高效液相色谱-四极杆飞行时间质谱测定塑料中短链氯化

石蜡 周熙 吴惠勤 黄芳 黄晓兰 林晓珊 侯思润 李荣锡

摘 要 建立了固相萃取结合高效液相色谱-电喷雾离子化-四极杆串联飞行时间质谱（HPLC-ESI-QTOF/MS）测定塑料制品中短链氯化石蜡（SCCPs）的方法。在ESI离子源中， 无需添加氯代有机溶剂， 以[M-H]离子检测。选取C10～13， Cl5～13共30个SCCPs分子中丰度最高的两个同位素峰为定量与定性离子， 通过高分辨质谱的精确质量数排除了相近分子量中链氯化石蜡（MCCPs）的干扰， 解决了低分辨质谱对SCCPs检测结果不佳的问题。样品经二氯甲烷超声提取， 提取液经硅胶柱净化， 用正己烷-二氯甲烷（4∶1， V/V）洗脱。氯含量51.5%～63.0%的SCCPs仪器检出限为0.01～0.05 mg/L， 方法检出限与定量限分别为1.4和4.6 μg/g。在5、20和50 μg/g加标水平下， 回收率分别为118.0%±8.2%、81.9%±6.9%、77.8%±6.6%， 日内相对标准偏差与日间相对标准偏差分别为5.7%与8.1%。对已知C10～13含量的烷烃原料氯化后SCCPs含量进行测定， 结果表明， 烷烃中C10～13含量与氯化后SCCPs含量一致， 表明本方法的检测结果准确。4类塑料制品中SCCPs的测定结果表明， 电缆与跑道中SCCPs含量较高（555～1049 μg/g）， 玩具中SCCPs浓度较低（1.86～6.56 μg/g）。

关键词 短链氯化石蜡; 塑料制品; 高效液相色谱-飞行时间质谱; 气相色谱-电子捕获负化学电离源质谱; 固相萃取

1 引 言

氯化石蜡是正构烷烃经氯化衍生而成的混合物， 作为塑料增塑剂替代邻苯二甲酸酯， 广泛用于塑料制品中。氯化石蜡通用分子式为CnH2n+2-mClm（n=10～30， m=1～17）， 按照碳链长度的不同可分为短链氯化石蜡（C10～13， SCCPs）、中链氯化石蜡（C14～17， MCCPs）、长链氯化石蜡（C18～30， LCCPs）[1]。短链氯化石蜡（SCCPs）因其具有持久性、生物累积性和毒性而引起广泛关注[2]。2015年， 欧盟法案规定产品中SCCPs含量应低于0.15%[3]。2017年， SCCPs正式列入《关于持久性有机污染物的斯德哥摩尔公约》附件A受控POPs清单[4]。

目前， 气相色谱-低分辨质谱（GC-LRMS）广泛应用于化工产品[5，6]、环境样品[7～10]与生物样品[11，12]中SCCPs的分析。国家标准GB 36246-2018采用气相色谱-电子捕获负化学电离源质谱法（GC-ECNI/MS）测定塑胶跑道中SCCPs[13]， 以产生的准分子离子峰进行定量分析。由于氯原子数和位置不同、碳链长度不同以及氯同位素峰的存在， 使SCCPs组成复杂， 具有成千上万种同系物及同分异构体， 单纯色谱技术无法将其分离。在低分辨质谱中， 部分低氯代的MCCPs与高氯代的SCCPs分子量相近， 低分辨质谱无法区分， 其离子峰出现重叠， 如在GC-ECNI/MS中C10H15Cl7与C15H27Cl5均含有m/z 347的准分子离子峰; 同时， 部分SCCPs同位素峰相互重叠， 如12C111H635Cl637Cl7均含m/z 395准分子离子峰。采用GC-LRMS分析SCCPs无法解决同系物及异构体分离难题， MCCPs严重干扰， 准确性低。碳骨架气相色谱法采用催化加氢的方法， 通过测定反应后烷烃含量确定SCCPs浓度， 具有准确测定短链氯化石蜡总量并能分析获得碳链分布信息的优点[14，15]。但由于需要自制专用催化脱氯反应衬管， 操作复杂。同时， 测定结果易受样品中矿物油杂质的干扰。高分辨质谱根据SCCPs的精确分子量可有效区分SCCPs与MCCPs以及不同CPs同位素峰， 消除MCCPs和同位素峰对SCCPs定量分析的干扰[16，17]， 显著提高定性与定量分析的准确性。

