淮安市不同水體中鄰苯二甲酸酯的固相萃取-超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法測定及其污染特征研究

吳珺瑋,姚海波,霍宗利,趙懷榮,宋 鑫,馮曉青?

(1.淮安市疾病預(yù)防控制中心,淮安 223001;2.淮安市突發(fā)公共衛(wèi)生事件應(yīng)急檢測重點實驗室,淮安 223001;3.江蘇省疾病預(yù)防控制中心,南京 210001)

鄰苯二甲酸酯類化合物(PAEs)由鄰苯二甲酸酐與醇類化合物酯化形成,主要應(yīng)用在橡塑材料、食品包裝材料、化妝品、藥品、醫(yī)療設(shè)備、空氣清新劑、食品添加劑和殺蟲劑等化工產(chǎn)品中[1]。水體中PAEs主要來源于塑料基質(zhì)的釋放、大氣中PAEs的干濕沉降、市政污水和工業(yè)廢水的排放以及污泥的二次釋放等[2]。研究表明,PAEs不僅是一種環(huán)境內(nèi)分泌干擾物,還具有生殖毒性,影響幼年個體生殖系統(tǒng)發(fā)育及成年個體生殖細(xì)胞發(fā)育分化。PAEs通過活化過氧化物酶體增殖物激活受體(PPAR)和脫氧核糖核酸(DNA)甲基化,可導(dǎo)致肝癌的發(fā)生。PAEs具有免疫毒性,抑制巨噬細(xì)胞免疫功能并促進過敏性哮喘。同時,PAEs還會降低精子數(shù)量和質(zhì)量,導(dǎo)致男性生殖道畸形和睪丸癌,對乳腺癌、卵巢癌等多種腫瘤的發(fā)生和發(fā)展具有促進作用[3-5]。由于PAEs在水中溶解度低、熔點低,不易揮發(fā),且在環(huán)境中性質(zhì)穩(wěn)定[6],故其具有較強的生物蓄積毒性,對生態(tài)安全與環(huán)境健康的潛在威脅較大[7-8]。目前,國內(nèi)外均存在PAEs環(huán)境暴露的風(fēng)險,我國水環(huán)境中PAEs的污染水平高于其他國家的[9-11]。然而,現(xiàn)有飲用水的處理技術(shù)難以有效去除PAEs的污染[12]。因此,針對我國出廠水、末梢水及二次供水等水體中的PAEs的分析監(jiān)測十分重要。

我國現(xiàn)行水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)將鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)、鄰苯二甲酸二(2-乙基)己酯(DEHP)、鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)確定為優(yōu)先監(jiān)測污染物,這些化合物均屬于低相對分子質(zhì)量的PAEs。GB 3838－2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定DBP、DEHP限值分別為0.003,0.008 mg·L－1,GB 5749－2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定DEHP 限值為0.008 mg·L－1,GB 18918－2016《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定DBP、DOP 限值均為0.1 mg·L－1[13-15]。我國武漢、廣州、重慶等多個地區(qū)水體中均有PAEs檢出[16-18]?；诮】悼紤],低相對分子質(zhì)量的PAEs使用量在降低,高相對分子質(zhì)量的PAEs使用量逐漸增加,如鄰苯二甲酸二(4-甲基-2-戊基)酯(BMPP)、鄰苯二甲酸二己酯(DHXP)、鄰苯二甲酸二環(huán)己酯(DCHP)、鄰苯二甲酸二(2-丁氧基)乙酯(DBEP)、鄰苯二甲酸二壬酯(DNP),因此迫切需要加強對水體中高相對分子質(zhì)量的PAEs含量的監(jiān)測。

目前,PAEs的常用檢測方法有氣相色譜法、液相色譜法、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法等[19-21]。由于PAEs在水中溶解度低,水體濃度水平一般為μg·L－1級[4],故不僅亟需水樣中PAEs的富集方法,且對后續(xù)定量用儀器的靈敏度要求也較高。

