全自动固相微萃取-气相色谱串联质谱法检测水中土臭素和2-甲基异莰醇

周广安，陈漪洁，潘慧慧，王晓芳

(1. 青岛市水务事业发展服务中心，山东青岛 266000；2. 青岛市海润自来水集团有限公司，山东青岛 266000)

近年来，随着人民对高品质饮用水的需求提升，饮用水的嗅味问题愈来愈受到重视。研究表明，我国最常见的饮用水异味类型是土霉味，而土霉味一般是由土臭素(GSM)和2-甲基异莰醇(2-MIB)这2种化合物引起的[1]。GSM和2-MIB的主要来源是天然水源中蓝藻和放线菌等的代谢和降解产物，这2种致嗅物质在水中的含量一般较低，对人体无明显的健康危害，但它们的嗅阈值很低(2-MIB为5～10 ng/L、GSM为1～10 ng/L)。由于嗅阈值极低，当生活饮用水中含有痕量2-GSM和2-MIB时，用户就会发现水的嗅味异常，引起用户反感和投诉[2]。

我国《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006) 附录A规定2-MIB和GSM的限值为10 ng/L[3]。由于这2种致嗅物质的国标限值较低，给准确定量水中痕量目标化合物带来很大挑战。目前，国家和行业标准中涉及这2种物质检测方法的有《生活饮用水臭味物质 土臭素和2-甲基异莰醇检验方法》(GB/T 32470—2016)和《城镇供水水质标准检验方法》(CJ/T 141—2018)。前者采用手动固相微萃取-气相色谱质谱法进行检测，方法测定下限：GSM为3.8 ng/L、2-MIB为2.2 ng/L；后者运用手动/自动固相微萃取-气相色谱质谱法进行检测，方法测定下限：GSM为6.8 ng/L、2-MIB为4.8 ng/L(自动固相微萃取时)[4-5]。此外文献中使用吹扫捕集-气相色谱质谱法、固相萃取-气相色谱质谱法、液液微萃取-气相色谱质谱法等检测这2种致嗅物质[2, 6-8]。吕建霞等[2]使用吹扫捕集-气相色谱质谱法检测2-MIB和GSM时，2种物质的检出限分别为3.0 ng/L和1.0 ng/L。宋帅帅等[8]用固相萃取-气相色谱质谱法检测时，2-MIB和GSM的检出限均为1.0 ng/L。马晓雁等[6]使用液液微萃取-气相色谱质谱法检测时，2-MIB和GSM的检出限分别为5.0 ng/L和1.0 ng/L。GSM和2-MIB的嗅阈值极低，例如对于敏感人群来说GSM的嗅阈值可低至1 ng/L[2]，因此，寻找测定下限更低、灵敏度更高的致嗅物质定量检测方法非常必要。近年来，气相色谱串联质谱技术在水质检测领域的应用逐渐成熟，由于其具有非常强的抗干扰能力，可有效提高检测方法灵敏度。使用该技术检测水中嗅味物质的报道不少，但相关文献较少。余沛芝等[9]用固相微萃取-气相色谱串联质谱法检测2-MIB和GSM时，这2种致嗅物质的检出限分别为0.52 ng/L和0.43 ng/L。本文采用全自动固相微萃取-气相色谱串联质谱法尝试检测GSM和2-MIB，优化固相微萃取条件和气相色谱串联质谱条件，得到更低的检出限和测定下限，可有效应用于水中痕量致嗅物质的检测。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

安捷伦7890B/7000C型气相色谱串联质谱仪；安捷伦GC-Sampler 80型自动固相微萃取装置；色谱柱：DB-5MS(30 m×250 μm×0.25 μm)；固相萃取纤维头：SUPELCO 50/30 μm DVB/CAR/PDMS；密理博Milli-Q Integral 5型纯水机。

