氣相色譜測(cè)定小麥和稻米中11種多溴聯(lián)苯醚

張 煒, 楊永壇, 蔡 娣, 張潔瓊, 李 森, 李 麗

(國(guó)家糧食和物資儲(chǔ)備局科學(xué)研究院, 北京 100037)

多溴聯(lián)苯醚(Polybrominated diphenyl ethers, PBDEs)是一類添加型溴代阻燃劑,在20世紀(jì)70年代大量生產(chǎn)并商品化,廣泛應(yīng)用于電子、化工、建材、紡織、石油、采礦等多個(gè)領(lǐng)域[1]。工業(yè)生產(chǎn)的多溴聯(lián)苯醚包括五溴聯(lián)苯醚、八溴聯(lián)苯醚和十溴聯(lián)苯醚,其中,十溴聯(lián)苯醚是世界上使用量最大的阻燃劑品種之一[2]。然而,越來(lái)越多的研究表明多溴聯(lián)苯醚具有潛在的神經(jīng)毒性,肝毒性,可能造成人和動(dòng)物的內(nèi)分泌失調(diào),免疫障礙,并可能導(dǎo)致癌癥[3-6]。多溴聯(lián)苯醚的分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,是典型的持久性有機(jī)污染物,可以在環(huán)境中長(zhǎng)期存留,并通過(guò)生物鏈在人體和其他生物體中進(jìn)行蓄積[7-9]。食品是人體內(nèi)多溴聯(lián)苯醚曝露的主要途徑[10,11],因此,對(duì)食品中多溴聯(lián)苯醚的檢測(cè)分析備受關(guān)注[12,13]。

小麥和稻米是我國(guó)人們生活中最主要的主食[14],保障主糧質(zhì)量安全對(duì)人們身體健康和社會(huì)穩(wěn)定具有重要意義。多溴聯(lián)苯醚作為新興有機(jī)危害物,目前針對(duì)其在谷物中的研究相對(duì)較少[15-24],對(duì)小麥和稻米中多溴聯(lián)苯醚進(jìn)行分析時(shí),樣品前處理主要采用索氏提取-復(fù)合硅膠/氧化鋁柱凈化、加速溶劑萃取-復(fù)合硅膠/氧化鋁柱凈化和直接提取-復(fù)合硅膠/氧化鋁柱凈化等方式進(jìn)行。這些前處理方法的時(shí)間較長(zhǎng),操作復(fù)雜,而且溶劑用量較大。在已有的方法中,檢測(cè)均使用氣相色譜-質(zhì)譜法。氣相色譜-電子捕獲檢測(cè)器法(GC-ECD)是常用于負(fù)電性的物質(zhì)檢測(cè)的儀器方法,相比于氣相色譜-質(zhì)譜儀器,其經(jīng)濟(jì)性好,操作簡(jiǎn)單,而且靈敏度極高,是進(jìn)行多溴聯(lián)苯醚的快捷檢測(cè)方法。

本研究采用直接提取法,結(jié)合酸性硅膠固相萃取柱對(duì)小麥和稻米樣品進(jìn)行前處理,并采用氣相色譜-電子捕獲檢測(cè)器對(duì)其中的11種多溴聯(lián)苯醚進(jìn)行分析。方法操作簡(jiǎn)單,經(jīng)濟(jì)高效,適用于谷物樣品中多溴聯(lián)苯醚的檢測(cè)。

1 材料與方法

1.1 試劑與標(biāo)準(zhǔn)品

乙酸乙酯、異辛烷(農(nóng)殘級(jí));無(wú)水氯化鈉(分析純);44% (m∶m)硫酸酸化硅膠凈化柱。

11種多溴聯(lián)苯醚(BDE-25(2,3′,4-三溴聯(lián)苯醚)、BDE-28(2,4,4′-三溴聯(lián)苯醚)、BDE-47(2,2′,4,4′-四溴聯(lián)苯醚)、BDE-99(2,2′,4,4′,5-五溴聯(lián)苯醚)、BDE-100(2,2′,4,4′,6-五溴聯(lián)苯醚)、BDE-153(2,2′,4,4′,5,5′-六溴聯(lián)苯醚)、BDE-154(2,2′,4,4′,5,6′-六溴聯(lián)苯醚)、BDE-183(2,2′,3,4,4′,5′,6-七溴聯(lián)苯醚)、BDE-203(2,2′,3,4,4′,5,5′,6-八溴聯(lián)苯醚)、BDE-206(2,2′,3,3′,4,4′,5,5′,6-九溴聯(lián)苯醚)、BDE-209(十溴聯(lián)苯醚))的單獨(dú)標(biāo)準(zhǔn)溶液(質(zhì)量濃度為50 μg/mL,溶于異辛烷)。

