气相色谱－质谱法测定水体中5种典型有机紫外防晒剂

2014-05-08丁怡然赵婷婷张榆霞潘学军

色谱 2014年6期

丁怡然，黄云，赵婷婷，蔡倩，罗玉，黄斌，张榆霞，潘学军＊

（1.昆明理工大学环境科学与工程学院，云南昆明650500；2.云南省环境监测中心站，云南昆明650034）

有机紫外防晒剂是指可以吸收太阳光中长波紫外线（UVA，320～420 nm）和中波紫外线（UVB，275～320 nm）的一类有机物，该类物质主要作为化妆品添加剂被广泛应用于防晒霜等护肤品中，世界各国对该类物质的使用种类及用量均有规定［1］。我国化妆品卫生规范（2007版）［2］也对该类物质进行了种类及用量的规范，可以作为化妆品添加剂使用的有机紫外防晒剂共有24种。近年来，随着皮肤癌患病率增高及人们健康防护意识增强，有机紫外防晒剂的使用范围及使用量都在逐渐增加［3］。大多数有机紫外防晒剂含有一个或者多个苯环，且常连接有疏水性基团，具有较强的脂溶性，因此其进入环境后引起的环境及健康问题引起了国际社会的关注［4］。已有研究表明有机紫外防晒剂具有内分泌干扰效应、遗传毒性、生殖毒性等多种负面生物效应［5］。因此，建立简单、快速、灵敏、有效的水环境中有机紫外防晒剂的分析方法迫在眉睫。

化妆品中有机紫外防晒剂的检测普遍采用高效液相色谱（HPLC），通常使用该方法对标准溶液进行测定的检出限可达 mg／L级［6］。毛希琴等［7］优化了前处理、色谱柱和流动相等条件后用HPLC法检测了化妆品中17种有机紫外防晒剂，检出限和定量限达到μg／g。林维宣等［8］使用液相色谱－串联质谱法（LC－MS／MS）检测化妆品中11种有机紫外防晒剂，定量限达mg／kg。由于环境样品中有机紫外防晒剂的浓度远远不及其在化妆品中的浓度，因此对于环境中的样品较少采用HPLC法。目前，针对环境样品中有机紫外防晒剂的检测方法有LC－MS／MS法，液相色谱－二极管阵列检测法（LC－DAD），气相色谱－质谱法（GC－MS）。其中，使用 LC－MS／MS测定水体中二苯酮－3（benzophenone－3，BP－3）的检出限可达50 ng／L［9］；LC－DAD 检测水体中 BP－3、甲氧基肉桂酸乙基己酯（ethylhexyl methoxycinnamate，EHMC）、4－甲基苄亚基樟脑（4－methylbenzylidene camphor，4－MBC）的检出限分别可达0.45、0.56、0.14μg／L［10］。由此可见，对环境样品进行检测使用LC－MS／MS要优于LC－DAD，但是由于LC－MS／MS设备昂贵，因此该方法并未得到广泛应用。而GC－MS在运行成本及检出限方面具有一定的优势，使用 GC－MS检测4－MBC、EHMC检出限分别可达5.8、2.5 ng／L［10］。

目前检测水样中有机紫外防晒剂采用的前处理方法包括了传统的液液萃取法（LLE）［11］、固相萃取法（SPE）［9］、固相微萃取法（SPME）［12］。其中 LLE法耗费有机溶剂较多且操作复杂，近年来关于该法的前处理报道较少；SPME法是一种快速、精确的前处理方法，且不仅可以用于简单的水样，还可以用于如尿液等复杂样品；SPE法在3种前处理方法中较为常用。近年来，基质固相分散法（MSPD）和搅拌棒吸附萃取法（SBSE）作为新兴的水样前处理技术也有报道［13，14］。

本研究以5种典型有机紫外防晒剂BP－3、EHMC、4－MBC，奥克立林（octocrylene，OC）、胡莫柳酯（homosalate，HMS）为目标污染物，建立环境水样中典型有机紫外防晒剂的GC－MS分析方法。在所选的5种目标化合物中，EHMC、BP－3、OC和4－MBC为市售化妆品中用量前4位的有机紫外防晒剂［15］；此外，生物实验表明 BP－3、4－MBC 和HMS具有雌激素效应，会引起实验生物的一些负面生物效应［16］。同时这5种物质也是很多研究调查选取的目标污染物，具有一定的代表性。

