全二维气相色谱-飞行时间质谱法测定消费品中20种邻苯二甲酸酯类塑化剂

周龙龙，薛秋红，罗 忻，辛学谦，马 强，叶曦雯，牛增元*，孙忠松，王子涵

(1.青岛海关技术中心，山东 青岛 266000；2.中国检验检疫科学研究院，北京 100176；3.中国海洋大学 环境科学与工程学院，山东 青岛 266100)

邻苯二甲酸酯(Phthalate,PAEs)俗称酞酸酯，是塑料、树脂、橡胶等工业生产中常用添加剂，被广泛用于印花、涂料、纺织印染和塑料等高分子聚合物的生产加工等领域，涉及日常生活的许多方面[1-4]。PAEs虽然具有出色的增塑和加工性能，但同时也是一类具有生殖毒性、免疫毒性、致癌性的危及人类健康和自然环境的环境激素[5-6]，可通过呼吸、饮食、皮肤接触等途径被人体吸收并累积，与生殖畸形、持久性过敏、女性早熟、肝肺功能损害[7-10]等一系列疾病相关，引起了全球各国的重视。欧盟REACH法规中将邻苯二甲酸二(C6-8支链)烷基酯等10种PAEs列入高关注物质，限量要求不超过0.1%；Oeko-Tex Standard 100限制了24种PAEs的使用，其中附录6(为注重去毒行动的公司设计)中要求其单体不超过100 mg/kg，总和不超过250 mg/kg；我国《新化学物质环境管理办法》也规定了6种PAEs的总量不超过0.1%。因此，开发研究PAEs的筛查方法具有重要意义。

目前，PAEs的主要检测方法为气相色谱法[11-14]、气相色谱-质谱法[15-18]、气相色谱-串联质谱法[19-22]、液相色谱法[23-26]与液相色谱-串联质谱法[27-30]。虽然对PAEs的检测已形成了较成熟的技术成果，但由于传统色谱分离能力有限，对PAEs异构体化合物的检测不够全面，无法较好地满足检测需求[31-32]。全二维气相色谱(GC×GC)是将两根分离机理不同且又相互独立的色谱柱串联，目标物经第一根色谱柱分离后，经调制解调器聚焦后以脉冲方式进入第二根色谱柱进一步分离，实现样品的正交分离。GC×GC方法具有峰容量大(峰容量为两根串联色谱柱峰容量的乘积)、分离能力强、灵敏度高等特点，适合复杂体系的分析研究。基于此，本研究建立了消费品中20种邻苯二甲酸酯类塑化剂的全二维气相色谱-飞行时间质谱筛查定量方法，方法的分离效果好、定性和定量准确、抗干扰能力强、操作简便，满足消费品领域中PAEs的全面筛查检测要求，可为PAEs检测和全二维气相色谱的使用开发提供参考。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

全二维气相色谱-飞行时间质谱(GC×GC-TOF MS，美国LECO公司)：GC×GC系统由7890A气相色谱仪(美国Agilent公司)和双喷口热调制器组成，MPS进样器(德国Gerstel公司)，Pegasus 4D飞行时间质谱仪(美国Leco公司)，数据处理系统为Chroma TOF软件；QP-2020气相色谱质谱仪(日本Shimadzu公司)；M204型分析天平(瑞士Mettler Toledo公司)；MS3 basic涡旋振荡仪(德国IKA公司);KQ-100超声波发生器(昆山市超声仪器有限公司);TGL-20M冷冻离心机(中国湘仪集团)。

