懸浮固化-分散液液微萃取-液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜測(cè)定紡織廢水中磷系阻燃劑

何 靜,葉曦雯,湯志旭,牛增元,羅 忻,鄒 立

(1. 中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 青島 266100; 2. 青島海關(guān)技術(shù)中心, 山東 青島 266003)

阻燃劑是一類(lèi)阻止聚合物燃燒,抑制火焰?zhèn)鞑サ奶砑觿1]。近年來(lái),在歐盟對(duì)溴代阻燃劑禁用范圍擴(kuò)大后[2,3],有機(jī)磷阻燃劑(organophosphorus flame retardants, OPFRs)以低廉的價(jià)格與良好的性能被廣泛應(yīng)用于紡織、化工及電子產(chǎn)品等多個(gè)領(lǐng)域,其生產(chǎn)量與使用量也大幅增加[4,5]。由于部分OPFRs具有毒性,其毒性類(lèi)似于有機(jī)磷農(nóng)藥,能夠積累在生物體內(nèi),進(jìn)而侵害人類(lèi)大腦,對(duì)人的行為、記憶產(chǎn)生永久損傷且有致癌性[6-8], OPFRs的監(jiān)測(cè)受到了廣泛關(guān)注。現(xiàn)今OPFRs在水體[9-11]、大氣[12,13]、土壤[14-16]等各類(lèi)介質(zhì)中均有被檢出,其已成為一種普遍存在的有機(jī)污染物。在各種環(huán)境介質(zhì)中,廢水是OPFRs進(jìn)入地表水和地下水,進(jìn)而進(jìn)入到大氣和土壤等環(huán)境介質(zhì)的重要途徑,因此水體成為OPFRs重要的儲(chǔ)存介質(zhì)和遷移途徑[17,18]。為有效控制紡織行業(yè)有機(jī)磷阻燃劑通過(guò)紡織廢水排放進(jìn)入環(huán)境,目前已有紡織行業(yè)團(tuán)體組織提出有害化學(xué)物質(zhì)零排放(ZDHC)計(jì)劃,該計(jì)劃制定的《廢水指南》[19]對(duì)紡織和鞋類(lèi)行業(yè)廢水中的5種OPFRs(三(2-氯乙基)磷酸酯(TCEP)、三(1,3-二氯-異丙基)磷酸酯(TDCP)、三(2,3-二溴丙基)磷酸酯(TRIS)、三 (1-氮丙啶基)氧化膦(TEPA)與二(2,3-二溴丙基)磷酸酯(BIS))提出了限制,要求的檢測(cè)報(bào)告值低于5 μg/L。但該計(jì)劃沒(méi)有給出明確的檢測(cè)方法,僅推薦使用二氯甲烷等有機(jī)溶液萃取結(jié)合氣相色譜檢測(cè)。目前已有文獻(xiàn)[20,21]使用二氯甲烷對(duì)水中OPFRs進(jìn)行萃取,但其并未完全覆蓋ZDHC計(jì)劃中5種OPFRs,且有機(jī)溶劑消耗較大,萃取時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。因此建立同時(shí)檢測(cè)紡織廢水中5種OPFRs的檢測(cè)方法有實(shí)際意義。

目前用于測(cè)定水樣中OPFRs的預(yù)處理技術(shù)主要包括固相萃取(SPE)[22-25]、液液萃取(LLE)[26,27]、固相微萃取(SPME)[28]與液相微萃取(LPME)[29]等方法。以上幾種方法已成功運(yùn)用于水體樣品中痕量OPFRs的檢測(cè),Woudneh等[30]使用液液萃取技術(shù),使用二氯甲烷對(duì)污水中13種OPFRs進(jìn)行萃取測(cè)定,檢出限為0.1～5 ng/L;梁鈧等[20]使用HLB固相萃取小柱對(duì)廢水中的14種OPFRs進(jìn)行測(cè)定,方法檢出限為0.3～6 ng/L;羅慶等[22]采用SPME技術(shù)結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用對(duì)天然水樣中的14種OPFRs進(jìn)行檢測(cè),方法檢出限在1.1～27.3 ng/L。但這些前處理方法均存在一定缺陷,如LLE與SPE法耗時(shí)且需消耗大量樣品[28];SPME法使用的萃取頭昂貴且易斷,多次使用會(huì)存在交叉污染,吸附力逐漸降低等[31,32]。

