全二維氣相色譜-飛行時間質(zhì)譜法測定消費品中20種鄰苯二甲酸酯類塑化劑

周龍龍，薛秋紅，羅 忻，辛學謙，馬 強，葉曦雯，牛增元*，孫忠松，王子涵

(1.青島海關技術中心，山東 青島 266000；2.中國檢驗檢疫科學研究院，北京 100176；3.中國海洋大學 環(huán)境科學與工程學院，山東 青島 266100)

鄰苯二甲酸酯(Phthalate,PAEs)俗稱酞酸酯，是塑料、樹脂、橡膠等工業(yè)生產(chǎn)中常用添加劑，被廣泛用于印花、涂料、紡織印染和塑料等高分子聚合物的生產(chǎn)加工等領域，涉及日常生活的許多方面[1-4]。PAEs雖然具有出色的增塑和加工性能，但同時也是一類具有生殖毒性、免疫毒性、致癌性的危及人類健康和自然環(huán)境的環(huán)境激素[5-6]，可通過呼吸、飲食、皮膚接觸等途徑被人體吸收并累積，與生殖畸形、持久性過敏、女性早熟、肝肺功能損害[7-10]等一系列疾病相關，引起了全球各國的重視。歐盟REACH法規(guī)中將鄰苯二甲酸二(C6-8支鏈)烷基酯等10種PAEs列入高關注物質(zhì)，限量要求不超過0.1%；Oeko-Tex Standard 100限制了24種PAEs的使用，其中附錄6(為注重去毒行動的公司設計)中要求其單體不超過100 mg/kg，總和不超過250 mg/kg；我國《新化學物質(zhì)環(huán)境管理辦法》也規(guī)定了6種PAEs的總量不超過0.1%。因此，開發(fā)研究PAEs的篩查方法具有重要意義。

目前，PAEs的主要檢測方法為氣相色譜法[11-14]、氣相色譜-質(zhì)譜法[15-18]、氣相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法[19-22]、液相色譜法[23-26]與液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法[27-30]。雖然對PAEs的檢測已形成了較成熟的技術成果，但由于傳統(tǒng)色譜分離能力有限，對PAEs異構體化合物的檢測不夠全面，無法較好地滿足檢測需求[31-32]。全二維氣相色譜(GC×GC)是將兩根分離機理不同且又相互獨立的色譜柱串聯(lián)，目標物經(jīng)第一根色譜柱分離后，經(jīng)調(diào)制解調(diào)器聚焦后以脈沖方式進入第二根色譜柱進一步分離，實現(xiàn)樣品的正交分離。GC×GC方法具有峰容量大(峰容量為兩根串聯(lián)色譜柱峰容量的乘積)、分離能力強、靈敏度高等特點，適合復雜體系的分析研究?；诖?，本研究建立了消費品中20種鄰苯二甲酸酯類塑化劑的全二維氣相色譜-飛行時間質(zhì)譜篩查定量方法，方法的分離效果好、定性和定量準確、抗干擾能力強、操作簡便，滿足消費品領域中PAEs的全面篩查檢測要求，可為PAEs檢測和全二維氣相色譜的使用開發(fā)提供參考。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

全二維氣相色譜-飛行時間質(zhì)譜(GC×GC-TOF MS，美國LECO公司)：GC×GC系統(tǒng)由7890A氣相色譜儀(美國Agilent公司)和雙噴口熱調(diào)制器組成，MPS進樣器(德國Gerstel公司)，Pegasus 4D飛行時間質(zhì)譜儀(美國Leco公司)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)為Chroma TOF軟件；QP-2020氣相色譜質(zhì)譜儀(日本Shimadzu公司)；M204型分析天平(瑞士Mettler Toledo公司)；MS3 basic渦旋振蕩儀(德國IKA公司);KQ-100超聲波發(fā)生器(昆山市超聲儀器有限公司);TGL-20M冷凍離心機(中國湘儀集團)。

