HS/SPME-GC/MS/MS法测定水中痕量2-甲基异莰醇和土臭素

孙红梅，朱玉梅，周军

(盐城市环境监测中心站，江苏 盐城 224002)

HS/SPME-GC/MS/MS法测定水中痕量2-甲基异莰醇和土臭素

孙红梅，朱玉梅，周军

(盐城市环境监测中心站，江苏 盐城 224002)

建立了测定水中痕量2-甲基异莰醇(2-MIB)和土臭素(GSM)的顶空固相微萃取-气相色谱/二级质谱联用法(HS/SPME-GC/MS/MS)，并对HS/SPME条件进行优化。优化后的方法2-MIB和GSM在1.00～50.0 ng/L范围内，线性良好(r≥0.999 4)，RSD分别为7.36%和7.75%，方法检出限分别为0.226和0.239 ng/L，加标回收率分别为87.0%～97.0%和85.2%～112%。结果表明，所建立的方法操作简便、准确度高、重现性好、灵敏度高，无需有机溶剂，适用于水中痕量2-MIB和GSM的测定。

顶空固相微萃取；气相色谱/二级质谱；2-甲基异莰醇；土臭素；正交试验

2-甲基异莰醇(2-MIB)和二甲基萘烷醇(通称土臭素，GSM)是由地表水中蓝绿藻和放线菌产生的一种天然萜烯醇化合物，是目前已经确认的造成饮用水具有土霉臭味的主要物质。尽管水中的2-MIB和GSM的含量极低，但人的嗅觉对此极为敏感，痕量的这些物质便能使人觉察到令人厌恶的土霉味，从而引起居民用水恐慌。有研究报道，人类对2-MIB和GSM的嗅阈值分别为10和30 ng/L[1]。我国《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)对2-MIB和GSM 的允许限值均为10 ng/L。因此，建立水中痕量2-MIB和GSM的分析方法尤为重要。

目前，国内外对2-MIB和GSM的检测方法主要分为感官分析法和仪器分析法两大类。感官分析法凭借人的嗅觉进行臭味分析，受主观因素影响大且无法实现准确定量分析。因此，水中痕量2-MIB和GSM 主要使用仪器分析。由于2-MIB和GSM在实际样品中含量极低，分析前需要富集。有研究者[1-4]统计了国内外主要的富集方法，有闭合环路气提、液液萃取(LLE)、液液微萃取(LLME)、静态顶空(HS)、吹扫捕集(P&T)、固相萃取(SPE)、固相微萃取(SPME)、搅拌棒吸附萃取(SBSE)等。SPME利用均匀涂覆在石英纤维上的吸附剂涂层进行萃取，一般分为淹没式萃取法、顶空萃取法、膜保护萃取法和衍生化萃取法4种。相比较而言，顶空-固相微萃取(HS-SPME)法集萃取、富集、解吸、进样等功能于一体，是一种不需有机溶剂、环境友好、易于实现自动化进样的新型样品前处理技术。富集之后所用的仪器主要是气相色谱仪(GC)和气相色谱质谱联用仪(GC/MS)，少数研究者[5-6]采用气相色谱/二级质谱联用仪。采用二级质谱MRM模式，母离子被选定，碰撞后从形成的子离子中再次选定子离子进行监测。因经过两级四级杆过滤，该法比单级质谱SIM模式具有更强的降噪性能，提高了分析方法的灵敏度，适用于各类复杂样品中痕量化合物的定性定量分析。

现采用正交分析方法优化顶空固相微萃取条件，结合气相色谱/二级质谱联用技术建立水中痕量2-MIB和GSM的测定方法。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

7890B-7000C串联三重四级杆气相质谱联用仪(美国Agilent公司)，配置PAL自动进样器；DVB/CAR/PDMS固相微萃取纤维(50/30 μm，24Ga，美国Supelco公司)，初次使用时需于270℃老化1 h；Milli-Q超纯水系统(美国Millipore公司)；SX2-4-10N型马弗炉(上海一恒科技有限公司)。

2-MIB和GSM标准溶液购自百灵威科技，均为100 mg/L，溶剂为甲醇；甲醇(HPLC级,美国TEDIA公司)；氯化钠(优级纯)使用前于400℃烘干2 h。

1.2 HS-SPME条件

萃取头可以安装到PAL自动进样器系统上，便于气相色谱的进样自动化。一般的自动化过程如图1所示：通过保护纤维的针管使纤维穿透样品瓶的隔垫1，推压进样杆使纤维进入液上气2，有机组分就会吸附到纤维的涂层上，一旦达到平衡，将纤维拉回针管，并从样品瓶内拔出。将针管插入气相色谱进样口3，推出纤维，被吸附的物质就会通过热解吸进入进样口4。

