箭型顶空固相微萃取-三重四极杆气质联用法测定水中2种环状缩醛(2-EMD、2-EDD)、2-甲基异莰醇和土臭素

李 冰

(上海市供水调度监测中心,上海 200002)

嗅味作为饮用者能直接感觉到的重要感官指标,是广大消费者用来判断饮用水水质优劣的重要依据,影响着饮用水的可接受性[1]。饮用水中,大多数嗅味主要来自水源本身,多与藻类等微生物的生长代谢或水源污染有关[2]。例如,有着土味的土臭素(GSM)和有着霉味/土霉味的2-甲基异莰醇(2-MIB),就是产嗅藻在生长过程中代谢产生的嗅味物质,嗅阈值分别为4 ng/L和10 ng/L[3-4]。这2种嗅味物质近些年已经得到了广泛的研究,在《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2022)中,也规定了2-MIB和GSM的限值,均为10 ng/L[5-7]。

随着社会的发展和环境的变化,国内外水源中化学品的泄漏和环境污染导致的嗅味事件多有发生。其中的2-乙基-4-甲基-1,3-二氧戊环(2-EMD)和2-乙基-5,5-二甲基-1,3-二氧六环(2-EDD)泄漏产生的嗅味引起了人们的关注,他们与国外水资源中的几次嗅味事件有关,2-EMD和2-EDD的嗅阈值分别为5 ng/L和10 ng/L。这种有着甜果味、油漆味、溶剂味的环状缩醛类的化合物大多是由树脂制造业泄漏的,树脂是制造塑料的主要原料,树脂相关企业在长三角及珠三角数量相对较多[8-9]。上海处在长江流域的最末端,以长江水系和黄浦江水系为水源,容易遇到上下游问题导致的突发污染事件。杨敏团队近年在对我国的黄浦江水源研究中,也曾检测到过2-EMD和2-EDD,这2种物质在黄浦江中的浓度有随季节变化的趋势,在11月—次年3月会比同年的其他月份浓度高[10]。且他们的环状结构活性低,难被化学分解同时具有很高的水溶性,常规的水处理工艺很难除掉这2种化合物,因此,只有在源头及时发现,采取措施才能避免水源污染[11]。常用的嗅味物质分析主要有液液萃取、吹扫捕集、固相萃取、搅拌棒吸附萃取、闭环捕集与质谱联用的方法[12]。这些方法大多需要有机试剂进行前处理,操作时间长,不利于在突发水质污染事件中快速出具检测结果。

鉴于以上背景,本文创建了一个运用气相色谱-质谱法同时对常见的2-MIB、GSM和化学品嗅味2-EMD、2-EDD这4种化合物进行快速检测的方法。采用的箭型顶空固相微萃取前处理技术富集能力强,简便易操作,检测灵敏度高,可直接对样品进行测试。同时运用三重四极杆提升了对于水样中复杂成分的抗干扰能力。

1 材料与方法

1.1 仪器和试剂

1.1.1 试验仪器

Agilent 7890A/7000三重四极杆气质联用仪,配备分流/不分流进样口、Extractor EI离子源(美国Agilent公司);气相毛细管柱:DB-5MS(30 m × 0.25 mm × 1.0 μm);广州智达样品前处理系统。

1.1.2 材料和试剂

SPME Arrow,1.1 mm OD,纤维组件二乙烯基苯/羧基/聚二甲基硅氧烷(DVB/CAR/PDMS)萃取头(智达);20 mL固相微萃取样品瓶(Agilent);4种嗅味物质标准品和2种内标 (标准品物质名称如表1所示),其中2-EMD、2-EDD为赛默飞世尔科技公司产品,其余均为上海安谱实验科技股份有限公司产品,所有标准品均避光保存在4 ℃的冰箱中。氯化钠为分析纯(江苏强盛功能化学股份有限公司),使用前在马福炉中于450 ℃下烘4 h;甲醇(色谱纯);超纯水(使用时现制备);氦气(纯度≥99.999%)。

