張付海，陳 鑫，田丙正，趙 彬，張 敏

1.安徽省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，安徽 合肥 230071 2.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，國(guó)家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

多溴聯(lián)苯醚(PBDEs)是一種最常見(jiàn)的溴代阻燃劑，在環(huán)境中難以降解，具有類似于多氯聯(lián)苯的毒性，能被生物體代謝，可以轉(zhuǎn)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(jī)污染物(POPs)[1]。目前，報(bào)道較多的PBDEs分析方法有氣相色譜法(GC)，氣相色譜-質(zhì)譜法(GC-MS)，高分辨氣相色譜-高分辨質(zhì)譜法(HRGC-HRMS)和氣相色譜-串聯(lián)質(zhì)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(chǎn)生假陽(yáng)性，HRGC-HRMS的儀器設(shè)備貴、對(duì)環(huán)境條件和人員要求高，不適于方法的推廣。而使用GC-MS-MS進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，二級(jí)質(zhì)譜掃描的母離子一般選擇一級(jí)質(zhì)譜上豐度最高的離子，母離子再通過(guò)四極桿后產(chǎn)生特征子離子，形成離子對(duì)，通過(guò)監(jiān)測(cè)一個(gè)或多個(gè)離子對(duì)，使化合物分析的準(zhǔn)確度和精確度進(jìn)一步提高[10-13]。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，高溴代聯(lián)苯醚BDE-209測(cè)試仍存在不能與其他痕量PBDEs同時(shí)分析和色譜柱容易污染等問(wèn)題，需要不同的測(cè)定手段。同時(shí)測(cè)定包括BDE-209在內(nèi)的多組分痕量PBDEs測(cè)定方法，有待進(jìn)一步改進(jìn)。土壤和沉積物中PBDEs一般在痕量水平，由于樣品基體復(fù)雜、易受環(huán)境影響，其樣品前處理技術(shù)的發(fā)展滯后于分析檢測(cè)技術(shù)，是PBDEs分析中最薄弱的環(huán)節(jié)，因此建立一種快速、方便、準(zhǔn)確的前處理技術(shù)成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[14-17]。

相比于傳統(tǒng)萃取凈化方法，優(yōu)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(shí)間短、試劑用量少、自動(dòng)化程度和回收率高等優(yōu)點(diǎn)，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(guò)優(yōu)化GC-EI-MS-MS各種分析參數(shù)，采用改進(jìn)的色譜柱解決了無(wú)法對(duì)BDE-209和其他PBDEs同時(shí)分析的問(wèn)題以及色譜柱污染問(wèn)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(shí)萃取和凈化-氣相色譜-三重四極桿串聯(lián)質(zhì)譜的分析方法，可用于實(shí)際土壤和沉積物中8種PBDEs的測(cè)定。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器

分析儀器為美國(guó)Bruker公司的450GC-320MS-MS，DB-5HT毛細(xì)管柱(15 m×250 μm×0.1 μm)，美國(guó)戴安公司ASE-300型快速溶劑萃取儀，美國(guó)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(biāo)準(zhǔn)溶液和13C12-BDE-153標(biāo)準(zhǔn)溶液均購(gòu)自美國(guó)Accustandard公司。二氯甲烷、正己烷等為色譜純，無(wú)水硫酸鈉、弗羅里硅土、硅膠和石英砂為優(yōu)級(jí)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(zhì)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(yù)處理

將采集的土壤和沉積物樣品進(jìn)行冷凍干燥，研磨，過(guò)0.25 mm篩后裝入棕色瓶保存待用。準(zhǔn)確稱取5 g樣品和5 g無(wú)水硫酸鈉混勻轉(zhuǎn)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(tài)提取時(shí)間，氮?dú)獯祾?0 s，靜態(tài)提取2次，收集萃取液在自動(dòng)濃縮儀上濃縮至近干，加1 mg/L13C-BDE-153內(nèi)標(biāo)物10 μL，用正己烷定容至1 mL。

實(shí)驗(yàn)室空白實(shí)驗(yàn)：用石英砂代替樣品，前處理步驟同上；全程序空白實(shí)驗(yàn)：選擇無(wú)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(guò)程進(jìn)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(kāi)始，以20 ℃/min升至150 ℃，15 ℃/min升至240 ℃，20 ℃/min 升至300 ℃保持6 min，進(jìn)樣口溫度為320 ℃，采用不分流壓力脈沖方式進(jìn)樣，進(jìn)樣體積為1.0 μL。

