| 标题 | 高效液相色谱-四极杆飞行时间质谱测定塑料中短链氯化 |
| 范文 | 石蜡 周熙 吴惠勤 黄芳 黄晓兰 林晓珊 侯思润 李荣锡 摘 要 建立了固相萃取结合高效液相色谱-电喷雾离子化-四极杆串联飞行时间质谱（HPLC-ESI-QTOF/MS）测定塑料制品中短链氯化石蜡（SCCPs）的方法。在ESI离子源中， 无需添加氯代有机溶剂， 以[M-H]离子检测。选取C10～13， Cl5～13共30个SCCPs分子中丰度最高的两个同位素峰为定量与定性离子， 通过高分辨质谱的精确质量数排除了相近分子量中链氯化石蜡（MCCPs）的干扰， 解决了低分辨质谱对SCCPs检测结果不佳的问题。样品经二氯甲烷超声提取， 提取液经硅胶柱净化， 用正己烷-二氯甲烷（4∶1， V/V）洗脱。氯含量51.5%～63.0%的SCCPs仪器检出限为0.01～0.05 mg/L， 方法检出限与定量限分别为1.4和4.6 μg/g。在5、20和50 μg/g加标水平下， 回收率分别为118.0%±8.2%、81.9%±6.9%、77.8%±6.6%， 日内相对标准偏差与日间相对标准偏差分别为5.7%与8.1%。对已知C10～13含量的烷烃原料氯化后SCCPs含量进行测定， 结果表明， 烷烃中C10～13含量与氯化后SCCPs含量一致， 表明本方法的检测结果准确。4类塑料制品中SCCPs的测定结果表明， 电缆与跑道中SCCPs含量较高（555～1049 μg/g）， 玩具中SCCPs浓度较低（1.86～6.56 μg/g）。 关键词 短链氯化石蜡; 塑料制品; 高效液相色谱-飞行时间质谱; 气相色谱-电子捕获负化学电离源质谱; 固相萃取 1 引 言 氯化石蜡是正构烷烃经氯化衍生而成的混合物， 作为塑料增塑剂替代邻苯二甲酸酯， 广泛用于塑料制品中。氯化石蜡通用分子式为CnH2n+2-mClm（n=10～30， m=1～17）， 按照碳链长度的不同可分为短链氯化石蜡（C10～13， SCCPs）、中链氯化石蜡（C14～17， MCCPs）、长链氯化石蜡（C18～30， LCCPs）[1]。短链氯化石蜡（SCCPs）因其具有持久性、生物累积性和毒性而引起广泛关注[2]。2015年， 欧盟法案规定产品中SCCPs含量应低于0.15%[3]。2017年， SCCPs正式列入《关于持久性有机污染物的斯德哥摩尔公约》附件A受控POPs清单[4]。 目前， 气相色谱-低分辨质谱（GC-LRMS）广泛应用于化工产品[5，6]、环境样品[7～10]与生物样品[11，12]中SCCPs的分析。国家标准GB 36246-2018采用气相色谱-电子捕获负化学电离源质谱法（GC-ECNI/MS）测定塑胶跑道中SCCPs[13]， 以产生的准分子离子峰进行定量分析。由于氯原子数和位置不同、碳链长度不同以及氯同位素峰的存在， 使SCCPs组成复杂， 具有成千上万种同系物及同分异构体， 单纯色谱技术无法将其分离。在低分辨质谱中， 部分低氯代的MCCPs与高氯代的SCCPs分子量相近， 低分辨质谱无法区分， 其离子峰出现重叠， 如在GC-ECNI/MS中C10H15Cl7与C15H27Cl5均含有m/z 347的准分子离子峰; 同时， 部分SCCPs同位素峰相互重叠， 如12C111H635Cl637Cl7均含m/z 395准分子离子峰。采用GC-LRMS分析SCCPs无法解决同系物及异构体分离难题， MCCPs严重干扰， 准确性低。碳骨架气相色谱法采用催化加氢的方法， 通过测定反应后烷烃含量确定SCCPs浓度， 具有准确测定短链氯化石蜡总量并能分析获得碳链分布信息的优点[14，15]。但由于需要自制专用催化脱氯反应衬管， 操作复杂。同时， 测定结果易受样品中矿物油杂质的干扰。高分辨质谱根据SCCPs的精确分子量可有效区分SCCPs与MCCPs以及不同CPs同位素峰， 消除MCCPs和同位素峰对SCCPs定量分析的干扰[16，17]， 显著提高定性与定量分析的准确性。 