基于此現(xiàn)狀,本工作采用固相萃取技術(shù)對水體中常見的6 種PAEs(BMPP、DHXP、DCHP、DBEP、DEHP、DNP)進行富集,應(yīng)用單因素試驗和響應(yīng)面設(shè)計優(yōu)化固相萃取參數(shù),包括洗脫劑體積、上樣流量和淋洗劑中甲醇的體積分?jǐn)?shù)等,然后采用超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法(UHPLC-MS/MS)測定淮安市不同時期(豐水期和枯水期)的出廠水、末梢水及二次供水中6種PAEs含量,并分析了其污染特征和健康風(fēng)險,以期為水體中PAEs含量的監(jiān)控提供技術(shù)參考。

1 試驗部分

1.1 儀器與試劑

Agilent Technologies 1290型超高效液相色譜-API 4000型串聯(lián)四極桿質(zhì)譜儀;Waters Oasis HLB固相萃取柱(200 mg/5 mL,批號:135A39338A)和Agilent C18固相萃取柱(500 mg/5 mL,批號:12102052);Design-Expert 8.0.6 實驗設(shè)計軟件(Trial Version);Vortex Geniez型渦旋振蕩器;AR 2130型電子天平(精度0.000 01 g);TGL-16 型臺式高速冷凍離心機;HZQ/THZ 型振蕩器;TECHNE型氮吹儀。

BMPP、DHXP、DCHP、DBEP、DEHP、DNP 市售標(biāo)準(zhǔn)溶液的編號分別為GBW(E)100287、GBW(E)100290、GBW(E)100293、GBW(E)100292、GBW(E)100294、GBW(E)100297,質(zhì)量濃度均為1 000 mg·L－1。

混合標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液:取1 000 mg·L－1的BMPP、DHXP、DCHP、DBEP、DEHP、DNP 標(biāo)準(zhǔn)溶液10μL 于10 mL 容量瓶中,用甲醇稀釋至刻度,得到1 000μg·L－1的混合標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液;其他所需質(zhì)量濃度均由此溶液用甲醇逐級稀釋制得。

混合標(biāo)準(zhǔn)溶液系列:取適量混合標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液,用甲醇逐級稀釋配制成1,2,5,10,20μg·L－1混合標(biāo)準(zhǔn)溶液系列。

甲醇為色譜純;試驗用水為高純水。

1.2 儀器工作條件

1)色譜條件 Agilent Poroshell 120EC-C18色譜柱(75 mm×2.1 mm,2.7μm),柱溫40 ℃;進樣量5μL;流量0.4 mL·min－1;流動相:A 為水,B為甲醇。梯度洗脫程序:0～7.00 min時,B 由5%升至25%;7.01～10.00 min時,B 由25%升至95%;10.10～13.00 min時,B由95%降至5%。

2)質(zhì)譜條件 電噴霧離子源正離子(ESI＋)模式;多反應(yīng)監(jiān)測(MRM)模式;離子噴射電壓4 000 V,入口電壓(EP)10 V;離子源溫度600 ℃;碰撞氣為高純氮氣,純度為99.999%;輔助干燥氣壓力241 k Pa,霧化氣壓力276 k Pa,氣簾氣壓力207 k Pa;駐留時間100 ms;6種PAEs的其他質(zhì)譜參數(shù)見表1。

表1 6種PAEs的質(zhì)譜參數(shù)Tab.1 MS parameters for 6 PAEs

1.3 試驗方法

將200 mL 水樣以3 mL·min－1流量通過Waters Oasis HLB固相萃取柱,用9%(體積分?jǐn)?shù),下同)的甲醇溶液9 mL 淋洗,減壓抽干,用甲醇6 mL和乙酸乙酯3 mL 洗脫,洗脫液收集在10 mL試管中,于40 ℃吹氮至近干,用1 mL 甲醇溶解,過0.22μm 有機濾膜,濾液供UHPLC-MS/MS分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 色譜條件選擇

