環境中新型阻燃劑檢測技術研究進展

張 弛，郭 麗，李愛民,2

1.湖北省生態環境監測中心站，湖北 武漢 430072 2.湖北省核與輻射環境監測技術中心，湖北 武漢 430060

阻燃劑(FRs)是一類可摻入易燃材料中的功能性助劑。其在塑料、家具材料、涂料、紡織品等的生產過程中被加入其中，用來防止易燃材料燃燒和火勢蔓延，減少火災造成的人身傷害和財產損失[1]。由于阻燃劑在日常使用中具有重要價值，其全球產量極大，而中國則是阻燃劑年消費量最大的國家[2]。

阻燃劑使用廣泛、種類眾多，根據化學組成，可分為溴代阻燃劑(BFRs)、氯代阻燃劑(CFRs)、無機阻燃劑等。在傳統有機阻燃劑中，含氯或溴的鹵系阻燃劑的使用量最高。這類阻燃劑由于沒有化學鍵的束縛，很容易經材料磨損、填埋、焚燒等釋放到環境中，并可在環境中持續存在，對人體和其他生物造成危害[1]。在鹵系阻燃劑中，多溴二苯醚(PBDEs)因具有較高的自由基捕獲效率，成為最常用的溴代阻燃劑，在鹵系阻燃劑產品中的占比最高[3]。由于對生態環境和人體健康具有潛在危害，這些傳統阻燃劑已被列入《關于持久性有機污染物的斯德哥爾摩公約》的禁止清單，逐漸被各國立法停止生產和使用，并被其他毒性較低的新型阻燃劑(NFRs)替代[4]。

近年來，隨著NFRs使用量的增加，一些新型氯代阻燃劑(NCFRs)、新型溴代阻燃劑(NBFRs)及有機磷酸酯阻燃劑(OPFRs)等開始在環境中被頻繁檢出，從而再次引起了人們的關注。NFRs大多屬于持久性有機污染物(POPs)，已經有研究報道了NFRs在生物和非生物環境基質中的普遍分布[5]，還有研究報道了NFRs可能具有某些潛在毒性[6]。此外，由于在南北極等邊遠地區發現了多種NFRs的存在，這類化合物的遠距離大氣傳輸(LRAT)能力也受到了人們的關注[7]。迄今為止，人們對這類新污染物的認識還比較有限，也缺少獲得廣泛認可的標準分析方法，因此，開發穩定、靈敏、可行的NFRs分析方法，對于監測其在環境中的化學行為和影響，貫徹落實《新污染物治理行動方案》，具有非常重要的現實意義。本文介紹了目前部分環境樣品中NFRs的分析方法，討論了各分析方法的技術特點，并展望了該領域未來的發展趨勢。

1 NFRs的分布及毒理學信息

NFRs主要包括NBFRs、NCFRs、OPFRs等，一些較受關注的NFRs如表1所示。

NFRs的使用非常廣泛，可用于塑料、橡膠、紡織品和電子產品的生產過程[5,8-9]。NFRs的生產場所和電子廢物的回收處置場所是環境中NFRs的主要檢出地，研究人員在許多國家的阻燃劑生產廠和電子垃圾處理廠周邊土壤及廢水中均發現了高濃度的NFRs。大部分NFRs具有持久性、半揮發性和脂溶性，并且在大氣和水環境中具有遠距離傳輸能力。目前，已有多種NFRs在南北極及原始山區等偏遠生態系統中被檢出。近年來，NFRs在人體中被檢出的頻率也越來越高，這引起了世界各國政府和國際組織的廣泛關注。盡管動物實驗表明，NFRs的急性毒性一般較低，但它們可能具有潛在的生物蓄積性和慢性毒性。此外，許多NFRs對生物具有潛在的神經毒性，并可能對生物內分泌產生干擾。目前，大多數NFRs還沒有受到相關生產和使用法規的嚴格管制，而且在全球范圍內的產量和銷量信息也比較有限。

2 環境樣品中NFRs的檢測技術

近年來，環境中NFRs的普遍存在引起了相關領域研究者的高度重視。由于NFRs在環境基體中的濃度水平極低(大多為ng/g或pg/g級別，甚至更低)，而含有NFRs的環境基體的成分大多比較復雜(如土壤、生物等環境基質中往往包含脂質、蛋白質、腐殖酸、色素等多種干擾性化合物)，并且一些化學性質不穩定的NFRs在分析過程中可能會發生分解或轉化等，因此，高靈敏度、高選擇性、高可靠性分析方法在準確定量環境中NFRs上的作用逐漸凸顯。在分析成分相對復雜的環境樣品時，首先需要采用合適的方法對樣品進行處理，包括提取、凈化、濃縮等步驟。