近年來(lái),分散液液微萃取(DLLME)因有機(jī)溶劑用量少,萃取時(shí)間短,具有高萃取效率和富集倍數(shù)受到了廣泛關(guān)注。蘇蕊等[33]建立了離子液體-分散液液微萃取方法對(duì)環(huán)境水樣品中溴代阻燃劑(BFRs)進(jìn)行了檢測(cè),方法檢出限在0.212～1.82 μg/L。

但傳統(tǒng)的DLLME法所用的萃取劑為毒性較大的有機(jī)溶劑[34]。懸浮固化-分散液液微萃取(solidification of floating organic droplet-dispersive liquid-liquid microextraction, SFO-DLLME)在此基礎(chǔ)上選用熔點(diǎn)接近室溫、密度比水小且低毒的溶劑為萃取劑,樣品離心后轉(zhuǎn)移至冰浴中固化,后取出固化萃取劑,待其液化后即可進(jìn)樣。該方法操作簡(jiǎn)單,成本低且更加綠色環(huán)保[35]。目前此方法已實(shí)現(xiàn)了水體中除草劑[36]、塑化劑[37]等有害物質(zhì)的檢測(cè)。Luo等[35]建立了SFO-DLLME方法對(duì)地表水中8種OPFRs的檢測(cè),且在1～200 μg/L范圍內(nèi)對(duì)OPFRs有較好的萃取效果。

本文建立了SFO-DLLME結(jié)合LC-MS/MS測(cè)定紡織廢水中5種痕量OPFRs的方法。該方法具有靈敏度較高、重復(fù)性好、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),可滿足ZDHC計(jì)劃中5種OPFRs檢測(cè)要求。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜(6460 Triple Quad LC/MS,美國(guó)Agilent公司);低溫離心機(jī)(日本Hitachi公司);離心渦旋混合器(日本Hitachi公司), Milli-Q超純水儀(美國(guó)Millipore公司)。

TCEP(純度>99%)、TDCP(純度>99%)、TRIS(純度>97%)、TEPA(純度>97%)和BIS(純度>90%)均由德國(guó)Dr. Ehrenstorfer公司提供。磷酸三丁酯-d27(TBP-d27)、三乙磷酰胺-d12(TEPA-d12)均由Toronto Research Chemicals提供。十一烷醇購(gòu)自阿拉丁試劑,甲醇、氯化鈉購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;實(shí)驗(yàn)用水為Milli-Q純水系統(tǒng)制得的超純水。

表 1 有機(jī)磷阻燃劑的CAS號(hào)和MRM分析參數(shù)

* Quantitative ion.

1.2 標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液及標(biāo)準(zhǔn)工作液的配制

標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液:準(zhǔn)確稱(chēng)取5種有機(jī)磷標(biāo)準(zhǔn)品各0.025 g,分別用甲醇溶解并定容至25 mL,配成質(zhì)量濃度為1 000 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液;使用時(shí),根據(jù)需要用十一烷醇/甲醇(4∶6, v/v)稀釋至適當(dāng)濃度。

內(nèi)標(biāo)混合溶液:準(zhǔn)確稱(chēng)取TBP-d27和TEPA-d12標(biāo)準(zhǔn)品各0.025 g,分別用甲醇溶解并定容至25 mL,配成質(zhì)量濃度為1 000 mg/L的內(nèi)標(biāo)儲(chǔ)備液;再分別移取適量?jī)?chǔ)備液用十一烷醇/甲醇(4∶6, v/v)稀釋成TBP-d27為1 mg/L, TEPA-d12為2 mg/L的混合內(nèi)標(biāo)使用溶液。

1.3 樣品前處理

取8 mL水樣至15 mL離心管中,加入2.0 g NaCl與40 μL內(nèi)標(biāo)混合溶液(2 mg/L TEPA-d12、1 mg/L TBP-d27)渦旋混勻后,將400 μL十一烷醇與300 μL甲醇混勻快速注入至水樣中,渦旋3 min后靜置,以5 000 r/min常溫離心5 min,使目標(biāo)物充分富集到萃取劑中,將離心管轉(zhuǎn)移至0 ℃冰水浴中,待萃取劑固化后,用藥匙將其取出,在室溫下融化后,吸取200 μL至含內(nèi)插管的進(jìn)樣瓶中,加入5 μL甲醇進(jìn)行稀釋后,用LC-MS/MS檢測(cè),內(nèi)標(biāo)法定量。

