环境中新型阻燃剂检测技术研究进展

张 弛，郭 丽，李爱民,2

1.湖北省生态环境监测中心站，湖北 武汉 430072 2.湖北省核与辐射环境监测技术中心，湖北 武汉 430060

阻燃剂(FRs)是一类可掺入易燃材料中的功能性助剂。其在塑料、家具材料、涂料、纺织品等的生产过程中被加入其中，用来防止易燃材料燃烧和火势蔓延，减少火灾造成的人身伤害和财产损失[1]。由于阻燃剂在日常使用中具有重要价值，其全球产量极大，而中国则是阻燃剂年消费量最大的国家[2]。

阻燃剂使用广泛、种类众多，根据化学组成，可分为溴代阻燃剂(BFRs)、氯代阻燃剂(CFRs)、无机阻燃剂等。在传统有机阻燃剂中，含氯或溴的卤系阻燃剂的使用量最高。这类阻燃剂由于没有化学键的束缚，很容易经材料磨损、填埋、焚烧等释放到环境中，并可在环境中持续存在，对人体和其他生物造成危害[1]。在卤系阻燃剂中，多溴二苯醚(PBDEs)因具有较高的自由基捕获效率，成为最常用的溴代阻燃剂，在卤系阻燃剂产品中的占比最高[3]。由于对生态环境和人体健康具有潜在危害，这些传统阻燃剂已被列入《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》的禁止清单，逐渐被各国立法停止生产和使用，并被其他毒性较低的新型阻燃剂(NFRs)替代[4]。

近年来，随着NFRs使用量的增加，一些新型氯代阻燃剂(NCFRs)、新型溴代阻燃剂(NBFRs)及有机磷酸酯阻燃剂(OPFRs)等开始在环境中被频繁检出，从而再次引起了人们的关注。NFRs大多属于持久性有机污染物(POPs)，已经有研究报道了NFRs在生物和非生物环境基质中的普遍分布[5]，还有研究报道了NFRs可能具有某些潜在毒性[6]。此外，由于在南北极等边远地区发现了多种NFRs的存在，这类化合物的远距离大气传输(LRAT)能力也受到了人们的关注[7]。迄今为止，人们对这类新污染物的认识还比较有限，也缺少获得广泛认可的标准分析方法，因此，开发稳定、灵敏、可行的NFRs分析方法，对于监测其在环境中的化学行为和影响，贯彻落实《新污染物治理行动方案》，具有非常重要的现实意义。本文介绍了目前部分环境样品中NFRs的分析方法，讨论了各分析方法的技术特点，并展望了该领域未来的发展趋势。

1 NFRs的分布及毒理学信息

NFRs主要包括NBFRs、NCFRs、OPFRs等，一些较受关注的NFRs如表1所示。

NFRs的使用非常广泛，可用于塑料、橡胶、纺织品和电子产品的生产过程[5,8-9]。NFRs的生产场所和电子废物的回收处置场所是环境中NFRs的主要检出地，研究人员在许多国家的阻燃剂生产厂和电子垃圾处理厂周边土壤及废水中均发现了高浓度的NFRs。大部分NFRs具有持久性、半挥发性和脂溶性，并且在大气和水环境中具有远距离传输能力。目前，已有多种NFRs在南北极及原始山区等偏远生态系统中被检出。近年来，NFRs在人体中被检出的频率也越来越高，这引起了世界各国政府和国际组织的广泛关注。尽管动物实验表明，NFRs的急性毒性一般较低，但它们可能具有潜在的生物蓄积性和慢性毒性。此外，许多NFRs对生物具有潜在的神经毒性，并可能对生物内分泌产生干扰。目前，大多数NFRs还没有受到相关生产和使用法规的严格管制，而且在全球范围内的产量和销量信息也比较有限。

2 环境样品中NFRs的检测技术

近年来，环境中NFRs的普遍存在引起了相关领域研究者的高度重视。由于NFRs在环境基体中的浓度水平极低(大多为ng/g或pg/g级别，甚至更低)，而含有NFRs的环境基体的成分大多比较复杂(如土壤、生物等环境基质中往往包含脂质、蛋白质、腐殖酸、色素等多种干扰性化合物)，并且一些化学性质不稳定的NFRs在分析过程中可能会发生分解或转化等，因此，高灵敏度、高选择性、高可靠性分析方法在准确定量环境中NFRs上的作用逐渐凸显。在分析成分相对复杂的环境样品时，首先需要采用合适的方法对样品进行处理，包括提取、净化、浓缩等步骤。

