戴雪偉， 衛(wèi)碧文， 望秀麗* ， 于文佳， 徐永威

（1. 上海出入境檢驗檢疫局，上海200135；2. 沃特世科技有限公司，上海201206）

多環(huán)芳烴因具有“致癌性、致畸性、致突變性”，已被世界多數(shù)國家或地區(qū)限制使用。德國政府早在2008 年4 月1 日起就規(guī)定，要獲取德國安全認(rèn)證（GS 認(rèn)證）標(biāo)志，必須通過《GS 認(rèn)證過程中PAHs的測試和驗證》［1］。該文件規(guī)定消費(fèi)產(chǎn)品的材料中18 種多環(huán)芳烴必須符合其規(guī)定的限量要求。歐盟官方公報于2013 年12 月7 日刊登歐洲委員會第1272／2013 號法規(guī)［2］，對玩具及兒童用品等輕紡消費(fèi)品的橡膠或塑膠部件中含有的8 種多環(huán)芳烴采取限制措施。美國環(huán)保局（US EPA）已經(jīng)將16 種多環(huán)芳烴列入優(yōu)先控制的有機(jī)污染物名單中［3］。上述涉及的18 種多環(huán)芳烴分別為萘、苊烯、苊、芴、菲、蒽、熒蒽、芘、苯并（a）蒽、屈艸、苯并（b）熒蒽、苯并（k）熒蒽、苯并（j）熒蒽、苯并（e）芘、苯并（a）芘、茚并（1，2，3-cd）芘、二苯并（a，h）蒽、苯并（g，h，i）苝（二萘嵌苯）。

目前，國內(nèi)外輕紡消費(fèi)品中多環(huán)芳烴的儀器分析方法主要為氣相色譜法［1，4-7］和液相色譜法［4-6］。但是，目前氣相色譜法在分離多環(huán)芳烴同分異構(gòu)體（苯并（b）熒蒽、苯并（k）熒蒽和苯并（j）熒蒽）方面仍面臨挑戰(zhàn)［8，9］。液相色譜法對同分異構(gòu)體選擇性好，分離效率高，但是對于弱極性的多環(huán)芳烴保留時間較長，其分離18 種多環(huán)芳烴所需的時間通常在30 min 以上［10］。

近年來發(fā)展的超高效合相色譜（UPC2）以液體和超臨界氣體的混合物——壓縮CO2為流動相，由于壓縮CO2不僅是低極性分析物的良好溶劑，也可促進(jìn)分析物與流動相之間的非極性相互作用，因此超高效合相色譜技術(shù)適于分離非極性的多環(huán)芳烴化合物。超高效合相色譜以超臨界流體為流動相，既可以分析氣相色譜難以氣化的高沸點(diǎn)、低揮發(fā)性樣品，又具有比高效液相色譜更高的選擇性和更快的分析速度［11］。由于其所使用的色譜柱的填料粒徑小于常規(guī)的超臨界色譜柱填料粒徑，其分離效率和分離度優(yōu)于常規(guī)超臨界色譜，同時流動相以無毒的CO2為主，節(jié)約了有機(jī)溶劑。因此，超高效合相色譜方法引起研究者的廣泛關(guān)注，其已成功應(yīng)用于二甲基苯胺異構(gòu)體［12］、脂肪酸［13］、熒光增白劑［14］、脂溶性維生素及其衍生物［15］和光引發(fā)劑［16］的分析。目前，尚未見利用超高效合相色譜檢測上述18 種多環(huán)芳烴的報道。

本文建立一種以甲苯為提取溶劑，超聲輔助萃取為提取條件，采用CO2超高效合相色譜-二極管陣列檢測器快速、準(zhǔn)確測定塑料中上述18 種多環(huán)芳烴的方法。該方法快速、高效、減少有機(jī)溶劑的消耗，為塑料制品中多環(huán)芳烴的檢測提供了有力的技術(shù)手段。

1 實驗部分

1.1 儀器、試劑與材料

超高效合相色譜儀（ACQUITY Ultra Performance Convengence ChromatographTM，美國Waters公司），配備二極管陣列檢測器；T890／H 超聲波清洗機(jī)（德國Elma 公司）。

