改進的固相萃取-氣相色譜-質譜法測定復雜基質文具用品中6種鄰苯二甲酸酯類化合物的含量

馬宇熙 ,房 苗 ,胡 海*

(1.新疆醫科大學 新疆特殊環境與健康研究重點實驗室,烏魯木齊 830054;2.烏魯木齊市疾病預防控制中心,烏魯木齊 830026)

鄰苯二甲酸酯類化合物(PAEs)是一類典型的有機污染物,通常無色無味,可以解決因存在范德華力和氫鍵作用而影響線型高分子成型加工的問題[1],被廣泛應用于塑料制品中。值得關注的是,PAEs在塑料中常以游離態存在,遷移性強,極易從產品釋放到大氣、土壤、水等環境介質中[2-3],并進一步通過呼吸道、消化道等途徑進入人體并蓄積。PAEs結構與雌激素相似,會產生發育毒性,造成神經和免疫等多系統損傷[4-5],被認為是對動物體具有“三致”效應的污染物[6]。近幾年,文具中有害化學物質超標情況被屢次報道。少兒是文具用品的主要消費群體,他們在使用文具用品過程中,其手部皮膚與文具用品直接接觸,如果使用了含有毒有害物質的文具,有毒有害物質可能通過皮膚及消化道進入體內[7]。少兒正處于生長發育階段,內分泌系統尚未發育完全,抵抗力和代謝能力均低于成人,有毒有害物質的暴露風險較高,因此該問題引起了社會的廣泛關注,亟需開發測定文具用品中PAEs含量的方法。

在PAEs檢測方法中,氣相色譜-質譜法(GCMS)[8-11]因靈敏度高、背景干擾低被廣泛應用于PAEs的檢測。常見的前處理方法包括超聲萃取法[12-13]、微波萃取法[14]、索氏抽提法[15-16]等。固相萃取(SPE)法在樣品凈化過程中兼具純化和濃縮的雙重優勢,能高效去除分析物餾分中的干擾物,以更少的有機溶劑維持較高的分析物洗脫濃度并獲得更好的回收率[17-19]。但是基于SPE-GC-MS的復雜基質文具用品的前處理方法優化的研究還未見報道。因此,本工作參考上述文獻,結合PAEs性質以及樣品的材質,考察了不同極性萃取劑的萃取效果,同時優化了萃取時間和萃取溫度,提出了乙腈提取-SPE凈化-GC/MS測定復雜基質文具用品中6種PAEs[鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)、鄰苯二甲酸丁芐酯(BBP)、鄰苯二甲酸二(2-乙基)己酯(DEHP)、鄰苯二甲酸二異壬酯(DINP)、鄰苯二甲酸二異癸酯(DIDP)、鄰苯二甲酸二正辛酯(DNOP)]含量的方法,該方法準確、穩定、高效,可為推動文具用品質量安全檢測水平的提升提供技術參考。

1 試驗部分

1.1 儀器與試劑

Trace1310-ISQ 型氣相色譜儀,配自動進樣器和化學工作站;CNW 16 位固相萃取裝置;Auto Eva-20 Plus型全自動氮吹濃縮儀;SA320型調速振蕩器;KQ-500E型超聲波清洗器;Si/PSA SPE 玻璃小柱(500 mg/6 mL);AE200型電子天平。

6種PAEs混合標準溶液:DBP、BBP、DEHP、DNOP的質量濃度均為500 mg·L－1,DINP、DIDP的質量濃度均為5 000 mg·L－1。

混合標準儲備溶液:取1 mL 適量6 種PAEs混合標準溶液置于50 mL容量瓶中,用二氯甲烷定容至刻度,搖勻備用。

混合標準溶液系列:取一系列不同體積的混合標準儲備溶液,用二氯甲烷逐級稀釋,配制成DBP、BBP、DEHP、DNOP 質量濃度為0.2,0.5,1.0,2.0,5.0,10.0 mg·L－1,DINP、DIDP 質量濃度為2.0,5.0,10.0,20.0,50.0,100.0 mg·L－1的混合標準溶液系列。

