悬浮固化-分散液液微萃取-液相色谱-串联质谱测定纺织废水中磷系阻燃剂

何 静,叶曦雯,汤志旭,牛增元,罗 忻,邹 立

(1. 中国海洋大学环境科学与工程学院, 山东 青岛 266100; 2. 青岛海关技术中心, 山东 青岛 266003)

阻燃剂是一类阻止聚合物燃烧,抑制火焰传播的添加剂[1]。近年来,在欧盟对溴代阻燃剂禁用范围扩大后[2,3],有机磷阻燃剂(organophosphorus flame retardants, OPFRs)以低廉的价格与良好的性能被广泛应用于纺织、化工及电子产品等多个领域,其生产量与使用量也大幅增加[4,5]。由于部分OPFRs具有毒性,其毒性类似于有机磷农药,能够积累在生物体内,进而侵害人类大脑,对人的行为、记忆产生永久损伤且有致癌性[6-8], OPFRs的监测受到了广泛关注。现今OPFRs在水体[9-11]、大气[12,13]、土壤[14-16]等各类介质中均有被检出,其已成为一种普遍存在的有机污染物。在各种环境介质中,废水是OPFRs进入地表水和地下水,进而进入到大气和土壤等环境介质的重要途径,因此水体成为OPFRs重要的储存介质和迁移途径[17,18]。为有效控制纺织行业有机磷阻燃剂通过纺织废水排放进入环境,目前已有纺织行业团体组织提出有害化学物质零排放(ZDHC)计划,该计划制定的《废水指南》[19]对纺织和鞋类行业废水中的5种OPFRs(三(2-氯乙基)磷酸酯(TCEP)、三(1,3-二氯-异丙基)磷酸酯(TDCP)、三(2,3-二溴丙基)磷酸酯(TRIS)、三 (1-氮丙啶基)氧化膦(TEPA)与二(2,3-二溴丙基)磷酸酯(BIS))提出了限制,要求的检测报告值低于5 μg/L。但该计划没有给出明确的检测方法,仅推荐使用二氯甲烷等有机溶液萃取结合气相色谱检测。目前已有文献[20,21]使用二氯甲烷对水中OPFRs进行萃取,但其并未完全覆盖ZDHC计划中5种OPFRs,且有机溶剂消耗较大,萃取时间过长。因此建立同时检测纺织废水中5种OPFRs的检测方法有实际意义。

目前用于测定水样中OPFRs的预处理技术主要包括固相萃取(SPE)[22-25]、液液萃取(LLE)[26,27]、固相微萃取(SPME)[28]与液相微萃取(LPME)[29]等方法。以上几种方法已成功运用于水体样品中痕量OPFRs的检测,Woudneh等[30]使用液液萃取技术,使用二氯甲烷对污水中13种OPFRs进行萃取测定,检出限为0.1～5 ng/L;梁钪等[20]使用HLB固相萃取小柱对废水中的14种OPFRs进行测定,方法检出限为0.3～6 ng/L;罗庆等[22]采用SPME技术结合气相色谱-质谱联用对天然水样中的14种OPFRs进行检测,方法检出限在1.1～27.3 ng/L。但这些前处理方法均存在一定缺陷,如LLE与SPE法耗时且需消耗大量样品[28];SPME法使用的萃取头昂贵且易断,多次使用会存在交叉污染,吸附力逐渐降低等[31,32]。

近年来,分散液液微萃取(DLLME)因有机溶剂用量少,萃取时间短,具有高萃取效率和富集倍数受到了广泛关注。苏蕊等[33]建立了离子液体-分散液液微萃取方法对环境水样品中溴代阻燃剂(BFRs)进行了检测,方法检出限在0.212～1.82 μg/L。

