測定土壤中11種多溴二苯醚前處理方式和儀器條件優化研究

蔡言

摘 要：建立了通過加速溶劑萃取-氣相色譜三重四級桿質譜法測定土壤中11種多溴二苯醚的方法，優化了樣品萃取方式、氣相色譜進樣口模式、進樣口程序升溫初始溫度，確定離子源條件。結果表明：采用加速溶劑萃取方式能夠有效提高樣品處理速度、減少有機溶劑使用量;氣相色譜進樣口選用程序升溫模式，初始溫度為120℃，離子源溫度為280℃，環境中檢出率高的BDE-209的降解最少，響應值最好，各目標物線性好。11種多溴二苯醚的檢出限為0.006～0.540 μg·kg-1，各目標物的相對標準偏差為1.5%～25.0%，平均回收率為79.3%～123.0%。開展了北京地區土壤樣品多溴二苯醚的測定，分析方法重復性好，檢測結果準確，可用于批量測試。

關鍵詞：多溴二苯醚;加速溶劑萃取;氣相色譜三重四級桿質譜法;土壤

Optimization of pretreatment method and instrument conditions for determination of 11 polybrominated diphenyl ethers in soil

CAI Yan1，2

（1.Beijing Institute of Mineral Geology， Beijing 101500;

2.Beijing 101 Eco-Geology Detection Co.， Ltd.; Beijing 101500， China）

Abstract： This paper sets up a method for the determination of 11 polybrominated diphenyl ethers （PBDEs） in soil using accelerated solvent extraction（ASE）and gas chromatography triple quadrupole mass spectrometry. Investigations are carried out with the conditions such as extraction method， gas chromatography injection port mode， initial temperature of programmed temperature， ion source temperature and ion-pair selection. The results show that accelerated solvent extraction can effectively improve the speed of sample processing and reduce the use of organic solvents; when the initial temperature of programmed heating is 120 °C and the ion source temperature is 280 °C， BDE-209 has the highest detection rate in environment and the least degradation， best response and better linearity. MDL ranges from 0.006 μg·kg-1 to 0.540 μg·kg-1 and RSD ranges from 1.5% to 25.0% and recovery rate ranges from 79.3% to 123.0%. PBDEs in soil samples from Beijing are measured with the newly established methods producing satisfactory repeatability， and accurate and efficient results. The conclusion： the method is suitable for batch testing.

Keywords： polybrominated diphenyl ethers （PBDEs）; accelerated solvent extraction（ASE）; gas chromatography-triple quadrupole mass spectrometry; soil

多溴二苯醚（PBDEs）因阻燃效率高，價格低廉等優點，在紡織、家具家電和石油產品中作為阻燃劑被廣泛添加（王麗娟等，2019;宋倩，2015），但由于高親脂性、難降解性、生物毒性和生物累積性（余彬彬等，2017;Law Robin J et al.，2006;Xu Jing et al.，2019;Yadav et al.，2018），PBDEs逐漸被立法禁止使用（劉漢霞等，2005;徐庚等，2019）。《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》中作出了“重視新污染物治理”的工作部署。生態環境部已經組織編制了《新污染物治理行動方案（征求意見稿）》，此行動方案重點管控新污染物清單中明確提出了十溴二苯醚類。因此建立準確、高效、快捷的分析測試方法，能夠為國家新污染物管控提供真實準確的基礎數據。

工業五溴和八溴于2009年被列入《斯德哥爾摩公約》受控名單中，而十溴二苯醚在歐盟的RoHS《關于在電子電器設備中禁止使用某些有害物質指令》中得到豁免，因此十溴二苯醚得以繼續大量使用，使其在環境中有較大的存量，其引發的環境和健康風險正逐步受到社會各界的廣泛關注。十溴二苯醚又可通過降解轉化為其他低溴代化合物（陳澤秋等，2018），因此每類溴代化合物都有其檢測的必要性，生態環境部于2018年發布了HJ 952―2018《土壤和沉積多溴二苯醚的測定氣相色譜-質譜法》測定三溴至七溴和十溴代二苯醚共8種PBDEs，本文增加了八溴和九溴二苯醚，可以測定11種具有代表性的PBDEs。