由于SCCPs缺乏一对一的单一标准品， 为降低因实际样品与标准样品中SCCPs组成差异造成的定量分析偏差， 通过建立总响应因子与含氯量之间的关系对定量结果进行校正， 可显著降低偏差[18]。研究表明， 在GC-ECNI/MS中， 不同氯含量SCCPs响应值的变化为12～37倍[19]。液相色谱-质谱法（LC-MS）作为SCCPs检测方法已应用于多种样品的检测[17，20]。在LC-MS中， 不同氯含量SCCPs响应值的变化较小（氯含量50%～70%的SCCPs响应值相差6.5倍）[20]， 这使得其定量分析准确度更高。但由于SCCPs的极性弱、 难电离， 研究者多采用在色谱柱后引入CHCl3/CH2Cl2， 产生[M+Cl]， 提高离子化效率。此方法需通过流动注射泵注入CHCl3/CH2Cl2， 操作復杂， 自动化程度低。 本研究采用高效液相色谱-电喷雾离子化-四极杆串联飞行时间质谱法（HPLC-ESI-QTOF /MS）对SCCPs进行分析， 无需引入CHCl3/CH2Cl2， 产生准分子离子[M-H]离子的方法。结合超声提取-固相萃取的前处理方法， 建立了塑料制品中SCCPs的HPLC-ESI-QTOF/MS测定方法。 2 实验部分 2.1 仪器与试剂 Agilent1290-6540 HPLC-ESI-QTOF/MS高效液相色谱-电喷雾离子化-四极杆飞行时间质谱、Agilent 6890GC-5973iMS气相色谱-质谱联用仪（美国Agilent公司）; HS-3120超声波清洗器、赛多利斯TP-114电子天平（美国Sartorious公司）。 甲醇、乙腈、正己烷、二氯甲烷、石油醚（色谱纯， 德国Merck公司）; 实验用水为二次蒸馏水， 其它试剂均为分析纯（广州化学试剂厂）。SCCPs标准品： C10～13 （51.5% Cl）， C10～13（55.5% Cl）， C10～13（63% Cl）（100 mg/L， 德国Dr. Ehrenstorfer GmbH公司）。硅胶、氧化铝与弗罗里硅土SPE柱（1 g， 6 mL， 上海安谱公司）。 2.2 HPLC-ESI-QTOF/MS检测条件 EC-C18色谱柱（50 mm×4.6 mm， 2.7 μm）; 流动相A为水， 流动相B为甲醇; 梯度洗脱程序：0～1 min， 60% B; 1～8 min， 60%～100% B; 8～15 min， 100% B; 15.1～17 min， 60% B。流速0.3 mL/min; 柱温40℃; 进样量2 μL。 离子源： Dual AJS ESI离子源， 负离子电离模式; 干燥气（N2）温度350℃; 雾化气（N2）压力35 psi; 干燥气（N2）流量8 L/min; 鞘气温度： 350℃; 鞘气流量： 11 L/min; 电喷雾电压3500 V; 毛细管出口电压为120 V; 锥孔电压为65 V; 八极杆电压为750 V; 扫描范围： m/z 100～1100; 參比离子： 112.9855与1033.9881; 提取离子质量偏差<10 ppm。 2.3 GC-ECNI/MS检测条件 DB-5MS色谱柱（30 m×0.25 mm， 0.25 μm）; 进样口温度： 300℃; 氦气为载气， 流速： 1.5 mL/min; 甲烷为反应气， 流速： 1.5 mL/min; 扫描范围： m/z 50～550; 程序升温： 初始80℃， 以40℃/min升至300℃， 保持15 min; 离子源温度： 200℃， 传输线温度： 280℃。 2.4 气相色谱-电子轰击离子源质谱（GC-EI/MS）检测条件 DB-5MS弹性石英毛细管柱 （30 m ×0.25 mm， 0.25 μm）; 升温条件： 初始100℃， 以10℃/min升至280℃， 保持5 min; 载气为He; 进样量： 1 μL; 四极杆温度150℃， 离子源温度230℃， 电子倍增器电压2300 V， GC-MS接口温度280℃， 全扫描测定。 2.5 样品前处理方法 2.5.1 HPLC-ESI-QTOF/MS方法? 塑料制品剪碎， 经液氮冷冻后， 研磨成粉。