正己烷、二氯甲烷(色譜純，德國CNW公司)；石墨化炭黑、無水硫酸鎂(德國CNW公司)；20種鄰苯二甲酸酯標準品：鄰苯二甲酸二異戊酯(DIPP)、鄰苯二甲酸二己酯(DHP)、鄰苯二甲酸丁基芐基酯(BBP)、鄰苯二甲酸二-(2-甲氧基)乙酯(DMEP)、鄰苯二甲酸二(2-乙基)己酯(DEHP)、鄰苯二甲酸二環(huán)己酯(DCHP)、鄰苯二甲酸二乙酯(DEP)、鄰苯二甲酸二異丁酯(DIBP)、鄰苯二甲酸二甲酯(DMP)、鄰苯二甲酸二壬酯(DNP)、鄰苯二甲酸二丙酯(DPrP)、鄰苯二甲酸二戊酯(DPP)、鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)、鄰苯二甲酸二正辛酯(DNOP)、鄰苯二甲酸二己酯(支鏈和直鏈)(DHxP)、鄰苯二甲酸二異壬酯(DINP)、鄰苯二甲酸二(C6-8支鏈)烷基酯(DIHP，C7rich)、鄰苯二甲酸二異辛酯(DIOP)、鄰苯二甲酸二異葵酯(DIDP)純度均大于98%，購自德國Dr.Enrestorfer公司；鄰苯二甲酸正戊異戊基酯(NPIPP，純度>99%，加拿大TRC公司)。

1.2 標準溶液的配制

準確稱取各標準品10 mg(精確至0.1 mg)于10 mL容量瓶中，用正己烷溶解，定容至刻度，分別配成質(zhì)量濃度為1 000 mg/L的單標儲備液。分別準確移取各單標儲備液1 mL至25 mL容量瓶中，用正己烷定容至刻度，配成質(zhì)量濃度為40 mg/L的混合標準儲備液，于-18 ℃保存。工作溶液現(xiàn)用現(xiàn)配，用不含目標物的空白基質(zhì)提取液逐級稀釋至適宜濃度。

1.3 樣品前處理

將適量代表性樣品剪碎成直徑小于2 mm的小塊后混勻，稱取1.0 g(精確至0.01 g)于40 mL玻璃試劑瓶中，準確移取10 mL正己烷，常溫下超聲提取30 min，靜置至完全沉淀后，移取5 mL上清液至玻璃離心管，加入0.2 g GCB和0.1 g 無水MgSO4，渦旋振蕩2 min，以4 000 r/min離心5 min，取1 mL上清液上機檢測。

1.4 全二維氣相色譜及質(zhì)譜條件

色譜條件：一維柱：DB-5MS(30 m×0.25 mm，0.25 μm，美國J&W公司)；二維柱：BPX-50(1.67 m×0.1 mm，0.1 μm，澳大利亞SGE公司)。進樣口溫度300 ℃，傳輸線溫度290 ℃；載氣：氦氣(純度≥99.999%)；載氣流速：1.2 mL/min；進樣量：1 μL；不分流進樣；一維柱溫程序升溫：初始溫度50 ℃，保持1 min，以20 ℃/min升至220 ℃，保持1 min，最后以5 ℃/min升至305 ℃，保持5 min；二維柱溫補償溫度：5 ℃，調(diào)制解調(diào)器補償溫度：15 ℃。調(diào)制周期：5 s，熱吹時間1.2 s。以目標化合物色譜保留時間和質(zhì)譜圖定性，外標法定量。

質(zhì)譜條件：電子轟擊電離源(EI源)，電離電壓70 eV，質(zhì)譜采集頻率：100 spectra/s，檢測電壓：1 650 V，離子源溫度：230 ℃；掃描方式：全掃描模式；質(zhì)量采集范圍：50～450 amu；特征離子定量分析。

1.5 氣相色譜-質(zhì)譜條件

色譜條件：DB-5MS(30 m×0.25 mm，0.25 μm，美國J&K公司)色譜柱；進樣口溫度300 ℃，傳輸線溫度290 ℃；載氣：氦氣(純度≥99.999%)；載氣流速：1.2 mL/min；進樣量：1 μL；不分流進樣；程序升溫：初始溫度50 ℃，保持1 min；以20 ℃/min升至220 ℃，保持1 min；最后以5 ℃/min升至305 ℃，保持5 min。

質(zhì)譜條件：電子轟擊源(EI源)，電離電壓70 eV，離子源溫度：230 ℃；掃描方式：全掃描模式；采集質(zhì)量范圍：50～450 amu；特征離子定量分析。

20種鄰苯二甲酸酯的分子式、CAS編號、定性離子和定量離子等信息見表1。

表1 20種鄰苯二甲酸酯的名稱、分子式、CAS、定量離子和定性離子信息Table 1 Name,formula,CAS number,quantitative ion and qualitative ion of 20 phthalates