正己烷、乙酸乙酯、二氯甲烷、丙酮、四氫呋喃、甲苯和乙腈均為色譜純;正己烷純度為97%;乙酸乙酯純度為99.7%;其他試劑純度為99.9%。試驗用水為超純水(電阻率18.2 MΩ·cm),現制現取。

1.2 儀器工作條件

1.2.1 色譜條件

DB-35MS毛細管色譜柱(30.0 m×0.25 mm,0.25μm);載氣為高純氦氣,純度大于99.999%;恒流模式,流量1.0 mL·min－1;進樣口溫度300 ℃,脈沖不分流進樣,進樣量1.0μL。柱升溫程序:初始溫度100 ℃,保持0.5 min;以30 ℃·min－1速率升溫至220 ℃;以5 ℃·min－1速率升溫至250 ℃;以25 ℃·min－1速率升至320 ℃,保持5.0 min。

1.2.2 質譜條件

電子轟擊離子(EI)源,電子能量70 eV;離子源溫度230 ℃,接口溫度280 ℃,四極桿溫度150 ℃;選擇離子監測(SIM)模式;溶劑延遲時間3.5 min。6種PAEs的保留時間、定量離子質荷比(m/z),定性離子m/z及豐度比見表1。

表1 PAEs的保留時間、特征離子及豐度比Tab.1 Retention time,characteristic ions and abundance ratios of the PAEs

1.3 試驗方法

1.3.1 測試前準備

每次試驗前,所用玻璃具塞試管和固相萃取裝置上的小柱連接頭均需用水淋洗3遍,然后在正己烷中浸泡2 h;過程中應盡量避免接觸試驗外的塑料制品,以降低PAEs的空白值。

1.3.2 樣品前處理及測定

將樣品剪成10 mm×10 mm 左右的小片,分取0.2 g樣品于10 mL 具塞試管中,加入5 mL 乙腈,振蕩20 min,在40 ℃水浴中超聲萃取30 min,靜置。Si/PSA SPE玻璃小柱使用前用5 mL 二氯甲烷活化,5 mL 乙腈平衡,取萃取液1 mL 過柱,用10 mL乙腈洗脫柱子。收集洗脫液,氮吹至近干,用正己烷溶解殘渣并定容至1 mL,按照儀器工作條件測定。同時進行試劑空白試驗,測定值為扣除空白值后的結果。

2 結果與討論

2.1 樣品前處理條件的優化

2.1.1 萃取劑

PAEs是一類中等偏弱極性的化合物,其極性隨著碳鏈的增長而逐漸降低。待測樣品的材質構成相差較大,如塑料筆桿及塑料尺子的主要成分為聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚丙烯(PP)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚氨酯(PU)等;塑料書皮及塑料包書膜的主要成分為聚乙烯(PE)、PP 及PVC。除此之外,在生產文具過程中,還可能加入膠黏劑、著色劑、潤滑劑等添加劑,這些添加劑種類較多且添加量各異,導致文具用品基質較為復雜,對樣品提取、凈化以及目標化合物回收率都會產生一定影響。因此,試驗選擇了乙酸乙酯(中等偏弱極性)、二氯甲烷(中等偏弱極性)、體積比1∶1的正己烷-二氯甲烷混合溶液(弱極性)、正己烷(非極性)、丙酮(中等極性)、四氫呋喃(中等極性)、甲苯(弱極性)、乙腈(較強極性)等8種溶劑作萃取劑?？紤]到實際樣品材質不同且基質復雜,部分萃取劑可能對樣品中待測物的溶出效果不佳,導致出現假陰性結果,因此采用了樣品分析和加標回收兩種試驗相結合的方式評價這8種溶劑的萃取效果,以塑料書皮、塑料包書膜、塑料筆桿和塑料尺子樣品為待測對象,按照試驗方法測定。其中,采用乙酸乙酯、二氯甲烷、正己烷、體積比1∶1的正己烷-二氯甲烷混合溶液(簡稱正己烷-二氯甲烷)、丙酮、四氫呋喃、甲苯等中等極性或弱極性溶劑萃取時,為避免共萃取物影響儀器性能和測定結果,試驗優化了SPE 柱的凈化方法,即:取萃取液1 mL 過SPE 柱,用5 mL 正己烷淋洗柱子,10 mL 體積比2∶8的正己烷-乙酸乙酯混合溶液洗脫柱子,其他步驟同乙腈作萃取劑時的(1.3.2節)。實際樣品中檢出的待測物的測定值見圖1。

