邻苯二甲酸酯(PAEs)主要应用于塑料制品中以增加塑料的可塑性和柔韧性,也可用作农药、化妆品、润滑剂等化工产品的生产原料[1]。然而,工业生产和日常生活中多种介质释放的PAEs可通过各种途径进入环境,存在于土壤、沉积物、地表灰尘、水体等样品基质中[2, 3, 4, 5, 6, 7],也可通过消化道、呼吸道进入到各种生物体中,并蓄积到生物体的脂肪组织中[8]。建立准确、快速测定各类环境样品尤其是复杂样品基质,如土壤、沉积物、悬浮颗粒物、地表灰尘、生物样品、化妆品、皮革、塑料以及近岸/河口海水等PAEs的测定方法,是进行PAEs对人体健康风险评估的技术基础。
PAEs是一类具有雌性激素作用的环境污染物,对人体及动物的内分泌系统有害,少数PAEs还具有致癌、致畸和致突变性[9, 10]。PAEs对人体健康、环境污染的影响已引起了全球关注,美国环保局将邻苯二甲酸二甲酯(DMP)、邻苯二甲酸二乙酯(DEP)、邻苯二甲酸二丁酯(DBP)、邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯(DEHP)、邻苯二甲酸丁基苄基酯(BBP)和邻苯二甲酸二辛酯(DnOP)6种PAEs列入了优先控制污染物名单[11],我国也将DMP、DBP及DEHP列为水体中的优先控制污染物[12]。欧盟2005年颁布的 2005/84/EC指令规定在玩具及儿童产品中的PAEs含量不得超过0.1%[13]。我国 2007 版《化妆品卫生规范》将DBP、DEHP、BBP、邻苯二甲酸二正戊酯(DnPP)、邻苯二甲酸二异戊酯(DIPP)、邻苯二甲酸正戊异戊酯(PIPP)列为化妆品中的禁用物质[14],2008年美国的消费品安全改进法案(CPSIA)永久禁止儿童玩具和护理产品含有浓度超过0.1%的DEHP、DBP和BBP[15]。
PAEs的测定方法主要有高效液相色谱法(HPLC)[16, 17]、气相色谱法(GC)[18]、液相色谱-质谱法(HPLC-MS)[19, 20]、气相色谱-质谱法(GC-MS)[21, 22, 23]。其中,GC-MS应用最广。本文中选择水性、油性基质的化妆品[24],鞋类制作使用的各种皮革、塑料样品[25],日常食用的贝类如缢蛏等生物样品[26],地球化学研究中常见的沉积物、土壤、地表灰尘、悬浮颗粒物[26, 27, 28, 29]以及近岸/河口海水样品[30, 31]对固相萃取净化条件、去除复杂样品基质效果以及改善方法的定性/定量能力进行研究,并将建立的方法应用于各类实际样品的测定以验证方法的可靠性,获得了满意的结果。
Agilent 7890A-5975C气相色谱-质谱联用仪(Agilent Technologies,USA),配自动进样器和化学工作站;固相萃取真空装置(Supelco,USA); KQ-400超声波清洗仪(昆山市超声仪器有限公司); GM-0.33隔膜真空泵(天津腾达过滤器件厂); TGL-10B台式 离心机(上海安亭科学仪器厂); DC-12H氮吹仪(上海安谱科学仪器有限公司)。