試驗考察了分別以甲醇-0.1%(體積分?jǐn)?shù),下同)甲酸溶液體系、甲醇-5 mmol·L－1乙酸銨溶液體系、甲醇-水體系等作為流動相時,對6 種PAEs色譜分離效果的影響,6種PAEs的總離子流色譜圖見圖1。

圖1 6種PAEs的總離子流色譜圖Fig.1 Total ion chromatograms of 6 PAEs

由圖1可知:和其他兩種體系相比,以甲醇-水體系作為流動相時,6種PAEs的分離度和峰形均較好,且可在9 min內(nèi)出峰,因此試驗選擇甲醇-水體系作流動相。

2.2 本底污染控制

在前處理和色譜分析過程中,6 種PAEs可能受到環(huán)境中存在的PAEs的污染,尤其是DNP 和DEHP,主要有3種污染源:①樣品前處理操作過程中容器、試劑、樣品瓶塑料蓋引入污染;②儀器塑料管路、進樣閥塑料配件等引入污染;③固相萃取塑料柱體和填料引入污染?？刹捎萌缦虏襟E控制污染:①使用新開封試劑或確認(rèn)無PAEs污染的試劑,試驗中所用器皿在每次使用之前均用甲醇清洗,避免使用膠頭滴管等塑料制品,樣品復(fù)溶轉(zhuǎn)移至樣品瓶后,用錫箔紙封口后加蓋;②樣品之間設(shè)置一個進樣針的清洗程序,即空白溶劑進樣;③HLB 固相萃取柱不活化,直接上樣,以降低空白PAEs量。在經(jīng)過上述步驟控制空白污染前后,水中DNP 和DEHP的質(zhì)譜響應(yīng)值分別由600,7×104cps降至100 cps以下,含量低于檢出限,說明在控制空白污染后,DNP和DEHP的污染可有效降低。

2.3 固相萃取條件選擇

2.3.1 固相萃取柱和洗脫劑

按照試驗方法(其中洗脫劑為6 mL甲醇)考察了使用Waters Oasis HLB 固相萃取柱和Agilent C18固相萃取柱時,對6種PAEs萃取效果的影響,結(jié)果見圖2。

圖2 使用不同固相萃取柱時6種PAEs的萃取效果Fig.2 Extraction effect of 6 PAEs with the different solid phase extraction columns

由圖2 可以看出:6 種PAEs 在使用Waters Oasis HLB 固相萃取柱和Agilent C18固相萃取柱時的回收率分別為24.0%～78.0%和18.0%～47.0%,前者所得回收率均高于后者的,這是由于6種PAEs屬于中等極性物質(zhì),而由親脂性二乙烯苯和親水性N-乙烯基吡咯烷酮聚合形成的Waters Oasis HLB固相萃取柱填料對極性化合物和非極性化合物均具有吸附作用,且Waters Oasis HLB固相萃取柱填料的比表面積較大,吸附容量較高,故其凈化、萃取效果優(yōu)于Agilent C18固相萃取柱的。因此,試驗選擇了Waters Oasis HLB固相萃取柱。

在上述洗脫條件下,PAEs的回收率偏低,試驗進一步考察了洗脫劑對6種PAEs回收率的影響。分別采用6 mL 甲醇和由6 mL 甲醇和3 mL 乙酸乙酯組成的甲醇-乙酸乙酯混合溶液進行洗脫,所得6種PAEs的回收率見圖3。

由圖3可知:當(dāng)洗脫劑為甲醇-乙酸乙酯混合溶液時,6種PAEs的回收率為80.0%～92.0%,明顯高于洗脫劑為甲醇時的回收率。因此,試驗選擇的洗脫劑為由6 mL甲醇和3 mL乙酸乙酯組成的混合溶液。

圖3 使用不同洗脫劑時6種PAEs的萃取效果Fig.3 Extraction effect of 6 PAEs with the different eluents

