固相萃取-氣相色譜-負(fù)化學(xué)離子源質(zhì)譜法測(cè)定運(yùn)動(dòng)場(chǎng)所合成材料面層和稀釋劑中的短鏈氯化石蠟

黃紹軍, 杜 萍, 劉春俠, 楊 俊, 楊朝芬, 孫 卉, 黃秋玲

(昆明理工大學(xué)分析測(cè)試研究中心, 云南 昆明 650093)

短鏈氯化石蠟(short chain chloroparaffins, SCCPs)是指通用分子式為CnH2n+2-yCly(n=10～13)、碳原子數(shù)為10～13的多氯代烷烴化合物的統(tǒng)稱。短鏈氯化石蠟已被確認(rèn)為具有遠(yuǎn)距離環(huán)境遷移能力、持久性、生物蓄積性和生態(tài)毒性等持久性有機(jī)污染物(POPs)的特性,并已被國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)確認(rèn)為致癌2B類物質(zhì),即對(duì)人體有潛在致癌性[1,2];歐盟REACH法規(guī)和聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署也將SCCPs列為高度關(guān)注物質(zhì),在全球范圍內(nèi)禁用或嚴(yán)格限制[3]。歐盟POPs指令(EC No 850/2004)規(guī)定所有物品中SCCPs的含量不得超過(guò)1%[4]。SCCPs常用于增塑劑、紡織品和包裝材料的表面處理劑、粘接材料、涂料的改良劑、金屬加工潤(rùn)滑劑、皮革制品加工助劑、阻燃劑、密封劑、油漆和橡膠等領(lǐng)域[1,5,6]。

目前,SCCPs的分析主要借助氣相色譜(GC)[7-9]或液相色譜(LC)[10-12]分離,利用電子捕獲檢測(cè)器(ECD)[11,13]、電子轟擊離子源質(zhì)譜(EI-MS)[9,14]、負(fù)化學(xué)離子源質(zhì)譜(NCI-MS)[9,11]、亞穩(wěn)態(tài)原子轟擊高分辨質(zhì)譜(MAB-HRMS)[9,15]和大氣壓化學(xué)電離源質(zhì)譜(APCI-MS)[16]進(jìn)行檢測(cè)。GC-ECD和LC-APCI-MS方法選擇性和特異性不佳,易出現(xiàn)假陽(yáng)性誤判的問(wèn)題[10,17,18]; GC-EI-MS分析短鏈氯化石蠟所提取的定性和定量離子同時(shí)也存在于中鏈和長(zhǎng)鏈氯化石蠟中,提取離子不唯一[19,20]; GC-MAB-HRMS設(shè)備昂貴,不適合常規(guī)分析[1,21]。因此,建立一種快速、準(zhǔn)確、靈敏度高的、可靠的SCCPs分析方法迫在眉睫。GC-NCI-MS則對(duì)SCCPs的電離程度相對(duì)弱,產(chǎn)生的碎片離子較少,因而具有更好的選擇性和更高的靈敏度。目前對(duì)SCCPs的研究主要集中在土壤、河流和海底沉積物、水體生物、大氣、聚氯乙烯塑料、皮革、紡織品、橡膠制品[22-24],尚未有關(guān)于運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地合成材料面層(如塑膠跑道)及其稀釋劑中SCCPs檢測(cè)的研究報(bào)道。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器、試劑與材料

Bruker 456-GC/SCION TQ氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀,配置有化學(xué)離子源(CI)和EI源(美國(guó)布魯克道爾頓公司); KQ-250E型超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司); TDL-40B離心機(jī)(上海安亭科學(xué)儀器廠); MGS-2200氮?dú)獯祾邼饪s裝置(南京惠恒科學(xué)儀器有限公司);弗羅里硅土固相萃取小柱(1 g/6 mL,廣州信譜徠科學(xué)儀器有限公司);有機(jī)相過(guò)濾膜(0.45 μm,天津市津騰實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司); Agilent J&W HP-5MS毛細(xì)管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm,安捷倫科技(中國(guó))有限公司)。

質(zhì)量濃度為100.17 mg/L、平均氯含量為55.5%的SCCPs標(biāo)準(zhǔn)溶液購(gòu)自德國(guó)Dr. Ehrenstorfer公司;正己烷(分析純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司);丙酮、甲苯和二氯甲烷均為分析純,乙腈為色譜純，均購(gòu)自天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司;高純氦(純度≥99.999% ,昆明梅塞爾氣體產(chǎn)品有限公司);甲烷(純度≥99.99% ,佛山市高明區(qū)捷和氣體有限公司); 5批次硅PU球場(chǎng)樣塊、5批次稀釋劑及其空白樣品均由廣州杰銳體育設(shè)施有限公司提供。

