高效液相色譜-四極桿飛行時間質譜測定塑料中短鏈氯化

石蠟 周熙 吳惠勤 黃芳 黃曉蘭 林曉珊 侯思潤 李榮錫

摘 要 建立了固相萃取結合高效液相色譜-電噴霧離子化-四極桿串聯飛行時間質譜（HPLC-ESI-QTOF/MS）測定塑料制品中短鏈氯化石蠟（SCCPs）的方法。在ESI離子源中， 無需添加氯代有機溶劑， 以[M-H]離子檢測。選取C10～13， Cl5～13共30個SCCPs分子中豐度最高的兩個同位素峰為定量與定性離子， 通過高分辨質譜的精確質量數排除了相近分子量中鏈氯化石蠟（MCCPs）的干擾， 解決了低分辨質譜對SCCPs檢測結果不佳的問題。樣品經二氯甲烷超聲提取， 提取液經硅膠柱凈化， 用正己烷-二氯甲烷（4∶1， V/V）洗脫。氯含量51.5%～63.0%的SCCPs儀器檢出限為0.01～0.05 mg/L， 方法檢出限與定量限分別為1.4和4.6 μg/g。在5、20和50 μg/g加標水平下， 回收率分別為118.0%±8.2%、81.9%±6.9%、77.8%±6.6%， 日內相對標準偏差與日間相對標準偏差分別為5.7%與8.1%。對已知C10～13含量的烷烴原料氯化后SCCPs含量進行測定， 結果表明， 烷烴中C10～13含量與氯化后SCCPs含量一致， 表明本方法的檢測結果準確。4類塑料制品中SCCPs的測定結果表明， 電纜與跑道中SCCPs含量較高（555～1049 μg/g）， 玩具中SCCPs濃度較低（1.86～6.56 μg/g）。

關鍵詞 短鏈氯化石蠟; 塑料制品; 高效液相色譜-飛行時間質譜; 氣相色譜-電子捕獲負化學電離源質譜; 固相萃取

1 引 言

氯化石蠟是正構烷烴經氯化衍生而成的混合物， 作為塑料增塑劑替代鄰苯二甲酸酯， 廣泛用于塑料制品中。氯化石蠟通用分子式為CnH2n+2-mClm（n=10～30， m=1～17）， 按照碳鏈長度的不同可分為短鏈氯化石蠟（C10～13， SCCPs）、中鏈氯化石蠟（C14～17， MCCPs）、長鏈氯化石蠟（C18～30， LCCPs）[1]。短鏈氯化石蠟（SCCPs）因其具有持久性、生物累積性和毒性而引起廣泛關注[2]。2015年， 歐盟法案規定產品中SCCPs含量應低于0.15%[3]。2017年， SCCPs正式列入《關于持久性有機污染物的斯德哥摩爾公約》附件A受控POPs清單[4]。

目前， 氣相色譜-低分辨質譜（GC-LRMS）廣泛應用于化工產品[5，6]、環境樣品[7～10]與生物樣品[11，12]中SCCPs的分析。國家標準GB 36246-2018采用氣相色譜-電子捕獲負化學電離源質譜法（GC-ECNI/MS）測定塑膠跑道中SCCPs[13]， 以產生的準分子離子峰進行定量分析。由于氯原子數和位置不同、碳鏈長度不同以及氯同位素峰的存在， 使SCCPs組成復雜， 具有成千上萬種同系物及同分異構體， 單純色譜技術無法將其分離。在低分辨質譜中， 部分低氯代的MCCPs與高氯代的SCCPs分子量相近， 低分辨質譜無法區分， 其離子峰出現重疊， 如在GC-ECNI/MS中C10H15Cl7與C15H27Cl5均含有m/z 347的準分子離子峰; 同時， 部分SCCPs同位素峰相互重疊， 如12C111H635Cl637Cl7均含m/z 395準分子離子峰。采用GC-LRMS分析SCCPs無法解決同系物及異構體分離難題， MCCPs嚴重干擾， 準確性低。碳骨架氣相色譜法采用催化加氫的方法， 通過測定反應后烷烴含量確定SCCPs濃度， 具有準確測定短鏈氯化石蠟總量并能分析獲得碳鏈分布信息的優點[14，15]。但由于需要自制專用催化脫氯反應襯管， 操作復雜。同時， 測定結果易受樣品中礦物油雜質的干擾。高分辨質譜根據SCCPs的精確分子量可有效區分SCCPs與MCCPs以及不同CPs同位素峰， 消除MCCPs和同位素峰對SCCPs定量分析的干擾[16，17]， 顯著提高定性與定量分析的準確性。

