混合無機酸消解-固相萃取-高效液相色譜-串聯質譜法分析貝類殼體中的3種全氟磺酸化合物

楊 錦, 汪 磊, 陳 晨, 張 姣, 孫紅文

(環境污染過程與基準教育部重點實驗室(南開大學),天津300071)

混合無機酸消解-固相萃取-高效液相色譜-串聯質譜法分析貝類殼體中的3種全氟磺酸化合物

楊 錦, 汪 磊＊, 陳 晨, 張 姣, 孫紅文

(環境污染過程與基準教育部重點實驗室(南開大學),天津300071)

建立了采用混合無機酸消解-固相萃取(SPE)-高效液相色譜-電噴霧電離串聯質譜(HPLC-ESI-MS/MS)分析貝類殼體中的3種全氟磺酸化合物的方法。將貝殼粉經硝酸/鹽酸混合酸消解,用氫氧化鈉調節消解液的pH值至6后采用Oasis WAX固相萃取柱富集凈化,然后采用內標法通過HPLC-ESI-MS/MS在分時段選擇反應監測模式下分析上述全氟磺酸化合物。結果表明,該方法對于貝殼中全氟丁烷磺酸、全氟己烷磺酸和全氟辛烷磺酸的檢出限(LOD)分別為0.28,0.42和0.43ng/g,加標回收率為94.88%～96.24%。采用此方法對渤海灣兩種雙殼貝類殼體進行的采樣分析也表明,貝殼中3種目標污染物的含量范圍為

混合酸消解;固相萃取;高效液相色譜-串聯質譜;全氟磺酸;貝類殼體

Abstract:For the analysis of perfluorobutane sulfonate(PFBS),perfluorohexane sulfonate(PFHxS)and perfluorooctane sulfonate(PFOS)in shells,an extraction method of mixed inorganic acid digestion coup led with solid phase extraction(SPE)was established.The target com pounds were determ ined by high performance liquid Chromatography-tandem mass spectrometry(HPLC-MS/MS).The shell pow derwas at first digested with the mixture of nitric acid and hydrochloric acid,then the digestion solution was adjusted to pH6with sodium hydroxide,and cleaned up with Oasis WAX SPE cartridge.The perfluoro sulfonated Chemicals were quantified with HPLC-MS/MS using electrospray ionization in negativeionmode with internal standard method.The limits of detection(LOD s)were of0.28ng/g for PFBS,0.42ng/g for PFHxS and0.43ng/g for PFOS,and matrix recoveries of the perfluoro sulfonated Chemicals were 94.88%-96.24%.The analytical results for the shells of two bivalves from Bohai Bay show ed this p retreatment method is suitable for the determination of perfluoro sulfonated acids(PFSAs)in shells.Concentrations of PFSAs in the shells ranged from

Key words:mixed acid digestion;solid phase extraction(SPE);high performance liquid Chromatography-tandem mass spectrometry(HPLC-MS/MS);perfluoro sulfonated Chemicals;shells

以全氟辛烷磺酸(PFOS)為代表的全氟磺酸類化合物是全氟化合物中的一類重要物質,它們被廣泛應用于紡織、造紙、包裝、農藥、地毯、皮革、裝潢、聚合物添加劑、表面活性劑及滅火泡沫等民用和工業產品生產領域[1]。含全氟磺酸化合物產品的大量使用使其以各種途徑進入全球范圍內的各種環境介質,尤其是水體中[2]。該類物質由于具有表面活性劑性質,含有水溶性官能團,在水中的溶解度大(如PFOS為570m g/L),因此能在水體中大量長期存在,造成海水、地下水和飲用水水源污染[3]。PFOS等長碳鏈全氟磺酸化合物在環境和生物體內具有不分解性和高蓄積性,因此易于隨食物鏈的傳遞在生物機體內富集和放大至相當高的濃度,OSPAR(Oslo-Paris Commission,保護東北大西洋海洋環境公約)指出PFOS在全魚中的生物富集因子高達2 796[4]。目前在許多動物組織和人體中發現了PFOS的存在[5-7]。全氟磺酸類物質已經成為備受關注的一類重要的全球性污染物,PFOS甚至被列入《斯德哥爾摩公約》新一批持久性有機污染物(PO Ps)名單中[8]。貝類作為人類膳食的一個重要來源,其可食用部分主要是軟組織部分。對于貝類等生物體的軟組織中全氟化合物的分析方法已經有較多研究。作為一種典型的生物礦物質,貝類殼體作為動物飼料和寵物食品中的鈣添加劑被廣泛使用,甚至有時貝殼粉也被用作人類藥物和保健品的生物鈣源。因此貝殼中的污染物,也有很大機會進入人類食物鏈,甚至直接被人體攝入。然而,對于貝類殼體這類生物“硬組織”中全氟化合物分析方法的研究,目前尚未見報道。

