分散固相萃取-气相色谱-质谱法测定茶叶中18种多氯联苯

2018-10-11刘腾飞杨代凤章雪明董明辉

色谱 2018年10期

刘腾飞, 杨代凤*, 章雪明, 毛健, 董明辉

(1. 江苏太湖地区农业科学研究所, 江苏苏州 215155; 2. 苏州市农产品质量安全监测中心, 江苏苏州 215128)

多氯联苯(PCBs)是一类人工合成的氯代联苯类芳烃化合物,曾作为优质工业添加剂(热载体、阻燃剂、增塑剂、绝缘材料等)应用于印刷、化工、电力等领域[1]。PCBs随着相关产品在生产、使用、处置、废弃以及一些工业生产过程(如金属冶炼、废弃物焚烧、电力生产)[2-4]中的非故意生成和排放,被逐渐释放到环境中,从而对生态环境造成影响,并通过食物链影响到人类健康。研究[5-7]表明,PCBs具有很强的生物毒性,能够导致生物体内分泌紊乱以及免疫和生殖系统破坏,诱发癌症和神经性疾病。20世纪70年代开始,PCBs已在全球范围内停产和使用,但由于其高稳定、半挥发等特性,使其在环境中残留并积累,在空气[8]、土壤[9]、水体[10]、沉积物[11]、食品[12]等各类介质中不断被检出,已成为一类普遍存在的持久性有机污染物,被列入斯德哥尔摩公约首批控制污染物名单[13]。因此建立快速简便的分析方法以检测此类物质具有十分重要的意义。

目前PCBs的检测方法主要有气相色谱-电子捕获检测器法(GC-ECD)[4,8]、气相色谱-质谱法(GC-MS)[3,12]和气相色谱-串联质谱法(GC-MS/MS)[10]等,其中GC-MS不仅能准确定性定量,且仪器相对便宜,容易大范围的配备和使用,是目前测定PCBs最常用的方法,也是国家或行业标准推荐采用的方法[14,15]。但上述方法采用的样品前处理技术主要为液液萃取[4,12]、索氏提取[9]、加速溶剂萃取[12]、微波辅助萃取[16]等萃取技术,以及固相萃取[4,10,12]、浓硫酸磺化[17]、固相微萃取[18]、分散液液微萃取[19]等净化方法,它们往往过程繁琐、费时,溶剂消耗量大,分析成本偏高。

近年来,分散固相萃取(dSPE)技术以其操作简单、快速、高效、成本低廉等优点得到迅速发展,并在环境、食品等领域得到了广泛应用。该技术基于吸附原理,将吸附剂直接加入到样品提取液中,通过涡旋振荡等方式,与基质干扰物充分接触,使干扰物吸附在吸附剂上,达到样品净化的目的[20]。常用的吸附剂有N-丙基乙二胺(PSA)、石墨化炭黑(GCB)、C18等，但其对复杂基质的净化效果并不理想,而且价格相对较高。碳纳米管是一种新型纳米碳材料,与PSA、C18、GCB相比,具有比表面积大、吸附容量高、吸附性能佳、选择性高、价格低廉等优点,近年来被作为分散固相萃取吸附剂广泛应用于水体、土壤、食品等样品中农药、兽药、重金属等污染物的检测[21-23],有效地提高了前处理效率,降低了检测成本。但将碳纳米管作为分散固相萃取吸附剂用于茶叶中PCBs的检测尚未见报道。

茶叶作为世界公认的天然健康饮料作物,其安全问题在全球范围内备受关注。研究[24-29]表明,国内外茶叶均不同程度地受到PCBs的污染。庄惠生等[24]采用间接竞争酶联免疫吸附法(ELISA)检测出铁观音茶叶中含有3,4-二氯联苯(PCB12),其含量为 0.004 3 μg/L。Amakura等[25]报道了5种保健茶中类二恶英类PCBs的含量水平,为0.6～30.8 pg/g。目前关于茶叶中PCBs的研究相对较少,且只涉及茶叶中少数几种PCBs,同时快速检测茶叶中18种PCBs的方法未见报道。

