二(2-乙基己基)己二酸酯检测方法研究进展

2021-09-19张倬玮于茵吴昌永周岳溪李利荣刘殿甲席宏波牛远方

环境工程技术学报 2021年5期

张倬玮，于茵，吴昌永，周岳溪，李利荣，刘殿甲，席宏波*，牛远方

1.环境基准与风险评估国家重点实验室，中国环境科学研究院 2.中国环境科学研究院环境污染控制技术研究中心 3.北京师范大学水科学研究院 4.天津市生态环境监测中心 5.中国石油吉林石化公司电石厂

二(2-乙基己基)己二酸酯〔di(2-ethyl hexyl) adipate, DEHA〕是聚氯乙烯(polyvinyl chloride, PVC)塑料生产中常见的增塑剂，因其具有耐寒性、耐水性、光热稳定性，能够改善塑料柔软性，降低塑料软化温度，改善塑料加工性能等优点，已被广泛应用于农业种植、建筑覆盖、电线电缆、食品包装和医疗清洁等行业的塑料制品中[1-8]。统计显示，2017年DEHA消费量占全球塑化剂的65%，预测至2022年DEHA消费量仍可占全球塑化剂消费份额的近60%[9]。DEHA主要由氧原子或由芳香族取代的长碳链组成，分子结构如图1所示[10]。由于DEHA为低分子量合成有机分子，通常具有较高的流动性，因此极易扩散到周围环境中，如食品、水体、海洋等[11-12]。研究发现，在一般环境条件下，由PVC制成的普通电线可浸出约1.98 μg/g的DEHA[13]。而对于特殊环境条件(如高土壤pH、高湿度等)，则更能够加剧DEHA向环境中释放[14]。相关研究表明，DEHA在大气、水体、土壤及沉积物和垃圾填埋场中已被广泛检出[15-19]。而DEHA作为一类生物内分泌干扰素，其大量释放到环境中，不但对自然环境造成破坏，而且对人体激素分泌存在干扰，诱发妇女乳腺癌、新生儿先天缺陷、男性生殖障碍，其长期在体内积累甚至会造成“三致”(致癌、致畸、致突变)危害[3,20]。鉴于其对生态环境污染和对人类身体健康威胁严重，建立准确、高效、便捷的DEHA测定方法非常必要。

图1 DEHA化学结构Fig.1 Chemical structures of DEHA

目前，关于DEHA的检测方法多集中于光谱分析法、色谱分析法及其联用分析法等。每种检测方法的侧重点不同，其中色谱分析法中的气相色谱分析法在DEHA的检测中起主要作用。另外，由于DEHA具有疏水性，其向富含脂肪的食品环境中迁移潜力较大，其浓度水平远高于1.0 mg/L，因此可直接通过配备有常规氢火焰检测器(flame ionization detection, FID)或质谱检测器(mass spectroscopy, MS)的气相色谱(gas chromatography, GC)或高效液相色谱(high performance liquid chromatography, HPLC)实现对DEHA的测定[21]。而对于水体等非富含脂肪的环境，其DEHA浓度水平在μg级，检测前需进行浓缩富集处理。由此，学者们对其高效的萃取前处理技术也进行了探索。但截至目前，对DEHA的检测还没有方法标准，国内外学者和相关检测机构对DEHA检测所用技术种类较多，且鲜见该物质相关检测技术的总结和评述。对此，笔者通过整理国内外相关文献，对DEHA检测技术的应用现状及特点进行全面分析对比，以期为其检测方法标准的制定提供参考。

1 二(2-乙基己基)己二酸酯萃取前处理技术

样品萃取前处理技术的目的是建立准确、稳定、简单、经济、省时和安全的浓缩提取技术[22]，为后续DEHA的高效检测奠定基础。近年来，关于DEHA检测的研究多体现在萃取前处理技术方面。目前DEHA的萃取前处理技术主要有索氏提取法、超声提取法、同位素稀释法、顶空萃取法、液液萃取法、固相微萃取法、微波萃取法、浊点萃取法和在线超临界流体萃取法等。

1.1 索氏提取法

索氏提取法是常用于提取聚合物中添加剂的半连续方法[23]。该方法利用有机溶剂反复洗涤聚合物，通过溶解目标添加剂以实现对其提取。赵福全等[24]采用索氏提取法对河水中DEHA进行了提取，后续采用GC-MS分析，研究表明该方法对DEHA的检测可实现良好的回收率和较低的标准偏差。但是，该方法在实际操作中必须保持高温条件和较长分离周期，因此会对有机物提取造成一定影响。Wang等[25]采用二乙基醚索氏提取DEHA时发现，高温条件会影响DEHA提取精度。针对这一问题，虽然有相关研究对索氏提取技术进行了改进，如使用高压、自动或微辅助提取器[22]，但在实际操作中仍存在萃取步骤琐碎、萃取时间冗长、萃取效率较低等问题。