表1 6种化合物名称、CAS、保留时间、定量离子对、碰撞能量

1.2 试验条件

1.2.1 顶空固相微萃取参数

称取2.0 g氯化钠到顶空样品瓶中,再加入10.0 mL水样,旋紧带有PTFE硅橡胶垫瓶盖,将氯化钠充分摇匀溶解,放置于顶空样品盘中,按照设定的程序进行测定。SPME Arrow孵化炉温度设置为40 ℃、转速为500 r/min,水样先孵化5.0 min后Arrow在顶空瓶内深32 mm处萃取35 min,最后在进样口解吸5.0 min,进样深度为65 mm。

1.2.2 气相色谱/质谱条件

载气:高纯氦,恒流模式,流速为1 mL/min,不分流进样;电子能量:70 eV;程序升温设置:35 ℃(2 min)→8 ℃/min→75 ℃(2 min)→15 ℃/min→250 ℃(5 min);进样口温度:250 ℃;传输线温度:280 ℃;离子源温度:230 ℃;采用多反应监测(MRM)模式进行检测,4种嗅味物质及2种内标物质的保留时间及定量离子对如表1所示。

2 结果与讨论

2.1 气相毛细管柱的选择

本研究中测试的4种化合物,因2-EMD有顺式和反式两种结构,较其他化合物难分离。本研究分别选用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种规格的色谱柱对2-EMD的分离情况进行比较。研究发现,在DB-5MS(30 m × 0.25 mm × 0.25 μm)色谱柱上2-EMD的两个异构体色谱峰无法完全分开,不能分别对两异构体浓度进行定量,如图1(a)所示;DB-624(30 m×0.25 mm×1.4 μm)色谱柱虽然可以将顺式和反式两个2-EMD色谱峰分离开,但是在两峰中间存在一个由Arrow萃取头本身材质带来的大干扰峰,此干扰在质谱离子化过程中可以碎裂出与2-EMD定量离子对相同的碎片离子,并且通过改变程序升温设置依然无法将此干扰峰从两峰之间移开;DB-5MS(30 m × 0.25 mm × 1.0 μm)色谱柱经测试可以将两个2-EMD色谱峰完全分离,且所有待测物质定量离子对的色谱峰附近无明显干扰,如图1(b)所示。本试验选用DB-5MS(30 m × 0.25 mm × 1.0 μm)色谱柱对4种目标化合物进行分离。

图1 2-EMD在色谱柱的分离情况

2.2 方法抗干扰情况分析

复杂基质中的目标物检测有可能会存在基质干扰的情况,2-EMD因其有顺反两种结构且响应较低、出峰最早,在4种嗅味物质中比较容易受到杂质干扰。本研究分别用选择离子扫描模式(SIM)和MRM两种质谱扫描方法对50 ng/L的样品进行测试,主要考察两种方法对2-EMD检测的干扰情况。对2-EMD的美国国家标准与技术研究院(NIST)谱库质谱图进行分析,适合用作SIM定性、定量离子的主要有87、72、59、41,采集到的色谱图如图2(a)所示,SIM方法中的41 (m/z)干扰最多,对于87、59 (m/z)来说,在2-EMD第一个峰的左边有一个小杂峰,2-EMD第2个峰右侧有一个大杂峰,会影响实际样品中2-EMD的检测。而对于MRM方法,适合用作MRM定性、定量的离子对主要有87→59、87→41、87→39 (m/z),采集到的色谱图如图2(b)所示,2个2-EMD峰前后均没有杂峰,抗干扰能力更强。因此,本方法采用气相色谱-三重四极杆质谱对4种嗅味物质进行检测,提高了方法对复杂基质的抗干扰能力。

