分散固相萃取/氣相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法分析土壤及沉積物樣品中的8種紫外線吸收劑

佟 玲，楊志鵬，田 芹，潘 萌，宋淑玲

(國家地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測試中心，北京 100037)

紫外線吸收劑是一種光穩(wěn)定劑，能吸收陽光及熒光光源中的紫外線，而本身又不發(fā)生變化，因而被廣泛添加于個(gè)人護(hù)理品、紡織品、塑料包裝材料、防凍劑、汽車涂料等產(chǎn)品中[1-4]；按其結(jié)構(gòu)可分為水楊酸酯類、二苯甲酮類、苯并三唑類、取代丙烯腈類、三嗪類等，工業(yè)上應(yīng)用最多的為二苯甲酮類和苯并三唑類。我國紫外線吸收劑的年產(chǎn)量自2010年起已達(dá)萬噸以上[5]。這類有機(jī)化合物被直接或間接地排放到環(huán)境中，在地表水、沉積物中均有檢出，同時(shí)由于該類物質(zhì)具有較高的生物累積性，在魚、蝦等生物體[6-9]以及人體尿液和血液中也有檢出，其中二苯甲酮-3的檢出率較高[10-11]，如Kannan等[9,12]在人尿液中檢出0.26 ng/mL，血液中檢出1.51 ng/mL。環(huán)境中的紫外線吸收劑可通過多種途徑暴露從而威脅人體健康，如苯并三唑類紫外線吸收劑會引發(fā)皮膚過敏，并導(dǎo)致甲狀腺、脂肪酸代謝失衡，具有激素活性[13-14]；二苯甲酮類紫外線吸收劑產(chǎn)生的副產(chǎn)物無法在體內(nèi)代謝，會對生物體及人體產(chǎn)生內(nèi)分泌干擾效應(yīng)[15]。我國2007年出版的《化妝品衛(wèi)生規(guī)范》中已明確規(guī)定二苯甲酮-3、二苯甲酮-4及二苯甲酮-5為限用防曬劑[16]。

目前，苯并三唑類和二苯酮類紫外線吸收劑的測定方法主要有液相色譜法[13]、液相色譜-質(zhì)譜法[14]、液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法[3,17-19]、氣相色譜-質(zhì)譜法[1]、氣相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法[20-21]等。其中，液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法分析的目標(biāo)物種類較多，且檢出限與氣相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜相差不大，但其儀器昂貴、分析和維護(hù)成本較高。前處理方面，液體樣品多采用固相萃取、固相微萃取，固體樣品則以超聲萃取、加速溶劑等[22]方法為主。根據(jù)苯并三唑類和二苯甲酮類紫外線吸收劑應(yīng)用的特殊性，我國報(bào)道的分析方法多集中在化妝品[16]、食品飲料、塑料包裝材料等基質(zhì)[20,23]。而對于基質(zhì)復(fù)雜的土壤、沉積物等環(huán)境樣品中紫外線吸收劑的分析方法報(bào)道較少，因?yàn)檫@類樣品經(jīng)加速溶劑萃取或超聲提取后，還需采用層析柱或凝膠滲透色譜進(jìn)一步凈化[7,18]，前處理繁瑣費(fèi)時(shí)。本研究以我國產(chǎn)量最大的苯并三唑類和二苯甲酮類紫外線吸收劑為研究對象，建立了土壤和沉積物樣品中該類紫外線吸收劑的分散固相萃取結(jié)合氣相色譜-三重四極桿串聯(lián)質(zhì)譜(GC-MS/MS)分析方法，該法操作簡便、定性準(zhǔn)確、分析成本低，有助于紫外線吸收劑在土壤、沉積物中快速篩查等批量分析工作的開展，可為其環(huán)境行為方面的深入研究提供技術(shù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器、試劑與材料

GCMS-TQ8040三重四極桿型氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(日本Shimadzu公司)；MMS-5010振蕩器(日本Eyela公司)；3-15臺式高速離心機(jī)(德國Sigma公司)；KL512/509J型12位恒溫水浴氮吹儀(北京康林科技股份有限公司)；Rotavapor R-210旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(瑞士Buchi公司)。DM-5MS色譜柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm，迪馬公司)。