1.2 谷物樣品

選擇采集自我國(guó)主要糧食產(chǎn)區(qū)的小麥、稻米樣品各10份。樣品均選擇作物成熟后,待農(nóng)戶收割儲(chǔ)存不久上門收集,每個(gè)采樣點(diǎn)采集4個(gè)樣品混合為1個(gè)樣品,每個(gè)采樣點(diǎn)采集1.0～2.0 kg樣品。小麥樣品經(jīng)除雜、清洗、晾干后,用粉碎機(jī)直接粉碎成粉。稻谷樣品經(jīng)除雜、清洗、晾干后,礱谷脫殼制成糙米,用粉碎機(jī)粉碎成粉。全麥粉,糙米粉分別裝入自封袋中常溫密封避光保存。

1.3 儀器與設(shè)備

7890A氣相色譜儀配有電子捕獲檢測(cè)器,5810R低溫高速離心機(jī),AutoEVA-60全自動(dòng)濃縮氮吹儀,Fotector Plus自動(dòng)固相萃取儀,Rotavapor R-300旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀,ML3002T天平(精度0.01 g)。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

1.4.1 標(biāo)準(zhǔn)溶液、基質(zhì)匹配標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

分別精確移取11種多溴聯(lián)苯醚單獨(dú)標(biāo)準(zhǔn)品進(jìn)行混合,加入異辛烷稀釋,配制每個(gè)單體的質(zhì)量濃度均為2.0 μg/mL的混合標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液,并置于-18 ℃下避光保存。

將11種多溴聯(lián)苯醚的混合標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液用異辛烷進(jìn)行稀釋,配制成溶劑標(biāo)準(zhǔn)曲線梯度溶液,質(zhì)量濃度為0.1、0.2、0.5、1.0、2.0、5.0、10.0、20.0、50.0、100.0、200.0、500.0 ng/mL。

向小麥和稻米空白基質(zhì)的異辛烷溶液中加入11種多溴聯(lián)苯醚的混合標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液,配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1、0.2、0.5、1.0、2.0、5.0、10.0、20.0、50.0 ng/g的基質(zhì)匹配標(biāo)準(zhǔn)溶液。

1.4.2 樣品前處理

準(zhǔn)確稱取10.00 g粉狀樣品,置于50 mL聚丙烯離心管中,加入10 mL蒸餾水并充分振蕩均勻,再向該水化樣品中加入15 mL乙酸乙酯后,劇烈振搖1 min。向混合物中加入3 g氯化鈉并充分振搖1 min進(jìn)行鹽析。在10 ℃下,將混合物以10 000 r/min轉(zhuǎn)速離心5 min后,取上層有機(jī)相待凈化。將有機(jī)提取液的溶劑蒸發(fā)近干,使用約1 mL正己烷復(fù)溶剩余油狀物。采用固相凈化柱對(duì)其進(jìn)行凈化。固相凈化柱用5 g 44% (m∶m)酸性硅膠裝填,并用15 mL正己烷/二氯甲烷混合液(3/1,體積比)和10 mL正己烷依次淋洗。將復(fù)溶樣品加載到固相凈化柱上,依次使用6 mL正己烷和20 mL正己烷/二氯甲烷混合液(3/1,體積比)進(jìn)行淋洗,收集上樣后所有淋洗液。將收集的溶液樣品使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀去除溶劑后,使用約1 mL正己烷/二氯甲烷(3/1,體積比)混合液將剩余物轉(zhuǎn)移至2 mL樣品瓶中,在氮?dú)饬飨麓蹈?。?zhǔn)確加入1.0 mL異辛烷復(fù)溶并混勻,待氣相色譜分析。

