超聲提取-濃硫酸萃取凈化-氣質(zhì)聯(lián)用法測(cè)定跑道試樣中短鏈氯化石蠟的含量

黃紹軍，杜 萍，何素芳，劉能生

（1. 昆明理工大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650500；2. 昆明理工大學(xué) 分析測(cè)試研究中心（云南省分析測(cè)試中心），云南 昆明 650093； 3. 昆明理工大學(xué) 冶金與能源工程學(xué)院，云南 昆明 650093）

毒跑道對(duì)人體有害，可導(dǎo)致流鼻血、頭暈頭痛、嘔吐、皮膚瘙癢/紅疹、上呼吸道癥、胸悶乏力、脫發(fā)等癥狀，更為嚴(yán)重的可導(dǎo)致死亡［1］。彈性跑道已應(yīng)用幾十年，應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地的合成材料趨于多樣化，如有機(jī)硅改性聚氨酯（硅PU）、丙烯酸、聚氯乙烯、橡膠、聚乙烯、聚氨酯等［2］，相應(yīng)地，運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地中有毒、有害物質(zhì)的來(lái)源也增多了。短鏈（C10～C13）氯化石蠟（SCCPs）是由石蠟經(jīng)氯化制得，由于具有增塑和阻燃的功能，常被添加到塑膠跑道中［3］。SCCPs 具有遠(yuǎn)距離環(huán)境遷移能力、難降解、生物蓄積性和生態(tài)毒性等特點(diǎn)，被國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)劃歸為致癌2B 類物質(zhì)［4-5］。我國(guó)于2018 年11 月強(qiáng)制執(zhí)行的GB 36246—2018 標(biāo)準(zhǔn)［6］，對(duì)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地合成材料面層和非固體原料中SCCPs的含量進(jìn)行了限制，規(guī)定合成材料面層成品和非固體原料中SCCPs 含量均不得超過(guò)1.5 g/kg。由于SCCPs 成分復(fù)雜，目前的分析測(cè)試方法尚未統(tǒng)一，分析結(jié)果存在一定差異，且往往高于實(shí)際值［7-9］。多鹵代有機(jī)物和復(fù)雜基體對(duì)SCCPs 檢測(cè)會(huì)造成嚴(yán)重干擾［10］，并且SCCPs 可分為不同氯化度及不同碳數(shù)，包含的同系物、異構(gòu)體、對(duì)映體和非對(duì)映異構(gòu)體數(shù)量眾多，無(wú)法在色譜柱上實(shí)現(xiàn)完全分離，對(duì)這些化合物的定性和準(zhǔn)確定量仍然存在很多困難［4，7，11］。因此，含鹵雜質(zhì)的干擾往往使得測(cè)試結(jié)果偏高。

本工作使用正己烷超聲提取法，保證了SCCPs的提取效率；采用濃硫酸凈化基體，有效去除了干擾；從總離子流圖譜中提取了具有代表性的24 種SCCPs 化合物的定性和定量離子，確定了它們的保留時(shí)間、峰形和豐度比，并利用24 對(duì)定性/定量離子對(duì)試樣進(jìn)行定性篩查，建立了用于復(fù)雜基體中SCCPs 總含量測(cè)定的GC-MS 方法，并將其應(yīng)用于11 批次中小學(xué)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地彈性跑道成品和非固體原料等實(shí)際試樣的檢測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

456-GC/ SCION TQ 型氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀：德國(guó)布魯克公司，配置化學(xué)離子源；TDL-40B 型離心機(jī)：上海安亭科學(xué)儀器廠；SB-5200DT 型超聲波清洗機(jī)：寧波新芝生物科技股份有限公司；JXFSTPRP-Ⅱ-02 型液氮冷凍研磨儀：上海凈信實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司；0.45 μm 有機(jī)相濾膜：天津市津騰實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司。