本文针对茶叶基质的特点,以碧螺春茶、铁观音茶、普洱茶3种茶叶为研究对象,采用吸附性能好、净化效率高的羧基化多壁碳纳米管(MWCNTs-COOH)作为dSPE的吸附剂,结合GC-MS,建立了同时检测18种PCBs的分析方法。该方法操作简单,净化效果好,分析成本低,准确度高,稳定性好,可用于不同种类茶叶基质中PCBs的测定,对于保证茶叶质量安全具有重要意义。

1 实验部分

1.1 仪器、试剂与材料

7890B-5977A气相色谱-质谱联用仪(美国Agilent公司); KQ-500DE超声波清洗器(昆山超声仪器公司); TG16-WS台式高速离心机(湖南湘仪实验仪器公司); K600粉碎机(德国博朗公司); HSC-24B氮吹仪(天津恒奥科技公司); Direct-Q 5 UV型超纯水机(美国Millipore公司)。

18种PCBs混合标准溶液:2,4,4′-三氯联苯(PCB28)、2,2′ ,5,5′-四氯联苯(PCB52)、2,2′ ,4,5,5′-五氯联苯(PCB101)、2,3′ ,4,4′ ,5-五氯联苯(PCB118)、2,2′ ,4,4′ ,5,5′-六氯联苯(PCB153)、2,2′ ,3,4,4′ ,5′-六氯联苯(PCB138)、2,2′ ,3,4,4′ ,5,5′-七氯联苯(PCB180)、3,4,4′ ,5-四氯联苯(PCB81)、3,3′ ,4,4′-四氯联苯(PCB77)、2′ ,3,4,4′ ,5-五氯联苯(PCB123)、2,3,4,4′ ,5-五氯联苯(PCB114)、2,3,3′ ,4,4′-五氯联苯(PCB105)、3,3′ ,4,4′ ,5-五氯联苯(PCB126)、2, 3′ ,4,4′ ,5,5′-六氯联苯(PCB167)、2,3,3′ ,4,4′ ,5-六氯联苯(PCB156)、2,3,3′ ,4,4′ ,5′-六氯联苯(PCB157)、3,3′ ,4,4′ ,5,5′-六氯联苯(PCB169)、2,3,3′ ,4,4′,5,5′-七氯联苯(PCB189),质量浓度均为10 mg/L,购于美国o2si公司。

多壁碳纳米管(长度:10～30 μm,外径:10～20 nm,内径:5～10 nm,纯度:>95% ,比表面积:>200 m2/g)、羟基化多壁碳纳米管(MWCNTs-OH,长度:10～30 μm,外径:10～20 nm,内径:5～10 nm,纯度:>95% ,比表面积:>200 m2/g)、MWCNTs-COOH(长度:10～30 μm,外径:10～20 nm,内径:5～10 nm,纯度:>95% ,比表面积:>200 m2/g)、PSA(粒度40～60 μm)、GCB(粒度40～120 μm)、C18(粒度40～60 μm)均购于天津艾杰尔公司;弗罗里硅土(Florisil, 60～100目,农残级)购于美国ROE公司;正己烷(色谱纯,瑞典欧普森公司);丙酮、乙酸乙酯、乙腈、甲苯、氯化钠、无水硫酸钠(用前于450 ℃灼烧4 h)、无水硫酸镁(用前于620 ℃灼烧4 h)均为分析纯(上海国药集团公司)。

碧螺春茶、铁观音茶、普洱茶样品均购自苏州当地超市。取适量样品粉碎,混匀,过20目筛,备用。

1.2 标准溶液配制

准确量取1 mL 10 mg/L 的18种PCBs混合标准溶液,置于10 mL容量瓶中,用正己烷定容,配制成1 mg/L 的混合标准储备液,于4 ℃冰箱冷藏保存;使用前于室温下用正己烷逐级稀释成5、10、50、100和500 μg/L 的混合标准工作溶液。

