超聲提取/氣相色譜-質譜法測定涂料中的8種有機磷阻燃劑

張 熒，李 逸,陳葉子，王旭濤

(生態環境部珠江流域南海海域生態環境監督管理局生態環境監測與科學研究中心，廣東 廣州 510611)

有機磷阻燃劑(Organophosphorus Flame Retardants,OPFRs)具有優秀阻燃效果且延展性好，被廣泛應用于紡織品、化工原料及產品、建筑材料、玩具以及電子電器等產品中[1-3]。近年來，由于溴代阻燃劑(Brominated Flame Retardants,BFRs)的禁用，為滿足各種材料的耐火要求，在一定程度上刺激了有機磷阻燃劑需求量和生產量大大提升[4-5]。

OPFRs在多數情況下是通過機械混合方法添加到產品中，在使用期間易通過擴散、磨損和溶解等過程進入環境中，然后通過呼吸、攝食和皮膚吸收等途徑進入人體及其他生物體[6]。目前，OPFRs已在空氣、水體、沉積物、土壤、灰塵、生物體中檢出[6-10]。毒理學方面的研究發現，多種OPFRs具有生殖毒性、神經毒性、基因毒性和致癌性等多種潛在毒性，可能會給生態系統造成直接的破壞和影響，對人類健康產生影響[11-14]。

隨著各個國家對防火安全的要求越來越高，阻燃劑在涂料中的應用越來越廣泛，特別是在建筑領域鋼材、木材等的應用。廣東是中國主要的涂料生產基地，據調查，在廣東涂料以及相關工業比較活躍的地區，存在OPFRs的點源污染[15]。目前，涂料檢測技術方面的研究主要集中在有毒物質揮發性有機物(VOCs)、甲醛、可溶性重金屬上，對于涂料中有機磷阻燃劑污染物的檢測研究較少。李惠等[16]采用超聲萃取技術，建立了高效液相色譜-串聯質譜法同時測定涂料中4種有機磷阻燃劑的方法。廣州開發區檢驗檢測聯盟發布了氣相色譜-質譜聯用法檢測涂料中10種有機磷阻燃劑的團體標準[17]。胡曉輝等[18]綜述了環境中有機磷酸酯阻燃劑分析方法的研究進展，介紹了從空氣、沉積物、生物、水等環節介質中提取、凈化和檢測有機磷酸酯的多種方法和技術手段。從文獻報道來看，與索氏提取法相比，超聲提取的前處理方法花費的時間少、需要的有機溶劑量也較少，且提取回收率也較高。采用氣相色譜法對OPFRs進行檢測，檢測器大部分情況下采用的是NPD和電子轟擊離子化質譜(EI-MS)，與GC-MS方法相比，GC-NPD檢測的主要不足是穩定性較差，且NPD中的銣珠在使用中持續降解，需定期更換。本文在借鑒前人研究經驗的基礎上，選取了目前研究關注較多的8種OPFRs，包括4種烷基有機磷阻燃劑、3種鹵代基有機磷阻燃劑和1種芳香基有機磷阻燃劑，介紹了采用超聲提取前處理，氣相色譜質譜法檢測涂料產品中這8種有機磷阻燃劑的檢測方法的建立過程，并通過檢測實際樣品驗證了方法的可行性。

1 試驗部分

1.1 儀器、材料與試劑

儀器包括用于樣品濃縮的平行蒸發定量濃縮儀(瑞士BUCHI，型號SyncorePlus R-12)；用于定容的氮吹儀(北京八方世紀科技有限公司，型號BF-2000)；用于超聲提取的超聲波萃取儀(德國Elma，型號S 120H)；用于定量檢測的氣相色譜質譜聯用儀(GC-MS，Agilent 7890B-5975C)，DB-5 MS色譜柱(325°C,30 m×250 μm×0.25 μm)。

丙酮、乙酸乙酯、二氯甲烷均為色譜純(美國TEDIA)；8種OPFRs目標物均為純品(純度大于99%，購于德國Dr.Ehrenstorfer公司)、d27-磷酸三丁酯(d27-TnBP，回收率指示物，100 mg/L于異辛烷，Accustandar)和d15-磷酸三苯酯(d15-TPP，內標指示物，100 mg/L于異辛烷，Accustandar)為標準溶液，8種OPFRs(序號1—8)的具體名稱見表1。液態涂料樣品為市場購買的清漆。

1.2 標準儲備液的制備

準確稱取8種OPFRs各10 mg(精確到0.1 mg)，置于10 mL已加入一定量乙酸乙酯的容量瓶中，然后用乙酸乙酯稀釋至刻度并混勻，配置成8種OPFRs質量濃度均為1 000 mg/L的標準儲備液，于-18 ℃條件下儲存。