氦氣：純度大于等于99.999%，四川梅塞爾氣體產(chǎn)品有限公司；甲烷：純度大于等于99.99%，佛山市高明區(qū)捷和氣體有限公司；標(biāo)準(zhǔn)品：平均氯化度分別為51.5%，55.5%，63.0%的SCCPs，質(zhì)量濃度均為100 mg/L；內(nèi)標(biāo)物ε-1，2，3，4，5，6-六氯環(huán)己烷（ε-HCH）：質(zhì)量濃度為100 mg/L，德國(guó)Dr. Ehrenstorfer GmbH 公司；正己烷、濃硫酸：分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

試樣1：硅PU，綠色塊狀固體，尺寸為300 mm×300 mm×50 mm，云南宏昌建設(shè)有限責(zé)任公司提供；試樣2：跑道底料A/跑道底料B（質(zhì)量比1∶5），跑道底料A 為透明液體，跑道底料B為紅色液體；試樣3：自結(jié)紋面漆甲組/自結(jié)紋面漆乙組（質(zhì)量比1∶2），自結(jié)紋面漆甲組為透明液體，自結(jié)紋面漆乙組為紅色液體；試樣4：硅PU 彈性層，綠色液體；試樣5：硅PU 面漆，紅色液體，巍山彝族回族自治縣第一中學(xué)提供；試樣6：滲水型跑道，紅色塊狀固體，尺寸為280 mm×360 mm×15 mm；試樣7：非滲水型跑道，紅色塊狀固體，尺寸為245 mm×245 mm×12 mm，云南省馬關(guān)縣教育局提供；試樣8：跑道PU 底料A04/跑道PU 底料B04（質(zhì)量比1∶4），跑道PU 底料A04 為透明淺黃色液體，跑道PU 底料B04 為紅色液體，石屏縣職業(yè)高級(jí)中學(xué)提供；試樣9：滲水型塑膠跑道，紅色塊狀固體，尺寸為300 mm×400 mm×10.5 mm，云南省馬關(guān)縣教育局提供；試樣10、試樣11：塑膠跑道，紅色塊狀固體，尺寸為300 mm×400 mm×實(shí)際厚度，馬關(guān)縣第一建筑工程公司提供。

1.2 試樣前處理

將試樣剪碎后用液氮冷卻并粉碎（液體試樣無(wú)需剪碎、冷卻和粉碎），稱量0.5 g 待測(cè)試樣，放入帶密封蓋的螺口刻度試管中，加入2.5 mL 質(zhì)量濃度為2 mg/L 的ε-HCH 內(nèi)標(biāo)溶液和7.5 mL 正己烷，加蓋后用超聲波萃取儀在60 ℃水溫下超聲萃取60 min，搖勻冷卻至室溫。取5 mL 試樣溶液置于帶蓋的離心管中，并加入5 mL 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%的濃硫酸，充分混勻并用離心機(jī)分離，收集上層有機(jī)溶液。重復(fù)以上操作直至下層酸溶液澄清或無(wú)色，此過(guò)程不超過(guò)5 次。取上層有機(jī)溶液適量，用0.45 μm 有機(jī)相濾膜過(guò)濾后，進(jìn)行GC-MS 分析。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)工作溶液配制及校準(zhǔn)曲線繪制

分別取2.50，1.25，0.80，0.40，0.20 mL 不同平均氯化度的SCCPs 儲(chǔ)備液（平均氯化度為51.5%，55.5%，63.0%的三種SCCPs 在混合工作溶液中的質(zhì)量比為1∶1∶1）置于10 mL 容量瓶中，再向每個(gè)容量瓶中加入2.5 mL 質(zhì)量濃度為2 mg/L的ε-HCH 內(nèi)標(biāo)溶液并用正己烷定容至刻度，得到SCCPs 總質(zhì)量濃度分別為75.0，37.5，24.0，12.0，6.0 mg/L 的標(biāo)準(zhǔn)工作溶液，ε-HCH 的質(zhì)量濃度皆為0.5 mg/L，用GC-MS 進(jìn)行分析并繪制校準(zhǔn)曲線。