由于SCCPs缺乏一对一的单一标准品， 为降低因实际样品与标准样品中SCCPs组成差异造成的定量分析偏差， 通过建立总响应因子与含氯量之间的关系对定量结果进行校正， 可显著降低偏差[18]。研究表明， 在GC-ECNI/MS中， 不同氯含量SCCPs响应值的变化为12～37倍[19]。液相色谱-质谱法（LC-MS）作为SCCPs检测方法已应用于多种样品的检测[17，20]。在LC-MS中， 不同氯含量SCCPs响应值的变化较小（氯含量50%～70%的SCCPs响应值相差6.5倍）[20]， 这使得其定量分析准确度更高。但由于SCCPs的极性弱、 难电离， 研究者多采用在色谱柱后引入CHCl3/CH2Cl2， 产生[M+Cl]， 提高离子化效率。此方法需通过流动注射泵注入CHCl3/CH2Cl2， 操作復杂， 自动化程度低。

本研究采用高效液相色谱-电喷雾离子化-四极杆串联飞行时间质谱法（HPLC-ESI-QTOF /MS）对SCCPs进行分析， 无需引入CHCl3/CH2Cl2， 产生准分子离子[M-H]离子的方法。结合超声提取-固相萃取的前处理方法， 建立了塑料制品中SCCPs的HPLC-ESI-QTOF/MS测定方法。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

Agilent1290-6540 HPLC-ESI-QTOF/MS高效液相色谱-电喷雾离子化-四极杆飞行时间质谱、Agilent 6890GC-5973iMS气相色谱-质谱联用仪（美国Agilent公司）; HS-3120超声波清洗器、赛多利斯TP-114电子天平（美国Sartorious公司）。

甲醇、乙腈、正己烷、二氯甲烷、石油醚（色谱纯， 德国Merck公司）; 实验用水为二次蒸馏水， 其它试剂均为分析纯（广州化学试剂厂）。SCCPs标准品： C10～13 （51.5% Cl）， C10～13（55.5% Cl）， C10～13（63% Cl）（100 mg/L， 德国Dr. Ehrenstorfer GmbH公司）。硅胶、氧化铝与弗罗里硅土SPE柱（1 g， 6 mL， 上海安谱公司）。

2.2 HPLC-ESI-QTOF/MS检测条件

EC-C18色谱柱（50 mm×4.6 mm， 2.7 μm）; 流动相A为水， 流动相B为甲醇; 梯度洗脱程序：0～1 min， 60% B; 1～8 min， 60%～100% B; 8～15 min， 100% B; 15.1～17 min， 60% B。流速0.3 mL/min; 柱温40℃; 进样量2 μL。

离子源： Dual AJS ESI离子源， 负离子电离模式; 干燥气（N2）温度350℃; 雾化气（N2）压力35 psi; 干燥气（N2）流量8 L/min; 鞘气温度： 350℃; 鞘气流量： 11 L/min; 电喷雾电压3500 V; 毛细管出口电压为120 V; 锥孔电压为65 V; 八极杆电压为750 V; 扫描范围： m/z 100～1100; 參比离子： 112.9855与1033.9881; 提取离子质量偏差<10 ppm。

2.3 GC-ECNI/MS检测条件

DB-5MS色谱柱（30 m×0.25 mm， 0.25 μm）; 进样口温度： 300℃; 氦气为载气， 流速： 1.5 mL/min; 甲烷为反应气， 流速： 1.5 mL/min; 扫描范围： m/z 50～550; 程序升温： 初始80℃， 以40℃/min升至300℃， 保持15 min; 离子源温度： 200℃， 传输线温度： 280℃。

2.4 气相色谱-电子轰击离子源质谱（GC-EI/MS）检测条件

DB-5MS弹性石英毛细管柱 （30 m ×0.25 mm， 0.25 μm）; 升温条件： 初始100℃， 以10℃/min升至280℃， 保持5 min; 载气为He; 进样量： 1 μL; 四极杆温度150℃， 离子源温度230℃， 电子倍增器电压2300 V， GC-MS接口温度280℃， 全扫描测定。

