分散固相萃取/气相色谱-串联质谱法分析土壤及沉积物样品中的8种紫外线吸收剂

佟 玲，杨志鹏，田 芹，潘 萌，宋淑玲

(国家地质实验测试中心，北京 100037)

紫外线吸收剂是一种光稳定剂，能吸收阳光及荧光光源中的紫外线，而本身又不发生变化，因而被广泛添加于个人护理品、纺织品、塑料包装材料、防冻剂、汽车涂料等产品中[1-4]；按其结构可分为水杨酸酯类、二苯甲酮类、苯并三唑类、取代丙烯腈类、三嗪类等，工业上应用最多的为二苯甲酮类和苯并三唑类。我国紫外线吸收剂的年产量自2010年起已达万吨以上[5]。这类有机化合物被直接或间接地排放到环境中，在地表水、沉积物中均有检出，同时由于该类物质具有较高的生物累积性，在鱼、虾等生物体[6-9]以及人体尿液和血液中也有检出，其中二苯甲酮-3的检出率较高[10-11]，如Kannan等[9,12]在人尿液中检出0.26 ng/mL，血液中检出1.51 ng/mL。环境中的紫外线吸收剂可通过多种途径暴露从而威胁人体健康，如苯并三唑类紫外线吸收剂会引发皮肤过敏，并导致甲状腺、脂肪酸代谢失衡，具有激素活性[13-14]；二苯甲酮类紫外线吸收剂产生的副产物无法在体内代谢，会对生物体及人体产生内分泌干扰效应[15]。我国2007年出版的《化妆品卫生规范》中已明确规定二苯甲酮-3、二苯甲酮-4及二苯甲酮-5为限用防晒剂[16]。

目前，苯并三唑类和二苯酮类紫外线吸收剂的测定方法主要有液相色谱法[13]、液相色谱-质谱法[14]、液相色谱-串联质谱法[3,17-19]、气相色谱-质谱法[1]、气相色谱-串联质谱法[20-21]等。其中，液相色谱-串联质谱法分析的目标物种类较多，且检出限与气相色谱-串联质谱相差不大，但其仪器昂贵、分析和维护成本较高。前处理方面，液体样品多采用固相萃取、固相微萃取，固体样品则以超声萃取、加速溶剂等[22]方法为主。根据苯并三唑类和二苯甲酮类紫外线吸收剂应用的特殊性，我国报道的分析方法多集中在化妆品[16]、食品饮料、塑料包装材料等基质[20,23]。而对于基质复杂的土壤、沉积物等环境样品中紫外线吸收剂的分析方法报道较少，因为这类样品经加速溶剂萃取或超声提取后，还需采用层析柱或凝胶渗透色谱进一步净化[7,18]，前处理繁琐费时。本研究以我国产量最大的苯并三唑类和二苯甲酮类紫外线吸收剂为研究对象，建立了土壤和沉积物样品中该类紫外线吸收剂的分散固相萃取结合气相色谱-三重四极杆串联质谱(GC-MS/MS)分析方法，该法操作简便、定性准确、分析成本低，有助于紫外线吸收剂在土壤、沉积物中快速筛查等批量分析工作的开展，可为其环境行为方面的深入研究提供技术支撑。

1 实验部分

1.1 仪器、试剂与材料

GCMS-TQ8040三重四极杆型气相色谱质谱联用仪(日本Shimadzu公司)；MMS-5010振荡器(日本Eyela公司)；3-15台式高速离心机(德国Sigma公司)；KL512/509J型12位恒温水浴氮吹仪(北京康林科技股份有限公司)；Rotavapor R-210旋转蒸发仪(瑞士Buchi公司)。DM-5MS色谱柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm，迪马公司)。