1.4.3 氣相色譜分析條件

采用加壓不分流進(jìn)樣模式,壓力為25 psi,維持1 min;進(jìn)樣口溫度設(shè)為295 ℃;進(jìn)樣量為1.0 mL;采用DB-5MS(95%甲基5%苯基聚硅氧烷)毛細(xì)管色譜柱(15 m×0.25 mm×0.1 μm)分離;載氣為高純氮?dú)?流速為1.5 mL/min。升溫程序:初始溫度為90 ℃,保持1.0 min,以8 ℃/min升至320 ℃,保持5 min。

電子捕獲檢測(cè)器:溫度為325 ℃;補(bǔ)償氣為高純氮?dú)?流速為30 mL/min。

1.4.4 空白基質(zhì)加標(biāo)實(shí)驗(yàn)

向空白全麥粉和糙米粉中添加11種多溴聯(lián)苯醚的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液,使樣品中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1、0.5、2.0、5.0 ng/g 4個(gè)水平。經(jīng)前處理后進(jìn)行測(cè)定,每個(gè)水平平行測(cè)定6次。采用基質(zhì)匹配標(biāo)準(zhǔn)曲線定量,計(jì)算回收率和精密度(RSD)。

1.4.5 實(shí)際樣品測(cè)定

樣品檢測(cè)前,先測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)工作液,至目標(biāo)分析物的保留時(shí)間與響應(yīng)穩(wěn)定后進(jìn)行樣品測(cè)定。樣品分別按照實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行前處理和分析測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 色譜條件優(yōu)化

多溴聯(lián)苯醚的沸點(diǎn)較高,不同單體的沸點(diǎn)差異大,在進(jìn)樣口容易發(fā)生“質(zhì)量歧視”效應(yīng)。另一方面,多溴聯(lián)苯醚的穩(wěn)定性較差,尤其是高取代溴聯(lián)苯醚,在較高溫度下容易發(fā)生分解。據(jù)報(bào)道,十溴聯(lián)苯醚在300 ℃即發(fā)生分解[25]。研究將氣相色譜進(jìn)樣口溫度設(shè)為295 ℃進(jìn)行色譜優(yōu)化。

2.1.1 色譜柱優(yōu)化

多溴聯(lián)苯醚為弱極性化合物,一般采用弱極性的DB-5色譜柱進(jìn)行分析。本研究比較了柱長(zhǎng)分別為30 m和15 m,固定相膜厚分別為0.25 μm和0.1 μm 2根DB-5MS色譜柱。結(jié)果顯示,11種多溴聯(lián)苯醚在15 m色譜柱上可實(shí)現(xiàn)基線分離,且在15 m色譜柱上響應(yīng)更好,尤其是對(duì)高取代溴聯(lián)苯醚,使用短色譜柱有效降低其分解程度(圖1)。因此,選擇15 m長(zhǎng),0.10 μm固定相膜厚的DB-5MS色譜柱進(jìn)行分析。

圖1 多溴聯(lián)苯醚在不同色譜柱上的響應(yīng)值

2.1.2 進(jìn)樣模式

加壓不分流進(jìn)樣模式可以快速地將目標(biāo)分析物加載到溫度較低的色譜柱柱頭上,以減少目標(biāo)分析物的質(zhì)量歧視和分解。比較不分流進(jìn)樣模式和加壓(25 psi)不分流進(jìn)樣模式,在加壓進(jìn)樣模式下,高取代多溴聯(lián)苯醚的響應(yīng)均有小幅度提高,其中十溴聯(lián)苯醚BDE-209的響應(yīng)值提高15%左右。

2.1.3 升溫速率

程序升溫是多組分樣品快速分離的有效方法。比較20、15、8 ℃/min 3種升溫速率,根據(jù)結(jié)果,11種多溴聯(lián)苯醚標(biāo)準(zhǔn)品在3種模式下均可基線分離(圖2),并且響應(yīng)沒有明顯差別。但是,對(duì)基質(zhì)加標(biāo)樣品分析后發(fā)現(xiàn)(圖3),采用20 ℃和15 ℃的升溫速率,基質(zhì)中痕量雜質(zhì)干擾BDE-47與BDE-209的分析,而采用8 ℃/min升溫速率可以將干擾雜質(zhì)與目標(biāo)物基線分離。因此,采用8 ℃/min升溫速率進(jìn)行樣品分析。