2.1 样品提取

为了获得高质量的检测结果，样品提取在整个分析过程中起着至关重要的作用，高效和高选择性提取技术可以起到富集痕量组分、降低基质效应、减少分析物损失及提高方法灵敏度的作用。NFRs种类繁多，所处环境基体复杂多样，常见于水体、沉积物、土壤、灰尘、污泥和生物等液态、固态或半固态环境中。在分析不同环境基质中的NFRs时，需要准确评估溶剂种类，以及提取温度、压力和方式等各种参数的影响，以保证提取效率达到最佳。近几年有关各类环境样品中NFRs提取技术的研究如表2所示。总结近几年有关NFRs前处理的各项研究可知，NFRs分析中的前处理装置正在向自动化、小型化方向发展。

2.2 样品净化

在分析复杂环境样品中痕量甚至超痕量级别的NFRs时，为避免干扰物造成仪器灵敏度下降或出现假阳性结果，选择合适的净化步骤对于准确测定NFRs至关重要。大部分NFRs具有疏水基团，容易富集在脂质中，因此，消除脂质的干扰往往是NFRs分析的重点和难点。对于样品中的脂质类干扰物，可以采用破坏性或非破坏性方法去除。最常用的破坏性方法是使用经硫酸和氢氧化钾处理过的硅胶进行净化，但两种物质可能导致一些不稳定的NFRs的结构受到破坏。为减少分析物的损失，可以将破坏性和非破坏性方法结合使用，如先用干冰/丙酮冷却，降低脂质在正己烷中的溶解度，然后使用硫酸进行处理[26]。另一种常见的能够选择性去除样品提取物中的脂质的方法是凝胶渗透色谱(GPC)法，但由于GPC无法消除一些小分子的干扰物，因此，这项技术一般与SPE技术结合使用。此外，极性吸附剂如硅胶、氧化铝和弗罗里硅土等，可单独或组合使用，用以将脂质中的NFRs分离出来。有研究发现，氧化铝吸附剂在分析多种阻燃剂时具有较好的回收率，可以减少OPFRs在净化过程的损失，而当分析物中不含OPFRs时，弗罗里硅土也是较好的选择[27]。

将提取和净化步骤结合是NFRs分析技术的一个发展方向，这类技术可以显著提高分析效率。有研究使用基质固相分散(MSPD)技术从海洋生物中提取了NFRs[28]。该技术是将样品匀浆填充到注射器或小柱中，然后用不同的有机溶剂解吸分析物，并在注射器底部填入无水Na2SO4、中性硅胶、酸性硅胶和弗罗里硅土的混合物作为净化材料，从而实现在线净化。PLE也是一种广泛用于环境基质中NFRs提取的技术。有研究采用SPLE技术分析了沉积物样品中的NFRs，在完成样品提取的同时实现了在线净化[5]。

2.3 仪器检测

考虑到NFRs在环境中极低的浓度水平及环境基质的高复杂度，为了准确定量环境样品中的NFRs，必须将目标NFRs与其他有机化合物进行分离。色谱分离技术具有较高的灵敏度、选择性和分离效率，因此，色谱与质谱的联用技术被广泛用于新污染物分析检测。环境样品中NFRs相关检测技术如表3所示。

表3 环境样品中NFRs相关检测技术[5,7,11-22,24,29-40]Table 3 Techniques for detection of NFRs in environmental samples

2.3.1 气相色谱质谱联用(GC-MS)技术

GC是用于分离各类环境样品中挥发性与半挥发性有机污染物的主流技术，具有分离效能高、灵敏度好、峰容量大的优点。因此，在分析相对容易挥发的某些NFRs时，通常使用GC与相关检测设备联用的方法。

