环境中有机紫外吸收剂前处理及仪器分析方法研究进展

裴继影,刘 耐,胡俊杰,王一潼,余克服,张瑞杰

1.广西大学海洋学院,广西 南宁 530000 2.广西南海珊瑚礁研究重点实验室,广西 南宁 530000

有机紫外吸收剂(OUVs)是一种光稳定剂,按照化学结构分类,主要包括二苯甲酮类、樟脑衍生类、对氨基苯甲酸酯类、肉桂酸酯类、水杨盐酸类、二苯甲酰基甲烷类、苯并三唑类等类别(OUVs的基本信息见表1)。由于OUVs热稳定性及化学稳定性好,能够大幅度提高产品的抗老化性及安全性,因此在食品包装[1]、化妆品[2]以及工业[3]等领域的应用日趋广泛。

表1 OUVs的基本信息Table 1 Basic information of OUVs

研究报道,2005—2010年,全球防晒产品的销售额从56亿美元增长至72亿美元[4],未来全球防晒产品销售额也会呈现大幅度增长趋势[5]。巨大的经济效益往往伴随着环境问题,OUVs经人类游泳或潜水等娱乐途径进入环境,工业产品废弃后的非标准排放也会加重环境中OUVs的污染。目前,水体[6-10]、沉积物[11-19]、生物体[20-25]等多种环境介质中均已检测到OUVs,对生态环境和人类健康造成威胁。

对环境中OUVs进行精准监测是制定环境保护政策的必要条件,快速高效的样品前处理技术和准确灵敏的分析检测方法是提高OUVs环境检测精准度的前提。由于环境中的OUVs含量低,测样时易受基质干扰,在样品测定之前对样品进行前处理(富集、净化、浓缩)是增加仪器信号响应的一种有效手段(常见的前处理方法见图1)。此外,OUVs测定方法也随着分析技术的发展从传统的薄层色谱、液相色谱逐渐向质谱技术转变。

图1 环境介质中OUVs常用前处理分析方法流程或原理Fig.1 Flow or schematic diagrams of common pretreatment methods of OUVs in environmental matrices

该研究综合整理了近年来环境样品中OUVs的前处理方法及测定方法:①分别总结了环境中水体、沉积物和生物样品的前处理方法,并分析了实验条件对前处理回收率的影响;②综述了近年来液质联用和气质联用技术在OUVs测定中的发展趋势,并分析了影响OUVs仪器检测灵敏度的因素。

1 环境样品中OUVs的前处理方法

1.1 水体样品中OUVs的前处理方法

目前,OUVs的仪器检测限为ng/L～μg/L量级,而其在水体中的浓度通常低于仪器检测限,直接对水体中的OUVs进行测定很难。另外,实际样品中含有大量营养盐、重金属、有机污染物等共存物,严重干扰OUVs的测定。在仪器分析测试之前对水样进行富集净化处理是降低基质干扰,提高待测物浓度的一种有效方法。水体样品中OUVs的前处理方法主要包括基于固相填料和基于液相萃取剂的2类分析方法。

