超聲提取-濃硫酸萃取凈化-氣質聯用法測定跑道試樣中短鏈氯化石蠟的含量

黃紹軍，杜 萍，何素芳，劉能生

（1. 昆明理工大學 生命科學與技術學院，云南 昆明 650500；2. 昆明理工大學 分析測試研究中心（云南省分析測試中心），云南 昆明 650093； 3. 昆明理工大學 冶金與能源工程學院，云南 昆明 650093）

毒跑道對人體有害，可導致流鼻血、頭暈頭痛、嘔吐、皮膚瘙癢/紅疹、上呼吸道癥、胸悶乏力、脫發等癥狀，更為嚴重的可導致死亡［1］。彈性跑道已應用幾十年，應用于運動場地的合成材料趨于多樣化，如有機硅改性聚氨酯（硅PU）、丙烯酸、聚氯乙烯、橡膠、聚乙烯、聚氨酯等［2］，相應地，運動場地中有毒、有害物質的來源也增多了。短鏈（C10～C13）氯化石蠟（SCCPs）是由石蠟經氯化制得，由于具有增塑和阻燃的功能，常被添加到塑膠跑道中［3］。SCCPs 具有遠距離環境遷移能力、難降解、生物蓄積性和生態毒性等特點，被國際癌癥研究機構劃歸為致癌2B 類物質［4-5］。我國于2018 年11 月強制執行的GB 36246—2018 標準［6］，對運動場地合成材料面層和非固體原料中SCCPs的含量進行了限制，規定合成材料面層成品和非固體原料中SCCPs 含量均不得超過1.5 g/kg。由于SCCPs 成分復雜，目前的分析測試方法尚未統一，分析結果存在一定差異，且往往高于實際值［7-9］。多鹵代有機物和復雜基體對SCCPs 檢測會造成嚴重干擾［10］，并且SCCPs 可分為不同氯化度及不同碳數，包含的同系物、異構體、對映體和非對映異構體數量眾多，無法在色譜柱上實現完全分離，對這些化合物的定性和準確定量仍然存在很多困難［4，7，11］。因此，含鹵雜質的干擾往往使得測試結果偏高。

本工作使用正己烷超聲提取法，保證了SCCPs的提取效率；采用濃硫酸凈化基體，有效去除了干擾；從總離子流圖譜中提取了具有代表性的24 種SCCPs 化合物的定性和定量離子，確定了它們的保留時間、峰形和豐度比，并利用24 對定性/定量離子對試樣進行定性篩查，建立了用于復雜基體中SCCPs 總含量測定的GC-MS 方法，并將其應用于11 批次中小學運動場地彈性跑道成品和非固體原料等實際試樣的檢測。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

456-GC/ SCION TQ 型氣相色譜-質譜聯用儀：德國布魯克公司，配置化學離子源；TDL-40B 型離心機：上海安亭科學儀器廠；SB-5200DT 型超聲波清洗機：寧波新芝生物科技股份有限公司；JXFSTPRP-Ⅱ-02 型液氮冷凍研磨儀：上海凈信實業發展有限公司；0.45 μm 有機相濾膜：天津市津騰實驗設備有限公司。

氦氣：純度大于等于99.999%，四川梅塞爾氣體產品有限公司；甲烷：純度大于等于99.99%，佛山市高明區捷和氣體有限公司；標準品：平均氯化度分別為51.5%，55.5%，63.0%的SCCPs，質量濃度均為100 mg/L；內標物ε-1，2，3，4，5，6-六氯環己烷（ε-HCH）：質量濃度為100 mg/L，德國Dr. Ehrenstorfer GmbH 公司；正己烷、濃硫酸：分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

