劉騰飛, 楊代鳳*, 章雪明, 毛 健, 董明輝
(1. 江蘇太湖地區(qū)農業(yè)科學研究所, 江蘇 蘇州 215155; 2. 蘇州市農產品質量安全監(jiān)測中心, 江蘇 蘇州 215128)
多氯聯(lián)苯(PCBs)是一類人工合成的氯代聯(lián)苯類芳烴化合物,曾作為優(yōu)質工業(yè)添加劑(熱載體、阻燃劑、增塑劑、絕緣材料等)應用于印刷、化工、電力等領域[1]。PCBs隨著相關產品在生產、使用、處置、廢棄以及一些工業(yè)生產過程(如金屬冶煉、廢棄物焚燒、電力生產)[2-4]中的非故意生成和排放,被逐漸釋放到環(huán)境中,從而對生態(tài)環(huán)境造成影響,并通過食物鏈影響到人類健康。研究[5-7]表明,PCBs具有很強的生物毒性,能夠導致生物體內分泌紊亂以及免疫和生殖系統(tǒng)破壞,誘發(fā)癌癥和神經(jīng)性疾病。20世紀70年代開始,PCBs已在全球范圍內停產和使用,但由于其高穩(wěn)定、半揮發(fā)等特性,使其在環(huán)境中殘留并積累,在空氣[8]、土壤[9]、水體[10]、沉積物[11]、食品[12]等各類介質中不斷被檢出,已成為一類普遍存在的持久性有機污染物,被列入斯德哥爾摩公約首批控制污染物名單[13]。因此建立快速簡便的分析方法以檢測此類物質具有十分重要的意義。
目前PCBs的檢測方法主要有氣相色譜-電子捕獲檢測器法(GC-ECD)[4,8]、氣相色譜-質譜法(GC-MS)[3,12]和氣相色譜-串聯(lián)質譜法(GC-MS/MS)[10]等,其中GC-MS不僅能準確定性定量,且儀器相對便宜,容易大范圍的配備和使用,是目前測定PCBs最常用的方法,也是國家或行業(yè)標準推薦采用的方法[14,15]。但上述方法采用的樣品前處理技術主要為液液萃取[4,12]、索氏提取[9]、加速溶劑萃取[12]、微波輔助萃取[16]等萃取技術,以及固相萃取[4,10,12]、濃硫酸磺化[17]、固相微萃取[18]、分散液液微萃取[19]等凈化方法,它們往往過程繁瑣、費時,溶劑消耗量大,分析成本偏高。
近年來,分散固相萃取(dSPE)技術以其操作簡單、快速、高效、成本低廉等優(yōu)點得到迅速發(fā)展,并在環(huán)境、食品等領域得到了廣泛應用。該技術基于吸附原理,將吸附劑直接加入到樣品提取液中,通過渦旋振蕩等方式,與基質干擾物充分接觸,使干擾物吸附在吸附劑上,達到樣品凈化的目的[20]。常用的吸附劑有N-丙基乙二胺(PSA)、石墨化炭黑(GCB)、C18等,但其對復雜基質的凈化效果并不理想,而且價格相對較高。碳納米管是一種新型納米碳材料,與PSA、C18、GCB相比,具有比表面積大、吸附容量高、吸附性能佳、選擇性高、價格低廉等優(yōu)點,近年來被作為分散固相萃取吸附劑廣泛應用于水體、土壤、食品等樣品中農藥、獸藥、重金屬等污染物的檢測[21-23],有效地提高了前處理效率,降低了檢測成本。但將碳納米管作為分散固相萃取吸附劑用于茶葉中PCBs的檢測尚未見報道。
茶葉作為世界公認的天然健康飲料作物,其安全問題在全球范圍內備受關注。研究[24-29]表明,國內外茶葉均不同程度地受到PCBs的污染。莊惠生等[24]采用間接競爭酶聯(lián)免疫吸附法(ELISA)檢測出鐵觀音茶葉中含有3,4-二氯聯(lián)苯(PCB12),其含量為 0.004 3 μg/L。Amakura等[25]報道了5種保健茶中類二惡英類PCBs的含量水平,為0.6~30.8 pg/g。目前關于茶葉中PCBs的研究相對較少,且只涉及茶葉中少數(shù)幾種PCBs,同時快速檢測茶葉中18種PCBs的方法未見報道。
本文針對茶葉基質的特點,以碧螺春茶、鐵觀音茶、普洱茶3種茶葉為研究對象,采用吸附性能好、凈化效率高的羧基化多壁碳納米管(MWCNTs-COOH)作為dSPE的吸附劑,結合GC-MS,建立了同時檢測18種PCBs的分析方法。該方法操作簡單,凈化效果好,分析成本低,準確度高,穩(wěn)定性好,可用于不同種類茶葉基質中PCBs的測定,對于保證茶葉質量安全具有重要意義。