在基于固相填料的前处理方法中,萃取柱填料和洗脱剂对回收效率的影响至关重要。其中,固相萃取(SPE)根据相似相溶原理,常使用疏水性或亲脂亲水性填料,如十八烷基硅烷(C18)[23]、苯基[26]、聚苯乙烯-二乙烯基苯(HLB)[7]等;其洗脱剂通常选择弱极性的双组分溶剂,如甲醇和乙酸乙酯[23]、乙酸乙酯和二氯甲烷[8]、甲醇和二氯甲烷[27]等。EKPEGHERE[28]利用SPE富集废水和河水中的4-MBC、BP-3和ODPABA等6种OUVs,以C18作为柱填料,以二氯甲烷、乙酸乙酯以及体积比为1∶1的乙酸乙酯和二氯甲烷为洗脱剂,对分析物进行先后洗脱,回收率高达82%～118%。TANG等[29]选择HLB作为SPE柱填料,以体积比为9∶1的二氯甲烷和甲醇作为洗脱剂,对湖水和河水中的4-MBC、BP-3和UV-326等11种OUVs进行富集,回收率为85.6%～112%。除此之外,基于离子交换原理的离子交换型吸附剂也常用作SPE柱的填料,它适用于强极性化合物的富集与提取[6],对于极性差别较大的物质,回收率表现出较大差异。O′MALLEY等[30]利用SPE,以离子交换型吸附剂Polystyrene-Divinylbenzene Polymer Absorbent(PS-DVB)为填料,对水库水中的10种OUVs进行富集分析,BMDBM(pKa=9.74)的回收率低于60%,而PBSA(pKa=-0.87)的回收率高达120%。基于固相填料的前处理方法还包括在线固相萃取(On-line-SPE)、固相微萃取(SPME)和半透膜装置(SPMD)等不同形式。On-line-SPE是将SPE与分析检测仪器联用的一种方法,其优点是减少手动操作过程、提高单个样品的分析时间,缺点是不能高通量分析,一次只能处理一个样本,且柱填料的选择性差。MOLINS-DELGADO等[18]使用固相萃取与超高效液相色谱-串联质谱联用仪器(SPE-UPLC-MS/MS),对废水中的BP-3、EHMC和OC等9种OUVs同时进行富集、净化、检测,每个样品的运行时间可低至20 min,回收率为30%～102%。SPME是通过使用在基质表面涂抹吸附萃取功能的材料进行微萃取的一种方法,与SPE相比,其具有无须使用有机溶剂、操作简便、分析速度快等优点。VILA等[31]利用SPME对海水和游泳池水等28个样品中14种OUVs进行富集分析,通过优化纤维涂层材料、萃取方式和盐添加量等条件,回收率达到85.6%～106%。织物相吸附萃取技术(FPSE)作为SPME方法的另一种形式,是以柔性和渗透性的纤维材料为基体,以溶胶-凝胶或有机-无机材料等为化学涂层的一种新型提取技术,并同样能够在样品处理中取得较好的回收率[32]。SPMD集被动采样和富集于一体,它是在低密度聚乙烯等材料中嵌入非极性溶剂,当水中的非极性分子以被动扩散方式[33]进入后对分析物进行富集浓缩的一种方法。BALMER等[34]以体积比为95∶5的环戊烷和二氯甲烷作为SPMD溶剂,对BP-3、4-MBC、EHMC、OC进行富集分析,回收率为51%～110%。

液液萃取(LLE)是基于液相萃取剂对水体样品中分析物富集净化的一种经典方法,存在形式包括分散液液萃取(DLLME)和液相微萃取(LPME)等。其中,萃取溶剂对回收效率的影响至关重要。DLLME是利用萃取溶剂和目标化合物之间较大的接触面积,对分析物进行高效率富集的一种方法。KUNG等[35]利用DLLME,以正辛醇为萃取溶剂,对中国台湾垦丁国家公园珊瑚礁表层水的4种二苯甲酮类OUVs和4-MBC进行富集,回收率为88.6%～109.7%。而LPME是利用微升级的溶剂萃取目标化合物的一种方法,具有溶剂使用量少、环保、安全、样品制备简单等优点。KU等[36]利用LPME方法,以体积比为2∶8的1-辛醇和异辛烷为萃取溶剂,萃取海水中的BP-8、BP-3和4-MBC,回收率为67%～115%。和SPE相比,LLE具有无须特殊装置和材料、操作简单等优点,但其缺点是须消耗大量有机试剂,易造成二次污染,且难以实现样品的批量处理,详见表2[6-10,18,23,26-32,34-59]。

