超高效液相色谱-串联质谱法快速测定地表水中5种污染物

(江苏省南通环境监测中心,南通 226006)

苯胺和联苯胺是印染、制药等领域的重要工业原料。苯胺可造成严重的血液、肝脏及神经系统损伤;联苯胺具有强烈的致癌性,是国际癌症研究机构(IARC)认定的第一类致癌物[1]。微囊藻毒素是淡水蓝绿藻细胞破裂后产生的一种环状七肽化合物,可抑制肝细胞中蛋白磷酸酶的活性,引起肝脏损伤及肝炎等疾病。微囊藻毒素-LR 是众多亚型微囊藻毒素中常见的毒性最大的一种[2]。甲萘威是一种广谱、高效的氨基甲酸酯类杀虫剂,在农业生产中应用广泛,进入人体可造成急性中毒[3]。丙烯酰胺是涂料、医药等工业生产中的重要原料,对人体生殖系统和神经系统具有潜在的威胁,是IARC 认定的第二类致癌物[4]。

我国现行的GB 3838－2002《地表水环境质量标准》中,苯胺、联苯胺、微囊藻毒素-LR、甲萘威和丙烯酰胺等5种污染物被列为严格控制的特定项目,并规定了相应的测定方法。其中,苯胺、联苯胺与丙烯酰胺采用气相色谱法,微囊藻毒素-LR 与甲萘威采用高效液相色谱法。气相色谱法与高效液相色谱法均规定了水样需要经过富集处理方能进行分析,操作繁琐、耗时较长,且难以避免使用多种有机试剂,这对试验人员产生潜在危害的同时也对环境造成负担。液相色谱-质谱法具有选择性高、灵敏度高等优势,越来越多地被应用于地表水中痕量有机污染物的测定[5-8]。目前,采用液相色谱-质谱法测定苯胺[9-11]、联苯胺[11-12]、微囊藻毒素-LR[13-14]、甲萘威[15]和丙烯酰胺[16-17]均有报道,然而绝大多数报道是针对一种化合物或同类化合物的测定。

近年来,水污染事件频发,水质安全问题越来越受到重视,生态环境部门更是不断加大对环境水质的监测力度。自2013年起,江苏省开展了沿江八市集中式生活饮用水水源地水质特定项目协作监测,苯胺、联苯胺、微囊藻毒素-LR、甲萘威和丙烯酰胺均在协作监测项目之列。为顺利开展协作监测工作,保持实验室分析方法的先进性,同时确保测定结果的时效性,本工作建立了一种直接进样并且能够同时测定多种化合物的超高效液相色谱-串联质谱法(UHPLC-MS/MS),实现了地表水中苯胺、联苯胺、微囊藻毒素-LR、甲萘威和丙烯酰胺的同时测定。本方法无繁琐前处理过程,总分析时间短,并且大大节约了人力及仪器设备成本。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

Waters Xevo TQ-S Micro型超高效液相色谱-串联质谱仪;Millipore Milli-Q 型超纯水发生器;0.2μm 聚醚砜(PES)针式滤头。

苯胺、联苯胺、甲萘威、丙烯酰胺标准储备溶液:1 000 mg·L－1,使用时用甲醇稀释至20 mg·L－1。

微囊藻毒素-LR 标准储备溶液:20 mg·L－1。

5种污染物的混合标准储备溶液:1.00 mg·L－1,分别移取20 mg·L－1的5种污染物标准储备溶液5.00 mL至100 mL 容量瓶中,用甲醇稀释定容后,转移至棕色瓶中,于－20 ℃保存。

所用试剂均为色谱纯,试验用水为超纯水。

1.2 仪器工作条件

1)色谱条件 ACQUITY UPLC®BEH C8色谱柱(2.1 mm×50 mm,1.7μm),柱温40 ℃;进样量10μL;流量0.2 mL·min－1。流动相:A 为甲醇,B为0.1%(体积分数,下同)甲酸溶液;梯度洗脱程序:0～1.0 min 时,B 由5%升至95%,保持0.5 min;1.5～1.6 min时,B 由95%降至5%,保持1.4 min。

2)质谱条件 电喷雾电离源(ESI),正离子模式,电离源温度150 ℃;毛细管电压1.40 k V;脱溶剂气为氮气,脱溶剂气温度500 ℃,流量1 000 L·h－1;锥孔气为氮气,流量50 L·h－1;多反应监测(MRM)模式。其余质谱参数见表1,其中,“∗”为定量离子。

