超分子溶剂萃取-气相色谱-质谱法测定水中神经性毒剂及其模拟剂

唐慧，陈博，黄永鹏，陈茜，孟祥燕

(国民核生化灾害防护国家重点实验室，北京 102205)

神经性毒剂是一类有机膦酸酯或有机膦酸酯类化合物。沙林(GB)、梭曼(GD)、塔崩(GA)和维埃克斯(VX)是最重要的神经性毒剂，以呼吸道为主要中毒途径，进入人体后作用于神经系统，通过抑制胆碱酯酶活性从而引起乙酰胆碱的蓄积，使胆碱能神经过度兴奋，最后导致呼吸、循环系统衰竭而致人死亡。神经性毒剂的毒性极强，不但对人类有较强的杀伤性，且对生态环境存在着巨大的威胁。发生化学毒剂的突发事件时，自然环境中水体极易被污染[1]，建立环境样品中神经性毒剂的快速分析检测方法，对突发性事故的毒剂种类识别及应急处理具有重要的意义。样品前处理包括对样品中待测组分进行提取、净化和浓缩等步骤，是整个分析过程的关键环节，直接影响分析方法的灵敏度和精密度。目前神经性毒剂及其模拟剂的检测前处理技术主要包括固相萃取[2-4]、液相萃取[1，5-6]、超声辅助萃取、微波辅助萃取、加速溶剂萃取[7]、微萃取[8]等。但上述方法存在耗时长、有机溶剂消耗量大、成本高等缺点。

超分子萃取是由RUBIO 等[9]提出的一种以超分子溶剂为萃取剂的新型萃取技术，是近几年新兴的环保型样品前处理技术，主要分为亲水胶束[10-12]、反相胶束[13]和囊泡[14]三种类型。其中亲水胶束型超分子是以表面活性剂水溶液为萃取剂，通过表面活性剂的增溶性和分相来实现对目标物的分离和富集，最后用微量的有机溶剂将目标物从表面活性剂相中反萃取出来，从而提高了方法的富集倍数[15]。该技术已广泛应用于金属离子、生物大分子、有毒污染物[16]等样品的分离分析预处理，但是其应用于水中神经性毒剂检测的研究目前没有报道。

笔者以水中神经性毒剂典型化合物GB、GD 以及其模拟剂甲基磷酸二甲酯(DMMP)为目标物，以非离子活性剂水溶液为萃取剂，通过加入无机盐降低浊点温度，在室温下完成萃取。使用异辛烷对富集相进行反萃取，减弱了单一溶剂萃取时对极性的限制，在超声辅助下，目标物进入有机相中，据此建立了超分子萃取-气相色谱-质谱(GC-MS)联用方法测定水GB、GD、DMMP 3 种目标物的方法。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

气相色谱-质谱联用仪：7890A-5975C 型，美国安捷伦科技有限公司。

恒温加热型振荡仪：TMS2000 型，莱普特科学仪器(北京)有限公司。

电子分析天平：XP105 型，感量为0.1 mg，梅特勒-托利多国际贸易(上海)有限公司。

DMMP、聚氧乙烯单叔辛苯基醚(Triton X-114)、聚乙二醇辛基苯基醚(Triton X-110)、异辛烷、氯化钠、碳酸钠、硫酸钠：分析纯，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

二氯甲烷：色谱纯，西格玛奥德里奇(上海)贸易有限公司。

GB、GD：质量分数均大于93%，实验室合成，含量采用酸碱滴定法进行测定[17]。

实验室用水为纯净水。

1.2 溶液配制

GB、GD、DMMP 混合对照储备液：分别准确称取GB、GD、DMMP 25 mg，用乙腈溶解并定容至25 mL，得到1 mg/mL 的GB、GD、DMMP 混合对照储备液；准确移取2.5 mL 1 mg/mL 混合对照储备液，用乙腈稀释定容至50 mL，制成50 μg/mL 的GB、GD、DMMP 混合对照储备液，将二者放置于4℃冰箱中冷藏储备。

染毒水样：分别准确移取8 mL 50 μg/mL 的对照储备液，加入水定容至1 L，得到0.4 μg/mL 的加标样品溶液。由于GB、GD 在水中会发生水解，样品需要现配现用，低温保存，尽量在短时间内完成萃取。

