氯化石蜡是一类含氯的直链烷烃混合物,其通式为CxH(2x＋2)－yCly,可通过对石油蒸馏组分中不同的正构烷烃氯化而得到。由于氯原子所处位置的可能性较多,使得氯化石蜡存在很多同分异构体。短链氯化石蜡(short chain chlorinated paraffins,SCCPs)所含碳原子数为10～13。这类物质具有挥发性低、阻燃、电绝缘性良好、价廉等优点,多用于皮革加脂剂中[1]。SCCPs毒性大,且能在生物体中累积,因此被联合国环保署列入《关于持久性有机污染物(POPs)的斯德哥尔摩公约》禁止使用的持久性有机污染物清单之中。REACH (registration,evaluation,authorization and restriction of chemicals)指令也将其列为限制使用的危险配制品,规定其作为配制品时含量不得超过1% 。欧盟 2002/45/EC指令禁止在金属加工和皮革涂饰剂中使用SCCPs。欧盟76/769/EEC指令附录Ⅰ中规定SCCPs浓度超过0.1%的物质不能投入市场。但是由于SCCPs结构复杂,皮革样品基质干扰严重,目前尚没有完善的皮革制品中SCCPs的标准检测方法。为了建立评估进出口皮革制品安全性的方法,以应对欧盟的技术贸易壁垒,本文建立了皮革制品中SCCPs的检测方法。
气相色谱(GC)是检测SCCPs的主要手段,但SCCPs结构复杂,通常以多种同分异构体并存的形式存在,色谱峰呈现簇峰,分离困难[2, 3]。SCCPs的检测主要通过GC与不同的检测器联用来实现,常用的检测器包括电子捕获检测器(ECD)、电子轰击质谱(EI-MS)、电子捕获负离子源质谱(ECNI-MS)以及亚稳态原子轰击高分辨质谱(MAB-HRMS)。由于高分辨质谱(HRMS)设备昂贵,不适于常规分析,因此目前检测SCCPs多采用低分辨质谱。目前已有文献报道对土壤、水等样品中的SCCPs进行测定[4, 5, 6, 7, 8, 9],而对皮革制品中SCCPs检测的文献较少[10, 11, 12, 13, 14]。在线催化方法[10]操作复杂、测定结果的准确性受制于催化效率的变化;GC-MS直接测定方法[11]虽然操作简单,但干扰严重、灵敏度不高;GC-ECD方法虽然能够在一定程度上降低基质干扰,但由于皮革基质非常复杂、硅藻土的选择性并不理想,所以在实际样品检测中定性困难[12];在测定实际样品时,液相色谱-大气压化学电离源质谱(LC-APCI-MS)方法[13]表现出容易出现假阳性的问题;Rey等[14]提出的固相萃取(硅藻土为吸附剂)-GC-ECNI-MS方法是现有报道中最为可靠的,但由于ECNI-MS检测器在国内非常罕见,因此根本无法用于大量实际样品的检测。
为了评估进出口皮革制品的安全性,应对欧盟的技术贸易壁垒,提升我国皮革及其制品质量,促进我国皮革产品出口,本文采用超声萃取技术对皮革制品中SCCPs进行提取,选择净化效果好的硅胶固相萃取(SPE)柱净化,建立了一种测定皮革制品中SCCPs的GC-MS方法。鉴于SCCPs的特殊性,本文针对存在3种不同氯含量SCCPs的情况,提出实际样品中SCCPs的定量方法。
Agilent 6890N-5973气相色谱-质谱仪(美国Agilent公司),BF-2000氮气吹干仪(北京八方世纪科技有限公司),Retch SM2000织物研磨仪(德国Retch公司),KQ-50B超声清洗仪(昆山市超声有限公司),Heal Force Easy系列超纯水制备装置(香港力康生物医疗科技控股有限公司)。
正己烷、环己烷、二氯甲烷、乙醇、丙酮、乙腈和硫酸钠均为分析纯,由上海国药集团化学试剂有限公司提供。硅胶(200～300目,试剂级)由青岛海洋化工厂提供。弗罗里硅土(分析纯)、C18键合硅胶(分析纯)均由百灵威化学技术有限公司提供。
3种SCCPs储备液(氯含量分别为51.5% 、55.5%和63.0% )均由德国Dr. Ehrenstorfer公司提供。溶解于环己烷,质量浓度为100 mg/L,使用时再逐级稀释至所需浓度。
选用5 mL玻璃注射器,放入筛板后加入0.5 g硅胶,在其上加入0.1 g无水硫酸钠,最后盖上筛板,得到自制的SPE柱。