2.3.2 洗脫劑體積、上樣流量和淋洗劑中甲醇的體積分?jǐn)?shù)

2.3.1 節(jié)為單因素試驗結(jié)果,為了得到最佳的固相萃取條件,采用Design-Expert 8.0.7.0試驗設(shè)計軟件,通過Box-Behnken Besign響應(yīng)面設(shè)計試驗,將洗脫劑體積(甲醇和乙酸乙酯的體積比為2∶1)、上樣流量、淋洗劑中甲醇的體積分?jǐn)?shù)等因素作為變量,分別記為A、B和C,6種PAEs的回收率作為因變量,記為Y,顯著性因素水平設(shè)計表見表2。

表2 顯著性因素水平設(shè)計Tab.2 Significant factor level design

對試驗結(jié)果進行多重回歸分析進行建模,得到了二階多項式方程,見公式(1)。

采用方差分析(ANOVA)對該模型進行統(tǒng)計學(xué)顯著性分析,結(jié)果見表3。

表3 模型方差分析Tab.3 ANOVA analysis for model

表3(續(xù))

由表3 可知:該模型具有顯著性意義(p＜0.01);P大于0.05,為不顯著,說明該回歸方程不存在失擬因素;R2為0.913 1,說明試驗結(jié)果與模型的預(yù)期匹配度為91.31%;為0.801 3,說明該模型可解釋80.13%的變化效應(yīng)。綜上,說明該模型可應(yīng)用于實際分析。

響應(yīng)面圖可直觀地反應(yīng)各因素交互項作用下PEAs的提取效果,三因素兩兩交互影響下的響應(yīng)面圖見圖4。其中,平均回收率為6種PAEs的平均回收率。

圖4 三因素兩兩交互影響下的響應(yīng)面圖Fig.4 Response surface plots under the effect of two-by-two interaction of three factors

由圖4可知:PEAs的平均回收率隨著淋洗劑中甲醇的體積分?jǐn)?shù)的增加先增加后減少,這可能是因為甲醇體積分?jǐn)?shù)較低時,可去除水中基底,而當(dāng)其增加至15%以上時,會將目標(biāo)物洗脫下來,造成平均回收率降低;PAEs平均回收率隨洗脫劑體積的增加先增加后下降,當(dāng)洗脫劑體積從6 mL 增至9 mL時,PAEs的平均回收率明顯增加,大于9 mL時,平均回收率有一定程度降低,這可能是因為大量有機試劑對固相萃取柱填料產(chǎn)生了損耗,固相萃取柱對PAEs的吸附性能下降;PEAs的平均回收率隨著上樣流量的增加先增加后降低,這可能是因為上樣流量較大時,固相萃取柱對目標(biāo)化合物的吸附不完全。

綜上所述,確定的最佳洗脫條件為:洗脫劑體積9 mL、上樣流量3 mL·min－1、淋洗劑中甲醇的體積分?jǐn)?shù)9%,預(yù)計平均回收率為81.3%。按照此條件進行試驗驗證,所得6 種PAEs 的回收率為79.8%～92.0%,平均回收率為84.9%,和預(yù)計平均回收率比較接近,滿足PAEs測定時準(zhǔn)確度的要求。

2.4 方法學(xué)驗證

2.4.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線、檢出限和測定下限

按儀器工作條件對混合標(biāo)準(zhǔn)溶液系列進行測定,以6種PAEs的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo),其對應(yīng)的峰面積為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。目標(biāo)物的標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性范圍均為1～20μg·L－1,其他線性參數(shù)見表4。

以3倍和10倍信噪比(S/N)計算檢出限(3S/N)和測定下限(10S/N),所得結(jié)果見表4。

由表4可知:6種PAEs的標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性關(guān)系均較好;檢出限和測定下限分別為0.05～0.12μg·L－1和0.15～0.36μg·L－1。

表4 線性參數(shù)、檢出限和測定下限Tab.4 Linearity parameters,detection limits and lower limits of determination