图2 SIM MRM方法检测2-EMD的色谱图

2.3 条件的优化

顶空固相微萃取过程中,影响萃取效果的因素主要有萃取头涂层类型、萃取温度、转子速率、盐析剂浓度、萃取时间等[13-14]。本文着重对萃取温度、转子速率、盐析剂浓度、萃取时间进行考察,在本试验中发现,解吸过程中,萃取头进入进样口的深度对峰形有影响,在优化其他萃取条件的同时,也优化了萃取头进入进样口的深度。萃取头涂层类型的选择上,考虑到本试验中的4种待测物质性质不相似,选用极性和非极性相结合的萃取涂层来满足不同性质化合物的萃取要求,所以本研究中的萃取头选用三相复合涂层DVB/CAR/PDMS萃取头。在《生活饮用水标准检验方法 第8部分:有机物指标》(GB/T 5750.8—2023)中,对于2-MIB、GSM的测试选用的是石英纤维的固相微萃取纤维头(SPME Fiber),本研究选用的是箭型顶空固相微萃取头(SPME Arrow)。该方法与SPME Fiber相比,响应值更高,测定得到的2-MIB方法检出限为1.0 ng/L,GSM为0.7 ng/L,而GB/T 5750.8—2023中2-MIB的检出限为2.2 ng/L,GSM的检出限为3.8 ng/L,可见SPME Arrow较SPME Fiber灵敏度更高。三相复合涂层DVB/CAR/PDMS的SPME Fiber和SPME Arrow测试4种嗅味物质质量浓度均为50 ng/L的样品的峰响应值如图3所示,4种嗅味物质Arrow的响应值远高于Fiber的响应值,在测试低浓度样品时,响应值高会使结果更加准确。所以本研究中的萃取头选用了长度为2 cm、直径为1.1 mm的Arrow三相复合涂层DVB/CAR/PDMS萃取头。

图3 SPME Fiber和SPME Arrow对4种嗅味物质萃取效果的对比

2.3.1 萃取温度的选择

本研究测试了4种化合物在萃取温度为35～80 ℃下的萃取效果,如图4所示。对于2种环状缩醛2-EMD和2-EDD,萃取温度在35～40 ℃能够达到最优的萃取效果。随着温度升高,2种环状缩醛的峰面积逐渐降低,萃取效果下降,响应降低[15]。对于2-MIB,在35～55 ℃,萃取效率随温度升高而变大,在55 ℃后,萃取效率随温度升高没有明显变化。GSM当萃取温度高于35 ℃后,随着萃取温度的升高,萃取效率一直是升高的趋势。考虑到2-EMD的响应值较其他3种化合物响应值低,且高温会导致萃取瓶中水汽的量增加,影响检测结果,所以本试验的萃取温度选择40 ℃。

图4 不同萃取温度对4种嗅味物质萃取效果的影响

2.3.2 盐析剂浓度的选择

有机物因水中加入无机盐类而使其在水溶液中的溶解度降低,从而溢出至顶空气相中,对提高本试验检测的灵敏度有很大帮助[13]。本试验使用氯化钠作为盐析剂,在4种嗅味物质质量浓度均为50 ng/L 样品中分别加入了质量分数为5%、10%、15%、20%、25%、30%的氯化钠,在40 ℃萃取温度下萃取30 min后,测试了氯化钠含量对萃取效果的影响,如图5所示。随着盐析剂浓度的增加,4种化合物的峰面积均呈上升趋势。氯化钠的含量越高,萃取效果越好。但氯化钠添加量会影响溶液体积变化和在水中溶解难易程度。本试验中质量分数为20%的盐析剂已经能够达到测试要求,接下来的试验中均用质量分数为20%的盐析剂。

图5 不同盐析剂浓度对4种嗅味物质萃取效果的影响

2.3.3 转子速率的选择

萃取装置的搅拌速率对萃取效果也有一定的影响。本试验在萃取温度为40 ℃,盐析剂质量分数为20%条件下,对50 ng/L的混合标准溶液萃取30 min。分别测试了100、200、300、400、500、600、700、800、900、1 000 r/min转速下对萃取效率的影响,如图6所示,当转速为100 r/min时,萃取效率略小于其他萃取效率,转速在200～1000 r/min,萃取效率受转速影响不大,因此,选择中间转速为500 r/min继续后续研究。

图6 不同转子速率对4种嗅味物质萃取效果的影响

2.3.4 进样深度的选择

Arrow萃取头在进样口解吸的深度对化合物的峰形和响应均有影响。本试验在萃取温度为40 ℃、盐析剂质量分数为20%、转子速率为500 r/min的条件下,测试了50 ng/L的混合标准溶液进样口进入的深度对峰形和响应的影响。测试的进样口进入深度分别为40、45、50、55、60、65 mm,图7为2-EMD在进样口进入不同深度下的峰形和响应。可以看出,随着Arrow萃取头在进样口进入的位置加深,峰形越窄,响应度越高。这是因为进样口下面的衬管中下部的温度比衬管上部温度高,当Arrow萃取头进入得越深,上面吸附的物质解析速度越快,峰形越尖锐,响应越高。