注: 1 BDE-25;2 BDE-28;3 BDE-47;4 BDE-100;5 BDE-99;6 BDE-154;7 BDE-153;8 BDE-183;9 BDE-203;10 BDE-206;11 BDE-209。

注: 1 BDE-25;2 BDE-28;3 BDE-47;4 BDE-100;5 BDE-99;6 BDE-154;7 BDE-153;8 BDE-183;9 BDE-203;10 BDE-206;11 BDE-209。

2.2 樣品前處理?xiàng)l件

小麥和稻米樣品中含有大量碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)物質(zhì),這些物質(zhì)都會(huì)干擾多溴聯(lián)苯醚的分析。參考前期研究[23,24],研究采用乙酸乙酯為提取劑,并以酸性硅膠(44%,m:m)凈化柱對(duì)提取物進(jìn)行凈化。根據(jù)對(duì)空白基質(zhì)添加樣品的分析結(jié)果(圖4),酸性硅膠可以有效去除小麥和稻米基質(zhì)中的干擾物質(zhì)。酸性硅膠是大量硫酸固載在硅膠上的固體強(qiáng)酸,通過(guò)化學(xué)反應(yīng)破壞脂肪、色素等有機(jī)物,而不會(huì)對(duì)多溴聯(lián)苯醚產(chǎn)生影響。對(duì)比使用濃硫酸為凈化劑的方法,酸性硅膠的操作更加安全。

2.3 方法學(xué)驗(yàn)證

2.3.1 線性范圍與基質(zhì)效應(yīng)

測(cè)定一系列標(biāo)準(zhǔn)溶液和基質(zhì)匹配標(biāo)準(zhǔn)溶液,以多溴聯(lián)苯醚的濃度為橫坐標(biāo)(X),峰面積為縱坐標(biāo)(Y),進(jìn)行線性回歸擬合,分別制作標(biāo)準(zhǔn)曲線和基質(zhì)匹配標(biāo)準(zhǔn)曲線,并對(duì)基質(zhì)效應(yīng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示(表1),在小麥和稻米基質(zhì)中,BDE-25、28在0.5～50 ng/g范圍內(nèi)線性關(guān)系良好,BDE-203、209在0.2～50 ng/g范圍內(nèi)線性關(guān)系良好,其他7種多溴聯(lián)苯醚在0.1～50 ng/g范圍內(nèi)線性關(guān)系良好,線性相關(guān)系數(shù)R2均大于0.998。

表1 小麥和稻米基質(zhì)中11種多溴聯(lián)苯醚的定量范圍和基質(zhì)效應(yīng)

基質(zhì)效應(yīng)(Matrix Effect,ME)采用式(1)進(jìn)行計(jì)算:

ME=基質(zhì)匹配標(biāo)準(zhǔn)曲線斜率/溶劑標(biāo)準(zhǔn)曲線斜率

(1)

基質(zhì)效應(yīng)一般在0.8～1.2之間可接受。結(jié)果如表1所示,小麥樣品基質(zhì)效應(yīng)在0.91～1.25之間,其中,中低取代溴聯(lián)苯醚(BDE-25、28、47、99、100、153、154)為輕度基質(zhì)減弱效應(yīng),高取代溴聯(lián)苯醚(BDE-203、206、209)為較強(qiáng)的基質(zhì)增強(qiáng)效應(yīng)。稻米樣品中,基質(zhì)效應(yīng)在0.98～1.38之間,其中,高取代溴聯(lián)苯醚(BDE-183、203、206、209)為較強(qiáng)的基質(zhì)增強(qiáng)效應(yīng),其余多溴聯(lián)苯醚的基質(zhì)效應(yīng)不明顯。因此,采用基質(zhì)匹配標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行校正,以補(bǔ)償基質(zhì)帶來(lái)的影響。

