光纖固相微萃取耦合氣相色譜法檢測水中多溴聯苯醚及其甲氧基衍生物

摘要：建立了普通光纖固相微萃取（Optical fibersolid phase microextraction，OFSPME）耦合氣相色譜法分析水中多溴聯苯醚（PBDEs）及其甲氧基衍生物（MeOPBDEs）的方法。采用設計單因素實驗結合二維交互實驗進行條件優化實驗，確定OFSPME的最佳萃取條件為：攪拌速率1000 rmin， 30%（VV）甲醇， 溫度40 ℃， 萃取90 min。13種PBDEs和5種MeOPBDEs在3個不同加標濃度下的相對標準偏差分別為1.3%～10.3%， 0.1%～5.0% 和1.8%～14.0%；方法檢出限在0.48～1.94 ngL之間；在1.5～60 ngL濃度范圍內，其線性相關系數R2>0.9954。將本方法應用于生活污水中PBDEs和MeOPBDEs的加標測定，在3個加標濃度下其相對標準偏差分別為0.3%～7.4%，0.3%～9.9%和1.9%～13%。本方法是一種可用于自然水體或者實驗室PBDEs暴露水樣中PBDEs和MeOPBDEs分析的廉價、便捷、高效的技術手段。

關鍵詞：光導纖維； 固相微萃取； 單因素實驗； 二維交互實驗； 基質干擾

1引言

多溴聯苯醚（PBDEs）具有良好的阻燃性能，在電子、紡織等工業生產中被大量使用[1，2]。由于它們結構穩定不易被分解，因此在環境中分布廣泛，并通過食物鏈放大蓄積，引起人們廣泛關注[3～6]。甲氧基多溴聯苯醚（MeOPBDEs），由于其與PBDEs結構極為相似，曾有研究者推斷其由PBDEs代謝轉化而來，隨著研究的深入，又有人提出不同的觀點[5]，這些化合物之間的代謝轉化關系仍需開展進一步研究。關于這兩類化合物的毒性研究，有報道指出PBDEs能對生物體的肝臟、內分泌干擾系統、生殖系統和神經系統產生毒性作用[7]，MeOPBDEs甚至表現出更強的內分泌干擾活性[8]。因此，環境樣品中PBDEs和MeOPBDEs的檢測是科學界和社會持續關注的熱點，建立這類化合物有效的化學分析方法十分重要[9]。

目前，分析水體中的PBDEs多采用液液萃取（LLE）[10]、固相萃取（SPE）[11]和微波輔助萃取（MAE）[12]。然而，這些經典的分析過程對環境和實驗員均存在一定的不利影響。針對水中PBDEs的分析又發展出了新型萃取方法，如中空纖維液相微萃取（Fiberliquid phase microextraction，HFLPME）[3]和攪拌棒吸附萃取（Stir bar sorptive extraction，SBSE）[13]。固相微萃取技術（SPME）克服溶劑消耗量大、費時費力等不足，但萃取裝置相對較昂貴[14]。Mayer等[15]成功地將普通光纖用于測定底泥間隙水中PCBs的含量，驗證了普通光纖用于萃取環境樣品中脂溶性化合物的可行性。

本研究以13種PBDEs和5種MeOPBDEs為目標化合物，采用價格低廉的附著聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane， PDMS）涂層的普通光纖進行SPME研究，建立了一種能同時分析水中PBDEs和MeOPBDEs的微型化、成本低和可信度高的改進型SPME方法，從而為天然環境水體和實驗室暴露水樣中PBDEs的分析提供了技術支撐。

2實驗部分

2.1儀器與試劑

2.2儀器條件

萃取條件優化階段，采用Agilent 7890氣相色譜儀電子捕獲檢測器（GCECD）作為分析儀器。配備DBXLB毛細管柱（15 m×0.25 mm×0.25 靘， 美國JW Scientific公司）。升溫程序：起始140 ℃，保持2 min，以20 ℃min升至200 ℃，3 ℃min升至270 ℃，10 ℃min升至300 ℃，保持7 min；載氣為氦氣（99.999%，1.5 mLmin），氮氣（99.99%）用作尾吹氣（60.0 mLmin）。進樣口和檢測器的溫度分別是270 ℃和300 ℃。

2.3OFSPME萃取方法

將1.5 cm長的PDMS萃取針插入GC進樣口，270 ℃活化至GCECD檢測器顯示無雜峰；將其浸沒在一定濃度加標水樣中，攪拌萃取一段時間后取出；以蒸餾水清洗纖維萃取端，風干后立即插入氣相進樣口熱解析一定時間取出，進行GCECD分析；此時可將解析后的光纖再次在270 ℃活化至無雜質峰，然后進行下一次萃取。在萃取條件優化過程中，PBDEs加標濃度為30 ngL，MeOPBDEs加標濃度為20 ngL，水樣總體積為10 mL。