由于SCCPs缺乏一對一的單一標準品， 為降低因實際樣品與標準樣品中SCCPs組成差異造成的定量分析偏差， 通過建立總響應因子與含氯量之間的關系對定量結果進行校正， 可顯著降低偏差[18]。研究表明， 在GC-ECNI/MS中， 不同氯含量SCCPs響應值的變化為12～37倍[19]。液相色譜-質譜法（LC-MS）作為SCCPs檢測方法已應用于多種樣品的檢測[17，20]。在LC-MS中， 不同氯含量SCCPs響應值的變化較?。群?0%～70%的SCCPs響應值相差6.5倍）[20]， 這使得其定量分析準確度更高。但由于SCCPs的極性弱、 難電離， 研究者多采用在色譜柱后引入CHCl3/CH2Cl2， 產生[M+Cl]， 提高離子化效率。此方法需通過流動注射泵注入CHCl3/CH2Cl2， 操作復雜， 自動化程度低。

本研究采用高效液相色譜-電噴霧離子化-四極桿串聯飛行時間質譜法（HPLC-ESI-QTOF /MS）對SCCPs進行分析， 無需引入CHCl3/CH2Cl2， 產生準分子離子[M-H]離子的方法。結合超聲提取-固相萃取的前處理方法， 建立了塑料制品中SCCPs的HPLC-ESI-QTOF/MS測定方法。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

Agilent1290-6540 HPLC-ESI-QTOF/MS高效液相色譜-電噴霧離子化-四極桿飛行時間質譜、Agilent 6890GC-5973iMS氣相色譜-質譜聯用儀（美國Agilent公司）; HS-3120超聲波清洗器、賽多利斯TP-114電子天平（美國Sartorious公司）。

甲醇、乙腈、正己烷、二氯甲烷、石油醚（色譜純， 德國Merck公司）; 實驗用水為二次蒸餾水， 其它試劑均為分析純（廣州化學試劑廠）。SCCPs標準品： C10～13 （51.5% Cl）， C10～13（55.5% Cl）， C10～13（63% Cl）（100 mg/L， 德國Dr. Ehrenstorfer GmbH公司）。硅膠、氧化鋁與弗羅里硅土SPE柱（1 g， 6 mL， 上海安譜公司）。

2.2 HPLC-ESI-QTOF/MS檢測條件

EC-C18色譜柱（50 mm×4.6 mm， 2.7 μm）; 流動相A為水， 流動相B為甲醇; 梯度洗脫程序：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; 柱溫40℃; 進樣量2 μL。

離子源： Dual AJS ESI離子源， 負離子電離模式; 干燥氣（N2）溫度350℃; 霧化氣（N2）壓力35 psi; 干燥氣（N2）流量8 L/min; 鞘氣溫度： 350℃; 鞘氣流量： 11 L/min; 電噴霧電壓3500 V; 毛細管出口電壓為120 V; 錐孔電壓為65 V; 八極桿電壓為750 V; 掃描范圍： m/z 100～1100; 參比離子： 112.9855與1033.9881; 提取離子質量偏差<10 ppm。

2.3 GC-ECNI/MS檢測條件

DB-5MS色譜柱（30 m×0.25 mm， 0.25 μm）; 進樣口溫度： 300℃; 氦氣為載氣， 流速： 1.5 mL/min; 甲烷為反應氣， 流速： 1.5 mL/min; 掃描范圍： m/z 50～550; 程序升溫： 初始80℃， 以40℃/min升至300℃， 保持15 min; 離子源溫度： 200℃， 傳輸線溫度： 280℃。

2.4 氣相色譜-電子轟擊離子源質譜（GC-EI/MS）檢測條件

DB-5MS彈性石英毛細管柱 （30 m ×0.25 mm， 0.25 μm）; 升溫條件： 初始100℃， 以10℃/min升至280℃， 保持5 min; 載氣為He; 進樣量： 1 μL; 四極桿溫度150℃， 離子源溫度230℃， 電子倍增器電壓2300 V， GC-MS接口溫度280℃， 全掃描測定。