但传统的DLLME法所用的萃取剂为毒性较大的有机溶剂[34]。悬浮固化-分散液液微萃取(solidification of floating organic droplet-dispersive liquid-liquid microextraction, SFO-DLLME)在此基础上选用熔点接近室温、密度比水小且低毒的溶剂为萃取剂,样品离心后转移至冰浴中固化,后取出固化萃取剂,待其液化后即可进样。该方法操作简单,成本低且更加绿色环保[35]。目前此方法已实现了水体中除草剂[36]、塑化剂[37]等有害物质的检测。Luo等[35]建立了SFO-DLLME方法对地表水中8种OPFRs的检测,且在1～200 μg/L范围内对OPFRs有较好的萃取效果。

本文建立了SFO-DLLME结合LC-MS/MS测定纺织废水中5种痕量OPFRs的方法。该方法具有灵敏度较高、重复性好、绿色环保等优点,可满足ZDHC计划中5种OPFRs检测要求。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

液相色谱-串联质谱(6460 Triple Quad LC/MS,美国Agilent公司);低温离心机(日本Hitachi公司);离心涡旋混合器(日本Hitachi公司), Milli-Q超纯水仪(美国Millipore公司)。

TCEP(纯度>99%)、TDCP(纯度>99%)、TRIS(纯度>97%)、TEPA(纯度>97%)和BIS(纯度>90%)均由德国Dr. Ehrenstorfer公司提供。磷酸三丁酯-d27(TBP-d27)、三乙磷酰胺-d12(TEPA-d12)均由Toronto Research Chemicals提供。十一烷醇购自阿拉丁试剂,甲醇、氯化钠购自国药集团化学试剂有限公司;实验用水为Milli-Q纯水系统制得的超纯水。

表 1 有机磷阻燃剂的CAS号和MRM分析参数

* Quantitative ion.

1.2 标准储备液及标准工作液的配制

标准储备液:准确称取5种有机磷标准品各0.025 g,分别用甲醇溶解并定容至25 mL,配成质量浓度为1 000 mg/L的标准储备液;使用时,根据需要用十一烷醇/甲醇(4∶6, v/v)稀释至适当浓度。

内标混合溶液:准确称取TBP-d27和TEPA-d12标准品各0.025 g,分别用甲醇溶解并定容至25 mL,配成质量浓度为1 000 mg/L的内标储备液;再分别移取适量储备液用十一烷醇/甲醇(4∶6, v/v)稀释成TBP-d27为1 mg/L, TEPA-d12为2 mg/L的混合内标使用溶液。

1.3 样品前处理

取8 mL水样至15 mL离心管中,加入2.0 g NaCl与40 μL内标混合溶液(2 mg/L TEPA-d12、1 mg/L TBP-d27)涡旋混匀后,将400 μL十一烷醇与300 μL甲醇混匀快速注入至水样中,涡旋3 min后静置,以5 000 r/min常温离心5 min,使目标物充分富集到萃取剂中,将离心管转移至0 ℃冰水浴中,待萃取剂固化后,用药匙将其取出,在室温下融化后,吸取200 μL至含内插管的进样瓶中,加入5 μL甲醇进行稀释后,用LC-MS/MS检测,内标法定量。

1.4 色谱及质谱条件

色谱条件:使用配置Therom柱(Hypersll Gold aQ, 100 mm×2.1 mm, 5 μm)的液相色谱系统完成阻燃剂的分离。流动相为0.1%甲酸水溶液(A)和甲醇(B),流速为0.4 mL/min。柱温35 ℃。进样量为5 μL。梯度设定如下:0.0～0.5 min, 80%A; 0.5～8.0 min, 80%A～10%A; 8.0～10.5 min, 10%A; 10.5～11.0 min, 10%A～80%A; 11.0～14.0 min, 80%A。

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质谱条件:ESI源,正离子模式;雾化气:氮气。雾化气压力: 241 kPa。离子喷雾电压:3 000 V。干燥气温度:380 ℃。干燥气流速:11.0 L/min。鞘气温度:350 ℃。鞘气流速:11.0 L/min。

定性/定量:采用多反应监测(MRM)模式,以TEPA-d12为内标定量TEPA; 以TBP-d27为内标定量TCEP、TDCP、TRIS; 采用外标法定量BIS。分析参数见表1。

