同位素稀释-高分辨气相色谱／高分辨质谱法测定大气中多溴联苯醚和多溴联苯153

郑晓燕， 于建钊， 许秀艳， 于海斌， 陈 烨， 谭 丽， 吕怡兵

（中国环境监测总站，北京100012）

多溴联苯醚（PBDEs， polybrominated diphenyl ethers）和多溴联苯（PBBs，polybrominated biphenyls）属于溴代阻燃剂（BFRs，brominated flame retardants）。由于其优良的阻燃效率、热稳定性而被广泛应用于建材、纺织、化工等行业，特别是电子电器如电视、电脑等塑料高聚物当中［1-3］。作为添加型阻燃剂，由于没有化学键的束缚，PBDEs和PBBs 易于从产品中特别是在电子废品堆放及回收利用过程中向环境中释放［1，4］。由于它们具有高亲脂性、难降解性、生物蓄积性和长距离传输性，2009 年，商用五溴联苯醚、商用八溴联苯醚和多溴联苯153（BB153）被正式列入《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》的受控名单。

国际上针对PBDEs 和PBBs 还没有权威的分析方法标准。美国国家环保署EPA1614 方法——《高分辨气相色谱／高分辨质谱测定水、土壤、沉积物和生物组织中的溴代联苯醚》［5］推荐用高分辨气相色谱／质谱法分析PBDEs，但还处于评估阶段。目前我国尚无相关的国家或行业标准方法。已经有一些学者对环境介质中的PBDEs 和PBBs 的分析方法展开了科学研究，检测方法主要有气相色谱-负离子化学源质谱法［4，6-8］、高分辨气相色谱／高分辨质谱（HRGC／HRMS）［9，10］和气相色谱-电子轰击离子源质谱法［11］，然而还不够全面系统。因此，本研究针对这一薄弱环节，从适应实际环境监测角度出发，选择27 个具有代表性的一溴至十溴代联苯醚同类物和BB153，采用定量更为准确的同位素稀释-高分辨气相色谱／高分辨质谱方法，根据《环境监测分析方法标准制修订技术导则》（HJ 168-2010）［12］，从大气采样、提取、净化、仪器参数选择等各个环节，进行全流程的分析方法开发；为我国大气中的PBDEs和BB153 检测标准的制订奠定实验基础，为环境监测系统进行大气环境监测提供技术支持，更好地为相关环境管理部门及为履约服务。

1 实验部分

1.1 仪器、试剂与材料

大气主动采样器（Echo Hivol，TCR TECORA公司，意大利）；快速溶剂提取仪（ASE350，Thermo公司，美国）；气相色谱仪（Agilent 7890N，安捷伦公司，美国）；高分辨质谱仪（AutoSpec Premier，Waters公司，美国），配有Masslynx4.1 软件，可根据谱图直接计算每个样品的方法检出限；真空干燥器（VC50，SalvisLab 公司，瑞士），实验所用玻璃器皿使用前均用农残级丙酮和正己烷各洗3 次，用完之后用有机溶剂涮洗，再用碱性洗涤液超声清洗或洗瓶机清洗，空白检测无残留。

丙酮、二氯甲烷、正己烷均为农残级，购自美国J T Baker 公司。壬烷为色谱纯（德国百灵威公司）。超纯水由Millipore 纯水机制得。浓硫酸为优级纯（北京化工厂）。氢氧化钠、无水硫酸钠为优级纯（天津市津科精细化工研究所）。无水硫酸钠使用前在450 ℃下烘4 h。硅胶（德国Merck 公司），粒径为0.063～0.100 mm，适用于填充色谱柱层析法，550 ℃下活化12 h，180 ℃下平衡1 h，干燥器中冷却至室温。