2.5 样品前处理方法

2.5.1 HPLC-ESI-QTOF/MS方法  塑料制品剪碎， 经液氮冷冻后， 研磨成粉。准确称取0.2 g样品， 以10 mL二氯甲烷超声提取15 min， 加入10 mL正己烷， 涡旋混匀， 取上清液10 mL至10 mL离心管， 氮吹至干， 若无固体析出， 则以2 mL正己烷复溶， 待净化。若有固体析出， 则以2 mL正己烷复溶， 涡旋， 离心， 上清液转移至5 mL离心管， 残渣用2 mL正己烷重复提取两次， 合并提取液， 浓缩至2 mL待净化。硅胶SPE柱（1 g， 6 mL）预先用6 mL正己烷活化， 将提取液上样， 用6 mL正己烷淋洗、6 mL正己烷-二氯甲烷（4∶1， V/V）洗脱。洗脱液氮吹至干， 以1 mL乙腈复溶（浓度过高时根据需要稀释）， HPLC-ESI-QTOF/MS测定。

2.5.2 GC-ECNI/MS方法 取0.5 g样品， 以10 mL正己烷超声提取， 5 mL提取液浓缩至1 mL， 加入1 mL浓H2SO4， 涡旋， 静置分层， 取上层有机相， 待浓缩。在H2SO4层加入1 mL正己烷， 重复萃取两次， 合并3次萃取所得有机相， 浓缩至1 mL（浓度过高时根据需要稀释）， 以GC-ECNI/MS测定。

3 结果与讨论

3.1 HPLC-ESI-QTOF/MS条件的优化

3.1.1 离子化方式的选择

3.1.2 色谱条件的选择 比较水、甲酸铵溶液、乙酸铵溶液为水相， 甲醇、乙腈为有机相时SCCPs的响应。结果表明， SCCPs在甲醇溶液中较乙腈响应更高; 同时， 水溶液中盐浓度越高， 其灵敏度越低。因此， 选择甲醇-水为流动相， 其总离子流图与提取离子色谱图见图2A和2B。

3.1.3 SCCPs的定性与定量分析方法 对于SCCPs， 氯取代数低于5时， 极性较低， 在ESI离子源中不能离子化。因此， 实验选取C10～13， Cl5～13共30个SCCPs分子式， 每个分子式选取其最高丰度的两个同位素离子为定性与定量离子， 同时以其丰度比为定性条件， 丰度比误差<20%（表1）。如对于分子式C11H17Cl7的分子， 选取m/z 396.9019与94.9048分别为定性和定量离子， 其提取离子峰面积之比为0.99， 与理论值相差3.1%（图2C和2D）。

3.2 前处理条件的选择

3.2.1 提取条件的选择 比较了正己烷、二氯甲烷、石油醚、正己烷-二氯甲烷（1∶1， V/V）、正己烷-石油醚（1∶1， V/V）、二氯甲烷-石油醚（1∶1， V/V）6种溶剂的提取效率。结果表明， 采用二氯甲烷为提取溶剂时提取效率最高。塑料制品本体为高分子材料， CPs作为增塑剂填充于高分子材料中。因此， 为高效提取CPs， 提取溶剂需可较好地溶解塑料。实验表明， 相对于正己烷与石油醚， 塑料制品能更好地溶解于二氯甲烷中， 提取效率高。同时， 考察了溶剂体积（5、10和20 mL）以及提取时间（10、15和20 min）对提取效率的影响， 最终选取10 mL二氯甲烷为提取溶剂， 超声时间为15 min。

3.2.2 固相萃取条件的选择 塑料制品除高分子化合物为本体外， 还包含大量的增塑剂、稳定剂、润滑剂及色料等添加剂， 超声提取时， 其与目标物共溶出。为降低提取液基质对目标物测定的干扰， 同时减少样品对仪器的污染， 需对提取液进行净化处理。固相萃取作为常用的净化方式， 其操作方便、净化效率高、重现性好， 硅胶、氧化铝、弗罗里硅土3种固相萃取填料已广泛应用于皮革、塑料等样品中氯化石蜡的分析[21～23]。考察了硅胶柱（1 g， 6 mL）、 氧化铝柱（1 g， 6 mL）与弗罗里硅土（1 g， 6 mL）3种SPE柱对提取液的净化效率， 结果表明， 采用正己烷为上样溶剂时， SCCPs在氧化铝柱与弗罗里硅土中不能完全保留， 3种SPE柱中上样流出液中SCCPs含量分别为0、18%和20%。因此， 选择硅胶柱为前处理SPE柱。在SPE中， 一个柱体积的洗脱液通常即可将目标物洗脱。考察了不同比例的正己烷-二氯甲烷混合溶剂的洗脱效果， 回收率见图4A。结果表明， 正己烷-二氯甲烷（4∶1， V/V）可完全洗脱SCCPs。随二氯甲烷比例升高， 其洗脱能力升高， 但同时洗脱下来的杂质量越多。因此选择正己烷-二氯甲烷（4∶1， V/V）为洗脱溶剂。采用正己烷-二氯甲烷（20∶1， V/V）洗脱时， 已有部分SCCPs被洗脱， 因此选择正己烷为淋洗溶剂。以2 mL洗脱液分别洗脱， 其流出曲线见图4B， 可见6 mL洗脱液可完全洗脱目标物。