1.2 沉积物样品中OUVs的前处理方法

固体样品在富集净化之前需要进行萃取,目的是将待测物从固相转移至液相,常用的萃取方法包括SE、MAE、UE、ASE、QuEChERS和MSPD等,其中,SE、MAE、UE和ASE已应用于沉积物样品中OUVs的提取。SE和MAE是通过加热来提高目标化合物的萃取效率,而UE可在常温下操作,从而避免热不稳定性物质的分解[60],如二苯甲酮类物质BP-3,温度越高,转化为BP-1和BP-8的速率越高[61],MAO等[43]利用UE萃取沉积物中BP-3等7种OUVs,BP-3的回收率为98.8%。ASE是一种在高温高压下,利用有机溶剂萃取固体和半固体的自动化方法,其优点是有机溶剂用量少、过程快速、基质影响小、回收率高和重现性好。为了去除脂肪、脂肪酸、色素等干扰物质以净化样品,通常在ASE萃取池内加入吸附剂,如氧化铝[62]、硅藻土[63]、乙二胺-N-丙基硅烷硅胶(PSA)[8]等。MOLINS-DELGADO等[18]利用ASE萃取净化河流沉积物中的BP-3、4-MBC和OC等8种OUVs,以氧化铝作为池内净化剂,甲醇和体积比为1∶1的甲醇、水作为萃取溶剂,回收率为70%～102%(BP-1除外,它的回收率仅为30%)。在经SE、MAE、UE、ASE萃取后,如若样品基质仍然很严重,可通过SPE、凝胶渗透色谱法(GPC)等进一步净化。如PENG等[19]结合SPE(以甲醇作为萃取溶剂)和UE对河口沉积物中的BP-3、UV-P和OC等13种OUVs进行提取,回收率为55.1%～117.6%。LANGFORD等[8]结合GPC和ASE对污泥和沉积物中的BP-3、UV-234和OC等8种OUVs进行萃取与净化,回收率为72%～114%,详见表3[8,11,13-14,16,18-19,29,42-43,57,62-67]。

1.3 生物样品中OUVs的前处理方法

生物样品富含蛋白质、脂质、脂肪酸、色素等生物分子,不仅严重干扰OUVs在仪器上的信号响应,而且会堵塞色谱柱,缩短色谱柱寿命,因此样品需要更为严格的前处理操作。目前,UE、MAE、ASE、QuEChERS和MSPD等萃取方法通常搭配SPE、GPC、硅胶柱、制备色谱等净化方法,已应用于生物样品中OUVs的提取(表4)[7-8,20-22,24-25,34,57,68-69,71-80]。ALONSO等[68]结合UE和SPE对海豚肌肉组织中的4-MBC、EHMC、ODPABA和OC进行提取,回收率为60%～115%。BALMER等[34]结合ASE、GPC和硅胶柱对鱼组织中的EHMC、4-MBC、OC和BP-3进行提取净化,回收率高达93%～115%。QuEChERS和MSPD都是基于吸附剂与杂质的相互作用达到净化的目的,但两者的操作方式有所差异,前者是将样品、萃取溶液和吸附剂直接在试管中混合,萃取后离心获得萃取液;而后者是将半干状态的分散剂或吸附剂与样品的混合物作为填料一起装入层析柱,然后用不同的溶剂淋洗柱子,将各种待测物洗脱下来。QuEChERS和MSPD常用的吸附剂有PSA、C18、硫酸镁(MgSO4)、硫酸钠(Na2SO4)、硅胶等。如HUANG等[69]利用QuEChERS,以MgSO4、氯化钠(NaCl)为吸附剂,乙腈为萃取溶剂,对鱼中10种苯甲类OUVs进行萃取,回收率为75%～96%。VIDAL-LINAN等[80]利用MSPD提取海洋贻贝中的4-MBC、OC和BP-4,选择乙腈作为洗脱溶剂,回收率高达90%～110%。

2 OUVs仪器分析方法

质谱检测器具有灵敏度高、特异性强等优点,近年来成为OUVs测定的主流仪器,其搭配气相色谱或液相色谱,可以实现样品中多种OUVs的同时测定。目标化合物经色谱柱分离后先后进入质谱离子源发生离子化,单质谱是基于母离子的信号强度进行定量,而串联质谱是选定特定质荷比(m/z)的母离子,通过施加能量将其碎裂成具有特定结构信息的产物离子,然后根据产物离子的信号强度进行定量的一种方法。化合物的定性在单质谱分析中是基于母离子的m/z以及在色谱中的保留时间,而其在串联质谱分析中是基于产物离子的结构信息及其保留时间,后者不仅可以避免液相色谱分析方法中待测物的假阳性问题,而且对目标化合物的色谱峰分离度要求可适当降低。