1.2 系列定量標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

將質(zhì)量濃度為100.17 mg/L、平均氯含量為55.5%的SCCPs標(biāo)準(zhǔn)溶液用正己烷逐級(jí)稀釋,得到質(zhì)量濃度分別為40.068、20.034、10.017、5.008 5、0.500 9 和 0.050 1 mg/L 的SCCPs系列定量標(biāo)準(zhǔn)溶液。

1.3 樣品前處理

將塑膠樣品硅PU球場(chǎng)樣塊破碎至粒徑約為1 mm的細(xì)小顆粒(液體樣品稀釋劑無(wú)需加工),準(zhǔn)確稱取0.5 g樣品放入50 mL帶刻度的具塞錐形瓶中,用正己烷定容至25 mL并超聲提取30 min。弗羅里硅土固相萃取小柱(1 g/6 mL)預(yù)先用10 mL正己烷淋洗活化,取2 mL提取液通過(guò)弗羅里硅土固相萃取小柱凈化,流速控制在約2滴/秒,靜置5 min,用5 mL正己烷和丙酮的混合溶劑(體積比3∶1)洗脫,收集洗脫液,將洗脫液在40 ℃時(shí)用氮?dú)饩従彺蹈?加入2 mL正己烷復(fù)溶,混勻。復(fù)溶所得溶液用0.45微米有機(jī)相過(guò)濾膜過(guò)濾到色譜進(jìn)樣瓶中待測(cè)。

1.4 氣相色譜-質(zhì)譜條件

氣相色譜條件如下。進(jìn)樣口溫度:300 ℃;升溫程序(快速程序升溫方式):初始溫度80 ℃,以40 ℃/min 的速率升溫到300 ℃,保持5 min;載氣:氦氣(純度≥99.999% );流速:2 mL/min;進(jìn)樣量:1 μL;進(jìn)樣方式:不分流,0.75 min后開(kāi)閥;色譜柱:Agilent J&W HP-5MS毛細(xì)管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)。

質(zhì)譜條件如下。離子源:NCI源;CI反應(yīng)氣:甲烷(純度≥99.99% ),壓力12.0 psi(相當(dāng)于 82 737 Pa);離子源溫度:230 ℃;傳輸線溫度:300 ℃;收集延遲:3.5 min;燈絲發(fā)射電流:90 μA;電子轟擊能量:70 eV;數(shù)據(jù)采集方式:選擇離子監(jiān)測(cè)模式;選擇監(jiān)測(cè)離子:m/z70.40(定量離子)、327.10、361.00、389.11和411.02;監(jiān)測(cè)起止時(shí)間:3.5～8.1 min。

2 結(jié)果與討論

2.1 氣相色譜-質(zhì)譜分析條件的優(yōu)化

2.1.1正、負(fù)化學(xué)離子源的選擇

以100.17 mg/L 的短鏈氯化石蠟(C10～C13,平均氯化程度55.5%)標(biāo)準(zhǔn)溶液為研究對(duì)象,使用氣相色譜串聯(lián)三重四極桿質(zhì)譜聯(lián)用儀對(duì)標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行全掃描分析,比較SCCPs總離子流(total ion current, TIC)色譜峰的峰面積。

氣相色譜條件同1.4節(jié);質(zhì)譜條件如下。離子源為CI源,將極性(polarity)設(shè)置為正(positive)和負(fù)(negative),分別對(duì)應(yīng)于正化學(xué)離子源(PCI)和負(fù)化學(xué)離子源的檢測(cè)方式;離子監(jiān)測(cè)模式為全掃描方式;其余質(zhì)譜條件同1.4節(jié)。

結(jié)果表明,使用正化學(xué)離子源所得SCCPs的TIC色譜峰的峰面積為2.908×106,沒(méi)有出現(xiàn)典型的SCCPs五指峰;而使用負(fù)化學(xué)離子源所得SCCPs的TIC色譜峰的峰面積為4.667×109,并且出現(xiàn)了典型的SCCPs五指峰。因此,負(fù)化學(xué)離子源為優(yōu)選。

2.1.2程序升溫方式的選擇

使用負(fù)化學(xué)離子源,并將快速程序升溫方式改為慢速程序升溫方式:初始溫度80 ℃,保持2 min,以20 ℃/min 的速率升溫到180 ℃,保持2 min,再以10 ℃/min 的速率升溫到300 ℃,保持5 min。

結(jié)果表明,慢速程序升溫方式所得SCCPs的TIC色譜峰的峰面積為1.619×109,峰形較彌散,保留時(shí)間為10～20 min,分析時(shí)間長(zhǎng);而快速程序升溫方式所得SCCPs的TIC色譜峰的峰面積為4.667×109,簇峰較緊湊,保留時(shí)間在4.0～7.5 min,分析時(shí)間短。因而快速程序升溫方式為優(yōu)選。