3.3 方法的分析性能

以提取离子色谱图的3倍信噪比为仪器检出限， 不同氯含量SCCPs的响应不同， 其检出限不一致。3种氯含量（51.5%， 55.5%与63.0%）SCCPs的仪器检出限分别为0.05、0.02和0.01 mg/L， 低于文献报道的氯增强电喷雾源四极杆飞行时间质谱仪器的检出限（0.07～0.20 mg/L）[24]。本方法在0.5～20.0 mg/L范围内线性良好， R2>0.999。以实验空白的3倍标准偏差所对应的浓度为方法检出限（LOD）， 10倍标准偏差所对应的浓度为定量限（LOQ）， 确定LOD和LOQ分别为1.4和4.6 μg/g， 远低于国家标准限量值1.5 g/kg[14]。在塑料颗粒中分别添加0.5、2和5 μg SCCPs， 回收率分別为118.0%±8.2%、81.9%±6.9%和77.8%±6.6%; 同一个样品（1 mg/L）的日内相对标准偏差与日间相对标准偏差分别为5.7% （n=6）与8.1% （n=5）。

3.4 方法准确性验证

采用GC-EI/MS方法对氯化石蜡对应的石蜡烷烃原料中C10～13含量进行测定。同时， 比较了HPLC-ESI-QTOF-MS与GC-ECNI-MS方法对氯化后的氯化石蜡中SCCPs测定结果。采用C10～13含量为0.2 mg/g的石蜡烷烃（GC-EI/MS法测定）合成氯化石蜡， HPLC-ESI-QTOF-MS方法测定SCCPs含量为0.19 mg/g， 而GC-ECNI-MS方法测定SCCPs结果为1.8 mg/g， 表明本方法的测定结果准确。比较GC-ECNI/MS与HPLC-ESI-QTOF-MS两种方法对塑料样品中SCCPs测定结果， 色谱图见图5。两种方法均无法实现SCCPs的完全分离。GC-ECNI-MS测定时， 低氯代的MCCPs与高氯代的SCCPs分子量相近， 低分辨质谱无法区分， 其离子峰出现重叠， 定量分析不准确。HPLC-ESI-QTOF-MS通过精确质量数有效区分不同CPs， 准确性高。GC-ECNI/MS检测结果显著高于HPLC-ESI-QTOF-MS（图6）， 电缆与塑胶跑道两个样品结果分别相差15倍与57倍。高分辨质谱可以给出精确质量数， 可以有效区分SCCPs与MCCPs以及不同CPs同位素峰， 显著提高了定量准确度。

3.5 实际样品中SCCPs检测

分别测定了玩具、橡胶、塑料地板和塑胶跑道共4类样品中SCCPs的浓度， 不同样品中SCCPs差异较大。塑胶跑道中SCCPs浓度最高（1049 μg/g）， 电缆其次（555～766 μg/g）， 玩具中SCCPs浓度较低（1.86～6.56 μg/g）， 塑料地板中未检出SCCPs。

各样品中SCCPs组成特征见图7。按碳链长度分类， 除2号玩具样品外， 电缆、玩具与塑料跑道中均以C12、C13为主要SCCPs， 所占比例分别为17.2%～30.8%和36.3%～60.1%。当以氯取代数分类时， Cl6、Cl7与Cl8为主要SCCPs， 所占比例分别为19.1%～38.8%、34.5%～40.1%和16.7%～29.1%。

4 结 论

采用无需加入氯代有机物的电喷雾电离方式形成[M-H]

离子， 采用高效液相色谱-四极杆飞行时间质谱法分析塑料中SCCPs含量。本方法选择精确质量数， 排除了MCCPs与同位素峰对SCCPs的干扰， 方法准确可靠， 并成功应用于电缆、跑道、塑料地板和玩具中SCCPs的分析。4类塑料中SCCPs含量为

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