超高效液相色譜-靜電場軌道離子阱高分辨質(zhì)譜法測定設(shè)施菜地土壤中有機磷酸二酯類化合物

劉孟飛, 王 美,2*, 趙 昂, 朱 琳, 王 椿, 魏 超, 劉 微, 徐建中,2

(1. 河北大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 河北 保定 071002; 2. 阻燃材料及加工技術(shù)工程技術(shù)研究中心, 河北 保定 071002)

有機磷酸酯(organophosphate esters, OPEs)是磷酸分子上的氫被取代而形成的磷酸衍生物,是一類重要的人工合成化合物。根據(jù)取代基團的不同,OPEs可以分為烷基取代、含鹵原子的烷基取代和芳香基取代3種類別。OPEs常常作為阻燃劑和塑化劑被物理添加到各種商品(紡織染料、家具、電子產(chǎn)品、涂料、聚氯乙烯塑料和聚氨酯泡沫)當中,易于通過揮發(fā)、磨損、淋出等途徑從材料的生產(chǎn)和使用過程中釋放進入環(huán)境[1,2]。隨著多氯聯(lián)苯和多溴聯(lián)苯醚等鹵代阻燃劑的陸續(xù)禁用和限用,OPEs作為其替代品開始在世界范圍內(nèi)被廣泛使用[3-5]。相關(guān)研究表明,OPEs具有持久性有機污染物的特性,如持久性、長距離遷移性和生物蓄積性,已經(jīng)在降塵、空氣、水、沉積物和土壤等多種環(huán)境介質(zhì)和生物體中被檢出[6-12]。

環(huán)境介質(zhì)中的OPEs可通過人體或生物體代謝生成有機磷酸二酯(organophosphate diesters, Di-OPEs)或羥基化產(chǎn)物[13-16]。OPEs在生物體內(nèi)主要的代謝途徑是通過脫側(cè)鏈形成二酯類化合物[17]。Di-OPEs被認為是OPEs的生物或非生物降解產(chǎn)物。對于環(huán)境介質(zhì)中Di-OPEs的分析檢測方法主要有液相色譜-質(zhì)譜法、液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法、氣相色譜-質(zhì)譜法和氣相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法等,前處理方法主要為液液萃取、固相萃取、固相微萃取等方法[18-23]。李佩等[22]采用固相萃取技術(shù)進行富集凈化,利用液相色譜-三重四極桿質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù),建立了人體尿液中Di-OPEs的檢測方法,化合物的定量限為0.02～0.50 μg/L,除磷酸二乙酯的加標回收率為17.8%～36.2%,其他化合物的加標回收率為60.5%～104.0%。李棟等[23]建立了基于自制混合型小柱的樣品凈化結(jié)合高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜同時測定Di-OPEs和8-羥基-2′-脫氧鳥苷(8-OHdG)的分析方法,OPEs代謝物和8-OHdG的檢出范圍分別為6.24～46.07 μg/L和5.90～16.71 μg/L,加標回收率分別為52.36%～114.56%和88.63%～97.72%。

目前大多數(shù)研究主要集中于尿液中Di-OPEs的檢測[24,25],但是對于人體直接從環(huán)境介質(zhì)中攝入Di-OPEs的研究較少。近期的一些研究發(fā)現(xiàn),Di-OPEs廣泛存在于環(huán)境中,在多種環(huán)境介質(zhì)中被檢出。Li等[26]在廢水、河水和自來水中檢測到Di-OPEs。張博鈉等[21]應(yīng)用ENVI-18固相萃取柱凈化處理,結(jié)合超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法開展了小麥樣品中Di-OPEs的篩查分析。Du等[27]對住宅灰塵的研究發(fā)現(xiàn),灰塵樣本中存在Di-OPEs。He等[28]在來自澳大利亞的食品和飲用水樣品中檢測出了兩種Di-OPEs。Li等[29]在魚肉中檢測到磷酸二(2-氯乙基)酯(BCEP)和磷酸二(1,3-二氯-2-丙基)酯(BDCIPP)等Di-OPEs。