1.2 液液萃取法

液液萃取是将目标溶质从分析物转移到有机萃取剂中的方法，具有操作简单、重复性好、回收率高和应用广泛等特点。该方法主要受萃取剂的物理特性等因素影响，如扩散度、黏度、分配、溶解度和表面张力等。萃取剂的正确选择是决定萃取效果和保证萃取效率的最重要因素。相关研究对比了不同有机溶剂对DEHA的萃取效果[26-27]，如姜俊等[27]对比了丙酮、甲醇、正己烷和三氯甲烷等有机溶剂萃取PVC保鲜膜中DEHA，结果表明，在相同萃取时间下，萃取效果为三氯甲烷>丙酮>甲醇>正己烷。而Wang等[25]研究发现，含氯有机溶剂对DEHA提取效果最佳。

因此，针对DEHA在不同形态物质广泛存在的问题，应结合其所存在物质的存在形式特点(如液态、固态等)，确定最佳萃取剂及萃取条件，以期取得DEHA在不同存在形式下最佳萃取条件，以规范统一检测条件。

1.3 固相微萃取法

1989年，Pawlinszyn等报道了将固相微萃取(solid-phase microextraction, SPME)技术应用于环境化学分析领域，该方法具有操作简单、效率高、适应性强，且操作过程不使用有机溶剂等特点[28-29]。张雪莹等[30]优化了SPME技术萃取水中DEHA的条件，结果表明，萃取温度35 ℃，萃取时间40 min，解吸时间2.5 min时，萃取效果最佳。张伟亚等[31]采用SPME技术对塑料浸泡液中DEHA进行了萃取，考察了样品盐(NaCl)效应对该方法灵敏度的影响，结果表明，样品基体中加入NaCl可明显增加溶液离子强度，降低基体对DEHA的束缚，增大顶空气相中的浓度，改变DEHA在涂层与顶空相间的分配系数。其中SPME最佳萃取条件为萃取温度90 ℃，萃取时间60 min，热解吸时间3 min。

虽然SPME在实际应用中取得了较好的萃取效果，但是萃取柱涂层种类有限、选择性差，且该设备价格昂贵等因素制约了SPME的广泛应用。

1.4 顶空萃取法

顶空萃取法(head-space extraction methods, HS)是一种能够定性并定量固体样品成分的前处理方法。该方法在实际应用中常与GC联用，具有自动化程度高、可再生和成本低等优点。有研究发现，HS与SPME结合，即顶空固相微萃取法，可进一步提高前处理效率，提高对目标萃取物的选择性[22]。Frankhauser-Noti等[32]采用HS技术萃取食用油中的DEHA，结果表明，经过HS前处理后的样品可明显提高后续GC检测的灵敏性，对成单峰的增塑剂检测限为0.1 mg/kg，对异构体混合物的检测限为1 mg/kg。

但是，该方法的萃取效率受分析物影响较大，且大多数增塑剂的蒸气压力普遍偏低，造成萃取效率下降，这也是HS-GC技术用于检测DEHA等增塑剂的主要技术壁垒[22]。

1.5 超声提取法

超声提取法是利用超声波的空化作用、机械效应和热效应等特点加速有效物质的释放、扩散和溶解的提取方法。目前，超声提取法多用于水体中DEHA的提取，且结合GC-MS检测技术，均得到了较小的相对标准偏差、良好的检出限和回收率[24,33-34]。如赵福全等[24]采用超声提取技术，辅助正己烷液液萃取嫩江水中DEHA，研究表明，在超声辅助20 min条件下，其萃取效果优于索氏提取。

超声提取法具有提取时间短、提取温度低和适应性广等特点，更适用于其他常规萃取的辅助萃取法。但由于受超声波衰减等因素的制约，使得超声的有效作用区域仅为周边环形区域，而在萃取容器的周壁会形成超声空白区，进而影响萃取效果。因此，在后续研究中，选用超声为辅助萃取技术时，宜从萃取容器的体积大小和结构设计等角度优化超声萃取技术，以减少或消除超声空白区，进一步提高萃取效果。