取1 g空白茶叶样品,按照提取净化条件处理后,加入1.0 mL不同浓度的混合标准工作溶液,振荡混匀,过0.22 μm有机滤膜,得到对应浓度的基质匹配标准溶液。

1.3 样品前处理

称取粉碎后的茶叶样品1 g(精确至0.01 g),置于50 mL塑料离心管中,加入1 g无水硫酸钠和15 mL正己烷-丙酮(1∶1, v/v),涡旋混匀,在500 W功率下超声提取15 min(期间取出振摇2次),以 8 000 r/min 离心4 min,取7.5 mL上清液至玻璃试管中,氮吹浓缩至0.5 mL,加入1 mL甲苯,继续氮吹至0.5 mL,然后用甲苯定容至5 mL,待净化。

将上述5 mL甲苯溶液转移至填装有0.14 g MWCNTs-COOH、0.13 g PSA和0.1 g无水硫酸镁的净化管中,涡旋2 min,以 9 000 r/min 离心5 min,取上清液氮吹至近干,定量加入0.5 mL正己烷,涡旋混匀,过0.22 μm有机膜,供GC-MS分析。

1.4 气相色谱-质谱条件

色谱柱:HP-5MS石英毛细管柱(30 m×0.25 mm, 0.25 μm);进样口温度:250 ℃;载气:高纯氮气;流速:1.2 mL/min,恒流模式;不分流进样;进样量:1.0 μL。升温程序:初始温度80 ℃,保持2 min;以20 ℃/min 的速率升温至180 ℃,保持2 min;再以3 ℃/min 的速率升温至230 ℃,保持2 min;再以10 ℃/min 的速率升温至280 ℃,保持2 min。

离子源:电子轰击(EI)离子源;离子源温度:280 ℃;电离电压:70 eV;四极杆温度:150 ℃;传输线温度:280 ℃;检测方式:选择离子扫描(SIM);溶剂延迟:5 min。18种PCBs的保留时间、特征离子及其相对丰度比见表1。

表 1 18种PCBs的保留时间、特征离子及其相对丰度

*Quantitative ion.

2 结果与讨论

2.1 分析条件的优化

PCBs为弱极性化合物,因此选用弱极性、低流失的HP-5MS毛细管柱进行色谱分离,并根据灵敏度和分析时间,调整升温程序、载气流速、进样口温度等参数,最终确定色谱条件。

在选定的色谱条件下,利用GC-MS全扫描方式,在m/z50～450范围内,对500 μg/L 的18种PCBs混合标准溶液进行分析,得到总离子流(TIC)色谱图,并根据NIST标准谱库进行检索,确定各目标物的保留时间,并在扣除背景后的质谱图中选择响应丰度高、相对分子质量大且基质干扰少的特征离子分时段分别监测。

18种PCBs混合标准溶液(500 μg/L)的色谱图见图1。可以看出,18种目标物均得到了良好的分离,且具有较高的灵敏度。

图 1 18种PCBs混合标准溶液(500 μg/L)的色谱图Fig. 1 Chromatogram of the 18 PCBs mixed standard solution (500 μg/L)

2.2 提取条件的优化

2.2.1提取溶剂的选择

为了确定合适的提取溶剂,实验以茶多酚和色素含量较高的碧螺春茶为基质,在10 μg/kg 的加标水平下,分别以正己烷、乙腈、乙酸乙酯、正己烷-丙酮(1∶1, v/v)、正己烷-乙酸乙酯(4∶1, v/v)为提取溶剂,比较了18种目标物的提取效率。如图2a所示,当以正己烷-丙酮(1∶1, v/v)为提取溶剂时,18种目标物的回收率均较好,达82%以上。因此选择正己烷-丙酮(1∶1, v/v)作为最佳提取溶剂。

图 2 不同提取净化条件对18种PCBs回收率的影响(n=3)Fig. 2 Effects of different extraction and purification conditions on the recoveries of the 18 PCBs (n=3) a. type of extraction solvent; b. volume of extraction solvent; c. ultrasonic extraction time; d. volume of toluene; e. amount of carboxylated multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs-COOH); f. amount of primary secondary amine (PSA); g. clean-up time.

