超高效液相色谱-串联质谱法测定饮用水中双酚类化合物

王园媛,李璐璐,张 岚

(中国疾病预防控制中心环境与健康相关产品安全所,中国疾病预防控制中心环境与人群健康重点实验室,北京 100050)

双酚类化合物是一类重要的工业化学原料,主要应用于医疗设备、热敏纸、水管、玩具、塑料瓶和食品包装等产品的制造与加工,容易暴露在日常环境中,与人体接触[1-3]。其中,双酚A(BPA)是目前产量最高、应用最广的双酚类化合物。2021年,BPA在我国的表观消费量达到2.292×105t[4]。研究[5-7]表明,暴露在一定剂量的BPA下可能会影响正常的生殖发育过程,导致性早熟、代谢异常以及肥胖等不良健康结果。此外,长期接触BPA还可能对心血管系统、神经系统、免疫系统造成影响[8-9]。鉴于BPA逐渐明晰的内分泌干扰作用以及毒性效应,加拿大、欧盟等很多国家和组织都出台了限制BPA使用的政策[10-11]。因此,近年来其结构类似物作为替代物日益广泛地应用于工业生产和制造业。但毒理学研究显示,BPA替代物可能具有与BPA类似的内分泌干扰作用[12]。

在生产使用过程中,双酚类化合物可通过地表径流、无序排放等多种途径进入水体,从而带来饮用水污染的风险。饮用水中的双酚类化合物具有污染较普遍、浓度较低等特点[13-14],因此,开发高效简便、灵敏度高的检测方法对于饮用水中双酚类化合物的风险监控很有必要。目前,水中双酚类化合物的检测方法主要包括高效液相色谱法(HPLC)[15]、气相色谱-质谱法(GC-MS)[14-16]以及超高效液相色谱-串联质谱法(UPLC-MS/MS)[17-18]等。HPLC定性能力较弱、分析时间较长,部分物质检出限较高;GC-MS所用样品需要衍生化处理,操作较为繁琐耗时;UPLC-MS/MS结合了色谱技术和质谱技术的优点,具有较强的定性能力、较高的灵敏度以及较短的分析时间。由于水体中双酚类化合物含量较低,多数研究使用固相萃取、液液萃取或固相微萃取等前处理方法对样品进行富集浓缩,以提高检测灵敏度。但前处理过程往往步骤繁琐,耗时较长,且所需水样体积较大,多为0.2～1.0 L。本研究选取BPA及两种典型替代物双酚E(BPE)和双酚F(BPF),通过优化针式滤膜材质,以直接进样方式,建立3种双酚类化合物UPLC-MS/MS同时检测方法。该方法所需样本量少,具有简单、高效、灵敏度高等优点,满足《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2022)BPA的限值测定需求,可为饮用水中双酚类化合物的分布特征研究和暴露风险监测提供技术支撑。

1 试验材料和方法

1.1 仪器与试剂

Exion LC超高效液相色谱系统搭载QTRAP 5500三重四级杆质谱仪(美国SCIEX公司),SB25-12D超声波清洗机(宁波新芝公司),MINI-230V涡流振荡器(美国Talboys公司),AL204-IC电子天平(0.000 1 g,瑞士Mettler公司),Milli-Q Integral纯水仪(美国Millipore公司)。

甲醇、乙腈(LC-MS级,德国Merck公司),醋酸铵(LC-MS级,北京百灵威科技有限公司),氨水(LC-MS级,上海安谱实验科技股份有限公司)。

BPA(≥99%)、BPE(≥98%)、BPF(≥98%)标准物质(德国Merck公司),尼龙(Nylon)、聚醚砜(PES)、混合纤维素(MCE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)针式滤膜(上海安谱实验科技股份有限公司),亲水性聚四氟乙烯(PTFE)针式滤膜(美国Pall公司)。

1.2 试验方法

1.2.1 标准溶液的配制

标准储备溶液Ⅰ:分别称取10.0 mg BPA、BPE、BPF标准物质于10 mL棕色容量瓶中,用甲醇溶解并定容,配制成质量浓度为1 000 μg/mL的标准储备液Ⅰ,转移至棕色试剂瓶,-20 ℃储存备用。

标准储备溶液Ⅱ:分别移取1 mL各物质标准储备液Ⅰ于10 mL棕色容量瓶中,用甲醇定容,配制成质量浓度为100 μg/mL的标准储备液Ⅱ,转移至棕色试剂瓶,-20 ℃储存备用。