質(zhì)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(yīng)監(jiān)測(cè)方式(MRM)。

2 結(jié)果與討論

2.1 加速溶劑萃取條件的優(yōu)化

2.1.1 萃取溶劑的優(yōu)化

采用農(nóng)田土壤和派河底泥沉積物進(jìn)行加標(biāo)實(shí)驗(yàn)，比較萃取溶劑為正己烷-二氯甲烷不同體積混合對(duì)8種PBDEs的萃取效率的影響，由圖1可見(jiàn)，萃取溶劑為正己烷-二氯甲烷(體積比為9∶1)對(duì)8種PBDEs的萃取回收率為60%～85%，其中對(duì)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(duì)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(duì)8種PBDEs的萃取回收率為90%～126%，萃取液的顏色較深。結(jié)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(zhì)種類增多。使用正己烷-二氯甲烷(體積比為1∶1)時(shí)萃取液的顏色變深，說(shuō)明共淋洗現(xiàn)象較嚴(yán)重。《土壤和沉積物 多溴二苯醚的測(cè)定 氣相色譜-質(zhì)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(biāo)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(duì)很多物質(zhì)都有很好的萃取效果，因此萃取液含有共萃取雜質(zhì)較多。《土壤和沉積物 多溴二苯醚的測(cè)定 氣相色譜-質(zhì)譜法》(HJ 952—2018)和USEPA Method1614A都需要對(duì)萃取液進(jìn)行濃硫酸或復(fù)合硅膠層析柱凈化，否則影響PBDEs分析的準(zhǔn)確性，凈化過(guò)程比較復(fù)雜。在滿足PBDEs的萃取效率前提下，干擾物質(zhì)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(jiǎn)化了后續(xù)萃取液的凈化過(guò)程。

圖1 不同萃取溶劑對(duì)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(yōu)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(jìn)行在線凈化。結(jié)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(biāo)物峰型，回收率都為85%以上，提高了目標(biāo)物的靈敏度和準(zhǔn)確度，大大簡(jiǎn)化了凈化過(guò)程?？紤]到實(shí)際沉積物中干擾物質(zhì)含量不同，筆者選擇10 g混合劑(活性弗羅里硅土-活性炭質(zhì)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(cè)定 氣相色譜-質(zhì)譜法》(HJ 952—2018)對(duì)萃取液采用濃硫酸或者復(fù)合硅膠層析柱進(jìn)行凈化，凈化過(guò)程比較復(fù)雜，由于GC-MS-MS抗干擾能力較強(qiáng)，對(duì)基體凈化要求比GC-MS低，通過(guò)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(yīng)，能極大地減弱溶質(zhì)與基體之間較強(qiáng)的相互作用力，溶劑能更好地“浸潤(rùn)”樣品基體，加速溶劑分子向基體中的擴(kuò)散，從而提高萃取效率。選擇萃取溫度為40、60、80、100 ℃時(shí)考察8種PBDEs的萃取效果，見(jiàn)圖2。

由圖2顯示，40、60 ℃時(shí)PBDEs萃取效率為45%～85%，80 ℃時(shí)PBDEs萃取效率為90%～105%，100 ℃時(shí)PBDEs萃取效率為76%～100%，因此，實(shí)驗(yàn)萃取溫度選取80 ℃。

液體的沸點(diǎn)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(tài)，并快速地充滿萃取池，液體對(duì)溶質(zhì)的溶解能力遠(yuǎn)大于氣體對(duì)溶質(zhì)的溶解能力，提高了萃取效率，并保證易揮發(fā)性物質(zhì)不揮發(fā)，增加了系統(tǒng)的安全性。大量的研究都顯示當(dāng)壓力達(dá)到一定值時(shí)，壓力不再是影響萃取的主要因素。該實(shí)驗(yàn)設(shè)置壓力為1 500 psi。

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

靜態(tài)提取時(shí)間為5～10 min時(shí)，萃取效率沒(méi)有變化，在萃取過(guò)程中利用溶劑的多次靜態(tài)循環(huán)，最大限度地接近動(dòng)態(tài)循環(huán)，提高萃取效率，采用2次循環(huán)，即可達(dá)到良好的萃取效果，再增加循環(huán)，萃取效率沒(méi)有明顯提高。