1.4 色譜及質(zhì)譜條件

色譜條件:使用配置Therom柱(Hypersll Gold aQ, 100 mm×2.1 mm, 5 μm)的液相色譜系統(tǒng)完成阻燃劑的分離。流動(dòng)相為0.1%甲酸水溶液(A)和甲醇(B),流速為0.4 mL/min。柱溫35 ℃。進(jìn)樣量為5 μL。梯度設(shè)定如下:0.0～0.5 min, 80%A; 0.5～8.0 min, 80%A～10%A; 8.0～10.5 min, 10%A; 10.5～11.0 min, 10%A～80%A; 11.0～14.0 min, 80%A。

黑龍江省七臺(tái)河市食品藥品監(jiān)督管理局深化機(jī)構(gòu)改革，落實(shí)“四有兩責(zé)”，不斷創(chuàng)新思路、強(qiáng)化措施，努力夯實(shí)食品藥品安全的根基，深化改革創(chuàng)新監(jiān)管方式。連續(xù)3年被省食品藥品監(jiān)管局和市委市政府評(píng)為目標(biāo)考評(píng)優(yōu)勝單位，2016年在全市“兩學(xué)一做”創(chuàng)環(huán)境大會(huì)上做了典型經(jīng)驗(yàn)介紹，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)在省政府大會(huì)上交流；黑龍江省新聞聯(lián)播節(jié)目組先后3次對(duì)該局 “百名干部走千家企業(yè)訪實(shí)事辦實(shí)事”活動(dòng)進(jìn)行專(zhuān)題報(bào)道。

質(zhì)譜條件:ESI源,正離子模式;霧化氣:氮?dú)?。霧化氣壓力: 241 kPa。離子噴霧電壓:3 000 V。干燥氣溫度:380 ℃。干燥氣流速:11.0 L/min。鞘氣溫度:350 ℃。鞘氣流速:11.0 L/min。

定性/定量:采用多反應(yīng)監(jiān)測(cè)(MRM)模式,以TEPA-d12為內(nèi)標(biāo)定量TEPA; 以TBP-d27為內(nèi)標(biāo)定量TCEP、TDCP、TRIS; 采用外標(biāo)法定量BIS。分析參數(shù)見(jiàn)表1。

2 結(jié)果與分析

2.1 色譜條件的優(yōu)化

本實(shí)驗(yàn)考察了4種流動(dòng)相對(duì)目標(biāo)物的分離效果,分別為甲醇-水、乙腈-水、甲醇-0.1%甲酸水溶液、乙腈-0.1%甲酸水溶液。結(jié)果表明,采用甲醇為流動(dòng)相時(shí),目標(biāo)物的分離效果和響應(yīng)值均優(yōu)于乙腈;因?yàn)闄z測(cè)的5種OPFRs極性差異較大,在檢測(cè)弱極性化合物時(shí),流動(dòng)相組成會(huì)對(duì)OPFRs的離子化效率產(chǎn)生顯著影響,甲醇-水和甲醇-0.1%甲酸水溶液的對(duì)比表明:在流動(dòng)相中添加0.1%甲酸有助于提高目標(biāo)物的電離效率,從而提高檢測(cè)靈敏度和穩(wěn)定性[38]。因此選擇甲醇-0.1%甲酸水溶液為流動(dòng)相。典型的標(biāo)準(zhǔn)品色譜圖見(jiàn)圖1。

圖 1 5種OPFRs與2種內(nèi)標(biāo)物混合標(biāo)準(zhǔn)溶液的色譜圖(50 μg/L)Fig. 1 Chromatograms of a standard mixture of OPFRs and internal standards (50 μg/L)

2.2 樣品預(yù)處理?xiàng)l件的優(yōu)化

2.2.1萃取劑種類(lèi)與體積

懸浮固化-分散液液微萃取中,萃取劑一般選擇密度小于水、熔點(diǎn)接近室溫的萃取劑,文獻(xiàn)[35]表明:采用十一烷醇進(jìn)行萃取,TCEP與TDCP的效果良好,故本文采用十一烷醇為萃取劑。在水樣體積為8 mL時(shí),考察了不同體積(100、200、300、400、500 μL)的十一烷醇對(duì)5種OPFRs萃取效率的影響。如圖2所示,從100 μL到400 μL,萃取效率隨著萃取體積增加而大幅提高,但從400 μL增加到500 μL,萃取效率并無(wú)顯著變化。當(dāng)十一烷醇使用量為400 μL時(shí),對(duì)5種OPFRs的回收率均超過(guò)80%,因此本文采用的萃取劑為400 μL十一烷醇。