由于部分NFRs热稳定性较差，在高温条件下会发生异构化或分解，因此，在使用GC技术同时测定多种不同类型的NFRs时，需要选择合适的进样条件。如分析物中包含DBDPE时，进样口温度一般设置在300 ℃以下，温度太高或分析物在衬管中的停留时间过长都会导致一些高溴代的NBFRs发生分解。此外，可以通过脉冲进样器来降低分析物的分解率。在脉冲进样模式下，可以在进样时设定一个较大的进样压力，使分析物更快地进入色谱柱，进而提升传输率并降低分析物的分解率。冷柱头进样技术也是一种适用于分析某些热不稳定NFRs的进样技术。在这项技术中，样品提取物被直接注入在线注射器并进入GC柱，或进入一个安装在喷嘴的保持低温的玻璃插件中。这种进样方式可以有效避免一些热不稳定NFRs的分解，但需要确保样品提取物尽可能地保持清洁，否则会对GC柱的使用寿命造成不利影响。

在GC-MS技术中，EI源可用于分析多种化合物，但是由于部分NFRs的化学结构相对不稳定，一般推荐使用软电离技术，如采用电子捕获负化学电离(ECNI)对DBDPE等化合物进行分析[41]。需要注意的是，ECNI-MS方法不具有特异性，因此，需配合使用色谱技术对化合物进行分离。为克服ECNI-MS和EI-MS的局限性(ECNI-MS的特异性低，EI-MS的前级离子丰度较低)，PORTOLÉS等[30]开发了GC串联MS方法(QqQ质量分析仪)，使用APCI方法(GC-APCI-MS/MS)对一些目标NBFRs进行了筛选，达到了极低的检测限(分析物在色谱柱上样量低于10 fg的条件下被检出)。该方法可以同时检测传统阻燃剂PBDEs，以及DBDPE、BTBPE两种NBFRs。

GC与APCI离子源的新组合也为此类化合物的分析开辟了新的前景。如WANG等[31]开发了一种基于GC-APCI-MS/MS的新方法，测定了血清中的13种BFRs(8种PBDEs和5种NBFRs)。该方法使用胎牛血清的加标回收率为83.4%～118%，方法检出限为0.04～30 pg/mL，比作者先前使用GC-NCI-MS或GC-EI-MS/MS技术获得的方法检出限至少低一个数量级，表明GC-APCI-MS/MS是一项更灵敏的技术。

气相色谱飞行时间质谱联用(GC/TOF)技术可用于环境样品中可疑和非目标化合物的快速定性识别，也可用于多种类NFRs的同时快速筛查。同时，该技术也被证明具有极高的可靠性和灵敏度。有研究[32]基于GC/TOF技术建立了200多种污染物的谱库，并对采自北极地区的多种环境样品中的非目标化合物进行了分析，检测到了包括OPFRs在内的多种污染物。值得注意的是，理论上，TOF技术与全二维气相色谱(GC×GC)联用可以进一步提高该方法对多种NFRs同时测定的能力，但目前相关领域的研究还较为匮乏。

2.3.2 液相色谱质谱联用(LC-MS)技术

对于一些分子量大、难挥发或热稳定性差的NFRs，可以使用LC技术进行分离。由于大部分NFRs具有疏水基团，一般使用C18或C8作为固定相的反相色谱进行分离[34-37]。色谱柱多选用填充有小粒径颗粒(<2 μm)的短柱，对于较复杂的环境样品则选择较长的色谱柱(150～250 mm)[41]。

2004年以来，UHPLC已逐渐成为一种常用的分离技术。该技术通过使用小内径(<2 mm)色谱柱实现了对多种分析物的快速分离，并获得了更高的分离度[42]，同时也为复杂样品中新污染物的分析提供了更高的灵敏度和更好的分离效果。相比以往的技术，UHPLC技术的溶剂和样品使用量更少，因此，UHPLC是一种对环境友好的“绿色”色谱系统。由于NFRs可能存在于实验室环境中，LC系统的背景污染也是一个非常重要的问题。一些研究在HPLC系统上应用了捕集柱，以区分来自设备的背景污染与来自样品的背景污染。捕集柱在使用前需要进行清洗和注入空白溶剂，以去除可能残留其中的污染物。为进一步避免来自设备的背景污染，推荐使用聚醚醚酮(PEEK)或聚四氟乙烯(PTFE)材料制成的管路部件，并建议及时更换。

