气相色谱火焰光度法测定水体中9种有机磷酸酯阻燃剂
2016-01-27宋淑玲郭晓辰
潘 萌,宋淑玲,王 媛,郭晓辰,饶 竹
(国家地质实验测试中心,北京 100037)
气相色谱火焰光度法测定水体中9种有机磷酸酯阻燃剂
潘萌,宋淑玲,王媛,郭晓辰,饶竹*
(国家地质实验测试中心,北京100037)
有机磷酸酯阻燃剂(Organophosphate flame retardants,OPFRs)是一类以磷酸基团的氢被取代而形成的磷酸三酯为主的化合物,作为阻燃剂和增塑剂被广泛应用于建材、纺织、塑料等领域,近年使用量逐年增加[1]。OPFRs以添加的形式与材料混合,易从材料中逸出并进入不同的环境介质,最终蓄积在人体。文献研究表明OPFRs具有神经毒性、生殖毒性、致癌作用等[2-5]。目前在水体[6-14]、底泥[7,15-16]、室内灰尘[17]、生物样品[18-19]等环境介质中不断被检出,已成为一种普遍存在的新型有机污染物。由于大部分OPFRs的辛醇水分配系数对数值(lgKow)小于5.11,表现出一定的亲水性(见表1中lgKow);同时有文献报道[13]氯代OPFRs具有难降解性,易在水体中赋存。鉴于OPFRs的以上特点,水体成为一类重要的蓄存介质和迁移途径,因此研究并建立水体中OPFRs的快速、灵敏和准确分析方法具有十分重要的意义。
表1 9种常见有机磷酸酯类阻燃剂的理化参数
目前对水体中OPFRs的前处理方法主要有液液萃取法(LLE)[7,20]、固相萃取法(SPE)[6,12-13,21-23]、固相微萃取法(SPME)[9]以及液相微萃取法(LPME)[8,10-11]等;仪器方法主要有气相色谱法(GC)[9-10,24]、气相色谱-质谱法(GC-MS)[11,14,20,25]、液相色谱-串联质谱法(LC-MS/MS)[6-8,13,22-23]等。这些分析方法主要存在以下问题:①同一提取方法中极性差异较大组分的回收率难以同时兼顾,如SPE法对弱极性组分TEHP的回收率低于40.0%[6,12,23];LPME法对中等极性组分TCEP和弱极性组分TEHP的回收率分别为25%和24%[11]。②部分方法的目标组分种类有限,未能覆盖极性较强与较弱组分[6,9,14,21]。③气相色谱氮磷检测器(NPD)方法的稳定性较差[26];LC-MS/MS法仪器设备成本较高;GC-MS法易受到m/z99的背景干扰[26]。而LLE具有方法稳定、操作简单的优点,能够兼顾不同污染浓度的样品,FPD是针对含硫磷化合物的专用检测器,具有高灵敏度和高选择性。因此本文采用LLE/GC-FPD研究建立了水体中9种OPFRs(见表1)的分析方法。
1实验部分
1.1仪器、材料与试剂
Agilent 7890B气相色谱仪(美国Agilent公司),配火焰光度检测器;色谱柱:DB-5MS(30 m×0.25 mm,0.25 μm,美国Agilent公司);Rtx-OPPesticides2(30 m×0.32 mm,0.32 μm,美国Restek公司);Oasis HLB固相萃取柱(美国Waters公司,6 mL,200 mg)。
9种OPFRs标准品:TEP,TBP,TCEP,TDCPP,TPhP(纯度均大于97%,美国Accustandard公司);TPrP(纯度大于99%,荷兰CHIRON AS公司);TCPP,TEHP,TOCP(纯度均大于95%,德国Dr.Ehrenstorfer公司)。回收率指示物氘代磷酸三丁酯(D27-TBP,纯度大于98%,加拿大剑桥同位素实验室)。
所用有机试剂均为色谱纯:正己烷、乙酸乙酯(北京百灵威公司);二氯甲烷(韩国Duskan公司);三氯甲烷(美国J.T.Baker公司);乙腈(美国Fisher公司)。空白水(HPLC/LC-MS级,德国CNW公司);NaCl、无水Na2SO4(分析纯,国药集团化学试剂有限公司):700 ℃灼烧处理10 h。
OPFRs单标储备液(10 μg/mL)均用乙腈配制,9种OPFRs混标储备液(1 μg/mL)用乙腈稀释单标储备液配制,所有储备液均置于4 ℃密封冷藏,备用。
1.2实验方法
1.2.1GC-FPD测定条件进样口温度250 ℃,脉冲不分流进样(脉冲压力110.3 kPa);进样量1.0 μL;恒流模式,流速为1.5 mL/min;色谱柱:RTX-OPPesticides 2(30 m×0.32 mm,0.32 μm,Restek);升温程序:60 ℃保持1 min,以30 ℃/min升温至252 ℃保持1 min,以1 ℃/min升温至255 ℃,然后以30 ℃/min升温至310 ℃保持4 min;检测器温度300 ℃,空气流量100 mL/min,氢气流量75 mL/min;载气N2。