所用的标准溶液试剂均购自加拿大Wellington公司，主要有PBDEs 同位素稀释校准曲线溶液（BDE-CVS-E），以及与之相配套的天然内标（BDEMXE）、13C同位素添加内标（MBDE-MXE）和13C同位素上机内标（BDE-CVS-EISS）。BB153 同位素稀释校准曲线溶液为自行配制，浓度梯度参照Wellington 公司BFR-CVS 校准曲线标准溶液，结合BDE-CVS-E，确定13C-BDE138 为上机标准物质。配制母液为BB-153（（50±2.5）mg／L）、MBB-153（即13C-BB153，（50±2.5）mg／L）、MBDE-138（即13C-BDE138，（50±2.5）mg／L），配制表1 所列的浓度溶液，所用稀释溶液为壬烷。

表1 BB153 同位素稀释校准溶液质量浓度Table 1 Mass concentrations of BB153 in isotope dilution calibration standards

酸性硅胶的配制：称取100 g 活化硅胶置于烧瓶中，用滴管逐滴加入浓硫酸并不断摇动硅胶至44 g 浓硫酸全部加入，将烧瓶加塞后振荡至硅胶呈均匀流动状态，加塞密闭，保存于干燥器中备用［5］。

1.2%碱性硅胶的配制：称取100 g 活化硅胶置于烧瓶中，用滴管逐滴加入1 mol／L 氢氧化钠溶液并不断摇动硅胶至30 g 氢氧化钠溶液全部加入，将烧瓶加塞后振荡至硅胶呈均匀流动状态，保存于干燥器中备用［5］。

吸附材料：聚氨基甲酸乙酯泡沫（polyurethane foam，PUF）（TE-1011， Tisch Environmental，Inc.，美国），长55 mm，直径60 mm。使用前，用沸水清洗PUF，再将其放入蒸馏水中反复搓洗干净。控干水后，用丙酮预清洗去除残留的水。接下来用丙酮快速溶剂萃取清洗，清洗条件如下：100 ℃下平衡时间为5 min，共循环3 次，再用60%溶剂吹扫，压力10.3 MPa （1 500 psi）。然后用真空干燥器干燥后装入采样玻璃筒中，铝箔包裹，密封避光保存。石英纤维滤膜（Munktell，Munktell Filter AB，瑞典），直径102 mm，使用前放入马弗炉中，于450 ℃下加热4 h。处理后的滤膜密封保存，并注意不能有折痕。

1.2 实验步骤

1.2.1 大气样品的采集与保存

样品采集按照《环境空气和废气二噁英的测定同位素稀释-高分辨气相色谱／高分辨质谱法》（HJ 77.2-2008）［13］关于样品采集的方案进行。大气采样器放置于一建筑物9 楼楼顶，采集环境空气样品。

利用石英纤维滤膜采集颗粒物，两个串联的PUF 采集气态样品，采样流速设置为220 L／min，连续采集23 h，实际采样体积不小于300 m3。在采样同时设置场地空白，放置方式与文献［14］相同。样品采集完成后，用干净的铝箔包裹，密封，放置于-18℃下保存，直至分析。

1.2.2 样品的提取和净化

PBDE：样品提取前向PUF 上加入10 μL MBDE-MXE，将PUF 和石英纤维滤膜合并，用1 ∶1（v／v）二氯甲烷／正己烷溶液加速溶剂提取，提取条件与清洗PUF 条件一致。

将提取液旋转蒸发至1 ～2 mL，上复合硅胶柱。复合硅胶柱内径15 mm，填料自下而上分别为：1 g活化硅胶、4 g 碱性硅胶、1 g 活化硅胶、8 g 酸性硅胶、2 g 活化硅胶、1 cm 的无水硫酸钠。用70 mL 正己烷预淋洗柱。样品完全转移后，用100 mL 正己烷洗脱。洗脱液旋转蒸发浓缩到1 ～2 mL，之后氮吹浓缩，溶液转换成壬烷相，定容至20 μL，加入1 ng BDE-CVS-EISS 进样内标，等待分析。

BB153：样品提取前往PUF 上加入10 μL 100 ng／mL13C-BB153（即MBB153），与石英纤维滤膜合并用正己烷溶液提取。提取液上复合硅胶柱，70 mL 正己烷洗脱，前20 mL 弃去，接收后50 mL。其余操作步骤与PBDE 一致。

