感官气相色谱对水中不同化合物嗅味特征的同步测定

郭巧媛，王春苗，杨 帆，陈 燚，孙道林，杨 敏，于建伟,*

(1.中国科学院生态环境研究中心，饮用水科学与技术重点实验室，北京 100085；2.中国科学院大学，北京 100049；3.无锡市水务集团有限公司，江苏无锡 214031；4.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024)

近年来，水环境异味等成为最为关注的水质问题之一。明确主要致嗅物质及其嗅味特征是对水中嗅味物质进行管控的基础，其中，嗅阈值(odor threshold concentration，OTC)和嗅味类型是需要明确的关键指标。目前，常用嗅阈值的测定主要包括强制性选择三角测试法[1]、三点比较式臭袋法(GB/T 14675—1993)、动态稀释嗅觉计恶臭取样测定方法(美国EPA)和动态嗅觉计的测定方法(欧洲En13725号标准)等[2]，主要通过设置浓度由低到高的一系列样品，闻测后计算得到[3]。此类方法操作过程繁琐，且往往一次只能测定一种物质，效率过低。另外，对于嗅味类型、嗅阈值等的确定，通常需要多人测定结果才有统计学意义。因此，发展一种能同时测定不同化合物嗅味特征的方法具有重要意义。

通过化学分析与感官评价方法结合，可对水中未知嗅味物质进行鉴定[4]。主要采用感官气相色谱(gas chromatography-olfactometry，GC-O)的方法，通过GC分离混合物中的组分，部分样品分流至闻测杯后，测试人员对不同时间流出的气体样品进行嗅闻，协助从大量色谱峰中寻找相应物质，如美国Elk河化学品泄漏以及我国无锡太湖嗅味事件的解析等[5-6]。该方法可将不同化合物分离后同时进行闻测，选择6种典型硫醚类物质为对象，结合人员选定、数据分析和影响因素等多个方面，对GC-O用于不同化合物嗅阈值和气味描述等特征的同时测定进行讨论。本研究可为水环境中嗅味污染的快速评估以及控制提供重要的基础。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

采用具备闻测装置(ODP)的气相色谱仪，GCMS-TQ8050三重四级杆气相色谱质谱联用仪，日本岛津公司；ODP3嗅闻仪、多功能自动进样器，德国Gerstel公司；色谱柱为VF-624MS毛细管柱(60 m×0.32 mm×1.8 μm)，美国安捷伦公司。

硫醚类标准物质(纯度>95%)购于Sigma-Aldrich(美国)，使用前配制成100 mg/L的甲醇储备液；NaCl采用优级纯级别，使用前在450 ℃马弗炉中烘烤2 h，去除其中的有机物；有机溶剂甲醇、丙酮、二氯甲烷等均采用色谱纯级别；超纯水(18.2 MΩ·cm)由Milli-Q净水系统制备。

1.2 GC-O分析条件

气相色谱条件：载气为高纯氦(纯度为99.999%)，进样口温度为250 ℃，离子源温度为230 ℃，注射体积为1 μL，柱流速为3.0 mL/min，质谱检测器与嗅闻仪分流比为2∶1，以2.0 mL/min分流至质谱检测器、1.0 mL/min分流至ODP3嗅闻仪。程序升温条件：初始温度为40 ℃，保持2 min后，以20 ℃/min升温至250 ℃，保持5 min，总升温程序为17.5 min。

嗅闻仪条件：ODP3嗅闻仪的传输线温度为250 ℃，ODP3出口温度为90 ℃，补充气为高纯氦。

1.3 嗅闻操作过程

13名测试者均来自实验室，包括6名女性(24～27岁)，其中6名曾参与过实际水样的嗅味闻测。为保证操作的一致性，在进行GC-O闻测时，参照嗅觉层次分析法对相关人员进行培训[《城镇供水水质标准检验方法》(CJ/T 141—2018)][7]，测定时分别在闻测杯口嗅探并记录嗅味强度和气味描述。

