超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法測定飲用水中雙酚類化合物

王園媛,李璐璐,張 嵐

(中國疾病預防控制中心環(huán)境與健康相關產(chǎn)品安全所,中國疾病預防控制中心環(huán)境與人群健康重點實驗室,北京 100050)

雙酚類化合物是一類重要的工業(yè)化學原料,主要應用于醫(yī)療設備、熱敏紙、水管、玩具、塑料瓶和食品包裝等產(chǎn)品的制造與加工,容易暴露在日常環(huán)境中,與人體接觸[1-3]。其中,雙酚A(BPA)是目前產(chǎn)量最高、應用最廣的雙酚類化合物。2021年,BPA在我國的表觀消費量達到2.292×105t[4]。研究[5-7]表明,暴露在一定劑量的BPA下可能會影響正常的生殖發(fā)育過程,導致性早熟、代謝異常以及肥胖等不良健康結(jié)果。此外,長期接觸BPA還可能對心血管系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)造成影響[8-9]。鑒于BPA逐漸明晰的內(nèi)分泌干擾作用以及毒性效應,加拿大、歐盟等很多國家和組織都出臺了限制BPA使用的政策[10-11]。因此,近年來其結(jié)構(gòu)類似物作為替代物日益廣泛地應用于工業(yè)生產(chǎn)和制造業(yè)。但毒理學研究顯示,BPA替代物可能具有與BPA類似的內(nèi)分泌干擾作用[12]。

在生產(chǎn)使用過程中,雙酚類化合物可通過地表徑流、無序排放等多種途徑進入水體,從而帶來飲用水污染的風險。飲用水中的雙酚類化合物具有污染較普遍、濃度較低等特點[13-14],因此,開發(fā)高效簡便、靈敏度高的檢測方法對于飲用水中雙酚類化合物的風險監(jiān)控很有必要。目前,水中雙酚類化合物的檢測方法主要包括高效液相色譜法(HPLC)[15]、氣相色譜-質(zhì)譜法(GC-MS)[14-16]以及超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法(UPLC-MS/MS)[17-18]等。HPLC定性能力較弱、分析時間較長,部分物質(zhì)檢出限較高;GC-MS所用樣品需要衍生化處理,操作較為繁瑣耗時;UPLC-MS/MS結(jié)合了色譜技術(shù)和質(zhì)譜技術(shù)的優(yōu)點,具有較強的定性能力、較高的靈敏度以及較短的分析時間。由于水體中雙酚類化合物含量較低,多數(shù)研究使用固相萃取、液液萃取或固相微萃取等前處理方法對樣品進行富集濃縮,以提高檢測靈敏度。但前處理過程往往步驟繁瑣,耗時較長,且所需水樣體積較大,多為0.2～1.0 L。本研究選取BPA及兩種典型替代物雙酚E(BPE)和雙酚F(BPF),通過優(yōu)化針式濾膜材質(zhì),以直接進樣方式,建立3種雙酚類化合物UPLC-MS/MS同時檢測方法。該方法所需樣本量少,具有簡單、高效、靈敏度高等優(yōu)點,滿足《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2022)BPA的限值測定需求,可為飲用水中雙酚類化合物的分布特征研究和暴露風險監(jiān)測提供技術(shù)支撐。

1 試驗材料和方法

1.1 儀器與試劑

Exion LC超高效液相色譜系統(tǒng)搭載QTRAP 5500三重四級桿質(zhì)譜儀(美國SCIEX公司),SB25-12D超聲波清洗機(寧波新芝公司),MINI-230V渦流振蕩器(美國Talboys公司),AL204-IC電子天平(0.000 1 g,瑞士Mettler公司),Milli-Q Integral純水儀(美國Millipore公司)。

甲醇、乙腈(LC-MS級,德國Merck公司),醋酸銨(LC-MS級,北京百靈威科技有限公司),氨水(LC-MS級,上海安譜實驗科技股份有限公司)。

BPA(≥99%)、BPE(≥98%)、BPF(≥98%)標準物質(zhì)(德國Merck公司),尼龍(Nylon)、聚醚砜(PES)、混合纖維素(MCE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)針式濾膜(上海安譜實驗科技股份有限公司),親水性聚四氟乙烯(PTFE)針式濾膜(美國Pall公司)。

1.2 試驗方法

1.2.1 標準溶液的配制

標準儲備溶液Ⅰ:分別稱取10.0 mg BPA、BPE、BPF標準物質(zhì)于10 mL棕色容量瓶中,用甲醇溶解并定容,配制成質(zhì)量濃度為1 000 μg/mL的標準儲備液Ⅰ,轉(zhuǎn)移至棕色試劑瓶,-20 ℃儲存?zhèn)溆谩?/p>

標準儲備溶液Ⅱ:分別移取1 mL各物質(zhì)標準儲備液Ⅰ于10 mL棕色容量瓶中,用甲醇定容,配制成質(zhì)量濃度為100 μg/mL的標準儲備液Ⅱ,轉(zhuǎn)移至棕色試劑瓶,-20 ℃儲存?zhèn)溆谩?/p>

