環(huán)境中有機(jī)紫外吸收劑前處理及儀器分析方法研究進(jìn)展

裴繼影,劉 耐,胡俊杰,王一潼,余克服,張瑞杰

1.廣西大學(xué)海洋學(xué)院,廣西 南寧 530000 2.廣西南海珊瑚礁研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 南寧 530000

有機(jī)紫外吸收劑(OUVs)是一種光穩(wěn)定劑,按照化學(xué)結(jié)構(gòu)分類(lèi),主要包括二苯甲酮類(lèi)、樟腦衍生類(lèi)、對(duì)氨基苯甲酸酯類(lèi)、肉桂酸酯類(lèi)、水楊鹽酸類(lèi)、二苯甲?；淄轭?lèi)、苯并三唑類(lèi)等類(lèi)別(OUVs的基本信息見(jiàn)表1)。由于OUVs熱穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性好,能夠大幅度提高產(chǎn)品的抗老化性及安全性,因此在食品包裝[1]、化妝品[2]以及工業(yè)[3]等領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛。

表1 OUVs的基本信息Table 1 Basic information of OUVs

研究報(bào)道,2005—2010年,全球防曬產(chǎn)品的銷(xiāo)售額從56億美元增長(zhǎng)至72億美元[4],未來(lái)全球防曬產(chǎn)品銷(xiāo)售額也會(huì)呈現(xiàn)大幅度增長(zhǎng)趨勢(shì)[5]。巨大的經(jīng)濟(jì)效益往往伴隨著環(huán)境問(wèn)題,OUVs經(jīng)人類(lèi)游泳或潛水等娛樂(lè)途徑進(jìn)入環(huán)境,工業(yè)產(chǎn)品廢棄后的非標(biāo)準(zhǔn)排放也會(huì)加重環(huán)境中OUVs的污染。目前,水體[6-10]、沉積物[11-19]、生物體[20-25]等多種環(huán)境介質(zhì)中均已檢測(cè)到OUVs,對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類(lèi)健康造成威脅。

對(duì)環(huán)境中OUVs進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)是制定環(huán)境保護(hù)政策的必要條件,快速高效的樣品前處理技術(shù)和準(zhǔn)確靈敏的分析檢測(cè)方法是提高OUVs環(huán)境檢測(cè)精準(zhǔn)度的前提。由于環(huán)境中的OUVs含量低,測(cè)樣時(shí)易受基質(zhì)干擾,在樣品測(cè)定之前對(duì)樣品進(jìn)行前處理(富集、凈化、濃縮)是增加儀器信號(hào)響應(yīng)的一種有效手段(常見(jiàn)的前處理方法見(jiàn)圖1)。此外,OUVs測(cè)定方法也隨著分析技術(shù)的發(fā)展從傳統(tǒng)的薄層色譜、液相色譜逐漸向質(zhì)譜技術(shù)轉(zhuǎn)變。

圖1 環(huán)境介質(zhì)中OUVs常用前處理分析方法流程或原理Fig.1 Flow or schematic diagrams of common pretreatment methods of OUVs in environmental matrices

該研究綜合整理了近年來(lái)環(huán)境樣品中OUVs的前處理方法及測(cè)定方法:①分別總結(jié)了環(huán)境中水體、沉積物和生物樣品的前處理方法,并分析了實(shí)驗(yàn)條件對(duì)前處理回收率的影響;②綜述了近年來(lái)液質(zhì)聯(lián)用和氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)在OUVs測(cè)定中的發(fā)展趨勢(shì),并分析了影響OUVs儀器檢測(cè)靈敏度的因素。

1 環(huán)境樣品中OUVs的前處理方法

1.1 水體樣品中OUVs的前處理方法

目前,OUVs的儀器檢測(cè)限為ng/L～μg/L量級(jí),而其在水體中的濃度通常低于儀器檢測(cè)限,直接對(duì)水體中的OUVs進(jìn)行測(cè)定很難。另外,實(shí)際樣品中含有大量營(yíng)養(yǎng)鹽、重金屬、有機(jī)污染物等共存物,嚴(yán)重干擾OUVs的測(cè)定。在儀器分析測(cè)試之前對(duì)水樣進(jìn)行富集凈化處理是降低基質(zhì)干擾,提高待測(cè)物濃度的一種有效方法。水體樣品中OUVs的前處理方法主要包括基于固相填料和基于液相萃取劑的2類(lèi)分析方法。