圖 2 萃取劑體積的優(yōu)化(n=3)Fig. 2 Optimization of volume of extraction solvent (n=3)

2.2.2分散劑的種類(lèi)與體積

萃取過(guò)程中,分散劑的極性應(yīng)在水和萃取劑之間,能夠分別與水樣及萃取劑完全混合[39]。本文考察了分別以甲醇、乙醇、乙腈和丙酮為分散劑時(shí)的萃取效果。結(jié)果如圖3所示,甲醇作為分散劑時(shí),5種目標(biāo)物的萃取效率最佳,故分散劑為甲醇。

分散劑體積是影響提取效率的重要因素,其分散體積過(guò)小時(shí),難以形成乳濁液,影響萃取效果;體積過(guò)量時(shí)則會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)物在水樣中溶解度增大,分配數(shù)系數(shù)降低[40,41]。實(shí)驗(yàn)固定萃取劑為400 μL十一烷醇,對(duì)比不同體積(100、200、300、400、500 μL)的分散劑甲醇對(duì)OPFRs萃取的影響。結(jié)果如圖4所示,當(dāng)甲醇用量較少時(shí),增加甲醇體積可明顯提高萃取效果,但當(dāng)甲醇體積從300 μL增加到500 μL時(shí),部分目標(biāo)物的萃取效果變差?？傮w而言,甲醇用量在300 μL時(shí),5種目標(biāo)物的萃取效果較為理想,故最終確定甲醇體積為300 μL。

圖 3 分散劑種類(lèi)的優(yōu)化Fig. 3 Optimization of kinds of dispersive solvent

圖 4 分散劑體積的優(yōu)化(n=3)Fig. 4 Optimization of volume of dispersive solvent (n=3)

2.2.3鹽效應(yīng)

NaCl的添加可以增強(qiáng)離子強(qiáng)度,同時(shí)降低分析物在水中的溶解程度,從而影響目標(biāo)化合物的萃取效率[42]。本實(shí)驗(yàn)在8 mL水中,分別加入0、0.5、1、2和2.5 g NaCl進(jìn)行條件優(yōu)化,結(jié)果如圖5所示,增加NaCl的添加量可顯著提高萃取效率,在加入2 g NaCl后,各目標(biāo)化合物的回收率均達(dá)到最高值,繼續(xù)加大NaCl量,各個(gè)化合物的回收率均有所下降。因此,本文選擇NaCl的最佳用量為2.0 g。

圖 5 NaCl加入量的優(yōu)化(n=3)Fig. 5 Optimization of amount of NaCl (n=3)

2.2.4溶液pH值

溶液的酸堿度是影響萃取效率的另一主要因素,國(guó)標(biāo)《紡織染整工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定[43],直接排放與間接排放的紡織廢水pH值應(yīng)為6～9。本工作采集的3類(lèi)11個(gè)實(shí)際廢水樣品的pH值均在7～9之間。使用HCl和NaOH對(duì)樣品進(jìn)行酸堿調(diào)節(jié),考察樣品溶液pH值在6～9之間對(duì)OPFRs萃取效果的影響。結(jié)果表明,pH值在6～9之間變化時(shí)對(duì)目標(biāo)化合物的回收率并無(wú)較大影響,因此,無(wú)需對(duì)實(shí)際水樣進(jìn)行pH值調(diào)節(jié)。

2.2.5萃取時(shí)間

采用高速渦旋能使萃取劑分散成極小的液滴,可使目標(biāo)化合物在樣品溶液與萃取溶劑之間快速分配平衡,縮短萃取時(shí)間,提高萃取效率[44-46]。本實(shí)驗(yàn)采用高速渦旋機(jī)將溶劑分散成極小的液滴,設(shè)置萃取時(shí)間為0.5～3 min,考察渦旋時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響,結(jié)果(見(jiàn)圖6)表明:各化合物均可在2 min內(nèi)達(dá)到萃取平衡,2 min后萃取效率并無(wú)明顯提高,故萃取時(shí)間選擇為2 min。

圖 6 萃取時(shí)間的優(yōu)化(n=3)Fig. 6 Optimization of extraction time (n=3)

2.3 方法學(xué)考察

2.3.1基質(zhì)效應(yīng)