2 結果與討論

2.1 色譜柱選擇

根據(jù)PAEs物質(zhì)主要以沸點分離的特點，實驗考察了3套二維色譜柱系統(tǒng)的分離效果：①DB-1MS(60 m×0.25 mm，0.25 μm)和BPX-50(1.69 m×0.1 mm，0.1 μm)；②DB-5MS(30 m×0.25 mm，0.25 μm)和DB-WAX(1.5 m×0.1 mm，0.1 μm)；③DB-5MS(30 m×0.25 mm，0.25 μm)和BPX-50(1.67 m×0.1 mm，0.1 μm)。結果顯示，第①套色譜柱一維采用60 m弱極性色譜柱，理論上雖可提高分離能力，但極大地延長了分析時間，且由于保留時間過長，又減弱了DNP、DINP、DNOP、DIDP等沸點較高物質(zhì)的色譜響應；第②套色譜柱系統(tǒng)二維柱采用的強極性色譜柱在PAEs分離中并未表現(xiàn)出較中等極性柱更好的分離效果，且其適用溫度上限較低，不能很好地滿足沸點較高的物質(zhì)分離；而第③套色譜柱系統(tǒng)分離效果好、分析時間短，基本實現(xiàn)了5種PAEs異構體的完全分離，可滿足本方法需求，因此選擇該套色譜柱系統(tǒng)進行實驗。

圖1 20種PAEs分離情況Fig.1 Separation of 20 phthalatesthe abscissa and the ordinate reprecent one-dimensioual retention time and two-dimensional retention time in seconds, respectively

PAEs異構體在一維氣相色譜中的峰形表現(xiàn)為“火焰峰”，其峰形不規(guī)則且展寬嚴重，難以與相近保留時間的目標物區(qū)分或完全分離，若有干擾物共流出則易造成假陽性結果，但在全二維氣相色譜上，PAEs異構體色譜峰經(jīng)過二維分離和調(diào)制器作用后，異構體“火焰峰”被調(diào)制為若干尖銳的色譜峰，因此可更清晰地從色譜圖上辨別不同PAEs異構體的出峰區(qū)域，且通過兩個維度的保留時間對于目標物進行判定可更好地進行確證，從而使定性更準確。本文實現(xiàn)了DHxP異構體、DIHP,C7rich異構體、DIOP異構體、DINP異構體和DIDP異構體PAEs的同時檢測，可通過出峰區(qū)域的保留時間窗口進行化合物定性，用不同濃度標準物質(zhì)在保留窗口內(nèi)的峰面積總和建立標準曲線并以此進行外標法定量，化合物分離情況見圖1，菱形框內(nèi)的保留時間窗口即為對應的異構體出峰區(qū)域。

2.2 分析條件優(yōu)化

20種目標物中沸點最低的為鄰苯二甲酸二甲酯(DMP)，出峰溫度約200 ℃，因此設置初溫為50 ℃，200 ℃前的升溫速率設置為20 ℃/min;200 ℃后，分別考察了3.0、5.0、8.0 ℃/min的升溫速率對分離的影響。結果顯示，8.0 ℃/min速率升溫時部分化合物存在重疊，而3.0、5.0 ℃/min速率升溫時的分離更徹底，且兩者分離結果差異不大。兼顧分離度和檢測效率，最終選擇以5 ℃/min的升溫速率從200 ℃升至305 ℃。

二維氣相色譜的二維柱溫補償溫度可影響目標物的分離時間；調(diào)制解調(diào)器補償溫度決定熱吹氣的溫度，影響目標物進入二維柱的速度和峰形；另外，色譜峰面積又受進樣口溫度、載氣流速的影響；為此，本研究設計了4因素3水平的正交實驗，設置進樣口溫度(因素A)為280、290、300 ℃，載氣流速(因素B)為0.8、1.0、1.2 mL/min，調(diào)制解調(diào)器補償溫度(因素C)為10、15、20 ℃，二維柱溫補償溫度(因素D)為5、10、15 ℃，并對實驗數(shù)據(jù)進行歸一化處理，以所有化合物峰面積響應總和評價各因素的影響，極差R越大則表示該因素影響越大，結果見表2。結果顯示，No.9條件下總峰面積最大，4個因素對分析結果影響的順序依次為載氣流速>進樣口溫度>二維柱溫補償溫度>調(diào)制解調(diào)器補償溫度，因此最優(yōu)方案選擇進樣口溫度300 ℃、載氣流速1.2 mL/min、調(diào)制解調(diào)器補償溫度15 ℃、二維爐溫補償溫度5 ℃。

表2 色譜-質(zhì)譜條件的正交實驗Table 2 Orthogonal experiment of chromatography-mass spectrometric conditions