图 2 (续)Fig. 2 (Continued)

2.2.2提取体积的选择

选择正己烷-丙酮(1∶1, v/v)为提取溶剂,以加标水平10 μg/kg 的碧螺春茶为基质,以回收率为指标,考察不同提取体积(5、8、10、12和15 mL)对各目标物提取效率的影响。如图2b所示,随着提取体积的增大,目标物的提取效率增加,当提取体积为15 mL时,提取效率最佳,18种PCBs的回收率为93% ～108% ,因此选择15 mL为最佳提取体积。

2.2.3提取方法及提取时间的选择

超声提取法具有条件温和、速度快、批量处理能力强的特点[4,17],因此实验采用超声提取法进行前处理。

提取时间对目标物的提取效果影响较大。用时过短无法充分提取目标物,用时过长则会导致溶剂的损失,同时增加样品中杂质的溶出量,影响检测的准确性。实验以加标水平10 μg/kg 的碧螺春茶为基质,考察不同超声提取时间(5、10、15和20 min)对目标物回收率的影响。如图2c所示,随着超声提取时间的增加,目标物的回收率增大。当超声提取时间为15 min时,各目标物的回收率均能达到95%以上,继续延长超声时间至20 min,各目标物的回收率变化不大,部分目标物如PCB28、PCB52、PCB101、PCB180的回收率有小幅下降。因此选择超声提取时间为15 min。

2.3 净化条件的优化

茶叶提取液中含有大量的茶多酚、儿茶素、色素等干扰杂质,若不经净化直接进入质谱仪会影响检测结果的准确性,并可能污染仪器。实验采用分散固相萃取净化去除杂质,并考察了吸附剂的种类和用量、净化吸附时间等因素对净化效果的影响。

2.3.1吸附剂种类和用量的选择

吸附剂需满足去除基质中主要杂质的同时对目标物不产生吸附。实验以Florisil、C18、PSA、GCB、MWCNTs、MWCNTs-OH、MWCNTs-COOH等7种填料为净化吸附剂,考察其对茶叶提取液中色素的去除效果。如图3所示,茶叶提取液未经净化时,呈墨绿色浑浊状。MWCNTs-COOH对色素具有良好的吸附去除作用,提取液经净化处理后,呈无色透明状态,而采用其他净化填料净化后，溶液均有一定颜色。PSA对茶叶中色素的吸附能力较弱,但能有效去除茶多酚和儿茶素类物质[30,31]。因此,本实验将MWCNTs-COOH和PSA混合使用对茶叶提取液进行净化,以有效除去提取液中色素、茶多酚、儿茶素等杂质成分。

图 3 不同吸附剂对茶叶提取液净化效果的影响Fig. 3 Effect of different adsorbents on the purification effect of the tea extraction A: without adsorbent; B: Florisil; C: C18; D: PSA; E: graphitized carbon black (GCB); F: multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs)-OH; G: MWCNTs; H: MWCNTs-COOH.

吸附剂用量是影响样品净化效果和目标物回收率的重要因素,用量少时净化效果不明显,用量多时回收率偏低,不能满足分析要求。实验发现,在加标水平为10 μg/kg 的茶叶提取液中,当加入MWCNTs-COOH净化处理后,仅有PCB52、PCB101、PCB153、PCB138、PCB180 5种目标物的回收率大于80% ,符合检测要求,其余13种目标物的回收率均较差,低于67% ,其中有4种PCBs的回收率为0,说明MWCNTs-COOH在去除色素杂质的同时,对目标物产生了强烈吸附,导致回收率偏低。实验在浓缩过程中用甲苯对提取液正己烷-丙酮(1∶1, v/v)进行溶剂置换,然后再进行净化,发现所有目标物的回收率均得到显著提高,回收率增至98% ～106% ,解决了MWCNTs-COOH对目标物产生吸附的问题。

实验进一步考察了甲苯用量(2、3、4、5和6 mL)对目标物净化回收率的影响。如图2d所示,随着甲苯用量的增加,目标物的回收率逐渐增大,当用量为5 mL时,回收率均在94% ～105%之间,满足分析要求,继续增大甲苯用量,回收率无明显变化,且杂质会被溶解下来,引起基质效应。因此选择甲苯的最佳用量为5 mL。