1.3 色谱／质谱条件

质谱条件：双聚焦磁质谱，动态分辨率大于10 000（10%峰谷定义）并至少可稳定24 h 以上；离子源温度：280 ℃；电子能量：35 eV；捕集电流：650 μA；加速电压：7 950 V；光电倍增管电压：350 V。每个化合物选择两个特征碎片离子（m／z）定性，丰度比应在理论范围内；定量参考物及保留时间参考物见表2。

2 结果与讨论

2.1 色谱／质谱条件的选择和优化

对于一至七溴联苯醚和BB153，我们考察了它们在DB-5MS 柱及DB-5HT 柱（均为30 m×0.25 mm×0.10 μm）上的出峰情况。从整体出峰情况看，化合物在两种色谱柱上均能很好的分离，然而PBDEs 在DB-5MS 上的信噪比比DB-5HT 的高4 ～20 倍，因此采用DB-5MS 柱作为气相色谱分离柱。

对于八至十溴代联苯醚，考虑到高溴代联苯醚容易降解，直接选用了分离性能好、对溴代联苯醚降解性低的DB-5HT 色谱柱（15 m×0.25 mm×0.10 μm），升温程序应控制在20 min 以内，以确保分析物良好的信噪比［16］。

根据程序升温条件，对各溴代水平多溴联苯醚和六溴联苯在高分辨质谱上进行了时间窗口划分及特征碎片离子的选择。从五溴代开始，碎片类型在参考EPA1614 基础上，选择脱掉两个溴离子的碎片离子。主要原因一是针对高溴代联苯醚，脱掉两个溴离子的碎片离子丰度通常是最强的［16］，且降低了分析物的质荷比；二是适合全氟代煤油（PFK）离子的锁定。因为在每个时间窗口内，需要PFK 的碎片离子对质量轴进行锁定，才能准确分析该时间窗口内的分析物。选择的PFK 碎片离子应接近或在该时间窗口设定的分析物的m／z 范围内。若选择的分析物m／z 较高，选择的PFK 碎片离子的m／z也相应增大，而PFK 碎片离子的m／z 超过600 之后，强度降低，不利于质量轴的锁定，从而导致无法检测分析物。

表2 PBDEs 及BB153 的定量参考物及保留时间参考物Table 2 Quantitative references and retention time references of PBDEs and BB153

2.2 条件实验

2.2.1 复合硅胶柱流出曲线的确认

由于同位素标记的化合物的物化性质与其天然化合物相同，因此在流出曲线确认时，直接使用13C标记化合物。

2.2.1.1 PBDE

参照EPA1614 方法，采用复合硅胶纯化柱净化样品。70 mL 正己烷预淋洗之后，取10 μL MBDEMXE 上柱，加120 mL 正己烷淋洗，每20 mL 为1 个馏分，共6 个馏分。发现每个馏分中都能测出目标物。其中，六溴联苯醚（153L、154L）回收率相对较高，达到53%；BDE3 回收率最低。其中化合物大部分集中在馏分2 和3 中，而馏分6 中化合物回收率基本在0%～0.3%左右。

在此基础上，继续尝试用120 mL 2%（体积分数，下同）二氯甲烷／正己烷溶液淋洗，其余步骤相同。在此条件下，2%二氯甲烷／正己烷淋洗液的总体回收率不如正己烷淋洗液，且分析物主要集中在馏分2 和3 中，其余馏分未检出。

在以上基础上，取10 μL MBDE-MXE，分别用100 mL 正己烷和2% 二氯甲烷／正己烷溶液淋洗。结果显示两种淋洗液得到的回收率相差不大（见表3）。考虑到正己烷对人体毒性较小，同时在第80mL 后基本无目标物洗脱，因此最终采用100 mL 正己烷作为淋洗液洗脱多溴联苯醚。

表3 100 mL 正己烷和2%二氯甲烷／正己烷淋洗MBDE-MXE 的回收率Table 3 MBDE-MXE recoveries in the elution of 100 mL hexane and hexane-dichloromethane（98 ∶2，v／v）

