因此殼體中的污染物濃度可能反映了貝類生長(zhǎng)周期內(nèi)環(huán)境中的平均污染水平。

表1 渤海灣2種貝類殼體及軟組織中全氟磺酸化合物的含量＊Table1 Contents of perfluo rosulfonated chemicals in shells and soft tissues of Solens trictus and Variegatevenus from Bohai Bay＊ng/g

3 結(jié)論

本文建立了貝類殼體中全氟磺酸類物質(zhì)的混合無機(jī)酸消解-SPE提取的前處理方法,并將其成功應(yīng)用于渤海灣實(shí)際貝類殼體樣品的檢測(cè)。研究結(jié)果表明,渤海灣貝殼中存在一定濃度的全氟磺酸化合物,混合酸消解-SPE提取是檢測(cè)貝類殼體中此類污染物的有效前處理方法。

致謝 參加南開大學(xué)“國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃”項(xiàng)目的楊璐榕、何川等同學(xué)為本研究的樣品采集工作作出了貢獻(xiàn),在此對(duì)他們的工作表示感謝。

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Determination of three perfluoro sulfonated chemicals in bivalve shells using high perform anceliquid chromatography-tandem mass spectrometry with the pretreatment of mixed inorganic
acid digestion coupled with solid-phaseex traction

Y ANG J in,WANG Lei＊,CHEN Chen,ZHANG Jiao,SUN Hongwen
(Key Laboratory of Pollution Processes and Environmental Criteria(Nanka i University),Ministry of Education,Tian jin 300071,China)

O658

A

1000-8713(2010)05-0503-04

＊通訊聯(lián)系人:汪 磊,博士,副教授,主要研究方向?yàn)榄h(huán)境化學(xué).Tel:(022)23504821,E-m ail:w ang2007@nankai.edu.cn.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(Nos.20807024,20877043)和教育部博士點(diǎn)新教師基金項(xiàng)目(No.200800551051).

2010-01-14

DO I:10.3724/SP.J.1123.2010.00503