文/陈秀 苏红伟 陈凯敏 陈利娟（华测团队）
摘要: 建立了同时测定发泡聚苯乙烯材料中阻燃剂α，β，γ-六溴环十二烷（HBCD）的超高液相色谱-串联质谱（UP[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Yp]LC-MS-MS）分析方法。样品用乙腈直接进行萃取，避免了溶剂转换，选用Waters ACQUITY UPLC@BEH C18色谱柱（50mm×2.1mm，1.7μm），以乙腈-5mM乙酸铵为流动相梯度洗脱分离后进行UP[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Yp]LC-MS-MS多反应监测模式下的定性及定量分析。在优化的实验条件下，HBCD各异构体标准溶液在相应的体积浓度范围内线性关系良好，相关系数≥0.995。对HBCD阴性样品进行加标回收实验，结果表明对于各异构体，在0.2~10mg/kg浓度范围内，低、中及高3个添加水平的回收率为80%~120%，相对标准偏差不超过15%；对HBCD阳性样品进行检测，三种异构体均有值，其相对标准偏差不超过8%。方法中α，β，γ-HBCD的定量限为0.2mg/kg。本方法简单、快速、重复性好，能够满足检测工作的实际要求。
关键词: 阻燃剂；超高液相色谱-串联质谱法；六溴环十二烷；发泡聚苯乙烯
溴代阻燃剂是世界上消费量最大的卤素有机阻燃剂，六溴环十二烷（HBCD）就是溴系阻燃剂中具有代表性的一种。工业产品主要是α-，β-和γ- HBCD 3种异构体的混合物。近年来研究发现，材料中的HBCD迁移到环境当中，不但难以降解，而且具有生物聚集性，对自然界和人类会造成持久的危害。国际环保组织已将其列入《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》（POPs）名单，欧盟的REACH指令和挪威的PoHS指令均将其列入限用物质名单，规定其在消费品中含量不得高于0.1%。目前世界各国特别是发达国家都在自觉控制HBCD的产量和排量。即使如此，由于其优异的阻燃效果，仍被广泛应用于发泡聚苯乙烯，聚丙烯和其他苯乙烯树脂中，且欧盟也为在建筑用发泡聚苯乙烯保温材料和挤塑聚苯乙烯保温材料中使用HBCD设置了一个5年的缓冲期。因此很有必要建立一种快速准确的分析方法来检测发泡聚苯乙烯材料中的HBCD。
目前，HBCD的检测方法有气相色谱-质谱法（GC-MS），高效液相色谱法（HPLC），超高液相色谱-质谱法（UP[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Yp]LC-MS）和超高液相色谱-串联质谱法（UP[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Yp]LC-MS-MS），适用于电子电气产品、塑料、涂料、橡胶制品、纺织品、食品接触材料、环境监测等。其中GC-MS方法涉及高温气化过程，HBCD会发生异构体的重排以及脱溴降解，无法测定各异构体的含量，且在总量的测定上也会产生偏差。而对于高效液相色谱方法，由于HBCD无明显的紫外吸收峰，其检出限会比较高，无法测定低含量的HBCD。鉴于在发泡聚苯乙烯材料中，HBCD应用较广泛，但目前已有文献中尚未见发泡聚苯乙烯材料中HBCD测定方法的研究报道，故本文选择超高液相色谱-串联质谱法对发泡聚苯乙烯材料中的HBCD进行测定，不仅可以对各异构体进行定性定量，且可将检出限降低至ppb级别。另外，已有的超高液相色谱-串联质谱法测定HBCD的报道中，样品萃取方式多采用特定溶剂萃取，再经过氮吹，溶剂转换的步骤，过程较为繁琐，本文采用直接乙腈萃取的方法，简化了萃取过程，并可满足日常检测工作的需求。
1 实验部分
1.1 试剂、材料及仪器
