沉积物中14种典型人工合成麝香加速溶剂萃取-气相色谱-串联质谱快速分析方法研究

佟玲， 田芹， 杨志鹏， 潘萌

(国家地质实验测试中心， 北京 100037)

生态环境的可持续发展与人类的生存息息相关，有机污染物的生产、使用及排放已对生态环境产生了较大的影响。近年人工合成麝香广泛用于日用化工产品中，由于逐渐在环境样品中检出，也被归为个人护理品类(PCPs)的新兴有机污染物。该类物质在环境中有较高的生物累积性，具有致癌性，能够抑制生物生长发育[1]，同时具有环境激素效应[2]、遗传毒性效应，能够激活或抑制酶的活性[3]，长期使用会导致肝肾损坏并诱发癌症[4]，对人体健康具有一定威胁。环境中人工麝香类物质的主要来源有：生活污水的直接排放、污水处理厂的二次排放、垃圾渗滤液以及工厂生产过程等，最终会随着污水的排放污染地表水，进而对整个流域以及周边生活的人类产生影响。且该类物质用量大，持续不断，因此也被称为“伪持续性”化合物[5]。人工合成麝香类化合物主要分为4大类：硝基麝香、多环麝香、大环麝香和近年开发的脂环麝香[6]。硝基麝香由于具有生物蓄积作用和潜在致癌性，欧盟一些国家已对其中一些产品作出了禁止和限制使用的规定[1]，我国2007年修订的《化妆品卫生规范》中也明确将硝基麝香列入禁限用物质表中[7]。多环麝香中的佳乐麝香(HHCB)和吐纳麝香(AHTN)使用量占所有多环麝香里的95%[5]。由于合成麝香的固水分配系数(Kd)高达4900～5300L/kg[8]，因此在沉积物中有着较高的浓度。同时沉积物又可成为二次释放源，污染水体中的生物，并通过食物链的传递最终威胁人类健康。意大利[9]、德国[10]、美国[11]、中国[12]等多个国家针对水体中HHCB和AHTN的研究报道，沉积物中的浓度均高于地表水的浓度。动物组织中HHCB和AHTN的浓度，在我国海河的鱼肉组织脂肪中分别为107.9～823.3ng/g、107.1～771.7ng/g[12]，在香港沿海地区贻贝脂肪中其平均浓度分别为1.15ng/g、0.19ng/g[13]。我国长三角洲、上海、四川等地区母乳脂肪中HHCB和AHTN的浓度范围为1.1～782ng/g和0.6～794.7ng/g[14-16]。

尽管已有研究发现沉积物中人工合成麝香浓度较高，但目前国内外有关合成麝香的分析方法，以水样和土壤分析技术较多，而针对沉积物、污泥等复杂基质中的合成麝香分析方法的报道比较少[5]。本项目组前期对地表水样品分析研究表明，佳乐麝香的浓度范围在0.003～0.337μg/L，浓度处于较低水平，因此进一步研究沉积物的污染状况更有意义[17]。喻月等[18]采用索氏提取法(SE)结合硅胶/氧化铝复合层析柱净化对长江三角洲农田土壤中7种合成麝香进行了分析，定量限为0.10～1.10ng/g，该方法提取效率高，但是存在溶剂用量大等缺点。罗庆等[19]采用微波萃取技术(MAE)分析了土壤、底泥中的佳乐麝香和吐纳麝香，净化方式同样是复合层析柱，而且分析的化合物种类有限。胡正君等[20]、Wang等[21]采用加速溶剂萃取(ASE)技术分析了土壤、底泥样品中的合成麝香，并采用硅胶-氧化铝层析柱进行净化。固体样品基体复杂，有效的净化步骤必不可少，但繁琐的净化步骤会大大加大分析成本。目前针对生物组织开发了QuEchERs、分散固相萃取[22-24]等一些快速的前处理方法，能够同时完成提取和净化，分散剂多为：中性氧化铝、石墨化炭黑、C18、乙二胺-N-丙基硅烷(PSA)等。固相微萃取[25-27](SPME)和搅拌棒萃取结合热解析进样[28-29](SBSE-TD)等技术在土壤、污泥等固体样品中近年也有应用，但是限于仪器等因素会存在重复性差、难以自动化进样等不足。目前大环麝香用量少，其相关分析方法也比较有限，Vallecillos等[25]开发了顶空-固相微萃取技术(HS-SPME)分析污泥样品中的8种大环麝香，其检出限在10×10-3～25×10-3ng/g之间。可见，针对土壤、沉积物等环境样品中合成麝香分析的绿色、批量、快速的前处理方法还有待进一步开发。