試樣1：硅PU，綠色塊狀固體，尺寸為300 mm×300 mm×50 mm，云南宏昌建設有限責任公司提供；試樣2：跑道底料A/跑道底料B（質量比1∶5），跑道底料A 為透明液體，跑道底料B為紅色液體；試樣3：自結紋面漆甲組/自結紋面漆乙組（質量比1∶2），自結紋面漆甲組為透明液體，自結紋面漆乙組為紅色液體；試樣4：硅PU 彈性層，綠色液體；試樣5：硅PU 面漆，紅色液體，巍山彝族回族自治縣第一中學提供；試樣6：滲水型跑道，紅色塊狀固體，尺寸為280 mm×360 mm×15 mm；試樣7：非滲水型跑道，紅色塊狀固體，尺寸為245 mm×245 mm×12 mm，云南省馬關縣教育局提供；試樣8：跑道PU 底料A04/跑道PU 底料B04（質量比1∶4），跑道PU 底料A04 為透明淺黃色液體，跑道PU 底料B04 為紅色液體，石屏縣職業高級中學提供；試樣9：滲水型塑膠跑道，紅色塊狀固體，尺寸為300 mm×400 mm×10.5 mm，云南省馬關縣教育局提供；試樣10、試樣11：塑膠跑道，紅色塊狀固體，尺寸為300 mm×400 mm×實際厚度，馬關縣第一建筑工程公司提供。

1.2 試樣前處理

將試樣剪碎后用液氮冷卻并粉碎（液體試樣無需剪碎、冷卻和粉碎），稱量0.5 g 待測試樣，放入帶密封蓋的螺口刻度試管中，加入2.5 mL 質量濃度為2 mg/L 的ε-HCH 內標溶液和7.5 mL 正己烷，加蓋后用超聲波萃取儀在60 ℃水溫下超聲萃取60 min，搖勻冷卻至室溫。取5 mL 試樣溶液置于帶蓋的離心管中，并加入5 mL 質量分數為98%的濃硫酸，充分混勻并用離心機分離，收集上層有機溶液。重復以上操作直至下層酸溶液澄清或無色，此過程不超過5 次。取上層有機溶液適量，用0.45 μm 有機相濾膜過濾后，進行GC-MS 分析。

1.3 標準工作溶液配制及校準曲線繪制

分別取2.50，1.25，0.80，0.40，0.20 mL 不同平均氯化度的SCCPs 儲備液（平均氯化度為51.5%，55.5%，63.0%的三種SCCPs 在混合工作溶液中的質量比為1∶1∶1）置于10 mL 容量瓶中，再向每個容量瓶中加入2.5 mL 質量濃度為2 mg/L的ε-HCH 內標溶液并用正己烷定容至刻度，得到SCCPs 總質量濃度分別為75.0，37.5，24.0，12.0，6.0 mg/L 的標準工作溶液，ε-HCH 的質量濃度皆為0.5 mg/L，用GC-MS 進行分析并繪制校準曲線。

1.4 實驗條件

色譜條件：色譜柱為Agilent J&W HP-5MS 型毛細管柱，尺寸為30 m×0.25 mm×0.25 μm；載氣為氦氣，流量為2 mL/min；進樣口溫度300 ℃；分流方式為不分流；柱溫初始溫度為80 ℃，以40 ℃/min 的速率升至300 ℃，保持5 min。

質譜條件：電離方式為電子捕獲負化學源電離，電離電壓為75 eV，燈絲電流為90 μA，反應氣（甲烷）壓力為8.3×104Pa，離子源溫度為200 ℃，傳輸線溫度為280 ℃，溶劑延遲時間為3.5 min，定性方式采用全掃描，質量掃描范圍50 ～550，定量方式為選擇離子監視（SIM）。