Ii(i=1,2,3) is summation of data with equal level corresponding toIcolumn,Ki(i=1,2,3) is combined effect of data corresponding toilevel,Ki=Ii/n,nis times of repetition ofilevel；Ris range ofKi(Ii(i=1,2,3)為對應列上I水平數(shù)據(jù)和,Ki(i=1,2,3)為對應因素上i水平數(shù)據(jù)的綜合平均影響,Ki=Ii/n,n為i水平的重復次數(shù);R為Ki對應列極差)

2.3 凈化條件優(yōu)化

本實驗所提取產(chǎn)品材質(zhì)為塑料、紙、紡織品和橡膠，色素為提取液主要雜質(zhì)組分，因此選擇石墨化碳黑去除多余色素，并加入少量無水硫酸鎂吸附多余水分以加強樣品在有機相中的溶解度，凈化后的提取液色素去除明顯。

2.4 基質(zhì)效應

為考察不同樣品基質(zhì)提取液對檢測結果的影響，取4種材質(zhì)相同濃度的空白基質(zhì)加標溶液，在相同色譜條件下檢測，根據(jù)色譜響應值按式(1)計算不同材質(zhì)的基質(zhì)效應。

Mi=(Ami/Asi-1)×100

(1)

式中，Mi表示基質(zhì)溶液中目標物的基質(zhì)效應；Ami為基質(zhì)溶液中目標物的色譜峰面積；Asi為純?nèi)軇┲心繕宋锏纳V峰面積。

Mi<0表示存在基質(zhì)抑制效應，Mi>0表示存在基質(zhì)增強效應。|Mi|<20為弱基質(zhì)效應，可忽略或無需基質(zhì)補償措施；20≤|Mi|≤50為中等基質(zhì)效應，|Mi|>50為強基質(zhì)效應，應采取補償措施[33]。本實驗以正己烷和不同材質(zhì)的基質(zhì)溶液配制20種PAEs為4 mg/L的工作溶液，結果顯示，4類材質(zhì)的基質(zhì)效應|Mi|均小于20，表明方法基質(zhì)效應弱，采取正己烷溶劑配制工作曲線亦可滿足篩查定量要求。

2.5 線性范圍、檢出限與定量下限

用正己烷逐級稀釋混合標準儲備液，在優(yōu)化條件下測定。以20種PAEs的峰面積(y)為縱坐標，對應質(zhì)量濃度(x，mg/L)為橫坐標繪制標準曲線。結果顯示，目標物在各自濃度范圍內(nèi)呈較好的線性，相關系數(shù)(r2)均不低于0.99。分別以3倍和10倍信噪比(S/N)計算20種PAEs的儀器檢出限和定量下限，并根據(jù)樣品稀釋倍數(shù)換算成方法檢出限(LOD)和定量下限(LOQ),結果見表3。

表3 20種鄰苯二甲酸酯的線性范圍、保留時間、線性方程、相關系數(shù)(r2)、檢出限及定量下限Table 3 Linear ranges,retention time,linear equations,correlation coefficient(r2),LODs and LOQs of 20 phthalates

ID:first detension retention time,2D:second detension retention time

2.6 準確度與精密度

向塑料、紙、紡織品、橡膠4種材質(zhì)的陰性樣品中添加低、中、高3個濃度水平的目標物質(zhì)標準溶液，每個加標水平平行測定6次，在優(yōu)化條件下測定。結果表明，20種PAEs的回收率為63.2%～120%，相對標準偏差(RSD，n=6)為0.30%～10%(表4)。

表4 20種鄰苯二甲酸酯的回收率與相對標準偏差(n=6)Table 4 Recoveries and relative standard deviations of 20 phthalates(n=6)

(續(xù)表4)

