箭型頂空固相微萃取-三重四極桿氣質(zhì)聯(lián)用法測定水中2種環(huán)狀縮醛(2-EMD、2-EDD)、2-甲基異莰醇和土臭素

李 冰

(上海市供水調(diào)度監(jiān)測中心,上海 200002)

嗅味作為飲用者能直接感覺到的重要感官指標(biāo),是廣大消費(fèi)者用來判斷飲用水水質(zhì)優(yōu)劣的重要依據(jù),影響著飲用水的可接受性[1]。飲用水中,大多數(shù)嗅味主要來自水源本身,多與藻類等微生物的生長代謝或水源污染有關(guān)[2]。例如,有著土味的土臭素(GSM)和有著霉味/土霉味的2-甲基異莰醇(2-MIB),就是產(chǎn)嗅藻在生長過程中代謝產(chǎn)生的嗅味物質(zhì),嗅閾值分別為4 ng/L和10 ng/L[3-4]。這2種嗅味物質(zhì)近些年已經(jīng)得到了廣泛的研究,在《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2022)中,也規(guī)定了2-MIB和GSM的限值,均為10 ng/L[5-7]。

隨著社會的發(fā)展和環(huán)境的變化,國內(nèi)外水源中化學(xué)品的泄漏和環(huán)境污染導(dǎo)致的嗅味事件多有發(fā)生。其中的2-乙基-4-甲基-1,3-二氧戊環(huán)(2-EMD)和2-乙基-5,5-二甲基-1,3-二氧六環(huán)(2-EDD)泄漏產(chǎn)生的嗅味引起了人們的關(guān)注,他們與國外水資源中的幾次嗅味事件有關(guān),2-EMD和2-EDD的嗅閾值分別為5 ng/L和10 ng/L。這種有著甜果味、油漆味、溶劑味的環(huán)狀縮醛類的化合物大多是由樹脂制造業(yè)泄漏的,樹脂是制造塑料的主要原料,樹脂相關(guān)企業(yè)在長三角及珠三角數(shù)量相對較多[8-9]。上海處在長江流域的最末端,以長江水系和黃浦江水系為水源,容易遇到上下游問題導(dǎo)致的突發(fā)污染事件。楊敏團(tuán)隊(duì)近年在對我國的黃浦江水源研究中,也曾檢測到過2-EMD和2-EDD,這2種物質(zhì)在黃浦江中的濃度有隨季節(jié)變化的趨勢,在11月—次年3月會比同年的其他月份濃度高[10]。且他們的環(huán)狀結(jié)構(gòu)活性低,難被化學(xué)分解同時(shí)具有很高的水溶性,常規(guī)的水處理工藝很難除掉這2種化合物,因此,只有在源頭及時(shí)發(fā)現(xiàn),采取措施才能避免水源污染[11]。常用的嗅味物質(zhì)分析主要有液液萃取、吹掃捕集、固相萃取、攪拌棒吸附萃取、閉環(huán)捕集與質(zhì)譜聯(lián)用的方法[12]。這些方法大多需要有機(jī)試劑進(jìn)行前處理,操作時(shí)間長,不利于在突發(fā)水質(zhì)污染事件中快速出具檢測結(jié)果。

鑒于以上背景,本文創(chuàng)建了一個(gè)運(yùn)用氣相色譜-質(zhì)譜法同時(shí)對常見的2-MIB、GSM和化學(xué)品嗅味2-EMD、2-EDD這4種化合物進(jìn)行快速檢測的方法。采用的箭型頂空固相微萃取前處理技術(shù)富集能力強(qiáng),簡便易操作,檢測靈敏度高,可直接對樣品進(jìn)行測試。同時(shí)運(yùn)用三重四極桿提升了對于水樣中復(fù)雜成分的抗干擾能力。

1 材料與方法

1.1 儀器和試劑

1.1.1 試驗(yàn)儀器

Agilent 7890A/7000三重四極桿氣質(zhì)聯(lián)用儀,配備分流/不分流進(jìn)樣口、Extractor EI離子源(美國Agilent公司);氣相毛細(xì)管柱:DB-5MS(30 m × 0.25 mm × 1.0 μm);廣州智達(dá)樣品前處理系統(tǒng)。

