超声提取/气相色谱-质谱法测定涂料中的8种有机磷阻燃剂

张 荧，李 逸,陈叶子，王旭涛

(生态环境部珠江流域南海海域生态环境监督管理局生态环境监测与科学研究中心，广东 广州 510611)

有机磷阻燃剂(Organophosphorus Flame Retardants,OPFRs)具有优秀阻燃效果且延展性好，被广泛应用于纺织品、化工原料及产品、建筑材料、玩具以及电子电器等产品中[1-3]。近年来，由于溴代阻燃剂(Brominated Flame Retardants,BFRs)的禁用，为满足各种材料的耐火要求，在一定程度上刺激了有机磷阻燃剂需求量和生产量大大提升[4-5]。

OPFRs在多数情况下是通过机械混合方法添加到产品中，在使用期间易通过扩散、磨损和溶解等过程进入环境中，然后通过呼吸、摄食和皮肤吸收等途径进入人体及其他生物体[6]。目前，OPFRs已在空气、水体、沉积物、土壤、灰尘、生物体中检出[6-10]。毒理学方面的研究发现，多种OPFRs具有生殖毒性、神经毒性、基因毒性和致癌性等多种潜在毒性，可能会给生态系统造成直接的破坏和影响，对人类健康产生影响[11-14]。

随着各个国家对防火安全的要求越来越高，阻燃剂在涂料中的应用越来越广泛，特别是在建筑领域钢材、木材等的应用。广东是中国主要的涂料生产基地，据调查，在广东涂料以及相关工业比较活跃的地区，存在OPFRs的点源污染[15]。目前，涂料检测技术方面的研究主要集中在有毒物质挥发性有机物(VOCs)、甲醛、可溶性重金属上，对于涂料中有机磷阻燃剂污染物的检测研究较少。李惠等[16]采用超声萃取技术，建立了高效液相色谱-串联质谱法同时测定涂料中4种有机磷阻燃剂的方法。广州开发区检验检测联盟发布了气相色谱-质谱联用法检测涂料中10种有机磷阻燃剂的团体标准[17]。胡晓辉等[18]综述了环境中有机磷酸酯阻燃剂分析方法的研究进展，介绍了从空气、沉积物、生物、水等环节介质中提取、净化和检测有机磷酸酯的多种方法和技术手段。从文献报道来看，与索氏提取法相比，超声提取的前处理方法花费的时间少、需要的有机溶剂量也较少，且提取回收率也较高。采用气相色谱法对OPFRs进行检测，检测器大部分情况下采用的是NPD和电子轰击离子化质谱(EI-MS)，与GC-MS方法相比，GC-NPD检测的主要不足是稳定性较差，且NPD中的铷珠在使用中持续降解，需定期更换。本文在借鉴前人研究经验的基础上，选取了目前研究关注较多的8种OPFRs，包括4种烷基有机磷阻燃剂、3种卤代基有机磷阻燃剂和1种芳香基有机磷阻燃剂，介绍了采用超声提取前处理，气相色谱质谱法检测涂料产品中这8种有机磷阻燃剂的检测方法的建立过程，并通过检测实际样品验证了方法的可行性。

1 试验部分

1.1 仪器、材料与试剂

仪器包括用于样品浓缩的平行蒸发定量浓缩仪(瑞士BUCHI，型号SyncorePlus R-12)；用于定容的氮吹仪(北京八方世纪科技有限公司，型号BF-2000)；用于超声提取的超声波萃取仪(德国Elma，型号S 120H)；用于定量检测的气相色谱质谱联用仪(GC-MS，Agilent 7890B-5975C)，DB-5 MS色谱柱(325°C,30 m×250 μm×0.25 μm)。

丙酮、乙酸乙酯、二氯甲烷均为色谱纯(美国TEDIA)；8种OPFRs目标物均为纯品(纯度大于99%，购于德国Dr.Ehrenstorfer公司)、d27-磷酸三丁酯(d27-TnBP，回收率指示物，100 mg/L于异辛烷，Accustandar)和d15-磷酸三苯酯(d15-TPP，内标指示物，100 mg/L于异辛烷，Accustandar)为标准溶液，8种OPFRs(序号1—8)的具体名称见表1。液态涂料样品为市场购买的清漆。

1.2 标准储备液的制备

准确称取8种OPFRs各10 mg(精确到0.1 mg)，置于10 mL已加入一定量乙酸乙酯的容量瓶中，然后用乙酸乙酯稀释至刻度并混匀，配置成8种OPFRs质量浓度均为1 000 mg/L的标准储备液，于-18 ℃条件下储存。