ESI技术具有适用范围广、灵敏度高等优点，可用于高分子量、难挥发和热不稳定化合物的分析，是采用LC-MS技术分析NFRs时使用最广泛的电离技术之一。ESI能够直接将从液相中流出的洗脱液电离，产生稳定的分子离子，尤其对高极性分子的电离效果更好，因而可以与LC技术完美兼容。ESI是一种相对“软”的电离技术，通过ESI获得的分析物的结构信息相对较少，因此，需要结合MS/MS或高分辨质谱(HRMS)系统使用，以取得可靠的定性数据。此外，基于ESI的电离原理，ESI易受到基质干扰，并导致离子化过程产生离子抑制或增强，使得该技术对复杂样品定量的准确性，以及在通用质谱数据库的建立上的应用受到了一定影响。近几年，其他大气压电离技术也得到了发展，如APCI和APPI技术。这些技术具有较低的离子抑制效应，相比ESI更不容易受到基质干扰的影响，从而扩展了LC-MS对低极性和非极性分析物的适用性。已有一些研究采用APCI或APPI技术分析了多种NFRs[17,33]。

配置有QqQ质量分析仪的LC-MS/MS或UHPLC-MS/MS方法是最常用的测定环境样品中NFRs的检测技术。依据化合物类型的不同，可选择离子扫描(SIM)或多反应监测(MRM)模式进行分析。通常，这些联用技术足以满足识别和定量的需要，但LC-MS特有的基体效应会导致测量信号受到显著增强或抑制，尤其是在分析复杂环境基质中的NFRs时更加明显[27]。因此，一般采用稳定性同位素稀释法对NFRs进行定量。由于NFRs的有证标准物质往往较为缺乏并且成本相对较高，也可以采用一些替代方法，如基质匹配校准或标准添加法。

2.3.3 MS检测技术

新污染物NFRs在环境中极低的浓度水平使得检测仪器的灵敏度成为最需要考虑的参数之一。环境中NFRs的种类繁多，部分同类化合物结构、性质相近，同分异构体众多，MS/MS质量分析器的选择性有时不足以满足这类化合物的分析需求。一些研究者建议使用高分辨率质谱仪作为常规质谱仪的替代工具，用以分析复杂环境基质中的痕量NFRs。目前，TOF质谱、Orbitrap高分辨质谱与HPLC或UHPLC联用技术均已成功用于检测多种样品中的NFRs，并展现出了极高的选择性与灵敏度。如ZACS等[39]采用超高效液相色谱结合飞行时间高分辨率质谱法(UHPLC-TOF-HRMS)，在高分辨率模式下[15 000半高全宽(FWHM)]测定了鳗鱼样品中的阻燃剂含量。实验结果表明，其所建立的UHPLC-TOF-HRMS方法在pg级别的定量范围内具有良好的精密度，与传统的UHPLC-QqQ-MS/MS方法相比，两种方法在回收率、重复性及精密度方面具有良好的一致性，并且对实际样品的测定结果也没有显著的统计学差异。

高分辨质量分析器间的串联目前还处于探索阶段，但已经实现与四极杆或Orbitrap的联用。该技术具有很高的质量准确度，分析时可以进行数据依赖性采集或数据独立性采集(DDA或DIA)。ZACS等[17]比较了全扫描、目标离子选择性扫描(t-SIM)和平行反应监测(PRM)3种不同的检测模式，发现在t-SIM与全扫描模式下，分析复杂样品时会出现较高的背景噪声，并且会对色谱图产生显著干扰，因此，选择了干扰较小的PRM模式。但是，该作者在其他研究中也发现，筛查鱼类样品中的NBFRs时，PRM模式的灵敏度较差。总体来说，尽管这类HRMS的检出限要比普通低分辨质谱(LRMS)高，但具有可检测和识别其他非目标新污染物的优势。

另一种HRMS，即傅里叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR-MS)，已被证实是一种质量精度最高(<10-7)且光谱分辨率最好(>106)的质谱技术。这项技术可通过高准确性的质量测定直接获得目标物的分子式，因此在分析异常复杂的环境样品中的NFRs时具有极大的潜力。最近，ZACS等[33]使用气相色谱大气压化学电离傅里叶变换离子回旋共振质谱法(GC-APCI-FT-ICR-MS)对样品中的目标和非目标NBFRs、NCFRs进行了筛选，发现该方法对目标物具有极高的灵敏度(所有分析物均可在色谱柱上样量低于5 pg的条件下被检出，而方法定量限为0.002～0.04 ng/g)。使用参考物质对GC-APCI-FT-ICR-MS方法进行验证，发现其测定结果与气相色谱高分辨质谱(GC-HRMS)的测定结果相似。但由于设备成本高昂，目前这项技术在环境有机污染物分析研究中的应用还较为少见。

