環境中有機紫外吸收劑前處理及儀器分析方法研究進展

裴繼影,劉 耐,胡俊杰,王一潼,余克服,張瑞杰

1.廣西大學海洋學院,廣西 南寧 530000 2.廣西南海珊瑚礁研究重點實驗室,廣西 南寧 530000

有機紫外吸收劑(OUVs)是一種光穩定劑,按照化學結構分類,主要包括二苯甲酮類、樟腦衍生類、對氨基苯甲酸酯類、肉桂酸酯類、水楊鹽酸類、二苯甲?；淄轭?、苯并三唑類等類別(OUVs的基本信息見表1)。由于OUVs熱穩定性及化學穩定性好,能夠大幅度提高產品的抗老化性及安全性,因此在食品包裝[1]、化妝品[2]以及工業[3]等領域的應用日趨廣泛。

表1 OUVs的基本信息Table 1 Basic information of OUVs

研究報道,2005—2010年,全球防曬產品的銷售額從56億美元增長至72億美元[4],未來全球防曬產品銷售額也會呈現大幅度增長趨勢[5]。巨大的經濟效益往往伴隨著環境問題,OUVs經人類游泳或潛水等娛樂途徑進入環境,工業產品廢棄后的非標準排放也會加重環境中OUVs的污染。目前,水體[6-10]、沉積物[11-19]、生物體[20-25]等多種環境介質中均已檢測到OUVs,對生態環境和人類健康造成威脅。

對環境中OUVs進行精準監測是制定環境保護政策的必要條件,快速高效的樣品前處理技術和準確靈敏的分析檢測方法是提高OUVs環境檢測精準度的前提。由于環境中的OUVs含量低,測樣時易受基質干擾,在樣品測定之前對樣品進行前處理(富集、凈化、濃縮)是增加儀器信號響應的一種有效手段(常見的前處理方法見圖1)。此外,OUVs測定方法也隨著分析技術的發展從傳統的薄層色譜、液相色譜逐漸向質譜技術轉變。

圖1 環境介質中OUVs常用前處理分析方法流程或原理Fig.1 Flow or schematic diagrams of common pretreatment methods of OUVs in environmental matrices

該研究綜合整理了近年來環境樣品中OUVs的前處理方法及測定方法:①分別總結了環境中水體、沉積物和生物樣品的前處理方法,并分析了實驗條件對前處理回收率的影響;②綜述了近年來液質聯用和氣質聯用技術在OUVs測定中的發展趨勢,并分析了影響OUVs儀器檢測靈敏度的因素。

1 環境樣品中OUVs的前處理方法

1.1 水體樣品中OUVs的前處理方法

目前,OUVs的儀器檢測限為ng/L～μg/L量級,而其在水體中的濃度通常低于儀器檢測限,直接對水體中的OUVs進行測定很難。另外,實際樣品中含有大量營養鹽、重金屬、有機污染物等共存物,嚴重干擾OUVs的測定。在儀器分析測試之前對水樣進行富集凈化處理是降低基質干擾,提高待測物濃度的一種有效方法。水體樣品中OUVs的前處理方法主要包括基于固相填料和基于液相萃取劑的2類分析方法。