2.1.3燈絲發(fā)射電流對(duì)色譜峰面積的影響

使用快速程序升溫方式,并將燈絲發(fā)射電流由90 μA改變?yōu)?0、20、60、80、100和120 μA,所得SCCPs的TIC色譜峰面積分別為4.075×108、9.430×108、2.978×109、3.420×109、3.824×109和3.812×109(見(jiàn)圖1)。燈絲發(fā)射電流優(yōu)選為90 μA。

圖 1 采用不同燈絲發(fā)射電流所檢測(cè)的SCCPs的總離子流色譜圖Fig. 1 Total ion current (TIC) chromatograms of short-chain chloroparaffins (SCCPs) detected with different filament emission currents

2.1.4電子轟擊能量對(duì)TIC色譜峰面積的影響

燈絲發(fā)射電流采用90 μA,并將電子轟擊能量由70 eV改變?yōu)?0、80、90、100和150 eV,所得SCCPs的TIC色譜峰面積分別為4.115×109、4.612×109、4.673×109、4.805×109和4.550×109,色譜圖見(jiàn)圖2。說(shuō)明電子轟擊能量對(duì)TIC色譜峰面積影響不大。接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)皆將電子轟擊能量設(shè)定為70 eV。

2.1.5定量和定性監(jiān)測(cè)離子的選擇

接下來(lái)我們對(duì)TIC色譜峰各簇峰碎片離子進(jìn)行了提取以便確定SIM的監(jiān)測(cè)離子。表1按簇峰強(qiáng)度由高到低排列(Nos. 1～9),相應(yīng)的保留時(shí)間見(jiàn)圖2,每個(gè)峰提取1～3個(gè)強(qiáng)度較高的碎片離子。選擇強(qiáng)度最大且出現(xiàn)頻率最高的1種碎片離子作為定量離子,選擇強(qiáng)度相對(duì)較大和出現(xiàn)頻率相對(duì)較高的4種碎片離子作為定性離子。定量離子選擇m/z70.40,定性離子選擇m/z327.10、361.00、389.11和411.02;這5種離子為SIM的監(jiān)測(cè)離子。

圖 2 采用不同電子轟擊能量所檢測(cè)的SCCPs的全掃描總離子流色譜圖Fig. 2 TIC chromatograms of SCCPs detected with different electron energies

2.2 樣品提取條件的優(yōu)化

為了充分地提取運(yùn)動(dòng)場(chǎng)所合成材料面層和稀釋劑中的短鏈氯化石蠟,我們采用超聲提取的方式,對(duì)提取溶劑(正己烷、甲苯、二氯甲烷、乙腈)、提取時(shí)間(10、20、30、40 min)、提取溶劑用量(5、10、15、20、25、30 mL)等提取參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí),采用超聲提取方式,當(dāng)提取溶劑為正己烷,提取時(shí)間為30 min,提取溶劑用量為20 mL時(shí),提取效果最為理想。原因是超聲提取方式有利于提取溶劑浸潤(rùn)、擴(kuò)散深入到運(yùn)動(dòng)場(chǎng)所合成材料面層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中去,使提取充分、高效。另外,短鏈氯化石蠟為弱極性的化合物,根據(jù)相似相溶原理,用非極性的正己烷能最大限度地將SCCPs提取出來(lái)。

2.3 凈化條件的優(yōu)化

由于運(yùn)動(dòng)場(chǎng)所合成材料面層和稀釋劑在制備的過(guò)程中會(huì)有各種添加劑的加入,為了盡可能地減少雜質(zhì)對(duì)SCCPs測(cè)試的干擾,有必要對(duì)提取液進(jìn)行凈化處理。固相萃取是最有效的凈化方式之一?？筛鶕?jù)萃取對(duì)象來(lái)選擇相應(yīng)的固相萃取填料種類及其用量以及洗脫劑及其用量。SCCPs既含有非極性的烷基,又含有極性的C-Cl鍵;固相萃取填料的種類不同,對(duì)SCCPs的吸附性能也不同,填料用量越大,吸附容量越大;洗脫劑必須選擇合適的能較好地分離其他干擾雜質(zhì)有機(jī)溶劑,還要能夠洗脫完全,使SCCPs有較好的回收率?；谝陨弦蛩乜紤],我們最終選擇1 g/6 mL的弗羅里硅土固相萃取小柱,并用正己烷-丙酮(3∶1, v/v)作為洗脫劑,樣品提取液、弗羅里硅土、洗脫劑的用量關(guān)系為2 mL∶1 g∶5 mL。

圖 3 (a)采用選擇離子掃描方式所檢測(cè)的不同質(zhì)量濃度SCCPs的SIM色譜圖及(b)所檢測(cè)的SCCPs的校正曲線Fig. 3 (a) SIM chromatograms of different mass concentrations of SCCPs detected using selective ion scanning mode, and (b) calibration curve for SCCPs