1.6 微波萃取法

微波萃取法(microwaves extraction, MAE)是利用电磁辐射加热萃取溶剂或样品，以实现对分析物提取的方法，多用于医疗企业等塑料制品中DEHA的提取，具有快速高效，提取样品量多，所需溶剂较少等优点。通过选择提取溶剂类型、微波功率、温度等条件，可实现对增塑剂的最优提取。研究表明，在120 ℃条件下，提取溶剂为甲醇时，仅需10 min即可将DEHA全部提取[32]。

由于该技术在萃取过程中溶剂处于高压状态，因此对其设备的专业性要求较高，价格较为昂贵。另外，有研究发现，DEHA扩散至塑料制品表面的过程是影响微波萃取效率的主要限制因素，该过程被称为“热球模型”。而解决这一问题的关键是萃取溶剂类型的选择优化[22]。因此，在后续研究中，当采用微波辅助萃取时，不同类型萃取剂的优化是进一步研究的主要方向之一。

1.7 浊点萃取法

浊点萃取(cloud point extraction, CP)法是近20年新兴的绿色萃取技术，与传统常规萃取方法中所用的有毒表面活性剂和易燃有机试剂不同，CP法所用的是非离子表面活性剂，具有无挥发性、所需样品量少、富集倍数高、萃取与富集一步完成等优点[35]。目前，CP法已被广泛用于食品塑料包装中DEHA的提取[36-37]。Zygoura等[21]利用CP技术辅助液液萃取了食品塑料包装中的DEHA。研究表明，在pH为8，表面活性剂体积为80 μL (8 mg, 0.8 g/L)，培养-平衡温度为50 ℃和时间为10 min，有机萃取剂(正己烷)体积为150 μL条件下，回收率≥85%，RSD<10%。

目前，CP法在实际应用中，存在从色谱柱内洗脱表面活性剂用时较长(几个小时)，表面活性剂的洗脱干扰分析物的测定，影响后续检测精密度等问题，因此，研发高效稳定易洗脱的非离子表面活性剂也是未来的研究重点之一。

1.8 在线超临界流体萃取法

在线超临界流体萃取法(on-line supercritical fluid extraction, SFE)主要利用在超临界流体条件下，溶剂传质效率大幅提高的特点实现对分析物的高效萃取，具有高效快速和环境友好等特点。目前，最常用的超临界萃取流体为二氧化碳，该临界参数较为温和(Tc为31.1 ℃和Pc为7.38 MPa)，且低毒性、低成本[38]。

Cano等[39]证明了采用SFE技术能够将DEHA从PVC塑料溶液中提取出来，且萃取效果重现性良好。但是，对于化学结构相似、保留时间相似的增塑剂而言，SFE难以实现对其高效分离，因此该技术的萃取结果精度普遍偏低[22]。

1.9 同位素稀释法

同位素稀释(isotopic dilution, ID)法是采用与待测物具有相同分子结构的某种浓缩同位素作为稀释剂，通过同位素丰度的精确质谱测量和所加稀释剂的准确称量，经数学计算求得样品中待测物绝对量的一种灵敏、准确的定量分析方法。该方法可有效消除聚合物中复杂成分的干扰，不需定量分离被测元素或化合物，适用于组成成分复杂、分离提取困难的样品分析[40-41]。

目前，关于ID法用于DEHA检测分析前处理方法的文献较少。伍竞成等[42]采用ID为前处理技术，结合GC-MS技术检测了方便面调味料中DEHA。研究发现，内标法拟合效果优于外标法，检出限为0.1 mg/kg，回收率为85.7%～118%，RSD为0.8%～8.5%。由于ID只能用于测定分子结构中具有不少于2个稳定同位素元素的物质，使得其测量范围受限。且在处理样品时需添加适量同位素稀释剂，而该稀释剂制备成本较高，试剂来源较困难，因此也限制了ID的广泛使用[43]。

1.10 萃取前处理技术比较

DEHA萃取前处理技术对比见表1。目前，虽然DEHA萃取前处理技术种类较多，但较其他萃取前处理技术，液液萃取技术具有高效、回收率高、成本低、简单易行和重复性好等技术优势，更宜应用推广[22]。液液萃取在实际应用中多使用挥发性有机溶剂，会对环境和人体健康造成不良影响，而且该技术以有机物相似相溶原理将塑料/废水中DEHA被动溶于有机萃取剂内，因此还存在萃取时间较长等问题。为此，接下来的研究可在以下几方面展开：1)考察不同类型有机溶剂对DEHA的萃取效果，以探求相同萃取剂投加量下的最大萃取效率；2)联合其他萃取方法，如超声萃取，以进一步减少有机溶剂投加量，缩短萃取时间；3)选用超声为辅助萃取技术时，宜从萃取容器的体积大小和结构设计等角度优化超声萃取技术，以减少或消除超声空白区问题，进一步提高萃取效率。