ACQUITY超高效液相色谱仪，Xevo TQD MS三重四极杆质谱仪和MassLynx数据处理系统（美国Waters公司）；Milli-Q超纯水器（美国Millipore公司）；AL104型电子天平(0.0001g，梅特勒-托利多仪器上海有限公司)；SCQ-300A型超声波仪（上海声浦超声波设备厂)。乙腈(色谱纯，Honeywell)；α-HBCD（100mg/L，溶于甲苯，美国Accustandard公司），β-HBCD（100mg/L，溶于甲苯，美国Accustandard公司），γ-HBCD（100mg/L，溶于甲苯，美国Accustandard公司）；两种HBCD混合标准品（Tech Mix，美国Accustandard公司；97.5%，德国Dr．Ehrenstorfer公司）。发泡聚苯乙烯材料均来自华测检测实验室日常客户送检样品。
1.2 仪器工作条件
色谱条件：Waters ACQUITY UPLC@BEH C18色谱柱（50mm*2.1mm 1.7μm）；柱温：40℃；样品室温度：25℃；流动相：A为5mM乙酸铵水溶液，B为乙腈，梯度洗脱程序：0.0~1.0min，80%A~25%A；1.0~4.7min，25%A~25%A；4.7~5.5min，25%A~5%A；5.5~6.0min，5%A~80%A；6.0~7.0min，80%A~80%A；流速：0.25mL/min；进样量：2μL。
质谱条件：电离模式(Ion mode): ESI-；毛细管电压(Capillary voltage): 2.8kV；锥孔电压(Cone voltage):14V；萃取锥孔电压(Extractor voltage): 3.0 V；RF 透镜电压(RF lens): 2.5V；离子源温度(Source temperature): 150℃；脱溶剂温度(Desolvation temperature): 500 ℃；锥孔气流速(Cone gas flow): 50 L/h；脱溶剂气流速( Desolvation gas flow): 800 L/h；碰撞能量(Collision energy) 20V；采集模式: 多反应监测(Multiple reaction moniter, MRM)，离子对为m/z 640.6 /78.8，640.6 /80.7。
1.3 标准储备液和工作曲线的配制
α, β, γ-HBCD混合标准品的配制：分别取α-HBCD（100mg/L）、β-HBCD（100mg/L）、γ-HBCD（100mg/L）单标各100μl混合，鉴于购买的标液是溶于甲苯内，应进行溶剂置换才能用于液相色谱-串联质谱分析，故先将其氮吹至近干，用乙腈定容至1mL，得到α, β, γ-HBCD混合标准品，浓度为10mg/L，于4℃冰箱内保存。使用时，用乙腈逐级稀释，得到质量浓度分别为10、50、100、200、500μg/L的标准工作溶液。
1mg/L用于定性的混合标准品的配制：分别准确称取0.0100g标准品(两种HBCD混合标准品，精确到0.0001g)，用乙腈溶解并转移到10mL容量瓶中定容，配制成1000mg/L的标准储备液，于4℃冰箱内保存。用乙腈逐级稀释，得到质量浓度为1mg/L的定性混合标准溶液。
1.4样品前处理
称量经混匀后的样品（样品颗粒≤1mm×1mm）约0.5g(精确到0.0001g)，置于70mL螺口试管内，加10ml乙腈。超声波萃取2h。取上清液经0.22μm有机滤膜过滤，滤液待测。
2 结果与讨论
2.1 MS调谐参数的选择
分析HBCD的化学电离性质，属于热不稳定性物质，且含有多个强负电性溴基团，故选择ESI-电离模式，取α，β，γ-HBCD混合标准溶液1mg/L，采用流动注射泵连续进样方式进行质谱条件的优化。结果表明，在ESI-电离模式下，HBCD可获得较高响应的-母离子。在确定母离子后，采用子离子扫描方式进行二级质谱分析，分别选取响应较强的主要碎片离子m/z 78.8和m/z 80.7作为定量和定性离子。优化1.2所列的质谱参数，使得HBCD的准分子离子与特征碎片离子产生的离子对强度达到最大。