表1 质谱参数Tab.1 MS parameters

1.3 试验方法

1)水样采集 使用棕色玻璃瓶,采集地表水样充满采样瓶不留空隙,于4 ℃避光保存。

2)水样净化 水样经0.2μm 聚醚砜针式滤头过滤后转移入样品瓶中,按仪器工作条件进行测定。

2 结果与讨论

2.1 色谱行为

按仪器工作条件对10.0μg·L－1的5种污染物混合标准溶液进行测定,5种污染物混合标准溶液的MRM 色谱图见图1。

图1 5种污染物混合标准溶液的MRM 色谱图Fig.1 MRM chromatograms of mixed standard solution of 5 pollutants

2.2 试验条件的选择

2.2.1 滤膜

超高效液相色谱柱所使用的填料粒径极小,对溶剂、缓冲剂及样品的纯度要求极高。因此,上机分析的水样需要先过滤以去除微小的杂质。试验比较了空白加标水样经聚醚砜、尼龙和醋酸纤维等3种不同材质滤膜过滤后的回收率。结果显示:聚醚砜和尼龙材质的滤膜对目标物没有明显的吸附作用,加标回收率稳定;使用醋酸纤维材质的滤膜时,联苯胺的回收率稍低。试验选用聚醚砜材质的滤膜进行分析前的过滤。

2.2.2 混合标准溶液的溶剂

混合标准溶液溶剂的选择往往对目标物的峰形以及响应强度有着直接影响。试验分别以甲醇、不同体积分数的甲醇溶液及水为混合标准溶液溶剂,配制10.0μg·L－1的5种污染物混合标准溶液,按仪器工作条件进行测定,混合标准溶液的溶剂对5种污染物质谱响应强度的影响见图2。

图2 混合标准溶液的溶剂对5种污染物质谱响应强度的影响Fig.2 Effect of solvent of mixed standard solution on intensity of mass spectral response of 5 pollutants

由图2 可知:随着甲醇体积分数的增大,联苯胺、甲萘威的质谱响应强度增加,分别在甲醇体积分数为80%,60%时最高,而后又随之降低;苯胺、微囊藻毒素-LR、丙烯酰胺的质谱响应强度随着甲醇体积分数的增大而升高,但总体变化不大。试验表明:随着混合标准溶液溶剂中甲醇体积分数的增加,苯胺、联苯胺和丙烯酰胺的色谱峰出现展宽、拖尾;水作为混合标准溶液溶剂时,5种污染物的色谱峰均对称且尖锐。综合考虑5种污染物的色谱分离效果以及质谱响应,同时考虑到与分析实际水样时的溶剂条件一致,试验选择混合标准溶液的溶剂为水。

2.3 色谱条件的选择

2.3.1 流动相

流动相直接影响目标物的色谱分离效果与灵敏度。经过比较,试验选择甲醇和水体系作为流动相。

为了改善峰形以及优化洗脱效果,试验考察了添加甲酸、氨水、甲酸铵等对5种污染物质谱响应强度的影响。结果表明:添加氨水及甲酸铵时,5种污染物的质谱响应强度都较低,并且在添加甲酸铵时,苯胺、联苯胺出现了峰形展宽、拖尾;添加甲酸时,5种污染物的峰形、质谱响应强度、分离效果明显优于添加氨水、甲酸铵的流动相体系。试验选择流动相为甲醇-0.1%甲酸溶液。

2.3.2 流动相流量

流动相流量过低会增加保留时间,出现峰形拖尾、展宽;流动相流量过高会导致离子化效率降低。试验考察了流动相流量依次为0.1,0.2,0.3,0.4 mL·min－1时对5种污染物测定的影响。结果表明:流动相流量为0.1 mL·min－1时,5种污染物的峰形相对较宽,联苯胺、甲萘威色谱峰出现拖尾;流动相流量增至0.2 mL·min－1时,5种污染物的峰形对称;流动相流量更高时,5种污染物的质谱响应强度降低。因此,试验选择流动相流量为0.2 mL·min－1。

2.4 脱溶剂气温度的选择

脱溶剂气温度对目标物的质谱响应有直接影响。按仪器工作条件对10.0μg·L－1的5种污染物混合标准溶液进行测定,考察了脱溶剂气温度依次为350,400,450,500,550,600℃时对5种污染物质谱响应强度的影响,结果见图3。

图3 脱溶剂气温度对5种污染物质谱响应强度的影响Fig.3 Effect of desolvation gas temperature on intensity of mass spectral response of 5 pollutants