丙酮、二氯甲烷、正己烷、乙腈、乙酸乙酯(色谱纯，百灵威公司)；无水硫酸钠、铜粉(国药集团化学试剂有限公司)；硅胶(Si)、石墨化炭黑(GCB)、中性氧化铝(N-Al2O3)、硅胶键合三甲基氨丙基强阴离子交换吸附剂(SAX)、硅胶键合苯基磺酸强阳离子交换吸附剂(SCX)、N-丙基乙二胺(PSA)吸附剂(德国CNW公司)。标准物质：二苯甲酮-3(BP-3，1 000 μg/mL)、二苯甲酮-12(BP-12，1 000 μg/mL)、2-(2′-羟基-5′-甲基苯基)苯并三唑(UV-P，1 006 μg/mL)、2-(2′-羟基-3′,5′-二叔丁基苯基)-苯并三唑(UV-320，1 006 μg/mL)、2-(2′-羟基-3′-叔丁基-5′-甲基苯基)-5-氯代苯并三唑(UV-326，1 000 μg/mL)、2-(3,5-二叔丁基-2-羟苯基)-5-氯苯并三唑(UV-327，1 002 μg/mL)、2-[2-羟基-3,5-二(1,1-二甲基丙基苯基)]-2H-苯并三唑(UV-328，1 009 μg/mL)、2-(2′-羟基-5′-特辛基苯基)苯并三唑(UV-329，1 001 μg/mL)购于AccuStandard公司。替代物：吐纳麝香-D3(AHTN-D3，100 μg/mL)购于德国Dr.Ehrenstorfer公司。

精密度实验所用空白样品：采集无污染区域的土壤样品，研磨过筛并用正己烷-丙酮(体积比1 ∶ 1)溶剂提取后备用。

1.2 实验方法

1.2.1标准溶液的配制分别精密移取一定体积的8种紫外线吸收剂标准品溶液于10 mL容量瓶中，用乙腈定容至刻度，配成100.0 μg/mL的单标储备液，于-18 ℃避光保存备用。取上述各化合物的单标储备液100 μL于10 mL容量瓶中，加入约3 mL丙酮，并用正己烷定容至刻度，配成1.0 μg/mL的混合标准工作液，于4 ℃避光保存。替代物用正己烷配制成质量浓度为1.0 μg/mL的标准工作液。

1.2.2样品前处理取土壤(沉积物)样品，阴干后研磨，过40目筛于棕色玻璃瓶中保存，待分析。精确称取5.0 g土壤(沉积物)样品于40 mL带密封盖的玻璃瓶中，加入预先用丙酮清洗过的2 g无水硫酸钠(沉积物样品需另加入1 g铜粉用于除硫)及1.0 g SCX吸附剂，再加入50 μL 1.0 μg/mL的替代物，最后加入20 mL正己烷-丙酮(体积比4 ∶ 1)在室温下以200 r/min振荡提取30 min，3 500 r/min离心5 min，将上清液转入浓缩瓶，旋转蒸发至4 mL左右，转移至带刻度的离心管进一步氮吹浓缩至约0.3 mL，用正己烷定容至0.5 mL，供GC-MS/MS分析。

1.2.3仪器条件气相色谱条件：色谱柱为DM-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm)；进样口温度260 ℃；载气为氦气(纯度为99.999%)，流速1.2 mL/min；不分流进样，进样量为1.0 μL。升温程序：初始温度120 ℃，以30 ℃/min升至200 ℃，保持1 min，再以4 ℃/min升至280 ℃，保持1 min，最后以30 ℃/min升至300 ℃并保持5 min。

质谱条件：接口温度280 ℃；离子源温度240 ℃；四极杆温度150 ℃；电离方式为电子轰击电离；电离能量70 eV；溶剂延迟5 min；多反应监测(MRM)模式。

2 结果讨论

2.1 质谱条件的优化

对8种紫外线吸收剂和替代物的混合标准溶液(质量浓度均为1.0 μg/mL)在m/z50～500范围内进行全扫描，根据谱图确定各目标化合物的保留时间，以丰度较高且质量数较大的特征离子作为目标离子，采用软件自动方式优化MRM方法，使碰撞电压在3～45 eV之间，间隔为3 eV。优化选出2个特征产物离子作为子离子，用于定性定量分析，结果见表1。图1为8种紫外线吸收剂混合标准溶液的提取离子流色谱图。