本研究建立了混合無機酸消解-固相萃取(SPE)法提取貝類殼體中全氟磺酸類化合物的前處理方法,并采用高效液相色譜-串聯質譜聯用儀(HPLC-MS/MS)對海洋貝類殼體中的全氟磺酸類化合物進行了分析。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Waters2695Separations Module高效液相色譜儀及Quattro Micro API三重四極桿串聯質譜儀(Waters Corporation,Milfor,MS,USA)。Oasis WAX SPE小柱(6mL/150m g,Waters Corporation,Milfor,MS,USA)。

全氟丁烷磺酸(perfluorobutane sulfonate,PFBS,98%(純度)),全氟己烷磺酸(perfluorohexane sulfonate,PFHxS,98%(純度))和全氟辛烷磺酸(perfluorooctane sulfonates,PFOS,99%(純度))均購自Sigm a-Aldrich Chemical,St Louis,MO,USA。內標物13C4-標記的PFOS鈉鹽(sodium perfluoro-1-[1,2,3,4-13C4]octanesulfonate,13C4-PFOS,>98%)購自W ellington Laboratories,Guelph,Ontario,Canada)。實驗中使用的甲基叔丁基醚(m ethyl tert-butyl ether,M TBE)、丙酮、甲醇、乙酸和醋酸銨均為色譜純試劑。

1.2 實驗樣品

提取方法的建立和優化使用從某貝殼粉加工廠購得的天然貝殼粉,該貝殼粉原料為產自渤海灣的牡蠣殼和蛤殼。

驗證提取方法所采用2種實際貝類樣品分別為采自渤海灣的花蛤(clam,Variegate venus)和縊蟶(razor clam,Solen strictus),其殼體和軟組織分別經過清洗、凍干后,研磨成粉備用。

1.3 提取方法

為了消除生物礦物結構對貝殼中全氟磺酸化合物提取效果的影響,實驗中采用混合無機酸消解[9]結合SPE法作為貝殼粉的前處理方法。向5.0g貝殼粉中加入5mL50%(質量分數)HNO3和10mL 20%(質量分數)HC l,置于250mL聚丙烯燒杯中超聲混合2h。此后用超純水稀釋至100mL,并用N aOH溶液調pH至6。提取液過0.45μm尼龍濾膜過濾,并采用2mL甲醇對濾膜上殘留物進行沖洗,將洗液并入提取液中。在每份提取液中分別加入5ng內標物質13C4-PFOS。提取液用Oasis WAX SPE小柱進行富集處理。

SPE柱依次使用4mL含0.1%醋酸銨的甲醇溶液和4mL超純水進行活化,之后使水樣以1滴/s流速通過SPE柱,在此過程中避免SPE柱干燥,之后加入4mL25mmol/L醋酸緩沖溶液(pH 4)進行淋洗,并抽真空20m in以使SPE柱干燥。SPE柱用4mL含0.1%醋酸銨的甲醇溶液洗脫,洗脫液置于15mL聚丙烯(PP)離心管中,氮吹并采用甲醇定容到1mL,經0.22μm尼龍濾頭過濾后轉移至自動進樣瓶中。

同時,實驗中還采用有機溶劑甲醇、丙酮和M TBE對貝殼粉中的全氟磺酸化合物進行了直接提取,即用10和5mL有機溶劑分兩次對5.0g貝殼粉進行12h提取,并將提取液合并濃縮,將其提取結果與酸消解-SPE的提取結果進行比較。

