测定土壤中11种多溴二苯醚前处理方式和仪器条件优化研究

蔡言

摘 要：建立了通过加速溶剂萃取-气相色谱三重四级杆质谱法测定土壤中11种多溴二苯醚的方法，优化了样品萃取方式、气相色谱进样口模式、进样口程序升温初始温度，确定离子源条件。结果表明：采用加速溶剂萃取方式能够有效提高样品处理速度、减少有机溶剂使用量;气相色谱进样口选用程序升温模式，初始温度为120℃，离子源温度为280℃，环境中检出率高的BDE-209的降解最少，响应值最好，各目标物线性好。11种多溴二苯醚的检出限为0.006～0.540 μg·kg-1，各目标物的相对标准偏差为1.5%～25.0%，平均回收率为79.3%～123.0%。开展了北京地区土壤样品多溴二苯醚的测定，分析方法重复性好，检测结果准确，可用于批量测试。

关键词：多溴二苯醚;加速溶剂萃取;气相色谱三重四级杆质谱法;土壤

Optimization of pretreatment method and instrument conditions for determination of 11 polybrominated diphenyl ethers in soil

CAI Yan1，2

（1.Beijing Institute of Mineral Geology， Beijing 101500;

2.Beijing 101 Eco-Geology Detection Co.， Ltd.; Beijing 101500， China）

Abstract： This paper sets up a method for the determination of 11 polybrominated diphenyl ethers （PBDEs） in soil using accelerated solvent extraction（ASE）and gas chromatography triple quadrupole mass spectrometry. Investigations are carried out with the conditions such as extraction method， gas chromatography injection port mode， initial temperature of programmed temperature， ion source temperature and ion-pair selection. The results show that accelerated solvent extraction can effectively improve the speed of sample processing and reduce the use of organic solvents; when the initial temperature of programmed heating is 120 °C and the ion source temperature is 280 °C， BDE-209 has the highest detection rate in environment and the least degradation， best response and better linearity. MDL ranges from 0.006 μg·kg-1 to 0.540 μg·kg-1 and RSD ranges from 1.5% to 25.0% and recovery rate ranges from 79.3% to 123.0%. PBDEs in soil samples from Beijing are measured with the newly established methods producing satisfactory repeatability， and accurate and efficient results. The conclusion： the method is suitable for batch testing.

Keywords： polybrominated diphenyl ethers （PBDEs）; accelerated solvent extraction（ASE）; gas chromatography-triple quadrupole mass spectrometry; soil

多溴二苯醚（PBDEs）因阻燃效率高，價格低廉等优点，在纺织、家具家电和石油产品中作为阻燃剂被广泛添加（王丽娟等，2019;宋倩，2015），但由于高亲脂性、难降解性、生物毒性和生物累积性（余彬彬等，2017;Law Robin J et al.，2006;Xu Jing et al.，2019;Yadav et al.，2018），PBDEs逐渐被立法禁止使用（刘汉霞等，2005;徐庚等，2019）。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中作出了“重视新污染物治理”的工作部署。生态环境部已经组织编制了《新污染物治理行动方案（征求意见稿）》，此行动方案重点管控新污染物清单中明确提出了十溴二苯醚类。因此建立准确、高效、快捷的分析测试方法，能够为国家新污染物管控提供真实准确的基础数据。

工业五溴和八溴于2009年被列入《斯德哥尔摩公约》受控名单中，而十溴二苯醚在欧盟的RoHS《关于在电子电器设备中禁止使用某些有害物质指令》中得到豁免，因此十溴二苯醚得以继续大量使用，使其在环境中有较大的存量，其引发的环境和健康风险正逐步受到社会各界的广泛关注。十溴二苯醚又可通过降解转化为其他低溴代化合物（陈泽秋等，2018），因此每类溴代化合物都有其检测的必要性，生态环境部于2018年发布了HJ 952―2018《土壤和沉积多溴二苯醚的测定气相色谱-质谱法》测定三溴至七溴和十溴代二苯醚共8种PBDEs，本文增加了八溴和九溴二苯醚，可以测定11种具有代表性的PBDEs。

