加速溶劑同時萃取和凈化-氣相色譜-三重四極桿串聯質譜測定土壤和沉積物中8種多溴聯苯醚

張付海，陳 鑫，田丙正，趙 彬，張 敏

1.安徽省環境監測中心站，安徽 合肥 230071 2.中國環境監測總站，國家環境保護環境監測質量控制重點實驗室，北京 100012

多溴聯苯醚(PBDEs)是一種最常見的溴代阻燃劑，在環境中難以降解，具有類似于多氯聯苯的毒性，能被生物體代謝，可以轉化為毒性更大的代謝物，并具有疏水性和生物富集性，屬于持久性有機污染物(POPs)[1]。目前，報道較多的PBDEs分析方法有氣相色譜法(GC)，氣相色譜-質譜法(GC-MS)，高分辨氣相色譜-高分辨質譜法(HRGC-HRMS)和氣相色譜-串聯質譜法(GC-MS-MS)[2-9]。由于GC和GC-MS分析方法靈敏度較低，都易產生假陽性，HRGC-HRMS的儀器設備貴、對環境條件和人員要求高，不適于方法的推廣。而使用GC-MS-MS進行檢測時，二級質譜掃描的母離子一般選擇一級質譜上豐度最高的離子，母離子再通過四極桿后產生特征子離子，形成離子對，通過監測一個或多個離子對，使化合物分析的準確度和精確度進一步提高[10-13]。經過多年的發展，高溴代聯苯醚BDE-209測試仍存在不能與其他痕量PBDEs同時分析和色譜柱容易污染等問題，需要不同的測定手段。同時測定包括BDE-209在內的多組分痕量PBDEs測定方法，有待進一步改進。土壤和沉積物中PBDEs一般在痕量水平，由于樣品基體復雜、易受環境影響，其樣品前處理技術的發展滯后于分析檢測技術，是PBDEs分析中最薄弱的環節，因此建立一種快速、方便、準確的前處理技術成為當前的研究熱點[14-17]。

相比于傳統萃取凈化方法，優化后加速溶劑萃取和在線同步凈化前處理方法，具有萃取凈化效果好、時間短、試劑用量少、自動化程度和回收率高等優點，適于批量處理土壤和沉積物中含有多組分痕量PBDEs的樣品。通過優化GC-EI-MS-MS各種分析參數，采用改進的色譜柱解決了無法對BDE-209和其他PBDEs同時分析的問題以及色譜柱污染問題，確定了土壤和沉積物中多組分痕量PBDEs的最佳分析條件，建立了土壤和沉積物中8種PBDEs的加速溶劑同時萃取和凈化-氣相色譜-三重四極桿串聯質譜的分析方法，可用于實際土壤和沉積物中8種PBDEs的測定。

1 實驗部分

1.1 儀器

分析儀器為美國Bruker公司的450GC-320MS-MS，DB-5HT毛細管柱(15 m×250 μm×0.1 μm)，美國戴安公司ASE-300型快速溶劑萃取儀，美國Caliper公司TurboVap II濃縮儀。

1.2 試劑

8種PBDEs(BDE-28、BDE-47、BDE-99、BDE-100、BDE-153、BDE-154、BDE-183和BDE-209)混合標準溶液和13C12-BDE-153標準溶液均購自美國Accustandard公司。二氯甲烷、正己烷等為色譜純，無水硫酸鈉、弗羅里硅土、硅膠和石英砂為優級純?；钚愿チ_里硅土與活性炭混合劑制備(混合劑)：弗羅里硅土在馬弗爐中600 ℃烘6 h后，與活性炭按質量比為4∶1混合。酸性硅膠制備：在馬弗爐中600 ℃烘6 h后冷卻至室溫，加40%硫酸。