2.2 色譜條件的選擇和優(yōu)化

2.2.1 色譜柱的選擇

PBDEs的熱穩(wěn)定性高、蒸汽壓低，沸點(diǎn)為310～425 ℃，特別是高溴代的BDE-209分子量大，很難在進(jìn)樣口氣化。因此分離PBDEs需要較高的柱溫和較長(zhǎng)的分析時(shí)間，且色譜柱容易污染，導(dǎo)致色譜柱使用壽命大幅縮短，增加了分析成本。使用長(zhǎng)為20 m以上的色譜柱分離BDE-209，需要較高的柱溫，且出峰時(shí)間較長(zhǎng)，峰強(qiáng)度小，當(dāng)色譜柱長(zhǎng)度達(dá)到30 m時(shí)，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(nèi)的PBDEs類物質(zhì)時(shí)，需要選擇弱極性、耐高溫和低流失的高效毛細(xì)管柱。綜合考慮三至十溴聯(lián)苯醚的分離要求、峰響應(yīng)強(qiáng)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(nèi)徑和合適長(zhǎng)度的色譜柱，盡可能使柱內(nèi)PBDEs得以反復(fù)分配，達(dá)到完全分離的效果。筆者選擇DB-5HT毛細(xì)管柱(15 m×250 μm×0.1 μm)，最高使用溫度為400 ℃。實(shí)現(xiàn)了同時(shí)分析包括BDE-209在內(nèi)的8種PBDEs。

由于PBDEs具有很強(qiáng)的吸附性，把進(jìn)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(shí)可以進(jìn)一步提高儀器分析的靈敏度。采用不分流進(jìn)樣方式。

2.2.2 程序升溫條件的優(yōu)化

為了使待測(cè)組分完全分離并在合適時(shí)間內(nèi)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(huán)境溫度相差太小，則需要較長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到分析溫度，如果初始溫度未平衡就開(kāi)始分析，則會(huì)導(dǎo)致保留時(shí)間重現(xiàn)性差。由于樣品溶劑的沸點(diǎn)均小于70 ℃，而PBDEs的熱穩(wěn)定性高(沸點(diǎn)為310～425 ℃)，當(dāng)柱溫度低或恒溫時(shí)，高沸點(diǎn)組分PBDEs流出時(shí)間長(zhǎng)、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(shí)間間隔均勻、雜質(zhì)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(kāi)始流出，最高以20 ℃/min 升至300 ℃保持6 min，進(jìn)樣口溫度為320 ℃。

2.2.3 MS-MS分析條件的優(yōu)化

通過(guò)一級(jí)質(zhì)譜全掃描分析8種PBDEs，得到目標(biāo)化合物的一級(jí)質(zhì)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(jié)合對(duì)其他離子碎片的分析，分別試驗(yàn)通過(guò)碰撞電離產(chǎn)生最強(qiáng)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(zhǔn)確度，每個(gè)化合物選擇1～2個(gè)母離子后，采用二級(jí)質(zhì)譜的MRM進(jìn)行測(cè)定，確定母離子和子離子對(duì)，見(jiàn)表1。

表1 8種多溴聯(lián)苯醚分析的質(zhì)譜分析參數(shù)Table 1 MS analysis parameters for 8 PBDEs

分別從5～55 eV進(jìn)行碰撞能量實(shí)驗(yàn)，低溴代聯(lián)苯醚(如BDE-28、BDE-47、BDE-99、BDE-100)碰撞電壓大于25 eV后，響應(yīng)強(qiáng)度沒(méi)有明顯增加，而六至十溴等高溴代聯(lián)苯醚碰撞電壓大于30 eV后，響應(yīng)強(qiáng)度還有明顯增加，BDE-209色譜峰響應(yīng)最小，當(dāng)碰撞電壓大于40 eV時(shí)可以明顯提高BDE-209色譜峰的響應(yīng)強(qiáng)度。為了提高對(duì)8種PBDEs檢測(cè)的靈敏度，設(shè)置掃描峰寬時(shí)，要將PBDEs豐度高的幾個(gè)同位素母離子和子離子設(shè)置在范圍內(nèi)，綜合考慮掃描時(shí)間。8種多溴聯(lián)苯醚優(yōu)化后的碰撞電壓、掃描峰寬和掃描時(shí)間等質(zhì)譜分析參數(shù)見(jiàn)表1。在優(yōu)化的儀器分析條件下，8種PBDEs的標(biāo)準(zhǔn)色譜圖見(jiàn)圖3。

注：1.BDE-28；2.BDE-47；3.BDE-100；4.BDE-99；5.BDE-154；6.BDE-153和內(nèi)標(biāo)物13C-BDE-153；7.BDE-183；8.BDE-209。圖3 優(yōu)化后的8種PBDEs的GC-MS-MS二級(jí)質(zhì)譜圖Fig.3 Optimized chromatograms of 8 PBDEs from GC-MS-MS