混合標準工作溶液:準確移取BPA、BPE、BPF標準儲備液Ⅱ各100 μL于10 mL棕色容量瓶中,用純水定容,配制成質(zhì)量濃度為1 μg/mL的混合標準工作溶液,轉(zhuǎn)移至棕色試劑瓶,4 ℃儲存。

標準系列混合溶液:臨用前,移取適量混合標準工作溶液,用純水逐級稀釋成質(zhì)量濃度為0.05、0.10、0.20、1.00、2.00、5.00、10.00、20.00、50.00 μg/L的標準系列混合溶液。

1.2.2 超高效液相色譜條件

本試驗采用ACQUITY UPLC BEH C18色譜柱(2.1 mm×100 mm,1.7 μm,美國Waters公司),柱溫:40 ℃;流動相:(A)純水,(B)甲醇;流動相流速:0.3 mL/min;進樣體積:10 μL。梯度洗脫程序如表1所示。

表1 梯度洗脫程序Tab.1 Gradient Elution Procedure

1.2.3 質(zhì)譜條件

離子源為電噴霧離子源(ESI-),負離子模式掃描,多反應監(jiān)測模式(MRM)分析。質(zhì)譜參數(shù)為離子源溫度:500 ℃;氣簾氣氣壓(CUR):30 psi(1 psi≈6.895 kPa);離子化電壓(IS):-4 500 V;噴霧氣氣壓(GS1):45 psi;輔助加熱氣氣壓(GS2):60 psi;碰撞氣氣壓(CAD):9 psi。3種雙酚類化合物的定量離子對、定性離子對、去簇電壓(DP)、碰撞電壓(CE)、入口電壓(EP)、出口電壓(CXP)如表2所示。

表2 BPA、BPE和BPF的質(zhì)譜參數(shù)Tab.2 MS/MS Parameters of BPA, BPE and BPF

1.2.4 樣品前處理

將2 mL樣品經(jīng)孔徑為0.22 μm、直徑為13 mm的針式過濾器過濾,棄去前0.5 mL過濾液,收集續(xù)濾液至棕色玻璃進樣小瓶中,待分析。

2 結(jié)果和討論

2.1 色譜條件的優(yōu)化

根據(jù)目標化合物性質(zhì),本試驗分別選擇ACQUITY UPLC BEH C18(2.1 mm×100 mm,1.7 μm)和ACQUITY UPLC HSS T3(2.1 mm×100 mm,1.8 μm)兩種反相色譜柱進行考察。結(jié)果顯示,兩種色譜柱均可將所有目標化合物分離,峰形較好,且響應基本無差異?？紤]到后續(xù)流動相條件優(yōu)化時會使用氨水等堿性添加劑,而ACQUITY UPLC HSS T3柱耐堿性較差,因此,本試驗選擇ACQUITY UPLC BEH C18色譜柱。

使用ACQUITY UPLC BEH C18色譜柱,本試驗分別比較了乙腈-水、甲醇-水、甲醇-水(含0.05%氨水)、甲醇-水(含1 mmol/L醋酸銨)4種流動相體系對目標化合物分離、峰形和響應的影響。不同流動相體系下BPA、BPE和BPF的響應如圖1所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn),相較于乙腈-水,甲醇-水為流動相時各目標化合物的分離度和響應更好。當水相加入1 mmol/L醋酸銨時,目標化合物與未加入醋酸銨時相比響應降低;當水相加入0.05%氨水時,目標化合物的分離度和信噪比S/N與未加入氨水時相比沒有明顯差異?？紤]到試驗操作的簡便性,本試驗選擇甲醇-水作為流動相。優(yōu)化后目標化合物的色譜圖如圖2所示。

圖1 不同流動相體系對BPA、BPE和BPF的影響Fig.1 Effects of Different Mobile Phase for BPA, BPE and BPF

圖2 優(yōu)化后BPA、BPE和BPF的色譜分離圖Fig.2 Optimized Chromatograms of BPA, BPE and BPF

2.2 質(zhì)譜條件的優(yōu)化

使用甲醇將BPA、BPE、BPF標準儲備溶液Ⅱ分別稀釋至100 μg/L,使用針泵進樣方式,進行母離子掃描,以選擇合適的電離方式和母離子。結(jié)果顯示,3種雙酚類化合物在負離子模式下,以[M-H]-加合方式的母離子最為理想,確定BPA、BPE和BPF的母離子分別為227.0、213.3和198.9。選定母離子后,對每一種目標化合物進行子離子掃描,選擇背景較低、響應較強的兩個子離子作為定量離子和定性離子。結(jié)果顯示,BPA的子離子以212.0和133.0 S/N較高;BPE的子離子以197.1和119.1 S/N較高;BPF的子離子以105.1和93.0 S/N較高。采用MRM模式對上述離子對的CE和DP等參數(shù)進行優(yōu)化,優(yōu)化后3種雙酚類化合物的質(zhì)譜參數(shù)如表2所示。