7890B-5977A氣相色譜-質譜聯(lián)用儀(美國Agilent公司); KQ-500DE超聲波清洗器(昆山超聲儀器公司); TG16-WS臺式高速離心機(湖南湘儀實驗儀器公司); K600粉碎機(德國博朗公司); HSC-24B氮吹儀(天津恒奧科技公司); Direct-Q 5 UV型超純水機(美國Millipore公司)。
18種PCBs混合標準溶液:2,4,4′-三氯聯(lián)苯(PCB28)、2,2′ ,5,5′-四氯聯(lián)苯(PCB52)、2,2′ ,4,5,5′-五氯聯(lián)苯(PCB101)、2,3′ ,4,4′ ,5-五氯聯(lián)苯(PCB118)、2,2′ ,4,4′ ,5,5′-六氯聯(lián)苯(PCB153)、2,2′ ,3,4,4′ ,5′-六氯聯(lián)苯(PCB138)、2,2′ ,3,4,4′ ,5,5′-七氯聯(lián)苯(PCB180)、3,4,4′ ,5-四氯聯(lián)苯(PCB81)、3,3′ ,4,4′-四氯聯(lián)苯(PCB77)、2′ ,3,4,4′ ,5-五氯聯(lián)苯(PCB123)、2,3,4,4′ ,5-五氯聯(lián)苯(PCB114)、2,3,3′ ,4,4′-五氯聯(lián)苯(PCB105)、3,3′ ,4,4′ ,5-五氯聯(lián)苯(PCB126)、2, 3′ ,4,4′ ,5,5′-六氯聯(lián)苯(PCB167)、2,3,3′ ,4,4′ ,5-六氯聯(lián)苯(PCB156)、2,3,3′ ,4,4′ ,5′-六氯聯(lián)苯(PCB157)、3,3′ ,4,4′ ,5,5′-六氯聯(lián)苯(PCB169)、2,3,3′ ,4,4′,5,5′-七氯聯(lián)苯(PCB189),質量濃度均為10 mg/L,購于美國o2si公司。
多壁碳納米管(長度:10~30 μm,外徑:10~20 nm,內徑:5~10 nm,純度:>95% ,比表面積:>200 m2/g)、羥基化多壁碳納米管(MWCNTs-OH,長度:10~30 μm,外徑:10~20 nm,內徑:5~10 nm,純度:>95% ,比表面積:>200 m2/g)、MWCNTs-COOH(長度:10~30 μm,外徑:10~20 nm,內徑:5~10 nm,純度:>95% ,比表面積:>200 m2/g)、PSA(粒度40~60 μm)、GCB(粒度40~120 μm)、C18(粒度40~60 μm)均購于天津艾杰爾公司;弗羅里硅土(Florisil, 60~100目,農殘級)購于美國ROE公司;正己烷(色譜純,瑞典歐普森公司);丙酮、乙酸乙酯、乙腈、甲苯、氯化鈉、無水硫酸鈉(用前于450 ℃灼燒4 h)、無水硫酸鎂(用前于620 ℃灼燒4 h)均為分析純(上海國藥集團公司)。
碧螺春茶、鐵觀音茶、普洱茶樣品均購自蘇州當?shù)爻小H∵m量樣品粉碎,混勻,過20目篩,備用。
準確量取1 mL 10 mg/L 的18種PCBs混合標準溶液,置于10 mL容量瓶中,用正己烷定容,配制成1 mg/L 的混合標準儲備液,于4 ℃冰箱冷藏保存;使用前于室溫下用正己烷逐級稀釋成5、10、50、100和500 μg/L 的混合標準工作溶液。
取1 g空白茶葉樣品,按照提取凈化條件處理后,加入1.0 mL不同濃度的混合標準工作溶液,振蕩混勻,過0.22 μm有機濾膜,得到對應濃度的基質匹配標準溶液。
稱取粉碎后的茶葉樣品1 g(精確至0.01 g),置于50 mL塑料離心管中,加入1 g無水硫酸鈉和15 mL正己烷-丙酮(1∶1, v/v),渦旋混勻,在500 W功率下超聲提取15 min(期間取出振搖2次),以 8 000 r/min 離心4 min,取7.5 mL上清液至玻璃試管中,氮吹濃縮至0.5 mL,加入1 mL甲苯,繼續(xù)氮吹至0.5 mL,然后用甲苯定容至5 mL,待凈化。