正己烷、二氯甲烷(色谱纯，德国CNW公司)；石墨化炭黑、无水硫酸镁(德国CNW公司)；20种邻苯二甲酸酯标准品：邻苯二甲酸二异戊酯(DIPP)、邻苯二甲酸二己酯(DHP)、邻苯二甲酸丁基苄基酯(BBP)、邻苯二甲酸二-(2-甲氧基)乙酯(DMEP)、邻苯二甲酸二(2-乙基)己酯(DEHP)、邻苯二甲酸二环己酯(DCHP)、邻苯二甲酸二乙酯(DEP)、邻苯二甲酸二异丁酯(DIBP)、邻苯二甲酸二甲酯(DMP)、邻苯二甲酸二壬酯(DNP)、邻苯二甲酸二丙酯(DPrP)、邻苯二甲酸二戊酯(DPP)、邻苯二甲酸二丁酯(DBP)、邻苯二甲酸二正辛酯(DNOP)、邻苯二甲酸二己酯(支链和直链)(DHxP)、邻苯二甲酸二异壬酯(DINP)、邻苯二甲酸二(C6-8支链)烷基酯(DIHP，C7rich)、邻苯二甲酸二异辛酯(DIOP)、邻苯二甲酸二异葵酯(DIDP)纯度均大于98%，购自德国Dr.Enrestorfer公司；邻苯二甲酸正戊异戊基酯(NPIPP，纯度>99%，加拿大TRC公司)。

1.2 标准溶液的配制

准确称取各标准品10 mg(精确至0.1 mg)于10 mL容量瓶中，用正己烷溶解，定容至刻度，分别配成质量浓度为1 000 mg/L的单标储备液。分别准确移取各单标储备液1 mL至25 mL容量瓶中，用正己烷定容至刻度，配成质量浓度为40 mg/L的混合标准储备液，于-18 ℃保存。工作溶液现用现配，用不含目标物的空白基质提取液逐级稀释至适宜浓度。

1.3 样品前处理

将适量代表性样品剪碎成直径小于2 mm的小块后混匀，称取1.0 g(精确至0.01 g)于40 mL玻璃试剂瓶中，准确移取10 mL正己烷，常温下超声提取30 min，静置至完全沉淀后，移取5 mL上清液至玻璃离心管，加入0.2 g GCB和0.1 g 无水MgSO4，涡旋振荡2 min，以4 000 r/min离心5 min，取1 mL上清液上机检测。

1.4 全二维气相色谱及质谱条件

色谱条件：一维柱：DB-5MS(30 m×0.25 mm，0.25 μm，美国J&W公司)；二维柱：BPX-50(1.67 m×0.1 mm，0.1 μm，澳大利亚SGE公司)。进样口温度300 ℃，传输线温度290 ℃；载气：氦气(纯度≥99.999%)；载气流速：1.2 mL/min；进样量：1 μL；不分流进样；一维柱温程序升温：初始温度50 ℃，保持1 min，以20 ℃/min升至220 ℃，保持1 min，最后以5 ℃/min升至305 ℃，保持5 min；二维柱温补偿温度：5 ℃，调制解调器补偿温度：15 ℃。调制周期：5 s，热吹时间1.2 s。以目标化合物色谱保留时间和质谱图定性，外标法定量。

质谱条件：电子轰击电离源(EI源)，电离电压70 eV，质谱采集频率：100 spectra/s，检测电压：1 650 V，离子源温度：230 ℃；扫描方式：全扫描模式；质量采集范围：50～450 amu；特征离子定量分析。

1.5 气相色谱-质谱条件

色谱条件：DB-5MS(30 m×0.25 mm，0.25 μm，美国J&K公司)色谱柱；进样口温度300 ℃，传输线温度290 ℃；载气：氦气(纯度≥99.999%)；载气流速：1.2 mL/min；进样量：1 μL；不分流进样；程序升温：初始温度50 ℃，保持1 min；以20 ℃/min升至220 ℃，保持1 min；最后以5 ℃/min升至305 ℃，保持5 min。

质谱条件：电子轰击源(EI源)，电离电压70 eV，离子源温度：230 ℃；扫描方式：全扫描模式；采集质量范围：50～450 amu；特征离子定量分析。

20种邻苯二甲酸酯的分子式、CAS编号、定性离子和定量离子等信息见表1。

表1 20种邻苯二甲酸酯的名称、分子式、CAS、定量离子和定性离子信息Table 1 Name,formula,CAS number,quantitative ion and qualitative ion of 20 phthalates

