采用超声辅助-固相萃取气相色谱串联质谱法测定废棉中的增塑剂

铁建成， 刘 俊,2， 贾丽霞,2， 藏蒙蒙， 孙慧芹， 朱 鹏

(1. 新疆大学 纺织与服装学院， 新疆 乌鲁木齐 830046； 2. 中华人民共和国乌鲁木齐海关， 新疆 乌鲁木齐 830063)

由于废棉来源广泛、物质复杂，常常会伴有不孕籽、泥沙、枝叶等掺杂物的存在，同时在纺织品加工过程中用到的一些染料、抗静电剂、漂白剂等化学成分也会伴随其中，因此其毒性物质潜在风险严重。增塑剂就属于其中的一类有毒害物质，在自然环境中很难被降解，且具有迁移行为，随着生态循环极易在水体、土壤以及生物体内产生富集[1]，从而给生态环境安全带来严重的威胁。同时邻苯二甲酸酯(PAEs)属于环境激素，对人类和动物有雌性激素效应，会严重影响人体的内分泌平衡，导致生殖系统病变[2-4]，严重影响人体健康。Oeko-Tex©Standard 100对纺织品中PAEs类增塑剂的使用做出了明确的限量要求，其中Ⅰ类纺织品中邻苯二甲酸二异壬酯(DINP)、邻苯二甲酸二辛酯(DNOP)、邻苯二甲酸二乙基己酯(DEHP)、邻苯二甲酸二异癸酯(DIDP)、邻苯二甲酸丁苄酯(BBP)、邻苯二甲酸二丁酯(DBP)、邻苯二甲酸二异丁酯(DIBP)、邻苯二甲酸二异庚酯(DIHP)、邻苯二甲酸二庚酯(DHP)、邻苯二甲酸二甲基乙二醇酯(DMEP)、邻苯二甲酸二戊酯(DPP)的总量不能超过0.1%，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类纺织品中DEHP、BBP、DBP、DIBP、DIHP、DHP、DMEP、DPP的总量不能超过0.1%。己二酸酯(AEs)类增塑剂目前虽未被列入限量行列，但因其毒性也逐渐引起重视。鉴于PAEs和AEs类增塑剂对环境[5-7]和人体的危害[8-10]，同时国内也没有一个系统的、完善的、可靠的废棉中PAEs和AEs类增塑剂的检测方法，无法对符合安全、卫生、环保可利用的废棉进行鉴别和归属，因此，建立废棉中增塑剂的检测方法具有重要意义。

目前，国内外对PAEs和AEs类增塑剂的前处理方法主要采用超声波萃取法[11]、索氏提取法[12]、液液萃取法[13]、加速溶剂萃取法[14-15]、固相萃取法[16-17]、超临界流体萃取法等[18]。Bonini M等[19]采用索氏提取法对食品包装薄膜中16种增塑剂成分进行提取，乙酸乙酯作为提取剂，气相色谱-氢火焰离子检测器(GC-FID)进行检测。Nerín C等[20]采用超临界流体萃取法对纸制食品包装材料样品中增塑剂成分进行提取，以甲醇作为萃取剂，共检测出邻苯二甲酸二乙酯(DEP)、DIBP、DBP、己二酸二辛酯(DOA)和DEHP 5种增塑剂成分。Del C M等[21]建立了一种测定葡萄酒样品中6种邻苯二甲酸酯的方法，采用固相萃取法对葡萄酒样品中PAEs进行提取，并通过气相色谱质谱联用仪(GC/MS)进行测定。但这些方法存在处理流程长、对有机溶剂的消耗量大、操作复杂等不足，特别是针对基质成分复杂的废棉，更加增大了前处理的难度。

本文采用超声辅助-固相萃取前处理方法强化对目标物的富集与纯化，并降低基质效应对目标物的干扰，以期针对复杂基质建立操作简单、溶剂需求量少、成本低廉、对环境友好且富集效率高的前处理方法。