甲醇、乙醇、乙腈、異丙醇、甲苯（色譜純，美國Fisher 公司）。高純CO2（純度99.99%，上海振信蓋斯氣體有限公司）。萘（純度99.8%）、苊烯（純度99.2%）、苊（純度100.0%）、芴（純度98.1%）、菲（純 度99.5%）、蒽（純 度97.7%）、熒 蒽（純 度97.2%）、芘（純度97.5%）、苯并（a）蒽（純度100.0%）、屈艸（純度99.8%）、苯并（b）熒蒽（純度99.4%）、苯并（k）熒蒽（純度100.0%）、苯并（j）熒蒽（純度98.3%）、苯并（e）芘（純度99.5%）、苯并（a）芘（純度99.8%）、茚并（1，2，3-cd）芘（純度99.2%）、二苯并（a，h）蒽（純度100.0%）、苯并（g，h，i）苝（二萘嵌苯）（純度98.3%）均購于美國Accustandard公司。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

準(zhǔn)確稱取18 種多環(huán)芳烴標(biāo)準(zhǔn)品各5.00 mg（精確至0.01 mg）于50 mL 容量瓶中，用甲苯溶解并定容，得到質(zhì)量濃度為100 mg／L 的標(biāo)準(zhǔn)儲備液，準(zhǔn)確移取一定量上述標(biāo)準(zhǔn)儲備液，以甲苯稀釋，得到系列濃度的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液。

1.3 色譜條件

色譜柱：Daicel IB-3（150 mm×4.6 mm，3 μm）；流動相A 為CO2，流動相B（助溶劑）為甲醇／乙腈（25 ∶75，v／v）。流動相梯度洗脫程序：0 ～1 min 保持5%B；經(jīng)2 min 升至25%B；再經(jīng)2 min 升至35%B，保持3 min；最后經(jīng)0.2 min 降至5%B。流速：2.8 mL／min；柱溫：40 ℃；背壓：15.17 MPa；樣品進(jìn)樣量：5 μL。PDA 檢測波長：2D（2-dimension）為220、240、260 nm，3D 為200～500 nm。

1.4 樣品前處理

樣品前處理過程參見文獻(xiàn)［1］，首先將塑料樣品切割至尺寸不超過3 mm×3 mm 的顆粒，液氮冷卻粉碎。準(zhǔn)確稱取0.500 0 g 待測樣品，置于玻璃錐形瓶中，加入20 mL 甲苯萃取劑，60 ℃下超聲萃取1 h，萃取液濃縮至1 mL，供UPC2-PDA 分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 超高效合相色譜條件的優(yōu)化

2.1.1 色譜柱的選擇

由于待分析的18 種多環(huán)芳烴化合物為非極性化合物，其與鍵合相之間的作用力主要是π-π、疏水作用力等，本研究選擇下述4 種非極性或含有苯環(huán)的鍵合相：BEH 2-EP（乙基吡啶），CSH Fluorophenyl（氟苯基），HSS C18 SB（Selectivity for bases，針對堿性化合物），Daicel IB-3（纖維素3-（3，5-二甲基苯甲酰胺）），在柱溫為40 ℃，流動相分別為CO2-甲醇、CO2-甲醇／乙腈（1 ∶1，v／v）（梯度洗脫：5%B 起始，3 min 升至35%B，35%B 保持2 min）的條件下進(jìn)行色譜柱的選擇與優(yōu)化。每種色譜柱上獲得的較好分離效果如圖1 所示，通過色譜柱的初步篩選發(fā)現(xiàn)，BEH 2-EP 和CSH Fluoro-phenyl 柱具有較好的分離效果，峰形尖銳，對稱性良好，均能分離出17 個化合物峰，但是個別化合物沒能達(dá)到很好的分離；Daicel IB-3 色譜柱具有最佳的分離效果，18 種多環(huán)芳烴均能得到很好的分離，但是峰形與其他3 種色譜柱相比較差；主要是不同的填料粒徑所導(dǎo)致的（Daicel IB-3 的填料粒徑是3 μm，其他3 種色譜柱粒徑是1.7 μm）。綜合考慮分離效果和峰容量等因素，最終選擇Daicel IB-3 色譜柱進(jìn)一步優(yōu)化。

圖1 不同色譜柱對18 種PAHs 分離的色譜圖Fig.1 Chromatograms of the PAH standards on various chromatographic columns