图1 SPME的吸附和解吸过程

取10 mL水样(若是地表水，需用经纯水煮沸活化过的0.45 μm滤膜过滤)置于20 mL螺纹口顶空瓶中，加入氯化钠。将顶空瓶置于PAL样品盘中，由PAL抓进振荡器，在温度65℃、转速600 r/min下预振荡加热1 min，将针管扎入顶空瓶，推出萃取纤维头在液面上方萃取30 min，转入GC进样口，于260℃下解吸3 min。

HS-SPME条件在PAL参数中设置，预搅拌加热1 min；萃取温度65℃；搅拌速度600 r/min；搅拌开启时间5 s；搅拌关闭时间2 s；针管插入样品瓶深度11 mm；萃取时萃取头伸出针管长度22 mm；萃取时间30 min；针管插入进样口深度32 mm；解吸时萃取头伸出针管长度22 mm；解吸时间3 min；解吸温度260 ℃。

1.3 GC/MS/MS条件

GC条件：采用HP-5MS毛细管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)和超高惰性脱活衬管(SPME专用)；进样口温度260℃；不分流进样；柱流速1.2 mL/min；程序升温：50℃保持1 min，以10℃/min升至150℃，再以20℃/min升至230℃，共计15 min。

MS/MS条件：MRM模式扫描；EI源温度280℃；溶剂延迟8 min；四级杆温度150℃；传输线温度280℃；淬灭气为高纯氦气，流速2.25 mL/min；碰撞气为高纯氮气，流速1.5 mL/min。监测离子参数如表1所示。

表1 2-MIB和GSM的离子监测参数

2 结果与讨论

2.1 HS-SPME条件的优化

影响HS-SPME萃取效果的因素主要有萃取头种类、加盐量、萃取温度、萃取时间、搅拌速度、解吸温度、解吸时间等。以往研究多以某单个因素为变量，研究其对萃取效果的影响，从而得到该因素的最佳萃取条件[4-10]，忽略了多因素相互作用对目标物分析的影响。为此，有研究通过正交试验，综合考虑了多种因素的共同作用，优化了HS-SPME的条件[3,11]。

现在采用单因素实验，确定萃取头、加盐量、搅拌速度和解吸温度，并在单因素实验的基础上选取萃取温度、萃取时间、解吸时间为试验因素，进行正交试验，确定2-MIB和GSM的最佳萃取条件。

2.1.1 萃取纤维

2-MIB和GSM是相对分子质量较大、不溶于水、半挥发性的天然萜烯醇类化合物，根据有机物与溶剂“相似相溶”原则，参考文献[4-11]，选择可吸附物质极性范围宽、相对分子质量较大的PDMS/DVB/CAR涂层萃取头。

2.1.2 加盐量

在液体样品中加入适量无机盐可增加溶液的离子强度，降低目标物质在水中的溶解度，提高萃取效率。参考文献[4,6，8，11]，在10 mL 水中加入3 g NaCl。

2.1.3 搅拌速度

搅拌可使样品均匀, 增加萃取纤维接触样品的机会，尽快达到平衡, 提高萃取效率。搅拌太慢效果不明显，太快则容易使萃取纤维扭曲变形甚至折断。综合考虑，选定搅拌速度为 600 r/min。

2.1.4 解吸温度

解吸温度越高，解吸越充分。PDMS/DVB/CAR萃取头的老化温度为270℃，考虑到进样口温度过高对萃取头的寿命有影响，选择进样口解吸温度为260℃。

2.1.5 萃取温度、萃取时间、解吸时间的正交试验

配制2-MIB和GSM质量浓度均为10.0 ng/L的加标水溶液，选取A萃取温度(50，65，80℃)、B萃取时间(15，20，30 min)、C解吸时间(3，5，7 min)作为正交因素进行三因素三水平的正交分析试验L9(34)，见表2。对正交结果利用极差法进行分析计算，结果见表3。

表2 L9(34)正交表试验方案和测定结果

表3 L9(34)的分析结果

由表2可见，2-MIB在试验6的条件下响应最大，GSM在试验9的条件下响应最大。由表3可知，萃取温度、萃取时间、解吸时间这3个因素对2-MIB测定的影响大小次序为萃取时间>萃取温度>解吸时间，最优组合为A2B3C1，对应试验6；3个因素对GSM测定的影响大小次序为萃取温度>萃取时间>解吸时间，最优组合为A3B3C2，对应试验9。试验9的解吸时间比试验6长，考虑到萃取纤维的使用寿命，选择试验6的条件作为HS-SPME的最佳条件。

