超高效液相色譜-串聯質譜法測定飲用水中雙酚類化合物

王園媛,李璐璐,張 嵐

(中國疾病預防控制中心環境與健康相關產品安全所,中國疾病預防控制中心環境與人群健康重點實驗室,北京 100050)

雙酚類化合物是一類重要的工業化學原料,主要應用于醫療設備、熱敏紙、水管、玩具、塑料瓶和食品包裝等產品的制造與加工,容易暴露在日常環境中,與人體接觸[1-3]。其中,雙酚A(BPA)是目前產量最高、應用最廣的雙酚類化合物。2021年,BPA在我國的表觀消費量達到2.292×105t[4]。研究[5-7]表明,暴露在一定劑量的BPA下可能會影響正常的生殖發育過程,導致性早熟、代謝異常以及肥胖等不良健康結果。此外,長期接觸BPA還可能對心血管系統、神經系統、免疫系統造成影響[8-9]。鑒于BPA逐漸明晰的內分泌干擾作用以及毒性效應,加拿大、歐盟等很多國家和組織都出臺了限制BPA使用的政策[10-11]。因此,近年來其結構類似物作為替代物日益廣泛地應用于工業生產和制造業。但毒理學研究顯示,BPA替代物可能具有與BPA類似的內分泌干擾作用[12]。

在生產使用過程中,雙酚類化合物可通過地表徑流、無序排放等多種途徑進入水體,從而帶來飲用水污染的風險。飲用水中的雙酚類化合物具有污染較普遍、濃度較低等特點[13-14],因此,開發高效簡便、靈敏度高的檢測方法對于飲用水中雙酚類化合物的風險監控很有必要。目前,水中雙酚類化合物的檢測方法主要包括高效液相色譜法(HPLC)[15]、氣相色譜-質譜法(GC-MS)[14-16]以及超高效液相色譜-串聯質譜法(UPLC-MS/MS)[17-18]等。HPLC定性能力較弱、分析時間較長,部分物質檢出限較高;GC-MS所用樣品需要衍生化處理,操作較為繁瑣耗時;UPLC-MS/MS結合了色譜技術和質譜技術的優點,具有較強的定性能力、較高的靈敏度以及較短的分析時間。由于水體中雙酚類化合物含量較低,多數研究使用固相萃取、液液萃取或固相微萃取等前處理方法對樣品進行富集濃縮,以提高檢測靈敏度。但前處理過程往往步驟繁瑣,耗時較長,且所需水樣體積較大,多為0.2～1.0 L。本研究選取BPA及兩種典型替代物雙酚E(BPE)和雙酚F(BPF),通過優化針式濾膜材質,以直接進樣方式,建立3種雙酚類化合物UPLC-MS/MS同時檢測方法。該方法所需樣本量少,具有簡單、高效、靈敏度高等優點,滿足《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2022)BPA的限值測定需求,可為飲用水中雙酚類化合物的分布特征研究和暴露風險監測提供技術支撐。

1 試驗材料和方法

1.1 儀器與試劑

Exion LC超高效液相色譜系統搭載QTRAP 5500三重四級桿質譜儀(美國SCIEX公司),SB25-12D超聲波清洗機(寧波新芝公司),MINI-230V渦流振蕩器(美國Talboys公司),AL204-IC電子天平(0.000 1 g,瑞士Mettler公司),Milli-Q Integral純水儀(美國Millipore公司)。

甲醇、乙腈(LC-MS級,德國Merck公司),醋酸銨(LC-MS級,北京百靈威科技有限公司),氨水(LC-MS級,上海安譜實驗科技股份有限公司)。

BPA(≥99%)、BPE(≥98%)、BPF(≥98%)標準物質(德國Merck公司),尼龍(Nylon)、聚醚砜(PES)、混合纖維素(MCE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)針式濾膜(上海安譜實驗科技股份有限公司),親水性聚四氟乙烯(PTFE)針式濾膜(美國Pall公司)。

1.2 試驗方法

1.2.1 標準溶液的配制

標準儲備溶液Ⅰ:分別稱取10.0 mg BPA、BPE、BPF標準物質于10 mL棕色容量瓶中,用甲醇溶解并定容,配制成質量濃度為1 000 μg/mL的標準儲備液Ⅰ,轉移至棕色試劑瓶,-20 ℃儲存備用。

標準儲備溶液Ⅱ:分別移取1 mL各物質標準儲備液Ⅰ于10 mL棕色容量瓶中,用甲醇定容,配制成質量濃度為100 μg/mL的標準儲備液Ⅱ,轉移至棕色試劑瓶,-20 ℃儲存備用。