2 结果与讨论

2.1 色谱柱选择

根据PAEs物质主要以沸点分离的特点，实验考察了3套二维色谱柱系统的分离效果：①DB-1MS(60 m×0.25 mm，0.25 μm)和BPX-50(1.69 m×0.1 mm，0.1 μm)；②DB-5MS(30 m×0.25 mm，0.25 μm)和DB-WAX(1.5 m×0.1 mm，0.1 μm)；③DB-5MS(30 m×0.25 mm，0.25 μm)和BPX-50(1.67 m×0.1 mm，0.1 μm)。结果显示，第①套色谱柱一维采用60 m弱极性色谱柱，理论上虽可提高分离能力，但极大地延长了分析时间，且由于保留时间过长，又减弱了DNP、DINP、DNOP、DIDP等沸点较高物质的色谱响应；第②套色谱柱系统二维柱采用的强极性色谱柱在PAEs分离中并未表现出较中等极性柱更好的分离效果，且其适用温度上限较低，不能很好地满足沸点较高的物质分离；而第③套色谱柱系统分离效果好、分析时间短，基本实现了5种PAEs异构体的完全分离，可满足本方法需求，因此选择该套色谱柱系统进行实验。

图1 20种PAEs分离情况Fig.1 Separation of 20 phthalatesthe abscissa and the ordinate reprecent one-dimensioual retention time and two-dimensional retention time in seconds, respectively

PAEs异构体在一维气相色谱中的峰形表现为“火焰峰”，其峰形不规则且展宽严重，难以与相近保留时间的目标物区分或完全分离，若有干扰物共流出则易造成假阳性结果，但在全二维气相色谱上，PAEs异构体色谱峰经过二维分离和调制器作用后，异构体“火焰峰”被调制为若干尖锐的色谱峰，因此可更清晰地从色谱图上辨别不同PAEs异构体的出峰区域，且通过两个维度的保留时间对于目标物进行判定可更好地进行确证，从而使定性更准确。本文实现了DHxP异构体、DIHP,C7rich异构体、DIOP异构体、DINP异构体和DIDP异构体PAEs的同时检测，可通过出峰区域的保留时间窗口进行化合物定性，用不同浓度标准物质在保留窗口内的峰面积总和建立标准曲线并以此进行外标法定量，化合物分离情况见图1，菱形框内的保留时间窗口即为对应的异构体出峰区域。

2.2 分析条件优化

20种目标物中沸点最低的为邻苯二甲酸二甲酯(DMP)，出峰温度约200 ℃，因此设置初温为50 ℃，200 ℃前的升温速率设置为20 ℃/min;200 ℃后，分别考察了3.0、5.0、8.0 ℃/min的升温速率对分离的影响。结果显示，8.0 ℃/min速率升温时部分化合物存在重叠，而3.0、5.0 ℃/min速率升温时的分离更彻底，且两者分离结果差异不大。兼顾分离度和检测效率，最终选择以5 ℃/min的升温速率从200 ℃升至305 ℃。

二维气相色谱的二维柱温补偿温度可影响目标物的分离时间；调制解调器补偿温度决定热吹气的温度，影响目标物进入二维柱的速度和峰形；另外，色谱峰面积又受进样口温度、载气流速的影响；为此，本研究设计了4因素3水平的正交实验，设置进样口温度(因素A)为280、290、300 ℃，载气流速(因素B)为0.8、1.0、1.2 mL/min，调制解调器补偿温度(因素C)为10、15、20 ℃，二维柱温补偿温度(因素D)为5、10、15 ℃，并对实验数据进行归一化处理，以所有化合物峰面积响应总和评价各因素的影响，极差R越大则表示该因素影响越大，结果见表2。结果显示，No.9条件下总峰面积最大，4个因素对分析结果影响的顺序依次为载气流速>进样口温度>二维柱温补偿温度>调制解调器补偿温度，因此最优方案选择进样口温度300 ℃、载气流速1.2 mL/min、调制解调器补偿温度15 ℃、二维炉温补偿温度5 ℃。

表2 色谱-质谱条件的正交实验Table 2 Orthogonal experiment of chromatography-mass spectrometric conditions