在基于固相填料的前處理方法中,萃取柱填料和洗脫劑對(duì)回收效率的影響至關(guān)重要。其中,固相萃取(SPE)根據(jù)相似相溶原理,常使用疏水性或親脂親水性填料,如十八烷基硅烷(C18)[23]、苯基[26]、聚苯乙烯-二乙烯基苯(HLB)[7]等;其洗脫劑通常選擇弱極性的雙組分溶劑,如甲醇和乙酸乙酯[23]、乙酸乙酯和二氯甲烷[8]、甲醇和二氯甲烷[27]等。EKPEGHERE[28]利用SPE富集廢水和河水中的4-MBC、BP-3和ODPABA等6種OUVs,以C18作為柱填料,以二氯甲烷、乙酸乙酯以及體積比為1∶1的乙酸乙酯和二氯甲烷為洗脫劑,對(duì)分析物進(jìn)行先后洗脫,回收率高達(dá)82%～118%。TANG等[29]選擇HLB作為SPE柱填料,以體積比為9∶1的二氯甲烷和甲醇作為洗脫劑,對(duì)湖水和河水中的4-MBC、BP-3和UV-326等11種OUVs進(jìn)行富集,回收率為85.6%～112%。除此之外,基于離子交換原理的離子交換型吸附劑也常用作SPE柱的填料,它適用于強(qiáng)極性化合物的富集與提取[6],對(duì)于極性差別較大的物質(zhì),回收率表現(xiàn)出較大差異。O′MALLEY等[30]利用SPE,以離子交換型吸附劑Polystyrene-Divinylbenzene Polymer Absorbent(PS-DVB)為填料,對(duì)水庫(kù)水中的10種OUVs進(jìn)行富集分析,BMDBM(pKa=9.74)的回收率低于60%,而PBSA(pKa=-0.87)的回收率高達(dá)120%?；诠滔嗵盍系那疤幚矸椒ㄟ€包括在線(xiàn)固相萃取(On-line-SPE)、固相微萃取(SPME)和半透膜裝置(SPMD)等不同形式。On-line-SPE是將SPE與分析檢測(cè)儀器聯(lián)用的一種方法,其優(yōu)點(diǎn)是減少手動(dòng)操作過(guò)程、提高單個(gè)樣品的分析時(shí)間,缺點(diǎn)是不能高通量分析,一次只能處理一個(gè)樣本,且柱填料的選擇性差。MOLINS-DELGADO等[18]使用固相萃取與超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜聯(lián)用儀器(SPE-UPLC-MS/MS),對(duì)廢水中的BP-3、EHMC和OC等9種OUVs同時(shí)進(jìn)行富集、凈化、檢測(cè),每個(gè)樣品的運(yùn)行時(shí)間可低至20 min,回收率為30%～102%。SPME是通過(guò)使用在基質(zhì)表面涂抹吸附萃取功能的材料進(jìn)行微萃取的一種方法,與SPE相比,其具有無(wú)須使用有機(jī)溶劑、操作簡(jiǎn)便、分析速度快等優(yōu)點(diǎn)。VILA等[31]利用SPME對(duì)海水和游泳池水等28個(gè)樣品中14種OUVs進(jìn)行富集分析,通過(guò)優(yōu)化纖維涂層材料、萃取方式和鹽添加量等條件,回收率達(dá)到85.6%～106%。織物相吸附萃取技術(shù)(FPSE)作為SPME方法的另一種形式,是以柔性和滲透性的纖維材料為基體,以溶膠-凝膠或有機(jī)-無(wú)機(jī)材料等為化學(xué)涂層的一種新型提取技術(shù),并同樣能夠在樣品處理中取得較好的回收率[32]。SPMD集被動(dòng)采樣和富集于一體,它是在低密度聚乙烯等材料中嵌入非極性溶劑,當(dāng)水中的非極性分子以被動(dòng)擴(kuò)散方式[33]進(jìn)入后對(duì)分析物進(jìn)行富集濃縮的一種方法。BALMER等[34]以體積比為95∶5的環(huán)戊烷和二氯甲烷作為SPMD溶劑,對(duì)BP-3、4-MBC、EHMC、OC進(jìn)行富集分析,回收率為51%～110%。