1 实验部分

1.1 实验仪器与材料

Agilent 7890A/5975C气相色谱-质谱联用仪(美国Agilent公司)；KQ-300DE型数控超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司)；N-EVAP-112水浴氮吹仪(美国Organomation公司)；电子天平(瑞士梅特勒-托利多公司)；SmarVapor RE 501旋转蒸发仪(德国De Chem-Tech公司)；EYELA MMV-1000W振荡器(日本东京理化公司)；MS3型涡旋混匀器(德国IKA公司)。Na2SO4/Florisil固相萃取柱(填料2 g/2 g，柱体积6 mL)、HC-C18固相萃取柱(填料2 g，柱体积6 mL)、Alumina-N固相萃取柱(填料1 g，柱体积6 mL)、Florisil固相萃取柱(填料250 mg，柱体积6 mL)均购自上海安谱科学仪器有限公司。

邻苯二甲酸酯类增塑剂标准品：DEP、邻苯二甲酸二丙(DPrP)、DIBP、DBP、DMEP、DPP、邻苯二甲酸双-4-甲基-2-戊酯(BMPP)、邻苯二甲酸二-(2-乙氧基)乙酯(DEEP)、邻苯二甲酸二己酯(DNHP)、BBP、DIHP、邻苯二甲酸二环己酯(DCHP)、DHP、DEHP、邻苯二甲酸二辛酯(DNOP)、DINP、DIDP、邻苯二甲酸二壬酯(DNP)。

己二酸酯类增塑剂标准品：己二酸二乙酯(DEA)、己二酸二异丁酯(DIBA)、己二酸二丁酯(DBA)、己二酸二(2-丁氧基乙基)酯(BBOEA)、己二酸二-2-乙基己基酯(DEHA)。23种增塑剂标准品均购自德国环境标准品责任有限公司，纯度均大于98.0%。

正己烷、甲醇、丙酮、异丙醇、乙酸乙酯均为色谱纯(德国Merck公司)，二氯甲烷为色谱纯(Fisher公司)，无水乙醇、无水硫酸钠均为分析纯(天津致远化学试剂有限公司)。

市场委托和进口报检的50批次废棉原料，其中包括：a类，带有涂料的废棉纱线(16批)；b类，清花落棉(9批)；c类，棉短绒(11批)；d类，其他废棉样品(14批)。

1.2 样品前处理

1.2.1 超声辅助-固相萃取

取代表性废棉样品，剪碎后准确称取5 g(精确至0.001 g)于100 mL的反应瓶中，并加入提取液，摇匀，用聚四氟乙烯(PTFE)膜密封，于30 ℃、40 kHz条件下超声萃取一定时间，取上清液于鸡心瓶中，重复操作1次，合并提取液，旋蒸至1～2 mL，待固相萃取柱进一步纯化。

将Alumina-N固相萃取柱先用4 mL二氯甲烷/正己烷(体积比为1∶1)预先活化、再用4 mL正己烷平衡，弃去流出液，保持柱面湿润，将上述提取液加入到Alumina-N固相萃取柱中，并用10 mL洗脱剂进行洗脱，收集流出液于30 ℃水浴条件下用氮气吹至尽干后，用正己烷定容至1 mL，再用气相色谱质谱联用仪(GC/MS)测试分析。

1.2.2 四氢呋喃前处理方法

按照GB/T 20388—2014《纺织品 邻苯二甲酸酯的测定 四氢呋喃法》前处理方法，取代表性废棉样品，剪碎后准确称取5 g(精确至0.001 g)于100 mL的反应瓶中，并加入四氢呋喃提取液，摇匀，并用PTFE膜密封，于30 ℃、40 kHz条件下超声提取30 min，以4 000 r/min离心3 min，转移提取液至10 mL的试管中，用氮气吹至1 mL，供GC/MS检测。

1.3 GC/MS测试条件

色谱柱：HP-5MS毛细管色谱柱(柱长×内径为30.0 m×0.25 mm，膜厚0.25 μm)；程序升温：60 ℃保持1 min，以5 ℃/min升至200 ℃，保持1 min，再以15 ℃/min升至280 ℃，保持5 min，不分流进样，进样口温度为280 ℃，流速为1.0 mL/min；进样量1.2 μL，电离源为EI源，电离能为70 eV，选择离子检测(SIM)。