混合標準工作溶液:準確移取BPA、BPE、BPF標準儲備液Ⅱ各100 μL于10 mL棕色容量瓶中,用純水定容,配制成質量濃度為1 μg/mL的混合標準工作溶液,轉移至棕色試劑瓶,4 ℃儲存。

標準系列混合溶液:臨用前,移取適量混合標準工作溶液,用純水逐級稀釋成質量濃度為0.05、0.10、0.20、1.00、2.00、5.00、10.00、20.00、50.00 μg/L的標準系列混合溶液。

1.2.2 超高效液相色譜條件

本試驗采用ACQUITY UPLC BEH C18色譜柱(2.1 mm×100 mm,1.7 μm,美國Waters公司),柱溫:40 ℃;流動相:(A)純水,(B)甲醇;流動相流速:0.3 mL/min;進樣體積:10 μL。梯度洗脫程序如表1所示。

表1 梯度洗脫程序Tab.1 Gradient Elution Procedure

1.2.3 質譜條件

離子源為電噴霧離子源(ESI-),負離子模式掃描,多反應監測模式(MRM)分析。質譜參數為離子源溫度:500 ℃;氣簾氣氣壓(CUR):30 psi(1 psi≈6.895 kPa);離子化電壓(IS):-4 500 V;噴霧氣氣壓(GS1):45 psi;輔助加熱氣氣壓(GS2):60 psi;碰撞氣氣壓(CAD):9 psi。3種雙酚類化合物的定量離子對、定性離子對、去簇電壓(DP)、碰撞電壓(CE)、入口電壓(EP)、出口電壓(CXP)如表2所示。

表2 BPA、BPE和BPF的質譜參數Tab.2 MS/MS Parameters of BPA, BPE and BPF

1.2.4 樣品前處理

將2 mL樣品經孔徑為0.22 μm、直徑為13 mm的針式過濾器過濾,棄去前0.5 mL過濾液,收集續濾液至棕色玻璃進樣小瓶中,待分析。

2 結果和討論

2.1 色譜條件的優化

根據目標化合物性質,本試驗分別選擇ACQUITY UPLC BEH C18(2.1 mm×100 mm,1.7 μm)和ACQUITY UPLC HSS T3(2.1 mm×100 mm,1.8 μm)兩種反相色譜柱進行考察。結果顯示,兩種色譜柱均可將所有目標化合物分離,峰形較好,且響應基本無差異。考慮到后續流動相條件優化時會使用氨水等堿性添加劑,而ACQUITY UPLC HSS T3柱耐堿性較差,因此,本試驗選擇ACQUITY UPLC BEH C18色譜柱。

使用ACQUITY UPLC BEH C18色譜柱,本試驗分別比較了乙腈-水、甲醇-水、甲醇-水(含0.05%氨水)、甲醇-水(含1 mmol/L醋酸銨)4種流動相體系對目標化合物分離、峰形和響應的影響。不同流動相體系下BPA、BPE和BPF的響應如圖1所示。結果發現,相較于乙腈-水,甲醇-水為流動相時各目標化合物的分離度和響應更好。當水相加入1 mmol/L醋酸銨時,目標化合物與未加入醋酸銨時相比響應降低;當水相加入0.05%氨水時,目標化合物的分離度和信噪比S/N與未加入氨水時相比沒有明顯差異。考慮到試驗操作的簡便性,本試驗選擇甲醇-水作為流動相。優化后目標化合物的色譜圖如圖2所示。

圖1 不同流動相體系對BPA、BPE和BPF的影響Fig.1 Effects of Different Mobile Phase for BPA, BPE and BPF

圖2 優化后BPA、BPE和BPF的色譜分離圖Fig.2 Optimized Chromatograms of BPA, BPE and BPF

2.2 質譜條件的優化

使用甲醇將BPA、BPE、BPF標準儲備溶液Ⅱ分別稀釋至100 μg/L,使用針泵進樣方式,進行母離子掃描,以選擇合適的電離方式和母離子。結果顯示,3種雙酚類化合物在負離子模式下,以[M-H]-加合方式的母離子最為理想,確定BPA、BPE和BPF的母離子分別為227.0、213.3和198.9。選定母離子后,對每一種目標化合物進行子離子掃描,選擇背景較低、響應較強的兩個子離子作為定量離子和定性離子。結果顯示,BPA的子離子以212.0和133.0 S/N較高;BPE的子離子以197.1和119.1 S/N較高;BPF的子離子以105.1和93.0 S/N較高。采用MRM模式對上述離子對的CE和DP等參數進行優化,優化后3種雙酚類化合物的質譜參數如表2所示。

表3 BPA、BPE和BPF的線性范圍、檢出限及定量限Tab.3 Linear Ranges, LODs and LOQs of BPA, BPE and BPF