液液萃取(LLE)是基于液相萃取劑對(duì)水體樣品中分析物富集凈化的一種經(jīng)典方法,存在形式包括分散液液萃取(DLLME)和液相微萃取(LPME)等。其中,萃取溶劑對(duì)回收效率的影響至關(guān)重要。DLLME是利用萃取溶劑和目標(biāo)化合物之間較大的接觸面積,對(duì)分析物進(jìn)行高效率富集的一種方法。KUNG等[35]利用DLLME,以正辛醇為萃取溶劑,對(duì)中國(guó)臺(tái)灣墾丁國(guó)家公園珊瑚礁表層水的4種二苯甲酮類(lèi)OUVs和4-MBC進(jìn)行富集,回收率為88.6%～109.7%。而LPME是利用微升級(jí)的溶劑萃取目標(biāo)化合物的一種方法,具有溶劑使用量少、環(huán)保、安全、樣品制備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。KU等[36]利用LPME方法,以體積比為2∶8的1-辛醇和異辛烷為萃取溶劑,萃取海水中的BP-8、BP-3和4-MBC,回收率為67%～115%。和SPE相比,LLE具有無(wú)須特殊裝置和材料、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),但其缺點(diǎn)是須消耗大量有機(jī)試劑,易造成二次污染,且難以實(shí)現(xiàn)樣品的批量處理,詳見(jiàn)表2[6-10,18,23,26-32,34-59]。

1.2 沉積物樣品中OUVs的前處理方法

固體樣品在富集凈化之前需要進(jìn)行萃取,目的是將待測(cè)物從固相轉(zhuǎn)移至液相,常用的萃取方法包括SE、MAE、UE、ASE、QuEChERS和MSPD等,其中,SE、MAE、UE和ASE已應(yīng)用于沉積物樣品中OUVs的提取。SE和MAE是通過(guò)加熱來(lái)提高目標(biāo)化合物的萃取效率,而UE可在常溫下操作,從而避免熱不穩(wěn)定性物質(zhì)的分解[60],如二苯甲酮類(lèi)物質(zhì)BP-3,溫度越高,轉(zhuǎn)化為BP-1和BP-8的速率越高[61],MAO等[43]利用UE萃取沉積物中BP-3等7種OUVs,BP-3的回收率為98.8%。ASE是一種在高溫高壓下,利用有機(jī)溶劑萃取固體和半固體的自動(dòng)化方法,其優(yōu)點(diǎn)是有機(jī)溶劑用量少、過(guò)程快速、基質(zhì)影響小、回收率高和重現(xiàn)性好。為了去除脂肪、脂肪酸、色素等干擾物質(zhì)以?xún)艋瘶悠?通常在ASE萃取池內(nèi)加入吸附劑,如氧化鋁[62]、硅藻土[63]、乙二胺-N-丙基硅烷硅膠(PSA)[8]等。MOLINS-DELGADO等[18]利用ASE萃取凈化河流沉積物中的BP-3、4-MBC和OC等8種OUVs,以氧化鋁作為池內(nèi)凈化劑,甲醇和體積比為1∶1的甲醇、水作為萃取溶劑,回收率為70%～102%(BP-1除外,它的回收率僅為30%)。在經(jīng)SE、MAE、UE、ASE萃取后,如若樣品基質(zhì)仍然很?chē)?yán)重,可通過(guò)SPE、凝膠滲透色譜法(GPC)等進(jìn)一步凈化。如PENG等[19]結(jié)合SPE(以甲醇作為萃取溶劑)和UE對(duì)河口沉積物中的BP-3、UV-P和OC等13種OUVs進(jìn)行提取,回收率為55.1%～117.6%。LANGFORD等[8]結(jié)合GPC和ASE對(duì)污泥和沉積物中的BP-3、UV-234和OC等8種OUVs進(jìn)行萃取與凈化,回收率為72%～114%,詳見(jiàn)表3[8,11,13-14,16,18-19,29,42-43,57,62-67]。