1.4 定性和定量方法

准确称23种增塑剂标准品各10 mg，用正己烷溶解并定容至10 mL，配制成混合标准储备液，于棕色试剂瓶在4 ℃下冷藏储存。将上述混合标准储备液，用正己烷稀释成所需浓度的混合标准工作溶液。以样品与标准品的色谱保留时间和特征离子来对样品进行定性，23种增塑剂、保留时间及定性及定量离子质荷比见表1。定量方法采用外标法定量。

2 结果与讨论

2.1 特征离子的选择离子扫描

选择离子扫描(SIM)是根据目标物质的某些特征离子来进行有选择性的检测，所以会大大增加目标物质的色谱峰强度，有效减少杂峰的产生，降低了基体中其他成分对目标物质的干扰，提高了分析方法的精确度和选择性。本文首先对23种增塑剂的混合标准工作液进行全扫描(SCAN)模式检测，以此来确定各目标物质的出峰时间，并根据质谱图中离子碎片来确定其种类以及定性和定量离子。其中发现DIHP、DINP和DIDP这3种物质的色谱峰均为多重峰，且DINP和DIDP这2种物质色谱峰有部分重叠。为了使DINP和DIDP这2种目标物质的色谱峰能够得到良好的分离，以确保对实验结果分析的准确性，分别以质荷比等于149、149和293、307的离子作为DINP、DIDP的定量离子，通过SIM模式对其进行测试。结果表明，当以质荷比等于293、307的离子作为DINP、DIDP的目标离子相比以质荷比等于149、149的离子作为DINP、DIDP的目标离子时的分离效果要好。综上，本文实验选择质荷比等于293、307的离子作为DINP、DIDP的目标离子。23种增塑剂的混合标准工作液选择离子扫描(SIM)模式测试结果见图1，各目标物质色谱峰均能实现较好的分离。

表1 23种增塑剂的保留时间及离子质荷比Tab.1 Retention time of 23 plasticizers and ratio of ion proton number to charge number

1—DEA；2—DEP；3—DIBA；4—DBA；5—DPrP；6—DIBP；7—DBP； 8—DMEP；9—DPP；10—BMPP；11—BBOEA；12—DEEP； 13—DNHP；14—BBP；15—DEHA；16—DIHP；17—DCHP；18—DHP； 19—DEHP；20—DNOP；21—DINP；22—DIDP；23—DNP。下同。图1 23种增塑剂标准品选择离子扫 描总离子流色谱图Fig.1 Selected ion scan total ion current chromatogram of 23 plasticizer standards

2.2 超声辅助-固相萃取条件的确定

2.2.1 提取溶剂的选择

以23种增塑剂化合物的回收率为参考，考察了二氯甲烷、甲醇、正己烷、丙酮、正己烷-二氯甲烷(体积比为2∶1)对23种增塑剂的萃取效果。以二氯甲烷、甲醇和正己烷作为提取剂时DIHP、DINP、DIDP均未被提取出来，其余化合物回收率在37%～62%之间，提取效率较低。可能原因是DIHP、DINP、DIDP这3种化合物自身具有较高的测定下限，在测定时响应值较低，因此未被检出。以丙酮作为萃取溶剂时除DIHP、DINP和DIDP回收率低于45%，其余化合物回收率均大于60%。以正己烷-二氯甲烷(体积比为2∶1)作为提取剂时23种化合物回收率均在60%以上。

考虑到PAEs和AEs类增塑剂属于弱极性或中等极性物质，根据相似相溶原理，提取溶剂的极性大小可能会对目标物质的提取效率产生一定的影响，因此本文实验又进一步考察了不同体积比时正己烷-二氯甲烷的回收率，结果如图2所示。当正己烷-二氯甲烷溶液体积比为4∶1时，23种增塑剂的回收率均在70%以上，因此，选择正己烷-二氯甲烷(体积比为4∶1)作为萃取剂。

图2 不同萃取溶剂对萃取效率影响Fig.2 Influence of different extraction solvents on extraction efficiency

2.2.2 超声萃取时间选择

以正己烷-二氯甲烷(体积比为4∶1)作为萃取剂，探讨了萃取时间对增塑剂回收率的影响，结果如图3所示。

图3 不同萃取时间对萃取效率的影响Fig.3 Effects of different extraction times on extraction efficiency