表3 BPA、BPE和BPF的線性范圍、檢出限及定量限Tab.3 Linear Ranges, LODs and LOQs of BPA, BPE and BPF

2.3 針式濾膜的選擇

本試驗分別比較了樣品前處理過程中,親水性PTFE、Nylon、PES、MCE、PVDF這5種針式濾膜對BPA、BPE、BPF吸附的影響。用純水將混合標準工作溶液稀釋至10 μg/L,分別使用上述5種針式濾膜進行過濾,使用所建方法對收集的濾液進行檢測分析。按式(1)計算回收率以評估不同濾膜的影響,每種針式濾膜設置6個平行樣品。

(1)

其中:y——回收率;

A0——未過濾目標化合物的峰面積;

Ai——經(jīng)不同種類針式濾膜過濾后目標化合物的峰面積(i=PTFE、Nylon、PES、MCE、PVDF)。

不同種類針式濾膜對BPA、BPE、BPF的影響如圖3所示。親水性PTFE、Nylon、PES、MCE、PVDF對3種雙酚類化合物的回收率分別為91.1%～97.5%,9.2%～26.2%,39.8%～78.0%,49.3%～72.6%,42.3%～62.1%;相對標準偏差(RSD)分別為1.4%～2.1%、4.5%～9.9%、1.5%～3.6%、1.4%～2.9%、2.7%～3.8%?？梢钥闯?5種濾膜中,Nylon、PES、MCE、PVDF對目標化合物均有一定的吸附作用,其中Nylon的吸附最強。親水性PTFE對目標化合物的吸附很少,回收率和重復性較好。因此,水樣使用親水性PTFE針式濾膜進行過濾前處理。

圖3 BPA、BPE、BPF經(jīng)不同針式濾膜過濾后的回收率Fig.3 Recovery Rates of BPA, BPE and BPF Filtered through Various Syringe Filters

2.4 線性范圍與檢出限

以3種雙酚類化合物峰面積(y)對標準系列濃度(x)繪制標準曲線并計算相關系數(shù)(r),如表3所示。3種雙酚類化合物在濃度范圍內(nèi)呈現(xiàn)良好線性關系,r均大于0.999。以目標化合物S/N為3時對應的濃度作為檢出限(LOD),S/N為10時對應的濃度作為定量限(LOQ)。結(jié)果顯示,BPA、BPE、BPF的LOD分別為0.030、0.009、0.060 μg/L;LOQ分別為0.10、0.03、0.20 μg/L。此方法LOD和LOQ較低,可滿足飲用水中雙酚類化合物的分析檢測需求。

2.5 回收率與精密度

在純凈水樣品和自來水樣品中分別添加低(1 μg/L)、中(5 μg/L)、高(10 μg/L)3個質(zhì)量濃度水平的BPA、BPE、BPF標準溶液進行加標回收試驗。每個濃度設置6個平行,計算不同加標濃度下BPA、BPE、BPF的回收率和RSD,如表4所示。不同加標濃度下BPA、BPE和BPF在純凈水樣品中的回收率為92.3%～98.6%,RSD為0.9%～2.6%;在自來水樣品中的回收率為91.7%～103.8%,RSD為1.8%～3.5%。該方法具有較高的準確度和精密度,符合飲用水中雙酚類化合物的測定要求。

表4 不同類型飲用水中BPA、BPE和BPF的加標回收率及相對標準偏差 (n=6)Tab.4 Recovery Rates and Relative Standard Deviations of BPA, BPE and BPF in Different Types of Drinking Water (n=6)

2.6 實際樣品測定

使用本研究建立方法,對5份純凈水樣品、10份出廠水樣品及10份末梢水樣品進行檢測。其中,BPA、BPE、BPF在純凈水樣品中均未檢出。BPA在3份出廠水樣品中有檢出,檢出率為30%,質(zhì)量濃度為0.23～5.89 μg/L;在3份末梢水樣品中有檢出,檢出率為30%,質(zhì)量濃度為0.52～3.67 μg/L。BPE、BPF在出廠水及末梢水樣品中均未檢出。

3 結(jié)論

本研究基于直接進樣-超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜建立了飲用水中BPA、BPE和BPF 3種雙酚類化合物同時檢測的分析方法。(1)該方法前處理使用0.22 μm針式濾膜過濾后直接進樣,操作簡便,所需樣品量少,具有快速高效的優(yōu)點。(2)BPA、BPE、BPF的線性值分別在0.05～50.00、0.05～50.00、0.1～50.0 μg/L;LOD分別為0.030、0.009、0.060 μg/L;LOQ分別為0.10、0.03、0.20 μg/L。3種雙酚類化合物在純凈水和自來水樣品中的加標回收率分別為92.3%～98.6%和91.7%～103.8%,RSD分別為0.9%～2.6%和 1.8%～3.5%。由此,該方法具有較高的靈敏度和精密度。(3)該方法滿足《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2022)中BPA的限值(0.01 mg/L)測定需求,適用于飲用水中雙酚類化合物的污染水平研究以及暴露風險監(jiān)測。