2.1.2 流動相助溶劑的優(yōu)化

超高效合相色譜的保留機(jī)理比較復(fù)雜，與LC對比，其保留行為類似正相色譜，因此流動相的極性改變會對待分析物的保留產(chǎn)生主要的影響。在UPC2的操作中，通常采用二元梯度／等度洗脫，一路溶劑是CO2，另一路是單一或混合的有機(jī)溶劑，其中，常用的有機(jī)溶劑為甲醇、乙醇、異丙醇和乙腈。基于醇類溶劑和乙腈是兩種不同類型的溶劑（如甲醇為質(zhì)子給予型溶劑，乙腈為質(zhì)子接受型溶劑），試驗過程中選擇甲醇和乙腈進(jìn)行了優(yōu)化。在色譜柱為Daicel IB-3（150 mm×4.6 mm，3 μm），柱溫為40℃，流速為2.2 mL／min（梯度洗脫：10% B 起始，3 min 升至35%B，35%B 保持6 min）的條件下，不同甲醇／乙腈比例（100 ∶0、25 ∶75、50 ∶50，v／v）的分離圖譜如圖2 所示。選用純的甲醇溶劑作為助溶劑時，部分多環(huán)芳烴化合物不能很好地分離；當(dāng)在甲醇中加入一定比例的乙腈后，不同多環(huán)芳烴的分離度有很大的改善，當(dāng)乙腈比例從25%增加到50%時，18 種多環(huán)芳烴的分離時間從8 min 增加到8.5 min。綜合考慮分離效率和分離時間，最終選擇甲醇／乙腈的體積比為25 ∶75。

圖2 不同流動相助溶劑條件下18 種PAHs 分離的色譜圖Fig.2 Chromatograms of the PAH standards with different mobile-phase additives

2.1.3 色譜柱溫度的影響

對于超高效合相色譜而言，色譜柱溫度的變化主要影響到流動相的密度，在保持其他試驗條件不變的情況下，流動相的密度隨溫度的升高而降低，隨溫度的降低而升高。因此，一般情況下，分析物的保留會隨著溫度的升高而增強(qiáng)，隨著溫度的降低而減弱。同時，由于溫度的改變，除密度之外的其他性能也會有一定的改變，如流動相的擴(kuò)散系數(shù)、黏度、介電常數(shù)等，因此對不同分析物會產(chǎn)生不同的影響，試驗過程中，常常以此作為分析物保留行為和選擇性的微調(diào)參數(shù)。本試驗中，在色譜柱為（150 mm×4.6 mm，3 μm），助溶劑為甲醇／乙腈（25 ∶75，v／v），流速為2.2 mL／min（梯度洗脫：10%B 起始，3 min 升至35%B，35%B 保持6 min）的條件下，綜合考慮分離和色譜柱耐受性的因素，選擇30 ℃和40 ℃進(jìn)行對比。如圖3 所示，40 ℃下每個化合物之間的分離度均達(dá)到1.5 以上，即基線分離，因此，實驗最終選擇柱溫為40 ℃。

圖3 不同色譜柱溫度條件下18 種PAHs 分離的色譜圖Fig.3 Chromatograms of the PAH standards at different column temperatures

2.1.4 系統(tǒng)背壓的影響

系統(tǒng)背壓的改變會影響流動相的密度和黏度，通常的試驗條件下，隨著背壓的升高，流動相的密度增大，其洗脫能力相應(yīng)增強(qiáng)，對應(yīng)化合物的保留減弱；反之，隨著背壓的降低，流動相的密度減小，其洗脫能力減弱，對應(yīng)化合物的保留增強(qiáng)。在色譜柱為（150 mm×4.6 mm，3 μm），柱溫為40 ℃，助溶劑為甲醇／乙腈（25 ∶75，v／v），流速為2.2 mL／min（梯度洗脫：10%B 起始，3 min 升至35%B，35%B保持6 min）的條件下，考察了不同背壓（12.41、15.17 和17.93 MPa）對色譜分離的影響。如圖4所示，當(dāng)背壓從12.41 MPa 升高至17.93 MPa 時，苯并（a）芘和二苯并（a，h）蒽的分離度明顯降低，18 種多環(huán)芳烴的分離時間從8.2 min 降低至7.8 min。綜合考慮分離效率和分離時間，最終選擇15.17 MPa 的試驗條件。

在優(yōu)化的條件下，18 種多環(huán)芳烴標(biāo)準(zhǔn)品的色譜分離結(jié)果見圖5，各種多環(huán)芳烴的保留時間見表1。采用超高效合相色譜的方法，18 種多環(huán)芳烴實現(xiàn)較好分離，其中包括氣相色譜方法難以分離的同分異構(gòu)體苯并（b）熒蒽、苯并（k）熒蒽和苯并（j）熒蒽，同時，把分離時間由常規(guī)方法的30 ～40 min 降低至8.5 min［8，9］。

圖4 不同背壓條件下18 種PAHs 分離的色譜圖Fig.4 Chromatograms of the PAH standards at different back pressures

圖5 多環(huán)芳烴混合標(biāo)準(zhǔn)溶液的色譜圖Fig.5 Chromatogram of a mixture of the PAHs standards