1.2.2样品制备方法液液萃取:向1 L分液漏斗中依次加入20 g NaCl和1 000 mL待分析水样,振荡使NaCl完全溶解。随后加入50 μL 1 μg/mL的替代物溶液摇匀,并分别采用50 mL+25 mL+25 mL二氯甲烷分3次进行液液萃取,合并3次有机相萃取液。将萃取液用无水Na2SO4干燥后旋蒸,氮吹浓缩定容至1.0 mL,待GC-FPD分析测定。
2结果与讨论
2.1气相色谱条件的优化
色谱柱是决定色谱分离效果的关键因素。实验对比研究了DB-5MS和Rtx-OPPesticides 2两种不同填料色谱柱对9种OPFRs的分离效果。结果显示,DB-5MS色谱柱对中等极性组分TEP,TPrP和TCEP等呈现明显的拖尾现象且峰形较差,通过对初始温度、进样口温度、升温程序等色谱参数进行优化后仍无明显改善;使用Rtx-OPPesticides 2色谱柱,在优化的分析条件下,各组分的峰形对称,分离度好,响应值高,中等极性组分的拖尾现象得到明显改善,并能在15 min内完成9种OPFRs的良好分离。分析认为这是由于DB-5MS色谱柱为弱极性色谱柱,TEP,TPrP和TCEP等组分的极性较强,按照“相似相溶”原理,DB-5MS对极性较强化合物的分离能力较差;而Rtx-OPPesticides 2是有机磷农药的专用分析柱,对含磷化合物有较好的色谱分离能力。因此实验最终选择Rtx-OPPesticides 2作为最佳分析柱。
2.2液液萃取条件的优化
本研究中9种目标组分的理化性质差异较大,为使各目标组分均有满意的回收率,分别考察了正己烷、二氯甲烷、三氯甲烷和乙酸乙酯4种不同极性溶剂对各组分萃取率的影响。实验发现乙酸乙酯的水溶性较大,不能与水相分层,无法提取。而其他3种萃取溶剂对弱极性组分TCPP,TDCPP,TPhP,TEHP,TOCP的回收率较好,均大于80%。对于中等极性组分的回收率存在差异,其中正己烷对中等极性组分的萃取效率偏低,且重复性差,如TEP,TCEP的回收率分别为2.17%和5.06%,相对标准偏差(RSD)分别为99.4%和20.4%。三氯甲烷对TEP的萃取效率也不理想且重复性差,回收率为26.9%,RSD为54.0%。二氯甲烷对中等极性组分(如TEP,TPrP,TCEP等)和弱极性组分(如TEHP,TOCP等)均表现出良好的萃取效率和重复性,加标回收率为75.0%~105%,RSD为6.5%~22.4%。分析认为正己烷是一种弱极性的有机试剂,而TEP和TCEP具有较强的水溶性(lgKow分别为0.80,1.44),根据“相似相溶”原理可以解释其回收率低的原因。TEP不仅极性强而且具有一定的脂溶性,氯仿的极性大于二氯甲烷,亲脂能力相对较弱,不利于TEP从水相转移至氯仿相。因此实验最终选择二氯甲烷作为萃取溶剂。
2.3萃取方法的选择
SPE具有快速、低污染的特点,是目前使用较多的分析方法。实验对比了文献[22]中SPE方法与本实验中LLE方法对9种OPFRs的萃取效果,实验结果见表2,同时表2中还列出了不同SPE方法对目标组分的回收率。SPE方法对各目标组分的加标回收率为66.9%~115%,但TEHP的回收率仅为34.7%,与文献结果一致,而LLE方法的回收率结果为75.9%~111%,对目标组分具有良好的萃取效果。SPE方法对TEHP回收率低的原因可能是由于TEHP的疏水性强,易吸附在玻璃器皿或与溶解的有机质结合,使得洗脱不完全[26],也有报道认为柱填料的保留能力不够会引起TEHP的回收率偏低[12]。因此本实验采用LLE萃取的方法可实现对目标组分的萃取。
表2 本方法与SPE方法对比
2.4线性范围与检出限
分别配制质量浓度为1.0,5.0,10,50,100,300,500 ng/mL的9种OPFRs标准溶液,在优化的仪器条件下测定,采用外标法定量。结果显示,各目标组分在1.0~500 μg/L范围内线性关系良好(r2≥0.998)。