2.5 樣品前處理方法

2.5.1 HPLC-ESI-QTOF/MS方法? 塑料制品剪碎， 經液氮冷凍后， 研磨成粉。準確稱取0.2 g樣品， 以10 mL二氯甲烷超聲提取15 min， 加入10 mL正己烷， 渦旋混勻， 取上清液10 mL至10 mL離心管， 氮吹至干， 若無固體析出， 則以2 mL正己烷復溶， 待凈化。若有固體析出， 則以2 mL正己烷復溶， 渦旋， 離心， 上清液轉移至5 mL離心管， 殘渣用2 mL正己烷重復提取兩次， 合并提取液， 濃縮至2 mL待凈化。硅膠SPE柱（1 g， 6 mL）預先用6 mL正己烷活化， 將提取液上樣， 用6 mL正己烷淋洗、6 mL正己烷-二氯甲烷（4∶1， V/V）洗脫。洗脫液氮吹至干， 以1 mL乙腈復溶（濃度過高時根據需要稀釋）， HPLC-ESI-QTOF/MS測定。

2.5.2 GC-ECNI/MS方法 取0.5 g樣品， 以10 mL正己烷超聲提取， 5 mL提取液濃縮至1 mL， 加入1 mL濃H2SO4， 渦旋， 靜置分層， 取上層有機相， 待濃縮。在H2SO4層加入1 mL正己烷， 重復萃取兩次， 合并3次萃取所得有機相， 濃縮至1 mL（濃度過高時根據需要稀釋）， 以GC-ECNI/MS測定。

3 結果與討論

3.1 HPLC-ESI-QTOF/MS條件的優化

3.1.1 離子化方式的選擇

3.1.2 色譜條件的選擇 比較水、甲酸銨溶液、乙酸銨溶液為水相， 甲醇、乙腈為有機相時SCCPs的響應。結果表明， SCCPs在甲醇溶液中較乙腈響應更高; 同時， 水溶液中鹽濃度越高， 其靈敏度越低。因此， 選擇甲醇-水為流動相， 其總離子流圖與提取離子色譜圖見圖2A和2B。

3.1.3 SCCPs的定性與定量分析方法 對于SCCPs， 氯取代數低于5時， 極性較低， 在ESI離子源中不能離子化。因此， 實驗選取C10～13， Cl5～13共30個SCCPs分子式， 每個分子式選取其最高豐度的兩個同位素離子為定性與定量離子， 同時以其豐度比為定性條件， 豐度比誤差<20%（表1）。如對于分子式C11H17Cl7的分子， 選取m/z 396.9019與94.9048分別為定性和定量離子， 其提取離子峰面積之比為0.99， 與理論值相差3.1%（圖2C和2D）。

3.2 前處理條件的選擇

3.2.1 提取條件的選擇 比較了正己烷、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種溶劑的提取效率。結果表明， 采用二氯甲烷為提取溶劑時提取效率最高。塑料制品本體為高分子材料， CPs作為增塑劑填充于高分子材料中。因此， 為高效提取CPs， 提取溶劑需可較好地溶解塑料。實驗表明， 相對于正己烷與石油醚， 塑料制品能更好地溶解于二氯甲烷中， 提取效率高。同時， 考察了溶劑體積（5、10和20 mL）以及提取時間（10、15和20 min）對提取效率的影響， 最終選取10 mL二氯甲烷為提取溶劑， 超聲時間為15 min。

3.2.2 固相萃取條件的選擇 塑料制品除高分子化合物為本體外， 還包含大量的增塑劑、穩定劑、潤滑劑及色料等添加劑， 超聲提取時， 其與目標物共溶出。為降低提取液基質對目標物測定的干擾， 同時減少樣品對儀器的污染， 需對提取液進行凈化處理。固相萃取作為常用的凈化方式， 其操作方便、凈化效率高、重現性好， 硅膠、氧化鋁、弗羅里硅土3種固相萃取填料已廣泛應用于皮革、塑料等樣品中氯化石蠟的分析[21～23]?？疾炝斯枘z柱（1 g， 6 mL）、 氧化鋁柱（1 g， 6 mL）與弗羅里硅土（1 g， 6 mL）3種SPE柱對提取液的凈化效率， 結果表明， 采用正己烷為上樣溶劑時， SCCPs在氧化鋁柱與弗羅里硅土中不能完全保留， 3種SPE柱中上樣流出液中SCCPs含量分別為0、18%和20%。因此， 選擇硅膠柱為前處理SPE柱。在SPE中， 一個柱體積的洗脫液通常即可將目標物洗脫?？疾炝瞬煌壤恼和?二氯甲烷混合溶劑的洗脫效果， 回收率見圖4A。結果表明， 正己烷-二氯甲烷（4∶1， V/V）可完全洗脫SCCPs。隨二氯甲烷比例升高， 其洗脫能力升高， 但同時洗脫下來的雜質量越多。因此選擇正己烷-二氯甲烷（4∶1， V/V）為洗脫溶劑。采用正己烷-二氯甲烷（20∶1， V/V）洗脫時， 已有部分SCCPs被洗脫， 因此選擇正己烷為淋洗溶劑。以2 mL洗脫液分別洗脫， 其流出曲線見圖4B， 可見6 mL洗脫液可完全洗脫目標物。