硫醚混标样品共设置8个浓度梯度，按照2倍梯度依次递增，气相浓度的计算方法为1 μL进样体积×甲醇中标准溶液浓度×(1/3分流至闻测口体积)/0.5 L呼吸体积，如表1所示。闻测前，分析2个甲醇空白样品，以确定GC-O的基线水平，之后按照从低到高的浓度依次进行测试。针对每一浓度梯度，测试者分别在6～7、9～13 min和14～15 min闻测并记录相应物质的气味描述。每组测试完成后休息10 min再进行下一浓度样品闻测，闻测4个样品后至少休息30 min。记录的气味时间与气相色谱该物质的保留时间相差±0.20 min时，则认为测试者闻测到该物质的气味。

表1 嗅味闻测时硫醚类物质的浓度梯度设置

1.4 数据分析

数据分析通过R 3.6.1(R Core Foundation，2019)进行。

嗅阈值浓度采用几何平均法和Logistic回归两种方法分别进行计算[3]。采用几何平均法计算时，参照三选一强制选择的方法[8]，计算每个测试者最后一个答错浓度与下一个答对浓度之间的几何平均值作为个体嗅阈值的估算值(best-estimated value)。若全部答对，以最低浓度与其1/2浓度的几何平均值计算个体嗅阈值；若全部答错，则以最大浓度及其2倍浓度的几何平均值计算个体嗅阈值；小组的平均嗅阈值通过个人阈值的几何平均值计算[3]。

采用Logistic回归计算嗅阈值时，以50%的测试者可以正确闻测到的硫醚浓度作为小组平均嗅阈值浓度[9]。记录保留时间相差±0.2 min内闻测到的气味描述，采用Wordcloud和Text Mapper绘制词云图进行表述。

2 结果与讨论

2.1 嗅阈值浓度

6种硫醚的Logistic回归嗅阈值计算结果如图1和表2所示。不同硫醚的嗅阈值存在较大差别，其中二甲基二硫醚(0.72 ng/L，95%置信区间：0.24～2.16 ng/L)、二乙基二硫醚(0.84 ng/L，95%置信区间：0.43～1.61 ng/L)及二异丙基三硫醚(1.70 ng/L，95%置信区间：0.81～3.54 ng/L)的嗅阈值相对较高，为二甲基三硫醚的20～50倍；二异丙基硫醚和甲硫醚的嗅阈值次之，分别为0.15 ng/L(95%置信区间：0.08～0.27 ng/L)和0.40 ng/L(95%置信区间：0.16～0.97 ng/L)；二甲基三硫醚的嗅阈值浓度最低，为0.033 ng/L(95%置信区间：0.021～0.052 ng/L)。

注：空气中浓度做了标准化处理

在接近阈值浓度时，二甲基三硫醚的Logistic回归曲线上升明显，这表明该物质浓度只要稍高于嗅阈值就能被人感知，相比之下二甲基二硫醚和二异丙基三硫醚的回归曲线上升平缓。值得注意的是，本研究中确定的甲硫醚、二甲基二硫醚和二甲基三硫醚嗅阈值结果低于文献采用三点比较式臭袋法报道的嗅阈值，这可能与测试方法的不同以及参与测试的人群有关。同时，由于对混合物采用了色谱进行分离后，在进样口处加以闻测的方法，如果一些物质的出峰时间相近，其结果可能会相互干扰，此种情况下可将相应物质单独测定。此外，个人的嗅觉敏感性受到是否先前接触过此类嗅味物质因素影响，研究表明先前接触过一种气味的人群比未接触过的具有更高的敏感性和更低的嗅阈值，然而高浓度的嗅味暴露又会钝化人的嗅觉[10]。这一现象在饮用水中的土霉味物质2-甲基异莰醇(2-MIB)中得到了证实，饮用水从业人员可以比单纯的消费者更准确地描述和感受发霉气味[11]。但化合物的嗅阈值本身就是一个范围，因此，需要保证一定人员的参与下所得结果是合理的。

