气相色谱火焰光度法测定水体中9种有机磷酸酯阻燃剂

潘　萌，宋淑玲，王　媛，郭晓辰，饶　竹

(国家地质实验测试中心，北京　100037)



气相色谱火焰光度法测定水体中9种有机磷酸酯阻燃剂

潘萌，宋淑玲，王媛，郭晓辰，饶竹*

(国家地质实验测试中心，北京100037)

有机磷酸酯阻燃剂(Organophosphate flame retardants,OPFRs)是一类以磷酸基团的氢被取代而形成的磷酸三酯为主的化合物，作为阻燃剂和增塑剂被广泛应用于建材、纺织、塑料等领域，近年使用量逐年增加[1]。OPFRs以添加的形式与材料混合，易从材料中逸出并进入不同的环境介质，最终蓄积在人体。文献研究表明OPFRs具有神经毒性、生殖毒性、致癌作用等[2-5]。目前在水体[6-14]、底泥[7,15-16]、室内灰尘[17]、生物样品[18-19]等环境介质中不断被检出，已成为一种普遍存在的新型有机污染物。由于大部分OPFRs的辛醇水分配系数对数值(lgKow)小于5.11，表现出一定的亲水性(见表1中lgKow)；同时有文献报道[13]氯代OPFRs具有难降解性，易在水体中赋存。鉴于OPFRs的以上特点，水体成为一类重要的蓄存介质和迁移途径，因此研究并建立水体中OPFRs的快速、灵敏和准确分析方法具有十分重要的意义。

表1　9种常见有机磷酸酯类阻燃剂的理化参数

目前对水体中OPFRs的前处理方法主要有液液萃取法(LLE)[7,20]、固相萃取法(SPE)[6,12-13,21-23]、固相微萃取法(SPME)[9]以及液相微萃取法(LPME)[8,10-11]等；仪器方法主要有气相色谱法(GC)[9-10,24]、气相色谱-质谱法(GC-MS)[11,14,20,25]、液相色谱-串联质谱法(LC-MS/MS)[6-8,13,22-23]等。这些分析方法主要存在以下问题：①同一提取方法中极性差异较大组分的回收率难以同时兼顾，如SPE法对弱极性组分TEHP的回收率低于40.0%[6,12,23]；LPME法对中等极性组分TCEP和弱极性组分TEHP的回收率分别为25%和24%[11]。②部分方法的目标组分种类有限，未能覆盖极性较强与较弱组分[6,9,14,21]。③气相色谱氮磷检测器(NPD)方法的稳定性较差[26]；LC-MS/MS法仪器设备成本较高；GC-MS法易受到m/z99的背景干扰[26]。而LLE具有方法稳定、操作简单的优点，能够兼顾不同污染浓度的样品，FPD是针对含硫磷化合物的专用检测器，具有高灵敏度和高选择性。因此本文采用LLE/GC-FPD研究建立了水体中9种OPFRs(见表1)的分析方法。

1实验部分

1.1仪器、材料与试剂

Agilent 7890B气相色谱仪(美国Agilent公司)，配火焰光度检测器；色谱柱：DB-5MS(30 m×0.25 mm，0.25 μm，美国Agilent公司)；Rtx-OPPesticides2(30 m×0.32 mm，0.32 μm，美国Restek公司)；Oasis HLB固相萃取柱(美国Waters公司，6 mL，200 mg)。

9种OPFRs标准品：TEP，TBP，TCEP，TDCPP，TPhP(纯度均大于97%，美国Accustandard公司)；TPrP(纯度大于99%，荷兰CHIRON AS公司)；TCPP，TEHP，TOCP(纯度均大于95%，德国Dr.Ehrenstorfer公司)。回收率指示物氘代磷酸三丁酯(D27-TBP，纯度大于98%，加拿大剑桥同位素实验室)。

所用有机试剂均为色谱纯：正己烷、乙酸乙酯(北京百灵威公司)；二氯甲烷(韩国Duskan公司)；三氯甲烷(美国J.T.Baker公司)；乙腈(美国Fisher公司)。空白水(HPLC/LC-MS级，德国CNW公司)；NaCl、无水Na2SO4(分析纯，国药集团化学试剂有限公司)：700 ℃灼烧处理10 h。