2.2 色谱条件的选择
α，β，γ-HBCD三种非对映异构体的正辛醇/水分配系数介于5.07~5.47之间，极性非常接近，色谱分离困难。实验采用Waters ACQUITY UPLC@BEH C18色谱柱（50mm*2.1mm 1.7μm）做分析用柱，通过优化流动相条件来达到三种异构体分离的目的，典型的α，β，γ-HBCD图谱见图1所示，按出峰先后顺序，分别为α-HBCD，β-HBCD，γ-HBCD。
图1 HBCD标准溶液（1mg/L）的多反应监测色谱图
2.2.1 流动相的选择
首先考察了甲醇-水和乙腈-水溶剂体系作为流动相对HBCD异构体的色谱行为和离子化程度的影响。结果发现，在相同的条件下，甲醇-水体系容易引起峰型拖尾的现象，乙腈具有更好的洗脱能力。进一步研究了在乙腈-水流动相中不添加以及分别添加5mM、10mM乙酸铵的影响，发现在流动相中加入5mM乙酸铵可以有效增强仪器的响应信号，但添加过多的乙酸铵则会使分离度下降，且响应也相应降低。
2.2.2 流动相中有机相比例的影响
在三个异构体的出峰时间段内改变流动相中有机相的比例发现当乙腈比例为75%时，α，β，γ-HBCD能够很好的分离，依次出峰，α，β-HBCD两峰的分离度为1.51；当乙腈比例增加至85%~95%时，α，β-HBCD出峰时间有重叠，二者不能完全分离，分离度分别为1.12和0.80；而当乙腈比例减小至65%~55%时，三种异构体不能分离，且响应变得更低甚至无响应，出峰时间也有延长。
2.3提取溶剂的比较
文献中，当选择超高液相-串联质谱方法检测HBCD时，多采用特定溶剂萃取，如二氯甲烷、正己烷：丙酮（1:1）等，再用乙腈或甲醇进行溶剂置换得到待分析的样品溶液，前处理过程较为繁琐。本文取HBCD阳性发泡聚苯乙烯样品（此样品为客户送检样品，经实验室利用GC-MS方法删选出的HBCD有值的样品），比较了直接采用乙腈萃取和先用二氯甲烷萃取，再用乙腈溶剂置换两种萃取方式的萃取效果，按照1.2的条件上机测试，结果表明：采用二氯甲烷萃取的样品中α-HBCD的浓度为632mg/kg，β-HBCD的浓度为316mg/kg，γ-HBCD的浓度为2537mg/kg；采用乙腈直接萃取的的样品中α-HBCD的浓度为625mg/kg，β-HBCD的浓度为310mg/kg，γ-HBCD的浓度为2514mg/kg。由此可知，对于发泡聚苯乙烯材料中的HBCD而言，用乙腈直接萃取与先用二氯甲烷萃取，再用乙腈溶剂置换的效率是相当的。因此，采用乙腈直接萃取的方式可以尽量减少前处理的操作步骤，简化萃取方法。
2.4不同品牌标准品组成的比较
一般情况下，单独的α，β，γ-HBCD合成较为复杂，所以单标标准品价格昂贵，大概为HBCD混合标准品的几百倍，本文尝试用优化的测试方法比较市面上常见的两种品牌HBCD混合标准品中各异构体的组成。各配制1mg/L的两种标准品，按照1.2的条件上机测试，结果发现Dr.E标准品中α-HBCD的浓度为107μg/L，β-HBCD的浓度为84μg/L，γ-HBCD的浓度为605μg/L；Accustandard标准品中α-HBCD的浓度小于10μg/L，β-HBCD的浓度小于10μg/L，γ-HBCD的浓度为921μg/L，由此可知在同一批次下，Dr.E HBCD标准品中各异构体均占有一定比例的浓度，而Accustandard HBCD标准品则主要为γ-HBCD，故在实际的检测过程中，可以配制一定浓度的Dr.E 标准品作为初步定性的标准溶液，而Accustandard标准品可作为γ-HBCD单标标准品的替代标准品，这样就可以大大减少α，β，γ-HBCD单独标准品的使用，降低检测成本。
2.5线性范围和定量限
