环境监控与预警   2022, Vol. 14 Issue (5): 82-87.  DOI: 10.3969/j.issn.1674-6732.2022.05.013.
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监测技术

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刘媛媛, 张倩, 梁涛, 郑国砥, 王凌青, 加速溶剂萃取-在线净化-液相色谱串联质谱法检测污泥堆肥样品中三氯生和三氯卡班 . 环境监控与预警, 2022, 14(5): 82-87. DOI: 10.3969/j.issn.1674-6732.2022.05.013.
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LIU Yuan-yuan, ZHANG Qian, LIANG Tao, ZHENG Guo-di, WANG Ling-qing. In-cell Clean-up-Pressurized Liquid Extraction-Liquid Chromatography-Tandem Mass Spectrometry for the Analysis of TCS and TCC in Sewage Sludge. Environmental Monitoring and Forewarning, 2022, 14(5): 82-87. DOI: 10.3969/j.issn.1674-6732.2022.05.013.
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基金项目

国家自然科学基金—青年科学基金资助项目(42203011)

作者简介

刘媛媛(1991—),女,博士,研究方向为环境污染控制及有机物检测分析.

通讯作者

张倩  E-mail: zhangqian@igsnrr.ac.cn.

文章历史

收稿日期:2022-04-24
修订日期:2022-07-04

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加速溶剂萃取-在线净化-液相色谱串联质谱法检测污泥堆肥样品中三氯生和三氯卡班
刘媛媛, 张倩, 梁涛, 郑国砥, 王凌青    
中国科学院,地理科学与资源研究所,北京 100101
摘要:污泥堆肥样品基质复杂,其中三氯生(TCS)和三氯卡班(TCC)的提取和净化过程操作烦琐、回收率低。通过对净化条件进行优化,建立了加速溶剂萃取-在线净化-液相色谱串联质谱法检测污泥堆肥样品中TCS和TCC的分析方法,并对上海某污水厂实际污泥堆肥样品中的TCS和TCC进行定量分析。结果表明,TCS和TCC的检出限分别为0.003和0.000 2 μg/g,加标回收率为90.3%~99.8%,相对标准偏差(RSD)为1.2%~8.5%(n=6)。该方法样品前处理时间短、回收率高、试剂使用量少,能够满足实际污泥堆肥样品中TCS和TCC的检测要求。
关键词污泥堆肥    加速溶剂萃取    在线净化    样品前处理    三氯生    三氯卡班    
In-cell Clean-up-Pressurized Liquid Extraction-Liquid Chromatography-Tandem Mass Spectrometry for the Analysis of TCS and TCC in Sewage Sludge
LIU Yuan-yuan, ZHANG Qian, LIANG Tao, ZHENG Guo-di, WANG Ling-qing    
Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China
Abstract: The extraction and clean-up of triclosan (TCS) and triclocarban (TCC) in sewage sludge is complicated and is of low recoveries. By optimizing the extraction conditions, an automated and sensitive method based on in-cell clean-up pressurized liquid extraction (PLE) coupled with liquid chromatography-tandem mass spectrometry was developed for the determination of TCS and TCC in sewage sludge. The quantitative analysis on TCS and TCC in real sewage sludge samples from a sewage treatment plant in Shanghai was accomplished. The results showed that the limits of detection (LOD) were 0.003 and 0.000 2 μg/g for TCS and TCC, respectively, and the recoveries were 90.3%~99.8% with relative standard deviations (RSD) ranged from 1.2% to 8.5% (n=6). The method is of less time-consuming, higher recovery and less solvent usage. It meets the needs of determination of TCS and TCC in sewage sludge.
Key words: Sewage sludge    Pressurized liquid extraction    In-cell clean-up    Pretreatment    TCC    TCS    

