張煒,楊永壇?,王松雪,李森,李麗,蔡娣
(國家糧食和物資儲備局科學研究院,北京 100037)
持久性有機污染物(Persistent Organic Pollutants,POPs)是一系列具有長期殘留性,高毒性,生物累積性,半揮發性,可以通過大氣、水和生物等介質進行長距離遷移,對環境和生物體有嚴重危害性的天然或人工合成的有機污染物[1]。有機氯農藥(Organochlorinated Pesticides,OCPs),多氯聯苯(Polychlorinated Biphenyl,PCBs),多溴聯苯醚(Polybrominated Diphenyl Ethers,PBDEs)是典型的人工合成的持久性有機污染物,廣泛存在于環境之中,可通過食物鏈在生物體中累積,最終危害人體健康[2-3]。
根據研究,人體中有 90%的持久性有機污染物通過受污染的食物攝入[4-5]。小麥是我國的主要糧食作物,尤其是我國北方地區,小麥類食品在膳食組成中占有較大的比例。因此,小麥中可能存在的痕量持久性有機污染物,成為危害人們身體健康的安全隱患,需要對其進行檢測分析。
目前,對小麥樣品中的有機氯農藥,多氯聯苯和多溴聯苯醚的分析主要采用氣相色譜-電子捕獲檢測器(Gas Chromatography-Electron Capture Detector,GC-ECD)[6-8]和氣相色譜-質譜檢測器(Gas Chromatography-Mass Spectrometry,GC-MS)[9-12]。GC-ECD 法通過保留時間一個參數進行定性,易受基質干擾,容易出現假陽性的結果。而氣相色譜-質譜方法通過質譜譜圖進行輔助定性,可以用于多組分分析;但是仍然容易受到基質的干擾,影響其檢測限和定性準確性。三重四極桿串聯質譜(Triple Quadrupole Tandem Mass Spectrometry,MS/MS)通過前級離子和碎片離子的兩級篩選,有效降低基質干擾,提高了分析的特異性,結合氣相色譜,是用于痕量持久性有機污染物檢測分析的理想方法[13-14]。采用氣相色譜-串聯質譜(GC-MS/MS)方法進行分析對樣品前處理的要求也相對較低。
小麥樣品前處理主要通過索氏提取[9-11],加速溶劑萃取[7-8]等方法進行提取,再結合凝膠滲透色譜(Gel Permeation Chromatography,GPC)[7-8],硫酸洗滌[5]或混合硅膠柱[9-11]進行凈化,存在耗時長,操作復雜,溶劑用量大,樣品通量小等缺點。
本研究擬采用氣相色譜-三重四極桿質譜,建立小麥中7種多氯聯苯,7種有機氯農藥和13種多溴聯苯醚共 27種代表性持久性有機污染物的分析方法,并采用直接提取-固相萃取凈化的方法對小麥樣品進行快速前處理,簡化樣品前處理方法,提高方法的應用性和檢測通量,從而為保障小麥質量安全提供技術支撐。
8890B氣相色譜-7000D三重四極桿質譜,配有MMI多功能進樣口及7693 A自動進樣器:美國安捷倫公司;Practum213高精度天平(精度0.001 g):德國賽多利斯公司;N-EVAP112氮吹儀:美國Organomation公司;Rotavapor R-300旋轉蒸發儀:瑞士Buchi公司;5810 R低溫高速離心機:德國Eppendorf公司;Fotector Plus自動固相萃取儀:睿科公司;Laboratory Mill 3310粉碎機:瑞典波通公司。
正己烷、乙酸乙酯、異辛烷(農殘級):百靈威科技有限公司;二氯甲烷(農殘級):上海安譜公司;乙腈(HPLC級):德國Merck公司;丙酮(HPLC級):美國 Fisher公司;無水氯化鈉無水硫酸鎂(分析純):上海阿拉丁公司。
硅膠填料(60-200 mesh):德國Merck公司,44%硫酸酸化硅膠、中性氧化鋁(CNW):上海安譜公司。
7種含氯農藥的單獨標準溶液(純度 98%,100 g/mL于異辛烷):α-六六六(Hexachlorocyclohexane,HCH),β-六六六,γ-六六六,δ-六六六,ε-六六六,2,4′-滴滴涕(Dichlorodiphenyltrichloroethane,DDT),4,4′-滴滴涕;7種指示型多氯聯苯單獨標準溶液(濃度均為100 g/mL于異辛烷):PCB28(2,4,4′-三氯聯苯),PCB52(2,2′,5,5′-四氯聯苯),PCB101(2,2′,4,5,5′-五氯聯苯),PCB118(2,3′,4,4′,5-五氯聯苯),PCB138(2,2′,3,4,4′,5′-六氯聯苯),PCB153(2,2′,4,4′,5,5′-六氯聯苯),PCB180(2,2′,3,4,4′,5,5′-七氯聯苯);13 種指示型多溴聯苯醚單獨及混合標準溶液(濃度均為 50 g/mL于異辛烷):BDE3(4-溴聯苯醚),BDE15(4,4′-二溴聯苯醚),BDE25(2,3′,4-三溴聯苯醚),BDE28(2,4,4′-三溴聯苯醚),BDE47(2,2′,4,4′-四溴聯苯醚),BDE99(2,2′,4,4′,5-五溴聯苯醚),BDE100(2,2′,4,4′,6-五溴聯苯醚),BDE153(2, 2′,4,4′,5,5′-六溴聯苯醚),BDE154(2,2′,4,4′,5,6′-六溴聯苯醚),BDE183(2,2′,3,4,4′,5′,6-七溴聯苯醚),BDE203(2,2′,3,4,4′,5,5′,6-八溴聯苯醚),BDE206(2,2′,3,3′,4,4′,5,5′,6-九溴聯苯醚),BDE209(十溴聯苯醚);定量內標:2種氘代多氯聯苯混合溶劑(純度98%,10.0 g/L 于正己烷):PCB77-d6(3,3′,4,4′-四氯聯苯-d6),PCB156-d3(2,3,3′,4,4′,5-六氯聯苯-d3);進樣內標:2種氘代多氯聯苯混合溶劑(純度98%,10 g/L 于正己烷):PCB28-d4(2,4,4′-三氯聯苯-d4),PCB114-d4(2,3,4,4′,5-五氯聯苯-d4)。
1.2.1 標準溶液配制
精確移取 7種有機氯農藥、7種多氯聯苯、13種多溴聯苯醚的標準溶液進行混合后,采用異辛烷稀釋,配制為 7種有機氯農藥,7種多氯聯苯,9種多溴聯苯醚(BDE3,15,25,28,47,99,100,153,154)的最終濃度為 2.0 μg/mL,4種高取代溴聯苯醚(BDE183,203,206,209)的最終濃度分別為4.0、6.0、8.0、10.0 g/mL的混合標準儲備液;定量內標和進樣內標分別以異辛烷進行稀釋,均配置為100.0 ng/mL的工作液。
將 27種持久性有機物的混合標準儲備液用異辛烷進行稀釋,配制成10個濃度梯度的標準系列溶液(濃度為0.1、0.2、0.5、1.0、2.0、5.0、10.0、20.0、50.0、100.0 ng/mL,其中BDE183,203,206,209的濃度分別為2倍,3倍,4倍,5倍),其中加入定量內標,其濃度均為10.0 ng/mL。所有儲備液和工作液在-18 ℃下避光保存。
1.2.2 樣品采集和預處理
8個小麥樣品選擇在小麥成熟后,待農戶收割儲存不久上門收集。采集地區為我國小麥主產區黃淮海小麥產區的河北省、山東省、河南省、安徽省。每個采樣地區的四個采樣點樣品混合為一個樣品,每個采樣點采集0.5 kg樣品。收集到的小麥樣品盡快帶回實驗室,進行除雜,清洗等初步處理后,在通風處晾干。用粉碎機粉碎成粉,裝入自封袋中常溫避光保存。
1.2.3 樣品前處理
稱取10.0 g小麥粉樣品置于50 mL離心管中,加入100 L定量內標,輕輕振蕩均勻,向其中加入10 mL水后,充分振搖,加入15 mL乙酸乙酯進行提取,充分振搖3 min后,向混合物中依次加入3 g氯化鈉和3 g無水硫酸鎂,并充分搖勻。所得混合物進行高速離心5 min(10 ℃,10 000 r/min),取上清有機層。向剩余樣品中入15 mL乙酸乙酯,再次充分振搖提取,之后高速離心分離(10 ℃,10 000 rpm,5 min),取上層有機層與前次提取液合并。
將合并后的有機提取液在旋轉蒸發儀上除去大部分乙酸乙酯至近干,剩余油狀物使用 1 mL正己烷進行復溶,采用酸性硅膠凈化柱進行凈化。凈化柱由5 g 44%酸性硅膠裝填,用10 mL正己烷/二氯甲烷混合液(3/1,V/V)和10 mL正己烷對凈化柱進行淋洗、活化。上樣后,使用 6 mL正己烷和15 mL正己烷/二氯甲烷混合液(3/1,V/V)依次淋洗,收集上樣后的所有淋洗液。在旋轉蒸發儀上蒸發除去大部分溶劑至約0.5 mL,加入約1 mL正己烷/二氯甲烷(3/1,V/V)混合液,轉移至氣相色譜進樣瓶中,在氮氣流下吹干,加入900 L異辛烷和100 L進樣內標,混勻后待分析。
1.2.4 氣相色譜-三重四極桿質譜(GC-MS/MS)分析條件
色譜條件:采用程序升溫(Programmed Temperature Vaporizer,PTV)加壓不分流進樣模式。進樣口初始溫度設為150 ℃,保持0.1 min,之后以600 ℃/min的升溫速率升溫至310 ℃;同時,進樣口壓力設為25 psi,保持1.2 min;分流口在1.5 min后打開,吹掃氣流速設為50 mL/min;進樣量2 L。色譜柱為DB-5MS(15 m×0.25 mm×0.1 m);載氣為氦氣,流速為1.2 mL/min。采用程序升溫模式,初始溫度為90 ℃,以5 ℃/min升至190 ℃,再以20 ℃/min 升至320 ℃,并保持5 min。傳輸線溫度設為290 ℃。
質譜條件:采用 EI源,離子源溫度設為300 ℃;Q1,Q3四極桿溫度均設為200 ℃;氮氣為碰撞氣,流速1.5 mL/min;氦氣為淬滅氣,流速2.25 mL/min。質譜檢測采用動態多反應檢測模式(dynamic Multiple Reaction Monitoring,dMRM),相應目標化合物的MRM參數見表1。電子倍增器(Channel Electron Multipliers,CEM)增益因子為15,掃描次數為5 次/秒。