1.4 實(shí)驗(yàn)條件

色譜條件：色譜柱為Agilent J&W HP-5MS 型毛細(xì)管柱，尺寸為30 m×0.25 mm×0.25 μm；載氣為氦氣，流量為2 mL/min；進(jìn)樣口溫度300 ℃；分流方式為不分流；柱溫初始溫度為80 ℃，以40 ℃/min 的速率升至300 ℃，保持5 min。

質(zhì)譜條件：電離方式為電子捕獲負(fù)化學(xué)源電離，電離電壓為75 eV，燈絲電流為90 μA，反應(yīng)氣（甲烷）壓力為8.3×104Pa，離子源溫度為200 ℃，傳輸線溫度為280 ℃，溶劑延遲時(shí)間為3.5 min，定性方式采用全掃描，質(zhì)量掃描范圍50 ～550，定量方式為選擇離子監(jiān)視（SIM）。

2 結(jié)果與討論

2.1 試樣的前處理

超聲提取方式具有很高的提取效率［12］，且SCCPs 為弱極性化合物，所以將固體試樣先剪碎后用液氮冷凍粉碎，再在60 ℃下用正己烷超聲提取60 min，這樣能保證SCCPs 被充分地提取出來(lái)。試樣的正己烷提取液及用濃硫酸萃取一次后的試樣提取液見圖1。與已報(bào)道的試樣提取方法［13］相比，本工作減少了試樣提取溶劑的用量，提高了提取溫度、延長(zhǎng)了提取時(shí)間，在節(jié)省溶劑的同時(shí)更有利于試樣中SCCPs 的充分提取。此外，雖然試樣提取液看起來(lái)無(wú)色透明（見圖1a），但仍存在很多基體材料，如果不提前處理干凈，會(huì)產(chǎn)生干擾，并污染色譜系統(tǒng)。濃硫酸具有較強(qiáng)的氧化能力，可去除塑膠跑道中干擾SCCPs 檢測(cè)的含氮、氧、硫等雜原子有機(jī)鹵素化合物及易被氧化的不飽和有機(jī)鹵素化合物［14-16］。因此，采用濃硫酸反復(fù)萃取并分解試樣中的含鹵雜質(zhì)和殘留的基體材料。由圖1b 可知，經(jīng)過(guò)萃取后的濃硫酸層呈現(xiàn)出淺黃色到深紅色，這是基體材料不同導(dǎo)致的色差。將試樣提取液反復(fù)用濃硫酸萃取并離心至下層酸溶液澄清或至無(wú)色，這樣可保證提取液中基本不存在基體材料和含鹵雜質(zhì)。與使用弗羅里硅土固相萃取小柱［13］或弗羅里硅土/硅膠復(fù)合層析柱［17］相比，采用濃硫酸萃取凈化具有操作簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、省時(shí)、穩(wěn)定性和回收率較高等優(yōu)點(diǎn)，適用于處理大批量試樣；并且采用濃硫酸萃取凈化的試樣，更容易消除基體材料的干擾。

圖1 試樣的正己烷提取液（a）及用濃硫酸萃取一次后的試樣提取液（b） Fig.1 Sample extracts in n-hexane(a) and sample extracts treated once with concentrated H2SO4(b) .

2.2 SCCPs 化合物定性

采用平均氯化度分別為51.5%，55.5%，63.0%的SCCPs 配制混合標(biāo)液，基本上覆蓋了試樣中可能含有的SCCPs 化合物?；旌蠘?biāo)液中24 種典型的化合物極性相似，在色譜柱上有相似的保留行為。SCCPs （75 mg/L）和內(nèi)標(biāo)物ε-HCH（0.5 mg/L）的總離子流色譜圖見圖2。

圖2 SCCPs（75 mg/L）和內(nèi)標(biāo)物ε-HCH（0.5 mg/L）的總離子流色譜圖Fig. 2 Total ion current chromatogram of SCCPs(75 mg/L) and the internal standard ε-HCH(0.5 mg/L).