Ii(i=1,2,3) is summation of data with equal level corresponding toIcolumn,Ki(i=1,2,3) is combined effect of data corresponding toilevel,Ki=Ii/n,nis times of repetition ofilevel；Ris range ofKi(Ii(i=1,2,3)为对应列上I水平数据和,Ki(i=1,2,3)为对应因素上i水平数据的综合平均影响,Ki=Ii/n,n为i水平的重复次数;R为Ki对应列极差)

2.3 净化条件优化

本实验所提取产品材质为塑料、纸、纺织品和橡胶，色素为提取液主要杂质组分，因此选择石墨化碳黑去除多余色素，并加入少量无水硫酸镁吸附多余水分以加强样品在有机相中的溶解度，净化后的提取液色素去除明显。

2.4 基质效应

为考察不同样品基质提取液对检测结果的影响，取4种材质相同浓度的空白基质加标溶液，在相同色谱条件下检测，根据色谱响应值按式(1)计算不同材质的基质效应。

Mi=(Ami/Asi-1)×100

(1)

式中，Mi表示基质溶液中目标物的基质效应；Ami为基质溶液中目标物的色谱峰面积；Asi为纯溶剂中目标物的色谱峰面积。

Mi<0表示存在基质抑制效应，Mi>0表示存在基质增强效应。|Mi|<20为弱基质效应，可忽略或无需基质补偿措施；20≤|Mi|≤50为中等基质效应，|Mi|>50为强基质效应，应采取补偿措施[33]。本实验以正己烷和不同材质的基质溶液配制20种PAEs为4 mg/L的工作溶液，结果显示，4类材质的基质效应|Mi|均小于20，表明方法基质效应弱，采取正己烷溶剂配制工作曲线亦可满足筛查定量要求。

2.5 线性范围、检出限与定量下限

用正己烷逐级稀释混合标准储备液，在优化条件下测定。以20种PAEs的峰面积(y)为纵坐标，对应质量浓度(x，mg/L)为横坐标绘制标准曲线。结果显示，目标物在各自浓度范围内呈较好的线性，相关系数(r2)均不低于0.99。分别以3倍和10倍信噪比(S/N)计算20种PAEs的仪器检出限和定量下限，并根据样品稀释倍数换算成方法检出限(LOD)和定量下限(LOQ),结果见表3。

表3 20种邻苯二甲酸酯的线性范围、保留时间、线性方程、相关系数(r2)、检出限及定量下限Table 3 Linear ranges,retention time,linear equations,correlation coefficient(r2),LODs and LOQs of 20 phthalates

ID:first detension retention time,2D:second detension retention time

2.6 准确度与精密度

向塑料、纸、纺织品、橡胶4种材质的阴性样品中添加低、中、高3个浓度水平的目标物质标准溶液，每个加标水平平行测定6次，在优化条件下测定。结果表明，20种PAEs的回收率为63.2%～120%，相对标准偏差(RSD，n=6)为0.30%～10%(表4)。

表4 20种邻苯二甲酸酯的回收率与相对标准偏差(n=6)Table 4 Recoveries and relative standard deviations of 20 phthalates(n=6)

(续表4)