在基于固相填料的前處理方法中,萃取柱填料和洗脫劑對回收效率的影響至關重要。其中,固相萃取(SPE)根據相似相溶原理,常使用疏水性或親脂親水性填料,如十八烷基硅烷(C18)[23]、苯基[26]、聚苯乙烯-二乙烯基苯(HLB)[7]等;其洗脫劑通常選擇弱極性的雙組分溶劑,如甲醇和乙酸乙酯[23]、乙酸乙酯和二氯甲烷[8]、甲醇和二氯甲烷[27]等。EKPEGHERE[28]利用SPE富集廢水和河水中的4-MBC、BP-3和ODPABA等6種OUVs,以C18作為柱填料,以二氯甲烷、乙酸乙酯以及體積比為1∶1的乙酸乙酯和二氯甲烷為洗脫劑,對分析物進行先后洗脫,回收率高達82%～118%。TANG等[29]選擇HLB作為SPE柱填料,以體積比為9∶1的二氯甲烷和甲醇作為洗脫劑,對湖水和河水中的4-MBC、BP-3和UV-326等11種OUVs進行富集,回收率為85.6%～112%。除此之外,基于離子交換原理的離子交換型吸附劑也常用作SPE柱的填料,它適用于強極性化合物的富集與提取[6],對于極性差別較大的物質,回收率表現出較大差異。O′MALLEY等[30]利用SPE,以離子交換型吸附劑Polystyrene-Divinylbenzene Polymer Absorbent(PS-DVB)為填料,對水庫水中的10種OUVs進行富集分析,BMDBM(pKa=9.74)的回收率低于60%,而PBSA(pKa=-0.87)的回收率高達120%?；诠滔嗵盍系那疤幚矸椒ㄟ€包括在線固相萃取(On-line-SPE)、固相微萃取(SPME)和半透膜裝置(SPMD)等不同形式。On-line-SPE是將SPE與分析檢測儀器聯用的一種方法,其優點是減少手動操作過程、提高單個樣品的分析時間,缺點是不能高通量分析,一次只能處理一個樣本,且柱填料的選擇性差。MOLINS-DELGADO等[18]使用固相萃取與超高效液相色譜-串聯質譜聯用儀器(SPE-UPLC-MS/MS),對廢水中的BP-3、EHMC和OC等9種OUVs同時進行富集、凈化、檢測,每個樣品的運行時間可低至20 min,回收率為30%～102%。SPME是通過使用在基質表面涂抹吸附萃取功能的材料進行微萃取的一種方法,與SPE相比,其具有無須使用有機溶劑、操作簡便、分析速度快等優點。VILA等[31]利用SPME對海水和游泳池水等28個樣品中14種OUVs進行富集分析,通過優化纖維涂層材料、萃取方式和鹽添加量等條件,回收率達到85.6%～106%?？椢锵辔捷腿〖夹g(FPSE)作為SPME方法的另一種形式,是以柔性和滲透性的纖維材料為基體,以溶膠-凝膠或有機-無機材料等為化學涂層的一種新型提取技術,并同樣能夠在樣品處理中取得較好的回收率[32]。SPMD集被動采樣和富集于一體,它是在低密度聚乙烯等材料中嵌入非極性溶劑,當水中的非極性分子以被動擴散方式[33]進入后對分析物進行富集濃縮的一種方法。BALMER等[34]以體積比為95∶5的環戊烷和二氯甲烷作為SPMD溶劑,對BP-3、4-MBC、EHMC、OC進行富集分析,回收率為51%～110%。

液液萃取(LLE)是基于液相萃取劑對水體樣品中分析物富集凈化的一種經典方法,存在形式包括分散液液萃取(DLLME)和液相微萃取(LPME)等。其中,萃取溶劑對回收效率的影響至關重要。DLLME是利用萃取溶劑和目標化合物之間較大的接觸面積,對分析物進行高效率富集的一種方法。KUNG等[35]利用DLLME,以正辛醇為萃取溶劑,對中國臺灣墾丁國家公園珊瑚礁表層水的4種二苯甲酮類OUVs和4-MBC進行富集,回收率為88.6%～109.7%。而LPME是利用微升級的溶劑萃取目標化合物的一種方法,具有溶劑使用量少、環保、安全、樣品制備簡單等優點。KU等[36]利用LPME方法,以體積比為2∶8的1-辛醇和異辛烷為萃取溶劑,萃取海水中的BP-8、BP-3和4-MBC,回收率為67%～115%。和SPE相比,LLE具有無須特殊裝置和材料、操作簡單等優點,但其缺點是須消耗大量有機試劑,易造成二次污染,且難以實現樣品的批量處理,詳見表2[6-10,18,23,26-32,34-59]。