1.3 样品前处理

将液态涂料样品搅拌均匀，按涂料样品∶固化剂∶稀料为10∶5∶3的比例配制混合试样，搅拌均匀后，称取样品约0.5 g，精确到0.1 mg，置于20 mL离心管中，加入约10 mL丙酮和2 μL回收率指示物(d27-TnBP)，使用超声波提取仪进行超声提取15 min，冷却后，放置溶液至分层(若溶液静置后不能分层，可通过离心分离法分离)，将上层清液转移至25 mL平行浓缩管中。沉降部分再用10 mL丙酮超声提取15 min，冷却后，将上层清液转移至同一平行浓缩管中，经平行蒸发浓缩仪浓缩蒸发近干后，用乙酸乙酯氮吹定容至1 mL，加入2 μL内标指示物(d15-TPP)后待测。

1.4 GC-MS分析条件

a)色谱条件。DB-5 MS型石英毛细管柱，进样量1 μL，进样方式为无分流进样，不分流时间60 s，载气为氦气(纯度大于等于99.99%)，柱流量为1.2 mL/min，进样口温度250 ℃，色谱采用程序升温，初始温度为60℃(保持1 min)，以20 ℃/min升至160 ℃，再以10 ℃/min升至290 ℃，保持3 min。

b)质谱条件。采用电子轰击离子源(EI)，离子源温度230 ℃，电离能量70 eV；传输线温度280℃，接口温度280 ℃，溶剂延迟时间5 min；设定质量范围50～550 amu(原子质量单位)，采用全扫描方式(SCAN)对8种OPFRs逐个进行定性分析，确定各目标物的保留时间和主要碎片离子，选择无干扰、灵敏度高的离子作为定性定量的离子。根据保留时间和定性定量离子，采用选择离子模式(SIM)进行定量分析，8种OPFRs的保留时间和定量离子见表1，当样品中定性离子比与标准物质的离子比在20%以内，则定性为目标物。

表1 选择离子扫描模式下OPFRs的保留时间、定量离子、线性相关系数、方法的回收率和相对标准偏差(n=3)

1.5 数据分析

在前处理条件优化过程中，通过统计测试值与目标值(100%)间的离散度来选定最优条件，选择离散度最小的作为最优条件，相关计算见式(1):

(1)

2 结果与讨论

2.1 前处理条件的优化

对超声提取过程中的提取溶剂、温度、时间、次数等参数进行了优化，确定了最优的前处理条件。

2.1.1提取溶剂

根据相似相溶原理提取OPFRs时应选择具有一定极性的溶剂，试验考察了丙酮、乙酸乙酯、二氯甲烷、丙酮+乙酸乙酯(1+1)、丙酮+二氯甲烷(1+1)、乙酸乙酯+二氯甲烷(1+1)混合溶液等作为提取溶剂的提取效率。分别称取0.5 g涂料样品于离心管中，加入标准物质，使得样品中8种OPFRs的质量浓度均为1 000 ng/g，再分别加入15 mL不同溶剂后密封，在常温下对其进行超声提取20 min。根据式(1)计算，以丙酮、乙酸乙酯、二氯甲烷、丙酮+乙酸乙酯(1+1)、丙酮+二氯甲烷(1+1)、乙酸乙酯+二氯甲烷(1+1)作为提取溶剂时提取效率的离散度分别为8.11%、12.56%、13.64%、9.28%、13.78%和19.63%，表明丙酮的提取效率最高(图1)。因此，选择丙酮作为提取溶剂。

图1 提取溶剂对提取效率的影响

2.1.2提取温度

超声提取过程中，温度对超声波的空化作用的强度有一定的影响，因此提取过程中对温度进行适当控制是有必要的。考察了30℃、40℃、50℃、60℃下超声提取效果，根据式(1)计算，30℃、40℃、50℃、60℃下提取效率的离散度分别为9.4%、9.3%、11.5%、10.6%，经t检验(p>0.05)表明，温度对提取效果无显著影响(图2)，因此采用30℃下进行提取。

图2 提取温度对提取效率的影响

2.1.3提取时间

考察了超声提取时间分别为5、10、15、20、25、30 min时对测定结果的影响。结果根据式(1)计算，5、10、15、20、25、30 min时提取效率的离散度分别为54.3%、36.1%、8.9%、8.1%、8.5%、9.0%，超声15、20、25、30 min时涂料中的OPFRs回收率经t检验(P>0.05)表明无显著差别，延长超声时间测定结果不变；若超声时间过短，部分涂料不易溶解或分散，使得测定结果偏低(图3)。因此试验选择超声提取时间为15 min。