表1 目标化合物的保留时间、监测离子对和碰撞能量Table1 Retention times,monitoring ions and collision energies of target compounds

*quantitative ion pairs(定量离子对)

图1 目标化合物标准溶液的气相色谱-串联质谱MRM提取离子流图(100.0 ng/mL)Fig.1 MRM extracted ion chromatograms of standard solution of target compounds by GC-MS/MS(100.0 ng/mL)

2.2 提取溶剂的优化

土壤及沉积物样品基质复杂，为保证目标化合物的提取效率，同时减少杂质的共提取，对提取溶剂进行了优化。在5.0 g空白土壤中加入50 μL 1.0 μg/mL的混合标准工作液，分别加入20 mL不同的提取溶剂(二氯甲烷、二氯甲烷-正己烷(体积比1 ∶ 1)、乙腈、正己烷-丙酮(体积比1 ∶ 1、2 ∶ 1、4 ∶ 1)，振荡提取30 min，考察了不同提取溶剂的提取效率(表2)。结果显示，虽然乙腈和二氯甲烷-正己烷(体积比1 ∶ 1)对复杂基质样品的共提取色素较少，但其对BP-3、UV-P、BP-12的提取效率较低，纯二氯甲烷仅对UV-P的提取效率有所改善。而采用丙酮-正己烷进行提取时，各化合物的回收率均较高，且丙酮在溶剂体系中的比例较少时对于土壤、沉积物样品中的色素等杂质共提取相对较少，因此选择正己烷-丙酮(体积比4 ∶ 1)为提取溶剂。另外，实验比较了不同振荡提取时间(10、30、60 min)对回收率的影响，结果显示，振荡提取10 min的回收率明显低于30 min和60 min，而振荡30 min和60 min时的回收率差别不大，为缩短前处理时间，实验选择振荡提取30 min。

表2 不同提取溶剂的提取回收率Table 2 Average recovery of different extraction solvents

2.3 净化吸附剂的选择

已有研究多采用凝胶渗透色谱法[7]或固相萃取净化法[18]对固体样品中的紫外线吸收剂进行净化，这些方法虽满足分析需要，但操作步骤繁琐且有机溶剂消耗量大。本研究基于分散固相萃取原理，在提取样品的同时加入净化吸附剂，实现了一步完成提取净化，简化了前处理步骤。实验比较了硅胶(Si)、中性氧化铝(Al2O3)、SCX、SAX、GCB 5种不同吸附剂的净化效果，结果见图2。结果表明，GCB对平面结构的UV-P和UV-326具有吸附作用，回收率较低，又干扰BP-3响应使其回收率较高；中性氧化铝对BP-3、UV-P和BP-12的回收率较低，不能满足分析要求；Si、SCX和SAX对目标化合物的回收率均能达到要求，通过进一步比较其对实际复杂基质样品的净化效果(精密称取3份5.0 g相同的河底沉积物样品，分别加入1.0 g Si、SCX和SAX进行提)发现,经SCX净化后的提取液中大部分叶绿素被去除，仅剩余少量叶黄素，净化效果最好，表明SCX相比于Si和SAX吸附色素的能力更强。究其原因，SCX是以硅胶为基质键合了苯磺酸基团，易吸附样品提取液中的阳离子(如碱性杂质)，同时SCX中的苯环能与色素等大分子化合物发生非极性吸附，因此选用SCX作为净化吸附剂。