1.3 樣品預處理

將采集的土壤和沉積物樣品進行冷凍干燥，研磨，過0.25 mm篩后裝入棕色瓶保存待用。準確稱取5 g樣品和5 g無水硫酸鈉混勻轉移至33 mL萃取池，在萃取池底部加10 g混合劑，萃取溶劑為正己烷-二氯甲烷混合溶液(體積比為4∶1)。萃取條件：溫度為80 ℃，壓力為1 500 psi，5 min靜態提取時間，氮氣吹掃90 s，靜態提取2次，收集萃取液在自動濃縮儀上濃縮至近干，加1 mg/L13C-BDE-153內標物10 μL，用正己烷定容至1 mL。

實驗室空白實驗：用石英砂代替樣品，前處理步驟同上；全程序空白實驗：選擇無PBDEs污染的土壤作為全程空白樣品按該方法的采樣、制樣和分析過程進行操作。

1.4 儀器分析條件

氣相色譜儀條件：載氣流速為氦氣1.8 mL/min，柱溫箱為50 ℃開始，以20 ℃/min升至150 ℃，15 ℃/min升至240 ℃，20 ℃/min 升至300 ℃保持6 min，進樣口溫度為320 ℃，采用不分流壓力脈沖方式進樣，進樣體積為1.0 μL。

質譜儀條件：離子源為EI，能量為70 eV，離子源溫度為280 ℃，歧管溫度為40 ℃，傳輸線溫度為300 ℃，碰撞氣為氬氣，壓力位為2.0 mTorr，選擇多反應監測方式(MRM)。

2 結果與討論

2.1 加速溶劑萃取條件的優化

2.1.1 萃取溶劑的優化

采用農田土壤和派河底泥沉積物進行加標實驗，比較萃取溶劑為正己烷-二氯甲烷不同體積混合對8種PBDEs的萃取效率的影響，由圖1可見，萃取溶劑為正己烷-二氯甲烷(體積比為9∶1)對8種PBDEs的萃取回收率為60%～85%，其中對BDE-28的萃取回收率為60%左右，其余PBDEs萃取回收率都在70%以上，萃取液的顏色較淺；正己烷-二氯甲烷(體積比為4∶1)對8種PBDEs的萃取回收率為85%～106%，萃取液的顏色較淺；正己烷-二氯甲烷(體積比為1∶1)對8種PBDEs的萃取回收率為90%～126%，萃取液的顏色較深。結果顯示，二氯甲烷的比例增加，8種PBDEs的萃取效率有所提高，但萃取液的雜質種類增多。使用正己烷-二氯甲烷(體積比為1∶1)時萃取液的顏色變深，說明共淋洗現象較嚴重?！锻寥篮统练e物 多溴二苯醚的測定 氣相色譜-質譜法》(HJ 952—2018)選用的萃取溶劑是正己烷-二氯甲烷(體積比為1∶1)，方法平均加標回收率為85.7%～113%；USEPA Method1 614 A使用的是丙酮和正己烷混合體系，由于丙酮對很多物質都有很好的萃取效果，因此萃取液含有共萃取雜質較多?！锻寥篮统练e物 多溴二苯醚的測定 氣相色譜-質譜法》(HJ 952—2018)和USEPA Method1614A都需要對萃取液進行濃硫酸或復合硅膠層析柱凈化，否則影響PBDEs分析的準確性，凈化過程比較復雜。在滿足PBDEs的萃取效率前提下，干擾物質盡可能少被萃取，筆者選擇正己烷-二氯甲烷(體積比為4∶1)作為萃取液，采用在線凈化，簡化了后續萃取液的凈化過程。

圖1 不同萃取溶劑對8種PBDEs的萃取效果Fig.1 Effects of extraction for 8 PBDEs by different solvents

