顶空固相微萃取-气相色谱-三重四极杆质谱法测定水中14种酚类污染物

甘志永，李艳荣，徐 蕾，李克成

（1.江苏省徐州环境监测中心，江苏 徐州 221018；2.汶上县第一中学，山东 济宁 272500）

0 引言

酚类化合物是一类广泛用于印染、炼焦、制药、日化、石化、农药等行业的化工原料，包括甲酚类、氯酚类、硝基酚类、苯酚类等，具有很强的毒性，在水中达到一定浓度可致使鱼类死亡[1-2]。由于酚类化合物的广泛使用，因此在环境要素中已经广泛存在，严重影响人民健康。目前，我国颁布的GB 5749—2006《生活饮用水卫生标准》 表3 和GB—T 14848-2017《地下水质量标准》 表2 对2，4，6-三氯酚和五氯酚，GB 3838—2002《地表水环境质量标准》表3 对2，4-二氯酚、2，4，6- 三氯酚和五氯酚都给出了标准限值，要求对水体中的酚类污染物进行监测和控制。

目前，水中酚类污染物的监测方法主要有气相色谱法[3-5]、气相色谱质谱联用法[6-9]、液相色谱法[10]、高效液相色谱-串联质谱法[11]等，所用的前处理方法主要有液液萃取法[4，6]、固相萃取法[6，9-11]、固相微萃取法[3，5，8]、衍生法[3，6]、顶空法[7]等。大多使用大量有机溶剂，且步骤繁琐。固相微萃取（Solid Phase Microextraction，SPME）是在固相萃取技术的基础上发展起来的前处理技术，经过不断发展，技术逐步成熟，其根据“相似相溶”原理，利用涂层玻璃纤维直接对目标化合物进行富集[12-13]，方便、快捷、绿色。随着科学技术的不断进步，串联质谱检测器（MS/MS）技术已广泛应用于分析测试领域[14-18]，相比于单杆质谱，具有抗基体干扰能力强，灵敏度高等优点[16-18]。

GB/T 5750.10—2006 《生活饮用水标准检验方法 消毒副产物指标》（12.2），使用膜厚为85 μm 的聚丙烯酸酯（PA）萃取头，在酸性条件下，利用顶空固相微萃取-气相色谱法测定了生活饮用水及其水源水中的2，4，6-三氯苯酚和五氯酚2 种污染物，本方法在顶空固相微萃取方法原理的基础上，结合先进的串联质谱检测技术，开发了顶空固相微萃取-气相色谱/串联质谱法测定水中14 种酚类污染物的检测方法，既避免了气相色谱法采用保留时间定性带来的基体干扰或者假阳性问题，又进一步提高了检测的灵敏性，且具有操作简单，绿色环保等优点。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

安捷7890B-7000C 气相色谱-三重四极杆质谱联用仪 （美国Aglient Technologies 公司），配置Combi PAL 自动进样器（瑞士CTC 公司，带自动固相微萃取进样模块）；20 mL 顶空瓶（与CTC 自动进样器配套，美国Agilent Technologies 公司）；HP-5MS色谱柱 （30 m × 0.25 mm × 0.25 μm，美国Aglient Technologies 公司）。3 种SPME 萃取纤维头 （美国Supelco 公司），涂层分别为100 μm 聚二甲基硅氧烷（PDMS）、85 μm 聚丙烯酸酯（PA）和85 μm CAR/聚二甲基硅氧烷（CAR/PDMS），超纯水机（艾柯公司）。

14 种苯酚类标准溶液 （1 000 mg/L，介质异丙醇，Ultra Scientific）苯酚（BP），2-氯苯酚（2-CP），2-甲酚（2-MP），3-甲酚（3-MP），4-甲酚（4-MP），2，4-二甲酚（2，4-DMP），2，4-二氯苯酚（2，4-DCP），4-氯苯酚（4-CP），2，6-二氯苯酚（2，6-DCP），2，4，6-三氯苯酚（2，4，6-TCP），2，4，5-三氯苯酚（2，4，5-TCP），4-硝基苯酚（4-NP），2，3，4，6-四氯苯酚（2，3，4，6-TCP），五氯酚（PCP）；甲醇为色谱纯（美国Tedia 公司）；NaCl（优级纯，国药集团化学试剂有限公司）；1 mol/L 稀盐酸溶液。

1.2 HS-SPME 操作步骤及参数

取水样10.00 mL 于20 mL 顶空瓶中，加入3.6 g NaCl 充分溶解，然后加入0.5 mL 稀盐酸溶液调节水样pH 值为酸性；顶空平衡温度：70 ℃；顶空平衡时间：40 min；搅拌速度：350 r/min；吸附时间：15 min；解析温度：280 ℃；解吸时间：5 min。进样结束后，将萃取头在另一进样口280 ℃下老化5 min。

1.3 色谱及质谱参数

1.3.1 质谱参数

14 种苯酚类化合物质谱参数见表1。

离子源温度为230 ℃；四级杆温度为150 ℃；EI离子源；电离能量为70 eV；质谱端接口温度280 ℃；载气为高纯氦气≥99.999%，流速1.0 mL/min；淬灭气流速2.25 mL/min：碰撞气为高纯氮气≥99.999%；多重反应监测模式（MRM），溶剂延迟时间3 min。

1.3.2 色谱条件

进样口温度280 ℃，不分流进样；升温程序：初始温度80 ℃（保持2 min），以8 ℃/min 升温至200℃，以15 ℃/min 升温至280 ℃；载气为高纯氦气≥99.999%，流速为1.0 mL/min。