圖1 不同溶劑萃取時樣品中PAEs的測定值Fig.1 Determined values of PAEs in samples extracted by different solvents

由圖1 可知:對于塑料書皮,BBP、DNOP、DINP和DIDP均未檢出;DEHP和DBP均有檢出,其中乙腈萃取所得DBP 和DEHP 測定值均最高。對于塑料包書膜,BBP、DNOP、DINP和DIDP均未檢出;DEHP和DBP均有檢出,其中用正己烷萃取所得DEHP 測定值最高,乙腈次之,用乙腈萃取所得DBP測定值最高。對于塑料筆桿,DNOP、DINP和DIDP均未檢出;DEHP均有檢出,乙腈萃取所得DEHP測定值最高,正己烷次之;體積比1∶1的正己烷-二氯甲烷混合溶液、乙酸乙酯、二氯甲烷和四氫呋喃均未萃取出DBP,其他4 種溶劑萃取出了DBP,其中乙腈萃取所得DBP 測定值最高,正己烷次之;除乙腈外,其他7種溶劑均未萃取出BBP。對于塑料尺子,DNOP、DINP 和DIDP 均未檢出;DEHP、DBP 均有檢出,乙腈萃取所得的DEHP、DBP測定值最高;乙腈萃取出了BBP,其他7種溶劑均未萃取出BBP。

采用上述8種溶劑萃取,并按照試驗方法對實際樣品進行加標回收試驗,計算回收率,所得結果見圖2。

圖2 不同溶劑萃取時樣品中PAEs的回收率Fig.2 Recoveries of PAEs in samples extracted by different solvents

由圖2可知:對于塑料書皮,正己烷、甲苯和乙腈萃取所得6種PAEs的回收率均能達到70.0%以上;乙酸乙酯、丙酮和四氫呋喃的萃取效果均很差,6種PAEs的回收率均低于30.0%。對于塑料包書膜,體積比1∶1的正己烷-二氯甲烷混合溶液、正己烷、甲苯和乙腈萃取時所得6種PAEs的回收率均能達到70.0%以上;乙酸乙酯、丙酮和四氫呋喃的萃取效果均很差,6 種PAEs 的回收率均低于30.0%。對于塑料筆桿,乙腈、正己烷萃取所得6種PAEs的回收率均能達到70.0%以上;其他6種溶劑萃取效果均較差,6 種PAEs的回收率均低于30.0%。對于塑料尺子,正己烷和乙腈萃取所得6種PAEs的回收率大于70.0%;體積比1∶1的正己烷-二氯甲烷混合溶液萃取出了6種PAEs,但是回收率在30.0%～90.0%內,其他5種萃取劑所得6種PAEs的回收率均低于30.0%。

上述結果表明,乙腈萃取效果最好,能萃取出6種PAEs且其測定值以及回收率較高(均大于70.0%),這可能與乙腈的極性較強且對硬質塑料制品的滲透性更強有關。因此,試驗選擇的萃取劑為乙腈。

2.1.2 萃取時間

由于塑料制品材質較硬、密度較高且造型各異,萃取時間會對待測物的萃取效果產生較大影響。萃取時間過短,萃取不充分;萃取時間過長,易將基質中的干擾物溶出,影響待測物的回收率。以塑料包書膜樣品為待測對象,考察了以乙腈超聲萃取10,20,30,40 min 時對PAEs回收率的影響,結果見圖3。

圖3 萃取時間對塑料包書膜中PAEs回收率的影響Fig.3 Effect of extraction time on the recovery of PAEs in plastic book membrane

由圖3可知:隨著超聲時間的延長,6種PAEs的回收率逐漸增大;當超聲時間不小于30 min時,6種PAEs的回收率較大且趨于平穩。因此,試驗選擇的萃取時間為30 min。

2.1.3 萃取溫度

萃取溫度是影響待測物溶出效果的重要因素,萃取溫度過低,可能使待測物萃取不充分,導致其回收率降低;萃取溫度過高,可能會使萃取劑和待測物揮發,還可能溶出基質中的干擾物,影響待測物的準確測定。因此,以塑料包書膜為待測對象,比較了在0,20,30,40 ℃條件下以乙腈萃取時PAEs回收率的變化,結果見圖4。