添加5 ng的9种OPFRs标准溶液于1.0 L水样中,平行处理7份,计算7次测定值的标准偏差(s)和方法的检出限(MDL):MDL=s×t(n-1,0.99)/Kf,式中:n为重复测定的加标样品数;s为n次加标测定浓度的标准偏差;t(n-1,0.99)是置信度为99%、自由度为n-1时的双边分布t值(可查表得到);Kf为样品的富集倍数。本实验中t(6,0.99)=3.413;Kf为1 000。计算得各组分的方法检出限(MDL)为1.0~2.0 ng/L,灵敏度高于文献报道值2.6~13 ng/L[7],具体结果见表3。
2.5加标回收率与精密度
分别配制5,100,300 ng/L 3个浓度水平的空白加标样品,每个水平平行测试7次,各目标组分的平均加标回收率和RSD见表3。结果显示,9种OPFRs的回收率为75.9%~111%,RSD均不大于15%。这一结果优于文献结果,如Martínez-Carballo等[7]采用LLE方法测得空白样品在加标浓度为200 ng/L时的加标回收率为60%~100%,其中TEP为(63±3.9)%;而Andresen等[20]获得的TCEP回收率仅为31%。结果显示,本方法在低浓度水平下仍具有良好的准确度和精密度,能够实现对污染程度低的清洁水样中目标组分的测定,适用范围更广。
表3 空白样品中9种OPFRs的加标回收率、相对标准偏差及方法检出限(n=7)
2.6实际样品的测定
图1 100 ng/mL标准品(A)与实际样品(B)的对照色谱图Fig.1 Chromatograms of OPFRs(100 ng/mL) standard solution (A) and a real surface water sample(B)1.TEP,2.TPrP,3.TBP,4.TCEP,5.TCPP,6.TDCPP,7.TEHP,8.TPhP,9.TOCP
利用本方法测定了江苏省某地的6个湖泊地表水样品,采用实验室空白、空白加标和平行样进行质量控制。分析结果显示,6个样品中OPFRs的检出率为100%,各组分的检出浓度为n.d.~471 ng/L,总OPFRs为408~1 532 ng/L,表明上述环境水体均受到了OPFRs不同程度的污染。图1为标准品与实际样品的对照色谱图。
图2 实际样品中OPFRs的分布特征Fig.2 Distributions of OPFRs in six real water samples
从各组分的分布特征看(如图2),检出组分为TEP,TBP,TCEP,TCPP,TDCPP,TEHP,TPhP共7种,除TEHP以外其余6种OPFRs的检出率为100%,TEP,TBP,TCEP,TCPP的检出浓度高,在每个样品中这4种组分之和的比例均超过90%。分析认为TEP,TBP,TCEP,TCPP具有较强的水溶性,且TCEP与TCPP具有难降解的特点,因而在水相中含量较高;TEHP和TPhP的疏水性较强,因此在水相中含量较低;TPrP,TOCP在6个样品中均未检出,推测可能是因为TPrP在实际应用中的用量较少[27],而TOCP则可能是因为水溶性偏低,其在水中溶解度仅为0.36 mg/L。这一结果与已报道的国内水体中OPFRs的分布特征相似[14,21,23]。
3结论
本文通过对萃取方法的对比研究和仪器分析条件的优化,选择LLE为样品前处理方法,二氯甲烷为萃取溶剂,有机磷专用柱Rtx-OPPesticides 2为分析柱。该方法提高了萃取率,改善了目标组分的分离度和分析灵敏度,最终实现了水体中极性差异较大的9种OPFRs的同时测定。9种OPFRs在1.0~500 ng/mL范围内呈良好的线性关系(r2≥0.998),方法检出限为1.0~2.0 ng/mL,加标回收率为75.9%~111%,RSD不大于15%。该方法操作简单,适用范围广,灵敏度和准确度高。在实际湖泊水样中均检测出OPFRs,表明该地区湖泊水中存在一定程度的OPFRs污染。
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摘要:建立了水体中9种有机磷酸酯阻燃剂(OPFRs)的液液萃取(LLE)/气相色谱-火焰光度(GC-FPD)测定方法。对比研究了液液萃取、固相萃取条件和仪器测定条件。最终选择液液萃取作为样品的提取方法,以二氯甲烷为提取溶剂;有机磷专用柱Rtx-OPPesticides 2作为分析柱,15 min内可实现待测组分的良好分离。在优化条件下,9种OPFRs在1.0~500 ng/mL范围内呈良好的线性关系(r2≥0.998),方法检出限为1.0~2.0 ng/L。在5,100,300 ng/L加标水平下,9种OPFRs空白水样的加标回收率为75.9%~111%;相对标准偏差(RSD)为3.3%~15%。该方法应用于6个实际湖泊地表水样品的检测,OPFRs的检出率为100%,其组分检出总浓度为408~1 532 ng/L,可见湖泊地表水中存在明显的OPFRs污染。