表1 27種目標持久性有機污染物,定量內標和進樣內標的氣相色譜-三重四極桿質譜參數Table 1 GC-MS/MS parameters of 27 target POPs, internal standards and syringe standards
1.2.5 小麥空白樣品
將所有小麥樣品采用 1.2.3方法進行前處理后,按照1.2.4條件進行GC-MS/MS分析。根據分析結果,選擇所有目標分析物低于檢出限的小麥樣品2份進行混合,作為小麥空白樣品。
采集到的數據使用 MassHunter WorkStation進行定性定量分析;樣品分析時,每個化合物以保留時間,兩對離子對及相對比例進行定性;選擇定量離子對,進行定量。
質譜的檢測器、質譜源、碰撞池等參數都影響分析的靈敏度和穩定性。多氯聯苯、有機氯農藥和多溴聯苯醚及其單體在串聯質譜中的裂解規律和特征碎片離子也各有差異。本研究通過對離子源溫度的優化,將離子源設為300 ℃可以較好的對高溴代多氯聯苯醚進行離子化,同時對多氯聯苯和有機氯農藥沒有影響。降低離子源溫度,可能會造成高溴代聯苯醚離子化不完全,響應降低,同時也可能污染離子源。
采用多選擇反應監測方式(MRM),對相應參數進行優化。首先確定每個目標物的前級離子,選擇全掃模式下具有代表性的最高和次高離子峰,設為前級離子(圖1)。其中,PCBs的主要離子為[M].+同位素峰簇;有機氯農藥六六六的 5個異構體的主要質譜峰為[M-H2Cl]+和[M-2H3Cl]+的同位素峰簇;滴滴涕的2個異構體的主要質譜峰為[M-C3Cl]+同位素峰簇;對于PBDEs,主要質譜峰一般為[M].+和[M-2Br]+的同位素峰簇,但隨著溴原子的增加,高取代PBDEs的分子離子峰不穩定,[M].+減小,主要質譜峰為[M-2Br]+的同位素峰簇。確定備選前級離子后,對其進行子離子掃描,找到對應的最高強度的碎片離子。根據質譜譜圖信息(圖1),PCBs的碎片離子主要為[M-2Cl]+;六六六的碎片峰主要為[M-2H3Cl]+;滴滴涕的主要碎片峰為[M-C5Cl]+;PBDEs的碎片離子根據不同的前級離子,一般是失去 2Br,COBr,CO2Br,CO3Br,CO4Br的離子。最后,對每個目標分析物前級離子的碎片離子進行碰撞能(Collision Energy,CE)優化,以最大化離子對的響應值(圖1)。每個目標分析物在多反應監測模式(MRM)下的離子對及相應最優碰撞能見表1。對于每個目標分析物,選擇響應最好的兩對離子對作為定量離子對和定性離子對。其中,響應最好離子對用于定量,響應稍差的離子對用于輔助定性。