综上所述，SPME优化后的试验条件是：10 mL水中加盐量为3 g，萃取温度和解吸温度分别为65和260℃，萃取时间和解吸时间分别为30和3 min，搅拌速度为600 r/min。

2.2 GC/MS/MS条件的确定

2.2.1 一级质谱全扫描定性

在优化的固相微萃取条件下，考虑到SPME 会提取很多其他挥发性成分，因此初始柱温不宜太高，分析时间不宜太短。经过大量的试验验证，建立了1.3 GC条件。

为了验证2-MIB 和GSM的保留时间，对m/z为45～320的所有离子进行了总离子流图(TIC)的采集(全扫描，SCAN模式)，见图2。由图2通过谱库检索确定保留时间为10.448和13.281 min的色谱峰分别为 2-MIB 和GSM。

图2 全扫描(SCAN)TIC图(10.0 μg/L)

2.2.2 二级质谱的降噪性

对于一级质谱而言，全扫描(SCAN)起到定性作用，但是抗干扰性和灵敏度相对较低。而选择离子监测(SIM)则具有较强的抗干扰性能。根据2-MIB和GSM的标准质谱图，选定2-MIB定量离子为95，定性离子为 107和135；GSM定量离子为112，定性离子为125。配制10.0 ng/L混标水溶液，用1.3的GC条件及SIM模式监测得到TIC图(见图3)。

二级质谱(MS/MS)可以采用独特的多反应监测(MRM)模式。在离子源产生的所有离子碎片中，第一级四级杆质量过滤器选择丰度高的特征离子作为母离子通过，母离子在碰撞池中受碰撞能量的作用发生碰撞解离，产生子离子，再选定子离子通过第二级四级杆，通过这些子离子来定量和定性。由于出现与二级碎片子离子完全相同的干扰很少，MRM模式最大程度地排除了机体干扰，提高了选择性和灵敏度，比SIM模式具有更强的降噪性能。配制10.0 ng/L混标水溶液，用1.3节的分析方法采用MRM模式得到的TIC图(见图4)。比较图3与图4，SIM模式和MRM模式下均可观察到明显的2-MIB和GSM色谱峰，但是SIM模式下的杂质峰明显比MRM模式下多，而且个别杂质峰的响应甚至超过了目标峰，表明MRM模式比SIM 模式具有更好的降噪性。

图3 选择离子扫描(SIM)TIC图(10.0 ng/L)

图4 多反应监测(MRM)TIC图(10.0 ng/L)

2.2.3 二级质谱产物离子扫描

选定2-MIB和GSM的母离子分别为95和112，进行产物离子扫描，同时优化碰撞能量。选择不同碰撞能量(5，10，15和20 eV)，建立产物离子扫描方法，根据产物离子谱图分别选定2-MIB母离子95的产物离子67(CE 10 eV)和55(CE 20 eV)，GSM母离子112的产物离子97(CE 10 eV)和69(CE 20 eV)。据此建立了1.3节表1的MRM方法。

2.3 方法的标准曲线

将质量浓度为100 mg/L的2-MIB和GSM混合标准溶液逐级稀释成10.0 μg/L的混合标准使用液，溶剂为甲醇。

分别取10.0 μg/L的混合标准使用液1，2，5，10，20和50 μL，用纯水稀释成10 mL混合标准系列溶液，其中2-MIB和GSM的配制浓度均为1.00，2.00，5.00，10.0，20.0和50.0 ng/L，于以上混合标准系列溶液中分别加入3 g氯化钠，测定并绘制标准曲线。结果显示，在1.00～50.0 ng/L范围内，采用MRM模式检测，2-MIB和GSM均具有良好的线性，相关系数r分别为0.999 4和0.999 8。

2.4 方法的精密度及检出限

根据《环境监测 分析方法标准制修订技术导则》(HJ 168—2010)的规定，配制1.0 ng/L的标准溶液，重复测定7次，根据MDL=t(n-1,0.99)×S计算方法检出限，其中n为样品的平行测定次数，t(n-1,0.99)为自由度为n-1，置信度为99%时的t分布，t(6,0.99)=3.143，S为n次平行测定的标准偏差。方法定量限(MQL，测定下限)定义为方法检出限的4倍。通过计算得2-MIB和GSM的方法检出限分别为0.226和0.239 ng/L，二者的方法定量限分别为0.904和0.956 ng/L，RSD分别为7.36%和7.75%。