合成麝香作为半挥发的有机污染物，检测技术多采用气相色谱-质谱分析方法[30]，主要包括离子阱串联质谱[31]和三重四极杆串联质谱[32]，而串联质谱分析技术定性更为准确。针对沉积物类样品，目前由于用量小及研究起步较晚，我国缺少包括大环麝香在内的多种合成麝香同时测定的绿色、快速分析方法。本文选取了硝基麝香、多环麝香和大环麝香3类化合物共14种化合物作为目标分析物，重点研究了沉积物样品的快速净化技术，样品采用ASE进行提取同时完成在线净化，并结合气相色谱-三重四极串联质谱(GC-MS/MS)检测，建立了沉积物样品中合成麝香的分析方法，该方法能够满足环境调查批量样品的分析，为人工合成麝香的进一步研究提供了技术支撑。

1 实验部分

1.1 仪器和设备

GCMS-TQ8040(日本Shimadzu公司)；加速溶剂萃取仪Dionex ASE 200 型(美国Dionex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)；旋转蒸发仪(Rotavapor R-210，瑞士Buchi公司)。

1.2 标准和主要试剂

硝基麝香包括：二甲苯麝香、麝香酮、伞花麝香、西藏麝香、葵子麝香(10ng/mL，环己烷)；多环麝香包括：佳乐麝香、吐纳麝香、开司米酮、萨利麝香、粉檀麝香、特拉斯麝香(10ng/mL，环己烷)；大环麝香包括：麝香T(10ng/mL，环己烷)，黄葵内酯和3-甲基环十五烷酮(100ng/mL，环己烷)。替代物：吐纳麝香-d3(100ng/mL，异辛烷)、二甲苯麝香-d15(100ng/mL，丙酮)。以上标准物质均购自安谱(德国Dr.Ehrenstorfer公司)。

内标物：菲-d10(4000ng/mL，二氯甲烷)，购自百灵威AccuStandard公司。

丙酮、二氯甲烷、正己烷(色谱纯，百灵威)；无水硫酸钠、铜粉(国药集团化学试剂有限公司)；硅胶、石墨化炭黑(GCB)、中性氧化铝(N-Al2O3)、活性炭、阴离子交换吸附剂(SAX)、强阳离子交换吸附剂(SCX)，均购自上海安谱公司。

空白样品：采集无污染区域的土壤样品，研磨过筛并用溶剂提取后备用，并进行分析保证目标物检出浓度低于检出限。

1.3 实验方法

1.3.1标准溶液配制

将5种硝基麝香配制成浓度为2.0μg/mL的混合标准储备液；6种多环麝香配制成浓度为1.6μg/mL的混合标准储备液；3种大环麝香配制成浓度为5.0μg/mL的混合标准储备液，置于4℃的冰箱中保存。使用时，用正己烷稀释配制为500ng/mL的混合标准工作溶液。2种替代物和内标物用正己烷稀释分别配制成1.0μg/mL标准工作溶液。

1.3.2样品前处理

样品制备：沉积物样品，阴干后进行研磨，过40目筛后采用棕色玻璃瓶在4℃条件下保存，待分析。

ASE萃取池中依次加入净化吸附剂(0.4g GCB和1.0g SAX)、1.0g无水硫酸钠、5.0g待测样品(加入约1g铜粉与样品混匀用于除硫)，加入25μL 1μg/mL的标准替代物，正己烷-丙酮(4∶1，V/V)提取。系统压力为1500psi，温度80℃，加热时间5min，静态时间5min，冲洗体积60%，循环2次。提取液旋转蒸发至4mL左右，转移至带刻度的离心管进一步氮吹浓缩，正己烷定容至0.5mL，待进行GC-MS/MS分析。

1.3.3气相色谱-质谱分析条件

毛细管色谱柱：DM-5MS，30m×0.25mm×0.25μm。气相色谱条件：进样口温度250℃；氦气为载气，流速为1.2mL/min；不分流进样，进样量为1.0μL。升温程序：初始温度70℃，保持1min，以40℃/min升温至150℃，保持3min，再以5℃/min升温至200℃，最后以20℃/min升温至300℃并保持5min。