图2 不同吸附剂条件下的提取回收率均值Fig.2 Average recovery of extraction in different adsorbents

2.4 基质效应的影响

由于土壤和沉积物的基质复杂，在样品前处理过程中的共提物会干扰目标化合物的仪器响应，尤其是BP-3和BP-12在纯溶剂情况下进样时由于酚羟基的存在已出现明显的拖尾现象，因此有必要考察基质效应的影响。实验分别用正己烷和土壤样品提取液配制相同浓度的8种紫外线吸收剂的混合标准溶液，在相同条件下测定，结果发现BP-3、BP-12、UV-329基质增强效应明显，因此本实验采用空白土壤基质匹配标准曲线外标法定量。

2.5 方法的线性范围、检出限、回收率及精密度

空白土壤和沉积物样品经提取、浓缩、净化，向其中添加8种紫外线吸收剂的混合标准工作液，配成不同浓度的空白基质匹配标准溶液，在优化条件下进行测定，以目标物质量浓度(X，μg/L)为横坐标，响应峰面积(Y)为纵坐标绘制标准曲线，按照美国环保局法典[24]规定按3倍标准偏差(SD)计算方法检出限(MDL)，结果见表3，8种紫外线吸收剂的MDL为0.077～0.226 ng/g。在5.0 g空白土壤中分别添加混合标准溶液，加标水平分别为3(BP-3和UV-P为10 μg/L)、50、100 μg/L，每个水平平行测定8次，计算各紫外线吸收剂的回收率和相对标准偏差(RSD)，结果显示，8种紫外线吸收剂的平均回收率为95.7%～126%，RSD为3.0%～12%(表3)。所有测定结果中替代物的回收率为73.6%～ 98.6%，满足痕量分析的要求。

表3 方法的线性范围、相关系数、检出限、平均回收率及相对标准偏差(n=8)Table 3 Linear ranges,correlation coefficients,method detection limits(MDL),average recoveries and relative standard deviations(RSDs,n=8)of this method

*added level is 10 μg/L

2.6 实际样品分析

为考察本方法对不同土壤分析的适用性，以及复杂基质存在条件下对样品结果分析的影响，选取在福建和东北采集的不同类型土壤样品进行基质加标实验，结果显示，各化合物的加标回收率为71.1%～117%，表明方法可用于实际样品分析。采用本方法对10个北京周边农业耕作土壤样品(Soil)和6个上海河口沉积物样品(Sediment)进行测定，按照质控要求(每20个样品包含一个全流程空白样品和空白加标样品，替代物回收率控制在70%～110%之间，上机时每10个样品要进行持续校准标准的分析，并控制其相对偏差小于10%，以保证仪器的稳定性)进行质量控制，空白样品的分析结果小于检出限，空白加标样品的回收率为88.1%～119%。样品测试结果见表4,8种紫外线吸收剂在土壤和沉积物中有不同程度的检出，其中UV-328的检出率最高，在沉积物中最高含量达42.56 ng/g。沉积物样品中紫外线吸收剂的检出种类及含量明显高于土壤，表明该类物质会随着未被处理的污水进入环境，并在沉积物中富集；而土壤则会通过污水、污泥等途径受到污染。因此，紫外线吸收剂在土壤及沉积物中的污染状况应该引起重视。

表4 实际样品中紫外线吸收剂的检测结果Table 4 Contents of UV absorbents in real samples (ng/g)

(续表4)

SampleBP-3UV-PUV-320UV-326UV-329UV-328UV-327BP-12Sediment-12.5915.81-12.600.6423.222.351.65Sediment-21.9023.99-19.120.8325.875.771.06Sediment-3-6.88-3.250.224.740.390.81Sediment-41.518.73-4.811.705.851.373.44Sediment-5-7.57-3.040.978.830.84-Sediment-6-40.44-27.163.8942.568.940.13

“-”is

3 结 论

本文建立了分散固相萃取/GC-MS/MS快速分析土壤及沉积物中8种紫外线稳定剂的分析方法。该方法在样品提取的同时采用吸附剂净化，实现了一步完成前处理过程，操作步骤简单，并结合串联质谱进行定性、定量，方法灵敏、准确可靠，满足土壤及沉积物样品的检测需要，具有较好的实际应用价值。