1.1.2 材料和試劑

SPME Arrow,1.1 mm OD,纖維組件二乙烯基苯/羧基/聚二甲基硅氧烷(DVB/CAR/PDMS)萃取頭(智達(dá));20 mL固相微萃取樣品瓶(Agilent);4種嗅味物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)品和2種內(nèi)標(biāo) (標(biāo)準(zhǔn)品物質(zhì)名稱如表1所示),其中2-EMD、2-EDD為賽默飛世爾科技公司產(chǎn)品,其余均為上海安譜實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司產(chǎn)品,所有標(biāo)準(zhǔn)品均避光保存在4 ℃的冰箱中。氯化鈉為分析純(江蘇強(qiáng)盛功能化學(xué)股份有限公司),使用前在馬福爐中于450 ℃下烘4 h;甲醇(色譜純);超純水(使用時(shí)現(xiàn)制備);氦氣(純度≥99.999%)。

表1 6種化合物名稱、CAS、保留時(shí)間、定量離子對、碰撞能量

1.2 試驗(yàn)條件

1.2.1 頂空固相微萃取參數(shù)

稱取2.0 g氯化鈉到頂空樣品瓶中,再加入10.0 mL水樣,旋緊帶有PTFE硅橡膠墊瓶蓋,將氯化鈉充分搖勻溶解,放置于頂空樣品盤中,按照設(shè)定的程序進(jìn)行測定。SPME Arrow孵化爐溫度設(shè)置為40 ℃、轉(zhuǎn)速為500 r/min,水樣先孵化5.0 min后Arrow在頂空瓶內(nèi)深32 mm處萃取35 min,最后在進(jìn)樣口解吸5.0 min,進(jìn)樣深度為65 mm。

1.2.2 氣相色譜/質(zhì)譜條件

載氣:高純氦,恒流模式,流速為1 mL/min,不分流進(jìn)樣;電子能量:70 eV;程序升溫設(shè)置:35 ℃(2 min)→8 ℃/min→75 ℃(2 min)→15 ℃/min→250 ℃(5 min);進(jìn)樣口溫度:250 ℃;傳輸線溫度:280 ℃;離子源溫度:230 ℃;采用多反應(yīng)監(jiān)測(MRM)模式進(jìn)行檢測,4種嗅味物質(zhì)及2種內(nèi)標(biāo)物質(zhì)的保留時(shí)間及定量離子對如表1所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 氣相毛細(xì)管柱的選擇

本研究中測試的4種化合物,因2-EMD有順式和反式兩種結(jié)構(gòu),較其他化合物難分離。本研究分別選用DB-5MS(30 m × 0.25 mm × 0.25 μm)、DB-624(30 m×0.25 mm×1.4 μm)、DB-5MS(30 m × 0.25 mm × 1.0 μm)3種規(guī)格的色譜柱對2-EMD的分離情況進(jìn)行比較。研究發(fā)現(xiàn),在DB-5MS(30 m × 0.25 mm × 0.25 μm)色譜柱上2-EMD的兩個(gè)異構(gòu)體色譜峰無法完全分開,不能分別對兩異構(gòu)體濃度進(jìn)行定量,如圖1(a)所示;DB-624(30 m×0.25 mm×1.4 μm)色譜柱雖然可以將順式和反式兩個(gè)2-EMD色譜峰分離開,但是在兩峰中間存在一個(gè)由Arrow萃取頭本身材質(zhì)帶來的大干擾峰,此干擾在質(zhì)譜離子化過程中可以碎裂出與2-EMD定量離子對相同的碎片離子,并且通過改變程序升溫設(shè)置依然無法將此干擾峰從兩峰之間移開;DB-5MS(30 m × 0.25 mm × 1.0 μm)色譜柱經(jīng)測試可以將兩個(gè)2-EMD色譜峰完全分離,且所有待測物質(zhì)定量離子對的色譜峰附近無明顯干擾,如圖1(b)所示。本試驗(yàn)選用DB-5MS(30 m × 0.25 mm × 1.0 μm)色譜柱對4種目標(biāo)化合物進(jìn)行分離。