2.1 樣品提取

為了獲得高質量的檢測結果，樣品提取在整個分析過程中起著至關重要的作用，高效和高選擇性提取技術可以起到富集痕量組分、降低基質效應、減少分析物損失及提高方法靈敏度的作用。NFRs種類繁多，所處環境基體復雜多樣，常見于水體、沉積物、土壤、灰塵、污泥和生物等液態、固態或半固態環境中。在分析不同環境基質中的NFRs時，需要準確評估溶劑種類，以及提取溫度、壓力和方式等各種參數的影響，以保證提取效率達到最佳。近幾年有關各類環境樣品中NFRs提取技術的研究如表2所示。總結近幾年有關NFRs前處理的各項研究可知，NFRs分析中的前處理裝置正在向自動化、小型化方向發展。

2.2 樣品凈化

在分析復雜環境樣品中痕量甚至超痕量級別的NFRs時，為避免干擾物造成儀器靈敏度下降或出現假陽性結果，選擇合適的凈化步驟對于準確測定NFRs至關重要。大部分NFRs具有疏水基團，容易富集在脂質中，因此，消除脂質的干擾往往是NFRs分析的重點和難點。對于樣品中的脂質類干擾物，可以采用破壞性或非破壞性方法去除。最常用的破壞性方法是使用經硫酸和氫氧化鉀處理過的硅膠進行凈化，但兩種物質可能導致一些不穩定的NFRs的結構受到破壞。為減少分析物的損失，可以將破壞性和非破壞性方法結合使用，如先用干冰/丙酮冷卻，降低脂質在正己烷中的溶解度，然后使用硫酸進行處理[26]。另一種常見的能夠選擇性去除樣品提取物中的脂質的方法是凝膠滲透色譜(GPC)法，但由于GPC無法消除一些小分子的干擾物，因此，這項技術一般與SPE技術結合使用。此外，極性吸附劑如硅膠、氧化鋁和弗羅里硅土等，可單獨或組合使用，用以將脂質中的NFRs分離出來。有研究發現，氧化鋁吸附劑在分析多種阻燃劑時具有較好的回收率，可以減少OPFRs在凈化過程的損失，而當分析物中不含OPFRs時，弗羅里硅土也是較好的選擇[27]。

將提取和凈化步驟結合是NFRs分析技術的一個發展方向，這類技術可以顯著提高分析效率。有研究使用基質固相分散(MSPD)技術從海洋生物中提取了NFRs[28]。該技術是將樣品勻漿填充到注射器或小柱中，然后用不同的有機溶劑解吸分析物，并在注射器底部填入無水Na2SO4、中性硅膠、酸性硅膠和弗羅里硅土的混合物作為凈化材料，從而實現在線凈化。PLE也是一種廣泛用于環境基質中NFRs提取的技術。有研究采用SPLE技術分析了沉積物樣品中的NFRs，在完成樣品提取的同時實現了在線凈化[5]。

2.3 儀器檢測

考慮到NFRs在環境中極低的濃度水平及環境基質的高復雜度，為了準確定量環境樣品中的NFRs，必須將目標NFRs與其他有機化合物進行分離。色譜分離技術具有較高的靈敏度、選擇性和分離效率，因此，色譜與質譜的聯用技術被廣泛用于新污染物分析檢測。環境樣品中NFRs相關檢測技術如表3所示。

表3 環境樣品中NFRs相關檢測技術[5,7,11-22,24,29-40]Table 3 Techniques for detection of NFRs in environmental samples

2.3.1 氣相色譜質譜聯用(GC-MS)技術

GC是用于分離各類環境樣品中揮發性與半揮發性有機污染物的主流技術，具有分離效能高、靈敏度好、峰容量大的優點。因此，在分析相對容易揮發的某些NFRs時，通常使用GC與相關檢測設備聯用的方法。