基于相关文献[6-32,34-62,64-79],笔者对OUVs的不同测定方法的检测限及其发展趋势进行汇总分析。在气相色谱-单质谱(GC-MS)、气相色谱-串联质谱(GC-MS/MS)、液相色谱-单质谱(LC-MS)、液相色谱-串联质谱(LC-MS/MS)4种分析方法中,对OUVs分析的检测限分别为0.5×102～1.25×105、0.24×102～1.92×104、5.4×102～5×104、0.4×100～3.96×104ng/L,这在一定程度上解释了分析方法发展的趋势。OUVs检测方法的发展趋势如图2(a)所示,在2005—2010年,OUVs的测定以GC-MS为主;2011—2015年,LC-MS/MS和GC-MS两者在数量上相当;2016年之后,LC-MS/MS占绝对优势。即OUVs的测定从传统的气质联用逐渐转向液质联用,从单四极杆检测逐渐转向三重四极杆检测。这种转变可能是由于气质联用中使用广泛的电子轰击离子源(EI)是一种“硬”离子源[81],易于将化合物打碎,降低母离子的信号强度;而液质联用使用最广泛的电喷雾离子源(ESI)是一种“软”离子源[82],离子化时能够保留化合物的完整分子信息,搭配串联质谱分析可以进一步提高其定性和定量能力[83]。笔者选择检测率较高的4种OUVs(BP-3、4-MBC、EHMC、ODPABA)[6-31,34-62,64-72,74-79],考察液质联用和气质联用对其定量分析的检测效果。如图2(b)所示,2种仪器的检测限均在ng/L量级,BP-3和4-MBC在液质联用的检测限均显著低于气质联用;而EHMC和ODPABA在液质联用和气质联用的检测限无显著性差异。

图2 OUVs仪器分析方法Fig.2 The instrumental analytical method for OUVs determination

质谱分析中,离子源对化合物的离子化效率至关重要。在液质联用中,ESI源适合极性化合物的电离,而大气压化学电离源(APCI)适合非极性化合物的电离,大气压光致电离源(APPI)对以上2种离子源未覆盖的化合物进行补充[84]。在气质联用中,EI源由于具有较强的定性能力,使用频率高于化学电离源(CI)。笔者对比了不同离子源对苯并三唑类OUVs的检测效果,见图3。由于苯并三唑类OUVs的分子结构中含有多个苯环及叔丁基结构,极性较弱,APCI源和APPI源对其分析的检测限显著低于ESI源。

图3 液质联用中ESI、APCI、APPI离子源在苯并三唑类OUVs检测中的LOD比较Fig.3 LOD comparison of ESI,APCI and APPI sources for benzotriazole-type OUVs determinations by LC-MS/MS

3 结论与展望

OUVs因具有高稳定性和难降解的特点被广泛应用于生活和工业产品中,并在多种环境介质中被检出,对生态环境及人类健康产生威胁。建立快速、高效、高灵敏度的OUVs监测分析方法(包括样品前处理和分析检测2个部分)对环境治理与保护具有重要意义。对于样品前处理方法的选择应依据样品形态而定,水体样品主要采用基于固相填料的SPE、On-line-SPE、SPME、FPSE、SPMD等方法及基于液相萃取剂的LLE、DLLME、LPME等方法;而固体样品(沉积物和生物)主要是采用SE、MAE、UE、ASE、QuEChERS、MSPD等萃取方法搭配SPE、GPC、硅胶柱或制备色谱等净化方法。富集填料和萃取溶剂对OUVs提取效率至关重要,应根据环境样品基质类型和目标OUVs的种类合理选择。鉴于目前OUVs的前处理方法仍存在诸多不足,如处理过程耗时较长、有机试剂消耗量大(主要是针对液液萃取)、多种OUVs同时提取时回收效率参差不齐等,未来应致力于开发高效、环保、原位在线的OUVs前处理方法。气质联用和液质联用是OUVs检测的主要仪器,其检测限为ng/L～μg/L量级,而水体、沉积物和生物样品中的OUVs浓度分别为ng/L、ng/g、ng/g量级,因此样品通过富集净化,质谱技术能够满足实际样品的分析检测。在质谱分析中,离子源对OUVs的离子化效率至关重要,应依据目标OUVs的物理化学性质(沸点、分子量大小、极性)等因素而选择。鉴于质谱仪器具有成本高、体积大、难以原位测定等缺点,未来应致力于开发低成本、小体积、原位快速的OUVs检测分析方法。