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70eV；溶剂延迟5min；多反应监测(MRM)模式。

2 结果与讨论

2.1 质谱条件的优化

配制浓度为0.5μg/mL的混合标准溶液，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3～45eV之间，间隔3eV。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，这种串联质谱的分析模式相比选择离子(SIM)定性更为准确，能降低假阳性的检出率。各目标化合物的具体参数见表1，GC-MS/MS色谱图见图1。

表1 目标化合物的保留时间、监测离子对和碰撞能量

图1 目标化合物GC-MS/MS色谱图Fig.1 Chromatograms of target compounds by GC-MS/MS

2.2 ASE提取溶剂

沉积物样品的基质复杂，选择合适的提取溶剂有助于提高提取效率，同时能够有效减少共提杂质的提取。本文实验比较了二氯甲烷、二氯甲烷-正己烷(1∶1，V/V)、乙腈、正己烷-丙酮(1∶1，2∶1，4∶1，V/V)等溶剂体系对目标化合物的提取效率。在5.0g空白土壤中加入100μL 500ng/mL的待测物，采用ASE在同一条件下进行提取，考察不同溶剂的萃取效率，每个条件下的样品重复实验2次取平均值计算回收率，结果见图2。乙腈条件下，3-甲基环十五烷酮有较为严重的干扰导致回收率达到了213%。采用二氯甲烷-正己烷(1∶1，V/V)提取时对麝香T的提取效率不高，回收率仅为25%。采用纯二氯甲烷提取时回收率也只提高到了68%。采用丙酮-正己烷的溶剂体系进行提取时，各化合物的回收率均大于76.8%。实验进一步优化比较了不同丙酮的含量，减少丙酮的用量以便减少对样品中极性杂质、色素等的共提取。因此最终选用正己烷-丙酮体系(4∶1，V/V)作为提取溶剂。

2.3 ASE提取温度

ASE提取过程中温度的升高有利于减少基体效应，降低溶剂黏度，加速溶剂分子向基体中的扩散，提高提取效率及速度[33]。本研究在固定其他提取条件不变的情况下，比较了3种不同提取温度(80℃、100℃和120℃)对提取效果的影响，每个条件重复分析2次，回收率平均值结果见图3。从结果可以看出，在3个温度下目标物回收率均能达到80.5%。为了减少其他杂质的共提取，选择温度较低的80℃进行提取。

2.4 净化吸附剂

在ASE萃取池中依次加入净化吸附剂及样品能够一步完成提取及净化过程，大大缩短了分析流程。沉积物基质复杂，色素及小分子杂质含量较高，有效净化步骤非常关键。常用的吸附剂硅胶、N-Al2O3能够去除样品中的少量色素及脂肪酸等小分子杂质；GCB、炭黑能够去除样品中的大分子色素，但对于环状结构的化合物会有较强吸附；SCX、SAX作为离子交换型吸附剂多用于极性化合物的分析。本文比较了不同吸附剂的净化效果，针对沉积物色素及大分子脂肪含量多的特点，选取硅胶、N-Al2O3、SCX、SAX、GCB、炭黑，其用量参考商品SPE小柱填料的规格，除GCB和炭黑为0.5g外，其余均为1.0g。称取相同质量的沉积物样品按照上述条件进行ASE提取，比较浓缩提取液的颜色。结果表明对于色素等干扰物的去除能力为：GCB>炭黑>SCX>SAX，其余吸附剂对色素的净化效果不明显。

图2 提取溶剂对目标物提取回收率平均值比较

图3 不同提取温度下目标物提取平均回收率

进而比较了不同吸附剂对目标化合物提取回收率的情况。空白土壤中加入不同净化吸附剂后添加一定浓度水平的待测物，按上述条件进行提取，回收率见表2。从结果中可以看出，SCX对吐纳麝香会产生严重干扰导致回收率很高，而对于佳乐麝香、3-甲基环十五烷酮、黄葵内酯和麝香T由于质谱基线升高无法积分定量，分析原因可能是提取过程的加热导致了SCX的结构变化影响了目标物的分析，因此不适用于在线净化；活性炭对于黄葵内酯有严重干扰。实验表明，SAX和GCB的混合吸附剂对样品的净化效果更好，其中GCB能够去除样品中的大分子色素，SAX是硅胶基质键合季铵基团型吸附剂，具有很强的阴离子交换能力，能够去除样品中的有机酸、磺酸根、无机阴离子等，同时GCB和SAX对目标物没有吸附作用，提取回收率为81.9%～131.4%。以减少提取液中大分子色素为目标，尽量降低分析成本，优化了GCB用量，最终选择0.4g GCB+1.0g SAX作为净化吸附剂的配比。