2.4標準溶液的制備

取PBDEs儲備液，將其溶劑（正己烷）替換為丙酮，并逐級稀釋至10 靏L作為工作溶液使用；稱取MeOPBDEs固體粉末，以丙酮溶解并逐級稀釋至10 靏L作為工作溶液使用；兩種工作溶液現用現配。

3結果與討論

3.1單因素實驗

將萃取好的纖維放在進樣口270 ℃熱解析3次（0～3 min， 3～5 min， 5～7 min），分別測定其在GCECD上的響應，計算各解析時間段峰面積所占總峰面積的比率。結果顯示，解析主要在前3 min完成（圖2A）。為充分解析，同時活化纖維，將熱解析時間定為10 min。

將270 ℃下活化好的1.5 cm長的PDMS涂層的光纖置于標準液中，其它條件不變，分別將轉速設定為500，1000和1500 rmin，在30 ℃萃取60 min，取出后，以蒸餾水沖洗并風干，GCECD進樣分析。結果表明，在1500 rmin下萃取效率最高，但重現性略有下降（圖2B），故攪拌速度選取1000 rmin。

固定其它萃取條件，將甲醇體積比分別設定為0%，10%，20%和30%，觀察其萃取效率的差異。結果顯示，隨著水樣中甲醇含量的增加，高溴取代化合物色譜響應值顯著升高，而低溴取代化合物略有降低。綜合考慮，甲醇含量選定為30%（圖1和圖2C）。

固定其它萃取條件，將水樣中NaCl質量分數設定為0%， 10%， 20%和30%，觀察其萃取效率的差異。結果顯示，隨著NaCl含量逐漸提高，萃取效率顯著降低（圖2D），可能的原因是鹽析效應雖然降低PBDEs在水樣中溶解度，同時也增加了它在瓶壁上的吸附，因此在后續實驗中均不加鹽。

固定其它萃取條件，在30 ℃， 40 ℃和50 ℃下，分別將萃取時間設為30， 60， 90和120 min，觀察溫度和萃取時間對萃取效率的影響。結果表明，當萃取時間為90 min，目標化合物在萃取頭與水之間的分配已基本達到平衡，溫度對萃取效率影響不明顯（圖2E和圖2F）。

3.2二維交互實驗

考慮單因子實驗不能反映因子共同作用時的萃取效果，選用Design Expert中Factorial的2Level Factorial設計方法研究了甲醇、NaCl、攪拌速率、溫度4個因素共同作用時對萃取效果的影響。按照Design Expert提供的實驗方案完成實驗，并將18種化合物在每次實驗中所得GCECD響應峰面積輸入該軟件，獲得最優方案。0%和30%甲醇（VV）的加入量比較，后者對萃取有利；0%和10%（mm）NaCl的加入量比較，前者對萃取有利；50和10000 rmin的攪拌速率比較，后者對萃取有利；30和40 ℃的萃取溫度比較，后者對萃取有利。這與單因子影響實驗結果完全吻合。

單因素實驗結合二維交互實驗，確定OFSPME的最佳萃取條件為：1000 rmin（攪拌速率）、30%（VV）甲醇、不添加NaCl、溫度40℃、萃取90 min。

3.3質量保證與控制

3.4分析技術比對

將OFSPME技術與文獻方法進行比較，如表3所示。相比其它方法，OFSPME技術檢出限低；操作過程僅需要添加少量甲醇（<3 mL），大大降低了有機溶劑的使用量；相比SBSE和SPME等商品化萃取裝置，OFSPME的實驗成本幾乎可以忽略不計；同時，本技術的受試化合物包括13種PBDEs和5種MeOPBDEs，擴大了本技術的適用范圍。

3.5廢水的加標回收測定

對采自南京市某污水處理廠進水中PBDEs和MeOPBDEs進行測定。結果表明，其目標化合物均低于本方法檢出限。進一步對此廢水樣品進行了加標測定。結果表明，與純水相比，生活廢水基質使光纖對目標化合物的萃取量稍有降低，但不顯著；生活廢水在3種加標濃度下，其相對標準偏差范圍在0.3%～13.0%之間；相同線性范圍下，廢水加標的相關性系數略低于純水。

4結論

本研究采用附著PDMS涂層的普通光纖，開發出水中痕量PBDEs及其甲氧基代謝物的分析方法。質控數據顯示，該方法具有較低的檢測限和良好的重現性；同時，該方法相比傳統固相微萃取技術更廉價。本方法為自然水樣或者實驗室PBDEs暴露水樣中PBDEs和MeOPBDEs分析，提供了一種低成本、簡單快速和可信度高的方法。