由圖2 可知，SCCPs 化合物總體上為五指簇峰，且一個(gè)峰中包含多種化合物［18-19］，給24 種SCCPs的定性增加了難度。直接搜索并提取得到24 對(duì)定性/定量離子的色譜圖，從而能準(zhǔn)確地找到標(biāo)樣中每對(duì)定性/定量離子的保留時(shí)間、峰形和豐度比，為試樣中SCCPs 及假陽(yáng)性的判斷奠定了基礎(chǔ)。如果試樣中某一對(duì)定性/定量離子的保留時(shí)間、峰形和豐度比的某一項(xiàng)與標(biāo)樣有明顯的差別，則可判定為假陽(yáng)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，每種離子不是一個(gè)單一的峰，而是在一個(gè)較寬的保留時(shí)間范圍內(nèi)出現(xiàn)，且質(zhì)荷比相近的兩個(gè)離子的豐度比均接近1∶1，其中277/279 和321/319 這兩對(duì)離子的強(qiáng)度較其他離子低1 ～2 個(gè)數(shù)量級(jí)，這是為了盡可能減少干擾而選擇的特異性定性/定量離子對(duì)。

24 種SCCPs 化合物的名稱、保留時(shí)間、保留時(shí)間窗口、定性離子、定量離子及豐度比見表1。由表1 可知，整體上碳數(shù)越高及氯含量越多，保留時(shí)間越長(zhǎng)；所有離子都有比較寬的保留時(shí)間窗口，這是因?yàn)楹芏郤CCPs 化合物都可電離得到同一離子，即一個(gè)掃描離子代表眾多化合物［17］；定性/定量離子的豐度比為21.7%～100.0%，但大部分接近于100.0%。文獻(xiàn)［13］中把SCCPs 看成一個(gè)整體，選擇一個(gè)定量離子和4 個(gè)定性離子對(duì)試樣進(jìn)行定性篩查和定量，而本工作把SCCPs 看成是24 種典型SCCPs 化合物同分異構(gòu)體的集合［17］，以24對(duì)定性/定量離子對(duì)試樣進(jìn)行定性篩查和定量，更能有效避免假陽(yáng)性誤判。

表1 SCCPs 化合物的分子式、保留時(shí)間、保留時(shí)間窗口、定性/定量離子和豐度比Table 1 Molecular formula，retention time and its window，qualitative/quantitative ions and abundance ratio for SCCPs

2.3 標(biāo)準(zhǔn)校正曲線及檢出限

本方法采用內(nèi)標(biāo)法定量，內(nèi)標(biāo)物選擇與SCCPs性質(zhì)相似的ε-HCH，加入內(nèi)標(biāo)物的目的是為了減少試樣前處理、實(shí)驗(yàn)條件和進(jìn)樣量變化和儀器參數(shù)波動(dòng)對(duì)測(cè)試帶來(lái)的影響。采用SIM 方式所監(jiān)測(cè)的不同濃度SCCPs 的色譜圖及用內(nèi)標(biāo)法制作的SCCPs 的校正曲線見圖3。由圖3a 可知，內(nèi)標(biāo)物ε-HCH 的保留時(shí)間和峰面積的重現(xiàn)性都非常好，6.54 min 時(shí)出現(xiàn)的一個(gè)棒狀峰為干擾峰，不計(jì)入峰的總面積，因而不影響圖3b 中的線性關(guān)系。由圖3b 可知，24 種定量離子的峰面積之和與內(nèi)標(biāo)物定量離子峰面積的比值和質(zhì)量濃度比值呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，線性方程為A/Ais=0.407c/cis+0.015（A為SCCPs 的24 種定量離子的峰面積之和；Ais為內(nèi)標(biāo)定量離子的峰面積；c 為SCCPs 總質(zhì)量濃度，mg/L；cis為內(nèi)標(biāo)物質(zhì)量濃度，mg/L）的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.992。將質(zhì)量濃度為6 mg/L 的SCCPs 逐級(jí)稀釋至剛好能產(chǎn)生約3 倍于噪聲的信號(hào)，并根據(jù)試樣的定容體積（10 mL）和質(zhì)量（0.50 g）計(jì)算檢出限，得到SCCPs 的檢出限為0.01 μg/g，較用弗羅里硅土固相萃取柱或硅膠固相萃取柱凈化處理聯(lián)合電子轟擊離子源檢測(cè)獲得的檢出限［1，12，18］低1 ～3 個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖3 采用SIM 方式所監(jiān)測(cè)的不同濃度SCCPs 的色譜圖（a）及用內(nèi)標(biāo)法制作的SCCPs 的校正曲線（b）Fig.3 SIM chromatograms of SCCPs with different concentrations monitored in SIM mode(a) and calibration curve for SCCPs made by internal standard method(b).