几何平均值计算的嗅阈值结果如表2所示。其中，二异丙基三硫醚(2.38 ng/L)嗅阈值质量浓度最高，二异丙基硫醚(0.14 ng/L)、甲硫醚(0.54 ng/L)、二乙基二硫醚(0.69 ng/L)和二甲基二硫醚(1.01 ng/L)次之，二甲基三硫醚嗅阈值质量浓度最低(0.041 ng/L)，与Logistic回归结果一致。相关性分析表明，当测试的浓度范围覆盖多数受试者的嗅阈值浓度时，通过Logistic回归和几何平均值计算的嗅阈值基本一致(r=0.975，p<0.05)(图2)。但二异丙基三硫醚通过两种方法计算的嗅阈值相差较大，可能的原因是当测试者可以正确闻测到最低浓度或不能闻测到最高浓度时，几何平均嗅阈值受到浓度序列中下一个最高/最低浓度的影响[12]，而不同嗅阈值计算方法也会有一定的系统误差[13]。总体来看，两种方法均可用于嗅阈值的计算。

表2 硫醚的嗅阈值浓度

基于上述气相中的嗅阈值结果，进一步根据亨利定律和理想气体状态方程，采用EPI Suite v4.11(U.S.EPA, 2012)计算硫醚的亨利定律常数，对水中嗅阈值进行了推算，结果如表2所示。由于推断过程中假定为理想气体，且嗅阈值与温度和亨利常数等因素均有关，结果与以往文献报道有较大差异。因此，如需通过一种气相中的结果对水相中的嗅阈值进行预测，后续仍需要从试验条件以及推断模型等方面加以针对性优化。

2.2 嗅味特征描述

利用词云图的方式对通过GC-O所描述的6种硫醚类物质的嗅味类型进行表述，如图2所示。词云图中字体较大的气味描述表示具有较高的使用频率。对6种硫醚类物质，“臭味”“臭鸡蛋味”“沼泽味”“酸臭味”为主要描述，同时还有“蔬菜味”“蒜臭味”“甜味”“土味”“下水道味”“腥臭味”“洋葱味”和“难以描述”等。研究表明硫醚类物质导致的“腥臭味”/“沼泽味”在我国饮用水中普遍发生，约36%的原水中存在且主要发生在河流型水源[17-18]。此类物质的来源非常广泛，各种含硫有机物或无机多硫化物在合适的环境条件下均可通过不同转化途径产生[19-20]。从嗅味类型来看，总体上可以描述为“腥臭味”“沼泽味”“腐败味”等，与通过GC-O所分别描述的嗅味类型保持一致。

图2 硫醚类物质的嗅味描述词云图

就具体的物质来看，对甲硫醚、二甲基三硫醚的嗅味描述较为统一，而二甲基二硫醚和二异丙基硫醚则有不同类型的嗅味描述。“臭鸡蛋味”和“臭味”是甲硫醚的主要气味描述词，测试者在低浓度时使用“蔬菜味”和“草味”，在高浓度时使用“臭鸡蛋味”“臭味”“榴莲味”“粪便味”“垃圾味”等，与文献中报道的甲硫醚低浓度为“淡淡的蔬菜味”、高浓度呈现明显的“臭味”特征相符[21]。二甲基二硫醚和二甲基三硫醚具有相似的嗅味特征，以“臭味”为主，其次是“蔬菜味”“蒜臭味”“沼泽味”“腥臭味”“下水道味”和“洋葱味”。二甲基二硫醚和二甲基三硫醚在湖泊河流中广泛存在，在水中浓度超过阈值会产生“沼泽”“腐败”气味，影响水的感官[22]。对二异丙基硫醚的描述存在较大差异，在低浓度时呈现“淡淡的清香味”，但浓度过高就会产生令人反感的“臭味”，表明不同浓度的硫醚可能呈现不同的气味。二乙基二硫醚的多被描述为“臭味”“土味”“灰尘味”“金属味”“化工厂味”。二异丙基三硫醚更多的被描述为“臭味”和“酸臭味”。