三氯生(TCS)和三氯卡班(TCC)是高效广谱抗菌剂,因其皮肤相容性好和脂溶性较强,被广泛应用于护肤品、纺织品和消毒剂等产品[1-2]。但TCS和TCC均具有较强的生物毒性,是一种新型内分泌干扰物,可通过食物链在生物体富集,危害人体健康和生态系统。对TCS和TCC的毒性研究表明,小鼠急性经口的半数致死量(LD50值)为1 470 mg/kg,属于低毒[3],但长期暴露于大剂量TCS中,会引发免疫系统紊乱及肝肾受损[4],TCC可通过影响细胞周期进程等破坏小鼠卵母细胞的成熟,产生生殖毒性[5]。目前环境中TCS和TCC的重要来源是污水处理厂的污水和底泥,传统活性污泥法能去除污水中90%的TCS和TCC,但仅有30%~40%可被生物降解[6]。因TCS和TCC的疏水性和污泥的强吸附性,其大部分被吸附储存在污泥中,有研究表明,污泥中TCS的质量分数为0.028~37.189 mg/kg[7-8],TCC为2.17~5.97 mg/kg[9]。因此,建立一种准确、快速、低成本的检测方法具有重要意义。

污泥堆肥样品中的TCS和TCC的检测难点在于样品基质复杂,且对疏水性有机物有强吸附作用。基于此,通常污泥堆肥样品的前处理步骤分为萃取和净化。目前,应用到污泥堆肥样品的萃取方法有索氏提取法[10-12]、加速溶剂萃取法(ASE)[13-15]和超声提取法等[16-17],净化技术一般有柱层析法、凝胶渗透色谱法[11, 18]和固相萃取法等[19]。与索氏提取法等传统萃取技术相比,加速溶剂萃取法耗时少、溶剂消耗少、提取效率高,已被广泛应用,但后续净化步骤仍然耗时费力。通过在萃取池内填入吸附材料实现一步提取净化的方法更高效、快速且误差更小[20],这种方法已被用来检测不同基质样品中的持久性有毒污染物,如复杂基质中的农药[21],土壤[22]、沉积物[23]和污泥样品[24]中的多环芳烃,土壤[25]、大气颗粒物[26]、饲料[27]及海洋样品[28]中的多溴二苯醚(PBDEs)等,但对污泥堆肥样品中的TCS和TCC的检测方法还不完善。

建立了加速溶剂萃取-在线净化-液相色谱串联质谱法检测污泥堆肥样品中的TCS和TCC的分析方法,对萃取溶剂、温度、静态时间、循环次数以及净化吸附材料的类型和用量进行优化,为污泥堆肥样品中TCS和TCC的风险评估和污染管理提供技术支撑。

1 实验部分 1.1 仪器与试剂

仪器:LCMS 8045高效液相色谱-三重四极杆质谱仪(日本岛津公司);Shim-pack GIST-HP C18色谱柱(3.0 μm×2.1 mm×50 mm,日本岛津公司);ASE 350加速溶剂萃取仪(美国Thermo Fisher公司);R-215旋转蒸发仪(瑞士BUCHI公司);N-EVAP-112氮吹仪(美国Organomation公司);玻璃纤维膜(30 mm,美国Thermo Fisher公司);有机滤膜(0.22 μm,上海安谱公司)。

试剂:TCS和TCC标准样品(1 g /L,美国AccuStandard公司);正己烷、二氯甲烷、甲醇、丙酮(HPLC级,德国Duksan Pure Chemicals公司);100~300目中性氧化铝、100~200目弗罗里硅土、40~43目酸性硅胶、N-丙基乙二胺(PSA)(德国CNW试剂公司);铜粉、无水硫酸钠(优级纯,上海安谱公司);10~20目硅藻土(美国Thermo Fisher公司)。

1.2 样品采集与储存

采集:样品取自上海松江污水处理厂,含水率为80%~90%。

储存:于-20 ℃下转移至实验室,使用冷冻干燥机低温冷冻干燥,研磨过60目筛后于4 ℃黑暗条件储存。

1.3 样品前处理

加速溶剂萃取-在线净化法是通过在萃取池中填入特定的填料和样品,同时完成样品的萃取和净化的方法。在34 mL的萃取池中,填料的装填顺序依次为:2层玻璃纤维膜、无水硫酸钠(干燥剂)、一定量的净化吸附材料(依据样品而定)及样品、0.4 g硅藻土和0.1 g铜粉(用于除硫)的混合物,每层用玻璃纤维膜隔开。对溶剂种类、静态萃取时间、循环次数及温度等萃取参数进行考察。萃取液氮吹干后,由0.5 mL甲醇复溶,过0.22 μm有机滤膜后待测。