2.4 回收率和精密度

分別定量添加質(zhì)量濃度為75.0，12.0 mg/L 的SCCPs 混合標(biāo)液于空白跑道試樣中，即塑膠跑道成品（試樣9 的空白樣）和固化劑（試樣2 中跑道底料A 的空白樣），加標(biāo)體積皆為2 mL，使得試樣中SCCPs 的添加量分別為0.300，0.048 g/kg，每個(gè)添加量重復(fù)做6 次，計(jì)算平均回收率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。由表2 可知，SCCPs 的平均回收率為84.6%～97.3%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均低于5%，說(shuō)明該方法具有較好的準(zhǔn)確性和重復(fù)性，結(jié)果可信。

表2 回收實(shí)驗(yàn)結(jié)果（n=6）Table 2 Test results of recovery(n=6)

2.5 實(shí)際試樣分析

11 批次試樣基本覆蓋了中小學(xué)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地彈性跑道成品和非固體原料的各種類型。由兩種液體組成的試樣，且一種液體為固化劑時(shí)，因?yàn)閮煞N液體一旦混合就會(huì)固化結(jié)塊，不利于SCCPs 成分的有效提取且給取樣帶來(lái)困難，故只取其中的固化劑進(jìn)行測(cè)試，所得結(jié)果按固化劑所占比例進(jìn)行折算。如試樣8 中，跑道PU 底料A04 為固化劑，取樣時(shí)只取固化劑，測(cè)試結(jié)果乘以1/5 得最終結(jié)果。所檢測(cè)的11 批次試樣中，試樣1、試樣4、試樣8 的SCCPs 的含量分別為0.21，0.10，0.26 g/kg，其余試樣中未檢出SCCPs，均低于GB 36246—2018 的限量。值得注意的是，雖然試樣2 ～試樣4 的總離子流色譜峰面積較大（見圖4），但實(shí)際SCCPs含量非常低，可認(rèn)為是SCCPs 的假陽(yáng)性試樣。

圖4 所檢測(cè)11 批次試樣的SIM 色譜圖Fig.4 SIM chromatograms of 11 batches of samples.

3 結(jié)論

1）建立了復(fù)雜基體材料中SCCPs 總含量的檢測(cè)方法。以正己烷為提取溶劑，在較高溫度下利用超聲波輔助提取SCCPs，保證了提取效率，同時(shí)采用濃硫酸萃取凈化，有效去除了提取液中的基體材料和含鹵雜質(zhì)對(duì)測(cè)試的干擾。

2）采用SIM 模式，利用SCCPs 中24 對(duì)定性/定量離子的保留時(shí)間、峰形和豐度比三個(gè)參數(shù)對(duì)試樣進(jìn)行定性篩查，有效避免了假陽(yáng)性誤判。

3）本方法具有試樣前處理簡(jiǎn)單快捷、穩(wěn)定、成本低，重復(fù)性、回收率和準(zhǔn)確性高，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能滿足大批量中小學(xué)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地彈性跑道成品和非固體原料等復(fù)雜基體材料中SCCPs 總含量的快速測(cè)定。