1.2 沉積物樣品中OUVs的前處理方法

固體樣品在富集凈化之前需要進行萃取,目的是將待測物從固相轉移至液相,常用的萃取方法包括SE、MAE、UE、ASE、QuEChERS和MSPD等,其中,SE、MAE、UE和ASE已應用于沉積物樣品中OUVs的提取。SE和MAE是通過加熱來提高目標化合物的萃取效率,而UE可在常溫下操作,從而避免熱不穩定性物質的分解[60],如二苯甲酮類物質BP-3,溫度越高,轉化為BP-1和BP-8的速率越高[61],MAO等[43]利用UE萃取沉積物中BP-3等7種OUVs,BP-3的回收率為98.8%。ASE是一種在高溫高壓下,利用有機溶劑萃取固體和半固體的自動化方法,其優點是有機溶劑用量少、過程快速、基質影響小、回收率高和重現性好。為了去除脂肪、脂肪酸、色素等干擾物質以凈化樣品,通常在ASE萃取池內加入吸附劑,如氧化鋁[62]、硅藻土[63]、乙二胺-N-丙基硅烷硅膠(PSA)[8]等。MOLINS-DELGADO等[18]利用ASE萃取凈化河流沉積物中的BP-3、4-MBC和OC等8種OUVs,以氧化鋁作為池內凈化劑,甲醇和體積比為1∶1的甲醇、水作為萃取溶劑,回收率為70%～102%(BP-1除外,它的回收率僅為30%)。在經SE、MAE、UE、ASE萃取后,如若樣品基質仍然很嚴重,可通過SPE、凝膠滲透色譜法(GPC)等進一步凈化。如PENG等[19]結合SPE(以甲醇作為萃取溶劑)和UE對河口沉積物中的BP-3、UV-P和OC等13種OUVs進行提取,回收率為55.1%～117.6%。LANGFORD等[8]結合GPC和ASE對污泥和沉積物中的BP-3、UV-234和OC等8種OUVs進行萃取與凈化,回收率為72%～114%,詳見表3[8,11,13-14,16,18-19,29,42-43,57,62-67]。

1.3 生物樣品中OUVs的前處理方法

生物樣品富含蛋白質、脂質、脂肪酸、色素等生物分子,不僅嚴重干擾OUVs在儀器上的信號響應,而且會堵塞色譜柱,縮短色譜柱壽命,因此樣品需要更為嚴格的前處理操作。目前,UE、MAE、ASE、QuEChERS和MSPD等萃取方法通常搭配SPE、GPC、硅膠柱、制備色譜等凈化方法,已應用于生物樣品中OUVs的提取(表4)[7-8,20-22,24-25,34,57,68-69,71-80]。ALONSO等[68]結合UE和SPE對海豚肌肉組織中的4-MBC、EHMC、ODPABA和OC進行提取,回收率為60%～115%。BALMER等[34]結合ASE、GPC和硅膠柱對魚組織中的EHMC、4-MBC、OC和BP-3進行提取凈化,回收率高達93%～115%。QuEChERS和MSPD都是基于吸附劑與雜質的相互作用達到凈化的目的,但兩者的操作方式有所差異,前者是將樣品、萃取溶液和吸附劑直接在試管中混合,萃取后離心獲得萃取液;而后者是將半干狀態的分散劑或吸附劑與樣品的混合物作為填料一起裝入層析柱,然后用不同的溶劑淋洗柱子,將各種待測物洗脫下來。QuEChERS和MSPD常用的吸附劑有PSA、C18、硫酸鎂(MgSO4)、硫酸鈉(Na2SO4)、硅膠等。如HUANG等[69]利用QuEChERS,以MgSO4、氯化鈉(NaCl)為吸附劑,乙腈為萃取溶劑,對魚中10種苯甲類OUVs進行萃取,回收率為75%～96%。VIDAL-LINAN等[80]利用MSPD提取海洋貽貝中的4-MBC、OC和BP-4,選擇乙腈作為洗脫溶劑,回收率高達90%～110%。

2 OUVs儀器分析方法

質譜檢測器具有靈敏度高、特異性強等優點,近年來成為OUVs測定的主流儀器,其搭配氣相色譜或液相色譜,可以實現樣品中多種OUVs的同時測定。目標化合物經色譜柱分離后先后進入質譜離子源發生離子化,單質譜是基于母離子的信號強度進行定量,而串聯質譜是選定特定質荷比(m/z)的母離子,通過施加能量將其碎裂成具有特定結構信息的產物離子,然后根據產物離子的信號強度進行定量的一種方法?；衔锏亩ㄐ栽趩钨|譜分析中是基于母離子的m/z以及在色譜中的保留時間,而其在串聯質譜分析中是基于產物離子的結構信息及其保留時間,后者不僅可以避免液相色譜分析方法中待測物的假陽性問題,而且對目標化合物的色譜峰分離度要求可適當降低。