2.1.2 凈化吸附劑的選擇和優化

比較了在33 mL萃取池底部加5、10、15 g混合劑和10 g酸性硅膠進行在線凈化。結果顯示，加10 g酸性硅膠樣品的色譜圖前10 min基線較高，雜峰較多，干擾大，回收率為65%～130%。加5、10、15 g混合劑都能基本去除萃取液的色素和脂肪等干擾物，色譜圖背景噪聲小，且改善目標物峰型，回收率都為85%以上，提高了目標物的靈敏度和準確度，大大簡化了凈化過程?？紤]到實際沉積物中干擾物質含量不同，筆者選擇10 g混合劑(活性弗羅里硅土-活性炭質量比為4∶1)作為在線凈化吸附劑?！锻寥篮统练e物 多溴二苯醚的測定 氣相色譜-質譜法》(HJ 952—2018)對萃取液采用濃硫酸或者復合硅膠層析柱進行凈化，凈化過程比較復雜，由于GC-MS-MS抗干擾能力較強，對基體凈化要求比GC-MS低，通過加速溶劑在線凈化可以滿足分析要求。

2.1.3 其他萃取條件的選擇

溫度的提高有利于克服基體效應，能極大地減弱溶質與基體之間較強的相互作用力，溶劑能更好地“浸潤”樣品基體，加速溶劑分子向基體中的擴散，從而提高萃取效率。選擇萃取溫度為40、60、80、100 ℃時考察8種PBDEs的萃取效果，見圖2。

由圖2顯示，40、60 ℃時PBDEs萃取效率為45%～85%，80 ℃時PBDEs萃取效率為90%～105%，100 ℃時PBDEs萃取效率為76%～100%，因此，實驗萃取溫度選取80 ℃。

液體的沸點一般隨壓力的升高而提高，增加壓力使溶劑在高溫下仍保持液態，并快速地充滿萃取池，液體對溶質的溶解能力遠大于氣體對溶質的溶解能力，提高了萃取效率，并保證易揮發性物質不揮發，增加了系統的安全性。大量的研究都顯示當壓力達到一定值時，壓力不再是影響萃取的主要因素。該實驗設置壓力為1 500 psi。

圖2 不同萃取溫度對8種PBDEs的萃取效果Fig.2 Effects of extraction for 8 PBDEs by different temperature

靜態提取時間為5～10 min時，萃取效率沒有變化，在萃取過程中利用溶劑的多次靜態循環，最大限度地接近動態循環，提高萃取效率，采用2次循環，即可達到良好的萃取效果，再增加循環，萃取效率沒有明顯提高。

2.2 色譜條件的選擇和優化

2.2.1 色譜柱的選擇

PBDEs的熱穩定性高、蒸汽壓低，沸點為310～425 ℃，特別是高溴代的BDE-209分子量大，很難在進樣口氣化。因此分離PBDEs需要較高的柱溫和較長的分析時間，且色譜柱容易污染，導致色譜柱使用壽命大幅縮短，增加了分析成本。使用長為20 m以上的色譜柱分離BDE-209，需要較高的柱溫，且出峰時間較長，峰強度小，當色譜柱長度達到30 m時，BDE-209不出峰，滯留在色譜柱中，造成色譜柱污染。因此分析包括BDE-209在內的PBDEs類物質時，需要選擇弱極性、耐高溫和低流失的高效毛細管柱。綜合考慮三至十溴聯苯醚的分離要求、峰響應強度和色譜柱使用壽命等因素，分析8種PBDEs需要選擇薄液膜、小內徑和合適長度的色譜柱，盡可能使柱內PBDEs得以反復分配，達到完全分離的效果。筆者選擇DB-5HT毛細管柱(15 m×250 μm×0.1 μm)，最高使用溫度為400 ℃。實現了同時分析包括BDE-209在內的8種PBDEs。

由于PBDEs具有很強的吸附性，把進樣口玻璃襯管中的玻璃棉去除，可以防止襯管中玻璃棉吸附PBDEs造成污染，同時可以進一步提高儀器分析的靈敏度。采用不分流進樣方式。