2 结果与分析

2.1 色谱条件的优化

本实验考察了4种流动相对目标物的分离效果,分别为甲醇-水、乙腈-水、甲醇-0.1%甲酸水溶液、乙腈-0.1%甲酸水溶液。结果表明,采用甲醇为流动相时,目标物的分离效果和响应值均优于乙腈;因为检测的5种OPFRs极性差异较大,在检测弱极性化合物时,流动相组成会对OPFRs的离子化效率产生显著影响,甲醇-水和甲醇-0.1%甲酸水溶液的对比表明:在流动相中添加0.1%甲酸有助于提高目标物的电离效率,从而提高检测灵敏度和稳定性[38]。因此选择甲醇-0.1%甲酸水溶液为流动相。典型的标准品色谱图见图1。

图 1 5种OPFRs与2种内标物混合标准溶液的色谱图(50 μg/L)Fig. 1 Chromatograms of a standard mixture of OPFRs and internal standards (50 μg/L)

2.2 样品预处理条件的优化

2.2.1萃取剂种类与体积

悬浮固化-分散液液微萃取中,萃取剂一般选择密度小于水、熔点接近室温的萃取剂,文献[35]表明:采用十一烷醇进行萃取,TCEP与TDCP的效果良好,故本文采用十一烷醇为萃取剂。在水样体积为8 mL时,考察了不同体积(100、200、300、400、500 μL)的十一烷醇对5种OPFRs萃取效率的影响。如图2所示,从100 μL到400 μL,萃取效率随着萃取体积增加而大幅提高,但从400 μL增加到500 μL,萃取效率并无显著变化。当十一烷醇使用量为400 μL时,对5种OPFRs的回收率均超过80%,因此本文采用的萃取剂为400 μL十一烷醇。

图 2 萃取剂体积的优化(n=3)Fig. 2 Optimization of volume of extraction solvent (n=3)

2.2.2分散剂的种类与体积

萃取过程中,分散剂的极性应在水和萃取剂之间,能够分别与水样及萃取剂完全混合[39]。本文考察了分别以甲醇、乙醇、乙腈和丙酮为分散剂时的萃取效果。结果如图3所示,甲醇作为分散剂时,5种目标物的萃取效率最佳,故分散剂为甲醇。

分散剂体积是影响提取效率的重要因素,其分散体积过小时,难以形成乳浊液,影响萃取效果;体积过量时则会导致目标物在水样中溶解度增大,分配数系数降低[40,41]。实验固定萃取剂为400 μL十一烷醇,对比不同体积(100、200、300、400、500 μL)的分散剂甲醇对OPFRs萃取的影响。结果如图4所示,当甲醇用量较少时,增加甲醇体积可明显提高萃取效果,但当甲醇体积从300 μL增加到500 μL时,部分目标物的萃取效果变差。总体而言,甲醇用量在300 μL时,5种目标物的萃取效果较为理想,故最终确定甲醇体积为300 μL。

图 3 分散剂种类的优化Fig. 3 Optimization of kinds of dispersive solvent

图 4 分散剂体积的优化(n=3)Fig. 4 Optimization of volume of dispersive solvent (n=3)

2.2.3盐效应

NaCl的添加可以增强离子强度,同时降低分析物在水中的溶解程度,从而影响目标化合物的萃取效率[42]。本实验在8 mL水中,分别加入0、0.5、1、2和2.5 g NaCl进行条件优化,结果如图5所示,增加NaCl的添加量可显著提高萃取效率,在加入2 g NaCl后,各目标化合物的回收率均达到最高值,继续加大NaCl量,各个化合物的回收率均有所下降。因此,本文选择NaCl的最佳用量为2.0 g。

图 5 NaCl加入量的优化(n=3)Fig. 5 Optimization of amount of NaCl (n=3)

2.2.4溶液pH值

溶液的酸碱度是影响萃取效率的另一主要因素,国标《纺织染整工业水污染物排放标准》中规定[43],直接排放与间接排放的纺织废水pH值应为6～9。本工作采集的3类11个实际废水样品的pH值均在7～9之间。使用HCl和NaOH对样品进行酸碱调节,考察样品溶液pH值在6～9之间对OPFRs萃取效果的影响。结果表明,pH值在6～9之间变化时对目标化合物的回收率并无较大影响,因此,无需对实际水样进行pH值调节。