將上述5 mL甲苯溶液轉移至填裝有0.14 g MWCNTs-COOH、0.13 g PSA和0.1 g無水硫酸鎂的凈化管中,渦旋2 min,以 9 000 r/min 離心5 min,取上清液氮吹至近干,定量加入0.5 mL正己烷,渦旋混勻,過0.22 μm有機膜,供GC-MS分析。
色譜柱:HP-5MS石英毛細管柱(30 m×0.25 mm, 0.25 μm);進樣口溫度:250 ℃;載氣:高純氮氣;流速:1.2 mL/min,恒流模式;不分流進樣;進樣量:1.0 μL。升溫程序:初始溫度80 ℃,保持2 min;以20 ℃/min 的速率升溫至180 ℃,保持2 min;再以3 ℃/min 的速率升溫至230 ℃,保持2 min;再以10 ℃/min 的速率升溫至280 ℃,保持2 min。
離子源:電子轟擊(EI)離子源;離子源溫度:280 ℃;電離電壓:70 eV;四極桿溫度:150 ℃;傳輸線溫度:280 ℃;檢測方式:選擇離子掃描(SIM);溶劑延遲:5 min。18種PCBs的保留時間、特征離子及其相對豐度比見表1。
表 1 18種PCBs的保留時間、特征離子及其相對豐度
*Quantitative ion.
PCBs為弱極性化合物,因此選用弱極性、低流失的HP-5MS毛細管柱進行色譜分離,并根據(jù)靈敏度和分析時間,調整升溫程序、載氣流速、進樣口溫度等參數(shù),最終確定色譜條件。
在選定的色譜條件下,利用GC-MS全掃描方式,在m/z50~450范圍內,對500 μg/L 的18種PCBs混合標準溶液進行分析,得到總離子流(TIC)色譜圖,并根據(jù)NIST標準譜庫進行檢索,確定各目標物的保留時間,并在扣除背景后的質譜圖中選擇響應豐度高、相對分子質量大且基質干擾少的特征離子分時段分別監(jiān)測。
18種PCBs混合標準溶液(500 μg/L)的色譜圖見圖1。可以看出,18種目標物均得到了良好的分離,且具有較高的靈敏度。
圖 1 18種PCBs混合標準溶液(500 μg/L)的色譜圖Fig. 1 Chromatogram of the 18 PCBs mixed standard solution (500 μg/L)
2.2.1提取溶劑的選擇
為了確定合適的提取溶劑,實驗以茶多酚和色素含量較高的碧螺春茶為基質,在10 μg/kg 的加標水平下,分別以正己烷、乙腈、乙酸乙酯、正己烷-丙酮(1∶1, v/v)、正己烷-乙酸乙酯(4∶1, v/v)為提取溶劑,比較了18種目標物的提取效率。如圖2a所示,當以正己烷-丙酮(1∶1, v/v)為提取溶劑時,18種目標物的回收率均較好,達82%以上。因此選擇正己烷-丙酮(1∶1, v/v)作為最佳提取溶劑。
圖 2 不同提取凈化條件對18種PCBs回收率的影響(n=3)Fig. 2 Effects of different extraction and purification conditions on the recoveries of the 18 PCBs (n=3) a. type of extraction solvent; b. volume of extraction solvent; c. ultrasonic extraction time; d. volume of toluene; e. amount of carboxylated multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs-COOH); f. amount of primary secondary amine (PSA); g. clean-up time.