关键词:有机磷酸酯阻燃剂;液-液萃取;气相色谱火焰光度法;水体
Determination of 9 Organophosphate Flame Retardants in Water by Gas Chromatography with Flame Photometry DetectionPAN Meng,SONG Shu-ling,WANG Yuan,GUO Xiao-chen,RAO Zhu*
(National Research Center for Geoanalysis,Beijing100037,China)
Abstract:A method for the determination of 9 organophosphate flame retardants(OPFRs) in water by liquid-liquid extraction(LLE) followed by gas chromatography with flame photometry detection was developed.The main analytical conditions,such as water sample preparation and instrument analysis method,were optimized.Liquid-liquid extraction was selected using methylene chloride as extraction solvent,and organic phosphorus Rtx-OPPesticides 2 special column was chosen as analytical column.Under the optimal conditions,a completed base line separation of 9 OPFRs was obtained within 15 min.9 OPFRs in the concentration range of 1.0-500 ng/mL showed good linear relationship(r2≥0.998).The method detection limits(MDLs) ranged from 1.0 ng/L to 2.0 ng/L.At spiked concentrations of 5,100, 300 ng/L,the recoveries of 9 OPFRs were in range of 75.9%-111% with relative standard deviations(RSD) of 3.3%-15%.The method was further applied in the determination of OPFRs in real lake water samples with 9 OPFRs total concentrations of 408-1 532 ng/L.The analytical result showed that the lake water was contaminated by OPFRs.
Key words:organophosphate flame retardants;liquid-liquid extraction;gas chromatography with flame photometry detection;water samples
中图分类号:O657.71;TQ314.248
文献标识码:A
文章编号:1004-4957(2015)12-1377-05
doi:10.3969/j.issn.1004-4957.2015.12.008
通讯作者:*饶竹,硕士,研究员,研究方向:环境有机污染物分析,Tel:010-68999554,E-mail:raozhu@126.com
基金项目:国家地质实验测试中心基本科研业务费(2014CSJ03);国土资源部地质调查项目(1212010816028,12120115047601)
收稿日期:2015-05-18;修回日期:2015-07-20