2.5 方法线性范围、检出限及回收率

将混合标准工作液用正己烷稀释成5～200ng/mL不同浓度的溶液，考察方法的线性范围及相关系数。精密度实验中，在5.0g空白土壤中分别添加浓度为0.5、5.0、10.0ng/g混合标准溶液，按照优化后的方法进行前处理，每个浓度水平的样品进行7次重复实验，采用内标标准曲线法对目标化合物进行定量分析，计算回收率和相对标准偏差(RSD)，具体见表3。可以看出各目标化合物的平均回收率范围为70.6%～121.5%，回收率的RSD范围为0.97%～14.6%；各添加水平替代物的平均回收率范围为81.5%～106.1%。根据最低添加水平的测定数据，按照EPA推荐方法计算得出方法检出限MDL=s×t(n-1，1-a=0.99)，s为n次加标测定浓度的标准偏差，t为自由度为n-1时的Student’st值，1-a为置信水平，n为重复测定的加标样品数(n=7时查表t=3.143)。方法检出限按照类别分别为：硝基麝香0.10～0.19ng/g，多环麝香0.09～0.14ng/g，大环麝香0.11～1.93ng/g。本文建立的沉积物中人工合成麝香的分析方法与已发表文献中方法比较结果见表4。可以看出文献中，除了TD及SPME进样模式下方法灵敏度较高，其余常规方法的检出限在0.03～0.72ng/g之间。而本方法的方法检出限除了3-甲基环十五烷酮为1.93ng/g外，其余化合物均在0.09～0.19ng/g之间，因此本方法在待测物涵盖数量及检出限方面具有一定优势，且方法简便、可靠。

表2 净化吸附剂对目标物提取回收率的影响

表3 目标物测定线性范围、相关系数、相对标准偏差、平均回收率及方法检出限

表4 各类样品目标物分析方法检出限的比较

2.6 实际样品分析

为了考察本方法的适用性，采用本方法对20个采自上海崇明岛河口沉积物样品进行测定。质控过程：空白样品(1.2节)按照上述流程分析其结果应小于检出限，空白加标样品回收率浓度范围为62.8%～119.1%，替代物回收率范围为68.2%～83.0%。实际样品检测结果见表5，根据统计佳乐麝香的检出率最高达到75%，在沉积物中含量范围为0.09～0.40ng/g。其次是吐纳麝香的检出率为15%，检出浓度为0.11～0.20ng/g。佳乐麝香和吐纳麝香的检出浓度相比我国其他地区，如海河(1.5～32.3ng/g、2.0～21.9ng/g)[12]，苏州河(3～78ng/g、2～31ng/g)[34]沉积物样品的浓度较低，与太湖流域沉积物样品中的浓度(0.812ng/g、0.476ng/g)[35]相近。尽管该类物质在环境中的检出浓度较低，但由于该类物质具有生物累积性，也应该引起人们的重视。

表5 实际沉积物样品中人工合成麝香检测结果

3 结论

本文建立了沉积物样品中加速溶剂萃取-在线净化并结合GC-MS/MS快速检测14种人工合成麝香的分析方法，目标化合物种类涵盖了6个多环麝香、5个硝基麝香和3个大环麝香，平均添加回收率为70.6%～121.5%，14种化合物的方法检出限除了3-甲基环十五烷酮为1.93ng/g外，其余均在0.09～0.19ng/g之间。

该方法采用ASE提取，在样品提取的同时用吸附剂进行在线净化，前处理过程简单，自动化程度高，每个样品仅用约20mL的有机溶剂就能完成测试，减少了有机溶剂的用量，降低了人工分析成本。采用串联质谱法进行定性、定量测定，方法更加灵敏、准确可靠。经过实际应用验证，表明该方法能够满足土壤、沉积物大量样品的检测需求，并为今后人工合成麝香环境调查工作以及健康地质相关研究工作的开展提供了有力的技术支撑。