此外,研究還參照Taniyasu等[10]的提取方法,采用M TB E提取結合SPE的方法對貝類軟組織中的全氟磺酸化合物的濃度進行了分析。向1.0g軟組織樣品中加入10mL M TBE(含5ng13C4-PFOS),在30℃下超聲提取2h,離心移出上清液后再使用5mL M TB E重復提取過程,將合并的上清液氮吹至干后用2mL甲醇重新溶解,再用超純水稀釋至100mL,經0.45μm尼龍濾膜過濾后使用與貝殼粉相同的方法進行SPE富集。

上述提取實驗中,所有樣品均設置3組平行。

1.4 色譜與質譜條件

采用X-Terra MS C18色譜柱(150mm×2.1 mm,5μm,Waters Corporation,Milfor,MS,USA)對3種全氟磺酸化合物進行分離。流動相A為含2.5mmol/L醋酸銨的甲醇,B為2.5mmol/L醋酸銨水溶液,梯度洗脫,流速為0.25mL/m in,柱溫40℃,進樣量20μL。梯度洗脫條件為:流動相A的比例在0.8m in內由10%提高至60%,并在12.8m in時升到100%,在14.3m in時重新回到起始條件,并在此條件下重新平衡色譜柱8m in。

目標物離子化采用電噴霧離子化源(ESI)在負離子模式下進行。毛細管電壓3.25kV,萃取錐孔電壓3V,RF透鏡電壓0.5V,離子源溫度100℃,去溶劑溫度300℃;去溶劑氣流速600L/h,錐孔氣流速20L/h。采用多反應監測模式(MRM),目標物母離子/子離子質荷比分別選用299/80(PFBS)、399/80(PFHxS)、499/80(PFOS)和503/80(13C4-PFOS)。錐孔電壓分別為40V(PFBS)、45V(PFHxS)、55V(PFOS)和55V(13C4-PFOS),碰撞能分別為30eV(PFBS)、39eV(PFHxS)、45eV(PFOS)和45eV(13C4-PFOS)。

全氟磺酸化合物的定量采用內標法進行,將混合標準溶液(13C4-PFOS內標和3種全氟磺酸化合物的濃度均為5ng/mL)20μL進樣分析以確定校正因子,根據樣品提取液中13C4-PFOS和目標化合物的響應值對3種目標全氟磺酸化合物定量。

1.5 實驗室污染消除

實驗所用器皿均為PP材質或石英材質容器。實驗用到的15mL和50mL的螺口PP離心管(CNW Technologies Gm bH,Düsseldorf,Germ an)在使用前加入M TB E或甲醇,振蕩24h以去除PP管中可能含有的可溶于目標溶劑的物質。250mL的石英燒杯使用前在硝酸溶液中浸泡8h。

2 結果和討論

2.1 商品貝殼粉樣品的酸消解-SPE提取

對于生物樣品(血漿和生物軟組織等)和環境樣品(水和沉積物等)中的全氟化合物,通常采用有機溶劑進行提取[11-13]。然而作為生物“硬組織”的貝殼在生長過程中,生物礦化作用不斷發生,新生的礦物質(主要為碳酸鈣)可能使已附著或沉積在殼體上的污染物被“鎖定”在其微小礦化結構內,使之難以釋放。因此單純采用有機溶劑提取可能無法充分提取貝殼礦物結構中存在的污染物。本研究采用混合無機酸對貝殼粉進行消解,并通過SPE對消解液中的目標物進行凈化富集,此方法能夠對商品貝殼粉中3種目標物質進行有效的提取(見圖1),其含量分別為0.71ng/g(PFBS)、0.92ng/g(PFHxS)和1.71ng/g(PFOS)。而在采用M TBE、丙酮、甲醇3種有機溶劑對貝殼粉直接提取時,濃縮提取液中目標物濃度均低于儀器檢出限。采用有機溶劑提取后,5g貝殼粉的殘留物質量為4.76～4.95 g,貝殼中的碳酸鹽晶體并未消解,這可能令“鎖定”于貝殼礦物結構中的目標污染物無法被有效提取;而采用混合無機酸消解可以破壞貝殼的礦物結構,因此無機酸消解結合SPE的方法是提取貝殼粉中全氟磺酸化合物的更有效方法。