在所选目标污染物中，HMS和BP－3均具有苯环上连接羟基的结构（见表1），使得这两个物质与其他物质相比极性较大，不利于其在GC－MS分析过程中气化。已有研究［17］表明，HMS和BP－3经衍生化后，色谱峰形有较大的改善，两个物质的检出限达到ng／L级。但目前尚未见对这两个物质的衍生化反应进行全面系统的条件考察，不同的文献［17－20］采用的衍生化试剂、衍生化反应时间和温度均不尽相同。

本文针对HMS、BP－3衍生化条件进行了系统的优化，得出HMS、BP－3的最佳衍生化条件，并对SPE条件进行了系统优化，建立了SPE－衍生化－GCMS分析5种目标化合物在水体中含量的方法，并使用该方法对实际水样进行了验证分析。

1 实验部分

1.1 仪器及试剂

气相色谱（7890A，Agilent）－质谱（5975C，Agilent）联用仪；自动固相萃取装置（Reeko）；固相萃取柱 Oasis HLB（0.5 g，6 mL，Waters）；HGC－36A型氮吹仪（天津恒奥）；GF／F玻璃纤维滤纸（0.45 μm，Millipore）。

BP－3、benzophenone－d10（BP－d10，回收率指示物）和肉桂酸苄酯（内标，I.S.）购于Sigma－Aldrich，纯度均大于99%；EHMC、4－MBC、OC和HMS购于Dr.Ehrenstorfer，纯度均大于99%；衍生化试剂N－甲基－N－三甲基硅基三氟乙酰胺（N－methyl－N－trimethylsilyltrifluoroacetamide，MSTFA）、双（三甲基硅烷基）三氟乙酰胺（N，O－bis（trimethylsilyl）trifluoroacetamide，BSTFA）购于Sigma－Aldrich，纯度均大于98%；正己烷、甲醇、二氯甲烷、乙酸乙酯等有机溶剂均为色谱纯级（Fisher）。目标化合物及回收率指示物、内标结构式见表1。

1.2 标准溶液的配制

实验所用玻璃容器均用铬酸洗液浸泡24 h后用超纯水洗净，400℃以上烘干4～6 h以排除有机杂质对实验结果的影响。

标准贮备液：准确称取 HMS、EHMC、BP－3、4－MBC、OC、BP－d10、肉桂酸苄酯各10 mg，溶于10 mL正己烷中，得到1 g／L的标准贮备液，4℃冷藏保存。根据实验需要稀释。

混合标准溶液：分别取 HMS、EHMC、BP－3、4－MBC、OC和 BP－d10标准贮备液各100μL，加入9 400μL正己烷，得到10 mg／L的混合标准溶液，4℃冷藏。

1.3 固相萃取

水样经0.45μm玻璃纤维滤膜过滤，调节pH3～5，待用。Oasis HLB柱依次用5 mL乙酸乙酯－二氯甲烷混合溶液（1∶1，v／v）、5 mL甲醇和5 mL去离子水活化，将处理过的水样以5 mL／min流速通过活化好的Oasis HLB柱。上样富集完毕后，先用10 mL超纯水淋洗固相萃取柱以除去杂质，之后待固相萃取柱中水份完全抽干后用15 mL乙酸乙酯－二氯甲烷溶液（1∶1，v／v）混合溶液对固相萃取柱进行洗脱，收集洗脱溶液得到目标化合物。

1.4 衍生化

将含有目标化合物的洗脱溶液通入氮气缓慢吹干，加入100μL衍生化试剂，摇匀混合后在100℃下反应100 min，冷却至室温后加入100μL 10 mg／L内标使最终进样溶液中内标质量浓度为5 mg／L，取1μL进行GC－MS分析。

1.5 GC－MS仪器参数及分析条件

气相色谱柱为 DB－5MS色谱柱（30 m×0.25mm×0.25μm，美国J ＆W Scientific公司）；以氦气为载气，流速1.2 mL／min；不分流方式进样，进样口温度280℃，进样体积1μL。色谱柱升温程序为：初始温度80℃，保持1 min；以20℃／min升温到210℃，保持6 min；以30℃／min 升温至280℃，保持5 min。接口温度280℃；传输线温度300℃；离子源为电子轰击离子源（EI）；能量70 eV；离子源温度250℃。以全扫描（scan）模式定性，扫描范围m／z 50～600；以选择离子扫描模式（SIM）定量。其他参数见表1。

表1 目标物质、回收率指示物、内标物的化学结构及图谱信息Table 1 Chromatogram information and structures of the target compounds，recovery indicator and internal standard