图3 提取时间对提取效率的影响

2.1.4提取次数

考察了超声提取1～3次时的提取效果，根据式(1)计算，提取1、2、3次时提取效率的离散度分别为24.9%、10.0%、9.4%，2、3次超声提取的提取效率经t检验(P>0.05)表明无显著差别(图4)，因此选择提取2次。

图4 提取次数对提取效率的影响

2.2 质谱条件的优化

该部分主要是起始温度、升温速率以及质谱扫描方式的优化。考察了起始温度分别为60℃、70℃、80℃时的分离效果，起始温度的变化对TEP的分离效果影响较大，60℃时TEP的分离效果最好，而其他组分的分离效果无显著差异，因此确定起始温度为60℃。

考察了10、20、30℃/min的升温速率下的分离效果，试验发现，以10℃/min的升温速率升温到290℃时，所有组分的分离效果最佳；以20℃/min的升温速率升温到290℃时，TEP、TiPrP和TPrP的分离效果较好，其他组分分离效果不佳；以30℃/min的升温速率升温到290℃时，所有组分的分离效果均较差。经测试，选择以20℃/min升至160℃，再以10℃/min升至290 ℃的升温速率时，耗费的时间较短，所有组分的分离效果较好。

从图5可见，在确定的最优条件下，各组分色谱峰分离完全，满足分析要求。质谱扫描方式采用分段法并选择离子扫描。第一时间段(3.0～9.5 min)扫描123、125、127、155、183；第二时间段(9.5～10.5 min)扫描103、151、211、231；第三时间段(10.5～14.0 min)扫描249、251、277、279；第四时间段(14～22 min)扫描325、326、339、341、378、381。该质谱扫描方式在单位时间内扫描的离子次数更多，定量更准确，选择离子监测质谱参数见表1。

图5 8种有机磷阻燃剂的选择离子监测色谱(DB-5MS 色谱柱)

2.3 线性关系和方法检出限

用乙酸乙酯将标准储备液逐级稀释成浓度为10、20、50、100、200、500、1 000 ng/mL的系列标准工作溶液，在设定的仪器条件下进行测定。用目标物定量离子对应的峰面积对相应的质量浓度绘制标准曲线，8种OPFRs在10～1 000 ng/mL范围内，线性回归方程的相关系数均高于0.990 4，具有良好的线性关系。检出限(LOD)以每种OPFR 3倍信噪比(即S/N=3)的添加浓度计算，定量限(LOQ)以10倍信噪比(即S/N=10)的添加浓度计算，计算结果：LOD范围为0.04～0.26 ng/g，LOQ的范围为0.13～0.87 ng/g。

2.4 方法的精密度和回收率

在阴性涂料基体中添加200 ng的8种OPFRs和d27-TnBP，按第1部分所述试验方法进行测定，平行测定3组，同时做空白对照。所得到的8种OPFS的平均回收率在79.3%～112.0%范围内，相对标准偏差(RSD)在3.9%～6.4%范围内，说明本方法有良好的回收率和精密度，能满足涂料中OPFRs残留分析的要求。

3 实际样品测定

应用本试验方法对市售的5家企业的涂料产品进行测定，结果表明：仅在一家企业的硝基清漆样品中检出TCEP，含量为15.22 ng/g。TCEP是卤代基有机磷阻燃剂的一种，它的阻燃性能好，除了具有自熄性外，还可改善制品的物理性能，广泛用于醋酸纤维素、硝基纤维素清漆、聚氯乙烯、酚醛树脂等，检出TCEP的涂料样品中可能添加了含TCEP的物质用于改善涂料的物理性能。

4 结论

针对涂料中8种OPFRs的超声提取影响因素进行了优化，给出了最佳试验条件。采用超声提取结合GC-MS法，实现了对涂料中8种OPFRs的同时、精确检测。该方法的检出限、回收率及相对标准偏差均能满足水体样品的检测要求，能够用于涂料样品有机磷阻燃剂的检测。本文认为，随着更多的OPFRs和氘代OPFRs标准品的商业化，未来对涂料产品中OPFRs的分析方法研究可以探索实现更多OPFRs的同时检测，并应用更多的氘代OPFRs进行定量分析。