由于部分NFRs熱穩定性較差，在高溫條件下會發生異構化或分解，因此，在使用GC技術同時測定多種不同類型的NFRs時，需要選擇合適的進樣條件。如分析物中包含DBDPE時，進樣口溫度一般設置在300 ℃以下，溫度太高或分析物在襯管中的停留時間過長都會導致一些高溴代的NBFRs發生分解。此外，可以通過脈沖進樣器來降低分析物的分解率。在脈沖進樣模式下，可以在進樣時設定一個較大的進樣壓力，使分析物更快地進入色譜柱，進而提升傳輸率并降低分析物的分解率。冷柱頭進樣技術也是一種適用于分析某些熱不穩定NFRs的進樣技術。在這項技術中，樣品提取物被直接注入在線注射器并進入GC柱，或進入一個安裝在噴嘴的保持低溫的玻璃插件中。這種進樣方式可以有效避免一些熱不穩定NFRs的分解，但需要確保樣品提取物盡可能地保持清潔，否則會對GC柱的使用壽命造成不利影響。

在GC-MS技術中，EI源可用于分析多種化合物，但是由于部分NFRs的化學結構相對不穩定，一般推薦使用軟電離技術，如采用電子捕獲負化學電離(ECNI)對DBDPE等化合物進行分析[41]。需要注意的是，ECNI-MS方法不具有特異性，因此，需配合使用色譜技術對化合物進行分離。為克服ECNI-MS和EI-MS的局限性(ECNI-MS的特異性低，EI-MS的前級離子豐度較低)，PORTOLéS等[30]開發了GC串聯MS方法(QqQ質量分析儀)，使用APCI方法(GC-APCI-MS/MS)對一些目標NBFRs進行了篩選，達到了極低的檢測限(分析物在色譜柱上樣量低于10 fg的條件下被檢出)。該方法可以同時檢測傳統阻燃劑PBDEs，以及DBDPE、BTBPE兩種NBFRs。

GC與APCI離子源的新組合也為此類化合物的分析開辟了新的前景。如WANG等[31]開發了一種基于GC-APCI-MS/MS的新方法，測定了血清中的13種BFRs(8種PBDEs和5種NBFRs)。該方法使用胎牛血清的加標回收率為83.4%～118%，方法檢出限為0.04～30 pg/mL，比作者先前使用GC-NCI-MS或GC-EI-MS/MS技術獲得的方法檢出限至少低一個數量級，表明GC-APCI-MS/MS是一項更靈敏的技術。

氣相色譜飛行時間質譜聯用(GC/TOF)技術可用于環境樣品中可疑和非目標化合物的快速定性識別，也可用于多種類NFRs的同時快速篩查。同時，該技術也被證明具有極高的可靠性和靈敏度。有研究[32]基于GC/TOF技術建立了200多種污染物的譜庫，并對采自北極地區的多種環境樣品中的非目標化合物進行了分析，檢測到了包括OPFRs在內的多種污染物。值得注意的是，理論上，TOF技術與全二維氣相色譜(GC×GC)聯用可以進一步提高該方法對多種NFRs同時測定的能力，但目前相關領域的研究還較為匱乏。

2.3.2 液相色譜質譜聯用(LC-MS)技術

對于一些分子量大、難揮發或熱穩定性差的NFRs，可以使用LC技術進行分離。由于大部分NFRs具有疏水基團，一般使用C18或C8作為固定相的反相色譜進行分離[34-37]。色譜柱多選用填充有小粒徑顆粒(<2 μm)的短柱，對于較復雜的環境樣品則選擇較長的色譜柱(150～250 mm)[41]。

2004年以來，UHPLC已逐漸成為一種常用的分離技術。該技術通過使用小內徑(<2 mm)色譜柱實現了對多種分析物的快速分離，并獲得了更高的分離度[42]，同時也為復雜樣品中新污染物的分析提供了更高的靈敏度和更好的分離效果。相比以往的技術，UHPLC技術的溶劑和樣品使用量更少，因此，UHPLC是一種對環境友好的“綠色”色譜系統。由于NFRs可能存在于實驗室環境中，LC系統的背景污染也是一個非常重要的問題。一些研究在HPLC系統上應用了捕集柱，以區分來自設備的背景污染與來自樣品的背景污染。捕集柱在使用前需要進行清洗和注入空白溶劑，以去除可能殘留其中的污染物。為進一步避免來自設備的背景污染，推薦使用聚醚醚酮(PEEK)或聚四氟乙烯(PTFE)材料制成的管路部件，并建議及時更換。