圖1 2-EMD在色譜柱的分離情況

2.2 方法抗干擾情況分析

復(fù)雜基質(zhì)中的目標(biāo)物檢測有可能會存在基質(zhì)干擾的情況,2-EMD因其有順反兩種結(jié)構(gòu)且響應(yīng)較低、出峰最早,在4種嗅味物質(zhì)中比較容易受到雜質(zhì)干擾。本研究分別用選擇離子掃描模式(SIM)和MRM兩種質(zhì)譜掃描方法對50 ng/L的樣品進(jìn)行測試,主要考察兩種方法對2-EMD檢測的干擾情況。對2-EMD的美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)譜庫質(zhì)譜圖進(jìn)行分析,適合用作SIM定性、定量離子的主要有87、72、59、41,采集到的色譜圖如圖2(a)所示,SIM方法中的41 (m/z)干擾最多,對于87、59 (m/z)來說,在2-EMD第一個(gè)峰的左邊有一個(gè)小雜峰,2-EMD第2個(gè)峰右側(cè)有一個(gè)大雜峰,會影響實(shí)際樣品中2-EMD的檢測。而對于MRM方法,適合用作MRM定性、定量的離子對主要有87→59、87→41、87→39 (m/z),采集到的色譜圖如圖2(b)所示,2個(gè)2-EMD峰前后均沒有雜峰,抗干擾能力更強(qiáng)。因此,本方法采用氣相色譜-三重四極桿質(zhì)譜對4種嗅味物質(zhì)進(jìn)行檢測,提高了方法對復(fù)雜基質(zhì)的抗干擾能力。

圖2 SIM MRM方法檢測2-EMD的色譜圖

2.3 條件的優(yōu)化

頂空固相微萃取過程中,影響萃取效果的因素主要有萃取頭涂層類型、萃取溫度、轉(zhuǎn)子速率、鹽析劑濃度、萃取時(shí)間等[13-14]。本文著重對萃取溫度、轉(zhuǎn)子速率、鹽析劑濃度、萃取時(shí)間進(jìn)行考察,在本試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),解吸過程中,萃取頭進(jìn)入進(jìn)樣口的深度對峰形有影響,在優(yōu)化其他萃取條件的同時(shí),也優(yōu)化了萃取頭進(jìn)入進(jìn)樣口的深度。萃取頭涂層類型的選擇上,考慮到本試驗(yàn)中的4種待測物質(zhì)性質(zhì)不相似,選用極性和非極性相結(jié)合的萃取涂層來滿足不同性質(zhì)化合物的萃取要求,所以本研究中的萃取頭選用三相復(fù)合涂層DVB/CAR/PDMS萃取頭。在《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法 第8部分:有機(jī)物指標(biāo)》(GB/T 5750.8—2023)中,對于2-MIB、GSM的測試選用的是石英纖維的固相微萃取纖維頭(SPME Fiber),本研究選用的是箭型頂空固相微萃取頭(SPME Arrow)。該方法與SPME Fiber相比,響應(yīng)值更高,測定得到的2-MIB方法檢出限為1.0 ng/L,GSM為0.7 ng/L,而GB/T 5750.8—2023中2-MIB的檢出限為2.2 ng/L,GSM的檢出限為3.8 ng/L,可見SPME Arrow較SPME Fiber靈敏度更高。三相復(fù)合涂層DVB/CAR/PDMS的SPME Fiber和SPME Arrow測試4種嗅味物質(zhì)質(zhì)量濃度均為50 ng/L的樣品的峰響應(yīng)值如圖3所示,4種嗅味物質(zhì)Arrow的響應(yīng)值遠(yuǎn)高于Fiber的響應(yīng)值,在測試低濃度樣品時(shí),響應(yīng)值高會使結(jié)果更加準(zhǔn)確。所以本研究中的萃取頭選用了長度為2 cm、直徑為1.1 mm的Arrow三相復(fù)合涂層DVB/CAR/PDMS萃取頭。

圖3 SPME Fiber和SPME Arrow對4種嗅味物質(zhì)萃取效果的對比

2.3.1 萃取溫度的選擇

本研究測試了4種化合物在萃取溫度為35～80 ℃下的萃取效果,如圖4所示。對于2種環(huán)狀縮醛2-EMD和2-EDD,萃取溫度在35～40 ℃能夠達(dá)到最優(yōu)的萃取效果。隨著溫度升高,2種環(huán)狀縮醛的峰面積逐漸降低,萃取效果下降,響應(yīng)降低[15]。對于2-MIB,在35～55 ℃,萃取效率隨溫度升高而變大,在55 ℃后,萃取效率隨溫度升高沒有明顯變化。GSM當(dāng)萃取溫度高于35 ℃后,隨著萃取溫度的升高,萃取效率一直是升高的趨勢?？紤]到2-EMD的響應(yīng)值較其他3種化合物響應(yīng)值低,且高溫會導(dǎo)致萃取瓶中水汽的量增加,影響檢測結(jié)果,所以本試驗(yàn)的萃取溫度選擇40 ℃。