2.2.2 程序升溫條件的優化

為了使待測組分完全分離并在合適時間內流出色譜柱，需要合適的柱溫條件。如果程序升溫的初始溫度與環境溫度相差太小，則需要較長時間才能達到分析溫度，如果初始溫度未平衡就開始分析，則會導致保留時間重現性差。由于樣品溶劑的沸點均小于70 ℃，而PBDEs的熱穩定性高(沸點為310～425 ℃)，當柱溫度低或恒溫時，高沸點組分PBDEs流出時間長、峰展寬或不出峰滯留在色譜柱中造成柱污染。PBDEs集中流出的溫度范圍為240～300 ℃，綜合PBDEs的靈敏度、色譜柱使用壽命、多組分化合物出峰時間間隔均勻、雜質峰少和分析效率等因素，可將程序升溫的初始溫度定為50 ℃，再以20 ℃/min升至150 ℃后，以15 ℃/min升至240 ℃，部分低溴代的PBDEs開始流出，最高以20 ℃/min 升至300 ℃保持6 min，進樣口溫度為320 ℃。

2.2.3 MS-MS分析條件的優化

通過一級質譜全掃描分析8種PBDEs，得到目標化合物的一級質譜信息，確定出每種PBDEs單體在70 eV的離子源轟擊作用下離子豐度最高的碎片離子，PBDEs主要的離子碎片為[M]+、[M-Br]+和[M-Br2]+，結合對其他離子碎片的分析，分別試驗通過碰撞電離產生最強子離子為母離子可能脫去Br(80)、Br2(160)、COBr(108)、COBr2(188)和COBr3(268)等一種或幾種碎片。綜合考慮靈敏度和準確度，每個化合物選擇1～2個母離子后，采用二級質譜的MRM進行測定，確定母離子和子離子對，見表1。

表1 8種多溴聯苯醚分析的質譜分析參數Table 1 MS analysis parameters for 8 PBDEs

分別從5～55 eV進行碰撞能量實驗，低溴代聯苯醚(如BDE-28、BDE-47、BDE-99、BDE-100)碰撞電壓大于25 eV后，響應強度沒有明顯增加，而六至十溴等高溴代聯苯醚碰撞電壓大于30 eV后，響應強度還有明顯增加，BDE-209色譜峰響應最小，當碰撞電壓大于40 eV時可以明顯提高BDE-209色譜峰的響應強度。為了提高對8種PBDEs檢測的靈敏度，設置掃描峰寬時，要將PBDEs豐度高的幾個同位素母離子和子離子設置在范圍內，綜合考慮掃描時間。8種多溴聯苯醚優化后的碰撞電壓、掃描峰寬和掃描時間等質譜分析參數見表1。在優化的儀器分析條件下，8種PBDEs的標準色譜圖見圖3。

注：1.BDE-28；2.BDE-47；3.BDE-100；4.BDE-99；5.BDE-154；6.BDE-153和內標物13C-BDE-153；7.BDE-183；8.BDE-209。圖3 優化后的8種PBDEs的GC-MS-MS二級質譜圖Fig.3 Optimized chromatograms of 8 PBDEs from GC-MS-MS

2.3 線性方程、相關系數、檢出限及空白實驗

8種PBDEs濃度從低到高依次為1、4、10、20、50、100 μg/L(BDE-209的濃度是其他物質的10倍)，13C12-BDE-153內標濃度為10 μg/L，以8種PBDEs定量離子與內標物定量離子的峰面積比值對目標物的含量進行線性回歸分析，得到8種PBDEs的線性方程及其相關系數，8種PBDEs的線性相關系數(r)均為0.997～0.999 6(表2)，完全滿足定量分析的要求。

以信噪比(S/N為3∶1)對應的組分濃度值估算PBDEs的儀器檢出限，方法檢出限根據《環境監測 分析方法標準制修訂技術導則》(HJ 168—2010)的規定，通過連續分析7個濃度為0.2 ng/g左右的PBDEs(BDE-209為2 ng/g)低濃度土壤和沉積物加標樣品，計算其標準偏差(S)。方法檢出限公式：

L=S×t(n-1，0.99)