圖1 代表性多氯聯苯,有機氯農藥,多溴聯苯醚串聯質譜特征和優化Fig.1 Mass spectra and optimization of tandem mass spectrometry of representative PCBs, OCPs and PBDEs
2.2.1 色譜柱選擇
多氯聯苯、有機氯農藥、多溴聯苯醚之間的性質差別較大,而在同類化合物之內又存在同分異構體,因此,進行色譜分離時,需要進行全面考慮,對色譜分離條件進行優化[15-16]。本研究比較了兩種不同規格的 DB-5MS色譜柱,分別為30 m色譜柱(30 m×0.32 mm×0.25 m)和填料較薄的短柱(15 m×0.25 mm×0.1 m)。結果顯示,有機氯農藥,多氯聯苯以及二至七溴代聯苯醚(BDE3,15,25,28,47,99,100,183)在兩根色譜柱上都可以較好的出峰,響應值沒有明顯差別。但是,對于易分解的八、九、十溴代聯苯醚(BDE203,206,209),可能由于其與色譜柱填料結合較為緊密,較長時間處于高溫的狀況,發生了分解,所以在較長色譜柱上基本無法出峰[17](圖2)。此外,PCB153和 4,4′-DDT共流出,無法分開(圖2-1,圖2-2),但是根據它們在質譜特征上的較大差別(圖3),可以進行定性。根據所有目標分析物的分離和響應情況,本研究使用較短的DB-5MS色譜柱進行分析。