在确定淋洗溶液和体积后，仍取上述含量的MBDE-MXE 过复合硅胶柱，70 mL 正己烷预淋洗，100 mL 正己烷淋洗，重复做3 个样品，得到如表4所示的回收率。除了BDE3L 回收率偏低之外，其余均在40%～120%范围内，达到EPA1614 方法30%～140%的要求。

表4 100 mL 正己烷淋洗MBDE-MXE 的回收率Table 4 Recoveries of MBDE-MXE eluted by 100 mL hexane

2.2.1.2 BB153

将含有1 ng MBB153 的正己烷溶液完全转移到复合硅胶柱上。按表5 所列4 种流出曲线馏分体积依次进行考察。将各馏分洗脱液浓缩至20 μL，加入1 ng MBDE138 进样内标后分析。最终确定采用70 mL 正己烷洗脱，前20 mL 弃去，后50 mL 接收。在此基础上，将流出曲线重复3 次，所得MBB153 回收率为（98.8±15.8）%。

2.2.2 萃取溶剂的选择

PBDE：在清洗过的PUF 内加入10 μL MBDEMXE，平衡过夜。实验发现PUF 在150 ℃下快速溶剂萃取时会焦化，因此PUF 提取时直接在100 ℃下进行快速溶剂提取，萃取条件与清洗PUF 条件一致［17］。选择正己烷、甲苯、二氯甲烷、丙酮、正己烷／二氯甲烷（1 ∶1，v／v）、正己烷／二氯甲烷（1 ∶2，v／v）、丙酮＋正己烷／二氯甲烷（1 ∶1，v／v），分别考察MBDE-MXE 的提取效率。结果发现，二溴联苯醚至八溴联苯醚的回收率较高，在30%～140% 之间；而一溴联苯醚回收率与流出曲线考察结果一致，仍然较低，因此我们推断一溴联苯醚回收率偏低与其化合物性质（如极性、与吸附材料的空间作用力等）有关。从溶剂角度看，甲苯的回收率偏低一些；而其余溶剂回收率类似。值得指出的是，丙酮与二氯甲烷／正己烷（1 ∶1，v／v）共同提取的回收率与单独用丙酮提取类似，说明即使溶剂种类增加，也不会提高多溴联苯醚的回收率。考虑到丙酮提取样品中的色素含量较高，会给后续的样品净化带来干扰［16］，而此次分析的主要目标化合物涵盖三溴至十溴联苯醚，分析物极性略有不同，因此最终决定采用正己烷／二氯甲烷（1 ∶1，v／v）作为提取溶剂。

BB153：在清洗过的 PUF 内加入 1 ng MBB153，平衡过夜。用正己烷快速溶剂提取3 次，提取条件同上，MBB153 的回收率为（109.0 ±16.7）%。因此确定正己烷为BB153 提取溶剂。

2.3 方法性能

在上述色谱／质谱条件下，分析PBDEs 和BB153 标准溶液，每个质量浓度重复测3 次，得到待测化合物相对提取内标的平均相对响应因子，其RSD≤20%。用获得的相对响应因子对样品进行定量。同时在干净的PUF 和滤膜里加入低、高浓度的PBDEs 和BB153（校准曲线最高浓度的10% 和90%，以最后浓缩到20 μL 体积计算），同时加入与条件实验一样量的13C提取内标，按照优化的条件考察前处理方法的性能，每个浓度重复测定7 次。从表6 可见，分析物平均加标回收率较高，分别为100%和104%，平均RSD 分别为5%和6%。尽管13C标记的一溴代联苯醚提取内标回收率较低，但用其对相应的天然化合物定量得到的回收率较高，说明同位素稀释法比一般的内标法能更准确地定量。

2.4 实际样品的分析

用大气主动采样器采集4 个大气样品，2 个用于PBDEs 分析，2 个用于BB153 分析。如图1 所示，应用以上建立的分析方法对实际样品进行分析，分离结果良好。

表5 正己烷馏分体积及MBB153 回收率Table 5 Fraction volumes （F. V.）of hexane and MBB153 recoveries