Triton X-114 水溶液：准确称取2.5 g Triton X-114，用纯净水溶解并定容至25 mL，得到1 g/mL的Triton X-114 水溶液。

1.3 样品处理

准确移取40 mL 染毒水样放入50 mL 离心管中，加入40 mg 氯化钠，再向其中加入200 μL Triton X-114水溶液混合均匀后，以1 000 r/min 的转速，于30 ℃恒温振荡10 min，再加入500 μL 异辛烷反向萃取，超声5 min，混合均匀后以4 500 r/min 的转速离心10 min 以加速相分离。移取上层超分子溶剂相50 μL，待分析。

1.4 仪器工作条件

1.4.1 色谱系统

分析柱：DB-5MS 色谱柱(30 m×0.25 mm，0.25 μm，美国安捷伦科技有限公司)；载气：氦气，恒流模式，流量为1.0 mL/min；进样方式：分流进样，分流比为20∶1；进样口温度：250 ℃；进样体积：1 μL；传输线温度：280℃；柱温：初始温度为50 ℃，保持3 min，以10 ℃/min升温至200 ℃，再以30 ℃升温至250 ℃，保持1 min；定量方法：色谱峰面积外标法定量。

1.4.2 质谱系统

离子源：电子轰击源(EI)；电子能量：70 eV；电子倍增器电压：120 V；离子源温度：230℃；四极杆温度：150 ℃；扫描方式：选择离子(SIM)模式；GB 定量特征碎片离子：质荷比分别为99、81、125(辅助)；GD 定量特征碎片离子：质荷比分别为99、69、126(辅助)；DMMP 定量特征碎片离子：质荷比分别为94、79、109、124(辅助)。

1.5 标准曲线绘制

分别移取50 μg/mL对照储备液0.04、0.4、2.0、4.0、10.0、30.0 mL，置于6 只50 mL 容量瓶中，用乙腈定容，得到GB、GD、DMMP 质量浓度均分别为0.04、0.4、1.0、4.0、10、30.0 μg/mL的系列标准工作溶液。在1.4 仪器条件下进行测定，以质量浓度为横坐标、目标分析物色谱峰面积为纵坐标分别绘制标准工作曲线。

2 结果与讨论

2.1 样品处理条件

2.1.1 非离子表面活性剂选择及其用量

非离子表面活性剂会影响超分子溶剂的组成及尺寸大小，进而影响萃取效率。分别选择Triton X-114 和Triton X-110 两种表面活性剂进行试验，Triton X-114和Triton X-110作为萃取剂，均能实现水中3 种目标物的有效萃取，萃取率如图1 所示。由图1 可知，Triton X-114 对GB、GD、DMMP 的萃取率分别为87.3%、85.6%和90.1%，优于Triton X-110；同时，Triton X-114 具有较低浊点温度和较高的密度，更有利于超分子的形成与目标物的萃取。因此选择Triton X-114 作为萃取溶剂，并通过离心促进相分离。

图1 不同非离子表面活性剂的萃取率

Triton X-114溶液的浓度直接关系到超分子的大小以及目标物的萃取率。保持水和NaCl 溶液体积不变，考察TritonX-114 用量分别为100、120、140、160、180、200 μL 时GB、GD 和DMMP 的萃取率，结果如图2 所示。由图2 可知，3 种目标物萃取率均随着Triton X-114 的用量的增大而增大，GB、GD 萃取率增大相对显著。当Triton X-114 用量为200 μL 时，GB、GD、DMMP 的萃取率均较高，因此选择Triton X-114 的用量为200 μL。

图2 Triton X-114 不同用量下的萃取率

2.1.2 异辛烷用量

异辛烷作为反向萃取溶剂，其用量同样也会对萃取效果产生影响。考察异辛烷不同用量(100、200、300、400、500、600 μL) 对GB、GD 和DMMP萃取率的影响，结果见图3。

图3 异辛烷不同用量时的萃取率

由图3 可知，随着异辛烷用量的增大，3 种目标物萃取率逐渐增大，当异辛烷用量不小于500 μL时，萃取率趋于稳定。考虑减少有机溶剂用量，因此异辛烷用量优选500 μL。