表1 二(2-乙基己基)己二酸酯萃取前处理技术比较Table 1 Comparison of DEHA extraction pretreatment technologies

2 二(2-乙基己基)己二酸酯检测技术

2.1 光谱分析法

2.1.1傅里叶红外光谱技术

近年来，傅里叶红外光谱技术(Fourier-transform infrared, FT-IR)在环境、食品、医药等领域DEHA检测中的应用备受关注。该技术利用红外光照射被检测材料，通过被检材料表面吸收或透过光的强弱来判断有机物的分子结构。由于不同的物质具有不同的分子结构，使得其各自吸收或透过的能量均有差异，进而产生特异的红外吸收光谱。根据各物质的红外特征吸收峰的位置、数目、相对强度、峰宽和形状等数据参数，可推断被检样品中存在的基团类型，表征共价键信息，确定其分子结构和聚合物特点等[44-46]。该技术在DEHA检测中具有快速、安全、无损、无污染、非接触等优点，但存在光谱信噪比低，光谱之间干扰大，背景复杂等缺点，加之一般样品组成成分较复杂，检测结果中甚至会出现谱峰重叠等问题，降低结果准确性[47]。

图2 标准品PVC中DEHA和商业用PVC板FT-IR图谱[26]Fig.2 FT-IR of DEHA in standard PVC and commercial PVC boards

王成云等[49]利用FT-IR技术检测了PVC食品包装膜中DEHA含量，结果表明，DEHA在 1 740 cm-1处存在强吸收峰。但由于PVC浆料本身含有大量酯类化合物，若在 1 740 cm-1峰处定量DEHA时基体存在明显干扰。为此，采取偏最小二乘法实现对图谱的降噪抗干扰处理，并通过建立不同浓度(0.01%、0.49%、1.45%、3.15%、4.60%、9.65%、11.17%、14.66%、19.74%、24.34%和31.10%)DEHA标样的红外光谱图，获得了DEHA定量回归曲线(R2=0.999 9)。

而俞雄飞等[50]为避免采用FT-IR技术对PVC食品包装膜中DEHA定量时出现的干扰峰等问题，在分析前采用以环己酮为溶剂，无水乙醇为沉淀剂的溶解沉淀法对PVC和DEHA进行分离预处理，结果表明，预处理后的样品，其FT-IR图谱在 1 737 cm-1处存在更为明显的强吸收峰。

2.1.2拉曼光谱技术

拉曼光谱技术(Raman spectra)是一种能够对聚合物进行定量分析的光学技术，该技术利用强激光使分子产生拉曼散射效应，通过分析与入射光频率不同的散射光谱，以得到分子振动、转动等方面的信息。具有快速无损、无污染、非接触等优点，且仪器小型便携，更适用于现场增塑剂检测[51-52]。

图3 标准品PVC中DEHA和商业用PVC板拉曼光谱图谱[48]Fig.3 Raman spectrum of DEHA in standard PVC and commercial PVC boards

2.2 色谱分析法

色谱分析法主要包括气相色谱分析法和高效液相色谱分析法。气相色谱法(GC)通过结合不同的萃取方法，已成为在空气、水体、食品包装和医药产品等各类样品中检测DEHA的常用技术。目前，主要包括GC-FID联用技术和GC-MS联用技术等。

2.2.1气相色谱分析法

2.2.1.1气相色谱-火焰电离检测器联用分析法

在气相色谱分析中，可以选择不同色谱柱、检测器和进样模式以寻求最佳DEHA检测条件,用于检测DEHA的GC色谱柱多选择具有键合和交联固定相的1%二甲基聚硅氧烷和/或苯基-甲基聚硅氧烷非极性柱[30]。目前，GC已用于检测PVC食品保鲜膜、儿童玩具、PVC管等DEHA含量及其迁移规律[26-27,49,53]。火焰电离检测(FID)具有操作简单、快速准确、用途广泛和易于推广等优点，已广泛用于包括DEHA在内的增塑剂检测[1,22]。Nerin等[54]建立了GC测定食品及包装材料中DEHA的快速测定方法。即采用三氯甲烷为萃取剂，在30 ℃下萃取15 min，GC条件为非极性SPB-1毛细管柱，柱温225 ℃，进样温度250 ℃，氮气为流动相，流速为1 mL/min，DEHA出峰时间为12.0 min。