1.4 高效液相色谱-三重四极杆质谱仪法检测

使用高效液相色谱-三重四极杆质谱仪对样品进行检测。流动相为V(甲醇) ∶V(水)=75 ∶25;流量为0.3 mL /min;进样量为5 μL;柱温为40 ℃;外标法定量。

采用电喷雾电离(ESI)负离子模式;雾化气为氮气(流量3.0 L/min);加热气为空气(流量10.0 L/min);干燥气为氮气(流量10.0 L/min);碰撞气为氩气。接口温度为300 ℃;脱溶剂管温度为250 ℃;加热模块温度为400 ℃。

2 结果与讨论 2.1 检测方法的建立

高效液相色谱-三重四极杆质谱仪的ESI离子源优化参数见表 1。使用TCS和TCC混合标准样品及实际堆肥样品对检测方法进行验证,在通道288.8>35.1和314.85>160的质谱图见图 1(a)(d)。由图 1可见,该通道下TCS和TCC的丰度值较高,实际样品分离度好,无干扰,3 min内即可完成检测。该方法具有快速高效、灵敏度高的优点。

表 1 ESI离子源优化参数
图 1 TCS和TCC混合标准样品及实际样品在多反应监测(MRM)模式下的色谱图
2.2 加速溶剂萃取-在线净化条件的确定

影响加速溶剂萃取-在线净化效率的因素有很多,其中非关键性参数影响较小[26]。非关键参数设定为:静态萃取时间5 min,冲洗体积60%,压力10 342 kPa。工作参数的优化主要集中在净化吸附材料的选择、循环次数、萃取溶剂及温度条件。对工作参数的评估采用样品加标法,TCS和TCC的加标质量分数分别为100和20 ng/g(干重)。

2.2.1 净化吸附材料的选择

净化吸附材料的优化主要是对其类型及用量进行优化,目的是尽量多地去除干扰物,提高目标物的回收率。实验中使用了PSA、弗罗里硅土、中性氧化铝、酸性硅胶、酸性硅胶/弗罗里硅土这5种不同的吸附材料,其对应的萃取液的颜色和状态也完全不同。以PSA为吸附材料的萃取液是黄色、有悬浮物的浑浊液体,酸性硅胶、中性氧化铝、弗罗里硅土的萃取液颜色逐渐变浅变透明,酸性硅胶/弗罗里硅土的萃取液最干净。5种吸附材料的回收率均>80%(图 2)。因此,选择能够更好地去除干扰物,且对目标物吸附较少的酸性硅胶/弗罗里硅土为吸附材料。

图 2 5种不同吸附材料的回收率(n=3)

对酸性硅胶/弗罗里硅土的用量进行优化,实验中分别采用了酸性硅胶、弗罗里硅土、样品三者质量比为4 g/5 g/0.5 g,3 g/4 g/0.5 g和2 g/3 g/0.5 g。3 g/4 g/0.5 g比2 g/3 g/0.5 g的色谱图基线低,萃取液颜色更浅,但与4 g/5 g/0.5 g几乎没有差别。因此三者质量比为3 g/4 g/0.5 g可去除杂质,得到干净的待测样品。

2.2.2 萃取溶剂和温度的选择

采用了双因素实验,考察萃取溶剂和温度对TCS和TCC回收率的影响。选择不同极性的溶剂作为萃取溶剂,如正己烷、二氯甲烷、甲醇、丙酮、正己烷/丙酮(VV=1 ∶1)和正己烷/二氯甲烷(VV=1 ∶1)。选择丙酮和甲醇是因其作为萃取溶剂时回收率高[29-30],但实验发现其萃取液颜色较深,基质干扰较多。因此,选择正己烷、二氯甲烷和正己烷/二氯甲烷作为萃取溶剂考察对象,温度选择40,70,100和130 ℃。通常温度越高,溶剂黏性越小,目标物转移到溶剂中的速度越快。但对于某些化合物,有时结果却相反。