1.3 樣品前處理

將液態涂料樣品攪拌均勻，按涂料樣品∶固化劑∶稀料為10∶5∶3的比例配制混合試樣，攪拌均勻后，稱取樣品約0.5 g，精確到0.1 mg，置于20 mL離心管中，加入約10 mL丙酮和2 μL回收率指示物(d27-TnBP)，使用超聲波提取儀進行超聲提取15 min，冷卻后，放置溶液至分層(若溶液靜置后不能分層，可通過離心分離法分離)，將上層清液轉移至25 mL平行濃縮管中。沉降部分再用10 mL丙酮超聲提取15 min，冷卻后，將上層清液轉移至同一平行濃縮管中，經平行蒸發濃縮儀濃縮蒸發近干后，用乙酸乙酯氮吹定容至1 mL，加入2 μL內標指示物(d15-TPP)后待測。

1.4 GC-MS分析條件

a)色譜條件。DB-5 MS型石英毛細管柱，進樣量1 μL，進樣方式為無分流進樣，不分流時間60 s，載氣為氦氣(純度大于等于99.99%)，柱流量為1.2 mL/min，進樣口溫度250 ℃，色譜采用程序升溫，初始溫度為60℃(保持1 min)，以20 ℃/min升至160 ℃，再以10 ℃/min升至290 ℃，保持3 min。

b)質譜條件。采用電子轟擊離子源(EI)，離子源溫度230 ℃，電離能量70 eV；傳輸線溫度280℃，接口溫度280 ℃，溶劑延遲時間5 min；設定質量范圍50～550 amu(原子質量單位)，采用全掃描方式(SCAN)對8種OPFRs逐個進行定性分析，確定各目標物的保留時間和主要碎片離子，選擇無干擾、靈敏度高的離子作為定性定量的離子。根據保留時間和定性定量離子，采用選擇離子模式(SIM)進行定量分析，8種OPFRs的保留時間和定量離子見表1，當樣品中定性離子比與標準物質的離子比在20%以內，則定性為目標物。

表1 選擇離子掃描模式下OPFRs的保留時間、定量離子、線性相關系數、方法的回收率和相對標準偏差(n=3)

1.5 數據分析

在前處理條件優化過程中，通過統計測試值與目標值(100%)間的離散度來選定最優條件，選擇離散度最小的作為最優條件，相關計算見式(1):

(1)

2 結果與討論

2.1 前處理條件的優化

對超聲提取過程中的提取溶劑、溫度、時間、次數等參數進行了優化，確定了最優的前處理條件。

2.1.1提取溶劑

根據相似相溶原理提取OPFRs時應選擇具有一定極性的溶劑，試驗考察了丙酮、乙酸乙酯、二氯甲烷、丙酮+乙酸乙酯(1+1)、丙酮+二氯甲烷(1+1)、乙酸乙酯+二氯甲烷(1+1)混合溶液等作為提取溶劑的提取效率。分別稱取0.5 g涂料樣品于離心管中，加入標準物質，使得樣品中8種OPFRs的質量濃度均為1 000 ng/g，再分別加入15 mL不同溶劑后密封，在常溫下對其進行超聲提取20 min。根據式(1)計算，以丙酮、乙酸乙酯、二氯甲烷、丙酮+乙酸乙酯(1+1)、丙酮+二氯甲烷(1+1)、乙酸乙酯+二氯甲烷(1+1)作為提取溶劑時提取效率的離散度分別為8.11%、12.56%、13.64%、9.28%、13.78%和19.63%，表明丙酮的提取效率最高(圖1)。因此，選擇丙酮作為提取溶劑。

圖1 提取溶劑對提取效率的影響

2.1.2提取溫度

超聲提取過程中，溫度對超聲波的空化作用的強度有一定的影響，因此提取過程中對溫度進行適當控制是有必要的。考察了30℃、40℃、50℃、60℃下超聲提取效果，根據式(1)計算，30℃、40℃、50℃、60℃下提取效率的離散度分別為9.4%、9.3%、11.5%、10.6%，經t檢驗(p>0.05)表明，溫度對提取效果無顯著影響(圖2)，因此采用30℃下進行提取。

圖2 提取溫度對提取效率的影響

2.1.3提取時間

考察了超聲提取時間分別為5、10、15、20、25、30 min時對測定結果的影響。結果根據式(1)計算，5、10、15、20、25、30 min時提取效率的離散度分別為54.3%、36.1%、8.9%、8.1%、8.5%、9.0%，超聲15、20、25、30 min時涂料中的OPFRs回收率經t檢驗(P>0.05)表明無顯著差別，延長超聲時間測定結果不變；若超聲時間過短，部分涂料不易溶解或分散，使得測定結果偏低(圖3)。因此試驗選擇超聲提取時間為15 min。