NameSpiked(mg/kg)PlasticPaperTextileRubberRecovery/%RSD/%Recovery/%RSD/%Recovery/%RSD/%Recovery/%RSD/%NPIPP0.1276.72.21006.71005.090.85.91.201004.985.04.888.34.01081.56.001003.696.83.41062.998.22.6DIPP0.1274.25.81174.11084.587.54.01.2091.72.685.04.096.72.391.72.36.0097.33.896.52.81084.51063.1DHP0.1274.23.91084.891.74.681.73.31.2083.33.280.83.292.51.11171.96.0094.32.094.72.41081.21102.9BBP0.1273.33.383.32.891.74.779.24.91.2091.72.780.02.194.23.191.72.36.0096.72.993.83.299.52.71121.3DEHP0.1280.83.891.73.71172.51074.11.201081.998.33.91061.41173.16.001093.51030.301042.21104.6DCHP0.1274.24.21173.11005.994.22.51.2091.73.991.73.198.33.21051.76.001062.798.52.31004.01102.7DNOP0.1279.23.41084.091.74.195.03.71.201003.988.34.01034.31074.06.001023.698.22.890.84.31081.8DNP0.1280.04.61094.11083.083.33.71.201003.492.54.11081.983.33.76.001024.51012.81203.41082.5DHxP3.0096.45.376.66.181.04.685.44.210.0075.52.378.93.91084.01152.820.0086.23.71204.41203.51053.2DIHP,C7rich3.0079.25.967.76.763.26.785.17.510.0086.73.51162.486.23.991.94.020.0097.85.01074.293.32.690.25.5DIOP3.0083.95.572.46.164.85.276.97.510.0096.43.395.95.371.94.91146.620.0092.33.384.52.81121.51082.3DINP3.0073.84.175.53.579.05.975.36.510.0090.23.195.32.496.24.682.15.620.0093.84.81083.594.44.096.24.0DIDP6.0075.89.886.28.683.66.374.25.712.0096.21096.24.396.55.91094.724.0096.44.698.35.21023.296.23.8

圖2 20種鄰苯二甲酸酯類塑化劑在氣相色譜-質(zhì)譜上的分離譜圖Fig.2 Separation of 20 phthalates on GC-MS

2.7 與一維氣相色譜-質(zhì)譜法比較

本文采用同一混合標準溶液在一維氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)上進行對比(圖2)，結果發(fā)現(xiàn)在異構體塑化劑的出峰區(qū)域內(nèi)，多種物質(zhì)間的分離程度較差。如DIHP與DEHP分離度較低、DCHP與DIOP分離度較低、DINP與DIDP物質(zhì)分離度差，而在實際檢測中均無法實現(xiàn)物質(zhì)的有效識別，且一維GC-MS中BBP與DHP分離度較差，用m/z149碎片離子定量時會互相干擾，上述問題均使得一維GC-MS難以完成20種PAEs的定性和定量，異構體化合物的色譜峰展寬大，使得其抗雜質(zhì)干擾能力降低，影響方法的靈敏度和檢出限。

而借助全二維氣相色譜特性，可在譜圖上較清晰地分辨出不同異構體出峰區(qū)域，通過兩個維度的分離可增強其抗干擾能力，避免假陽性，且二維可有效分離BBP與DHP，增強了定量的準確度；通過二維色譜的調(diào)制器也可有效改善異構體在一維GC-MS上的峰展寬問題，將異構體的群峰調(diào)制成尖銳的簇峰，增強了其定性和定量的能力，側證了本方法的優(yōu)勢。

2.8 實際樣品測定

應用本方法對市售20個樣品(塑料、紙、紡織品和橡膠樣品各5個)進行檢測，結果在一個塑料類樣品中檢出DINP，含量為1.55 mg/kg；一個橡膠類樣品中檢出DBP和DEHP，含量分別為1.48 mg/kg和7.66 mg/kg(圖3)，但均未超過法規(guī)限量要求。

圖3 陽性橡膠樣品的色譜圖Fig.3 Chromatogram of positive result of rubber samplethe abscissa and the ordinate reprecent one-dimensioual retention time and two-dimensional retention time in seconds, respectively

3 結 論

本研究建立了全二維氣相色譜-飛行時間質(zhì)譜準確測定20種PAEs的分析方法，與傳統(tǒng)方法相比，該方法主要有以下優(yōu)勢：①檢測的PAEs種類更全，其中Oeko法規(guī)中有4種PAEs因由碳鏈長短不一、含量不同，結構不同的鄰苯二甲酸酯混合組成，無法購得標準品。但這4種PAEs混合物的組分在本研究中均有包括，因此，本方法是目前檢測PAEs種類最全面的，在國內(nèi)外消費品中PAEs檢測領域中未有先例；②實現(xiàn)了不同異構體之間較好的分離，研究借助全二維氣相色譜柱容量大的優(yōu)勢，通過兩個維度的保留時間對于化合物進行確證，異構體化合物經(jīng)調(diào)制解調(diào)器作用，在色譜圖上表現(xiàn)為一組峰形尖銳的色譜峰，較好地避免一維色譜上由于峰形差造成的不同異構體之間無法較好的區(qū)分、干擾物質(zhì)共流出等問題；③本文首次將分散固相萃取的前處理凈化方法引入消費品檢測領域中，研究表明該凈化方式效果良好，簡化了實驗操作并降低了成本。