3.3 方法的分析性能

以提取離子色譜圖的3倍信噪比為儀器檢出限， 不同氯含量SCCPs的響應不同， 其檢出限不一致。3種氯含量（51.5%， 55.5%與63.0%）SCCPs的儀器檢出限分別為0.05、0.02和0.01 mg/L， 低于文獻報道的氯增強電噴霧源四極桿飛行時間質譜儀器的檢出限（0.07～0.20 mg/L）[24]。本方法在0.5～20.0 mg/L范圍內線性良好， R2>0.999。以實驗空白的3倍標準偏差所對應的濃度為方法檢出限（LOD）， 10倍標準偏差所對應的濃度為定量限（LOQ）， 確定LOD和LOQ分別為1.4和4.6 μg/g， 遠低于國家標準限量值1.5 g/kg[14]。在塑料顆粒中分別添加0.5、2和5 μg SCCPs， 回收率分別為118.0%±8.2%、81.9%±6.9%和77.8%±6.6%; 同一個樣品（1 mg/L）的日內相對標準偏差與日間相對標準偏差分別為5.7% （n=6）與8.1% （n=5）。

3.4 方法準確性驗證

采用GC-EI/MS方法對氯化石蠟對應的石蠟烷烴原料中C10～13含量進行測定。同時， 比較了HPLC-ESI-QTOF-MS與GC-ECNI-MS方法對氯化后的氯化石蠟中SCCPs測定結果。采用C10～13含量為0.2 mg/g的石蠟烷烴（GC-EI/MS法測定）合成氯化石蠟， HPLC-ESI-QTOF-MS方法測定SCCPs含量為0.19 mg/g， 而GC-ECNI-MS方法測定SCCPs結果為1.8 mg/g， 表明本方法的測定結果準確。比較GC-ECNI/MS與HPLC-ESI-QTOF-MS兩種方法對塑料樣品中SCCPs測定結果， 色譜圖見圖5。兩種方法均無法實現SCCPs的完全分離。GC-ECNI-MS測定時， 低氯代的MCCPs與高氯代的SCCPs分子量相近， 低分辨質譜無法區分， 其離子峰出現重疊， 定量分析不準確。HPLC-ESI-QTOF-MS通過精確質量數有效區分不同CPs， 準確性高。GC-ECNI/MS檢測結果顯著高于HPLC-ESI-QTOF-MS（圖6）， 電纜與塑膠跑道兩個樣品結果分別相差15倍與57倍。高分辨質譜可以給出精確質量數， 可以有效區分SCCPs與MCCPs以及不同CPs同位素峰， 顯著提高了定量準確度。

3.5 實際樣品中SCCPs檢測

分別測定了玩具、橡膠、塑料地板和塑膠跑道共4類樣品中SCCPs的濃度， 不同樣品中SCCPs差異較大。塑膠跑道中SCCPs濃度最高（1049 μg/g）， 電纜其次（555～766 μg/g）， 玩具中SCCPs濃度較低（1.86～6.56 μg/g）， 塑料地板中未檢出SCCPs。

各樣品中SCCPs組成特征見圖7。按碳鏈長度分類， 除2號玩具樣品外， 電纜、玩具與塑料跑道中均以C12、C13為主要SCCPs， 所占比例分別為17.2%～30.8%和36.3%～60.1%。當以氯取代數分類時， Cl6、Cl7與Cl8為主要SCCPs， 所占比例分別為19.1%～38.8%、34.5%～40.1%和16.7%～29.1%。

4 結 論

采用無需加入氯代有機物的電噴霧電離方式形成[M-H]

離子， 采用高效液相色譜-四極桿飛行時間質譜法分析塑料中SCCPs含量。本方法選擇精確質量數， 排除了MCCPs與同位素峰對SCCPs的干擾， 方法準確可靠， 并成功應用于電纜、跑道、塑料地板和玩具中SCCPs的分析。4類塑料中SCCPs含量為

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