图7 不同进样深度对萃取效果的影响

2.3.5 萃取时间的选择

萃取时间长短会影响Arrow萃取头吸附待测物质的量,进而影响分析灵敏度。试验中,在萃取温度为40 ℃、盐析剂质量分数为20%、转子速率为500 r/min、进样深度为65 mm的条件下,测试了萃取时间在10～45 min下的萃取效果。随着萃取时间的延长,萃取效率逐渐升高,如图8所示,在萃取时间到达35 min后,随着萃取时间延长,萃取效率升高的趋势变小。35～45 min,萃取效果相差不大,考虑试验效率及Arrow萃取头中水分的影响,因此,最终选择35 min为本试验的萃取时间。

图8 不同萃取时间对4种嗅味物质萃取效果的影响

2.4 标准曲线及检出限

将4种待测嗅味物质标准溶液配成100mg/L的混合标准使用液,溶剂为甲醇。用纯水稀释为1、5、10、25、50、75、100 ng/L的标准系列溶液,向其中加入2种内标物质,2种内标物质加入水中后质量浓度均为20 ng/L,氯苯-d5作为2-EMD和2-EDD的内标,IBMP作为2-MIB和GSM的内标,用内标法绘制出浓度-峰面积校正曲线,结果如表2所示。所得的100 ng/L标准溶液总离子流图如图9所示。在本试验优化好的条件下,4种待测化合物和2种内标物检出限为0.7～1.0 ng/L,6种化合物之间的分离效果好,可以准确地定性与定量。

图9 总离子流

表2 4种嗅味物质测定线性范围、回归方程、线性相关系数、检出限

2.5 回收率与实际水样

用本试验最终确定的优化条件对超纯水和实际水样进行加标试验,同时测试本检测方法的准确度和精密度。分别配制10、50、100 ng/L 3个加标浓度的超纯水待测样品,实际加标水样选择华东某市1号水库输水口水样(表3),向1号水库输水口水样中分别加标10、50、100 ng/L进行高、中、低3个质量浓度的加标试验。不同本底和加标浓度均重复测定6次,计算本检测方法的准确度和精密度,如表3所示。

表3 4种嗅味物质的加标回收试验结果(n=6)

2.6 方法应用

选择华东某市水源地取水口和输水口取样,按本试验优化好的顶空固相微萃取条件进行样品前处理,再用三重四极杆气质联用系统定量分析,如表4所示。结果显示,在4大水库的取水口和输水口,2-EMD、2-EDD、2-MIB均有检出,且浓度差异不大。2-EMD的浓度略高于2-EDD的浓度,2种环状缩醛类物质均小于其嗅阈值。四大水库的2-MIB值均小于10 ng/L,符合《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2022)中的规定限值。

表4 不同水源水中4种嗅味物质含量

3 结论

(1)建立了基于箭型固相微萃取-三重四极杆气质联用法,同时测定水中的2-MIB、GSM、2-EMD、2-EDD这4种嗅味物质的分析方法,该方法前处理简单,采用MRM模式定量分析可以减少基体中的杂质对分析的干扰。

(2)箭型固相微萃取前处理条件优化后为:直径为1.1 mm Arrow三相复合涂层DVB/CAR/PDMS萃取头,在萃取温度为40 ℃、盐析剂质量浓度为20%、转子速率为500 r/min、进样深度为65 mm的条件下,顶空萃取35 min。

(3)该方法测定结果的相对标准最大为7.06%,加标回收率在89.96%～113.01%。方法检出限为0.7～1.0 ng/L,低于各物质的嗅阈值。方法具有较高的灵敏度,可用于检测水源水及饮用水中ng/L级别的嗅味物质,为日后快速鉴定水污染事件中的致嗅物质做好技术储备。