色谱纯正己烷、甲醇、丙酮、乙腈以及农残级乙酸乙酯、二氯甲烷均购自美国Tedia公司;铜粉为分析纯(西陇化工有限公司),用25%(v/v)的盐酸浸泡过夜、超纯水洗涤至中性,再用丙酮淋洗,最后于60 ℃下烘干,密封保存;C18填料(40~60 μ m,博纳艾杰尔科技有限公司); 100~200目硅胶为分析纯(国药集团化学试剂有限公司),使用前于160 ℃下活化12 h; 100~200目弗罗里硅土为分析纯(Supelco,USA),使用前于320 ℃下活化6 h; 100~200目中性氧化铝为分析纯(国药集团化学试剂有限公司),使用前于400 ℃下活化6 h;无水硫酸钠为分析纯(国药集团化学试剂有限公司),使用前于400 ℃下煅烧6 h; HLB小柱(0.5 g,3 mL,Waters);玻璃纤维滤膜(GF/F,0.47 μ m,Whatman),使用前于400 ℃下处理4 h。
DMP、DEP、邻苯二甲酸二丙酯(DPP)、DBP、邻苯二甲酸二异丁酯(DIBP)、邻苯二甲酸二(2-甲氧基乙基)酯(DMEP)、DnPP、邻苯二甲酸二己酯(DnHP)、BBP、DEHP、邻苯二甲酸二庚酯(DHP)、邻苯二甲酸二环己酯(DCHP)、DnOP、邻苯二甲酸二异壬酯(DINP)及邻苯二甲酸二异癸酯(DIDP)等15种PAEs标准品购自德国Dr. Ehrenstorfer公司,而邻苯二甲酸双十一酯(DUP)购于Sigma-Aldrich公司;以上16种标准品的纯度均高于97.0% 。实验中的内标物(IS)为邻苯二甲酸二丁酯-氘4(DBP-D4)和邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯-氘4(DEHP-D4),纯度高于95% ,购自德国Dr. Ehrenstorfer公司。上述标准品、内标物用正己烷配制成单标储备溶液(-4 ℃保存),使用时用正己烷稀释(-4 ℃保存)。
沉积物、土壤、悬浮颗粒物、地表灰尘是样品基质相似的环境样品,可采用相同的样品前处理方法。为便于表述,本文以沉积物为例进行样品前处理条件的优化、方法参数和实际样品测定等。
称取经过研磨过筛的沉积物干样10.0 g于50 mL具塞锥形瓶中,加入2.5 g铜粉,混匀后再加入25.0 mL二氯甲烷,常温超声萃取20 min,静置,准确移取上清液10.0 mL,氮吹浓缩至近干,再用乙酸乙酯定容至1.0 mL,待净化。
称取 1 000 mg处理后的硅胶,装入内径1.0 cm的玻璃固相萃取小柱,轻敲至实。使用前先用5.0 mL乙酸乙酯淋洗小柱,弃去淋洗液。将上述浓缩液转移至硅胶固相萃取小柱,待样品过柱后,用8.0 mL乙酸乙酯洗脱目标物并收集洗脱液,氮吹浓缩,加入内标物后采用乙酸乙酯定容至0.5 mL,待GC-MS测定。
称取3.0 g C18填料,装入内径为2.8 cm的玻璃固相萃取小柱,轻敲至实;使用前依次用8.0 mL正己烷/二氯甲烷(1 ∶ 1,v/v)混合溶液、5.0 mL乙酸乙酯、5.0 mL甲醇、5.0 mL超纯水进行预淋洗,弃去淋洗液,备用。
取500 mL海水样品,用上述预淋洗后的C18小柱进行固相萃取分离及富集;待海水样品过柱后,再真空抽滤15~20 min以除去小柱中残留的水样,用15 mL正己烷/二氯甲烷(1 ∶ 1,v/v)混合液进行洗脱,洗脱液氮吹浓缩,加入内标物后采用正己烷定容至0.5 mL,待GC-MS测定。
取匀浆后的缢蛏样品5.0 g于50 mL具塞三角锥形瓶中,加入10 mL二氯甲烷,振荡混匀后常温超声萃取10 min,静置,取上清液;再重复上述步骤2次,合并3次萃取液于离心管中,加入1.0 g无水硫酸钠进行离心,取上清液,氮吹浓缩至1.0 mL,待净化。