土壤作為基本的環(huán)境基質(zhì),對環(huán)境中有機污染物的遷移轉(zhuǎn)化起著至關(guān)重要的作用。土壤中的Di-OPEs不僅可以通過地表徑流、雨水沖刷和淋濾等途徑污染地表水和地下水,還可以通過揮發(fā)進入大氣,造成二次污染,同時也可通過食物鏈循環(huán)、呼吸和皮膚接觸進入人體,直接危害人體健康。當前,已有研究表明,土壤環(huán)境中存在一定程度的OPEs污染[30-32],但是有關(guān)土壤環(huán)境中Di-OPEs的研究鮮有報道。Di-OPEs的分析檢測對于深入研究OPEs在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化和生態(tài)影響有重要意義。因此,本研究依據(jù)我國土壤環(huán)境介質(zhì)中OPEs的污染現(xiàn)狀,選取檢出率較高、含量較大、較為常見且應(yīng)用廣泛的5種OPEs代謝產(chǎn)物:磷酸二(2-氯)乙酯(bis(2-chloroethyl) phosphate, BCEP)、磷酸二(1,3-二氯異丙基)酯(bis(1,3-dichloro-2-propyl) phosphate, BDCP)、磷酸二正丁酯(di-n-butyl phosphate, DnBP)、磷酸二苯酯(diphenyl phosphate, DPhP)和磷酸二(2-乙基己基)酯(bis(2-ethylhexyl) phosphate, DEHP)5種Di-OPEs作為研究對象,建立了5種Di-OPEs的超高效液相色譜-靜電場軌道離子阱高分辨質(zhì)譜(UHPLC-Orbitrap HRMS)分析方法,并將該方法應(yīng)用于設(shè)施菜地土壤的檢測。研究結(jié)果為設(shè)施菜地土壤中Di-OPEs的污染現(xiàn)狀提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),對于深入認知Di-OPEs在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化行為具有重要意義。

1 實驗部分

1.1 儀器、試劑與材料

Ultimate 3000-Q-Exactive Focus超高效液相色譜-高分辨質(zhì)譜聯(lián)用儀(Thermo Fisher公司,美國); SB-800DT超聲波清洗儀(寧波新芝生物科技有限公司,中國); N-EVAP氮吹儀(Organomation公司,美國); RV 10旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(IKA公司,德國)。

5種OPEs代謝產(chǎn)物標準品:BCEP(純度95%)、BDCP(純度95%)和DEHP(純度97%)(TRC公司,加拿大); DnBP(純度99.9%, Dr. Ehrenstorfer公司,德國); DPhP(純度99%, Acros公司,美國)。

甲醇、甲酸(色譜純,Thermo Fisher公司,美國), Oasis WAX固相萃取柱(60 mg, 3 mL)和Oasis HLB固相萃取柱(60 mg, 3 mL)購自沃特世科技有限公司,HP-WAX固相萃取柱(60 mg, 3 mL)和HP-HLB固相萃取柱(60 mg, 3 mL)購自武漢蔚啟科技有限公司。醋酸鈉(分析純,純度99.0%)購自天大化工實驗廠,氨水(優(yōu)級純,純度25%～28%)購自科密歐有限公司。

1.2 Di-OPEs標準溶液的配制

BCEP、BDCP、DnBP、DPhP和DEHP用甲醇配制成質(zhì)量濃度為100 μg/mL的單標儲備液,用移液槍分別量取10 μL單標儲備液,用甲醇稀釋至1 mL,配成質(zhì)量濃度為1 μg/mL的混合標準儲備液,于-20 ℃條件下儲存?zhèn)溆?。使用時,用甲醇配制成0.5、1.0、5.0、10.0、50.0、100.0 ng/mL的標準工作溶液。

1.3 樣品的采集與前處理

1.3.1樣品采集

本研究中的所有土壤樣品均為大型塑料拱棚的設(shè)施菜地土壤,采集于河北省滄州市青縣,該地區(qū)是河北省現(xiàn)代瓜菜示范區(qū),設(shè)施蔬菜種植面積超過30萬畝。本研究中的樣品為采集于該示范區(qū)中的16個大型設(shè)施蔬菜塑料拱棚中0～10 cm的表層土壤樣本,土壤類型為黏質(zhì)壤土。16個拱棚均為一年兩季輪種,2～6月份種植甜瓜,7月份休耕,8～10月份種植黃瓜和豆角。樣品采集時,用預(yù)先清潔的不銹鋼鏟采集0～10 cm的表層土壤樣本。首先,去除表層覆蓋物,然后根據(jù)五點采樣法從同一個塑料拱棚設(shè)施菜地中取5個樣品混合成一個復(fù)合樣品作為該采樣點的代表性土樣。所有的土壤樣品收集后放入棕色玻璃瓶中運回實驗室。運輸至實驗室后，去除土壤樣品中的石頭和殘根,經(jīng)冷凍干燥后,研磨過150目不銹鋼篩,然后用錫箔紙包裹密封保存。所有樣品在分析前均保存在-20 ℃冰箱中。