基于相關文獻[6-32,34-62,64-79],筆者對OUVs的不同測定方法的檢測限及其發展趨勢進行匯總分析。在氣相色譜-單質譜(GC-MS)、氣相色譜-串聯質譜(GC-MS/MS)、液相色譜-單質譜(LC-MS)、液相色譜-串聯質譜(LC-MS/MS)4種分析方法中,對OUVs分析的檢測限分別為0.5×102～1.25×105、0.24×102～1.92×104、5.4×102～5×104、0.4×100～3.96×104ng/L,這在一定程度上解釋了分析方法發展的趨勢。OUVs檢測方法的發展趨勢如圖2(a)所示,在2005—2010年,OUVs的測定以GC-MS為主;2011—2015年,LC-MS/MS和GC-MS兩者在數量上相當;2016年之后,LC-MS/MS占絕對優勢。即OUVs的測定從傳統的氣質聯用逐漸轉向液質聯用,從單四極桿檢測逐漸轉向三重四極桿檢測。這種轉變可能是由于氣質聯用中使用廣泛的電子轟擊離子源(EI)是一種“硬”離子源[81],易于將化合物打碎,降低母離子的信號強度;而液質聯用使用最廣泛的電噴霧離子源(ESI)是一種“軟”離子源[82],離子化時能夠保留化合物的完整分子信息,搭配串聯質譜分析可以進一步提高其定性和定量能力[83]。筆者選擇檢測率較高的4種OUVs(BP-3、4-MBC、EHMC、ODPABA)[6-31,34-62,64-72,74-79],考察液質聯用和氣質聯用對其定量分析的檢測效果。如圖2(b)所示,2種儀器的檢測限均在ng/L量級,BP-3和4-MBC在液質聯用的檢測限均顯著低于氣質聯用;而EHMC和ODPABA在液質聯用和氣質聯用的檢測限無顯著性差異。

圖2 OUVs儀器分析方法Fig.2 The instrumental analytical method for OUVs determination

質譜分析中,離子源對化合物的離子化效率至關重要。在液質聯用中,ESI源適合極性化合物的電離,而大氣壓化學電離源(APCI)適合非極性化合物的電離,大氣壓光致電離源(APPI)對以上2種離子源未覆蓋的化合物進行補充[84]。在氣質聯用中,EI源由于具有較強的定性能力,使用頻率高于化學電離源(CI)。筆者對比了不同離子源對苯并三唑類OUVs的檢測效果,見圖3。由于苯并三唑類OUVs的分子結構中含有多個苯環及叔丁基結構,極性較弱,APCI源和APPI源對其分析的檢測限顯著低于ESI源。

圖3 液質聯用中ESI、APCI、APPI離子源在苯并三唑類OUVs檢測中的LOD比較Fig.3 LOD comparison of ESI,APCI and APPI sources for benzotriazole-type OUVs determinations by LC-MS/MS

3 結論與展望

OUVs因具有高穩定性和難降解的特點被廣泛應用于生活和工業產品中,并在多種環境介質中被檢出,對生態環境及人類健康產生威脅。建立快速、高效、高靈敏度的OUVs監測分析方法(包括樣品前處理和分析檢測2個部分)對環境治理與保護具有重要意義。對于樣品前處理方法的選擇應依據樣品形態而定,水體樣品主要采用基于固相填料的SPE、On-line-SPE、SPME、FPSE、SPMD等方法及基于液相萃取劑的LLE、DLLME、LPME等方法;而固體樣品(沉積物和生物)主要是采用SE、MAE、UE、ASE、QuEChERS、MSPD等萃取方法搭配SPE、GPC、硅膠柱或制備色譜等凈化方法。富集填料和萃取溶劑對OUVs提取效率至關重要,應根據環境樣品基質類型和目標OUVs的種類合理選擇。鑒于目前OUVs的前處理方法仍存在諸多不足,如處理過程耗時較長、有機試劑消耗量大(主要是針對液液萃取)、多種OUVs同時提取時回收效率參差不齊等,未來應致力于開發高效、環保、原位在線的OUVs前處理方法。氣質聯用和液質聯用是OUVs檢測的主要儀器,其檢測限為ng/L～μg/L量級,而水體、沉積物和生物樣品中的OUVs濃度分別為ng/L、ng/g、ng/g量級,因此樣品通過富集凈化,質譜技術能夠滿足實際樣品的分析檢測。在質譜分析中,離子源對OUVs的離子化效率至關重要,應依據目標OUVs的物理化學性質(沸點、分子量大小、極性)等因素而選擇。鑒于質譜儀器具有成本高、體積大、難以原位測定等缺點,未來應致力于開發低成本、小體積、原位快速的OUVs檢測分析方法。