在内径1.0 cm的玻璃固相萃取小柱中依次装入1 000 mg硅胶、500 mg中性氧化铝,轻敲至实,用10.0 mL正己烷进行预淋洗,然后将上述萃取浓缩提取液过柱,用20 mL正己烷/乙酸乙酯(2 ∶ 8,v/v)混合液对目标物进行洗脱,经氮吹浓缩,加入内标物后采用正己烷定容至0.5 mL,待GC-MS测定。
选用基质复杂的膏、霜、乳、粉等固态化妆品,精油等油性化妆品,以及保湿水、润肤水等水性化妆品。实验中以基质复杂、使用频率高的洗发水为例,以说明此类样品的前处理条件选择和优化。
称取0.5 g洗发水样品,加入10.0 mL二氯甲烷常温超声振荡提取30 min,离心后移取上清液;重复上述步骤1次,合并两次萃取液后用氮吹浓缩至近干,用正己烷定容至1.0 mL,待净化。
取800 mg硅胶和 1 200 mg中性氧化铝,充分混匀后装入内径1.0 cm的玻璃固相萃取小柱内,使用前用5.0 mL正己烷/乙酸乙酯(2 ∶ 8,v/v)混合溶液进行预淋洗,弃去淋洗液;将上述浓缩后的萃取液过柱,用20.0 mL正己烷/乙酸乙酯(2 ∶ 8,v/v)混合溶液洗脱目标物,收集洗脱液,氮吹浓缩,加入内标后定容至0.5 mL,待测定。
塑料主要指聚氯乙烯(PVC)、热塑性橡胶(TPR)、橡胶、聚氨酯(PU)、热塑性聚氨酯(TPU)、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)等,实验中以基质复杂的PU材料为例对样品前处理步骤进行说明。
称取剪切至粒径小于1 mm的样品0.1 g于60 mL具塞样品瓶中,加入4.0 mL二氯甲烷,超声萃取40 min,静置,取1.0 mL萃取液,稀释至25.0 mL,待净化。
称取 1 000 mg硅胶装入内径1.0 cm的玻璃固相萃取小柱中,使用前用5.0 mL正己烷进行预淋洗,弃去淋洗液;取上述样品稀释液1.0 mL过固相萃取小柱净化,用5.0 mL正己烷淋洗去除部分干扰物,再用25.0 mL正己烷/乙酸乙酯(2 ∶ 8,v/v)混合溶液洗脱目标物,收集的洗脱液经氮气吹扫浓缩,定容至1 mL,待GC-MS测定。
DB-35MS毛细管色谱柱(30.0 m×0.25 mm×0.25 μ m);载气为高纯He(纯度>99.999% ),流速1.0 mL/min,恒流模式;进样口温度300 ℃,脉冲不分流模式,进样量1.0 μ L;程序升温步骤:初始温度100 ℃,保持0.5 min,以30 ℃/min 升至220 ℃,以5 ℃/min 升至250 ℃,以25 ℃/min 升至320 ℃,保持5.0 min直至待测目标物全部流出。电子轰击(EI)离子源(70 eV),离子源温度230 ℃,接口温度280 ℃,四极杆温度150 ℃。使用全扫描/选择离子监测(Scan/SIM)同时采集模式测定,溶剂延迟3.5 min。16种PAEs标准品及内标物的保留时间、定性/定量特征离子如表1所示,SIM色谱图见图1。
DBP与DBP-D4、DEHP与DEHP-D4的色谱峰并没有完全分开,但DBP、DEHP与氘代内标物的特征离子不同,相互之间不存在定性、定量测定的干扰问题。实际样品测定时,除使用保留时间对PAEs进行定性外,各PAE特征离子丰度比是待测目标物定性的重要依据,特征离子丰度比的相对偏差控制在±20%以内,以避免复杂样品基质中可能存在的干扰。使用内标校正的标准校正曲线法对各PAE进行定量;根据待测组分与内标物在保留时间上的接近程度,表1及图1中编号为1~9的PAEs采用DBP-D4进行校正、编号10~16的PAEs采用DEHP-D4进行校正。