在此基础上,以加标水平10 μg/kg 的碧螺春茶为基质,按1.3节所述方法进行前处理,考察了不同MWCNTs-COOH用量(0.08、0.10、0.12、0.14和0.16 g)对目标物回收率的影响。如图2e和图4所示,MWCNTs-COOH对基质中色素的净化效果显著,随着用量的增大,提取液颜色逐渐变浅,回收率呈下降趋势,当用量为0.14 g时,溶液颜色趋于澄清透明,且所有目标物的回收率均较好,在91% ～106%之间,满足分析要求。因此选择MWCNTs-COOH的用量为0.14 g。

实验考察了不同PSA用量(0.12、0.13、0.14、0.15和0.16 g)对茶叶提取液的净化效果及目标物回收率的影响(见图2f)。结果表明,随着PSA用量的增加,目标物的回收率逐渐降低,当用量为0.12 g时,部分目标物的回收率大于111% ,用量为0.13 g时,回收率均在89% ～107%之间,满足分析的要求。茶叶提取液经不同质量的PSA净化后,溶液颜色仍较深且变化不大,这与荣杰峰等[32]的研究结果一致。因此选择PSA用量为0.13 g。

2.3.2吸附净化时间的选择

吸附净化时间会对目标物回收率和净化效果产生影响。实验以加标水平10 μg/kg 的碧螺春绿茶为基质,按1.3节所述方法,将涡旋振荡时间分别设为1、2、3和4 min,考察净化剂作用时间对目标物回收率的影响(见图2g)。结果表明,当净化时间为2 min时,目标物的整体回收率最好,介于96% ～109%之间;继续延长净化时间,目标物容易被吸附剂吸附,造成回收率下降,不利于目标物的检测。因此选择最佳净化时间为2 min。

2.4 基质效应

基质效应普遍存在于痕量物质的分析过程中并会给定量结果造成影响。本实验以基质匹配标准曲线与纯溶剂标准曲线斜率之比来确定基质效应,当斜率比在0.9～1.1之间时,基质效应可忽略,大于1.1时为基质增强效应,小于0.9时则为基质减弱效应[33]。结果表明,同一目标物在不同基质中的基质效应不同,不同目标物在同一基质中的基质效应也各不相同。在3种茶叶基质中,PCB28和PCB118受基质种类影响较小,斜率比在1.035～1.097之间(见表2),基质效应可忽略,其他目标物均表现出不同程度的基质增强效应。因此本实验采用基质匹配标准溶液进行定量,以补偿基质效应对定量结果的影响。

2.5 线性范围、检出限和定量限

按1.2节描述分别配制5、10、50、100、500 μg/kg 的基质匹配标准溶液,按1.4节分析条件进行测定,以目标物的峰面积(Y)为纵坐标、质量浓度(X, μg/kg)为横坐标进行线性回归,绘制基质标准曲线(见表2)。结果表明,在5～500 μg/kg 范围内,18种目标物峰面积与其含量呈线性相关,相关系数(r)为 0.999 8～1.000 0。在空白茶叶基质中添加不同浓度的标准溶液进行样品前处理和测定,以特征离子色谱峰信噪比(S/N)≥3确定方法的检出限(LOD),为0.3～1.7 μg/kg；以S/N≥10且回收率满足要求的最小添加水平为定量限(LOQ),为5 μg/kg(见表2)。

2.6 回收率与精密度

采用标准添加法,在碧螺春茶、铁观音茶与普洱茶3种空白基质中分别添加5、10、100 μg/kg 的18种PCBs混合标准溶液,混匀后静置得到加标样品,按1.3节和1.4节进行前处理和测定,每个水平重复5次,计算回收率和相对标准偏差(RSD)。结果表明,在3个添加水平下,各目标物的平均回收率为90.7% ～115.2% , RSD为0.3% ～10.9%(见表3),方法的准确度高,精密度好。