丙酮、二氯甲烷、正己烷、乙腈、乙酸乙酯(色譜純，百靈威公司)；無水硫酸鈉、銅粉(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；硅膠(Si)、石墨化炭黑(GCB)、中性氧化鋁(N-Al2O3)、硅膠鍵合三甲基氨丙基強(qiáng)陰離子交換吸附劑(SAX)、硅膠鍵合苯基磺酸強(qiáng)陽離子交換吸附劑(SCX)、N-丙基乙二胺(PSA)吸附劑(德國CNW公司)。標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：二苯甲酮-3(BP-3，1 000 μg/mL)、二苯甲酮-12(BP-12，1 000 μg/mL)、2-(2′-羥基-5′-甲基苯基)苯并三唑(UV-P，1 006 μg/mL)、2-(2′-羥基-3′,5′-二叔丁基苯基)-苯并三唑(UV-320，1 006 μg/mL)、2-(2′-羥基-3′-叔丁基-5′-甲基苯基)-5-氯代苯并三唑(UV-326，1 000 μg/mL)、2-(3,5-二叔丁基-2-羥苯基)-5-氯苯并三唑(UV-327，1 002 μg/mL)、2-[2-羥基-3,5-二(1,1-二甲基丙基苯基)]-2H-苯并三唑(UV-328，1 009 μg/mL)、2-(2′-羥基-5′-特辛基苯基)苯并三唑(UV-329，1 001 μg/mL)購于AccuStandard公司。替代物：吐納麝香-D3(AHTN-D3，100 μg/mL)購于德國Dr.Ehrenstorfer公司。

精密度實(shí)驗(yàn)所用空白樣品：采集無污染區(qū)域的土壤樣品，研磨過篩并用正己烷-丙酮(體積比1 ∶ 1)溶劑提取后備用。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制分別精密移取一定體積的8種紫外線吸收劑標(biāo)準(zhǔn)品溶液于10 mL容量瓶中，用乙腈定容至刻度，配成100.0 μg/mL的單標(biāo)儲備液，于-18 ℃避光保存?zhèn)溆?。取上述各化合物的單?biāo)儲備液100 μL于10 mL容量瓶中，加入約3 mL丙酮，并用正己烷定容至刻度，配成1.0 μg/mL的混合標(biāo)準(zhǔn)工作液，于4 ℃避光保存。替代物用正己烷配制成質(zhì)量濃度為1.0 μg/mL的標(biāo)準(zhǔn)工作液。

1.2.2樣品前處理取土壤(沉積物)樣品，陰干后研磨，過40目篩于棕色玻璃瓶中保存，待分析。精確稱取5.0 g土壤(沉積物)樣品于40 mL帶密封蓋的玻璃瓶中，加入預(yù)先用丙酮清洗過的2 g無水硫酸鈉(沉積物樣品需另加入1 g銅粉用于除硫)及1.0 g SCX吸附劑，再加入50 μL 1.0 μg/mL的替代物，最后加入20 mL正己烷-丙酮(體積比4 ∶ 1)在室溫下以200 r/min振蕩提取30 min，3 500 r/min離心5 min，將上清液轉(zhuǎn)入濃縮瓶，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至4 mL左右，轉(zhuǎn)移至帶刻度的離心管進(jìn)一步氮吹濃縮至約0.3 mL，用正己烷定容至0.5 mL，供GC-MS/MS分析。

1.2.3儀器條件氣相色譜條件：色譜柱為DM-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm)；進(jìn)樣口溫度260 ℃；載氣為氦氣(純度為99.999%)，流速1.2 mL/min；不分流進(jìn)樣，進(jìn)樣量為1.0 μL。升溫程序：初始溫度120 ℃，以30 ℃/min升至200 ℃，保持1 min，再以4 ℃/min升至280 ℃，保持1 min，最后以30 ℃/min升至300 ℃并保持5 min。

質(zhì)譜條件：接口溫度280 ℃；離子源溫度240 ℃；四極桿溫度150 ℃；電離方式為電子轟擊電離；電離能量70 eV；溶劑延遲5 min；多反應(yīng)監(jiān)測(MRM)模式。

2 結(jié)果討論

2.1 質(zhì)譜條件的優(yōu)化

對8種紫外線吸收劑和替代物的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液(質(zhì)量濃度均為1.0 μg/mL)在m/z50～500范圍內(nèi)進(jìn)行全掃描，根據(jù)譜圖確定各目標(biāo)化合物的保留時(shí)間，以豐度較高且質(zhì)量數(shù)較大的特征離子作為目標(biāo)離子，采用軟件自動方式優(yōu)化MRM方法，使碰撞電壓在3～45 eV之間，間隔為3 eV。優(yōu)化選出2個(gè)特征產(chǎn)物離子作為子離子，用于定性定量分析，結(jié)果見表1。圖1為8種紫外線吸收劑混合標(biāo)準(zhǔn)溶液的提取離子流色譜圖。

表1 目標(biāo)化合物的保留時(shí)間、監(jiān)測離子對和碰撞能量Table1 Retention times,monitoring ions and collision energies of target compounds