2.3 線性方程、相關(guān)系數(shù)、檢出限及空白實(shí)驗(yàn)

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(zhì)的10倍)，13C12-BDE-153內(nèi)標(biāo)濃度為10 μg/L，以8種PBDEs定量離子與內(nèi)標(biāo)物定量離子的峰面積比值對(duì)目標(biāo)物的含量進(jìn)行線性回歸分析，得到8種PBDEs的線性方程及其相關(guān)系數(shù)，8種PBDEs的線性相關(guān)系數(shù)(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(duì)應(yīng)的組分濃度值估算PBDEs的儀器檢出限，方法檢出限根據(jù)《環(huán)境監(jiān)測(cè) 分析方法標(biāo)準(zhǔn)制修訂技術(shù)導(dǎo)則》(HJ 168—2010)的規(guī)定，通過(guò)連續(xù)分析7個(gè)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(biāo)樣品，計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)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(shí)，置信度為99%的t分布，n為重復(fù)分析的樣品數(shù)，n為7時(shí)，查表t為3.143。

計(jì)算出該方法的8種PBDEs檢出限，見(jiàn)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(jì)算結(jié)果顯示，定量下限為0.016～0.4 ng/g。通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)方法《土壤和沉積物 多溴二苯醚的測(cè)定 氣相色譜-質(zhì)譜法》(HJ 952—2018)比較可以看出，標(biāo)準(zhǔn)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(guān)系數(shù)及其檢出限Table 2 Regression equations,correlation coefficients and detection limits for 8 PBDEs

當(dāng)方法靈敏度達(dá)到一定程度時(shí)，全程序空白和實(shí)驗(yàn)室空白可能會(huì)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(guò)程的玻璃器皿、加速溶劑萃取池的密封墊片或氣相色譜進(jìn)樣口密封墊片等部分累積污染造成的。使用前對(duì)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(shí)驗(yàn)試劑和藥品使用溶劑反萃的方式處理，實(shí)驗(yàn)材料中PBDEs的消除可以采用500 ℃高溫?zé)? h，所有密封墊片要求達(dá)到耐高溫低流失的效果。采取以上措施后，全程序空白和實(shí)驗(yàn)室空白均未檢出PBDEs單體。

2.4 方法回收率和精密度

連續(xù)分析6個(gè)濃度為0.2、5、20 ng/g左右的PBDEs(BDE-209的濃度是其他物質(zhì)的10倍)土壤和沉積物加標(biāo)樣品，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為2.4%～15.6%。

采用實(shí)際沉積物樣品進(jìn)行0.5、5、20 ng/g(BDE-209的濃度是其他物質(zhì)的10倍)3個(gè)濃度水平的PBDEs基體加標(biāo)，每個(gè)濃度水平平均測(cè)定3次，結(jié)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(cè)定 氣相色譜-質(zhì)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(biāo)回收率為85.7%～113%，該方法的準(zhǔn)確度基本能夠達(dá)到《土壤和沉積物 多溴二苯醚的測(cè)定 氣相色譜-質(zhì)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(duì)實(shí)際樣品的分析結(jié)果

用該方法對(duì)從中國(guó)中部的5條河流中采集的5個(gè)表層沉積物樣品和5個(gè)農(nóng)田土壤樣品進(jìn)行PBDEs檢測(cè)，結(jié)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(shuō)明該方法對(duì)土壤和沉積物具有通用性，可用于實(shí)際土壤和水體沉積物中PBDEs的檢測(cè)。

表4 實(shí)際土壤和河流沉積物中8種PBDEs的分析結(jié)果Table 4 The analytical results of 8 PBDEs in real soil and sediment of river ng/g

3 結(jié)論

優(yōu)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(shí)間短、試劑用量少、自動(dòng)化程度和回收率高等優(yōu)點(diǎn)，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(guò)優(yōu)化GC-EI-MS-MS各種分析參數(shù)，采用改進(jìn)的色譜柱解決了BDE-209無(wú)法與其他痕量PBDEs同時(shí)分析的問(wèn)題和色譜柱容易污染的問(wèn)題，而且提高了PBDEs分析的靈敏度，延長(zhǎng)了色譜柱使用壽命，縮短了分析時(shí)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(shí)萃取和凈化-氣相色譜-三重四極桿串聯(lián)質(zhì)譜的分析方法，可用于實(shí)際土壤和沉積物中8種痕量PBDEs的測(cè)定。