2 结果与讨论

2.1 萃取条件优化

HS-SPME 的萃取效率受多种因素影响，萃取头涂层的性质、水样的性质、顶空瓶加热温度、平衡时间、吸附时间、解析时间和解析温度等。本实验在GBT 5750.10—2006 《生活饮用水标准检验方法 消毒副产物指标》（12.2）方法的基础上，对顶空瓶加热温度、平衡时间以及萃取头的吸附时间等实验参数进行了优化和讨论。用超纯水配成质量浓度为20.0 μg/L 的酚类化合物水样，用来进行实验条件优化。

2.1.1 顶空瓶加热温度

顶空温度提高利于水中酚类的挥发，可以提高萃取效率，但是温度过高会导致目标化合物再次解析，取10.0 mL 已配制好质量浓度20.0 μg/L 的酚类化合物水样4 份，按照1.2 的操作步骤，分别在40，50，60，70，80 ℃进行固相微萃取，其他实验参数同1.2，结果见图1。由图1 可以看出，随着顶空温度升高，萃取效率也逐步提高，当温度升到80 ℃时，萃取量增加不明显，部分目标物如苯酚、2-氯苯酚、2-甲酚、3-甲酚/4-甲酚等的萃取量反而呈现下降趋势，因此选择70 ℃为最佳顶空温度。

图1 萃取量随顶空平衡温度的变化

2.1.2 顶空瓶平衡时间

HS-SPME 过程包含2 个平衡状态：①目标物化合物从水相扩散至气相，达到气液平衡状态；②气相中的目标化合物被萃取涂层吸附，达到吸附平衡状态。由于不同化合物的沸点等理化性质的差异，达到平衡状态所需时间也不同。本实验讨论了顶空瓶加热平衡20，30，40，50，60 min 等5 个时间段目标化合物的萃取量变化，操作步骤和其他参数同1.2，实验结果见图2。由图2 可以看出，从20 到40 min，随着平衡时间延长，目标化合物的萃取量升高，从40到60 min，萃取量变化不再明显，在60 min 时少量化合物的萃取量反而小幅降低。实验结果表明，顶空瓶在70 ℃下加热40 min，目标化合物基本达到气液平衡状态，考虑到样品分析效率，选择40 min 为平衡时间。

图2 萃取量随顶空平衡时间的变化

2.1.3 萃取头吸附时间

萃取涂层对目标化合物的吸附量，除了受吸附涂层和目标化合物的性质影响外，还受搅拌速度、环境温度、吸附时间等因素的影响，本小节实验还是采用固定其他参数（同1.2），变化单因素吸附时间的方式，对吸附时间进行优化。选取5，10，15，20，25 min 5 个时间段进行吸附时间参数优化，实验结果见图3。由图3 可以看出，吸附时间15 min 后，随着时间延长，萃取量增加很少，基本达到平衡状态，少量目标物在10 min 时就基本达到平衡状态，因此选取15 min 为最优萃取时间。

图3 萃取量随吸附时间的变化

2.1.4 关于其他参数

对于萃取头的解析温度、解析时间以及搅拌速度等参数，方法和文献[3，8，18]已经给与充分讨论，本实验不再重复进行，综合考虑，选择280 ℃下解析5 min，搅拌速度为350 r/min。

2.2 质谱碰撞能量优化

采用MS1Scan 模式，获得各目标化合物的全扫描质谱图，根据质谱图，选择丰度最高的离子碎片作为母离子。打开碰撞气，采用子离子扫描模式（Product ion），MS2 对母离子产生的子离子碎片进行全扫描检测，根据质谱图结果，选择丰度较大的2 个碎片离子作为子离子。建立MRM 采集方法，按照由低到高的顺序设置子离子的碰撞电压，比较不同电压下的离子丰度，选择丰度最大的子离子作为定量离子，对应电压为优化碰撞能量（Collision Energy），14 种酚类化合物的保留时间、定量、定性离子及优化后的碰撞电压见表1。MRM 总离子流见图4。

图4 总离子流

2.3 方法适用性验证

用纯水配制5 个质量浓度为2.0，4.0，8.0，20.0，40.0 μg/L 5 个的水样，采用1.2 节的步骤和参数进行分析，绘制浓度（x）- 峰面积（y）校准曲线，14 种酚类化合物的回归方程均具有较好的线性关系，相关系数r 均大于0.998，见表2。根据HJ 168—2010《环境监测分析方法标准制修订技术导则》[19]关于检出限的计算方法，平行测定7 次空白低浓度加标样品，计算各目标化合物的检出限，14 种酚类化合物的检出限在0.04 ～0.28 μg/L 范围内；选取一个地表水饮用水源地水样，经本方法测定，未检出酚类污染物，然后用此水样配制6 个加标质量浓度为2.0 μg/L的加标水样，经测定，14 种酚类化合物的加标回收率平均值范围在83%～116%之间，6 次平行测定的RSD 范围在2.3%～12.3%之间。

表2 方法的线性参数、检出限、准确度及精密度

3 结论

（1）在GBT 5750.10—2006《生活饮用水标准检验方法消毒副产物指标》（12.2）顶空固相微萃取的方法原理基础上，利用目前先进的HS-SPME-GCMS/MS 自动检测仪器，开发了14 种酚类化合物新的检测方法，本方法相比于气相色谱法[3-4]，抗基体干扰能力强，可以避免假阳性结果的出现。

（2）采用自动进样方式，HS-SPME 法和GC-MS/MS 联合在线完成分析测试，操作简单，几乎不需要样品前处理过程，且避免了大量有机溶剂的使用，相比于现行的液液萃取和固相萃取[4，6]，更方便快捷、绿色环保。

（3）经过方法适用性验证，此方法具有检出限低、重复性好、灵敏度和准确度高，能满足水中酚类污染物的检测要求。