圖2-1 標準混合樣品在30米DB-5MS色譜柱上的GC-MS的總離子流色譜圖Fig.2-1 Total ion chromatography (TIC) of target standards on 30 m DB-5MS column

圖2-2 標準混合樣品在15米DB-5MS色譜柱上的GC-MS的總離子流色譜圖Fig.2-2 Total ion chromatography (TIC) of target standards on 15 m DB-5MS column

圖3 PCB153與4,4′-DDT質譜圖Fig.3 Mass spectra of PCB153 and 4,4′-DDT
2.2.2 進樣方式優化
多氯聯苯、有機氯農藥、多溴聯苯醚同時分析時,由于不同化合物單體的分子量和揮發性差別很大,采用不分流進樣方式時容易造成“歧視”[18]。另外,多溴聯苯醚在高溫下易分解,在分析時需要在短時間內其加載到色譜柱之上,以減少在高溫進樣口的分解[19]。程序升溫(PTV)進樣模式是在低溫下導入樣品,減少不穩定化合物在進樣口的分解,之后快速升溫,使所有待分析的物質快速汽化后,導入到色譜柱上進行分離,避免“歧視”。本研究比較了常規不分流進樣,加壓不分流進樣,程序升溫加壓不分流進樣的進樣方式(表2)。結果顯示,加壓不分流進樣模式比不分流進樣模式給出稍好的結果;而采用PTV加壓不分流進樣模式后,多溴聯苯醚的響應均有所增加,尤其是不穩定的BDE206和BDE209增加的幅度最大(圖4)。