2.5 实际样品分析及加标回收率

用所建立的HS/SPME-GC/MS/MS方法分析了环境水样中的2-MIB和GSM，并进行了加标回收试验。

1#水样采自盐城市通榆河城北大桥，2#水样采自盐城市串场河大庆路桥，分别加标2.00和20.0 ng/L，平行测定3次，结果见表4。

由表4可知，2-MIB和GSM的加标回收率良好，分别为87.0%～97.0%和85.2%～112%。

表4 加标回收试验结果

3 结语

建立了检测GSM 和 2-MIB的HS/SPME-GC/MS/MS法，该方法包括样品固相微萃取制备在内检测一个样品的时间<60 min，在1.00～50.0 ng/L范围内，2-MIB和GSM线性关系良好(r≥0.999 4)，相对标准偏差(RSD)均<10%，方法检出限和方法定量限均<1.00 ng/L，加标回收率为85.2%～112%。该方法操作简便、准确可靠、重现性好、灵敏度高，无须有机溶剂，适用于水中痕量2-MIB和GSM的测定，为水中臭味物质的测定及其去除工艺中机理机制的深入研究提供了必要的分析技术支持。

[1] 徐娜，刘静，路凤.饮用水中土臭素和2-甲基异冰片的分析方法研究进展[J].山东师范大学学报(自然科学版)，2010，25(3)：107-111.

[2] 马晓雁，高乃云，李青松，等.饮用水中异嗅物质-土臭素及2-甲基异冰片的测定方法[J].环境污染与防治，2006，28(8)：631-636.

[3] 成建国，刘开颖，白敏冬，等.顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用测定饮用水中的2-甲基异莰醇和土臭素[J].色谱，2015，33(12)：1287-1293.

[4] 马康，张金娜，何雅娟，等.顶空固相微萃取-气质联用测定环境水样中7种痕量土霉味物质[J].分析化学研究报告，2011，39(12)：1823-1829.

[5] 侯磊，俞超，向华，等.顶空固相微萃取-三重四级杆气质联用法测定水中2-甲基异莰醇和土臭素[J].净水技术， 2015，34(5)：70-75.

[6] 陆晓华，潘小萍，王月红，等.SPME-GC/MS/MS法测定水中2-MIB和GSM[J].给水排水，2009，35(增刊)：39-41.

[7] DING Z, PENG S, XIA W, et al.Analysis of five earthy-musty odorants in environmental water by HS-SPME/GC-MS[J].International Journal of Analytical Chemistry, 2014(9): 1-11.

[8] 黎莉，曹芹，曹旭静，等.HS-SPME-GC-MS法测定水中2-甲基异冰片及土臭素[J].化学分析计量，2014，23(2)：63-65.

[9] 钟秀华，周丽辉，余胜兵，等.顶空固相微萃取-气相色谱/质谱法测定饮水中2-甲基异莰醇和土臭素[J].环境卫生学，2015，5(3)：279-282.

[10] 寇立娟，梁春实，魏树龙，等.固相微萃取-气相色谱-质谱联用测定水中痕量2-甲基异冰片和土臭素[J].分析化学，2011，39(12)：1932-1933.

[11] 彭世富，丁震，夏卫文，等.HS-SPME/GC/MS法测定水中土臭素和2-甲基异莰醇的条件优化[J].南京医科大学学报(自然科学版)，2013，33(8)：1146-1151.

DeterminationofTrace2-MIBandGSMinWaterbyHS/SPME-GC/MS/MS

SUN Hong-mei, ZHU Yu-mei，ZHOU Jun

(EnvironmentalMonitoringStationofYancheng,Yancheng，Jiangsu224002，China)

The method of determination of trace 2-MIB and GSM in water was established by headspace solid-phase micro-extraction (HS/SPME) coupled with gas chromatography/tandem mass spectrometry, and the conditions of HS/SPME were optimized. After the instrument conditions were optimized, the linear relationship between peak area and concentration of 2-MIB and GSM was good enough (r≥0.999 4) from 1.00 to 50.0 ng/L. When the standard sample of 1.0 ng/L was determined 7 times in parallel, the RSDs of 2-MIB and GSM were 7.36% and 7.75% respectively. Their detection limits were 0.226 and 0.239 ng/L, and their quantification limits were 0.904 and 0.956 ng/L, respectively. Two actual water samples were determined and spiked with 2.00 and 20.0 ng/L respectively, and the recovery rates of 2-MIB and GSM were 87.0%～97.0% and 85.2%～112%. The result shows that the proposed method is easily operational, highly accurate, well reproducible, highly sensitive and no need of organic solvents. And it is suitable for the determination of trace 2-MIB and GSM in water.

Headspace solid-phase micro-extraction; Gas chromatography/Tandem mass spectrometry; 2-Methylisoborneol (2-MIB); Geosmin (GSM); Orthogonal test

2017-08-04；

2017-09-05

孙红梅(1983—)，女，工程师，硕士，主要从事有机分析工作。

10.3969/j.issn.1674-6732.2017.06.009

O657.7+1;X832

B

1674-6732(2017)06-0040-05