圖 2 (續(xù))Fig. 2 (Continued)
2.2.2提取體積的選擇
選擇正己烷-丙酮(1∶1, v/v)為提取溶劑,以加標水平10 μg/kg 的碧螺春茶為基質,以回收率為指標,考察不同提取體積(5、8、10、12和15 mL)對各目標物提取效率的影響。如圖2b所示,隨著提取體積的增大,目標物的提取效率增加,當提取體積為15 mL時,提取效率最佳,18種PCBs的回收率為93% ~108% ,因此選擇15 mL為最佳提取體積。
2.2.3提取方法及提取時間的選擇
超聲提取法具有條件溫和、速度快、批量處理能力強的特點[4,17],因此實驗采用超聲提取法進行前處理。
提取時間對目標物的提取效果影響較大。用時過短無法充分提取目標物,用時過長則會導致溶劑的損失,同時增加樣品中雜質的溶出量,影響檢測的準確性。實驗以加標水平10 μg/kg 的碧螺春茶為基質,考察不同超聲提取時間(5、10、15和20 min)對目標物回收率的影響。如圖2c所示,隨著超聲提取時間的增加,目標物的回收率增大。當超聲提取時間為15 min時,各目標物的回收率均能達到95%以上,繼續(xù)延長超聲時間至20 min,各目標物的回收率變化不大,部分目標物如PCB28、PCB52、PCB101、PCB180的回收率有小幅下降。因此選擇超聲提取時間為15 min。
茶葉提取液中含有大量的茶多酚、兒茶素、色素等干擾雜質,若不經(jīng)凈化直接進入質譜儀會影響檢測結果的準確性,并可能污染儀器。實驗采用分散固相萃取凈化去除雜質,并考察了吸附劑的種類和用量、凈化吸附時間等因素對凈化效果的影響。
2.3.1吸附劑種類和用量的選擇
吸附劑需滿足去除基質中主要雜質的同時對目標物不產生吸附。實驗以Florisil、C18、PSA、GCB、MWCNTs、MWCNTs-OH、MWCNTs-COOH等7種填料為凈化吸附劑,考察其對茶葉提取液中色素的去除效果。如圖3所示,茶葉提取液未經(jīng)凈化時,呈墨綠色渾濁狀。MWCNTs-COOH對色素具有良好的吸附去除作用,提取液經(jīng)凈化處理后,呈無色透明狀態(tài),而采用其他凈化填料凈化后,溶液均有一定顏色。PSA對茶葉中色素的吸附能力較弱,但能有效去除茶多酚和兒茶素類物質[30,31]。因此,本實驗將MWCNTs-COOH和PSA混合使用對茶葉提取液進行凈化,以有效除去提取液中色素、茶多酚、兒茶素等雜質成分。
圖 3 不同吸附劑對茶葉提取液凈化效果的影響Fig. 3 Effect of different adsorbents on the purification effect of the tea extraction A: without adsorbent; B: Florisil; C: C18; D: PSA; E: graphitized carbon black (GCB); F: multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs)-OH; G: MWCNTs; H: MWCNTs-COOH.
吸附劑用量是影響樣品凈化效果和目標物回收率的重要因素,用量少時凈化效果不明顯,用量多時回收率偏低,不能滿足分析要求。實驗發(fā)現(xiàn),在加標水平為10 μg/kg 的茶葉提取液中,當加入MWCNTs-COOH凈化處理后,僅有PCB52、PCB101、PCB153、PCB138、PCB180 5種目標物的回收率大于80% ,符合檢測要求,其余13種目標物的回收率均較差,低于67% ,其中有4種PCBs的回收率為0,說明MWCNTs-COOH在去除色素雜質的同時,對目標物產生了強烈吸附,導致回收率偏低。實驗在濃縮過程中用甲苯對提取液正己烷-丙酮(1∶1, v/v)進行溶劑置換,然后再進行凈化,發(fā)現(xiàn)所有目標物的回收率均得到顯著提高,回收率增至98% ~106% ,解決了MWCNTs-COOH對目標物產生吸附的問題。
實驗進一步考察了甲苯用量(2、3、4、5和6 mL)對目標物凈化回收率的影響。如圖2d所示,隨著甲苯用量的增加,目標物的回收率逐漸增大,當用量為5 mL時,回收率均在94% ~105%之間,滿足分析要求,繼續(xù)增大甲苯用量,回收率無明顯變化,且雜質會被溶解下來,引起基質效應。因此選擇甲苯的最佳用量為5 mL。