PBDEs是添加型阻燃劑，并不與其他產品形成化學鍵，易從電子產品、家具中脫落而存在環境中（韓文亮等，2016;王麗琴等，2009;王維等，2014）。目前提取PBDEs的方法有索氏提取（陳瓊等，2018）、微波輔助萃取（梁淑軒等，2010）、加速溶劑-固相萃取（相雷雷等，2016）等。索氏提取時間和溶劑消耗較多，加速溶劑萃取將提取時間從數小時減少到幾分鐘，大幅減少有機溶劑消耗量。

美國環境保護署US EPA Method 1614A推薦使用高分辨氣相色譜質譜法（鄭曉燕等，2015），還有文獻報道使用氣相色譜質譜法（楊芳等，2016）、氣相色譜-串聯質譜法（盧俊文等，2017;張付海等，2019）等分析PBDEs。高分辨質譜法儀器對操作人員要求高，價格貴，不適于方法的推廣（張付海等，2019）。本文利用加速溶劑萃取-氣相色譜三重四級桿質譜法，結合同位素內標法，采用多重反應監測模式（MRM），建立了土壤中11種PBDEs的分析方法。相比單四級桿質譜選擇離子監測模式（SIM），MRM采用多對離子對進行定性定量，具有更高靈敏度，提高方法定性定量的準確性。

1? 實驗部分

1.1? 萃取設備和試劑材料

賽默飛ASE350加速溶劑萃取儀，北京萊伯泰科儀器股份有限公司多通道平行濃縮儀D-vap。

多溴二苯醚單標：ρ=50 mg·L-1，包括BDE-28、BDE-47、BDE-66、BDE-99、BDE-100、BDE-153、BDE-154、BDE-183、BDE-203、BDE-206、BDE-209，以異辛烷為溶劑，其中BDE-209的溶劑為異辛烷∶甲苯（1∶1，v/v）;碳標記多溴二苯醚單標溶液：ρ=50 mg·L-1，包括13C-BDE-28、13C-BDE-47、13C-BDE-99、13C-BDE-100、13C-BDE-153、13C-BDE-154、13C-BDE-183、13C-BDE-209，以壬烷為溶劑;40 mg·L-1的內標物（碳標記-PCB138和碳標記-PCB52）標準溶液（標準溶液購自ANPEL，Cambridge Isotope Labortories和AccuStandard公司）。

正己烷、二氯甲烷、甲醇、丙酮（均為色譜級）;濃硫酸;50 g·L-1的氫氧化鈉溶液;無水硫酸鈉;硅膠（100-200目）;2%氫氧化鈉硅膠;44%硫酸硅膠;石英砂;石英棉;二氯甲烷/正己烷混合溶劑（1∶1，v/v）;無水硫酸鈉（分析純）：需置于馬弗爐中400℃下烘4 h，冷卻后裝入密封的玻璃瓶中存放;玻璃層析柱空管：內徑15 mm，長300 mm，底部帶旋塞的玻璃填充柱管;所用氣體為高純氦氣和高純氮氣（純度均為99.999%）。

復合硅膠柱：內徑為15 mm，長度為30 cm的凈化柱空管，底端用玻璃棉封堵，從底端到頂端依次填入1 g活化硅膠、4 g堿性硅膠、1 g活化硅膠、8 g酸性硅膠、2 g活化硅膠、4 g無水硫酸鈉顆粒。

1.2? 土壤樣品制備

取樣瓶為聚四氟乙烯襯墊的棕色螺口玻璃瓶，滿瓶裝土，無頂上空間，采集后立即蓋蓋，并用封口膜密封。在4℃下保存，7 d內完成萃取，40 d內完成測試分析。挑除土壤樣品中的葉片、樹皮、草根、石子等雜物，稱取10.00 g（精確到0.01 g）土壤，并與硅藻土混合均勻，一同裝入34 mL的萃取池中，加入20.0 μL碳標記的多溴二苯醚提取內標溶液，混勻，然后加入少量硅藻土，擰緊萃取池上蓋。萃取加熱溫度100℃，靜態萃取時間10 min，萃取壓力1.034*107 Pa（1500 psi），萃取循環次數3次，收集提取液并經無水硫酸鈉脫水，氮吹濃縮至1 mL左右，轉移至用正己烷活化好的復合硅膠柱上凈化，用少量正己烷沖洗濃縮杯3次，洗液全部轉移至復合硅膠柱上，待液面降至無水硫酸鈉層時，加入100 mL正己烷-二氯甲烷混合溶液（1∶1，v/v）洗脫，收集洗脫液，氮吹濃縮至小于1 mL，加入10.0 μL進樣內標使用液，用正己烷定容至1.0 mL，混勻，進入氣相色譜三重四級桿質譜測定。