PBDEs是添加型阻燃剂，并不与其他产品形成化学键，易从电子产品、家具中脱落而存在环境中（韩文亮等，2016;王丽琴等，2009;王维等，2014）。目前提取PBDEs的方法有索氏提取（陈琼等，2018）、微波辅助萃取（梁淑轩等，2010）、加速溶剂-固相萃取（相雷雷等，2016）等。索氏提取时间和溶剂消耗较多，加速溶剂萃取将提取时间从数小时减少到几分钟，大幅减少有机溶剂消耗量。

美国环境保护署US EPA Method 1614A推荐使用高分辨气相色谱质谱法（郑晓燕等，2015），还有文献报道使用气相色谱质谱法（杨芳等，2016）、气相色谱-串联质谱法（卢俊文等，2017;张付海等，2019）等分析PBDEs。高分辨质谱法仪器对操作人员要求高，价格貴，不适于方法的推广（张付海等，2019）。本文利用加速溶剂萃取-气相色谱三重四级杆质谱法，结合同位素内标法，采用多重反应监测模式（MRM），建立了土壤中11种PBDEs的分析方法。相比单四级杆质谱选择离子监测模式（SIM），MRM采用多对离子对进行定性定量，具有更高灵敏度，提高方法定性定量的准确性。

1  实验部分

1.1  萃取设备和试剂材料

赛默飞ASE350加速溶剂萃取仪，北京莱伯泰科仪器股份有限公司多通道平行浓缩仪D-vap。

多溴二苯醚单标：ρ=50 mg·L-1，包括BDE-28、BDE-47、BDE-66、BDE-99、BDE-100、BDE-153、BDE-154、BDE-183、BDE-203、BDE-206、BDE-209，以异辛烷为溶剂，其中BDE-209的溶剂为异辛烷∶甲苯（1∶1，v/v）;碳标记多溴二苯醚单标溶液：ρ=50 mg·L-1，包括13C-BDE-28、13C-BDE-47、13C-BDE-99、13C-BDE-100、13C-BDE-153、13C-BDE-154、13C-BDE-183、13C-BDE-209，以壬烷为溶剂;40 mg·L-1的内标物（碳标记-PCB138和碳标记-PCB52）标准溶液（标准溶液购自ANPEL，Cambridge Isotope Labortories和AccuStandard公司）。

正己烷、二氯甲烷、甲醇、丙酮（均为色谱级）;浓硫酸;50 g·L-1的氢氧化钠溶液;无水硫酸钠;硅胶（100-200目）;2%氢氧化钠硅胶;44%硫酸硅胶;石英砂;石英棉;二氯甲烷/正己烷混合溶剂（1∶1，v/v）;无水硫酸钠（分析纯）：需置于马弗炉中400℃下烘4 h，冷却后装入密封的玻璃瓶中存放;玻璃层析柱空管：内径15 mm，长300 mm，底部带旋塞的玻璃填充柱管;所用气体为高纯氦气和高纯氮气（纯度均为99.999%）。

复合硅胶柱：内径为15 mm，长度为30 cm的净化柱空管，底端用玻璃棉封堵，从底端到顶端依次填入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、4 g无水硫酸钠颗粒。

1.2  土壤样品制备

取样瓶为聚四氟乙烯衬垫的棕色螺口玻璃瓶，满瓶装土，无顶上空间，采集后立即盖盖，并用封口膜密封。在4℃下保存，7 d内完成萃取，40 d内完成测试分析。挑除土壤样品中的叶片、树皮、草根、石子等杂物，称取10.00 g（精确到0.01 g）土壤，并与硅藻土混合均匀，一同装入34 mL的萃取池中，加入20.0 μL碳标记的多溴二苯醚提取内标溶液，混匀，然后加入少量硅藻土，拧紧萃取池上盖。萃取加热温度100℃，静态萃取时间10 min，萃取压力1.034*107 Pa（1500 psi），萃取循环次数3次，收集提取液并经无水硫酸钠脱水，氮吹浓缩至1 mL左右，转移至用正己烷活化好的复合硅胶柱上净化，用少量正己烷冲洗浓缩杯3次，洗液全部转移至复合硅胶柱上，待液面降至无水硫酸钠层时，加入100 mL正己烷-二氯甲烷混合溶液（1∶1，v/v）洗脱，收集洗脱液，氮吹浓缩至小于1 mL，加入10.0 μL进样内标使用液，用正己烷定容至1.0 mL，混匀，进入气相色谱三重四级杆质谱测定。