准确称取1.0 g剪碎的皮革样品,加入20 mL正己烷,超声20 min,过滤;将滤渣用20 mL萃取溶剂再次萃取,过滤;合并滤液。将萃取液旋转蒸至近干后,再用氮气将其吹干,用10 mL正己烷定容。
将上述10 mL皮革萃取液转移到用5 mL正己烷活化后的自制萃取柱中,用5 mL正己烷-二氯甲烷(2 ∶ 1,v/v)洗脱。收集洗脱液,氮气吹干后,用1 mL环己烷定容。
色谱柱:HP-5毛细管色谱柱(30 m×0.25 mm×0.25μ m);进样口温度:260 ℃;检测器温度:280 ℃;载气:氦气(纯度＞99.999% );流速:1.2 mL/min;进样量:1μ L,不分流进样;升温程序:初始温度100 ℃,保持1 min;以20 ℃/min 升至260 ℃,保持10 min。
电离方式:电子轰击源(EI);电离能量:70 eV;离子源温度:200 ℃;传输线温度:280 ℃;数据采集方式:选择离子监测模式;选择监测离子:m/z 75 、 89(定量离子)、91 和103 。
超声萃取的效率主要取决于萃取溶剂的种类。本文考察了多种溶剂对加标阳性皮革样品中SCCPs的提取效率。准确称取5份剪碎的皮革样品(1.0 g/份),分别采用正己烷、二氯甲烷、乙醇、丙酮和乙腈5种不同极性的溶剂进行超声提取,图1给出了不同提取溶剂的提取效果。结果表明,正己烷对3种不同氯含量的SCCPs的萃取效果优于其余4种溶剂。因此选择正己烷作为超声提取溶剂。
SPE柱的填料不仅影响对目标物的吸附容量,而且关系到目标物与基质中干扰物的分离。本文选择硅胶、弗罗里硅土和C18键合硅胶3种常用填料分别制备3种SPE小柱。经对比发现,硅胶SPE柱和弗罗里硅土SPE柱对SCCPs的吸附容量相当,均大于C18键合硅胶SPE柱。
由于大量SCCPs同分异构体的存在,色谱峰呈现为不能分离的簇峰,因此尽可能排除共流出组分是最具可操作性的选择。以弗罗里硅土和C18键合硅胶SPE柱净化时,均不能将氯化石蜡与皮革萃取液中的杂质分开,而以硅胶SPE柱净化时,则可将SCCPs与杂质在不同的组分中洗脱下来。因此最终选用硅胶SPE柱净化。
选择不同体积比的正己烷-二氯甲烷混合溶液作为洗脱剂,观察洗脱效果。随着洗脱剂中二氯甲烷所占体积比例的增大,3种不同氯含量的SCCPs的洗脱量都逐渐增加,但正己烷-二氯甲烷的体积比增至1 ∶ 1时,皮革制品中的干扰杂质开始被洗脱下来。综合考虑洗脱量与分离效果,最终选择正己烷-二氯甲烷(2 ∶ 1,v/v)混合溶液作为洗脱剂。
按照1.2节中所述,对洗脱剂的用量进行了优化,正己烷-二氯甲烷(2 ∶ 1,v/v)混合溶液分别取2、3、4、5、6 mL。图2表明,随着洗脱剂体积的增大,3种不同氯含量的SCCPs的洗脱量均逐渐增加,当洗脱剂体积为5 mL时,洗脱量达到最大值。洗脱剂体积进一步增加时,洗脱量不再增加。因此,最终选择5 mL正己烷-二氯甲烷(2 ∶ 1,v/v)进行洗脱。
在最优的萃取条件下,评价了方法的线性范围、检出限及定量限。对质量浓度为0.5～100 mg/L 的SCCPs溶液进行分析,以色谱峰面积对样品浓度(mg/L)作图,得到标准工作曲线。按照本方法所建立的程序逐级稀释标准溶液,以10倍信噪比确定方法的最低检出浓度,以线性范围的最低点作为皮革样品的定量浓度。基于取样量及最终样液定容体积分别计算出方法的检出限(LOD)和定量限(LOQ)(见表1)。结果表明,皮革样品中的SCCPs的检出限低至0.069 mg/kg,定量限为0.5 mg/kg,而文献[10]中检出限为0.01% ,折算后为 1000 mg/kg;文献[11]中检出限为1.5μ g/mL,折算后为30 mg/kg;文献[13]中检出限为50 mg/kg。因此本文方法灵敏度优于文献报道的类似方法。
为了评价该方法的日间和日内重现性,将SCCPs含量为1.0 mg/kg 的皮革样品在优化条件下进行萃取。如表2所示,3种不同氯含量的SCCPs的萃取效果的日内相对标准偏差为6.30% ～6.69% ,日间相对标准偏差为7.12% ～7.83% 。该方法具有良好的重现性。
在优化的实验条件下对空白皮革样品分别添加1.0、10和100 mg/L 的SCCPs进行萃取,GC-MS检测,平行测定5次。结果表明,该方法的回收率为90.47% ～99.00% ,相对标准偏差为4.20% ～6.69%(见表3)。