混合标准工作溶液:准确移取BPA、BPE、BPF标准储备液Ⅱ各100 μL于10 mL棕色容量瓶中,用纯水定容,配制成质量浓度为1 μg/mL的混合标准工作溶液,转移至棕色试剂瓶,4 ℃储存。

标准系列混合溶液:临用前,移取适量混合标准工作溶液,用纯水逐级稀释成质量浓度为0.05、0.10、0.20、1.00、2.00、5.00、10.00、20.00、50.00 μg/L的标准系列混合溶液。

1.2.2 超高效液相色谱条件

本试验采用ACQUITY UPLC BEH C18色谱柱(2.1 mm×100 mm,1.7 μm,美国Waters公司),柱温:40 ℃;流动相:(A)纯水,(B)甲醇;流动相流速:0.3 mL/min;进样体积:10 μL。梯度洗脱程序如表1所示。

表1 梯度洗脱程序Tab.1 Gradient Elution Procedure

1.2.3 质谱条件

离子源为电喷雾离子源(ESI-),负离子模式扫描,多反应监测模式(MRM)分析。质谱参数为离子源温度:500 ℃;气帘气气压(CUR):30 psi(1 psi≈6.895 kPa);离子化电压(IS):-4 500 V;喷雾气气压(GS1):45 psi;辅助加热气气压(GS2):60 psi;碰撞气气压(CAD):9 psi。3种双酚类化合物的定量离子对、定性离子对、去簇电压(DP)、碰撞电压(CE)、入口电压(EP)、出口电压(CXP)如表2所示。

表2 BPA、BPE和BPF的质谱参数Tab.2 MS/MS Parameters of BPA, BPE and BPF

1.2.4 样品前处理

将2 mL样品经孔径为0.22 μm、直径为13 mm的针式过滤器过滤,弃去前0.5 mL过滤液,收集续滤液至棕色玻璃进样小瓶中,待分析。

2 结果和讨论

2.1 色谱条件的优化

根据目标化合物性质,本试验分别选择ACQUITY UPLC BEH C18(2.1 mm×100 mm,1.7 μm)和ACQUITY UPLC HSS T3(2.1 mm×100 mm,1.8 μm)两种反相色谱柱进行考察。结果显示,两种色谱柱均可将所有目标化合物分离,峰形较好,且响应基本无差异。考虑到后续流动相条件优化时会使用氨水等碱性添加剂,而ACQUITY UPLC HSS T3柱耐碱性较差,因此,本试验选择ACQUITY UPLC BEH C18色谱柱。

使用ACQUITY UPLC BEH C18色谱柱,本试验分别比较了乙腈-水、甲醇-水、甲醇-水(含0.05%氨水)、甲醇-水(含1 mmol/L醋酸铵)4种流动相体系对目标化合物分离、峰形和响应的影响。不同流动相体系下BPA、BPE和BPF的响应如图1所示。结果发现,相较于乙腈-水,甲醇-水为流动相时各目标化合物的分离度和响应更好。当水相加入1 mmol/L醋酸铵时,目标化合物与未加入醋酸铵时相比响应降低;当水相加入0.05%氨水时,目标化合物的分离度和信噪比S/N与未加入氨水时相比没有明显差异。考虑到试验操作的简便性,本试验选择甲醇-水作为流动相。优化后目标化合物的色谱图如图2所示。

图1 不同流动相体系对BPA、BPE和BPF的影响Fig.1 Effects of Different Mobile Phase for BPA, BPE and BPF

图2 优化后BPA、BPE和BPF的色谱分离图Fig.2 Optimized Chromatograms of BPA, BPE and BPF

2.2 质谱条件的优化

使用甲醇将BPA、BPE、BPF标准储备溶液Ⅱ分别稀释至100 μg/L,使用针泵进样方式,进行母离子扫描,以选择合适的电离方式和母离子。结果显示,3种双酚类化合物在负离子模式下,以[M-H]-加合方式的母离子最为理想,确定BPA、BPE和BPF的母离子分别为227.0、213.3和198.9。选定母离子后,对每一种目标化合物进行子离子扫描,选择背景较低、响应较强的两个子离子作为定量离子和定性离子。结果显示,BPA的子离子以212.0和133.0 S/N较高;BPE的子离子以197.1和119.1 S/N较高;BPF的子离子以105.1和93.0 S/N较高。采用MRM模式对上述离子对的CE和DP等参数进行优化,优化后3种双酚类化合物的质谱参数如表2所示。

表3 BPA、BPE和BPF的线性范围、检出限及定量限Tab.3 Linear Ranges, LODs and LOQs of BPA, BPE and BPF