實(shí)驗(yàn)對(duì)不同來(lái)源的紡織廢水的基質(zhì)效應(yīng)進(jìn)行考察。以1個(gè)后整理廢水、1個(gè)染色廢水和2個(gè)印花廢水的空白提取液作為標(biāo)準(zhǔn)溶液的稀釋液,以各組分的峰面積對(duì)質(zhì)量濃度繪制基質(zhì)加標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)曲線,將其斜率與純?nèi)軇┡渲频臉?biāo)準(zhǔn)曲線斜率相比[47],對(duì)于染色和后整理廢水,基質(zhì)效應(yīng)為4.26%～18.51%,為弱基質(zhì)效應(yīng);對(duì)于印花廢水,基質(zhì)效應(yīng)為27.35%～45.75%,為中等基質(zhì)效應(yīng);因此,實(shí)際檢測(cè)中應(yīng)采用基質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)曲線。

2.3.2方法的線性關(guān)系與檢出限

在最佳萃取條件下,用空白樣品提取液作為稀釋液,向其中添加系列OPFRs混合標(biāo)準(zhǔn)溶液,使其質(zhì)量濃度分別為2、5、10、20、50、100 μg/L。分析系列濃度標(biāo)準(zhǔn)溶液,以目標(biāo)化合物與內(nèi)標(biāo)的峰面積比(y)對(duì)TEPA、TCEP、TDCP和TRIS的質(zhì)量濃度(x, μg/L)進(jìn)行線性回歸,TEPA、TCEP、TDCP和TRIS在2～100 μg/L范圍內(nèi),具有良好的線性關(guān)系;以目標(biāo)化合物的峰面積(Y)對(duì)BIS的質(zhì)量濃度(X, μg/L)進(jìn)行線性回歸,BIS在10～100 μg/L范圍內(nèi),具有良好的線性關(guān)系(見(jiàn)表2)。以3種不同來(lái)源的紡織廢水為樣品基質(zhì),分別添加OPFRs混合標(biāo)準(zhǔn)溶液,按本實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行檢測(cè),以3倍信噪比確定檢出限,4種OPFRs的檢出限均可達(dá)2 μg/L, BIS為5 μg/L。

表 2 磷系阻燃劑的線性范圍、線性方程、相關(guān)系數(shù)(R2)和檢出限

Y: peak area;X: mass concentration, μg/L.y: peak area ratio of analyte to internal standard;x: mass concentration of analyte, μg/L.

2.3.3回收率及精密度

以純水、后整理廢水樣品、染色廢水樣品各1個(gè)、印花廢水樣品2個(gè),共5個(gè)水樣為基質(zhì),分別添加10、20和50 μg/L 3個(gè)濃度水平的5種OPFRs混合標(biāo)準(zhǔn)溶液,按照1.3、1.4節(jié)方法進(jìn)行分析測(cè)定,每個(gè)樣品平行測(cè)定6次。結(jié)果見(jiàn)表3。

表 3 5種磷系阻燃劑在廢水中的加標(biāo)回收率和RSD (n=6)

由表3可以看出,純水基質(zhì)中,5種OPFRs的平均回收率為71.6%～117.6%。其余4種廢水基質(zhì)樣品的平均回收率分別為71.6%～105.7%、78.2%～112.3%、76.9%～114.5%和79.5%～109.2%。

2.4 實(shí)際樣品分析

對(duì)從6個(gè)紡織加工企業(yè)采集的11個(gè)廢水樣品采用基質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行測(cè)定,3個(gè)樣品中檢出TCEP與TDCP,含量為2.62～3.43 μg/L,具體結(jié)果見(jiàn)表4,代表性樣品色譜圖見(jiàn)圖7。

表 4 實(shí)際樣品中磷系阻燃劑的檢測(cè)結(jié)果(n=3)

圖 7 染色廢水樣品中磷系阻燃劑的色譜圖Fig. 7 Chromatograms of OPFRs in a printing wastewater sample

3 結(jié)論

本研究建立了一種能滿足ZDHC要求的紡織廢水中5種OPFRs檢測(cè)的SFO-DLLME-LC-MS/MS分析方法。該方法樣品用量少,前處理簡(jiǎn)單,避免了有害萃取試劑的使用,環(huán)境友好,能夠?qū)徔棌U水中的OPFRs進(jìn)行可靠且有效的定量分析,為ZDHC中有關(guān)OPFRs的檢測(cè)提供了可靠的方法。