2 結果與討論

2.1 試樣的前處理

超聲提取方式具有很高的提取效率［12］，且SCCPs 為弱極性化合物，所以將固體試樣先剪碎后用液氮冷凍粉碎，再在60 ℃下用正己烷超聲提取60 min，這樣能保證SCCPs 被充分地提取出來。試樣的正己烷提取液及用濃硫酸萃取一次后的試樣提取液見圖1。與已報道的試樣提取方法［13］相比，本工作減少了試樣提取溶劑的用量，提高了提取溫度、延長了提取時間，在節省溶劑的同時更有利于試樣中SCCPs 的充分提取。此外，雖然試樣提取液看起來無色透明（見圖1a），但仍存在很多基體材料，如果不提前處理干凈，會產生干擾，并污染色譜系統。濃硫酸具有較強的氧化能力，可去除塑膠跑道中干擾SCCPs 檢測的含氮、氧、硫等雜原子有機鹵素化合物及易被氧化的不飽和有機鹵素化合物［14-16］。因此，采用濃硫酸反復萃取并分解試樣中的含鹵雜質和殘留的基體材料。由圖1b 可知，經過萃取后的濃硫酸層呈現出淺黃色到深紅色，這是基體材料不同導致的色差。將試樣提取液反復用濃硫酸萃取并離心至下層酸溶液澄清或至無色，這樣可保證提取液中基本不存在基體材料和含鹵雜質。與使用弗羅里硅土固相萃取小柱［13］或弗羅里硅土/硅膠復合層析柱［17］相比，采用濃硫酸萃取凈化具有操作簡單、經濟、省時、穩定性和回收率較高等優點，適用于處理大批量試樣；并且采用濃硫酸萃取凈化的試樣，更容易消除基體材料的干擾。

圖1 試樣的正己烷提取液（a）及用濃硫酸萃取一次后的試樣提取液（b） Fig.1 Sample extracts in n-hexane(a) and sample extracts treated once with concentrated H2SO4(b) .

2.2 SCCPs 化合物定性

采用平均氯化度分別為51.5%，55.5%，63.0%的SCCPs 配制混合標液，基本上覆蓋了試樣中可能含有的SCCPs 化合物。混合標液中24 種典型的化合物極性相似，在色譜柱上有相似的保留行為。SCCPs （75 mg/L）和內標物ε-HCH（0.5 mg/L）的總離子流色譜圖見圖2。

圖2 SCCPs（75 mg/L）和內標物ε-HCH（0.5 mg/L）的總離子流色譜圖Fig. 2 Total ion current chromatogram of SCCPs(75 mg/L) and the internal standard ε-HCH(0.5 mg/L).

由圖2 可知，SCCPs 化合物總體上為五指簇峰，且一個峰中包含多種化合物［18-19］，給24 種SCCPs的定性增加了難度。直接搜索并提取得到24 對定性/定量離子的色譜圖，從而能準確地找到標樣中每對定性/定量離子的保留時間、峰形和豐度比，為試樣中SCCPs 及假陽性的判斷奠定了基礎。如果試樣中某一對定性/定量離子的保留時間、峰形和豐度比的某一項與標樣有明顯的差別，則可判定為假陽性。實驗結果表明，每種離子不是一個單一的峰，而是在一個較寬的保留時間范圍內出現，且質荷比相近的兩個離子的豐度比均接近1∶1，其中277/279 和321/319 這兩對離子的強度較其他離子低1 ～2 個數量級，這是為了盡可能減少干擾而選擇的特異性定性/定量離子對。

24 種SCCPs 化合物的名稱、保留時間、保留時間窗口、定性離子、定量離子及豐度比見表1。由表1 可知，整體上碳數越高及氯含量越多，保留時間越長；所有離子都有比較寬的保留時間窗口，這是因為很多SCCPs 化合物都可電離得到同一離子，即一個掃描離子代表眾多化合物［17］；定性/定量離子的豐度比為21.7%～100.0%，但大部分接近于100.0%。文獻［13］中把SCCPs 看成一個整體，選擇一個定量離子和4 個定性離子對試樣進行定性篩查和定量，而本工作把SCCPs 看成是24 種典型SCCPs 化合物同分異構體的集合［17］，以24對定性/定量離子對試樣進行定性篩查和定量，更能有效避免假陽性誤判。

表1 SCCPs 化合物的分子式、保留時間、保留時間窗口、定性/定量離子和豐度比Table 1 Molecular formula，retention time and its window，qualitative/quantitative ions and abundance ratio for SCCPs