OPFRs单标储备液(10 μg/mL)均用乙腈配制，9种OPFRs混标储备液(1 μg/mL)用乙腈稀释单标储备液配制，所有储备液均置于4 ℃密封冷藏，备用。

1.2实验方法

1.2.1GC-FPD测定条件进样口温度250 ℃，脉冲不分流进样(脉冲压力110.3 kPa)；进样量1.0 μL；恒流模式，流速为1.5 mL/min；色谱柱：RTX-OPPesticides 2(30 m×0.32 mm，0.32 μm，Restek)；升温程序：60 ℃保持1 min，以30 ℃/min升温至252 ℃保持1 min，以1 ℃/min升温至255 ℃，然后以30 ℃/min升温至310 ℃保持4 min；检测器温度300 ℃，空气流量100 mL/min，氢气流量75 mL/min；载气N2。

1.2.2样品制备方法液液萃取：向1 L分液漏斗中依次加入20 g NaCl和1 000 mL待分析水样，振荡使NaCl完全溶解。随后加入50 μL 1 μg/mL的替代物溶液摇匀，并分别采用50 mL+25 mL+25 mL二氯甲烷分3次进行液液萃取，合并3次有机相萃取液。将萃取液用无水Na2SO4干燥后旋蒸，氮吹浓缩定容至1.0 mL，待GC-FPD分析测定。

2结果与讨论

2.1气相色谱条件的优化

色谱柱是决定色谱分离效果的关键因素。实验对比研究了DB-5MS和Rtx-OPPesticides 2两种不同填料色谱柱对9种OPFRs的分离效果。结果显示，DB-5MS色谱柱对中等极性组分TEP，TPrP和TCEP等呈现明显的拖尾现象且峰形较差，通过对初始温度、进样口温度、升温程序等色谱参数进行优化后仍无明显改善；使用Rtx-OPPesticides 2色谱柱，在优化的分析条件下，各组分的峰形对称，分离度好，响应值高，中等极性组分的拖尾现象得到明显改善，并能在15 min内完成9种OPFRs的良好分离。分析认为这是由于DB-5MS色谱柱为弱极性色谱柱，TEP，TPrP和TCEP等组分的极性较强，按照“相似相溶”原理，DB-5MS对极性较强化合物的分离能力较差；而Rtx-OPPesticides 2是有机磷农药的专用分析柱，对含磷化合物有较好的色谱分离能力。因此实验最终选择Rtx-OPPesticides 2作为最佳分析柱。

2.2液液萃取条件的优化

本研究中9种目标组分的理化性质差异较大，为使各目标组分均有满意的回收率，分别考察了正己烷、二氯甲烷、三氯甲烷和乙酸乙酯4种不同极性溶剂对各组分萃取率的影响。实验发现乙酸乙酯的水溶性较大，不能与水相分层，无法提取。而其他3种萃取溶剂对弱极性组分TCPP，TDCPP，TPhP，TEHP，TOCP的回收率较好，均大于80%。对于中等极性组分的回收率存在差异，其中正己烷对中等极性组分的萃取效率偏低，且重复性差，如TEP，TCEP的回收率分别为2.17%和5.06%，相对标准偏差(RSD)分别为99.4%和20.4%。三氯甲烷对TEP的萃取效率也不理想且重复性差，回收率为26.9%，RSD为54.0%。二氯甲烷对中等极性组分(如TEP，TPrP，TCEP等)和弱极性组分(如TEHP，TOCP等)均表现出良好的萃取效率和重复性，加标回收率为75.0%～105%，RSD为6.5%～22.4%。分析认为正己烷是一种弱极性的有机试剂，而TEP和TCEP具有较强的水溶性(lgKow分别为0.80，1.44)，根据“相似相溶”原理可以解释其回收率低的原因。TEP不仅极性强而且具有一定的脂溶性，氯仿的极性大于二氯甲烷，亲脂能力相对较弱，不利于TEP从水相转移至氯仿相。因此实验最终选择二氯甲烷作为萃取溶剂。