随着萃取时间的增加，萃取效率也逐渐增加，当萃取时间达到30 min时，再往后延长萃取时间，大部分目标物质萃取效率均再无明显增加;反而目标化合物DPrP、DMEP、DPP、DEEP、DINP、DIDP的萃取效率均有不同程度下降趋势，原因可能是由于PAEs属于半挥发性物质，在长时间的超声处理情况下有部分已挥发。因此，本着实验的快速、高效，萃取时间推荐选取30 min。

2.2.3 固相萃取柱及洗脱剂的选择

本文实验分别比较了Na2SO4/Florisil、HC-C18、Florisil、Alumina-N 4种固相萃取柱对样品提取液的净化效果。结果发现，强极性的中性Alumina-N固相萃取柱相对于其他3种固相萃取柱可有效吸附样品提取液中的杂质和未知成分,因此，选择Alumina-N固相萃取柱以吸附极性杂质洗脱目标物质的方式来净化本底和富集目标物。

选用丙酮、二氯甲烷、乙酸乙酯、异丙醇、正己烷-二氯甲烷(体积比为2∶1)5种溶剂各15 mL作为洗脱剂分别对Alumina-N固相萃取柱进行洗脱，收集流出液，供GC/MS测试分析。结果发现，15 mL正己烷-二氯甲烷(体积比为2∶1)洗脱液可将Alumina-N固相萃取柱吸附的目标物质有效的洗脱下来，但同时也伴随着部分杂质峰的产生，根据相似相溶原理，当洗脱剂极性过大时可能会将Alumina-N固相萃取柱中吸附的极性杂质一并洗脱下来。考虑到洗脱剂极性强弱问题，又进一步考察了不同体积比(3∶1、4∶1、6∶1、8∶1)时正己烷-二氯甲烷对样品提取液的净化效率。结果表明，当正己烷-二氯甲烷体积比为6∶1时，既可将目标物质完全洗脱，同时Alumina-N固相萃取柱对目标物质的纯化效果也较为理想。综合考虑，选用Alumina-N固 相萃取柱对样品提取液进行吸附杂质净化本底和富集目标物，正己烷-二氯甲烷(体积比为6∶1)进行洗脱。

以正己烷-二氯甲烷(体积比为6∶1)作为洗脱溶剂，进一步优化洗脱溶剂用量。每2 mL用量收集1次，共收集10次，分别计算每段流出液中目标物质的回收率。结果表明，当洗脱溶剂体积达到10 mL时，各目标物质的回收率达到83.3%～104.3%，继续增加洗脱剂用量，各种目标物质的回收率均再无明显增加,因此，本文将最终选用10 mL正己烷-二氯甲烷(体积比为6∶1)混合溶剂作为Alumina-N固相萃取柱的洗脱剂。

采用以上优化过的固相萃取方法，对不含目标物质的实际样品提取液(添加1倍定量限的DPrP、DIBP和DBP这3种物质)进行测定，测试结果如图4所示。图4(a)示出未经过固相萃取柱净化的样品测试结果，可明显看出样品中存在较多未知成分的杂质峰，基质对目标物质的干扰较大。图4(b)示出经固相萃取柱净化的样品测试结果，可看出几乎不存在任何杂质峰，基质对目标物质几乎无干扰。

图4 样品提取液在固相萃取前和 固相萃取后色谱图对比Fig.4 Chromatogram comparison of sample extract before solid-phase extraction(a)and after solid-phase extraction(b)

2.3 增塑剂标准曲线与线性范围和检出限

配制5种质量浓度分别为1，2，5，10，20 μg/mL的混合标准工作液(DIHP、DINP、DIDP为5，10，25，50，100 μg/mL)，以标准工作液的质量浓度为自变量，定量离子质量色谱峰面积为因变量，绘制标准工作曲线，得到线性方程和相关系数，结果见表2。相关系数r≥0.990 7，根据HJ 168—2010《环境监测分析方法标准制修订技术导则》关于检出限的计算方法，平行测定7次低浓度空白加标样品，计算各目标物质的检出限。由表可知，23种增塑剂检出限(LOD)在0.084～1.748 μg/g之间，其中DIHP、DINP、DIDP这3种物质的LOD分别为1.464、1.423、1.748 μg/g，明显高于其他物质的LOD，其原因可能是由于这3种物质具有较高的测定低限，且具有多重峰，线性范围是其他物质的5倍，因此，比其他物质LOD高。以4倍的LOD来限定其定量限(LOQ)，23种增塑剂的LOQ为0.336～6.992 μg/g。