圖4 不同萃取溫度對4種嗅味物質(zhì)萃取效果的影響

2.3.2 鹽析劑濃度的選擇

有機(jī)物因水中加入無機(jī)鹽類而使其在水溶液中的溶解度降低,從而溢出至頂空氣相中,對提高本試驗(yàn)檢測的靈敏度有很大幫助[13]。本試驗(yàn)使用氯化鈉作為鹽析劑,在4種嗅味物質(zhì)質(zhì)量濃度均為50 ng/L 樣品中分別加入了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、10%、15%、20%、25%、30%的氯化鈉,在40 ℃萃取溫度下萃取30 min后,測試了氯化鈉含量對萃取效果的影響,如圖5所示。隨著鹽析劑濃度的增加,4種化合物的峰面積均呈上升趨勢。氯化鈉的含量越高,萃取效果越好。但氯化鈉添加量會影響溶液體積變化和在水中溶解難易程度。本試驗(yàn)中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的鹽析劑已經(jīng)能夠達(dá)到測試要求,接下來的試驗(yàn)中均用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的鹽析劑。

圖5 不同鹽析劑濃度對4種嗅味物質(zhì)萃取效果的影響

2.3.3 轉(zhuǎn)子速率的選擇

萃取裝置的攪拌速率對萃取效果也有一定的影響。本試驗(yàn)在萃取溫度為40 ℃,鹽析劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%條件下,對50 ng/L的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液萃取30 min。分別測試了100、200、300、400、500、600、700、800、900、1 000 r/min轉(zhuǎn)速下對萃取效率的影響,如圖6所示,當(dāng)轉(zhuǎn)速為100 r/min時(shí),萃取效率略小于其他萃取效率,轉(zhuǎn)速在200～1000 r/min,萃取效率受轉(zhuǎn)速影響不大,因此,選擇中間轉(zhuǎn)速為500 r/min繼續(xù)后續(xù)研究。

圖6 不同轉(zhuǎn)子速率對4種嗅味物質(zhì)萃取效果的影響

2.3.4 進(jìn)樣深度的選擇

Arrow萃取頭在進(jìn)樣口解吸的深度對化合物的峰形和響應(yīng)均有影響。本試驗(yàn)在萃取溫度為40 ℃、鹽析劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%、轉(zhuǎn)子速率為500 r/min的條件下,測試了50 ng/L的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)樣口進(jìn)入的深度對峰形和響應(yīng)的影響。測試的進(jìn)樣口進(jìn)入深度分別為40、45、50、55、60、65 mm,圖7為2-EMD在進(jìn)樣口進(jìn)入不同深度下的峰形和響應(yīng)?？梢钥闯?隨著Arrow萃取頭在進(jìn)樣口進(jìn)入的位置加深,峰形越窄,響應(yīng)度越高。這是因?yàn)檫M(jìn)樣口下面的襯管中下部的溫度比襯管上部溫度高,當(dāng)Arrow萃取頭進(jìn)入得越深,上面吸附的物質(zhì)解析速度越快,峰形越尖銳,響應(yīng)越高。

圖7 不同進(jìn)樣深度對萃取效果的影響

2.3.5 萃取時(shí)間的選擇

萃取時(shí)間長短會影響Arrow萃取頭吸附待測物質(zhì)的量,進(jìn)而影響分析靈敏度。試驗(yàn)中,在萃取溫度為40 ℃、鹽析劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%、轉(zhuǎn)子速率為500 r/min、進(jìn)樣深度為65 mm的條件下,測試了萃取時(shí)間在10～45 min下的萃取效果。隨著萃取時(shí)間的延長,萃取效率逐漸升高,如圖8所示,在萃取時(shí)間到達(dá)35 min后,隨著萃取時(shí)間延長,萃取效率升高的趨勢變小。35～45 min,萃取效果相差不大,考慮試驗(yàn)效率及Arrow萃取頭中水分的影響,因此,最終選擇35 min為本試驗(yàn)的萃取時(shí)間。