2.3萃取方法的选择

SPE具有快速、低污染的特点，是目前使用较多的分析方法。实验对比了文献[22]中SPE方法与本实验中LLE方法对9种OPFRs的萃取效果，实验结果见表2，同时表2中还列出了不同SPE方法对目标组分的回收率。SPE方法对各目标组分的加标回收率为66.9%～115%，但TEHP的回收率仅为34.7%，与文献结果一致，而LLE方法的回收率结果为75.9%～111%，对目标组分具有良好的萃取效果。SPE方法对TEHP回收率低的原因可能是由于TEHP的疏水性强，易吸附在玻璃器皿或与溶解的有机质结合，使得洗脱不完全[26]，也有报道认为柱填料的保留能力不够会引起TEHP的回收率偏低[12]。因此本实验采用LLE萃取的方法可实现对目标组分的萃取。

表2　本方法与SPE方法对比

2.4线性范围与检出限

分别配制质量浓度为1.0，5.0，10，50，100，300，500 ng/mL的9种OPFRs标准溶液，在优化的仪器条件下测定，采用外标法定量。结果显示，各目标组分在1.0～500 μg/L范围内线性关系良好(r2≥0.998)。

添加5 ng的9种OPFRs标准溶液于1.0 L水样中，平行处理7份，计算7次测定值的标准偏差(s)和方法的检出限(MDL)：MDL=s×t(n-1,0.99)/Kf,式中：n为重复测定的加标样品数；s为n次加标测定浓度的标准偏差；t(n-1,0.99)是置信度为99%、自由度为n-1时的双边分布t值(可查表得到)；Kf为样品的富集倍数。本实验中t(6,0.99)=3.413；Kf为1 000。计算得各组分的方法检出限(MDL)为1.0～2.0 ng/L，灵敏度高于文献报道值2.6～13 ng/L[7]，具体结果见表3。

2.5加标回收率与精密度

分别配制5,100，300 ng/L 3个浓度水平的空白加标样品，每个水平平行测试7次，各目标组分的平均加标回收率和RSD见表3。结果显示，9种OPFRs的回收率为75.9%～111%，RSD均不大于15%。这一结果优于文献结果，如Martínez-Carballo等[7]采用LLE方法测得空白样品在加标浓度为200 ng/L时的加标回收率为60%～100%，其中TEP为(63±3.9)%；而Andresen等[20]获得的TCEP回收率仅为31%。结果显示，本方法在低浓度水平下仍具有良好的准确度和精密度，能够实现对污染程度低的清洁水样中目标组分的测定，适用范围更广。

表3　空白样品中9种OPFRs的加标回收率、相对标准偏差及方法检出限(n=7)

2.6实际样品的测定

图1　100 ng/mL标准品(A)与实际样品(B)的对照色谱图Fig.1　Chromatograms of OPFRs(100 ng/mL) standard solution (A) and a real surface water sample(B)1.TEP,2.TPrP,3.TBP,4.TCEP,5.TCPP,6.TDCPP,7.TEHP,8.TPhP,9.TOCP

利用本方法测定了江苏省某地的6个湖泊地表水样品，采用实验室空白、空白加标和平行样进行质量控制。分析结果显示，6个样品中OPFRs的检出率为100%，各组分的检出浓度为n.d.～471 ng/L，总OPFRs为408～1 532 ng/L，表明上述环境水体均受到了OPFRs不同程度的污染。图1为标准品与实际样品的对照色谱图。

图2　实际样品中OPFRs的分布特征Fig.2　Distributions of OPFRs in six real water samples

从各组分的分布特征看(如图2)，检出组分为TEP，TBP，TCEP，TCPP，TDCPP，TEHP，TPhP共7种，除TEHP以外其余6种OPFRs的检出率为100%，TEP，TBP，TCEP，TCPP的检出浓度高，在每个样品中这4种组分之和的比例均超过90%。分析认为TEP，TBP，TCEP，TCPP具有较强的水溶性，且TCEP与TCPP具有难降解的特点，因而在水相中含量较高；TEHP和TPhP的疏水性较强，因此在水相中含量较低；TPrP，TOCP在6个样品中均未检出，推测可能是因为TPrP在实际应用中的用量较少[27]，而TOCP则可能是因为水溶性偏低，其在水中溶解度仅为0.36 mg/L。这一结果与已报道的国内水体中OPFRs的分布特征相似[14,21,23]。