2.1.3 振荡时间

利用涡旋能够加快水中目标物转移至超分子溶剂中，使萃取效率在最短时间内得到提高。试验考察了在1 000 r/min转速下，分别振荡1、5、10、15、20 min 时，GB、GD 和DMMP 的萃取率，试验结果见图4。

图4 不同振荡时间的萃取率

由图4 可知，振荡时间为1 min 时DMMP 未检测到；振荡时间为5～20 min 时，GB、GD 和DMMP 的萃取率基本稳定，分别为80.29～88.40%、85.7%～92.3%和89.78%～91.80%，因此振荡时间选择为10 min。

2.1.4 盐的选择及其用量

向溶液中加入盐会影响萃取效率。对于大多数非离子表面活性剂，盐的存在会促进相分离，因为它们会增加水相的密度；同时盐析效应还可以改变非离子表面活性剂的浊点温度。为了研究盐的种类对萃取率的影响，按照1.3前处理方法，分别将氯化钠、碳酸钠和硫酸钠添加到溶液中，GB、GD 和DMMP的萃取率结果如图5 所示。

图5 加入不同盐时的萃取率

由图5 可知，加入等量的NaCl 时目标物的萃取率明显比Na2CO3和Na2SO4要高，因此选择的盐为NaCl。

分别将0、40、80、160、240、320 mg 的氯化钠添加到40 mL 样品溶液中，考察氯化钠用量对GB、GD 和DMMP 萃取率的影响，结果如图6 所示。

图6 不同氯化钠用量下GB、GD 和DMMP 的萃取率

由图6 可知，当氯化钠添加量大于240 mg 时，富含表面活性剂的相会出现在溶液表面，这会使萃取溶剂更难分离成两相，准确度和重现性可能会受到影响。当氯化钠添加量为40 mg 时，3 种目标物均能达到最佳的萃取效果，因此选择氯化钠添加量为40 mg。

2.2 色谱分析条件

对GB、GD 和DMMP 的色谱条件进行了比较，结果标目初始温度为50 ℃保持3 min，以10 ℃/min升至200 ℃，以30 ℃/min 升至250℃，保持1 min，此程序为最佳分离条件，分析周期短，分离效果好。SIM 方式只扫描所选定的一个或几个特征离子，色谱图本底小，其灵敏度比全扫描提高2～3个数量级，且选择性强。作为分子的特征离子，要具有较好的选择性和灵敏性。通过分析GB、GD 和DMMP 的质谱图，每个化合物选择相应的特征离子作为监测离子。GB、GD 和DMMP 的总离子流色谱图如图7所示。

图7 GB、GD 和DMMP 的总离子流色谱图

2.3 线性方程和检出限

按照1.4 仪器工作条件测定1.5 中配制的系列标准工作溶液，以色谱峰面积(y)为纵坐标，对应的质量浓度(x)为横坐标进行线性回归，绘制标准工作曲线。分别以3 倍信噪比和10 倍信噪比计算方法的检出限和定量限。GB、GD 和DMMP 的质量浓度线性范围、线性方程、相关系数、检出限和定量限列于表1。

表1 GB、GD 和DMMP 的线性范围、线性方程、相关系数、检出限

由表1 可知，GB、GD 和DMMP 在0.040～50 μg/mL 范围内线性良好，相关系数均大于0.999，表明该方法具有较高的灵敏度。

2.4 加标回收与精密度试验

以纯净水样品作为空白基质(本底值为0)，分别添加低、中、高3 种水平的GB、GD 和DMMP 混合标准溶液，按1.4 仪器工作条件测定，每个样品水平测定6 次，结果见表2。由表2 可知，GB、GD 和DMMP 的平均加标回收率为80.7%～89.3%，6 次平行测定的相对标准偏差为5.87%～9.26%，表明该方法的精密度和准确度较好。

表2 GB、GD 和DMMP 的回收率和相对标准偏差

3 结语

建立了超分子溶剂萃取-气相色谱-质谱法测定水中神经性毒剂及其模拟剂分析方法，通过单因素试验考察了影响萃取效果的非离子表面活性剂种类与用量、异辛烷用量、盐的种类及用量等关键因素。该方法相比于传统的液相萃取[1，18]法，减少了有机溶剂用量，降低了对环境和操作人员的危害；样品前处理步骤更加简便快速，萃取与净化过程同步完成，降低了实验误差和样品损失。