1.3  仪器条件

Agilent 8890-7000D气相色谱三重四级杆质谱仪色谱条件：进样口为程序升温，优化后的升温程序见表1，气相色谱柱温箱升温程序见表2。进样体积为2 μL，脉冲高压不分流进样方式。色谱柱DB-5ht（15 m × 0.25 mm × 0.10 μm）。DB-5ht柱流速为1.0 mL·min-1，载气为氦气，辅助加热器温度为300℃。

质谱条件：离子源为EI，离子源电子能量70 eV，质量范围：45～1100 amu，离子源温度：280 ℃。四极杆温度：150 ℃。数据采集模式：多重反应监测（MRM）工作模式。

2  结果与讨论

2.1  仪器条件优化

2.1.1  进样口模式优化

多溴二苯醚具有热不稳定性，尤其是高溴代化合物，易在高温下降解，因此进样口温度不宜设置过高;但如果进样口温度过低，多溴二苯醚又会气化不完全，所以，进样口的温度是保证PBDEs准确测定的关键环节。本方法对气相色谱进样口的恒温进样和程序升温进样2种进样模式进行对比，考察PBDEs在2种模式下的响应情况。恒温进样温度为270℃，最初的进样口程序升温进样的程序见表3。

2种进样模式的总离子流图如图1所示。从图1中可以看出程序升温进样的信号强度稍高于270℃恒温进样的信号强度，表明程序升温进样模式能降低PBDEs在进样口的降解程度。因此本方法选择程序升温进样的方式进样。

2.1.2  进样口程序升温初始温度的优化

中国自2007年禁止生产使用低溴二苯醚产品，保留十溴二苯醚（BDE-209）可以继续使用，由于BDE-209市场需求量和使用量都很大，使得BDE-209在环境中检出率高且含量相对较高。而经过查阅文献资料及实践发现，高溴代的多溴二苯醚热不稳定性更加明显，高温下更易降解，响应低，比如即使BDE-209在系统中的浓度提高10倍，其响应比BDE-28还低5倍。测定高溴代的化合物，前进样口设置为程序升温进样，能够减少高溴代化合物在前进样口处的降解和残留，增加目标物的响应，延长仪器的使用寿命。

为了使BDE-209的响应达到最大化，前进样口程序升温初始温度分别设置为80℃，100℃和120℃时，从图2中可以看出，初始温度越高，目标化合物的响应值越高，初始温度在120℃时，BDE-203、BDE-206、BDE-209不仅峰型好且响应最强，因此将进样口程序升温的初始温度设定为120℃。

2.1.3  离子源条件的确定

在以上优化过的气相色谱条件下对质谱条件进行优化。选择MRM的质谱工作模式，可以避免假阳性结果，提高方法准确度和灵敏度，在MRM模式中，每种PBDE选择2-3对定性离子，1对定量离子。首先通过全扫描模式（SCAN）确定各PBDE及其同位素标记物的母离子m/z，對离子源条件优化，以获得最优的质谱响应，本方法考察了不同的离子源温度对质谱响应的影响，离子源温度优化范围为230～320℃，结果如图3所示，结果表明在此温度范围内，PBDEs的响应信号强度基本一致，考虑到过高的离子源温度会降低离子源的使用寿命，本方法设置离子源温度为280℃。再通过子离子模式（Product ion）确定子离子m/z，在MRM模式下优化碎裂能量（collison energy，CE）。最终得到PBDEs的分析数据库。如表4所示。

在优化过程中发现，由于溴原子的同位素峰与非同位素峰质量数差2，强度比为79Br∶81Br =1∶1，因此在溴原子个数超过6以后，标准品与其对应的13C标记物会发生81Br679Brn-612C12HmO与79Brn13C12HmO质谱峰的重叠，如果选择这个m/z的离子作为母离子、较小的碎片离子作为子离子的话，同样会造成结果的假阳性，因此在选择定性定量离子时有以下几个原则：选择质谱图中对应化合物的一簇峰中m/z较大且响应较高的峰作为母离子;选择具有特异性的碎片离子作为子离子;在多个定性离子对中选择信噪比较高、干扰物少的离子对作为定量离子对。