式中：t(n-1,0.99)為自由度為(n-1)時，置信度為99%的t分布，n為重復分析的樣品數，n為7時，查表t為3.143。

計算出該方法的8種PBDEs檢出限，見表2。方法檢出限為0.004～0.1 ng/g，以4倍檢出限為定量下限，計算結果顯示，定量下限為0.016～0.4 ng/g。通過與標準方法《土壤和沉積物 多溴二苯醚的測定 氣相色譜-質譜法》(HJ 952—2018)比較可以看出，標準方法的檢出限是該方法的10～27倍，顯示該方法具有較高的靈敏度。

表2 8種PBDEs的線性方程、相關系數及其檢出限Table 2 Regression equations,correlation coefficients and detection limits for 8 PBDEs

當方法靈敏度達到一定程度時，全程序空白和實驗室空白可能會檢出低濃度的PBDEs，特別是BDE-28和BDE-47，檢出濃度為0.02～0.04 ng/g，而試劑空白未檢出PBDEs，可能是采樣器皿、分析過程的玻璃器皿、加速溶劑萃取池的密封墊片或氣相色譜進樣口密封墊片等部分累積污染造成的。使用前對所有采樣器皿和分析用的玻璃器皿用甲醇和正己烷依次分別洗滌3 次，實驗試劑和藥品使用溶劑反萃的方式處理，實驗材料中PBDEs的消除可以采用500 ℃高溫燒灼2 h，所有密封墊片要求達到耐高溫低流失的效果。采取以上措施后，全程序空白和實驗室空白均未檢出PBDEs單體。

2.4 方法回收率和精密度

連續分析6個濃度為0.2、5、20 ng/g左右的PBDEs(BDE-209的濃度是其他物質的10倍)土壤和沉積物加標樣品，相對標準偏差(RSD)為2.4%～15.6%。

采用實際沉積物樣品進行0.5、5、20 ng/g(BDE-209的濃度是其他物質的10倍)3個濃度水平的PBDEs基體加標，每個濃度水平平均測定3次，結果顯示，8種PBDEs的平均回收率為75%～110%(表3)，《土壤和沉積物 多溴二苯醚的測定 氣相色譜-質譜法》(HJ 952—2018)選用的萃取溶劑是正己烷-二氯甲烷(體積比為1∶1)，平均加標回收率為85.7%～113%，該方法的準確度基本能夠達到《土壤和沉積物 多溴二苯醚的測定 氣相色譜-質譜法》(HJ 952—2018)的要求。

表3 沉積物中8種PBDEs回收率Table 3 Recoveries of 8 PBDEs in sediment

2.5 對實際樣品的分析結果

用該方法對從中國中部的5條河流中采集的5個表層沉積物樣品和5個農田土壤樣品進行PBDEs檢測，結果顯示，5條河流的沉積物中都檢出了BDE-47、BDE-183和BDE-209，土壤中檢出率最高的是BDE-47，PBDEs的濃度從未檢出至11.5 ng/g(表4)。說明該方法對土壤和沉積物具有通用性，可用于實際土壤和水體沉積物中PBDEs的檢測。

表4 實際土壤和河流沉積物中8種PBDEs的分析結果Table 4 The analytical results of 8 PBDEs in real soil and sediment of river ng/g

3 結論

優化后，加速溶劑萃取和在線同步凈化前處理方法具有萃取凈化效果好、時間短、試劑用量少、自動化程度和回收率高等優點，適于批量處理土壤和沉積物中含有多組分痕量PBDEs的樣品。通過優化GC-EI-MS-MS各種分析參數，采用改進的色譜柱解決了BDE-209無法與其他痕量PBDEs同時分析的問題和色譜柱容易污染的問題，而且提高了PBDEs分析的靈敏度，延長了色譜柱使用壽命，縮短了分析時間，提高了分析效率。因此建立的土壤和沉積物中8種PBDEs的加速溶劑同時萃取和凈化-氣相色譜-三重四極桿串聯質譜的分析方法，可用于實際土壤和沉積物中8種痕量PBDEs的測定。