1.3 生物樣品中OUVs的前處理方法

生物樣品富含蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、脂肪酸、色素等生物分子,不僅嚴(yán)重干擾OUVs在儀器上的信號(hào)響應(yīng),而且會(huì)堵塞色譜柱,縮短色譜柱壽命,因此樣品需要更為嚴(yán)格的前處理操作。目前,UE、MAE、ASE、QuEChERS和MSPD等萃取方法通常搭配SPE、GPC、硅膠柱、制備色譜等凈化方法,已應(yīng)用于生物樣品中OUVs的提取(表4)[7-8,20-22,24-25,34,57,68-69,71-80]。ALONSO等[68]結(jié)合UE和SPE對(duì)海豚肌肉組織中的4-MBC、EHMC、ODPABA和OC進(jìn)行提取,回收率為60%～115%。BALMER等[34]結(jié)合ASE、GPC和硅膠柱對(duì)魚(yú)組織中的EHMC、4-MBC、OC和BP-3進(jìn)行提取凈化,回收率高達(dá)93%～115%。QuEChERS和MSPD都是基于吸附劑與雜質(zhì)的相互作用達(dá)到凈化的目的,但兩者的操作方式有所差異,前者是將樣品、萃取溶液和吸附劑直接在試管中混合,萃取后離心獲得萃取液;而后者是將半干狀態(tài)的分散劑或吸附劑與樣品的混合物作為填料一起裝入層析柱,然后用不同的溶劑淋洗柱子,將各種待測(cè)物洗脫下來(lái)。QuEChERS和MSPD常用的吸附劑有PSA、C18、硫酸鎂(MgSO4)、硫酸鈉(Na2SO4)、硅膠等。如HUANG等[69]利用QuEChERS,以MgSO4、氯化鈉(NaCl)為吸附劑,乙腈為萃取溶劑,對(duì)魚(yú)中10種苯甲類(lèi)OUVs進(jìn)行萃取,回收率為75%～96%。VIDAL-LINAN等[80]利用MSPD提取海洋貽貝中的4-MBC、OC和BP-4,選擇乙腈作為洗脫溶劑,回收率高達(dá)90%～110%。

2 OUVs儀器分析方法

質(zhì)譜檢測(cè)器具有靈敏度高、特異性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),近年來(lái)成為OUVs測(cè)定的主流儀器,其搭配氣相色譜或液相色譜,可以實(shí)現(xiàn)樣品中多種OUVs的同時(shí)測(cè)定。目標(biāo)化合物經(jīng)色譜柱分離后先后進(jìn)入質(zhì)譜離子源發(fā)生離子化,單質(zhì)譜是基于母離子的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行定量,而串聯(lián)質(zhì)譜是選定特定質(zhì)荷比(m/z)的母離子,通過(guò)施加能量將其碎裂成具有特定結(jié)構(gòu)信息的產(chǎn)物離子,然后根據(jù)產(chǎn)物離子的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行定量的一種方法?；衔锏亩ㄐ栽趩钨|(zhì)譜分析中是基于母離子的m/z以及在色譜中的保留時(shí)間,而其在串聯(lián)質(zhì)譜分析中是基于產(chǎn)物離子的結(jié)構(gòu)信息及其保留時(shí)間,后者不僅可以避免液相色譜分析方法中待測(cè)物的假陽(yáng)性問(wèn)題,而且對(duì)目標(biāo)化合物的色譜峰分離度要求可適當(dāng)降低。

基于相關(guān)文獻(xiàn)[6-32,34-62,64-79],筆者對(duì)OUVs的不同測(cè)定方法的檢測(cè)限及其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行匯總分析。在氣相色譜-單質(zhì)譜(GC-MS)、氣相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜(GC-MS/MS)、液相色譜-單質(zhì)譜(LC-MS)、液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜(LC-MS/MS)4種分析方法中,對(duì)OUVs分析的檢測(cè)限分別為0.5×102～1.25×105、0.24×102～1.92×104、5.4×102～5×104、0.4×100～3.96×104ng/L,這在一定程度上解釋了分析方法發(fā)展的趨勢(shì)。OUVs檢測(cè)方法的發(fā)展趨勢(shì)如圖2(a)所示,在2005—2010年,OUVs的測(cè)定以GC-MS為主;2011—2015年,LC-MS/MS和GC-MS兩者在數(shù)量上相當(dāng);2016年之后,LC-MS/MS占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。即OUVs的測(cè)定從傳統(tǒng)的氣質(zhì)聯(lián)用逐漸轉(zhuǎn)向液質(zhì)聯(lián)用,從單四極桿檢測(cè)逐漸轉(zhuǎn)向三重四極桿檢測(cè)。這種轉(zhuǎn)變可能是由于氣質(zhì)聯(lián)用中使用廣泛的電子轟擊離子源(EI)是一種“硬”離子源[81],易于將化合物打碎,降低母離子的信號(hào)強(qiáng)度;而液質(zhì)聯(lián)用使用最廣泛的電噴霧離子源(ESI)是一種“軟”離子源[82],離子化時(shí)能夠保留化合物的完整分子信息,搭配串聯(lián)質(zhì)譜分析可以進(jìn)一步提高其定性和定量能力[83]。筆者選擇檢測(cè)率較高的4種OUVs(BP-3、4-MBC、EHMC、ODPABA)[6-31,34-62,64-72,74-79],考察液質(zhì)聯(lián)用和氣質(zhì)聯(lián)用對(duì)其定量分析的檢測(cè)效果。如圖2(b)所示,2種儀器的檢測(cè)限均在ng/L量級(jí),BP-3和4-MBC在液質(zhì)聯(lián)用的檢測(cè)限均顯著低于氣質(zhì)聯(lián)用;而EHMC和ODPABA在液質(zhì)聯(lián)用和氣質(zhì)聯(lián)用的檢測(cè)限無(wú)顯著性差異。