2.3 標準校正曲線及檢出限

本方法采用內標法定量，內標物選擇與SCCPs性質相似的ε-HCH，加入內標物的目的是為了減少試樣前處理、實驗條件和進樣量變化和儀器參數波動對測試帶來的影響。采用SIM 方式所監測的不同濃度SCCPs 的色譜圖及用內標法制作的SCCPs 的校正曲線見圖3。由圖3a 可知，內標物ε-HCH 的保留時間和峰面積的重現性都非常好，6.54 min 時出現的一個棒狀峰為干擾峰，不計入峰的總面積，因而不影響圖3b 中的線性關系。由圖3b 可知，24 種定量離子的峰面積之和與內標物定量離子峰面積的比值和質量濃度比值呈現良好的線性關系，線性方程為A/Ais=0.407c/cis+0.015（A為SCCPs 的24 種定量離子的峰面積之和；Ais為內標定量離子的峰面積；c 為SCCPs 總質量濃度，mg/L；cis為內標物質量濃度，mg/L）的相關系數達0.992。將質量濃度為6 mg/L 的SCCPs 逐級稀釋至剛好能產生約3 倍于噪聲的信號，并根據試樣的定容體積（10 mL）和質量（0.50 g）計算檢出限，得到SCCPs 的檢出限為0.01 μg/g，較用弗羅里硅土固相萃取柱或硅膠固相萃取柱凈化處理聯合電子轟擊離子源檢測獲得的檢出限［1，12，18］低1 ～3 個數量級。

圖3 采用SIM 方式所監測的不同濃度SCCPs 的色譜圖（a）及用內標法制作的SCCPs 的校正曲線（b）Fig.3 SIM chromatograms of SCCPs with different concentrations monitored in SIM mode(a) and calibration curve for SCCPs made by internal standard method(b).

2.4 回收率和精密度

分別定量添加質量濃度為75.0，12.0 mg/L 的SCCPs 混合標液于空白跑道試樣中，即塑膠跑道成品（試樣9 的空白樣）和固化劑（試樣2 中跑道底料A 的空白樣），加標體積皆為2 mL，使得試樣中SCCPs 的添加量分別為0.300，0.048 g/kg，每個添加量重復做6 次，計算平均回收率，實驗結果見表2。由表2 可知，SCCPs 的平均回收率為84.6%～97.3%，相對標準偏差均低于5%，說明該方法具有較好的準確性和重復性，結果可信。

表2 回收實驗結果（n=6）Table 2 Test results of recovery(n=6)

2.5 實際試樣分析

11 批次試樣基本覆蓋了中小學運動場地彈性跑道成品和非固體原料的各種類型。由兩種液體組成的試樣，且一種液體為固化劑時，因為兩種液體一旦混合就會固化結塊，不利于SCCPs 成分的有效提取且給取樣帶來困難，故只取其中的固化劑進行測試，所得結果按固化劑所占比例進行折算。如試樣8 中，跑道PU 底料A04 為固化劑，取樣時只取固化劑，測試結果乘以1/5 得最終結果。所檢測的11 批次試樣中，試樣1、試樣4、試樣8 的SCCPs 的含量分別為0.21，0.10，0.26 g/kg，其余試樣中未檢出SCCPs，均低于GB 36246—2018 的限量。值得注意的是，雖然試樣2 ～試樣4 的總離子流色譜峰面積較大（見圖4），但實際SCCPs含量非常低，可認為是SCCPs 的假陽性試樣。

圖4 所檢測11 批次試樣的SIM 色譜圖Fig.4 SIM chromatograms of 11 batches of samples.

3 結論

1）建立了復雜基體材料中SCCPs 總含量的檢測方法。以正己烷為提取溶劑，在較高溫度下利用超聲波輔助提取SCCPs，保證了提取效率，同時采用濃硫酸萃取凈化，有效去除了提取液中的基體材料和含鹵雜質對測試的干擾。

2）采用SIM 模式，利用SCCPs 中24 對定性/定量離子的保留時間、峰形和豐度比三個參數對試樣進行定性篩查，有效避免了假陽性誤判。

3）本方法具有試樣前處理簡單快捷、穩定、成本低，重復性、回收率和準確性高，抗干擾能力強等特點，能滿足大批量中小學運動場地彈性跑道成品和非固體原料等復雜基體材料中SCCPs 總含量的快速測定。