陈志峰等[26]采用毛细管GC测定了PVC食品保鲜膜中DEHA含量。样品先经过以四氢呋喃为溶剂，甲醇为沉淀剂的前处理，再经过非极性DB-1MS 毛细管GC-FID分离检测。研究表明，DEHA在1.0～100.0 mg/L范围内线性关系良好(R2=0.999)，回收率为87.8%～99.1%，相对标准偏差<5%，检测限0.1 mg/L。姜俊等[27]通过对比有机溶剂种类、投加量、提取方式(振荡、加热回流、索式提取、超声)和提取时间(0.5、1、2 h)，确定了DEHA最佳提取方法条件，并采用GC-FID实现了对DEHA定量检测。结果表明，在有机溶剂为丙酮，提取时间为0.5 h，提取方式为振荡时，对DEHA提取效果最佳，回收率为96%～101%，检出限为0.01～5.0 μg/L，线性关系良好(R2>0.999)。

虽然FID已用于DEHA的检测，但是相较MS检测，FID无法提供增塑剂结构信息，因此GC-FID仅可作为一种常规技术以量化塑料制品中已知的DEHA。

2.2.1.2气相色谱-质谱联用分析法

质谱检测(MS)因其能够在成分复杂样品的检测中具有高选择性和高灵敏度，因此是同时定性和定量低浓度(或痕量)增塑剂混合物的最佳方法。有研究采用GC-MS实现了对包括DEHA在内19种增塑剂的同时定性定量检测[8]。目前，GC-MS方法已用于PVC管、食品和食品包装领域，特别是在不同介质(如橄榄油、油脂或“无脂”食品)中DEHA的检测[55-56]。高钧等[33]以正己烷为提取剂，采用超声波提取技术和GC-MS实现了对PVC中DEHA的检测。结果表明，在GC-MS的检测中得到了良好的检出限(0.4 μg/kg)和回收率(96.0%～102.2%)及较小的相对标准偏差(0.77%～0.94%)。秦东升等[34]采用与文献[33]相同的测试条件对氧化塘出水中DEHA进行检测，测试结果与文献[33]一致。另外，赵福全等[24]采用GC-MS检测嫩江水体中DEHA，并对比了超声波萃取与索氏提取的萃取效果。结果表明，超声波萃取与索氏提取对水中DEHA萃取结果无显著差异，检出限为0.32 μg/L(S/N=3)；回收率为90%～97%，相对标准偏差为4.59%。而苗万强等[57]采用GC-MS对河道底泥DEHA进行检测，得到了良好的检出限(0.018 μg/L)和回收率(99.8%)，以及较小的相对标准偏差(1.8%)。也有研究报道，GC-MS还实现了对母乳中DEHA的定量分析[58]和对人体尿液中DEHA及其代谢产物的定性定量分析[22]。

GC-MS用于检测DEHA的应用最多，且涵盖了PVC塑料制品、河道底泥和水体等领域。

2.2.2高效液相色谱法

目前，应用高效液相色谱法(HPLC)检测DEHA的文献较少。有文献报道了采用HPLC联合蒸发光散射检测器(evaporative light scattering detection, ELSD)实现了对医用PVC管材DEHA的检测[59]。研究发现，HPLC-ELSD和超临界流体色谱法(supercritical fluid chromatography, SFC)联合ELSD均能快速检测出DEHA，但HPLC-ELSD检测限低于SFC-ELSD，且HPLC的分离效果误差在±10%，而SFA远高于HPLC，可见，HPLC的分离效果较SFA更佳[60]。DEHA的SFC-ELSD和HPLC-ELSD图谱如图4所示。

图4 DEHA的SFC-ELSD和HPLC-ELSD图谱[60]Fig.4 SFC-ELSD and HPLC-ELSD chromatograms of DEHA

2.3 二(2-乙基己基)己二酸酯检测技术比较

DEHA检测技术对比见表2。与其他方法相比，GC-MS具有检测样品种类更广，检出限更低和准确性更高的优势，更适于DEHA检测推广。但该方法依赖于大型试验设备，价格昂贵。为此，后续研究可在现有分析方法基础上，一方面，结合高效的萃取前处理技术，如超声辅助液液萃取技术，采用目前应用较多的GC-MS，以实现高效成熟的DEHA检测；另一方面，DEHA检测技术的便携化、智能化也是下一阶段研究的重点。