圖1 酸消解-SPE法提取貝殼粉中3種全氟磺酸化合物的HPLC-M S/M S色譜圖Fig.1 HPLC-M S/M Schromatograms of3perfluoro sulfonated chemicals in she ll powde rextracted by mixed inorganic acid digestion coup led with solid phase ex traction(SPE)

2.2 回收率和檢出限

為檢驗混合無機酸消解結合SPE的方法對3種全氟磺酸類物質提取的回收率,在貝殼粉樣品中加入了PFBS、PFHxS、PFOS以及13C4-PFOS標準物質以進行加標回收實驗,各物質的加標量均為2 ng/g。結果表明,該提取方法對3種全氟磺酸類物質的加標回收率分別為PFBS(94.88±2.88)%、PFHxS(96.24±6.30)%和PFOS(95.21±3.42)%(n=3)。

分別配制不同濃度的3種全氟磺酸化合物的標準溶液,加入貝殼粉中,按實驗部分所述方法進行前處理、分析,以信噪比為3時所對應的全氟磺酸含量為檢出限。混合酸消解-SPE-LC-MS/MS分析方法對貝殼中3種全氟磺酸化合物的檢出限分別為0.28(PFBS)、0.42(PFHxS)和0.43ng/g(PFOS)。

2.3 2種貝類殼體中的全氟磺酸類物質檢測

采用酸消解與SPE結合的提取方法,分別對兩種實際貝類樣品(采集自渤海灣的縊蟶和花蛤)殼體中的3種全氟磺酸化合物進行了分析。在兩種樣品中,均檢出了PFOS;同時,在縊蟶殼與花蛤殼中,還分別檢出了PFHxS和PFBS(見表1)。同時,對兩種貝類軟組織中的目標污染物的檢測結果表明,軟組織中全氟磺酸化合物的含量分別為1.13～9.02ng/g(縊蟶)和2.16～12.24ng/g(花蛤)。全氟磺酸化合物在貝類殼體中的含量水平比其在軟組織中低約1個數量級。然而,研究中并未觀察到污染物在貝類殼體與軟組織中的含量之間存在顯著的相關關系。例如,在花蛤軟組織中PFHxS的濃度高達12.24ng/g,但在花蛤殼體中PFHxS的濃度則低于檢出限。這種差異可能是由貝類軟組織和殼體對環境污染物的富集行為差異所導致的。由于貝類殼體中的污染物是伴隨著殼體生物礦化而進入貝殼中,因此殼體中的污染物濃度可能反映了貝類生長周期內環境中的平均污染水平。

表1 渤海灣2種貝類殼體及軟組織中全氟磺酸化合物的含量＊Table1 Contents of perfluo rosulfonated chemicals in shells and soft tissues of Solens trictus and Variegatevenus from Bohai Bay＊ng/g

3 結論

本文建立了貝類殼體中全氟磺酸類物質的混合無機酸消解-SPE提取的前處理方法,并將其成功應用于渤海灣實際貝類殼體樣品的檢測。研究結果表明,渤海灣貝殼中存在一定濃度的全氟磺酸化合物,混合酸消解-SPE提取是檢測貝類殼體中此類污染物的有效前處理方法。

致謝 參加南開大學“國家大學生創新性實驗計劃”項目的楊璐榕、何川等同學為本研究的樣品采集工作作出了貢獻,在此對他們的工作表示感謝。

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Determination of three perfluoro sulfonated chemicals in bivalve shells using high perform anceliquid chromatography-tandem mass spectrometry with the pretreatment of mixed inorganic
acid digestion coupled with solid-phaseex traction

Y ANG J in,WANG Lei＊,CHEN Chen,ZHANG Jiao,SUN Hongwen
(Key Laboratory of Pollution Processes and Environmental Criteria(Nanka i University),Ministry of Education,Tian jin 300071,China)

O658

A

1000-8713(2010)05-0503-04

＊通訊聯系人:汪 磊,博士,副教授,主要研究方向為環境化學.Tel:(022)23504821,E-m ail:w ang2007@nankai.edu.cn.

國家自然科學基金項目(Nos.20807024,20877043)和教育部博士點新教師基金項目(No.200800551051).

2010-01-14

DO I:10.3724/SP.J.1123.2010.00503