1.3? 儀器條件

Agilent 8890-7000D氣相色譜三重四級桿質譜儀色譜條件：進樣口為程序升溫，優化后的升溫程序見表1，氣相色譜柱溫箱升溫程序見表2。進樣體積為2 μL，脈沖高壓不分流進樣方式。色譜柱DB-5ht（15 m × 0.25 mm × 0.10 μm）。DB-5ht柱流速為1.0 mL·min-1，載氣為氦氣，輔助加熱器溫度為300℃。

質譜條件：離子源為EI，離子源電子能量70 eV，質量范圍：45～1100 amu，離子源溫度：280 ℃。四極桿溫度：150 ℃。數據采集模式：多重反應監測（MRM）工作模式。

2? 結果與討論

2.1? 儀器條件優化

2.1.1? 進樣口模式優化

多溴二苯醚具有熱不穩定性，尤其是高溴代化合物，易在高溫下降解，因此進樣口溫度不宜設置過高;但如果進樣口溫度過低，多溴二苯醚又會氣化不完全，所以，進樣口的溫度是保證PBDEs準確測定的關鍵環節。本方法對氣相色譜進樣口的恒溫進樣和程序升溫進樣2種進樣模式進行對比，考察PBDEs在2種模式下的響應情況。恒溫進樣溫度為270℃，最初的進樣口程序升溫進樣的程序見表3。

2種進樣模式的總離子流圖如圖1所示。從圖1中可以看出程序升溫進樣的信號強度稍高于270℃恒溫進樣的信號強度，表明程序升溫進樣模式能降低PBDEs在進樣口的降解程度。因此本方法選擇程序升溫進樣的方式進樣。

2.1.2? 進樣口程序升溫初始溫度的優化

中國自2007年禁止生產使用低溴二苯醚產品，保留十溴二苯醚（BDE-209）可以繼續使用，由于BDE-209市場需求量和使用量都很大，使得BDE-209在環境中檢出率高且含量相對較高。而經過查閱文獻資料及實踐發現，高溴代的多溴二苯醚熱不穩定性更加明顯，高溫下更易降解，響應低，比如即使BDE-209在系統中的濃度提高10倍，其響應比BDE-28還低5倍。測定高溴代的化合物，前進樣口設置為程序升溫進樣，能夠減少高溴代化合物在前進樣口處的降解和殘留，增加目標物的響應，延長儀器的使用壽命。

為了使BDE-209的響應達到最大化，前進樣口程序升溫初始溫度分別設置為80℃，100℃和120℃時，從圖2中可以看出，初始溫度越高，目標化合物的響應值越高，初始溫度在120℃時，BDE-203、BDE-206、BDE-209不僅峰型好且響應最強，因此將進樣口程序升溫的初始溫度設定為120℃。

2.1.3? 離子源條件的確定

在以上優化過的氣相色譜條件下對質譜條件進行優化。選擇MRM的質譜工作模式，可以避免假陽性結果，提高方法準確度和靈敏度，在MRM模式中，每種PBDE選擇2-3對定性離子，1對定量離子。首先通過全掃描模式（SCAN）確定各PBDE及其同位素標記物的母離子m/z，對離子源條件優化，以獲得最優的質譜響應，本方法考察了不同的離子源溫度對質譜響應的影響，離子源溫度優化范圍為230～320℃，結果如圖3所示，結果表明在此溫度范圍內，PBDEs的響應信號強度基本一致，考慮到過高的離子源溫度會降低離子源的使用壽命，本方法設置離子源溫度為280℃。再通過子離子模式（Product ion）確定子離子m/z，在MRM模式下優化碎裂能量（collison energy，CE）。最終得到PBDEs的分析數據庫。如表4所示。

在優化過程中發現，由于溴原子的同位素峰與非同位素峰質量數差2，強度比為79Br∶81Br =1∶1，因此在溴原子個數超過6以后，標準品與其對應的13C標記物會發生81Br679Brn-612C12HmO與79Brn13C12HmO質譜峰的重疊，如果選擇這個m/z的離子作為母離子、較小的碎片離子作為子離子的話，同樣會造成結果的假陽性，因此在選擇定性定量離子時有以下幾個原則：選擇質譜圖中對應化合物的一簇峰中m/z較大且響應較高的峰作為母離子;選擇具有特異性的碎片離子作為子離子;在多個定性離子對中選擇信噪比較高、干擾物少的離子對作為定量離子對。