2 结果与讨论

2.1 HMS、BP－3衍生化条件优化

2.1.1 衍生化试剂的选择

根据文献［21］报道羟基衍生化常用的衍生化试剂为MSTFA及BSTFA。因此，首先考察了衍生化试剂用量为150μL，反应温度为70℃，反应时间为60 min条件下，不同衍生化试剂对目标化合物衍生化的影响，结果见图1。使用BSTFA作为衍生化试剂，目标化合物的相对响应因子（relative response factors，RRF）值明显高于使用MSTFA作为衍生化试剂的所得值。对样品进行GC－MS全扫描检测，使用BSTFA作为衍生化试剂时的色谱图峰形优于使用MSTFA的。因此选择BSTFA作为HMS和BP－3的衍生化试剂。

2.1.2 衍生化试剂的用量

考察了衍生化试剂为BSTFA，反应温度为70℃，反应时间为60 min条件下，衍生化试剂用量对HMS、BP－3衍生化效果的影响，结果见图2。当衍生化试剂用量为50μL时，HMS和BP－3的衍生化反应不完全，仍有大部分化合物未被衍生化，因此RRF值较低；当衍生化试剂增加到100μL时，HMS和BP－3衍生化反应较完全，RRF值较高。因此选择衍生化试剂用量为100μL。

图1 衍生化试剂对衍生化产物响应因子（RFF）的影响Fig.1 Effect of derivatization reagent on the relative response factor（RFF）values of the derivative products

图2 衍生化试剂用量对衍生化产物RRF值的影响Fig.2 Effect of the volume of derivatization reagent on the RRF values of the derivative products

2.1.3 衍生化时间

在衍生化试剂为BSTFA，用量为100μL，反应温度为70℃条件下，考察了反应时间分别为30、50、60、80、90、100、120 min对衍生化反应的影响，结果如图3所示。当衍生化反应时间小于100 min时，HMS和BP－3未能完全衍生化，RRF值较低；但随着反应时间增加，衍生化反应逐步进行完全，RRF值呈现递增趋势；而当衍生化反应时间为100 min时，HMS和BP－3的衍生化效果较好，取得较高RRF值。因此选择反应时间为100 min。

图3 衍生化反应时间对衍生化产物RRF值的影响Fig.3 Effect of the derivatization reaction time on the RRF values of the derivative products

2.1.4 衍生化温度

考察了衍生化试剂为BSTFA，衍生化试剂用量为100μL，反应时间为100 min条件下，衍生化温度分别为20、50、70、80、90、100、120 ℃时对衍生化反应的影响，实验结果如图4。温度在20～90℃时，HMS和BP－3的衍生化反应逐步进行完全，RRF值逐渐递增；当温度达到100℃时，HMS和BP－3的衍生化反应较为完全，此时目标化合物的RRF值达到峰值。因此选择反应温度为100℃。

图4 衍生化反应温度对衍生化产物RRF值的影响Fig.4 Effect of the derivatization reaction temperature on the RRF values of the derivative products

2.1.5 衍生化产物的稳定性

在上述确定的衍生化条件下，分别取100μL10 mg／L的HMS和BP－3标准溶液，对其进行衍生化。衍生化后产物在4℃下保存，分别于0、6、12、24、36、48 h后取出进行GC－MS检测，发现HMS和BP－3衍生化产物RRF值呈现下降趋势，说明衍生化产物不稳定，对HMS、BP－3进行衍生化后需要立即检测以保证数据的可靠性。

2.2 固相萃取条件

2.2.1 固相萃取柱的选择

在水样pH为中性，洗脱溶剂为乙酸乙酯的条件下，对比了使用 Oasis HLB（0.5 g）、Sep－Pak C18（0.5 g）和Sep－Pak C18（1.0 g）3种固相萃取小柱时5种目标化合物及回收率指示物的回收率。如表2所示，与其余两种小柱相比，使用Oasis HLB小柱时目标物的回收率较高。这是由于与Sep－Pak C18柱相比，Oasis HLB柱对极性较弱的物质具有更好的吸附性能，且其具有较高的吸附量，在填料较少的情况下仍然可以得到较高的回收率。因此选择Oasis HLB柱进行固相萃取。

