高效液相色谱-串联质谱法同时测定空气中10种酚类化合物的含量

赫彦涛,刘爱琴,安彩秀,秦 冲,刘 安,李 然

(河北省地质实验测试中心 河北省矿产资源与生态环境监测重点实验室,保定 071051)

环境空气中酚类化合物污染主要来源于汽车尾气、煤炭燃烧、工业及制药行业排放等[1-2]。酚类化合物在空气中以蒸气或气溶胶方式存在,具有特殊的刺激性气味,可经由呼吸道、消化道及皮肤黏膜进入体内[3]。长期接触含酚类化合物的空气可引起慢性蓄积性中毒,引发头晕、呼吸道刺激等症状,严重时可导致神经系统疾病的发生[4-5]。因此,我国职业卫生标准[6]对工作场所空气中苯酚、甲酚、2-萘酚和五氯酚的职业接触限值做了明确规定。

目前,空气中酚类化合物有多种分析方法,常用的有分光光度法[7]、气相色谱法[8]、气相色谱-质谱法[9-10]、高效液相色谱法[11-13]等。分光光度法检测过程中,显色剂4-氨基安替比林与非对位取代基的酚类化合物均可发生反应,因此该方法不能准确反映空气中不同酚类化合物的污染状况[7]。酚类化合物极性较强,在气相色谱中峰形较差,且灵敏度较低,衍生后可改善峰形并提高检测灵敏度,但衍生步骤繁琐耗时,限制了其应用[8-10]。近年来,高效液相色谱法在空气中酚类化合物的分析中得到了广泛的应用,我国环境标准HJ 638-2012《环境空气 酚类化合物的测定 高效液相色谱法》也使用此法进行测定。然而,由于高效液相色谱法定性能力不强,且此法灵敏度较差,不适用于空气中痕量酚类化合物的检测。高效液相色谱-串联质谱法无需进行衍生化反应即可直接对酚类化合物进行测定,具有准确度高、检出限低等特点[14-15]。因此,本工作提出了高效液相色谱-串联质谱法同时测定苯酚、4-硝基酚、3-甲酚、2-氯酚、2,4-二甲酚、2,4-二氯酚、2,4,6-三氯酚、五氯酚、1-萘酚、2-萘酚等10种酚类化合物含量的方法,旨在为研究空气中痕量酚类化合物提供一种新的、高效灵敏的检测手段。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

Nexera X2-SCIEX TRIPLE QUAD 5500型液相色谱-三重四极杆串联质谱仪;TH3000BⅣ型智能恒温大气采样器;XAD-7采样管(外径6 mm,长度80 mm)。

8种酚类化合物的单标准溶液：包括苯酚、4-硝基酚、3-甲酚、2-氯酚、2,4-二甲酚、2,4-二氯酚、2,4,6-三氯酚、五氯酚,质量浓度均为100 mg·L-1,介质为甲醇。

1-萘酚、2-萘酚混合标准溶液：1 000 mg·L-1,介质为甲醇。

10种酚类化合物混合标准溶液：分别取适量的8种酚类化合物的单标准溶液和1-萘酚、2-萘酚混合标准溶液,用甲醇定容至10 mL,配制成10种酚类化合物质量浓度均为10 mg·L-1的混合标准溶液。使用时,用甲醇稀释至所需质量浓度。

甲酸、乙腈、甲醇均为色谱纯;试验用水为超纯水。

1.2 仪器工作条件

1.2.1 色谱条件

Kinetex C18色谱柱(100 mm×3.0 mm,2.6 μm);柱温30 ℃;流动相A为甲醇,B为水;流量0.2 mL·min-1;进样量20 μL。梯度洗脱程序：0～7.0 min时,A由30%升到50%;7.0～10.0 min时,A由50%升到90%,保持6.0 min;16.0～18.0 min时,A由90%升到100%;18.0～18.1 min时,A由100%跳转至30%,保持1.9 min。

1.2.2 质谱条件

大气压化学电离(APCI)源,负离子模式;针电流3 mA;离子源温度550 ℃;喷雾电压-4 500 V;多反应监测(MRM)模式。10种酚类化合物的其他质谱参数见表1,其中“*”为定量离子。

表1 质谱参数

1.3 试验方法

1.3.1 样品采集

参照HJ 638-2012,将XAD-7采样管两端打开并与采样器连接,采样管入口端垂直向下,设置采样流量为0.5 L·min-1,采样时间为50 min。记录现场采样时间、温度、湿度、大气压力。采样结束后,取下采样管,两端用聚四氟乙烯帽封闭,于4 ℃以下冷藏保存。

1.3.2 样品测定

将采样管恢复至室温,从出口端用甲醇洗脱,收集2.0 mL洗脱液。分取0.5 mL洗脱液,用水定容至1.0 mL,过0.22 μm滤膜,滤液按照仪器工作条件进行测定。