表2 進樣模式參數Table 2 Parameters of different injection modes

圖4 不同進樣模式比較Fig.4 Comparison of different injection modes
2.2.3 其它色譜條件優化
進行多組分同時分析時,通常采用程序升溫的方式進行分離。本研究經優化,確定了升溫程序(見1.2.4)。分析開始時以較慢速率升溫(5 ℃/min),可以將有機氯農藥,多氯聯苯和低取代多溴聯苯醚進行分離,特別是可將六六六的5個異構體進行基線分離。23 min后采用較快速率加熱(20 ℃/min),在保證分離度(R=1.5)的情況下,將剩余8個高取代多溴聯苯醚盡快洗脫出來,以縮短高溫條件下其在色譜柱上的駐留時間,減少分解(見圖2-2)。載氣流速對目標物的分離影響較小,選擇1.2 mL/min的流速進行分離。
多氯聯苯、有機氯農藥、多溴聯苯醚均為弱極性化合物,一般采用極性較小的有機溶劑進行提取。本研究采用直接提取法對小麥樣品進行提取,比較了乙酸乙酯、乙腈、正己烷/丙酮(1∶1,V/V)混合溶劑,以及正己烷/二氯甲烷(1∶1,V/V)混合溶劑作為提取劑的提取效果。結果顯示(圖5),在10 ng/mL水平下,乙酸乙酯可以比較有效的對小麥粉中的持久性有機污染物進行提取,提取效率最好,而且其操作簡單,經濟性好,毒性小。

圖5 提取溶劑比較Fig.5 Comparison of extraction solvents
小麥中含有脂肪、糖類、色素等多種有機化合物,提取時會被一同提取出來,對分析產生干擾,因此需要對提取物進行凈化。本研究中采用GC-MS/MS進行檢測,可以減輕雜質對目標物檢測的影響,因此對凈化條件進行簡化,直接采用固相凈化柱法凈化待測物。
文獻中常用于持久性有機污染物的固相凈化填料主要有硅膠、氧化鋁、florisil等,而混合硅膠柱的凈化效果較好。本研究中發現只使用酸性硅膠(44%硫酸)的單一填料即可以有效去除小麥提取物中的脂質和色素等雜質。酸性硅膠可以看作硅膠將硫酸固載化形成的固體酸,這種凈化填料結合磺化法和硅膠柱層析兩種方法的優點,通過氧化和水解達到去除脂肪等雜質。相比于混合硅膠柱,采用單一酸性硅膠凈化柱,節省了成本,并且較少洗脫溶劑的用量。
采用優化的氣相色譜-三重四極桿質譜儀器分析方法,對10個不同濃度的標準混合物進行測定。以PCB156-d3為內標,以濃度比為橫坐標,峰面積比為縱坐標,進行線性回歸擬合。結果顯示(表3),7種多氯聯苯,7種有機氯農藥和4種中低取代多溴聯苯醚(BDE3,15,25,47)在0.1~20.0 ng/mL的濃度范圍內呈較好的線性關系,R2大于0.998;多溴聯苯醚(BDE99,100,153,154)分別在 0.2~50.0 ng/mL、0.5~100.0 ng/mL 范圍內呈較好的線性關系,R2大于0.996;七溴聯苯醚 BDE183,八溴聯苯醚 BDE203,九溴聯苯醚BDE206和十溴聯苯醚BDE209為二次回歸曲線,濃度范圍分別為 0.6~200.0、4.0~300.0、6.0~400.0 和25.0~500.0 ng/mL,R2均大于0.999。高取代多溴聯苯醚呈現二次曲線回歸,可能是由于這些化合物穩定性差,在不同濃度下其分解程度不同所導致。