采用超声振荡方式对沉积物、缢蛏、洗发水样品中的PAEs进行提取,根据相关文献[32, 33, 34]分别选取二氯甲烷(DCM)、正己烷/丙酮(Hex/Ace,1 ∶ 1,v/v)混合溶液和乙酸乙酯(EtAc)为萃取剂进行实验,结果如图2所示。
结果表明,沉积物、缢蛏、洗发水中大多数PAEs的提取效率以二氯甲烷最高,且二氯甲烷提取液的颜色较浅;而乙酸乙酯、正己烷/丙酮混合溶液的提取效率相对较差,且对沉积物、缢蛏样品的提取液颜色较深,洗发水提取液进行后续吹扫时易析出大量絮状沉淀。质谱测定结果还表明,二氯甲烷作为提取溶剂时,质谱图中杂质峰最少、谱图噪声小、基质干扰最少。因此,沉积物、缢蛏及洗发水采用的提取溶剂均为二氯甲烷。
实际样品测定时,各类塑料如PVC、TPR、橡胶、PU等是最易检出较高含量PAEs的样品。测定各类塑料样品中PAEs的最常用的方法均采用二氯甲烷为萃取溶剂。由于此类样品密度较高,在进行方法准确度评估时不宜使用简单的标准加入法。研究中我们选取最常检出DEHP的4类塑料样品进行实验,对恒温超声振荡萃取(常温,40 min)和索氏萃取(6.0 h)两种方式的萃取效率进行比较。表2的实验结果表明,两种方法的萃取效率接近,考虑到超声萃取更为简单、省时,实验选择恒温超声振荡萃取方式提取各类塑料样品中的PAEs。
对于基质复杂的各类样品,固相萃取是一种常用的净化手段。实验中通过仔细选择适合的固相萃取填料以及淋洗液达到去除/减少干扰杂质的目的,改善方法准确度、检出限。
选择硅胶、弗罗里硅土、C18等3种填料的固相萃取小柱,比较其对沉积物中可能干扰杂质的去除效果。质谱测定结果表明,相对C18填料,硅胶和弗罗里硅土对去除沉积物中色素、腐殖酸等极性较强杂质有较好效果,但3种填料中硅胶的价格最为低廉,因此选择硅胶为固相萃取填料。
对缢蛏等生物样品提取液的净化,分别采用C18填料、弗罗里硅土、硅胶/中性氧化铝(1.0 ∶ 0.5,m/m)混合填料进行固相萃取实验,与沉积物中PAEs的测定情况类似,弗罗里硅土、硅胶/中性氧化铝混合填料的净化效果较好,而经C18填料净化后的提取液中仍含有较多的样品基质共萃物,严重影响待测PAEs的定性和定量。相对于价格较高的弗罗里硅土,实验选择硅胶/中性氧化铝混合填料对缢蛏等生物样品进行净化。
实验选择的洗发水成分主要有乙二胺四乙酸、阴离子型硫酸盐类表面活性剂、铵盐类表面活性剂、甜菜碱类两性表面活性剂等多种极性较强的化合物,因此其提取液净化所用填料以极性填料为宜。实验选择价格比较便宜的硅胶和中性氧化铝进行对比试验,比较硅胶/中性氧化铝混合填料不同质量比(10 ∶ 0,6 ∶ 4,4 ∶ 6,0 ∶ 10)时的净化效果和对PAEs回收率的影响,结果如图3所示。
各种塑料中最容易检出PAEs,而且一旦检出往往含量较高。实际分析过程中,一般对其萃取液进行稀释以减少样品前处理时间,但复杂的基质仍然对低含量待测目标物的准确测定有较大的干扰,必须进行固相萃取净化。实验考察了硅胶、中性氧化铝、硅胶/中性氧化铝(2 ∶ 1,m/m)混合填料萃取小柱的净化效果;实验结果表明,尽管三者对PAEs的加标回收率基本一致,但质谱测定结果表明,硅胶小柱对制鞋材料样品基质的净化效果最好。