*quantitative ion pairs(定量離子對)

圖1 目標(biāo)化合物標(biāo)準(zhǔn)溶液的氣相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜MRM提取離子流圖(100.0 ng/mL)Fig.1 MRM extracted ion chromatograms of standard solution of target compounds by GC-MS/MS(100.0 ng/mL)

2.2 提取溶劑的優(yōu)化

土壤及沉積物樣品基質(zhì)復(fù)雜，為保證目標(biāo)化合物的提取效率，同時(shí)減少雜質(zhì)的共提取，對提取溶劑進(jìn)行了優(yōu)化。在5.0 g空白土壤中加入50 μL 1.0 μg/mL的混合標(biāo)準(zhǔn)工作液，分別加入20 mL不同的提取溶劑(二氯甲烷、二氯甲烷-正己烷(體積比1 ∶ 1)、乙腈、正己烷-丙酮(體積比1 ∶ 1、2 ∶ 1、4 ∶ 1)，振蕩提取30 min，考察了不同提取溶劑的提取效率(表2)。結(jié)果顯示，雖然乙腈和二氯甲烷-正己烷(體積比1 ∶ 1)對復(fù)雜基質(zhì)樣品的共提取色素較少，但其對BP-3、UV-P、BP-12的提取效率較低，純二氯甲烷僅對UV-P的提取效率有所改善。而采用丙酮-正己烷進(jìn)行提取時(shí)，各化合物的回收率均較高，且丙酮在溶劑體系中的比例較少時(shí)對于土壤、沉積物樣品中的色素等雜質(zhì)共提取相對較少，因此選擇正己烷-丙酮(體積比4 ∶ 1)為提取溶劑。另外，實(shí)驗(yàn)比較了不同振蕩提取時(shí)間(10、30、60 min)對回收率的影響，結(jié)果顯示，振蕩提取10 min的回收率明顯低于30 min和60 min，而振蕩30 min和60 min時(shí)的回收率差別不大，為縮短前處理時(shí)間，實(shí)驗(yàn)選擇振蕩提取30 min。

表2 不同提取溶劑的提取回收率Table 2 Average recovery of different extraction solvents

2.3 凈化吸附劑的選擇

已有研究多采用凝膠滲透色譜法[7]或固相萃取凈化法[18]對固體樣品中的紫外線吸收劑進(jìn)行凈化，這些方法雖滿足分析需要，但操作步驟繁瑣且有機(jī)溶劑消耗量大。本研究基于分散固相萃取原理，在提取樣品的同時(shí)加入凈化吸附劑，實(shí)現(xiàn)了一步完成提取凈化，簡化了前處理步驟。實(shí)驗(yàn)比較了硅膠(Si)、中性氧化鋁(Al2O3)、SCX、SAX、GCB 5種不同吸附劑的凈化效果，結(jié)果見圖2。結(jié)果表明，GCB對平面結(jié)構(gòu)的UV-P和UV-326具有吸附作用，回收率較低，又干擾BP-3響應(yīng)使其回收率較高；中性氧化鋁對BP-3、UV-P和BP-12的回收率較低，不能滿足分析要求；Si、SCX和SAX對目標(biāo)化合物的回收率均能達(dá)到要求，通過進(jìn)一步比較其對實(shí)際復(fù)雜基質(zhì)樣品的凈化效果(精密稱取3份5.0 g相同的河底沉積物樣品，分別加入1.0 g Si、SCX和SAX進(jìn)行提)發(fā)現(xiàn),經(jīng)SCX凈化后的提取液中大部分葉綠素被去除，僅剩余少量葉黃素，凈化效果最好，表明SCX相比于Si和SAX吸附色素的能力更強(qiáng)。究其原因，SCX是以硅膠為基質(zhì)鍵合了苯磺酸基團(tuán)，易吸附樣品提取液中的陽離子(如堿性雜質(zhì))，同時(shí)SCX中的苯環(huán)能與色素等大分子化合物發(fā)生非極性吸附，因此選用SCX作為凈化吸附劑。

圖2 不同吸附劑條件下的提取回收率均值Fig.2 Average recovery of extraction in different adsorbents

2.4 基質(zhì)效應(yīng)的影響

由于土壤和沉積物的基質(zhì)復(fù)雜，在樣品前處理過程中的共提物會干擾目標(biāo)化合物的儀器響應(yīng)，尤其是BP-3和BP-12在純?nèi)軇┣闆r下進(jìn)樣時(shí)由于酚羥基的存在已出現(xiàn)明顯的拖尾現(xiàn)象，因此有必要考察基質(zhì)效應(yīng)的影響。實(shí)驗(yàn)分別用正己烷和土壤樣品提取液配制相同濃度的8種紫外線吸收劑的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，在相同條件下測定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)BP-3、BP-12、UV-329基質(zhì)增強(qiáng)效應(yīng)明顯，因此本實(shí)驗(yàn)采用空白土壤基質(zhì)匹配標(biāo)準(zhǔn)曲線外標(biāo)法定量。