2.1.5 樣品稀釋溶劑的選擇

在超高效合相色譜中，樣品溶劑對分離的效果有較大的影響，即LC 中常見的溶劑效應(yīng)。尤其當(dāng)流動相中的有機(jī)相比例較低時，樣品溶劑會對化合物的保留和峰形產(chǎn)生較大的影響?；诔咝Ш舷嗌V類似正相HPLC 的原理，一般情況下選擇非極性的溶劑作為樣品的溶劑，可以很好地避免溶劑效應(yīng)的問題。如圖5 所示，甲苯在上述優(yōu)化的分離條件下的保留時間為0.78 min，小于18 種多環(huán)芳烴的保留時間，不會對樣品分離產(chǎn)生干擾。結(jié)合本試驗前處理的條件，選擇甲苯作為樣品溶劑，可避免溶劑效應(yīng)的影響，樣品前處理后可直接進(jìn)樣分析。

2.2 定量限、線性范圍及樣品加標(biāo)回收率

配制不同質(zhì)量濃度的18 種多環(huán)芳烴的混合標(biāo)準(zhǔn)工作液，在最優(yōu)的試驗條件下進(jìn)行測定。將信噪比大于10 時的質(zhì)量濃度作為該化合物的定量限（LOQ），18 種多環(huán)芳烴在各自的特征檢測波長下的LOQ 為0.05 mg／L。采用外標(biāo)法定量，得到化合物的峰面積（縱坐標(biāo)）和質(zhì)量濃度（橫坐標(biāo)）的線性關(guān)系（見表1），18 種多環(huán)芳烴的線性范圍在0.05～50 mg／L 之間，線性相關(guān)系數(shù)均大于0.999 5，表明線性關(guān)系良好?？瞻讟悠吩? 個濃度水平（0.1、0.2、0.5 mg／L）下的加標(biāo)回收率范圍為78.3% ～117.6%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD，n ＝5）小于5%，能夠滿足要求［1］。

2.3 實際樣品的測定

在上述優(yōu)化的色譜條件下測定了充氣玩具的塑料、拼裝積木的藍(lán)塑料、電動童車輪胎的黑橡膠中的多環(huán)芳烴。根據(jù)1.4 節(jié)的方法對其進(jìn)行提取后上機(jī)測定。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)品的保留時間進(jìn)行定性，各組分的峰面積外標(biāo)法進(jìn)行定量。充氣玩具的塑料、拼裝積木的藍(lán)塑料和電動童車輪胎的黑橡膠中多環(huán)芳烴含量及加標(biāo)回收率見表2。加標(biāo)回收率范圍為70.4%～118.4%（n ＝5）。該UPC2測定結(jié)果與GC-MS 標(biāo)準(zhǔn)方法［1］的測定結(jié)果相比，兩個測定值的絕對差值在其算術(shù)平均值的20%以內(nèi)。

表1 18 種PAHs 的保留時間、標(biāo)準(zhǔn)曲線方程、相關(guān)系數(shù)、LOQ 和檢測波長Table 1 Retention times，standard curve equations，correlation coefficients （r），LOQs and detection wavelengths of the 18 PAHs

表2 UPC2 和GC-MS 測定充氣玩具的塑料、拼裝積木的藍(lán)塑料、電動童車輪胎的黑橡膠中多環(huán)芳烴的含量及UPC2 方法的加標(biāo)回收率Table 2 PAHs in plastic （inflatable toy），blue plastic （block）and black rubber （tire）determined by UPC2 and GC-MS，and the spiked recoveries of UPC2

3 結(jié)論

本文建立了一種采用超高效合相色譜快速、高效分析塑料制品中18 種多環(huán)芳烴的方法。在優(yōu)化條件下，18 種多環(huán)芳烴實現(xiàn)較好分離，其中包括氣相色譜方法難以分離的苯并（b）熒蒽、苯并（k）熒蒽和苯并（j）熒蒽同分異構(gòu)體。同時，把分離時間由常規(guī)的30～40 min 降低至8.5 min。該方法分析速度快，分離效率高，環(huán)境友好，準(zhǔn)確度和靈敏度都能滿足實際樣品中多環(huán)芳烴分析的要求，能夠為國內(nèi)外市場上塑料制品中多環(huán)芳烴的分析提供有效的參考方法。

［1］ ZEK 01.4-08

［2］ Commission Regulation （EU）No 1272／2013

［3］ United States Environmental Protection Agency （EPA）No 440479029b／1979

［4］ SN／T 1877.4-2007

［5］ SN／T 1877.6-2009

［6］ SN／T 1877.2-2007

［7］ SN／T 3338-2012

［8］ Simko P. J Chromatogr B，2002，770：3

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