1.3.2樣品提取

準確稱取2.0 g設(shè)施菜地土壤樣品，轉(zhuǎn)移到50 mL玻璃管中,以30 mL甲醇作提取液,超聲20 min。提取液經(jīng)低速離心15 min后將上清液轉(zhuǎn)移至雞心瓶中,重復(fù)提取3次,合并后的提取液經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮至約1～2 mL,然后用超純水稀釋到10 mL,用醋酸鈉緩沖液(pH 4.5)調(diào)節(jié)pH至5。

1.3.3樣品凈化

樣品采用Oasis WAX柱(60 mg, 3 mL)進行萃取分離。固相萃取柱依次用3 mL甲醇、3 mL含5%氨水的甲醇溶液、3 mL 0.1 mol/L醋酸鈉-醋酸(NaAc-HAc)緩沖溶劑進行活化,上樣后,用3 mL 30%甲醇水溶液淋洗,最后用8 mL含5%氨水的甲醇溶液洗脫目標物。將洗脫液經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮至約1～2 mL,然后進行緩慢氮吹,最后交換至500 μL甲醇中待測。

1.4 儀器條件

色譜柱為Thermo Accucore RP-MS柱(100 mm×2.1 mm, 2.6 μm),柱溫:30 ℃,流動相為0.2 mmol/L乙酸銨水溶液(A)和甲醇(B),流速:0.2 mL/min,進樣體積:10 μL。流動相梯度:0～1.0 min, 10%B; 1.0～1.5 min, 10%B～100%B; 1.5～7.0 min, 100%B; 7.0～8.0 min, 100%B～10%B; 8.0～10.0 min, 10%B。

采用可加熱電噴霧電離源(HESI),分析物在負離子掃描下以全掃描(Full MS)模式分析,掃描范圍:m/z100～500,離子傳輸管溫度:320 ℃,自動增益控制目標粒子數(shù):1×106,鞘氣流速:8.58 L/min,輔助氣流速:17.40 L/min,噴霧電壓:3.2 kV,疊環(huán)離子導(dǎo)向器(S-lens)電壓:50 V;加熱溫度:350 ℃。5種Di-OPEs的其他質(zhì)譜參數(shù)見表1。

表 1 5種Di-OPEs的質(zhì)譜參數(shù)Table 1 MS parameters of the five organophosphate diesters (Di-OPEs)

1.5 質(zhì)量控制及質(zhì)量保證

Di-OPEs在環(huán)境介質(zhì)中普遍存在,因此為確保沒有外來污染物的干擾,在樣品采集、儲存及提取等過程中避免使用塑料制品。所有的玻璃儀器使用前均用甲醇洗液清洗3遍,然后超聲清洗,烘箱烘干,使用前,用甲醇、正己烷、二氯甲烷淋洗。

分析樣本中Di-OPEs時,每批樣本中包含一個空白土壤樣品?？瞻淄寥罉悠返闹苽淙缦?實際采集的土壤樣品,經(jīng)清理去除石頭和殘根,經(jīng)真空冷凍干燥機低溫干燥后,在馬弗爐中進行800 ℃, 6～7 h的老化,待老化的土壤冷卻至室溫,加去離子水進行去活化處理后備用?？瞻淄寥罉悠分袡z測到痕量的BCEP和DPhP,含量分別為0～0.08 ng/g和0.05～0.09 ng/g,分別占實際土壤樣品含量的0～3.1%和0.7%～3.4%,遠小于實際樣品中的含量。在本研究中,實際土壤樣品中BCEP和DPhP的含量為扣除空白背景干擾后的數(shù)值。

2 結(jié)果與討論

2.1 固相萃取條件的優(yōu)化

固相萃取基于萃取劑對目標化合物與干擾物的吸附強弱不同,對目標化合物進行分離與凈化。本研究選取Oasis WAX、Oasis HLB、HP-HLB和HP-WAX 4種小柱對目標物進行分離凈化。如圖1所示,對于HP-WAX和HP-HLB固相萃取柱,目標物的回收率低。Oasis HLB柱對BCEP的回收率較低,回收率僅為37.51%,這可能與BCEP的水溶性較大有關(guān)。Oasis WAX柱對5種Di-OPEs的回收率為74.75%～132.96%,富集凈化效果較好,因此選擇Oasis WAX柱為固相萃取柱。

圖 1 5種Di-OPEs在不同萃取柱中的回收率(n=3)Fig. 1 Recoveries of the five Di-OPEs on the different SPE columns (n=3)