上述研究结果表明,在明确知道皮革中SCCPs种类的情况下,本文所建立的方法具有较好的准确性。但实际样品测试时,如果不知道生产商采用了哪种含氯量的SCCPs,就难以确定采用哪种SCCPs的工作曲线进行定量,而这又是影响测定结果可靠性的关键。为此,本文分两种情况,对实际检测中阳性样品的定量方法进行了探讨。
图3是3种氯含量不同的SCCPs的典型GC-MS谱图,可见不同氯含量的SCCPs的谱图均可看作由6或7个簇峰组成,分别用P1～P6代表这些簇峰,其峰形分布与含氯量呈现明显的相关性，有一定规律性。在后续讨论中,均以峰谷-峰谷的连线作为峰底,由峰顶做垂线与峰底相交,以交点与峰顶的距离为峰高(h)。
首先,含氯量不同的SCCPs的簇峰具有不同的特征。SCCPs含氯量为51.5%时,谱图中有两个等高的最高峰(见图3a虚线方框中的P3和P4峰),保留时间分别为8.6和9.2 min;而含氯量为55.5%和63.0%时,谱图中各有一个强度最大的峰,分别为图3b虚线方框中的P4峰和图3c虚线方框中的P5峰。其次,随SCCPs的氯含量由51.5%增加到55.5% 、63.0% ,谱图中最高峰对应的保留时间也逐渐延长,由8.6 min(图3a中P3峰)变为9.2 min(图3b中P4峰)和9.8 min(图3c中P5峰)。此外,簇峰中特定峰高比基本不变。SCCPs(51.5%Cl)的谱图中两个强度最大峰的峰高比(hP3/hP4)在0.98～1.03之间(5次测定的结果)。SCCPs(55.5%Cl)的谱图中,由于含氯量增加,P3和P4的峰高显著增加,但hP3/hP4的值却下降到0.76～0.72之间(5次测定的结果); P3和P5的峰高几乎相等,hP4/hP5值处于1.31～1.34之间(5次测定的结果)。在SCCPs(63.0%Cl)的谱图中,P4与P5的峰高几乎相等,hP4/hP5值处于0.95～0.97之间(5次测定的结果)。
综上所述,SCCPs(51.5%Cl)的谱图特征是在8.6和9.2 min处有一对几乎等高的簇峰,它们同时还是整个谱图中强度最大的峰。SCCPs(55.5% Cl)的谱图特征是:最大强度的峰出现在9.2 min,其左右相邻两峰(8.6和9.8 min)的峰高基本相等,并且这两峰的峰高约为最强峰峰高的70% 。 SCCPs(63.0% Cl)的谱图特征则是:最大强度的峰出现在9.8 min,其峰高与次高峰(9.2 min)的峰高基本相等。因此,如果不能预知阳性皮革样品中不同含氯量的SCCPs的种类,则可以将样品中SCCPs的谱图与相同色谱条件下不同含氯量的SCCPs的谱图进行对比,以峰形、最高峰保留时间和特定峰高的比值为依据,确定皮革样品所含SCCPs的种类,根据对应的SCCPs的工作曲线,以所有簇峰的峰面积总和计算结果。
在实际样品检测中，如果发现SCCPs的峰形不规则,无法按照2.4.1节中所述方法判断SCCPs的种类,则说明皮革样品中所含的SCCPs是不同氯含量的SCCPs混合物。由于3种氯含量不同的SCCPs的校正因子随氯含量的增加而增大,因此,可分别采用SCCPs(51.5%Cl)和SCCPs(63.0%Cl)的工作曲线进行定量,从而获得样品中SCCPs含量的范围。
按照优化后的方法对实际样品进行检测,检出SCCPs(51.5%Cl)含量为65 mg/kg。图4为实际皮革样品中SCCPs的GC-MS谱图。
测定实际样品中SCCPs含量是目前分析工作的一个难点,国内外很多课题组都在进行相关的研究,但迄今尚未能建立重现性较好且易于推广的测定方法。本论文使用常用的分析仪器GC-MS,从样品前处理方法入手,较好地解决了皮革基质对SCCPs的干扰。所建立的SPE-GC-MS方法可用于单一种类SCCPs的准确测定,准确性和重现性均较好。对于混合使用不同含氯量SCCPs的样品,则可按照本文提供的方法估算出SCCPs的含量范围。本文对皮革中SCCPs的测定具有较为重要的意义。
2014, Vol. 32 Issue (10): 1152-1156
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