2.3 针式滤膜的选择

本试验分别比较了样品前处理过程中,亲水性PTFE、Nylon、PES、MCE、PVDF这5种针式滤膜对BPA、BPE、BPF吸附的影响。用纯水将混合标准工作溶液稀释至10 μg/L,分别使用上述5种针式滤膜进行过滤,使用所建方法对收集的滤液进行检测分析。按式(1)计算回收率以评估不同滤膜的影响,每种针式滤膜设置6个平行样品。

(1)

其中:y——回收率;

A0——未过滤目标化合物的峰面积;

Ai——经不同种类针式滤膜过滤后目标化合物的峰面积(i=PTFE、Nylon、PES、MCE、PVDF)。

不同种类针式滤膜对BPA、BPE、BPF的影响如图3所示。亲水性PTFE、Nylon、PES、MCE、PVDF对3种双酚类化合物的回收率分别为91.1%～97.5%,9.2%～26.2%,39.8%～78.0%,49.3%～72.6%,42.3%～62.1%;相对标准偏差(RSD)分别为1.4%～2.1%、4.5%～9.9%、1.5%～3.6%、1.4%～2.9%、2.7%～3.8%。可以看出,5种滤膜中,Nylon、PES、MCE、PVDF对目标化合物均有一定的吸附作用,其中Nylon的吸附最强。亲水性PTFE对目标化合物的吸附很少,回收率和重复性较好。因此,水样使用亲水性PTFE针式滤膜进行过滤前处理。

图3 BPA、BPE、BPF经不同针式滤膜过滤后的回收率Fig.3 Recovery Rates of BPA, BPE and BPF Filtered through Various Syringe Filters

2.4 线性范围与检出限

以3种双酚类化合物峰面积(y)对标准系列浓度(x)绘制标准曲线并计算相关系数(r),如表3所示。3种双酚类化合物在浓度范围内呈现良好线性关系,r均大于0.999。以目标化合物S/N为3时对应的浓度作为检出限(LOD),S/N为10时对应的浓度作为定量限(LOQ)。结果显示,BPA、BPE、BPF的LOD分别为0.030、0.009、0.060 μg/L;LOQ分别为0.10、0.03、0.20 μg/L。此方法LOD和LOQ较低,可满足饮用水中双酚类化合物的分析检测需求。

2.5 回收率与精密度

在纯净水样品和自来水样品中分别添加低(1 μg/L)、中(5 μg/L)、高(10 μg/L)3个质量浓度水平的BPA、BPE、BPF标准溶液进行加标回收试验。每个浓度设置6个平行,计算不同加标浓度下BPA、BPE、BPF的回收率和RSD,如表4所示。不同加标浓度下BPA、BPE和BPF在纯净水样品中的回收率为92.3%～98.6%,RSD为0.9%～2.6%;在自来水样品中的回收率为91.7%～103.8%,RSD为1.8%～3.5%。该方法具有较高的准确度和精密度,符合饮用水中双酚类化合物的测定要求。

表4 不同类型饮用水中BPA、BPE和BPF的加标回收率及相对标准偏差 (n=6)Tab.4 Recovery Rates and Relative Standard Deviations of BPA, BPE and BPF in Different Types of Drinking Water (n=6)

2.6 实际样品测定

使用本研究建立方法,对5份纯净水样品、10份出厂水样品及10份末梢水样品进行检测。其中,BPA、BPE、BPF在纯净水样品中均未检出。BPA在3份出厂水样品中有检出,检出率为30%,质量浓度为0.23～5.89 μg/L;在3份末梢水样品中有检出,检出率为30%,质量浓度为0.52～3.67 μg/L。BPE、BPF在出厂水及末梢水样品中均未检出。

3 结论

本研究基于直接进样-超高效液相色谱-串联质谱建立了饮用水中BPA、BPE和BPF 3种双酚类化合物同时检测的分析方法。(1)该方法前处理使用0.22 μm针式滤膜过滤后直接进样,操作简便,所需样品量少,具有快速高效的优点。(2)BPA、BPE、BPF的线性值分别在0.05～50.00、0.05～50.00、0.1～50.0 μg/L;LOD分别为0.030、0.009、0.060 μg/L;LOQ分别为0.10、0.03、0.20 μg/L。3种双酚类化合物在纯净水和自来水样品中的加标回收率分别为92.3%～98.6%和91.7%～103.8%,RSD分别为0.9%～2.6%和 1.8%～3.5%。由此,该方法具有较高的灵敏度和精密度。(3)该方法满足《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2022)中BPA的限值(0.01 mg/L)测定需求,适用于饮用水中双酚类化合物的污染水平研究以及暴露风险监测。