2.2 流動相的優(yōu)化

色譜分析過程依賴樣品與流動相和固定相的吸附-解吸差異,從而達到分離物質(zhì)的目的。流動相根據(jù)化合物極性的不同,將化合物從色譜柱中洗脫出來,影響目標物的出峰時間及色譜圖峰形。本研究比較甲醇與0.1、0.2、1.0、5.0、10.0 mmol/L乙酸銨水溶液5種不同流動相配比條件下對Di-OPEs的影響。當流動相為甲醇-0.2 mmol/L乙酸銨水溶液時,5種Di-OPEs的響應(yīng)較高(見圖2)。因此,本研究最終采用甲醇-0.2 mmol/L乙酸銨水溶液作為流動相。

圖 2 5種Di-OPEs在不同流動相中的響應(yīng)(n=3)Fig. 2 Responses of the five Di-OPEs in different mobile phases (n=3)

2.3 流動相流速的優(yōu)化

流動相流速對化合物的出峰時間及半峰寬產(chǎn)生影響,當流動相流速增大時,色譜柱壓力增大,會使得色譜柱的半峰寬變窄,并且保留時間提前。本研究比較了0.15、0.20、0.25、0.30 mL/min 4種流速條件對5種Di-OPEs的影響。結(jié)果表明,隨著流動相流速的增大,5種Di-OPEs的出峰時間提前,BCEP的出峰時間從1.42 min提前至0.71 min, BEHP的出峰時間從4.50 min提前至3.46 min。當流動相流速為0.15 mL/min時,BCEP、BDCP、DnBP、DPhP和DEHP的響應(yīng)分別為7.31×106、1.03×108、3.25×108、2.24×108和7.79×108。當流動相流速為0.30 mL/min時,BCEP、BDCP、DnBP、DPhP和DEHP的響應(yīng)分別為4.84×106、5.13×107、1.18×108、7.44×107和2.83×108。流動相流速為0.15 mL/min時,5種Di-OPEs的響應(yīng)最高(如圖3),但BDCP、DnBP、DPhP 3種化合物出現(xiàn)了峰展寬的現(xiàn)象(如圖4)。因此最終選擇0.20 mL/min流速進行分析。

圖 4 不同流速下5種Di-OPEs的總離子流色譜圖Fig. 4 Total ion chromatograms of the five Di-OPEs at different flow ratesa. 0.15 mL/min; b. 0.20 mL/min.

2.4 色譜柱柱溫的優(yōu)化

化合物在色譜柱上的行為是吸附-解吸的動態(tài)分配平衡過程。溫度可以影響化合物在色譜柱中的吸附-解吸過程,進而影響色譜分析過程。本研究比較了25、30、35、40 ℃ 4種柱溫條件下目標物的響應(yīng)變化。結(jié)果表明,隨色譜柱溫度的升高,目標物的出峰時間提前,但總體相差不大。柱溫30 ℃時化合物的響應(yīng)較高(如圖5),綜合考慮選擇30 ℃柱溫進行分析。

圖 5 不同柱溫下5種Di-OPEs的響應(yīng)(n=3)Fig. 5 Responses of the five Di-OPEs at different column temperatures (n=3)

2.5 質(zhì)譜條件的優(yōu)化

在離子源中,鞘氣有助于樣品液滴揮發(fā),幫助樣品電離產(chǎn)生離子;輔助氣在溶液去溶劑化過程中對鞘氣起輔助作用,聚合樣品氣流,增大樣品分析過程的靈敏度,因此可通過調(diào)節(jié)鞘氣和輔助氣的流速,優(yōu)化離子束的密度和穩(wěn)定性。本研究以甲醇-0.2 mmol/L乙酸銨水溶液作為流動相,色譜柱柱溫30 ℃、流動相流速0.20 mL/min條件下,改變鞘氣流速或輔助氣流速,觀察5種目標物的響應(yīng)變化。輔助氣流速為17.40 L/min保持不變,設(shè)置鞘氣流速分別為7.51、8.58、9.65 L/min,考察鞘氣流速對Di-OPEs的影響。結(jié)果如圖6所示,當鞘氣流速為8.58 L/min時,5種化合物的響應(yīng)最高,BCEP、BDCP、DnBP、DPhP和DEHP的響應(yīng)分別為6.48×106、9.03×107、2.60×108、1.68×108和5.52×108。鞘氣流速為8.58 L/min保持不變,設(shè)置輔助氣流速分別為8.70、17.40、26.10 L/min,考察輔助氣對Di-OPEs的影響。結(jié)果如圖7所示,當輔助氣流速為17.40 L/min時,DnBP、DPhP和DEHP的響應(yīng)最高。而BCEP和BDCP的響應(yīng)與流速為8.70 L/min相比,略有降低。綜合考慮,本實驗選擇鞘氣流速為8.58 L/min,輔助氣流速為17.40 L/min。