将标准储备液分别稀释成10、50、100、200、500μg/L的系列标准溶液，按本实验确定的方法进行线性分析。以各HBCD异构体的峰面积为纵坐标、体积浓度为横坐标绘制工作曲线。结果表明各HBCD异构体在10~500μg/L范围内，浓度与峰面积线性关系良好，回归方程为α-HBCD: Y=0.2483x+0.1624，回归系数R2=0.995；β- HBCD: Y=0.5200x-0.2160，回归系数分别是R2=0.996；γ-HBCD：Y=0.4116x+0.0266，回归系数R2=0.997。
取HBCD阴性发泡聚苯乙烯材料样品，配制低浓度的加标样品（如α，β，γ-HBCD理论加标浓度均为10μg/L），按照1.4对样品进行前处理，平行测定7次，在该浓度点S/N＞10，结合称样量和定容体积进行计算，该方法中α，β，γ-HBCD定量限为0.2mg/kg，完全可以满足各类法规和指令的检测需求。
2.6方法的回收率与精密度
称取0.5gHBCD阴性发泡聚苯乙烯样品，按照1.4进行前处理，按照1.2进行测试，在低中高浓度各测定七次，考察回收率、精密度指标，结果见下表1。在曲线的低中高浓度点七次走样的回收率，α-HBCD为81.8%~117.6%，相对标准偏差小于15%；β-HBCD为82.3%~112.3%，相对标准偏差小于8%；γ-HBCD为80.3%~109.8%，相对标准偏差小于8%。
表1 α，β，γ-HBCD样品加标回收率和精密度数据
理论加标量(μg/L) | 平均回收率(α-HBCD) | RSD/%(α-HBCD) | 平均回收率(β-HBCD) | RSD/%(β-HBCD) | 平均回收率(γ-HBCD) | RSD/%(γ-HBCD) |
10 | 101.0% | 14.89 | 91.7% | 7.93 | 102.3% | 7.76 |
100 | 89.9% | 6.67 | 97.6% | 7.53 | 88.1% | 7.09 |
500 | 87.4% | 4.89 | 90.1% | 5.22 | 81.7% | 1.89 |
2.7实际样品检测
选取实验室日常测试的两种发泡聚苯乙烯样品，用本文建立的方法进行检测。结果如图2、表2所示，在其中一种样品中测出阻燃剂HBCD，平行测定7次，其平均质量浓度α-HBCD为290.2mg/kg，β-HBCD为139.8mg/kg，γ-HBCD为1178.4mg/kg，相对标准偏差小于8%。
图2 阳性样品的多反应监测色谱图
表2 HBCD阳性发泡聚苯乙烯样品的分析结果
| 1 (mg/kg) | 2 (mg/kg) | 3 (mg/kg) | 4 (mg/kg) | 5 (mg/kg) | 6 (mg/kg) | 7 (mg/kg) | Average (mg/kg) | RSD/% |
α-HBCD | 299.1 | 306.8 | 267.2 | 281.9 | 324.9 | 267.9 | 283.4 | 290.2 | 7.31 |
β-HBCD | 126.8 | 151.1 | 134.9 | 129.2 | 155.6 | 140.1 | 140.8 | 139.8 | 7.64 |
γ-HBCD | 1201.7 | 1161.7 | 1210.4 | 1226.7 | 1138.2 | 1115.8 | 1194.0 | 1178.4 | 3.46 |
3 结语
本文建立了测定发泡聚苯乙烯材料中α，β，γ-HBCD的超高液相-串联质谱检测方法，研究了萃取方式对各异构体响应的影响，并对检测条件进行了优化，同时比较了常用品牌HBCD标准品中各异构体的组成。该方法各异构体的回收率分布在80%~120%之间，精密度可控制为小于15%，对于HBCD这种比较容易热分解和异构化转换的物质，给出了实际可行的定性和定量的方法。应用于实际样品的检测，表明本方法分析速度快、操作简便、重复性好，能够满足检测工作的实际要求。
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