ESI技術具有適用范圍廣、靈敏度高等優點，可用于高分子量、難揮發和熱不穩定化合物的分析，是采用LC-MS技術分析NFRs時使用最廣泛的電離技術之一。ESI能夠直接將從液相中流出的洗脫液電離，產生穩定的分子離子，尤其對高極性分子的電離效果更好，因而可以與LC技術完美兼容。ESI是一種相對“軟”的電離技術，通過ESI獲得的分析物的結構信息相對較少，因此，需要結合MS/MS或高分辨質譜(HRMS)系統使用，以取得可靠的定性數據。此外，基于ESI的電離原理，ESI易受到基質干擾，并導致離子化過程產生離子抑制或增強，使得該技術對復雜樣品定量的準確性，以及在通用質譜數據庫的建立上的應用受到了一定影響。近幾年，其他大氣壓電離技術也得到了發展，如APCI和APPI技術。這些技術具有較低的離子抑制效應，相比ESI更不容易受到基質干擾的影響，從而擴展了LC-MS對低極性和非極性分析物的適用性。已有一些研究采用APCI或APPI技術分析了多種NFRs[17,33]。

配置有QqQ質量分析儀的LC-MS/MS或UHPLC-MS/MS方法是最常用的測定環境樣品中NFRs的檢測技術。依據化合物類型的不同，可選擇離子掃描(SIM)或多反應監測(MRM)模式進行分析。通常，這些聯用技術足以滿足識別和定量的需要，但LC-MS特有的基體效應會導致測量信號受到顯著增強或抑制，尤其是在分析復雜環境基質中的NFRs時更加明顯[27]。因此，一般采用穩定性同位素稀釋法對NFRs進行定量。由于NFRs的有證標準物質往往較為缺乏并且成本相對較高，也可以采用一些替代方法，如基質匹配校準或標準添加法。

2.3.3 MS檢測技術

新污染物NFRs在環境中極低的濃度水平使得檢測儀器的靈敏度成為最需要考慮的參數之一。環境中NFRs的種類繁多，部分同類化合物結構、性質相近，同分異構體眾多，MS/MS質量分析器的選擇性有時不足以滿足這類化合物的分析需求。一些研究者建議使用高分辨率質譜儀作為常規質譜儀的替代工具，用以分析復雜環境基質中的痕量NFRs。目前，TOF質譜、Orbitrap高分辨質譜與HPLC或UHPLC聯用技術均已成功用于檢測多種樣品中的NFRs，并展現出了極高的選擇性與靈敏度。如ZACS等[39]采用超高效液相色譜結合飛行時間高分辨率質譜法(UHPLC-TOF-HRMS)，在高分辨率模式下[15 000半高全寬(FWHM)]測定了鰻魚樣品中的阻燃劑含量。實驗結果表明，其所建立的UHPLC-TOF-HRMS方法在pg級別的定量范圍內具有良好的精密度，與傳統的UHPLC-QqQ-MS/MS方法相比，兩種方法在回收率、重復性及精密度方面具有良好的一致性，并且對實際樣品的測定結果也沒有顯著的統計學差異。

高分辨質量分析器間的串聯目前還處于探索階段，但已經實現與四極桿或Orbitrap的聯用。該技術具有很高的質量準確度，分析時可以進行數據依賴性采集或數據獨立性采集(DDA或DIA)。ZACS等[17]比較了全掃描、目標離子選擇性掃描(t-SIM)和平行反應監測(PRM)3種不同的檢測模式，發現在t-SIM與全掃描模式下，分析復雜樣品時會出現較高的背景噪聲，并且會對色譜圖產生顯著干擾，因此，選擇了干擾較小的PRM模式。但是，該作者在其他研究中也發現，篩查魚類樣品中的NBFRs時，PRM模式的靈敏度較差。總體來說，盡管這類HRMS的檢出限要比普通低分辨質譜(LRMS)高，但具有可檢測和識別其他非目標新污染物的優勢。

另一種HRMS，即傅里葉變換離子回旋共振質譜(FT-ICR-MS)，已被證實是一種質量精度最高(<10-7)且光譜分辨率最好(>106)的質譜技術。這項技術可通過高準確性的質量測定直接獲得目標物的分子式，因此在分析異常復雜的環境樣品中的NFRs時具有極大的潛力。最近，ZACS等[33]使用氣相色譜大氣壓化學電離傅里葉變換離子回旋共振質譜法(GC-APCI-FT-ICR-MS)對樣品中的目標和非目標NBFRs、NCFRs進行了篩選，發現該方法對目標物具有極高的靈敏度(所有分析物均可在色譜柱上樣量低于5 pg的條件下被檢出，而方法定量限為0.002～0.04 ng/g)。使用參考物質對GC-APCI-FT-ICR-MS方法進行驗證，發現其測定結果與氣相色譜高分辨質譜(GC-HRMS)的測定結果相似。但由于設備成本高昂，目前這項技術在環境有機污染物分析研究中的應用還較為少見。