2.1.4  土壤萃取

加速溶剂萃取和索氏提取对比的总离子流叠加图见图4，低溴代化合物如BDE-28，BDE-47等先出峰的物质，虽然索式提取方式的响应值较高，但总体来说2种萃取方式的响应值相差不大。对于环境样品中存量相对较高而在系统中响应较差的BDE-209，加速溶剂萃取方式所获得的响应值相对较高。且索氏提取相较于加速溶剂萃取来说，时间和有机溶剂消耗较多，操作过程繁琐，需要技术熟练地操作人员将样品和硅藻土包裹到滤纸里，折叠成桶状放进提取管中，提取结束后需要将圆底烧瓶和提取管中残留的少量提取液全部倒出，并用溶剂冲洗与样品接触的玻璃器皿，此过程操作不当容易导致样品洒落损失。而加速溶剂萃取仅仅将样品和硅藻土放进萃取池中即可，仪器会自动收集萃取液，几乎没有损失。提取时间可以从数小时缩短到十几分钟，有机溶剂量从120 mL减少到30 mL左右，大幅度减少了的有机溶剂消耗量，更加生态环保，对于大批量的样品测试来说，加速溶剂萃取的效率更优于索氏提取。

2.2  校准曲线及方法学考察

2.2.1  校准曲线分析

用正己烷、多溴二苯醚使用液、碳标记多溴二苯醚使用液、碳标记多氯联苯使用液配制成相应浓度的标准系列。按照仪器分析条件，由低浓度到高浓度依次进行GC-MS/MS测定。以目标化合物浓度/提取内标浓度之比为横坐标，目标物响应值/提取内标响应值之比为纵坐标，建立校准曲线，校准曲线相关系数均>0.99，线性好，能满足测试需要（表5）。

2.2.2  检出限

取7份10 g干燥的石英砂作为空白基质，加入0.2 ng绝对量的PBDEs标准品（BDE-203和BDE-206为2 ng，BDE-209为20.0 ng）。同时加入20 ng绝对量（BDE-209为200 ng）的同位素标记的PBDEs，按试验方法进行分析，计算每个空白基质样品中PBDEs含量，计算7个平行样结果的标准偏差，标准偏差×3.143为方法检出限，以4倍方法检出限作为测定下限。结果见表6。

2.2.3  精密度和准确度

在实际土壤样品中分别加入低、中、高3个浓度的11种多溴二苯醚的混合标准溶液，按试验方法平行测定6次，精密度和回收率结果见表7。方法检出限、精密度、准确度等均能满足批量样品测试要求。

2.3  土壤样品测试结果

因PBDEs广泛应用于电子产品、建材、纺织品和生活用品中，因此电子厂、电子拆解厂、垃圾处理厂为其潜在污染源，采集潜在污染源周边区域的土壤样品，用本方法进行测定。

表8为部分受污染地区样品结果，11种PBDEs均有检出，其中BDE-209为含量最高的单体，说明受污染区内PBDEs污染的主要来源是工业产品十溴二苯醚，其他几种PBDEs可能来源于十溴二苯醚的降解。因此全部有检出，并且含量较低，由此可见本方法较低的检出限能够满足当前实际样品的测试，并且实际样品测试的平行性及加标回收率测试结果满足质量控制要求。

3  结论

本文建立了利用加速溶剂萃取-气相色谱三重四级杆质谱法测定土壤中11种多溴二苯醚方法，采用定性离子对及保留时间定性，同位素内标法定量，选用程序升温进样模式，优化进样口程序升温初始温度条件，减少高溴代化合物在前进样口处的降解和残留，增加目标物的响应，延长仪器的使用寿命;采用加速溶剂萃取土壤中的多溴二苯醚，提高测试效率，减少有机溶剂的使用量，让测试更加低碳环保。结果表明，该法分析11种目标化合物仅用14 min，方法检出限为0.006～0.540 μg·kg-1，所得11种多溴二苯醚的相对标准偏差为1.5%～25.0%，平均回收率为79.3%～123.0%。本法耗时少、准确度与精密度高，易于操作，满足土壤中11种多溴二苯醚类化合物测定的要求，适合土壤批量样品测试分析。

参考文献

陈琼，兰丽丽，孙海娟，蒋小良，2018. 索氏提取-气相色谱质谱法测定纸质包装材料中五种多溴联苯[J]. 中华纸业，39（8）：12-15.