2.4 本文方法的加标回收率和检出率

由于废棉中的棉纤维结构比较复杂，由初生层、次生层和中腔结构组成，考虑到直接对废棉样品进行加标测试，大部分目标物质可能会只存在于棉纤维表面，无法进入到内部结构，其测试结果不具代表性，因此，为模拟自然环境中增塑剂在废棉中的存在环境，实验选取代表性废棉样品，分别添加到3个不同的加标水平5、10、20 μg/mL(DIHP、DINP、DIDP为25、50、100 μg/mL)中，搅拌使样品与目标物质充分混匀后，密封于常温下静置12 h，使目标物尽可能地充分浸润到棉纤维内部结构中。按照1.2.1节前处理方法对样品进行处理后，按1.3节仪器条件上机测试，每个加标水平做6次平行对照组，进行加标回收测试，结果见表3。23种增塑剂日内平均回收率为83.3%～104.3%，相对标准偏差(RSD，n=6)为1.9%～8.1%，日间平均回收率为83.4%～103.3%，相对标准偏差(RSD，n=6)为1.6%～8.7%。

表2 23种增塑剂的线性相关系数、线性范围、检出限(LOD)和定量限(LOQ)Tab.2 Linear correlation coefficient, linear range, limit of detection (LOD) and limit of quantification (LOQ) of 23 plasticizers

2.5 方法验证

根据本文建立的方法与GB/T 20388—2014《纺织品 邻苯二甲酸酯的测定 四氢呋喃法》方法进行对比，分别对市场委托和进口报检的50批次废棉样品进行了23种增塑剂成分的测定。由于同一类样品不同批次中含有待测成分的不确定性，同时为了使检测结果更具代表性，实验分别对a、b、c、d这4类中的每批样品进行了目标成分的测定。采用GB/T 20388—2014方法检测结果表明，50批废棉样品中仅检出2种目标物质，其中在带有涂料的废棉纱线中检出DIBP和DNOP，含量分别为0.541～0.746 μg/g和0.648～1.702 μg/g，在其他废棉样品中检出DNOP，含量为0.841～1.327 μg/g。运用本文建立的方法检测，有7种目标物质均不同程度的被检出，在带有涂料的废棉纱线中检测出目标物质：DBA、DIBP、DBP和DNOP，含量分别为1.427～1.813、0.466～0.573、0.684～1.320和0.475～1.731 μg/g，在清花落棉、棉短绒样品中均检测出DEHP，含量分别为0.574～0.651、0.597～0.714 μg/g，其他废棉样品中检测出DEP、DNHP和DNOP，含量分别为0.558～0.847、1.435～1.973和0.755～1.436 μg/g。其中DBA、DBP、DEHP、DEP、DNHP这5种物质在GB/T 20388—2014方法中均未被检出，其主要原因是该方法无法有效地去除基体中未知成分和杂质对目标物产生的干扰，无法实现对目标物质良好的净化和富集效果，从而导致目标物质无法被检出。而采用本文建立的超声辅助-固相萃取前处理方法可有效避免以上弊端，极大程度地提高了目标物质的检出率。

3 结束语

本文利用超声辅助-固相萃取前处理方式，以正己烷-二氯甲烷(体积比为4∶1)作为提取剂，提取液经Alumina-N固相萃取柱净化和富集，采用气相色谱质谱仪(GC/MS)进行检测，建立了废棉中邻苯二甲酸酯(PAEs)和己二酸酯(AEs)类增塑剂成分的同时检出方法，并与GB/T 20388—2014方法进行了对比，检出率及灵敏度都有显著提高，且该方法样品处理过程简单、干扰小，各目标物质均能实现良好的分离，可简便快速地检测出23种增塑剂的含量。通过对实际样品测定验证，该方法可较为准确地检测出废棉中PAEs和AEs类增塑剂的微量残留，废棉中此类物质的有效提取和微量检测方法对质量控制、环境保护以及人类健康等方面具有重大的意义。