准确称取0.2 g样品， 以10 mL二氯甲烷超声提取15 min， 加入10 mL正己烷， 涡旋混匀， 取上清液10 mL至10 mL离心管， 氮吹至干， 若无固体析出， 则以2 mL正己烷复溶， 待净化。若有固体析出， 则以2 mL正己烷复溶， 涡旋， 离心， 上清液转移至5 mL离心管， 残渣用2 mL正己烷重复提取两次， 合并提取液， 浓缩至2 mL待净化。硅胶SPE柱（1 g， 6 mL）预先用6 mL正己烷活化， 将提取液上样， 用6 mL正己烷淋洗、6 mL正己烷-二氯甲烷（4∶1， V/V）洗脱。洗脱液氮吹至干， 以1 mL乙腈复溶（浓度过高时根据需要稀释）， HPLC-ESI-QTOF/MS测定。 2.5.2 GC-ECNI/MS方法 取0.5 g样品， 以10 mL正己烷超声提取， 5 mL提取液浓缩至1 mL， 加入1 mL浓H2SO4， 涡旋， 静置分层， 取上层有机相， 待浓缩。在H2SO4层加入1 mL正己烷， 重复萃取两次， 合并3次萃取所得有机相， 浓缩至1 mL（浓度过高时根据需要稀释）， 以GC-ECNI/MS测定。 3 结果与讨论 3.1 HPLC-ESI-QTOF/MS条件的优化 3.1.1 离子化方式的选择 3.1.2 色谱条件的选择 比较水、甲酸铵溶液、乙酸铵溶液为水相， 甲醇、乙腈为有机相时SCCPs的响应。结果表明， SCCPs在甲醇溶液中较乙腈响应更高; 同时， 水溶液中盐浓度越高， 其灵敏度越低。因此， 选择甲醇-水为流动相， 其总离子流图与提取离子色谱图见图2A和2B。 3.1.3 SCCPs的定性与定量分析方法 对于SCCPs， 氯取代数低于5时， 极性较低， 在ESI离子源中不能离子化。因此， 实验选取C10～13， Cl5～13共30个SCCPs分子式， 每个分子式选取其最高丰度的两个同位素离子为定性与定量离子， 同时以其丰度比为定性条件， 丰度比误差<20%（表1）。如对于分子式C11H17Cl7的分子， 选取m/z 396.9019与94.9048分别为定性和定量离子， 其提取离子峰面积之比为0.99， 与理论值相差3.1%（图2C和2D）。 3.2 前处理条件的选择 3.2.1 提取条件的选择 比较了正己烷、二氯甲烷、石油醚、正己烷-二氯甲烷（1∶1， V/V）、正己烷-石油醚（1∶1， V/V）、二氯甲烷-石油醚（1∶1， V/V）6种溶剂的提取效率。结果表明， 采用二氯甲烷为提取溶剂时提取效率最高。塑料制品本体为高分子材料， CPs作为增塑剂填充于高分子材料中。因此， 为高效提取CPs， 提取溶剂需可较好地溶解塑料。实验表明， 相对于正己烷与石油醚， 塑料制品能更好地溶解于二氯甲烷中， 提取效率高。同时， 考察了溶剂体积（5、10和20 mL）以及提取时间（10、15和20 min）对提取效率的影响， 最终选取10 mL二氯甲烷为提取溶剂， 超声时间为15 min。 3.2.2 固相萃取条件的选择 塑料制品除高分子化合物为本体外， 还包含大量的增塑剂、稳定剂、润滑剂及色料等添加剂， 超声提取时， 其与目标物共溶出。为降低提取液基质对目标物测定的干扰， 同时减少样品对仪器的污染， 需对提取液进行净化处理。固相萃取作为常用的净化方式， 其操作方便、净化效率高、重现性好， 硅胶、氧化铝、弗罗里硅土3种固相萃取填料已广泛应用于皮革、塑料等样品中氯化石蜡的分析[21～23]。考察了硅胶柱（1 g， 6 mL）、 氧化铝柱（1 g， 6 mL）与弗罗里硅土（1 g， 6 mL）3种SPE柱对提取液的净化效率， 结果表明， 采用正己烷为上样溶剂时， SCCPs在氧化铝柱与弗罗里硅土中不能完全保留， 3种SPE柱中上样流出液中SCCPs含量分别为0、18%和20%。因此， 选择硅胶柱为前处理SPE柱。在SPE中， 一个柱体积的洗脱液通常即可将目标物洗脱。考察了不同比例的正己烷-二氯甲烷混合溶剂的洗脱效果， 回收率见图4A。结果表明， 正己烷-二氯甲烷（4∶1， V/V）可完全洗脱SCCPs。随二氯甲烷比例升高， 其洗脱能力升高， 但同时洗脱下来的杂质量越多。