2.3 針式濾膜的選擇

本試驗分別比較了樣品前處理過程中,親水性PTFE、Nylon、PES、MCE、PVDF這5種針式濾膜對BPA、BPE、BPF吸附的影響。用純水將混合標準工作溶液稀釋至10 μg/L,分別使用上述5種針式濾膜進行過濾,使用所建方法對收集的濾液進行檢測分析。按式(1)計算回收率以評估不同濾膜的影響,每種針式濾膜設置6個平行樣品。

(1)

其中:y——回收率;

A0——未過濾目標化合物的峰面積;

Ai——經不同種類針式濾膜過濾后目標化合物的峰面積(i=PTFE、Nylon、PES、MCE、PVDF)。

不同種類針式濾膜對BPA、BPE、BPF的影響如圖3所示。親水性PTFE、Nylon、PES、MCE、PVDF對3種雙酚類化合物的回收率分別為91.1%～97.5%,9.2%～26.2%,39.8%～78.0%,49.3%～72.6%,42.3%～62.1%;相對標準偏差(RSD)分別為1.4%～2.1%、4.5%～9.9%、1.5%～3.6%、1.4%～2.9%、2.7%～3.8%。可以看出,5種濾膜中,Nylon、PES、MCE、PVDF對目標化合物均有一定的吸附作用,其中Nylon的吸附最強。親水性PTFE對目標化合物的吸附很少,回收率和重復性較好。因此,水樣使用親水性PTFE針式濾膜進行過濾前處理。

圖3 BPA、BPE、BPF經不同針式濾膜過濾后的回收率Fig.3 Recovery Rates of BPA, BPE and BPF Filtered through Various Syringe Filters

2.4 線性范圍與檢出限

以3種雙酚類化合物峰面積(y)對標準系列濃度(x)繪制標準曲線并計算相關系數(r),如表3所示。3種雙酚類化合物在濃度范圍內呈現良好線性關系,r均大于0.999。以目標化合物S/N為3時對應的濃度作為檢出限(LOD),S/N為10時對應的濃度作為定量限(LOQ)。結果顯示,BPA、BPE、BPF的LOD分別為0.030、0.009、0.060 μg/L;LOQ分別為0.10、0.03、0.20 μg/L。此方法LOD和LOQ較低,可滿足飲用水中雙酚類化合物的分析檢測需求。

2.5 回收率與精密度

在純凈水樣品和自來水樣品中分別添加低(1 μg/L)、中(5 μg/L)、高(10 μg/L)3個質量濃度水平的BPA、BPE、BPF標準溶液進行加標回收試驗。每個濃度設置6個平行,計算不同加標濃度下BPA、BPE、BPF的回收率和RSD,如表4所示。不同加標濃度下BPA、BPE和BPF在純凈水樣品中的回收率為92.3%～98.6%,RSD為0.9%～2.6%;在自來水樣品中的回收率為91.7%～103.8%,RSD為1.8%～3.5%。該方法具有較高的準確度和精密度,符合飲用水中雙酚類化合物的測定要求。

表4 不同類型飲用水中BPA、BPE和BPF的加標回收率及相對標準偏差 (n=6)Tab.4 Recovery Rates and Relative Standard Deviations of BPA, BPE and BPF in Different Types of Drinking Water (n=6)

2.6 實際樣品測定

使用本研究建立方法,對5份純凈水樣品、10份出廠水樣品及10份末梢水樣品進行檢測。其中,BPA、BPE、BPF在純凈水樣品中均未檢出。BPA在3份出廠水樣品中有檢出,檢出率為30%,質量濃度為0.23～5.89 μg/L;在3份末梢水樣品中有檢出,檢出率為30%,質量濃度為0.52～3.67 μg/L。BPE、BPF在出廠水及末梢水樣品中均未檢出。

3 結論

本研究基于直接進樣-超高效液相色譜-串聯質譜建立了飲用水中BPA、BPE和BPF 3種雙酚類化合物同時檢測的分析方法。(1)該方法前處理使用0.22 μm針式濾膜過濾后直接進樣,操作簡便,所需樣品量少,具有快速高效的優點。(2)BPA、BPE、BPF的線性值分別在0.05～50.00、0.05～50.00、0.1～50.0 μg/L;LOD分別為0.030、0.009、0.060 μg/L;LOQ分別為0.10、0.03、0.20 μg/L。3種雙酚類化合物在純凈水和自來水樣品中的加標回收率分別為92.3%～98.6%和91.7%～103.8%,RSD分別為0.9%～2.6%和 1.8%～3.5%。由此,該方法具有較高的靈敏度和精密度。(3)該方法滿足《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2022)中BPA的限值(0.01 mg/L)測定需求,適用于飲用水中雙酚類化合物的污染水平研究以及暴露風險監測。