萃取溶剂和温度对萃取TCS和TCC的影响见图 3(a)(b)。由图 3可见,以正己烷为溶剂时,回收率较低;以二氯甲烷和正己烷/二氯甲烷为溶剂时,回收率相差不大。由于正己烷/二氯甲烷相对更环保,因此选择其为萃取溶剂。以正己烷/二氯甲烷为萃取溶剂时,温度从40 ℃升高至100 ℃,回收率随之升高,继续升至130 ℃时,反而略有下降,因此选择萃取温度为100 ℃。

图 3 萃取溶剂和温度对回收率的影响
2.2.3 循环次数的选择

根据已选定的萃取条件,对萃取循环次数进行优化。对加标样品(10,80 ng/g的TCC和50,400 ng/g的TCS)分别进行1,2,3次循环。不同循环次数对高、低质量分数的加标样品回收率的影响见图 4(a)(b)。由图 4可见,对质量分数较低的加标样品,循环次数对回收率影响不大,都能得到较高的回收率。对质量分数较高的加标样品,循环2次比1次回收率明显提高,但增加到3次时,回收率无明显变化,因此选择循环次数为2。

图 4 不同循环次数对高、低质量分数的加标样品回收率的影响
2.3 方法验证

通过测试加标污泥样品(1,10,80 ng/g的TCC和5,50,400 ng/g的TCS)对该方法进行评估。加标样品的回收率和精密度见表 2。由表 2可见,所有样品的回收率均>90%,且中、高质量分数的加标样品的回收率要高于低质量分数的加标样品。将质量浓度为0.5,5,25,50,100,250和500 ng/mL的TCS和0.1,1,5,10,20,50和100 ng /mL的TCC混合标准溶液按照上述方法进行检测,以浓度为纵坐标,峰面积为横坐标,采用外标法制作标准曲线。根据《环境监测分析方法标准制订技术导则》(HJ 168—2020),将标准溶液加到与样品相似的基体中,采用相同的样品处理方法和分析方法,对质量浓度为估计方法检出限值3~5倍的样品进行10次平行测定,计算检出限和定量限。方法检出限为2.821倍的标准偏差(RSD)(2.821为自由度为9,置信度为99%时的t分布值),以4倍检出限作为定量限。其线性范围、相关系数、检出限和定量限见表 3。由表 3可见,TCS和TCC在该质量浓度范围内线性良好。

表 2 加标样品的回收率和精密度(n=6)
表 3 加标样品的线性范围、相关系数、检出限和定量限(n=10)
2.4 实际样品测定

采用上述方法对上海某污水厂的含水率为80%的污泥堆肥样品进行定量分析,TCS、TCC、总氮和总碳测定结果见表 4。由表 4可见,冷冻干燥后,总碳占比为3.15 %~3.83%,总氮占比为27.3%~30.5%,TCS和TCC的质量分数分别为1.31~1.51和0.61~0.81 μg/g(干重)。TCS和TCC的质量分数与总碳、总氮之间存在相关关系,随着总碳、总氮占比的增加,其质量分数也随之增大,这与前人的研究一致[31]

表 4 实际样品中TCS、TCC、总氮和总碳测定结果
3 结语

采用加速溶剂萃取-在线净化-液相色谱串联质谱法测定污泥堆肥样品中的TCS和TCC,该方法效率高、操作简便,使前处理时间和萃取溶剂用量大大减少。采用优化后的方法,对污泥堆肥样品进行加标回收实验,低、中、高质量分数样品的回收率为90.3 %~99.8%,RSD均<10%,能够满足实际污泥堆肥样品中TCS和TCC检测的要求。

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