圖4 萃取溫度對塑料包書膜中PAEs回收率的影響Fig.4 Effect of extraction temperature on the recovery of PAEs in plastic book membrane

由圖4可知,隨著萃取溫度的升高,塑料包書膜中PAEs的回收率逐漸增大,這是由于將有機待測物從基質的活性位點脫附是整個萃取過程的關鍵,較高的萃取溫度不僅有助于提高溶劑的溶解能力,更好地破壞有機待測物和基團活性位點之間的作用力,而且也有利于分子間的熱運動,促進待測物向溶劑中擴散溶解,對萃取效果產生正向影響[14]。因此,試驗選擇的萃取溫度為40 ℃。

在優化的試驗條件下,混合標準溶液和塑料書皮的SIM 色譜圖見圖5。

圖5 混合標準溶液以及塑料書皮的SIM 色譜圖Fig.5 SIM chromatograms of mixed standard solution and plastic book cover

2.2 標準曲線和檢出限

按照儀器工作條件測定混合標準溶液系列,以各PAEs的質量濃度為橫坐標,其對應的峰面積為縱坐標繪制標準曲線,所得線性參數見表2。

表2 線性參數和檢出限Tab.2 Linearity parameters and detection limits

以3倍信噪比(S/N)計算檢出限(3S/N),結果見表2。

2.3 精密度和回收試驗

取混合標準溶液(其中DBP、BBP、DEHP、DNOP的質量濃度為5.0 mg·L－1,DINP、DIDP的質量濃度為50.0 mg·L－1),重復進樣6次,測得各組分保留時間的相對標準偏差(RSD)均小于1.0%,峰面積的RSD 均小于2.0%,說明儀器精密度較好。

以塑料書皮的陰性樣品為基質進行低、中、高等3個濃度水平的加標回收試驗,每個濃度水平均進樣6次,計算回收率和測定值的RSD,所得精密度和回收試驗結果見表3。

表3 精密度和回收試驗結果(n＝6)Tab.3 Results of tests for precision and recovery(n＝6)

由表3可知,3個濃度水平下6種PAEs的回收率為74.1%～107%,測定值的RSD 為1.2%～5.1%,說明該方法具有較好的準確度及精密度,可滿足實際樣品的檢測需求。

2.4 樣品分析

在市場上隨機采購塑料書皮、塑料包書膜、塑料筆桿和塑料尺子四類文具共12份樣品,按照試驗方法對其中的PAEs進行測定。結果表明:四類文具中DNOP、DINP、DIDP等3種組分均未檢出,DBP和DEHP檢出率較高,檢出結果見表4。

表4 實際樣品分析結果Tab.4 Analytical results of actual samples mg·kg-1

由表4可知,DBP的檢出量為8.8～17.7 mg·kg－1,BBP 的檢出量為10.7～22.0 mg·kg－1,DEHP的檢出量為12.6～175.6 mg·kg－1,其中DEHP 在3 份塑料尺子中檢出量較高。GB 21027－2020《學生用品通用安全要求》對可觸及塑料部件中PAEs進行了限量規定,要求DBP、BBP和DEHP的總質量分數不得超過1 000 mg·kg－1,而上述樣品中這3種PAEs的檢出總量均未超標。

試驗采用乙腈超聲萃取塑料書皮、塑料塑料包書膜、塑料筆桿和塑料尺子等4種復雜基質文具用品中的PAEs,SPE 柱凈化萃取液,并用GC-MS測定6種PAEs的含量。不同于以往文獻報道僅優化非極性萃取劑,本工作在非極性、弱極性、中等極性及較強極性的8種溶劑中進行篩選,通過考察實際樣品檢出情況以及實際樣品的加標回收結果,選擇較強極性的乙腈作萃取劑,同時優化了萃取時間和萃取溫度。該方法的準確度及精密度較好,能有效降低樣品基質對待測物的干擾,保證了檢測結果的穩定性,可滿足日常樣品的分析需要,也為文具用品塑化劑檢測方法的持續改進提供一些理論依據。