2.4 方法評(píng)價(jià)

2.4.1線性范圍、檢出限和定量限

在最佳的提取條件下,我們對(duì)方法的線性范圍、檢出限和定量限進(jìn)行了評(píng)價(jià)。對(duì)質(zhì)量濃度為 0.050 1～100.17 mg/L 的一系列SCCPs標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行選擇離子掃描定量分析(見(jiàn)圖3a),以色譜峰面積對(duì)標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度作圖,得到關(guān)于SCCPs的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線(見(jiàn)圖3b)。按照本方法中的程序逐級(jí)稀釋標(biāo)準(zhǔn)溶液,以3倍信噪比所對(duì)應(yīng)的最低檢出濃度、取樣量及樣品溶液的定容體積確定方法的檢出限,以10倍信噪比所對(duì)應(yīng)的最低定量濃度、取樣量及樣品溶液的定容體積確定方法的定量限。結(jié)果表明,本方法中SCCPs的線性范圍為 0.050 1～100.17 mg/L,線性方程為y=9.27×106x-8.86×106(其中y為色譜峰面積；x為SCCPs的總質(zhì)量濃度，mg/L),線性相關(guān)系數(shù)R2為 0.999 5;方法的檢出限低至0.50 μg/g(即 0.000 050% ),定量限低至1.7 μg/g。而文獻(xiàn)[6,10,24]中報(bào)道的檢出限為30～1 000 μg/g,因此本方法檢測(cè)SCCPs的靈敏度更高。

2.4.2回收率和精密度

在優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)空白運(yùn)動(dòng)場(chǎng)所合成材料面層樣品和稀釋劑樣品中分別添加低、中和高3個(gè)水平的SCCPs標(biāo)液進(jìn)行提取,標(biāo)液的質(zhì)量濃度分別為5.0、20.0和100.2 mg/L,加標(biāo)體積均為1.0 mL,采用選擇離子掃描模式定量,平行測(cè)定6次。結(jié)果表明,該方法的回收率為83.2% ～96.3% ,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.56% ～6.02%(見(jiàn)表2)。

2.5 實(shí)際樣品的分析

本實(shí)驗(yàn)從廣州杰銳體育設(shè)施有限公司購(gòu)買了5批次硅PU球場(chǎng)樣塊和5批次稀釋劑進(jìn)行分析。從圖4可以看出,目標(biāo)化合物的色譜峰形良好,沒(méi)有明顯的雜質(zhì)干擾,說(shuō)明所建立的方法可行,能滿足運(yùn)動(dòng)場(chǎng)所合成材料面層和稀釋劑中SCCPs的定量分析要求。所分析的10批次的樣品均檢出了SCCPs, 5批次硅PU球場(chǎng)樣塊中SCCPs的含量分別為0.28% 、0.21% 、0.37% 、0.55%和0.24% ,而5批次稀釋劑中SCCPs的含量分別為0.029% 、0.033% 、0.052% 、0.038%和0.016% 。含量均在0.016% ～0.55%之間,符合歐盟對(duì)SCCPs的限值(1% )要求。

圖 4 所檢測(cè)樣品硅PU球場(chǎng)樣塊及稀釋劑中SCCPs的SIM色譜圖Fig. 4 SIM chromatograms of SCCPs in the tested samples of silicon PU stadium sample block and diluents

3 結(jié)論

實(shí)際樣品中SCCPs的含量測(cè)試是目前分析工作中的一個(gè)難點(diǎn),迄今為止尚未建立重現(xiàn)性好的普適性的測(cè)定方法。本論文使用常用的氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀,首先從氣相色譜-質(zhì)譜分析條件的優(yōu)化入手,通過(guò)優(yōu)化正和負(fù)化學(xué)離子源的選擇、快和慢速程序升溫方式的選擇、燈絲發(fā)射電流的選擇、電子轟擊能量的選擇、定量和定性監(jiān)測(cè)離子的選擇等重要色譜和質(zhì)譜參數(shù),提高SCCPs的響應(yīng)值,從而提高分析的靈敏度。其次,通過(guò)優(yōu)化樣品的前處理方法,主要包括提取條件和凈化條件,提高SCCPs的提取效率和減少樣品基質(zhì)對(duì)測(cè)試的干擾。所建立的SPE-GC-NCI-MS方法可用于SCCPs總含量的準(zhǔn)確測(cè)定,具有寬的線性范圍、低的檢出限和定量限、良好的回收率和精密度以及良好的選擇性,適用于運(yùn)動(dòng)場(chǎng)所合成材料面層、稀釋劑等復(fù)雜基質(zhì)樣品中SCCPs的檢測(cè)分析。