因此选择正己烷-二氯甲烷（4∶1， V/V）为洗脱溶剂。采用正己烷-二氯甲烷（20∶1， V/V）洗脱时， 已有部分SCCPs被洗脱， 因此选择正己烷为淋洗溶剂。以2 mL洗脱液分别洗脱， 其流出曲线见图4B， 可见6 mL洗脱液可完全洗脱目标物。 3.3 方法的分析性能 以提取离子色谱图的3倍信噪比为仪器检出限， 不同氯含量SCCPs的响应不同， 其检出限不一致。3种氯含量（51.5%， 55.5%与63.0%）SCCPs的仪器检出限分别为0.05、0.02和0.01 mg/L， 低于文献报道的氯增强电喷雾源四极杆飞行时间质谱仪器的检出限（0.07～0.20 mg/L）[24]。本方法在0.5～20.0 mg/L范围内线性良好， R2>0.999。以实验空白的3倍标准偏差所对应的浓度为方法检出限（LOD）， 10倍标准偏差所对应的浓度为定量限（LOQ）， 确定LOD和LOQ分别为1.4和4.6 μg/g， 远低于国家标准限量值1.5 g/kg[14]。在塑料颗粒中分别添加0.5、2和5 μg SCCPs， 回收率分別为118.0%±8.2%、81.9%±6.9%和77.8%±6.6%; 同一个样品（1 mg/L）的日内相对标准偏差与日间相对标准偏差分别为5.7% （n=6）与8.1% （n=5）。 3.4 方法准确性验证 采用GC-EI/MS方法对氯化石蜡对应的石蜡烷烃原料中C10～13含量进行测定。同时， 比较了HPLC-ESI-QTOF-MS与GC-ECNI-MS方法对氯化后的氯化石蜡中SCCPs测定结果。采用C10～13含量为0.2 mg/g的石蜡烷烃（GC-EI/MS法测定）合成氯化石蜡， HPLC-ESI-QTOF-MS方法测定SCCPs含量为0.19 mg/g， 而GC-ECNI-MS方法测定SCCPs结果为1.8 mg/g， 表明本方法的测定结果准确。比较GC-ECNI/MS与HPLC-ESI-QTOF-MS两种方法对塑料样品中SCCPs测定结果， 色谱图见图5。两种方法均无法实现SCCPs的完全分离。GC-ECNI-MS测定时， 低氯代的MCCPs与高氯代的SCCPs分子量相近， 低分辨质谱无法区分， 其离子峰出现重叠， 定量分析不准确。HPLC-ESI-QTOF-MS通过精确质量数有效区分不同CPs， 准确性高。GC-ECNI/MS检测结果显著高于HPLC-ESI-QTOF-MS（图6）， 电缆与塑胶跑道两个样品结果分别相差15倍与57倍。高分辨质谱可以给出精确质量数， 可以有效区分SCCPs与MCCPs以及不同CPs同位素峰， 显著提高了定量准确度。 3.5 实际样品中SCCPs检测 分别测定了玩具、橡胶、塑料地板和塑胶跑道共4类样品中SCCPs的浓度， 不同样品中SCCPs差异较大。塑胶跑道中SCCPs浓度最高（1049 μg/g）， 电缆其次（555～766 μg/g）， 玩具中SCCPs浓度较低（1.86～6.56 μg/g）， 塑料地板中未检出SCCPs。 各样品中SCCPs组成特征见图7。按碳链长度分类， 除2号玩具样品外， 电缆、玩具与塑料跑道中均以C12、C13为主要SCCPs， 所占比例分别为17.2%～30.8%和36.3%～60.1%。当以氯取代数分类时， Cl6、Cl7与Cl8为主要SCCPs， 所占比例分别为19.1%～38.8%、34.5%～40.1%和16.7%～29.1%。 4 结 论 采用无需加入氯代有机物的电喷雾电离方式形成[M-H] 离子， 采用高效液相色谱-四极杆飞行时间质谱法分析塑料中SCCPs含量。本方法选择精确质量数， 排除了MCCPs与同位素峰对SCCPs的干扰， 方法准确可靠， 并成功应用于电缆、跑道、塑料地板和玩具中SCCPs的分析。4类塑料中SCCPs含量为 References 1 Zeng L X， Wang T， Ruan T， Liu Q， Wang Y W， Jiang G B. 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