常規質譜檢測器在有機污染物分析中的使用較為廣泛，但在分析NFRs時會遇到一些問題，如采用GC-MS(分析物熱穩定性差)或LC-MS(缺少將分析物離子化的離子源)很難測定TBBPA的衍生物。而電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)對NFRs中的鹵素原子具有極高的靈敏度，為此類NFRs的分析提供了額外的解決方案。如LIU等[40]基于液相色譜-電感耦合等離子體質譜(HPLC-ICP-MS)檢測技術，建立了一種新的、靈敏的TBBPA衍生物測定方法。與常用的檢測方法[如MS/MS或二極管陣列檢測(DAD)器]相比，ICP-MS在定量分析TBBPA及其衍生物(尤其是TBBPA-BAE和TBBPA-BDBPE)方面具有明顯優勢。

2.4 檢測過程的質量控制與質量保證(QA/QC)

空白污染一直是NFRs等新污染物分析中面臨的一個重要問題。研究表明，這些污染物在環境、采樣設備和實驗室設備中普遍存在[43-44]。如果分析過程無法消除或減少空白污染，就會對準確定量造成不利影響，特別是當目標物的濃度水平為痕量級時，各類干擾造成的影響會更加明顯。因此，在進行樣品分析前，必須增加額外的清潔步驟(如高溫處理、溶劑清洗等)，以減少空白污染對分析結果的影響。采用全過程空白和平行樣品等質量控制措施，可以有效確定采樣和運輸過程是否出現了污染。

在NFRs分析過程中，有關質量控制與質量保證的細節問題需要引起注意。研究表明，塑料容器是OPFRs干擾的主要來源，并且一些NFRs會吸附在塑料容器表面，因此，一般推薦使用玻璃容器[9]。在分析一些新污染物時，沉積物、土壤和生物等實際樣品的加標回收率可能會比基質加標實驗測定的回收率要低。有研究認為，這和加標物質與基質之間的接觸時間有關[45]。因此，加標平衡的時間也需要引起注意。

在環境化學分析中，標準參考物質的應用是重要的質量保證與質量控制措施。但是除了極少數化合物外，許多NFRs都缺乏相應的標準參考物質[46]，因此，相關研制工作亟須進一步加強。此外，各種新污染物的實驗室間比對研究表明，NFRs的實驗室間比對是一項非常有價值的工作，對于優化NFRs分析方法十分重要，并且可以為減少空白污染提供相關參考和依據。

3 結論與展望

近年來，NFRs被廣泛使用但又缺乏有效監管，使得這類化合物在環境中幾乎無處不在。研究表明，長期暴露于高濃度水平NFRs環境中，會對人體健康造成危害。因此，NFRs分析技術已成為國際分析領域極受關注的研究熱點。

從分析的角度來看，NFRs分析面臨的困難主要是其在環境中的濃度水平較低，而基體成分又過于復雜，分析物中不同組分的共流出也使得NFRs分析需要采用高分辨率的儀器對目標物進行分離。雖然高分辨儀器可以提供較高的靈敏度與較低的檢出限，但這類儀器往往比傳統的低分辨率儀器更加昂貴，并且耗費更多的分析時間。

質量控制與質量保證是NFRs分析中非常重要的環節。規范的分析方法應有明確的質控指標和評價標準，從而保證分析結果的準確性。通常通過在分析的各個環節使用合適的質量控制樣品及各種標準溶液，來保證全過程的分析質量。為了驗證新分析方法的可靠性，建議使用有證標準物質，而現有有證標準物質的缺乏也進一步凸顯了加強其研制工作的必要性。實驗室間的聯合研究也被認為是提升NFRs分析準確性的一種實用方法。對于一些化學性質不穩定的NFRs，影響其分析結果可靠性的因素眾多，實驗室間的比對驗證也就尤為重要。

通過系統總結國內外近年來有關環境中NFRs分析技術的研究文獻可以發現，許多研究的焦點主要集中在縮短分析時間和提升對復雜環境樣品中多種分析物的分離性能，以及對未知NFRs的快速篩查等方面。考慮到近年來前處理技術及色譜質譜聯用技術的高速發展，環境中NFRs檢測技術在未來的發展必然充滿了諸多可能性，然而可以肯定的是，先進分析技術在NFRs分析中的應用將越來越多，并在NFRs研究方面發揮越來越重要的作用。