2.3.2 方法檢出限和定量限

采用一系列低水平加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn),以3倍和10倍信噪比(S/N)來(lái)確定檢出限(LOD)和定量限(LOQ),各組分的方法檢出限及定量限見表2。在小麥和稻米樣品中,11種多溴聯(lián)苯醚的方法檢出限在0.03～0.15 ng/g之間,方法定量限為0.1～0.5 ng/g。其中BDE-25、28受基質(zhì)影響較大,檢出限最差;BDE-203、209因分解造成其檢出限稍差。目前,國(guó)內(nèi)幾乎沒有針對(duì)食品中多溴聯(lián)苯醚的的限量標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)美國(guó)環(huán)境署EPA的建議[26],商用五溴聯(lián)苯醚、八溴聯(lián)苯醚、十溴聯(lián)苯醚每人每日可攝入限量分別為每千克體質(zhì)量2、2、7 μg;其中,單體BDE-47、BDE-99、BDE-153、BDE-209的每人每日攝入限量分別為每千克體質(zhì)量0.1[27]、0.1[28]、0.2[29]、0.7[30]μg。按照我國(guó)成人體質(zhì)量60 kg,每日攝入小麥和稻米類食品300 g計(jì)算,方法的定量限能夠滿足EPA建議多溴聯(lián)苯醚攝入量的檢測(cè)要求。

2.2.3 加標(biāo)回收率(準(zhǔn)確度和精密度)

根據(jù)空白基質(zhì)加標(biāo)實(shí)驗(yàn),4個(gè)加標(biāo)水平下,多溴聯(lián)苯醚的平均回收率在67.6%～99.7%之間,RSD在0.4%～17.8%之間。其中,稻米基質(zhì)中多溴聯(lián)苯醚分析的精密度稍差,更容易受到基質(zhì)的干擾。由于研究采用外標(biāo)法進(jìn)行定量時(shí)只進(jìn)行了基質(zhì)干擾的補(bǔ)償,而沒有考慮提取凈化過(guò)程的損失,因此方法的回收率略低,但在可接受范圍內(nèi)。

2.4 實(shí)際樣品分析

采用本研究建立的分析方法對(duì)采集自我國(guó)主要小麥和稻米產(chǎn)區(qū)的樣品進(jìn)行檢測(cè)分析。在小麥和稻米樣品中僅檢出十溴聯(lián)苯醚(BDE-209),沒有檢出其他單體(表3)。其中,小麥樣品中BDE-209的檢出率為70%,最高含量為0.79 ng/g;稻米樣品中只有一個(gè)樣品含有痕量BDE-209。我國(guó)曾是多溴聯(lián)苯醚的主要生產(chǎn)國(guó)家,其中主要產(chǎn)品為十溴聯(lián)苯醚[31]。小麥和稻米樣品的檢測(cè)結(jié)果與我國(guó)實(shí)際多溴聯(lián)苯醚的生產(chǎn)情況相符。從檢出含量來(lái)看,小麥和稻米樣品中的十溴聯(lián)苯醚含量不高,遠(yuǎn)低于目前EPA規(guī)定的人體攝入量[26-30]。但是,在小麥和稻米中檢出多溴聯(lián)苯醚,說(shuō)明其可在植物體中進(jìn)行蓄積。由于近年來(lái)才在全球范圍內(nèi)對(duì)多溴聯(lián)苯醚進(jìn)行限制生產(chǎn)和使用,因此,糧食中的多溴聯(lián)苯醚仍然需要引起關(guān)注并進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

表3 小麥和稻米樣品中十溴聯(lián)苯醚(BDE-209)的含量/ng/g

3 結(jié)論

本研究建立了谷物中11種代表性多溴聯(lián)苯醚的檢測(cè)分析方法。樣品通過(guò)乙酸乙酯提取,酸性硅膠凈化,采用氣相色譜-電子捕獲檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)分析。樣品前處理的操作簡(jiǎn)單,凈化效果好,谷物基質(zhì)對(duì)分析的影響小。方法靈敏度、準(zhǔn)確度和精密度均較好,回收率滿足應(yīng)用要求,對(duì)分析儀器要求低,適用于谷物樣品中多溴聯(lián)苯醚的的篩查分析。對(duì)我國(guó)小麥、稻米樣品進(jìn)行檢測(cè)分析,其中主要污染物為十溴聯(lián)苯醚,但總體含量低,可持續(xù)關(guān)注。