2.2.5萃取时间

采用高速涡旋能使萃取剂分散成极小的液滴,可使目标化合物在样品溶液与萃取溶剂之间快速分配平衡,缩短萃取时间,提高萃取效率[44-46]。本实验采用高速涡旋机将溶剂分散成极小的液滴,设置萃取时间为0.5～3 min,考察涡旋时间对实验的影响,结果(见图6)表明:各化合物均可在2 min内达到萃取平衡,2 min后萃取效率并无明显提高,故萃取时间选择为2 min。

图 6 萃取时间的优化(n=3)Fig. 6 Optimization of extraction time (n=3)

2.3 方法学考察

2.3.1基质效应

实验对不同来源的纺织废水的基质效应进行考察。以1个后整理废水、1个染色废水和2个印花废水的空白提取液作为标准溶液的稀释液,以各组分的峰面积对质量浓度绘制基质加标标准曲线,将其斜率与纯溶剂配制的标准曲线斜率相比[47],对于染色和后整理废水,基质效应为4.26%～18.51%,为弱基质效应;对于印花废水,基质效应为27.35%～45.75%,为中等基质效应;因此,实际检测中应采用基质标准曲线。

2.3.2方法的线性关系与检出限

在最佳萃取条件下,用空白样品提取液作为稀释液,向其中添加系列OPFRs混合标准溶液,使其质量浓度分别为2、5、10、20、50、100 μg/L。分析系列浓度标准溶液,以目标化合物与内标的峰面积比(y)对TEPA、TCEP、TDCP和TRIS的质量浓度(x, μg/L)进行线性回归,TEPA、TCEP、TDCP和TRIS在2～100 μg/L范围内,具有良好的线性关系;以目标化合物的峰面积(Y)对BIS的质量浓度(X, μg/L)进行线性回归,BIS在10～100 μg/L范围内,具有良好的线性关系(见表2)。以3种不同来源的纺织废水为样品基质,分别添加OPFRs混合标准溶液,按本实验方法进行检测,以3倍信噪比确定检出限,4种OPFRs的检出限均可达2 μg/L, BIS为5 μg/L。

表 2 磷系阻燃剂的线性范围、线性方程、相关系数(R2)和检出限

Y: peak area;X: mass concentration, μg/L.y: peak area ratio of analyte to internal standard;x: mass concentration of analyte, μg/L.

2.3.3回收率及精密度

以纯水、后整理废水样品、染色废水样品各1个、印花废水样品2个,共5个水样为基质,分别添加10、20和50 μg/L 3个浓度水平的5种OPFRs混合标准溶液,按照1.3、1.4节方法进行分析测定,每个样品平行测定6次。结果见表3。

表 3 5种磷系阻燃剂在废水中的加标回收率和RSD (n=6)

由表3可以看出,纯水基质中,5种OPFRs的平均回收率为71.6%～117.6%。其余4种废水基质样品的平均回收率分别为71.6%～105.7%、78.2%～112.3%、76.9%～114.5%和79.5%～109.2%。

2.4 实际样品分析

对从6个纺织加工企业采集的11个废水样品采用基质标准曲线进行测定,3个样品中检出TCEP与TDCP,含量为2.62～3.43 μg/L,具体结果见表4,代表性样品色谱图见图7。

表 4 实际样品中磷系阻燃剂的检测结果(n=3)

图 7 染色废水样品中磷系阻燃剂的色谱图Fig. 7 Chromatograms of OPFRs in a printing wastewater sample

3 结论

本研究建立了一种能满足ZDHC要求的纺织废水中5种OPFRs检测的SFO-DLLME-LC-MS/MS分析方法。该方法样品用量少,前处理简单,避免了有害萃取试剂的使用,环境友好,能够对纺织废水中的OPFRs进行可靠且有效的定量分析,为ZDHC中有关OPFRs的检测提供了可靠的方法。