表3 27種持久性有機污染物的線性回歸方程Table 3 Linear equations, correlation coefficients (R2) of 27 persistent organic pollutants
選用空白小麥樣品,向其中添加不同濃度水平的混合標準品溶液,使樣品中的濃度為 0.04、0.40、1.00、2.00 ng/g(其中 BDE183為 2倍,BDE203為3倍,BDE206為4倍,BDE209為5倍)。樣品經前處理后,進行GC-MS/MS分析。每個樣品平行進行6次,計算每個濃度的回收率和相對標準偏差。結果顯示(表4),小麥基質中,在 3個不同添加濃度水平下(BDE203,BDE206,BDE209為2個添加濃度水平),4-溴聯苯醚(BDE3)由于揮發性較高,在樣品前處理過程中損失較多[20],回收率低而且不穩定。其它26種持久性有機污染物的回收率在 57.9%~118.6%之間,相對標準偏差在1.6%~10.7%之間。定量內標(PCB156-d3)以進樣內標PCB28-d4為參照,其回收率為 55.9%~68.3%(RSD 5.0%~9.4%)。

表4 小麥中27種持久性有機污染物的加標回收率,方法檢出限和定量限Table 4 Recovery, method limit of detection and limit of quantitation of 27 POPs in wheat
方法檢出限是衡量分析方法檢測能力的最主要指標,是能夠將目標分析物從背景中檢測出來時目標物的最低濃度。本研究采用每個化合物方法檢出限2~10倍的標準添加樣品,重復進樣6次,計算所得濃度的標準偏差SD,按下列LOD公式計算方法檢出限(Limit of Detection,LOD)[21]。方法定量限(Limit of Quantitation,LOQ)以3.3倍方法檢出限進行計算。

根據結果,小麥基質中,7個多氯聯苯,7個有機氯農藥,3個多溴聯苯醚(BDE15,25,47)共 18個化合物的檢測靈敏度較高,檢出限在0.001~0.007 ng/g之間;5個多溴聯苯醚(BDE99,100,153,154,183)的檢出限稍差,為 0.007~0.028 ng/g之間;而八溴聯苯醚BDE203,九溴聯苯醚 BDE206,十溴聯苯醚 BDE209由于受到同位素效應,MRM檢測方式以及穩定性的影響,檢出限相對較高,分別為0.260、0.336和1.108 ng/g。根據國家標準GB 2762—2017中規定[22],小麥等谷物中 4種六六六異構體總量的限量標準為0.05 mg/kg,4種滴滴涕類農藥總量的限量標準為0.1 mg/kg,本方法完全滿足國家限量標準的要求。另外,國家標準 GB 5009.190—2014[23]中使用氣相色譜-質譜(GC-MS)和氣相色譜-離子阱-串聯質譜(GC-MS)對多氯聯苯進行檢出,采用索氏提取,復合柱凈化富集,方法的定量限為0.5 g/kg。在國家標準GB 5009.19—2008[24]中,使用氣相色譜-電子捕獲檢測器對有機氯農藥進行分析,采用直接提取,凝膠色譜法凈化,六六六的檢出限在0.075~0.284 g/kg,滴滴涕的檢出限在 0.029~0.032 g/kg。本研究所建立的方法對多氯聯苯,有機氯農藥的檢測具有更好的檢出限和定量限,且前處理操作簡單。
采用所建立的分析方法對采集的8份小麥樣品進行檢測分析。結果顯示(表5,圖6),在6份小麥樣品檢出痕量多氯聯苯PCB28。在4份樣品中檢出痕量有機氯農藥α-HCH單體;在1個樣品中檢出較高濃度的4,4′-DDT,含量達到0.150 ng/g,在這個樣品中也檢出痕量的 2,4′-DDT。但 HCH和DDT的總體含量小于食品安全國家標準GB2762的限量要求[22]。另外,在1個樣品中檢出十溴聯苯醚BDE209,其含量未達到方法定量限。

表5 小麥樣品中持久性有機污染物的污染狀況(pg/g干重*)Table 5 The contamination of target POPs in wheat samples (pg/g d.w.*)

圖6 樣品中檢出持久性有機污染物與標準品提取離子圖(XIC)Fig.6 Extracted ion chromatogram (XIC) of positive target POPs in wheat samples and standards
建立了基于氣相色譜-三重四極桿質譜的小麥中27種持久性有機物的檢測分析方法,方法具有較好的準確度和精密度。樣品前處理采用乙酸乙酯直接提取,酸性硅膠凈化,操作較為簡單快速,溶劑用量少。所建立的方法可以對小麥樣品中的痕量的有機氯農藥、多氯聯苯、多溴聯苯醚進行同時分析,尤其適用于大量樣品的測定。
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