固相萃取技术除了能对复杂样品基质进行净化外,还可对大体积水样中痕量PAEs进行富集。PAEs在地表水体中的含量低于10-6水平,GC-MS不能直接分离、测定,需要对水样中的PAEs进行富集。本实验中的16种PAEs的极性为弱极性至中等极性,而水样基质为强极性,因此C18成为最适合水体中PAEs固相萃取、富集的填料。富集水体样品中PAEs的方法一般使用内径较小的C18固相萃取小柱[4],实际操作中出现大体积水样过柱困难的情况,需使用真空抽滤等辅助设备,导致过程繁琐、样品前处理时间过长。本研究中对近岸/河口海水中PAEs测定的预处理,采用内径为2.8 cm的大口径C18固相萃取柱,使用足量的C18填料,依靠样品本身的重力,在适当的流速如6 mL/min 条件下,海水样品中PAEs的加标回收率可达70%以上,可实现不同盐度近岸/河口海水中PAEs的预富集。
合适的淋洗液不仅能将待测PAEs从固相萃取填料上洗脱下来,还能尽量多地将样品基质或可能的干扰物保留在固相萃取填料上,从而实现将目标物定量洗脱的目的。待测PAEs的极性为弱极性至中等极性,因此选择非极性的正己烷与中等极性的乙酸乙酯以一定比例混合,不仅使待测PAEs有较好的回收率,同时较好地去除可能的干扰物质。实验表明,本文中研究的几类复杂基质的样品,无论是沉积物、土壤、悬浮颗粒物、地表灰尘、生物样品、化妆品、塑料,还是近岸/河口海水样品,正己烷/乙酸乙酯(2 ∶ 8,v/v)混合溶液都是合适的淋洗液。
称取某种基质的样品6份,针对样品基质类型分别添加PAEs标准品后得到人工合成样品,按照1.2和1.3节所述步骤进行样品预处理及分析测定,计算方法的相对标准偏差(RSD),结果如表3所示。几类样品的样品前处理及测定方法的相对标准偏差均小于10.5%(n=6)。
在某一复杂基质的样品中添加较低浓度的PAEs,制成6份平行样,按照1.2和1.3节所述步骤进行样品预处理及测定,计算测定结果的标准偏差;定义3倍标准偏差为方法的检出限(DL,3 σ )。各种基质样品的方法检出限列入表4和表5,添加PAEs标准品的回收率列入表6。结果表明,本方法对土壤/沉积物、生物样品、化妆品、塑料中PAEs的检出限在10-9~10-8量级,能满足实际样品检测的需要。近岸/河口海水样品的检出限在10-12~10-11量级,低于其他文献[37, 38, 39]的检出限,对海水中低浓度PAEs的检测更具有优势。
表7列出了近海沉积物、近岸海水、市场采购的化妆品和缢蛏、常见塑料(TPR、PVC)样品中16种PAEs的测定结果。在基质复杂的沉积物、海水、缢蛏、塑料、化妆品等样品中,均可检测出PAEs,其中DIBP、DBP和DEHP是检出最多的3种PAEs,而检出的DEP、DMP则含量较低。
PAEs广泛存在于各种样品基质中,为得到准确、可靠的测定结果,本文对土壤、沉积物、悬浮颗粒物、地表灰尘、近岸/河口海水、生物样品等环境样品,以及与人体接触的各种化妆品、塑料等日用消费品提出了合适的样品前处理方法。极性为弱极性至中等极性的16种PAEs的测定中,二氯甲烷是进行固液萃取时最佳的超声振荡提取溶剂;而对各种复杂基质样品的净化中,硅胶则是经济、实用的固相萃取填料;C18是适宜于近岸/河口海水样品中PAEs预富集的填料;一定比例正己烷与乙酸乙酯的混合溶液是适宜的固相萃取洗脱液。各种复杂样品基质中,GC-MS方法测定PAEs的精密度(RSD)低于10.5% ,加标回收率高于58% 。土壤/沉积物、生物体、化妆品、塑料等样品基质中PAEs的检出限在10-9~10-8量级,近岸/河口海水样品的检出限在10-12~10-11量级,可满足各类实际样品测定的需要。