NameSpiked(mg/kg)PlasticPaperTextileRubberRecovery/%RSD/%Recovery/%RSD/%Recovery/%RSD/%Recovery/%RSD/%NPIPP0.1276.72.21006.71005.090.85.91.201004.985.04.888.34.01081.56.001003.696.83.41062.998.22.6DIPP0.1274.25.81174.11084.587.54.01.2091.72.685.04.096.72.391.72.36.0097.33.896.52.81084.51063.1DHP0.1274.23.91084.891.74.681.73.31.2083.33.280.83.292.51.11171.96.0094.32.094.72.41081.21102.9BBP0.1273.33.383.32.891.74.779.24.91.2091.72.780.02.194.23.191.72.36.0096.72.993.83.299.52.71121.3DEHP0.1280.83.891.73.71172.51074.11.201081.998.33.91061.41173.16.001093.51030.301042.21104.6DCHP0.1274.24.21173.11005.994.22.51.2091.73.991.73.198.33.21051.76.001062.798.52.31004.01102.7DNOP0.1279.23.41084.091.74.195.03.71.201003.988.34.01034.31074.06.001023.698.22.890.84.31081.8DNP0.1280.04.61094.11083.083.33.71.201003.492.54.11081.983.33.76.001024.51012.81203.41082.5DHxP3.0096.45.376.66.181.04.685.44.210.0075.52.378.93.91084.01152.820.0086.23.71204.41203.51053.2DIHP,C7rich3.0079.25.967.76.763.26.785.17.510.0086.73.51162.486.23.991.94.020.0097.85.01074.293.32.690.25.5DIOP3.0083.95.572.46.164.85.276.97.510.0096.43.395.95.371.94.91146.620.0092.33.384.52.81121.51082.3DINP3.0073.84.175.53.579.05.975.36.510.0090.23.195.32.496.24.682.15.620.0093.84.81083.594.44.096.24.0DIDP6.0075.89.886.28.683.66.374.25.712.0096.21096.24.396.55.91094.724.0096.44.698.35.21023.296.23.8

图2 20种邻苯二甲酸酯类塑化剂在气相色谱-质谱上的分离谱图Fig.2 Separation of 20 phthalates on GC-MS

2.7 与一维气相色谱-质谱法比较

本文采用同一混合标准溶液在一维气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)上进行对比(图2)，结果发现在异构体塑化剂的出峰区域内，多种物质间的分离程度较差。如DIHP与DEHP分离度较低、DCHP与DIOP分离度较低、DINP与DIDP物质分离度差，而在实际检测中均无法实现物质的有效识别，且一维GC-MS中BBP与DHP分离度较差，用m/z149碎片离子定量时会互相干扰，上述问题均使得一维GC-MS难以完成20种PAEs的定性和定量，异构体化合物的色谱峰展宽大，使得其抗杂质干扰能力降低，影响方法的灵敏度和检出限。

而借助全二维气相色谱特性，可在谱图上较清晰地分辨出不同异构体出峰区域，通过两个维度的分离可增强其抗干扰能力，避免假阳性，且二维可有效分离BBP与DHP，增强了定量的准确度；通过二维色谱的调制器也可有效改善异构体在一维GC-MS上的峰展宽问题，将异构体的群峰调制成尖锐的簇峰，增强了其定性和定量的能力，侧证了本方法的优势。

2.8 实际样品测定

应用本方法对市售20个样品(塑料、纸、纺织品和橡胶样品各5个)进行检测，结果在一个塑料类样品中检出DINP，含量为1.55 mg/kg；一个橡胶类样品中检出DBP和DEHP，含量分别为1.48 mg/kg和7.66 mg/kg(图3)，但均未超过法规限量要求。

图3 阳性橡胶样品的色谱图Fig.3 Chromatogram of positive result of rubber samplethe abscissa and the ordinate reprecent one-dimensioual retention time and two-dimensional retention time in seconds, respectively

3 结 论

本研究建立了全二维气相色谱-飞行时间质谱准确测定20种PAEs的分析方法，与传统方法相比，该方法主要有以下优势：①检测的PAEs种类更全，其中Oeko法规中有4种PAEs因由碳链长短不一、含量不同，结构不同的邻苯二甲酸酯混合组成，无法购得标准品。但这4种PAEs混合物的组分在本研究中均有包括，因此，本方法是目前检测PAEs种类最全面的，在国内外消费品中PAEs检测领域中未有先例；②实现了不同异构体之间较好的分离，研究借助全二维气相色谱柱容量大的优势，通过两个维度的保留时间对于化合物进行确证，异构体化合物经调制解调器作用，在色谱图上表现为一组峰形尖锐的色谱峰，较好地避免一维色谱上由于峰形差造成的不同异构体之间无法较好的区分、干扰物质共流出等问题；③本文首次将分散固相萃取的前处理净化方法引入消费品检测领域中，研究表明该净化方式效果良好，简化了实验操作并降低了成本。