2 结果与讨论

2.1 色谱行为

10种酚类化合物混合标准溶液的总离子流色谱图见图1。

峰号1～10对应的化合物名称同表1图1 总离子流色谱图Fig.1 Total ion chromatogram

2.2 洗脱溶剂的选择

试验考察了分别以甲醇、乙腈、体积比1…1的甲醇-乙腈混合溶液作为洗脱溶剂时对空白加标样品(加标量为2 μg·m-3)中10种酚类化合物回收率的影响,结果见表2。

表2 洗脱溶剂对10种酚类化合物回收率的影响

由表2可知：采用甲醇、乙腈、体积比1…1的甲醇-乙腈混合溶液作为洗脱溶剂时,10种酚类化合物的回收率依次为91.8%～100%,81.9%～111%,87.1%～119%;其中甲醇作为洗脱溶剂时,回收率更好。并且试验过程中发现,当洗脱溶剂中含有乙腈时,苯酚、2-氯酚色谱峰峰形变差。因此,试验选择以甲醇作为洗脱试剂。

2.3 洗脱液体积的选择

试验考察了洗脱液体积对目标物回收率的影响。分别收集洗脱液0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0 mL,10种酚类化合物的回收率见图2。

图2 洗脱液体积对10种酚类化合物回收率的影响Fig.2 Effect of volume of leacheate on the recoveries of 10 phenolic compounds

结果表明：当收集2.0 mL洗脱液时,10种酚类化合物的回收率均不小于85.0%,满足要求;继续增大洗脱液体积,回收率不再提升,而且增大洗脱液体积会在一定程度上稀释样品,导致方法检出限提高。因此,试验选择的洗脱液体积为2.0 mL。

2.4 流动相体系的选择

试验考察了分别以甲醇-水和甲醇-0.1%(体积分数)甲酸溶液作为流动相体系时对目标物质谱响应值的影响。结果表明：由于酚类化合物呈弱酸性,甲酸的加入会抑制酚类化合物的电离,导致苯酚、3-甲酚的质谱响应值明显降低;当采用甲醇-水作为流动相体系时,10种目标物响应值均较高,分离度良好。因此,试验选择以甲醇-水作为流动相体系。

2.5 质谱条件的选择

在考察质谱条件时发现,采用APCI源时,苯酚和2-氯酚的灵敏度较采用电喷雾离子(ESI)源时的显著提高。因此,选用APCI源进行试验。采用针泵恒流进样,将100 μg·L-1混合标准溶液直接注入APCI源,先进行母离子扫描,确定各目标物的准分子离子峰;然后开启碰撞气,对母离子进行轰击,找出其中两个丰度较大的子离子;最后根据得到的母离子、子离子信息,依次优化碰撞能量、去簇电压等参数。优化后的质谱参数见表1。

2.6 标准曲线和检出限

以甲醇逐级稀释10种酚类化合物混合标准溶液,配制成质量浓度为10,20,50,100,500,1 000 μg·L-1的混合标准溶液系列。按照1.2节仪器工作条件进行测定,以目标物的质量浓度为横坐标,对应的峰面积为纵坐标绘制标准曲线。结果表明：10种酚类化合物标准曲线的线性范围均为10～ 1 000 μg·L-1,线性回归方程和相关系数见表3。

表3 线性回归方程、相关系数和检出限

连续分析7个空白加标样品(加标量为2 μg·m-3),控制采样体积为25 L,计算标准偏差(s),按照HJ 168-2020《环境监测分析方法标准制订技术导则》附录A.1中t(n-1,0.99)×s计算检出限(3.143s),并与HJ 638-2012、气相色谱-质谱法[9]所得部分目标物的检出限进行比对,结果见表3。

结果表明：本方法所得10种目标物的检出限均小于HJ 638-2012、气相色谱-质谱法的检出限,满足空气中痕量酚类化合物的检测要求。

2.7 精密度和回收试验

在空白XAD-7采样管入口端分别添加一定量的10种酚类化合物混合标准溶液,按照试验方法采集空白空气样品并测定,各浓度水平模拟采样6次,计算回收率和测定值的相对标准偏差(RSD),结果见表4。

表4 精密度和回收试验结果(n=6)

结果表明：10种酚类化合物在3个加标浓度水平下的回收率为69.3%～102%,测定值的RSD为1.1%～9.6%,满足空气中酚类化合物的检测要求。

2.8 样品分析

采集某化工区的10个空气样品,按照本方法对其中10种酚类化合物进行测定。结果显示,3个空气样品中检出苯酚,质量浓度分别为23.3,27.6,40.2 μg·m-3,其余样品均未检出目标物。某阳性样品的总离子流色谱图如图3所示。

图3 阳性样品的总离子流色谱图Fig.3 Total ion chromatogram of the positive sample

本工作提出了高效液相色谱-串联质谱法同时测定空气中10种酚类化合物含量的方法,该方法简便快速、灵敏度高、准确度与精密度好,适用于空气中10种酚类化合物的定性与定量分析。