由图3可知:脱溶剂气温度过低时,5种污染物的质谱响应强度受到不同程度的抑制;随着脱溶剂气温度的上升,5种污染物的质谱响应强度呈升高趋势;微囊藻毒素-LR 的质谱响应强度在脱溶剂气温度为450℃时达到了最高,苯胺、联苯胺和甲萘威的质谱响应强度在脱溶剂气温度为500 ℃时最高,丙烯酰胺的质谱响应强度在脱溶剂气温度为550℃时达到最高;达到最高响应值后,继续增加脱溶剂气温度,5种污染物的质谱响应强度均略有下降。综合5种污染物的质谱响应强度变化趋势,试验选择脱溶剂气温度为500 ℃。

2.5 标准曲线和检出限

以水为溶剂,将1.00 mg·L－1的5种污染物混合标准储备溶液稀释得到0.10,0.20,0.40,1.00,2.00,4.00,10.0,20.0μg·L－1的5种污染物混合标准溶液系列。按仪器工作条件对上述5种污染物的混合标准溶液系列进行测定,以5种污染物的质谱响应强度对质量浓度进行线性回归。5种污染物的线性范围、线性回归方程和相关系数见表2。

参照HJ 168－2010《环境监测分析方法标准制修订技术导则》,对含量接近预期检出限的空白加标样品平行测定7次,根据公式(1)计算方法检出限:

式中:XMDL为检出限;t(n－1)为平行测定n次时的t值,n＝7时,t＝3.143;s为标准偏差。

检出限结果见表2。

表2 线性范围、线性回归方程、相关系数和检出限Tab.2 Linearity ranges,linear regression equations,correlation coefficients and detection limits

由表2 可知:5 种污染物的检出限为0.04～0.10μg·L－1,均低于GB 3838－2002《地表水环境质量标准》的限值,满足地表水中这5种污染物的测定要求。

2.6 准确度及精密度

按试验方法对空白地表水样品进行分析,并进行加标回收试验,计算回收率和测定值的相对标准偏差(RSD),测定结果见表3。

由表3可知:回收率为95.0%～120%,RSD 为1.9%～12%,方法具有较高的准确度及精密度。

2.7 样品分析

在2019年江苏省沿江八市集中式生活饮用水水源地水质特定项目协作监测中(以下简称“水源水协作监测”),按试验方法对各市水样进行分析,5种污染物均未检出。

5种目标化合物作为GB 3838－2002《地表水环境质量标准》规定的优先控制项目,其测定方法的准确度、分析效率都是衡量方法优越性的重要指标。在面临短时间内大批样品的分析任务时,以“水源水协作监测”为例,近200个样品需在有效时间内报出结果,分析人员面临巨大压力。根据GB 3838－2002《地表水环境质量标准》推荐的传统测定方法,即气相色谱法与高效液相色谱法,5种化合物需要经过不同的前处理过程后方能上机分析,总分析时长约40 h。根据最新的国家标准HJ 1048－2019《水质17种苯胺类化合物的测定液相色谱-三重四极杆质谱法》,以及近年来的文献报道[9-17],液相色谱-质谱法由于其选择性高、灵敏度高等优势,逐渐成为主流测定手段,直接进样法也得到应用,各化合物测定时长3～10 min不等,总分析时长约20 min。本工作建立的直接进样-超高效液相色谱-串联质谱方法,利用串联质谱仪的高灵敏度,省略了复杂的前处理过程,5种化合物无需一一进行前处理,亦无需逐一测定,分析时长直接减少至3 min。对于分析人员而言,不仅无需长时间暴露于挥发性试剂环境中,而且在面临大批量的分析任务时,既能够确保结果的准确性,又能够保证测定效率得到极大程度的提高。

表3 准确度和精密度试验结果(n＝6)Tab.3 Results of tests for accuracy and precision(n＝6)

本工作采用超高效液相色谱-串联质谱法快速测定地表水中苯胺、联苯胺、微囊藻毒素-LR、甲萘威和丙烯酰胺等5种污染物的含量。水样经简单过滤后直接进样,即可实现地表水中这5种污染物的同时分析。与传统方法相比,本方法灵敏度高、步骤简便、总分析时间短,同时减少了试验人员在挥发性溶剂环境中的暴露。本方法成功应用于2019年江苏省沿江八市集中式生活饮用水水源地水质特定项目协作监测中,完成了苯胺、联苯胺、微囊藻毒素-LR、甲萘威和丙烯酰胺这5种污染物的测定,提高了环境监测部门的分析效率。