2.1.4? 土壤萃取

加速溶劑萃取和索氏提取對比的總離子流疊加圖見圖4，低溴代化合物如BDE-28，BDE-47等先出峰的物質，雖然索式提取方式的響應值較高，但總體來說2種萃取方式的響應值相差不大。對于環境樣品中存量相對較高而在系統中響應較差的BDE-209，加速溶劑萃取方式所獲得的響應值相對較高。且索氏提取相較于加速溶劑萃取來說，時間和有機溶劑消耗較多，操作過程繁瑣，需要技術熟練地操作人員將樣品和硅藻土包裹到濾紙里，折疊成桶狀放進提取管中，提取結束后需要將圓底燒瓶和提取管中殘留的少量提取液全部倒出，并用溶劑沖洗與樣品接觸的玻璃器皿，此過程操作不當容易導致樣品灑落損失。而加速溶劑萃取僅僅將樣品和硅藻土放進萃取池中即可，儀器會自動收集萃取液，幾乎沒有損失。提取時間可以從數小時縮短到十幾分鐘，有機溶劑量從120 mL減少到30 mL左右，大幅度減少了的有機溶劑消耗量，更加生態環保，對于大批量的樣品測試來說，加速溶劑萃取的效率更優于索氏提取。

2.2? 校準曲線及方法學考察

2.2.1? 校準曲線分析

用正己烷、多溴二苯醚使用液、碳標記多溴二苯醚使用液、碳標記多氯聯苯使用液配制成相應濃度的標準系列。按照儀器分析條件，由低濃度到高濃度依次進行GC-MS/MS測定。以目標化合物濃度/提取內標濃度之比為橫坐標，目標物響應值/提取內標響應值之比為縱坐標，建立校準曲線，校準曲線相關系數均>0.99，線性好，能滿足測試需要（表5）。

2.2.2? 檢出限

取7份10 g干燥的石英砂作為空白基質，加入0.2 ng絕對量的PBDEs標準品（BDE-203和BDE-206為2 ng，BDE-209為20.0 ng）。同時加入20 ng絕對量（BDE-209為200 ng）的同位素標記的PBDEs，按試驗方法進行分析，計算每個空白基質樣品中PBDEs含量，計算7個平行樣結果的標準偏差，標準偏差×3.143為方法檢出限，以4倍方法檢出限作為測定下限。結果見表6。

2.2.3 ?精密度和準確度

在實際土壤樣品中分別加入低、中、高3個濃度的11種多溴二苯醚的混合標準溶液，按試驗方法平行測定6次，精密度和回收率結果見表7。方法檢出限、精密度、準確度等均能滿足批量樣品測試要求。

2.3? 土壤樣品測試結果

因PBDEs廣泛應用于電子產品、建材、紡織品和生活用品中，因此電子廠、電子拆解廠、垃圾處理廠為其潛在污染源，采集潛在污染源周邊區域的土壤樣品，用本方法進行測定。

表8為部分受污染地區樣品結果，11種PBDEs均有檢出，其中BDE-209為含量最高的單體，說明受污染區內PBDEs污染的主要來源是工業產品十溴二苯醚，其他幾種PBDEs可能來源于十溴二苯醚的降解。因此全部有檢出，并且含量較低，由此可見本方法較低的檢出限能夠滿足當前實際樣品的測試，并且實際樣品測試的平行性及加標回收率測試結果滿足質量控制要求。

3? 結論

本文建立了利用加速溶劑萃取-氣相色譜三重四級桿質譜法測定土壤中11種多溴二苯醚方法，采用定性離子對及保留時間定性，同位素內標法定量，選用程序升溫進樣模式，優化進樣口程序升溫初始溫度條件，減少高溴代化合物在前進樣口處的降解和殘留，增加目標物的響應，延長儀器的使用壽命;采用加速溶劑萃取土壤中的多溴二苯醚，提高測試效率，減少有機溶劑的使用量，讓測試更加低碳環保。結果表明，該法分析11種目標化合物僅用14 min，方法檢出限為0.006～0.540 μg·kg-1，所得11種多溴二苯醚的相對標準偏差為1.5%～25.0%，平均回收率為79.3%～123.0%。本法耗時少、準確度與精密度高，易于操作，滿足土壤中11種多溴二苯醚類化合物測定的要求，適合土壤批量樣品測試分析。

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