值得注意的是，尽管本方法能够对多种嗅味物质进行同时测定，但由于是通过色谱柱分离后对于嗅味特征进行评价，一些化合物流出出峰的时间相近，仍会存在一定的干扰；另外，由于会受到测试环境以及人员差异等的干扰，与实际条件下也会存在一定的差异。因此，测试时建议不同的测试人员参与，并针对嗅味类型进行确认讨论，以达到对于嗅味特征描述的一致性。

2.3 闻测人员对测试结果的影响

进一步对参与测试的人员进行分类，分成暴露组(实验室内参加过嗅味评价的人员)与未暴露组(未参加过嗅味评价的人员)，对两类人员的影响进行讨论。嗅味特征描述的结果如图3所示，暴露组与未暴露组均有一致的“臭味”“难以描述”“臭鸡蛋味”等描述，其中，暴露组将硫醚嗅味更多的描述为“臭味”“臭鸡蛋味”“沼泽味”“难以描述”和“有机味”；而未暴露组对硫醚的描述使用的词语更多样化，包括“装修味”“臭豆腐味”“烂菜叶味”和“洗衣粉味”等。另外，小组成员中有6名在实验室从事饮用水嗅味评估的人员，测试时将二甲基三硫醚的气味直接描述为“腥臭味”和“沼泽味”，而未接触过的测试者对嗅味特征的描述差异较大。报道指出与未接触过相关气味的受试者相比，人们对接触过的气味类型会有记忆，当再次遇到这种气味时会给出类似的描述[23]。从嗅味类型的规范化考虑，建议测定前进行相应的培训，或者测试小组成员讨论后统一描述词，并通过复测的方式进一步确认。

图3 硫醚的嗅味描述词云图

对暴露组和未暴露组的嗅阈值浓度(几何平均值)分别计算的结果如表3所示。6种硫醚的嗅阈值浓度暴露组均低于未暴露组，其中，甲硫醚、二异丙基硫醚、二异丙基三硫醚嗅阈值差异较小，对二甲基二硫醚、二甲基三硫醚和二乙基二硫醚，未暴露组与暴露组之间则有2～6倍差异。原因可能是二甲基二硫醚和二甲基三硫醚等为在实际水体中广泛存在的硫醚，暴露组为从事饮用水嗅味评估的人员，对其敏感性较高从而有更低的嗅阈值。也有研究表明，先前接触过一种气味的人群比未接触过的具有更高的敏感性和更低的嗅阈值[10]。但总体来看，对于嗅阈值的确定，应在保证足够人员参与(建议不低于10人)的基础上加以计算；同时，应避免长期接触某类嗅味的人员参与测试。

表3 暴露组和未暴露组的硫醚嗅阈值计算结果比较

3 结论

本研究基于感官气色谱法对同步测定6种硫醚类物质嗅味特征(类型和嗅阈值)的可行性进行了研究。结果表明，6种硫醚类物质在气相中的嗅阈值为0.033～1.700 ng/L，二甲基二硫醚(0.72 ng/L)、二乙基二硫醚(0.84 ng/L)及二异丙基三硫醚(1.70 ng/L)的嗅阈值相对较高；二异丙基硫醚(0.15 ng/L)和甲硫醚(0.40 ng/L)的嗅阈值次之；二甲基三硫醚的嗅阈值最低(0.033 ng/L)。“臭味”“臭鸡蛋味”“沼泽味”“酸臭味”是6种硫醚类物质的主要气味描述，多数硫醚在高浓度水平表现为强烈的“臭味”，二甲基二硫醚、二异丙基硫醚和二乙基二硫醚在低浓度下呈现“蔬菜味”“花香味”和“化学味”。另外，人员的敏感性差异对于嗅味特征的确定具有一定的影响，接触过的暴露组的嗅阈值浓度较低，而未参加过的未暴露组对嗅味类型的描述更加多样化。为保证测试结果的有效性，建议采用该方法时应保证足够的人员参与测试，同时加以适当的培训，并避免长期接触某类嗅味的人员参与测试。