2.4.2 精密度和回收試驗

按試驗方法對水樣進行低、中、高等3個濃度水平的加標(biāo)回收試驗,每個濃度水平平行測定6次,計算回收率和測定值的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD),結(jié)果見表5。

由表5可知:6種PAEs的回收率為79.2%～103%,RSD 為1.3%～9.2%,說明該方法有良好的準(zhǔn)確度和精密度。

2.5 豐水期和枯水期淮安水體PAEs污染現(xiàn)狀分析

按照試驗方法分析豐水期和枯水期10份淮安水樣,其中:枯水期水樣4批,包含1批出廠水,2批末梢水和1批二次供水;豐水期水樣6批,包含1批出廠水,3 批末梢水和2 批二次供水,所得結(jié)果見表6。

由表6可知:6種PAEs在水樣中均有檢出,檢出量為0.079～2.924μg·L－1;枯水期水樣中的PEAs含量較低,出廠水中6種PEAs均低于檢出限,末梢水中均只檢出了DEHP,二次供水中檢出了DCHP、DHXP、DNP;豐水期的出廠水中檢出了DBEP、DCHP、DHXP、DNP,末梢水與二次供水中DNP檢出量均不小于0.836μg·L－1,高于枯水期的檢出量,可能原因是豐水期水體溫度較高,促進了淤泥中PEAs遷移至水體,造成了水體的二次污染;豐水期與枯水期的水體經(jīng)二次供水后,其中DNP含量顯著增加,這說明了二次供水中PEAs的含量檢測的必要性。

表6 樣品分析結(jié)果Tab.6 Analytical results of the samplesμg·L－1

2.6 淮安水體中PEAs的健康風(fēng)險評估

根據(jù)國際癌癥研究機構(gòu)(IARC)對化學(xué)物質(zhì)致癌性的劃分,DEHP具有致癌風(fēng)險。采用美國環(huán)境保護署(EPA)暴露風(fēng)險評價方法,對淮安地區(qū)水體中DEHP進行飲水途徑的致癌風(fēng)險初步評價,致癌風(fēng)險常用風(fēng)險值(R)表示,其計算公式(2)為:

式中:SF為斜率因子,即化學(xué)致癌物經(jīng)某種途徑攝入的致癌系數(shù)(kg·mg－1·d),根據(jù)美國EPA 的IRIS系統(tǒng)檢索結(jié)果,DEHP 的致癌系數(shù)為0.014 kg·mg－1·d;E為日均暴露劑量,mg·kg－1·d－1;CC為轉(zhuǎn)換系數(shù),0.1;C為DEHP 在水體中的質(zhì)量濃度,mg·L－1;RM為煮沸殘留比,0.1;IRw為日均飲水量,成人為1.5 L·d－1;EF為暴露頻率,365 d·a－1;ED為暴露持續(xù)時間,致癌物取70 a;BW為體重,女性取49.7 kg,男性取61.3 kg;AT為平均暴露時間,致癌物取(70×365)d。根據(jù)EPA 的暴露評價模型,并結(jié)合文獻評價參數(shù)[22],計算出淮安枯水期DEHP 通過飲水途徑的致癌風(fēng)險為1.26×10－7(女性)和1.03×10－7(男性),均低于美國EPA 規(guī)定的限值10－4,也低于國際防輻射委員會規(guī)定的限值5×10－5和其他國際組織公認(rèn)的限值10－6。

本研究基于響應(yīng)面設(shè)計優(yōu)化水體中6種PAEs的固相萃取條件,建立了UHPLC-MS/MS 測定淮安水體中PAEs的含量的方法。本方法操作步驟簡單,靈敏度高,可應(yīng)用于水樣中PAEs分析測定,雖然檢出的具有致癌風(fēng)險的DEHP 的風(fēng)險值低于EPA 和其他國際組織公認(rèn)的限值,但不同水體中PAEs在枯水期和豐水期含量的差異應(yīng)引起進一步關(guān)注。