圖3 提取時間對提取效率的影響

2.1.4提取次數

考察了超聲提取1～3次時的提取效果，根據式(1)計算，提取1、2、3次時提取效率的離散度分別為24.9%、10.0%、9.4%，2、3次超聲提取的提取效率經t檢驗(P>0.05)表明無顯著差別(圖4)，因此選擇提取2次。

圖4 提取次數對提取效率的影響

2.2 質譜條件的優化

該部分主要是起始溫度、升溫速率以及質譜掃描方式的優化。考察了起始溫度分別為60℃、70℃、80℃時的分離效果，起始溫度的變化對TEP的分離效果影響較大，60℃時TEP的分離效果最好，而其他組分的分離效果無顯著差異，因此確定起始溫度為60℃。

考察了10、20、30℃/min的升溫速率下的分離效果，試驗發現，以10℃/min的升溫速率升溫到290℃時，所有組分的分離效果最佳；以20℃/min的升溫速率升溫到290℃時，TEP、TiPrP和TPrP的分離效果較好，其他組分分離效果不佳；以30℃/min的升溫速率升溫到290℃時，所有組分的分離效果均較差。經測試，選擇以20℃/min升至160℃，再以10℃/min升至290 ℃的升溫速率時，耗費的時間較短，所有組分的分離效果較好。

從圖5可見，在確定的最優條件下，各組分色譜峰分離完全，滿足分析要求。質譜掃描方式采用分段法并選擇離子掃描。第一時間段(3.0～9.5 min)掃描123、125、127、155、183；第二時間段(9.5～10.5 min)掃描103、151、211、231；第三時間段(10.5～14.0 min)掃描249、251、277、279；第四時間段(14～22 min)掃描325、326、339、341、378、381。該質譜掃描方式在單位時間內掃描的離子次數更多，定量更準確，選擇離子監測質譜參數見表1。

圖5 8種有機磷阻燃劑的選擇離子監測色譜(DB-5MS 色譜柱)

2.3 線性關系和方法檢出限

用乙酸乙酯將標準儲備液逐級稀釋成濃度為10、20、50、100、200、500、1 000 ng/mL的系列標準工作溶液，在設定的儀器條件下進行測定。用目標物定量離子對應的峰面積對相應的質量濃度繪制標準曲線，8種OPFRs在10～1 000 ng/mL范圍內，線性回歸方程的相關系數均高于0.990 4，具有良好的線性關系。檢出限(LOD)以每種OPFR 3倍信噪比(即S/N=3)的添加濃度計算，定量限(LOQ)以10倍信噪比(即S/N=10)的添加濃度計算，計算結果：LOD范圍為0.04～0.26 ng/g，LOQ的范圍為0.13～0.87 ng/g。

2.4 方法的精密度和回收率

在陰性涂料基體中添加200 ng的8種OPFRs和d27-TnBP，按第1部分所述試驗方法進行測定，平行測定3組，同時做空白對照。所得到的8種OPFS的平均回收率在79.3%～112.0%范圍內，相對標準偏差(RSD)在3.9%～6.4%范圍內，說明本方法有良好的回收率和精密度，能滿足涂料中OPFRs殘留分析的要求。

3 實際樣品測定

應用本試驗方法對市售的5家企業的涂料產品進行測定，結果表明：僅在一家企業的硝基清漆樣品中檢出TCEP，含量為15.22 ng/g。TCEP是鹵代基有機磷阻燃劑的一種，它的阻燃性能好，除了具有自熄性外，還可改善制品的物理性能，廣泛用于醋酸纖維素、硝基纖維素清漆、聚氯乙烯、酚醛樹脂等，檢出TCEP的涂料樣品中可能添加了含TCEP的物質用于改善涂料的物理性能。

4 結論

針對涂料中8種OPFRs的超聲提取影響因素進行了優化，給出了最佳試驗條件。采用超聲提取結合GC-MS法，實現了對涂料中8種OPFRs的同時、精確檢測。該方法的檢出限、回收率及相對標準偏差均能滿足水體樣品的檢測要求，能夠用于涂料樣品有機磷阻燃劑的檢測。本文認為，隨著更多的OPFRs和氘代OPFRs標準品的商業化，未來對涂料產品中OPFRs的分析方法研究可以探索實現更多OPFRs的同時檢測，并應用更多的氘代OPFRs進行定量分析。