在此基礎上,以加標水平10 μg/kg 的碧螺春茶為基質,按1.3節(jié)所述方法進行前處理,考察了不同MWCNTs-COOH用量(0.08、0.10、0.12、0.14和0.16 g)對目標物回收率的影響。如圖2e和圖4所示,MWCNTs-COOH對基質中色素的凈化效果顯著,隨著用量的增大,提取液顏色逐漸變淺,回收率呈下降趨勢,當用量為0.14 g時,溶液顏色趨于澄清透明,且所有目標物的回收率均較好,在91% ~106%之間,滿足分析要求。因此選擇MWCNTs-COOH的用量為0.14 g。
實驗考察了不同PSA用量(0.12、0.13、0.14、0.15和0.16 g)對茶葉提取液的凈化效果及目標物回收率的影響(見圖2f)。結果表明,隨著PSA用量的增加,目標物的回收率逐漸降低,當用量為0.12 g時,部分目標物的回收率大于111% ,用量為0.13 g時,回收率均在89% ~107%之間,滿足分析的要求。茶葉提取液經(jīng)不同質量的PSA凈化后,溶液顏色仍較深且變化不大,這與榮杰峰等[32]的研究結果一致。因此選擇PSA用量為0.13 g。
2.3.2吸附凈化時間的選擇
吸附凈化時間會對目標物回收率和凈化效果產生影響。實驗以加標水平10 μg/kg 的碧螺春綠茶為基質,按1.3節(jié)所述方法,將渦旋振蕩時間分別設為1、2、3和4 min,考察凈化劑作用時間對目標物回收率的影響(見圖2g)。結果表明,當凈化時間為2 min時,目標物的整體回收率最好,介于96% ~109%之間;繼續(xù)延長凈化時間,目標物容易被吸附劑吸附,造成回收率下降,不利于目標物的檢測。因此選擇最佳凈化時間為2 min。
基質效應普遍存在于痕量物質的分析過程中并會給定量結果造成影響。本實驗以基質匹配標準曲線與純溶劑標準曲線斜率之比來確定基質效應,當斜率比在0.9~1.1之間時,基質效應可忽略,大于1.1時為基質增強效應,小于0.9時則為基質減弱效應[33]。結果表明,同一目標物在不同基質中的基質效應不同,不同目標物在同一基質中的基質效應也各不相同。在3種茶葉基質中,PCB28和PCB118受基質種類影響較小,斜率比在1.035~1.097之間(見表2),基質效應可忽略,其他目標物均表現(xiàn)出不同程度的基質增強效應。因此本實驗采用基質匹配標準溶液進行定量,以補償基質效應對定量結果的影響。
按1.2節(jié)描述分別配制5、10、50、100、500 μg/kg 的基質匹配標準溶液,按1.4節(jié)分析條件進行測定,以目標物的峰面積(Y)為縱坐標、質量濃度(X, μg/kg)為橫坐標進行線性回歸,繪制基質標準曲線(見表2)。結果表明,在5~500 μg/kg 范圍內,18種目標物峰面積與其含量呈線性相關,相關系數(shù)(r)為 0.999 8~1.000 0。在空白茶葉基質中添加不同濃度的標準溶液進行樣品前處理和測定,以特征離子色譜峰信噪比(S/N)≥3確定方法的檢出限(LOD),為0.3~1.7 μg/kg;以S/N≥10且回收率滿足要求的最小添加水平為定量限(LOQ),為5 μg/kg(見表2)。
采用標準添加法,在碧螺春茶、鐵觀音茶與普洱茶3種空白基質中分別添加5、10、100 μg/kg 的18種PCBs混合標準溶液,混勻后靜置得到加標樣品,按1.3節(jié)和1.4節(jié)進行前處理和測定,每個水平重復5次,計算回收率和相對標準偏差(RSD)。結果表明,在3個添加水平下,各目標物的平均回收率為90.7% ~115.2% , RSD為0.3% ~10.9%(見表3),方法的準確度高,精密度好。
為驗證本方法的可行性,從蘇州當?shù)爻匈徺I3種不同茶葉樣品(碧螺春茶、鐵觀音茶、普洱茶),利用所建立的方法進行前處理并測定其中18種PCBs的含量。結果表明,所有樣品均未檢出目標污染物。
本文建立了dSPE-GC-MS測定茶葉中18種PCBs的分析方法。該方法操作簡單,快速準確,靈敏度高,凈化效果好,為開展茶葉中PCBs的研究提供了有效方法。