圖8 不同萃取時(shí)間對4種嗅味物質(zhì)萃取效果的影響

2.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線及檢出限

將4種待測嗅味物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)溶液配成100mg/L的混合標(biāo)準(zhǔn)使用液,溶劑為甲醇。用純水稀釋為1、5、10、25、50、75、100 ng/L的標(biāo)準(zhǔn)系列溶液,向其中加入2種內(nèi)標(biāo)物質(zhì),2種內(nèi)標(biāo)物質(zhì)加入水中后質(zhì)量濃度均為20 ng/L,氯苯-d5作為2-EMD和2-EDD的內(nèi)標(biāo),IBMP作為2-MIB和GSM的內(nèi)標(biāo),用內(nèi)標(biāo)法繪制出濃度-峰面積校正曲線,結(jié)果如表2所示。所得的100 ng/L標(biāo)準(zhǔn)溶液總離子流圖如圖9所示。在本試驗(yàn)優(yōu)化好的條件下,4種待測化合物和2種內(nèi)標(biāo)物檢出限為0.7～1.0 ng/L,6種化合物之間的分離效果好,可以準(zhǔn)確地定性與定量。

圖9 總離子流

表2 4種嗅味物質(zhì)測定線性范圍、回歸方程、線性相關(guān)系數(shù)、檢出限

2.5 回收率與實(shí)際水樣

用本試驗(yàn)最終確定的優(yōu)化條件對超純水和實(shí)際水樣進(jìn)行加標(biāo)試驗(yàn),同時(shí)測試本檢測方法的準(zhǔn)確度和精密度。分別配制10、50、100 ng/L 3個(gè)加標(biāo)濃度的超純水待測樣品,實(shí)際加標(biāo)水樣選擇華東某市1號水庫輸水口水樣(表3),向1號水庫輸水口水樣中分別加標(biāo)10、50、100 ng/L進(jìn)行高、中、低3個(gè)質(zhì)量濃度的加標(biāo)試驗(yàn)。不同本底和加標(biāo)濃度均重復(fù)測定6次,計(jì)算本檢測方法的準(zhǔn)確度和精密度,如表3所示。

表3 4種嗅味物質(zhì)的加標(biāo)回收試驗(yàn)結(jié)果(n=6)

2.6 方法應(yīng)用

選擇華東某市水源地取水口和輸水口取樣,按本試驗(yàn)優(yōu)化好的頂空固相微萃取條件進(jìn)行樣品前處理,再用三重四極桿氣質(zhì)聯(lián)用系統(tǒng)定量分析,如表4所示。結(jié)果顯示,在4大水庫的取水口和輸水口,2-EMD、2-EDD、2-MIB均有檢出,且濃度差異不大。2-EMD的濃度略高于2-EDD的濃度,2種環(huán)狀縮醛類物質(zhì)均小于其嗅閾值。四大水庫的2-MIB值均小于10 ng/L,符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2022)中的規(guī)定限值。

表4 不同水源水中4種嗅味物質(zhì)含量

3 結(jié)論

(1)建立了基于箭型固相微萃取-三重四極桿氣質(zhì)聯(lián)用法,同時(shí)測定水中的2-MIB、GSM、2-EMD、2-EDD這4種嗅味物質(zhì)的分析方法,該方法前處理簡單,采用MRM模式定量分析可以減少基體中的雜質(zhì)對分析的干擾。

(2)箭型固相微萃取前處理?xiàng)l件優(yōu)化后為:直徑為1.1 mm Arrow三相復(fù)合涂層DVB/CAR/PDMS萃取頭,在萃取溫度為40 ℃、鹽析劑質(zhì)量濃度為20%、轉(zhuǎn)子速率為500 r/min、進(jìn)樣深度為65 mm的條件下,頂空萃取35 min。

(3)該方法測定結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)最大為7.06%,加標(biāo)回收率在89.96%～113.01%。方法檢出限為0.7～1.0 ng/L,低于各物質(zhì)的嗅閾值。方法具有較高的靈敏度,可用于檢測水源水及飲用水中ng/L級別的嗅味物質(zhì),為日后快速鑒定水污染事件中的致嗅物質(zhì)做好技術(shù)儲備。