常规质谱检测器在有机污染物分析中的使用较为广泛，但在分析NFRs时会遇到一些问题，如采用GC-MS(分析物热稳定性差)或LC-MS(缺少将分析物离子化的离子源)很难测定TBBPA的衍生物。而电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)对NFRs中的卤素原子具有极高的灵敏度，为此类NFRs的分析提供了额外的解决方案。如LIU等[40]基于液相色谱-电感耦合等离子体质谱(HPLC-ICP-MS)检测技术，建立了一种新的、灵敏的TBBPA衍生物测定方法。与常用的检测方法[如MS/MS或二极管阵列检测(DAD)器]相比，ICP-MS在定量分析TBBPA及其衍生物(尤其是TBBPA-BAE和TBBPA-BDBPE)方面具有明显优势。

2.4 检测过程的质量控制与质量保证(QA/QC)

空白污染一直是NFRs等新污染物分析中面临的一个重要问题。研究表明，这些污染物在环境、采样设备和实验室设备中普遍存在[43-44]。如果分析过程无法消除或减少空白污染，就会对准确定量造成不利影响，特别是当目标物的浓度水平为痕量级时，各类干扰造成的影响会更加明显。因此，在进行样品分析前，必须增加额外的清洁步骤(如高温处理、溶剂清洗等)，以减少空白污染对分析结果的影响。采用全过程空白和平行样品等质量控制措施，可以有效确定采样和运输过程是否出现了污染。

在NFRs分析过程中，有关质量控制与质量保证的细节问题需要引起注意。研究表明，塑料容器是OPFRs干扰的主要来源，并且一些NFRs会吸附在塑料容器表面，因此，一般推荐使用玻璃容器[9]。在分析一些新污染物时，沉积物、土壤和生物等实际样品的加标回收率可能会比基质加标实验测定的回收率要低。有研究认为，这和加标物质与基质之间的接触时间有关[45]。因此，加标平衡的时间也需要引起注意。

在环境化学分析中，标准参考物质的应用是重要的质量保证与质量控制措施。但是除了极少数化合物外，许多NFRs都缺乏相应的标准参考物质[46]，因此，相关研制工作亟须进一步加强。此外，各种新污染物的实验室间比对研究表明，NFRs的实验室间比对是一项非常有价值的工作，对于优化NFRs分析方法十分重要，并且可以为减少空白污染提供相关参考和依据。

3 结论与展望

近年来，NFRs被广泛使用但又缺乏有效监管，使得这类化合物在环境中几乎无处不在。研究表明，长期暴露于高浓度水平NFRs环境中，会对人体健康造成危害。因此，NFRs分析技术已成为国际分析领域极受关注的研究热点。

从分析的角度来看，NFRs分析面临的困难主要是其在环境中的浓度水平较低，而基体成分又过于复杂，分析物中不同组分的共流出也使得NFRs分析需要采用高分辨率的仪器对目标物进行分离。虽然高分辨仪器可以提供较高的灵敏度与较低的检出限，但这类仪器往往比传统的低分辨率仪器更加昂贵，并且耗费更多的分析时间。

质量控制与质量保证是NFRs分析中非常重要的环节。规范的分析方法应有明确的质控指标和评价标准，从而保证分析结果的准确性。通常通过在分析的各个环节使用合适的质量控制样品及各种标准溶液，来保证全过程的分析质量。为了验证新分析方法的可靠性，建议使用有证标准物质，而现有有证标准物质的缺乏也进一步凸显了加强其研制工作的必要性。实验室间的联合研究也被认为是提升NFRs分析准确性的一种实用方法。对于一些化学性质不稳定的NFRs，影响其分析结果可靠性的因素众多，实验室间的比对验证也就尤为重要。

通过系统总结国内外近年来有关环境中NFRs分析技术的研究文献可以发现，许多研究的焦点主要集中在缩短分析时间和提升对复杂环境样品中多种分析物的分离性能，以及对未知NFRs的快速筛查等方面。考虑到近年来前处理技术及色谱质谱联用技术的高速发展，环境中NFRs检测技术在未来的发展必然充满了诸多可能性，然而可以肯定的是，先进分析技术在NFRs分析中的应用将越来越多，并在NFRs研究方面发挥越来越重要的作用。