圖 6 不同鞘氣流速下5種Di-OPEs的響應(yīng)(n=3)Fig. 6 Responses of the five Di-OPEs at different sheath gas flow rates (n=3)

圖 7 不同輔助氣流速下5種Di-OPEs的響應(yīng)(n=3)Fig. 7 Responses of the five Di-OPEs at different auxiliary gas flow rates (n=3)

2.6 方法評價

2.6.1線性范圍與檢出限

經(jīng)UHPLC-Orbitrap HRMS測定混合標準溶液后,以Di-OPEs的質(zhì)量濃度為橫坐標,峰面積為縱坐標繪制標準曲線。結(jié)果表明5種Di-OPEs在0.5～100 ng/mL范圍內(nèi)有良好的線性關(guān)系,相關(guān)系數(shù)(r)為0.998 5～0.999 9。當進樣量為10 μL時,儀器的檢出限(3倍信噪比)和定量限(10倍信噪比)分別0.001～0.047 ng/g和0.004～0.156 ng/g, 5種Di-OPEs的線性方程、相關(guān)系數(shù)、檢出限和定量限見表2。

表 2 Di-OPEs的線性方程、相關(guān)系數(shù)、檢出限和定量限Table 2 Linear equations, correlation coefficients (r), limits of detection and limits of quantification of the five Di-OPEs

2.6.2回收率與基質(zhì)效應(yīng)

準確稱取2.0 g土壤樣品,添加5種Di-OPEs標準品,使得加標水平分別為5.0、25.0、50.0 ng/kg,每個水平設(shè)3組平行,結(jié)果見表3, 5種Di-OPEs的回收率為56.9%～133.0%,相對標準偏差為4.4%～18.9%。該方法準確性良好,精密度較高,能夠滿足檢測要求。

在5.0、25.0、50.0 ng/g的添加水平下,比較基質(zhì)提取液和純?nèi)軇┲?種Di-OPEs的響應(yīng)值,以評估基質(zhì)效應(yīng)(ME),具體計算方法見公式(1)。評價方法為相對響應(yīng)值法。

(1)

其中,A:純?nèi)軇┲?種Di-OPEs的響應(yīng)值,Bn:樣品基質(zhì)中添加相同含量的5種Di-OPEs的響應(yīng)值,B0:空白土壤樣品中BCEP和DPhP的響應(yīng)值(在空白樣品中BCEP和DPhP有痕量檢出,其他化合物未檢出)。

ME<100%為基質(zhì)抑制作用,ME>100%為基質(zhì)增強作用。ME<50%或>150%為強基質(zhì)作用,50%≤ME≤80%或120%≤ME≤150%為中等基質(zhì)作用,80%

表 3 空白土壤樣品中5種Di-OPEs的加標回收率和基質(zhì)效應(yīng)(n=3)Table 3 Spiked recoveries and matrix effects of the five Di-OPEs in the blank soil samples (n=3)

2.7 實際樣品測定

本研究采集了位于河北省滄州市青縣現(xiàn)代瓜菜示范區(qū)16個大型設(shè)施蔬菜塑料拱棚中0～10 cm的表層土壤樣本,應(yīng)用建立的UHPLC-Orbitrap HRMS分析方法,開展了設(shè)施菜地土壤中Di-OPEs的研究。如表4所示,5種Di-OPEs的總含量為2.53～6.94 ng/g,且5種Di-OPEs的檢出率均高于60%,表明Di-OPEs在設(shè)施菜地土壤中普遍存在。其中,DnBP是設(shè)施菜地土壤中的主要污染物,含量范圍為1.37～3.20 ng/g,占Di-OPEs總含量的23.4%～68.8%,中位數(shù)含量為1.75 ng/g。其次為DPhP,含量為0.47～2.44 ng/g,占Di-OPEs總含量的16.3%～35.9%,中位數(shù)含量為0.91 ng/g。

表 4 設(shè)施菜地土壤中5種Di-OPEs的檢測結(jié)果Table 4 Detection results of the five Di-OPEs in facility vegetable soil samples (ng/g)

3 結(jié)論

本文建立了超高效液相色譜-靜電場軌道離子阱高分辨質(zhì)譜測定設(shè)施菜地土壤中Di-OPEs的分析方法。該方法操作簡便,靈敏度高,重復(fù)性好,一次處理即可完成多種目標化合物的分析檢測,滿足設(shè)施菜地土壤中Di-OPEs的測定。