陈泽秋，陈家长，孟顺龙，2018. 多溴联苯醚在环境中的污染现状与毒理效应研究进展[J]. 中国农学通报，34（31）：91-98.

韩文亮，刘豫，陈海明，陈兴童，范涛，2016. 厦门室内多溴二苯醚的沉降通量、季节变化与人体暴露水平[J]. 环境科学，37（3）：834-846.

梁淑轩，李立勇，张国峰，高红霞，姜静，张建生，2010. 微波辅助萃取-气相色谱质谱法检测生物体内的多溴联苯醚[J]. 分析试验室，29（4）：115-118.

刘汉霞，张庆华，江桂斌，蔡宗苇，2005. 多溴联苯醚及其环境问题[J]. 化学进展（3）：554-562.

卢俊文，张宪臣，杨芳，李蓉，张朋杰，黄思允，林淑绵，2017. QuEChERS-气相色谱-串联质谱法测定蔬菜中多溴联苯和多溴联苯醚[J]. 食品科学，38（12）：253-259.

宋倩，2015. 环境中新型污染物多溴联苯醚的预处理技术及分析方法研究进展[J]. 四川化工，18（5）：17-20.

王丽娟，徐桂菊，刘璐，李娜，赵汝松，2019. 多溴联苯醚合成及其分析技术研究进展[J]. 山东化工，48（9）： 88-91.

王丽琴，蒋京鑫，柯桢，2009. 气相色谱-质谱联用仪测定电子产品中多溴联苯和多溴联苯醚[J]. 分析仪器（2）：21-24.

王维，周俊丽，裴淑玮，高富，刘征涛，2014. 多溴联苯醚在环境中的污染现状研究进展[J]. 环境化学，33（7）：1084-1093.

相雷雷，宋洋，卞永荣，生弘杰，柳广霞，蒋新，李国华，王芳，2016. 土壤中10种多溴联苯醚的加速溶剂-固相萃取净化方法优化研究[J]. 分析化学，44（5）：671-677.

徐庚，张亚峰，孙浩然，王晓凤，2019. 多溴联苯醚的污染与控制研究进展[J]. 干旱区资源与环境，33（2）：134-138.

杨芳，张宪臣，卢俊文，闫爱国，陈丽斯，张朋杰，郑雷青，2016. 气相色谱-质谱法测定水中多溴联苯醚残留量[J]. 食品科学，37（16）：254-257.

余彬彬，牛禾，徐方曦，丁苗，王晖，2017. 测量土壤中多溴聯苯和多溴联苯醚含量不确定度评定[J]. 中国环境监测，33（1）：121-126.

张付海，陈鑫，田丙正，赵彬，张敏，2019. 加速溶剂同时萃取和净化-气相色谱-三重四极杆串联质谱测定土壤和沉积物中8种多溴联苯醚[J]. 中国环境监测，35（4）：141-148.

郑晓燕，于建钊，许秀艳，于海斌，陈烨，谭丽，吕怡兵，2015. 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[J]. 色谱，33（10）：1071-1079.

LAW R J， ALLCHIN C R， DE BOER J C， ADRIAN H， DORTE L， PETER M， STEVEN T， JACEK de W， CYNTHIA A， 2006. Levels and trends of brominated flame retardants in the European environment [J]. Chemosphere， 64（2）： 187-208.

United States Environmental Protection Agency， 2010. Brominated diphenyl ethers in Water， Soil， Sediment， and Tissue by HRGC/HRMS US EPA Method 1614A [S].

XU Jing， QIAN Wangyang， LI Juying， ZHANG Xiaofei， HE Jian， KONG Deyang， 2019. Polybrominated diphenyl ethers （PBDEs） in soil and dust from plastic production and surrounding areas in eastern of China [J]. Environmental Geochemistry and Health， 41： 2315-2327.

YADAV I C， DEVI N L， LI Jun， ZHANG Gan， 2018. Environmental concentration and atmospheric deposition of halogenated flame retardants in soil from Nepal： Source apportionment and soil-air partitioning [J]. Environmental Pollution， 233：642-654.