3结论

本文通过对萃取方法的对比研究和仪器分析条件的优化，选择LLE为样品前处理方法，二氯甲烷为萃取溶剂，有机磷专用柱Rtx-OPPesticides 2为分析柱。该方法提高了萃取率，改善了目标组分的分离度和分析灵敏度，最终实现了水体中极性差异较大的9种OPFRs的同时测定。9种OPFRs在1.0～500 ng/mL范围内呈良好的线性关系(r2≥0.998)，方法检出限为1.0～2.0 ng/mL，加标回收率为75.9%～111%,RSD不大于15%。该方法操作简单，适用范围广，灵敏度和准确度高。在实际湖泊水样中均检测出OPFRs，表明该地区湖泊水中存在一定程度的OPFRs污染。

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摘要：建立了水体中9种有机磷酸酯阻燃剂(OPFRs)的液液萃取(LLE)/气相色谱-火焰光度(GC-FPD)测定方法。对比研究了液液萃取、固相萃取条件和仪器测定条件。最终选择液液萃取作为样品的提取方法，以二氯甲烷为提取溶剂；有机磷专用柱Rtx-OPPesticides 2作为分析柱，15 min内可实现待测组分的良好分离。在优化条件下，9种OPFRs在1.0～500 ng/mL范围内呈良好的线性关系(r2≥0.998)，方法检出限为1.0～2.0 ng/L。在5，100，300 ng/L加标水平下，9种OPFRs空白水样的加标回收率为75.9%～111%；相对标准偏差(RSD)为3.3%～15%。该方法应用于6个实际湖泊地表水样品的检测，OPFRs的检出率为100%，其组分检出总浓度为408～1 532 ng/L，可见湖泊地表水中存在明显的OPFRs污染。

关键词：有机磷酸酯阻燃剂；液-液萃取；气相色谱火焰光度法；水体

Determination of 9 Organophosphate Flame Retardants in Water by Gas Chromatography with Flame Photometry DetectionPAN Meng，SONG Shu-ling，WANG Yuan，GUO Xiao-chen，RAO Zhu*

(National Research Center for Geoanalysis，Beijing100037，China)

Abstract：A method for the determination of 9 organophosphate flame retardants(OPFRs) in water by liquid-liquid extraction(LLE) followed by gas chromatography with flame photometry detection was developed.The main analytical conditions,such as water sample preparation and instrument analysis method,were optimized.Liquid-liquid extraction was selected using methylene chloride as extraction solvent,and organic phosphorus Rtx-OPPesticides 2 special column was chosen as analytical column.Under the optimal conditions,a completed base line separation of 9 OPFRs was obtained within 15 min.9 OPFRs in the concentration range of 1.0-500 ng/mL showed good linear relationship(r2≥0.998).The method detection limits(MDLs) ranged from 1.0 ng/L to 2.0 ng/L.At spiked concentrations of 5,100, 300 ng/L,the recoveries of 9 OPFRs were in range of 75.9%-111% with relative standard deviations(RSD) of 3.3%-15%.The method was further applied in the determination of OPFRs in real lake water samples with 9 OPFRs total concentrations of 408-1 532 ng/L.The analytical result showed that the lake water was contaminated by OPFRs.

Key words：organophosphate flame retardants;liquid-liquid extraction;gas chromatography with flame photometry detection;water samples

中图分类号：O657.71；TQ314.248

文献标识码：A

文章编号：1004-4957(2015)12-1377-05

doi:10.3969/j.issn.1004-4957.2015.12.008

通讯作者：*饶竹，硕士，研究员，研究方向：环境有机污染物分析，Tel:010-68999554，E-mail:raozhu@126.com

基金项目：国家地质实验测试中心基本科研业务费(2014CSJ03)；国土资源部地质调查项目(1212010816028,12120115047601)

收稿日期：2015-05-18；修回日期：2015-07-20