2.5 方法的線性范圍、檢出限、回收率及精密度

空白土壤和沉積物樣品經(jīng)提取、濃縮、凈化，向其中添加8種紫外線吸收劑的混合標(biāo)準(zhǔn)工作液，配成不同濃度的空白基質(zhì)匹配標(biāo)準(zhǔn)溶液，在優(yōu)化條件下進(jìn)行測定，以目標(biāo)物質(zhì)量濃度(X，μg/L)為橫坐標(biāo)，響應(yīng)峰面積(Y)為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，按照美國環(huán)保局法典[24]規(guī)定按3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差(SD)計(jì)算方法檢出限(MDL)，結(jié)果見表3，8種紫外線吸收劑的MDL為0.077～0.226 ng/g。在5.0 g空白土壤中分別添加混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，加標(biāo)水平分別為3(BP-3和UV-P為10 μg/L)、50、100 μg/L，每個(gè)水平平行測定8次，計(jì)算各紫外線吸收劑的回收率和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)，結(jié)果顯示，8種紫外線吸收劑的平均回收率為95.7%～126%，RSD為3.0%～12%(表3)。所有測定結(jié)果中替代物的回收率為73.6%～ 98.6%，滿足痕量分析的要求。

表3 方法的線性范圍、相關(guān)系數(shù)、檢出限、平均回收率及相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(n=8)Table 3 Linear ranges,correlation coefficients,method detection limits(MDL),average recoveries and relative standard deviations(RSDs,n=8)of this method

*added level is 10 μg/L

2.6 實(shí)際樣品分析

為考察本方法對不同土壤分析的適用性，以及復(fù)雜基質(zhì)存在條件下對樣品結(jié)果分析的影響，選取在福建和東北采集的不同類型土壤樣品進(jìn)行基質(zhì)加標(biāo)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，各化合物的加標(biāo)回收率為71.1%～117%，表明方法可用于實(shí)際樣品分析。采用本方法對10個(gè)北京周邊農(nóng)業(yè)耕作土壤樣品(Soil)和6個(gè)上海河口沉積物樣品(Sediment)進(jìn)行測定，按照質(zhì)控要求(每20個(gè)樣品包含一個(gè)全流程空白樣品和空白加標(biāo)樣品，替代物回收率控制在70%～110%之間，上機(jī)時(shí)每10個(gè)樣品要進(jìn)行持續(xù)校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的分析，并控制其相對偏差小于10%，以保證儀器的穩(wěn)定性)進(jìn)行質(zhì)量控制，空白樣品的分析結(jié)果小于檢出限，空白加標(biāo)樣品的回收率為88.1%～119%。樣品測試結(jié)果見表4,8種紫外線吸收劑在土壤和沉積物中有不同程度的檢出，其中UV-328的檢出率最高，在沉積物中最高含量達(dá)42.56 ng/g。沉積物樣品中紫外線吸收劑的檢出種類及含量明顯高于土壤，表明該類物質(zhì)會隨著未被處理的污水進(jìn)入環(huán)境，并在沉積物中富集；而土壤則會通過污水、污泥等途徑受到污染。因此，紫外線吸收劑在土壤及沉積物中的污染狀況應(yīng)該引起重視。

表4 實(shí)際樣品中紫外線吸收劑的檢測結(jié)果Table 4 Contents of UV absorbents in real samples (ng/g)

(續(xù)表4)

SampleBP-3UV-PUV-320UV-326UV-329UV-328UV-327BP-12Sediment-12.5915.81-12.600.6423.222.351.65Sediment-21.9023.99-19.120.8325.875.771.06Sediment-3-6.88-3.250.224.740.390.81Sediment-41.518.73-4.811.705.851.373.44Sediment-5-7.57-3.040.978.830.84-Sediment-6-40.44-27.163.8942.568.940.13

“-”is

3 結(jié) 論

本文建立了分散固相萃取/GC-MS/MS快速分析土壤及沉積物中8種紫外線穩(wěn)定劑的分析方法。該方法在樣品提取的同時(shí)采用吸附劑凈化，實(shí)現(xiàn)了一步完成前處理過程，操作步驟簡單，并結(jié)合串聯(lián)質(zhì)譜進(jìn)行定性、定量，方法靈敏、準(zhǔn)確可靠，滿足土壤及沉積物樣品的檢測需要，具有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。