图1 实际样品中分析物的色谱图Fig.1 Chromatograms of target compounds in an ambient air sample

如表7 所示，本方法检测的分析物单体的检出限均低于2×10-4ng／Nm3，其中提取内标回收率在56%～126%之间（一溴代联苯醚除外）。北京市大气中∑PBDEs 浓度为4.4×10-2ng／Nm3和8.0×10-2ng／Nm3。BDE209 为主要单体，占含量的一半。中国是十溴联苯醚生产和使用大国，这是大气中BDE209 为主要成分的原因。BB153 含量极低，分别为5.3×10-6ng／Nm3和15×10-6ng／Nm3，远低于我国台湾一垃圾焚烧厂周边大气的含量（341×10-6ng／Nm3）［18］，这应该与我国大陆未使用BB153有关。

表6 PBDEs 和BB153 的加标回收率和RSD（n＝7）Table 6 Recoveries and RSDs of PBDEs and BB153 （n＝7）

2.5 质量保证和质量控制

2.5.1 空白实验

实际样品分析过程中同时分析了溶剂空白和全程序空白。溶剂空白未有分析物检出；而全程序空白中BB153 未检出，八溴代至十溴代联苯醚含量相对较高，但未及实际样品的5%。在HJ 77.2-2008［13］中规定，程序空白应低于实际样品的10%，因此本方法空白符合要求。

同时需要指出的是，PBDEs 在PUF 中的空白较高，必须清洗干净。清洗时先用沸水清洗，再用蒸馏水清洗。建议在烘箱中低温（40 ～50 ℃）鼓风烘干PUF，随即用丙酮索氏提取或快速溶剂提取，提取完毕后放入真空干燥箱中真空干燥。在PUF 用溶剂清洗后，注意避免在空气中暴露干燥，否则PUF 容易吸附空气中的有机物变黄而影响采样。

2.5.2 仪器检测

仪器测试高溴代联苯醚一段时间后，回收率明显下降。在更换衬管、切割毛细柱头后，回收率显著增加，BDE209 更为突出，说明高溴代联苯醚容易在进样口端吸附［16］。

2.5.3 样品采集

获得代表性的样品是得到可靠数据的前提和保证。由于PBDEs 和BB153 在大气中的浓度不一致，如果使用的吸附介质吸附容量不够，有可能产生穿透现象，导致在采样期间不能全部采集所要分析的目标物，使数据不准确。为保证采样效率，有必要在设定流量、设定时间内进行穿透试验。

在玻璃提取筒中放置两块清洗干净的TE-1011 PUF，上面一块标记为A，下面一块标记为B，采集23 h，考察分析物的穿透性。2014 年7 月下旬于一建筑物9 层楼顶采样。共采集8 个样品，其中4 个用于分析PBDEs，4 个用于BB153。样品采集完毕后，用上述建立的方法，PUF A 和采集颗粒物的滤膜为一个样品，PUF B 为一个样品，分别分析。

穿透试验结果表明，PUF B 中所含的分析物占整个PUF 采集的比例平均小于15%，小于理论值的20%。由此可以看出，在我们设定的采样条件下，串联2 个5.5 cm PUF 在采集大气中PBDEs 和BB153 时不会发生穿透现象。在实际采样中，为保证数据的可靠性，都使用2 个PUF 采集样品。此外，若需长期采集PBDEs 和BB153，需定期考察穿透情况，以保证获得可靠样品。

表7 实际大气样品中PBDEs 和BB153 的含量Table 7 Concentrations of PBDEs and BB153 in the ambient air samples

3 结论

本文以中流量大气采样器为基础，系统地建立了大气中PBDEs 和BB153 同位素稀释-高分辨气相色谱／高分辨质谱的分析方法。本方法回收率较高，检出限较低，且定量准确，适用于大气样品中二溴代至十溴代联苯醚和BB153 的分析。而一溴代联苯由于物化性质与其他化合物不同，要得到较好的回收率，需对它另外开发分析方法。

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