2.2.2 洗脱溶剂

使用Oasis HLB柱，在水样pH为中性的条件下考察了乙酸乙酯（EA）、二氯甲烷（DCM）、乙酸乙酯－二氯甲烷（1∶1，v／v）、乙酸乙酯－二氯甲烷（2∶1，v／v）4种溶液作为洗脱溶剂时各目标物的回收率。从表3可以看出，洗脱溶剂为乙酸乙酯－二氯甲烷（1∶1，v／v）时，目标物质的回收率高于使用其余3种洗脱溶剂时的回收率，因此选择其作为洗脱溶剂。

表2 不同固相萃取柱对目标物回收率的影响Table 2 Effect of solid phase extraction column on the recoveries of the target compounds

表3 洗脱溶剂对目标物回收率的影响Table 3 Effect of elution solvent on the recoveries of the target compounds

2.2.3 水样pH值的选择

使用Oasis HLB柱，以乙酸乙酯－二氯甲烷（1∶1，v／v）为洗脱溶剂的条件下考察了水样pH对各物质回收率的影响。由于Oasis HLB柱填料性质使得其对酸性样品的保留能力高于碱性样品，因此当水样处于酸性条件下，pH值对各物质的回收率没有明显影响；当水样处于碱性条件下，各物质的回收率下降。因此调节水样pH值为3～5。

2.3 方法学验证

2.3.1 线性关系、检出限和定量限

配制系列质量浓度（0.005、0.01、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、2.0、5.0、10.0μg／L）的混合标准溶液，在优化的衍生化条件下进行测定。以目标物与内标的峰面积之比（即RRF）为纵坐标，各目标物的质量浓度（μg／L）为横坐标，得到5种目标物及回收率指示物的标准曲线、相关系数及线性范围（见表4）。各分析物的RRF值与其质量浓度呈良好的线性关系，相关系数（r2）均高于0.99，线性范围为0.01～10μg／L。分别按照信噪比（S／N）为3和10确定方法的检出限与定量限，结果见表4。使用衍生化－气相色谱－质谱法检测5种典型有机紫外防晒剂的方法检出限为0.5～1.2 ng／L，定量限为1.4～4.0 ng／L。文献［17］中5种典型有机紫外防晒剂的检出限为23～181 ng／L，与本文进行比较可以看出本文方法的检出限更低。

2.3.2 方法的回收率和精密度

实际空白水样采自抚仙湖湖心，向水样中加入10μL10 mg／L的混合标准溶液，在优化的实验条件下进行3次平行试验，计算回收率和方法精密度（见表5）。在实际水样中，各目标化合物的平均回收率为87.85%～102.34%，相对标准偏差（RSD，n＝3）为1.9%～4.8%，可以满足环境样品中有机紫外防晒剂的分析要求。目标物的色谱图见图5。

表4 目标物的线性方程、相关系数、检出限及定量限Table 4 Linear equations，correlation coefficients（r2），LODs and LOQs of the target compounds

表5 抚仙湖水样中6种目标物的加标回收率和相对标准偏差（n＝3）Table 5 Recoveries and RSDs of the six target compounds in spiked water sample collected from Fuxian Lake（n＝3）

图5 实际加标（100 ng／L）水样的选择离子色谱图Fig.5 SIM chromatogram of a real water sample spiked at 100 ng／L

2.4 实际环境样品的测定

2013年12月采集了昆明市第一污水处理厂进出口水样进行检测。按照优化的方法对水样进行前处理、衍生化及测定。经检测，HMS、EHMC、BP－3、4－MBC、OC 在进水中的质量浓度分别为2 344.92、558.34、109.79、382.79、183.92 ng／L，在出水中分别为 334.78、81.55、58.13、196.25、126.71 ng／L。对各点位水样进行了3组平行实验，各组实验结果的RSD小于4%。将所得结果与文献［11］进行比较发现差别不大，认为该结果可以代表昆明市部分市区生活污水中5种典型紫外防晒剂的含量。污水处理厂水样，尤其是进水水样中成分较复杂，本文方法成功测定了污水处理厂水样中目标物质的含量，表明其具有一定的使用前景。

3 结论

对HMS和BP－3的衍生化反应条件进行了系统的优化，并对衍生化产物的稳定性进行了考察。建立了固相萃取－衍生化－气相色谱－质谱检测水体中5种有机紫外防晒剂的方法，具有较低的检出限。应用该方法检测了污水处理厂进出水中目标物的含量，证明该方法稳定可靠，重现性好，能满足实际环境样品检测的要求。该方法的建立对开展检测该类物质在污水处理厂、水环境中的分布研究工作具有一定的支撑作用。

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