圖2 OUVs儀器分析方法Fig.2 The instrumental analytical method for OUVs determination

質(zhì)譜分析中,離子源對(duì)化合物的離子化效率至關(guān)重要。在液質(zhì)聯(lián)用中,ESI源適合極性化合物的電離,而大氣壓化學(xué)電離源(APCI)適合非極性化合物的電離,大氣壓光致電離源(APPI)對(duì)以上2種離子源未覆蓋的化合物進(jìn)行補(bǔ)充[84]。在氣質(zhì)聯(lián)用中,EI源由于具有較強(qiáng)的定性能力,使用頻率高于化學(xué)電離源(CI)。筆者對(duì)比了不同離子源對(duì)苯并三唑類(lèi)OUVs的檢測(cè)效果,見(jiàn)圖3。由于苯并三唑類(lèi)OUVs的分子結(jié)構(gòu)中含有多個(gè)苯環(huán)及叔丁基結(jié)構(gòu),極性較弱,APCI源和APPI源對(duì)其分析的檢測(cè)限顯著低于ESI源。

圖3 液質(zhì)聯(lián)用中ESI、APCI、APPI離子源在苯并三唑類(lèi)OUVs檢測(cè)中的LOD比較Fig.3 LOD comparison of ESI,APCI and APPI sources for benzotriazole-type OUVs determinations by LC-MS/MS

3 結(jié)論與展望

OUVs因具有高穩(wěn)定性和難降解的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于生活和工業(yè)產(chǎn)品中,并在多種環(huán)境介質(zhì)中被檢出,對(duì)生態(tài)環(huán)境及人類(lèi)健康產(chǎn)生威脅。建立快速、高效、高靈敏度的OUVs監(jiān)測(cè)分析方法(包括樣品前處理和分析檢測(cè)2個(gè)部分)對(duì)環(huán)境治理與保護(hù)具有重要意義。對(duì)于樣品前處理方法的選擇應(yīng)依據(jù)樣品形態(tài)而定,水體樣品主要采用基于固相填料的SPE、On-line-SPE、SPME、FPSE、SPMD等方法及基于液相萃取劑的LLE、DLLME、LPME等方法;而固體樣品(沉積物和生物)主要是采用SE、MAE、UE、ASE、QuEChERS、MSPD等萃取方法搭配SPE、GPC、硅膠柱或制備色譜等凈化方法。富集填料和萃取溶劑對(duì)OUVs提取效率至關(guān)重要,應(yīng)根據(jù)環(huán)境樣品基質(zhì)類(lèi)型和目標(biāo)OUVs的種類(lèi)合理選擇。鑒于目前OUVs的前處理方法仍存在諸多不足,如處理過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng)、有機(jī)試劑消耗量大(主要是針對(duì)液液萃取)、多種OUVs同時(shí)提取時(shí)回收效率參差不齊等,未來(lái)應(yīng)致力于開(kāi)發(fā)高效、環(huán)保、原位在線(xiàn)的OUVs前處理方法。氣質(zhì)聯(lián)用和液質(zhì)聯(lián)用是OUVs檢測(cè)的主要儀器,其檢測(cè)限為ng/L～μg/L量級(jí),而水體、沉積物和生物樣品中的OUVs濃度分別為ng/L、ng/g、ng/g量級(jí),因此樣品通過(guò)富集凈化,質(zhì)譜技術(shù)能夠滿(mǎn)足實(shí)際樣品的分析檢測(cè)。在質(zhì)譜分析中,離子源對(duì)OUVs的離子化效率至關(guān)重要,應(yīng)依據(jù)目標(biāo)OUVs的物理化學(xué)性質(zhì)(沸點(diǎn)、分子量大小、極性)等因素而選擇。鑒于質(zhì)譜儀器具有成本高、體積大、難以原位測(cè)定等缺點(diǎn),未來(lái)應(yīng)致力于開(kāi)發(fā)低成本、小體積、原位快速的OUVs檢測(cè)分析方法。