2-MIB和GSM标准物质为AccuStandard生产的货号为ODOR-JDWOS的标准溶液；2-异丁基-3-甲氧基吡嗪(IBMP)内标标准物质为O2Si生产的货号为012502-03-1ML的标准溶液。另外所使用的硫代硫酸钠和氯化钠均为优级纯，甲醇为色谱纯。

1.2 试验步骤

1.2.1 固相微萃取条件

取10 ml样品加入20 mL顶空瓶中，样品中加入氯化钠固体2.5 g，振荡使其溶解，用顶空固相微萃取法对其进行前处理。萃取头老化温度为250 ℃，老化时间为5 min，样品预加热时间为5 min，预加热温度为65 ℃，顶空固相微萃取时间为25 min，进样口解吸，解吸时间为3 min。

1.2.2 GC/MS分析条件

气相色谱条件：进样口温度为250 ℃，不分流进样，柱流量为1.0 mL/min，柱温程序升温：初始温度为50 ℃，保持1 min，以8 ℃/min升温至180 ℃，传输线温度为250 ℃。

质谱条件：离子源为EI源，离子源温度为230 ℃，四极杆温度为150 ℃，溶剂延迟7 min，全扫描(Scan)离子扫描为45～350 m/z。

1.2.3 优化参数确定串联质谱条件

采用全扫描(Scan)方式，参考NIST标准质谱谱库进行定性，确认保留时间。通过全扫描图谱选择2-甲基异莰醇、土臭素及内标物3个化合物的最大丰度离子作为二级质谱(MRM模式)的母离子，进行产物离子扫描，再选择丰度较大的产物离子作为分析方法的定量和定性离子。确定定量和定性离子后，设置一系列不同的碰撞能，根据各产物离子的丰度大小选择最佳碰撞能。

1.2.4 方法的工作曲线、准确度和精密度

使用已确认的固相微萃取方法和气相色谱串联质谱方法，进行工作曲线的绘制，确定方法的检出限和测定下限，并向纯水、生活饮用水和水源水中加入标准物质，进行加标回收检测，以加标回收试验的相对标准偏差评价方法的精密度，以加标回收试验的回收率评价方法的准确度。

2 试验结果与分析

2.1 串联质谱条件优化

2.1.1 确定串联质谱(MRM)模式母离子

首先对2-MIB、GSM、IBMP这3种物质的标准样品进行一级质谱全扫描，发现2-MIB的最大丰度质量数为95.0，GSM的最大丰度质量数为112.0，IBMP的最大丰度质量数为124.0，与NIST谱库中的参考图谱一致，以这3个最大丰度离子分别作为3种物质二级质谱母离子。另外通过全扫描确认2-MIB的保留时间为10.639 min，GSM的保留时间为14.551 min，IBMP内标的保留时间为10.288 min。

2.1.2 MRM模式产物离子确定

对2-MIB、GSM和IBMP这3种化合物进行产物离子扫描，扫描结果如图1所示。由图1可知，2-MIB、GSM和IBMP的较大丰度产物离子分别为67.0、55.1，97.0、83.0，94.1、81.1，分别选择产物离子中丰度最大的67.0、97.0、94.1作为3种化合物的定量离子，产物离子中丰度次之的55.1、83.0、81.1作为3种化合物的定性离子。

图1 2-MIB(a)，GSM(b)和IBMP(c)产物离子扫描谱图Fig.1 Spectrum of 2-MIB(a), GSM(b) and IBMP(c) in Product Ion Scanning Mode

2.1.3 最佳碰撞能的确定

确认各化合物的产物离子后，对各母离子/子离子对设置一系列不同的碰撞能(5、10、15、20、25、30 V)，使用相同浓度的标准样品进行对比试验，通过比较不同碰撞能试验条件下相应产物离子的丰度(响应)大小，选择定量和定性离子对(共6对)的最佳碰撞能。试验确定的最佳碰撞能如表1所示。

表1 2-MIB、GSM和IBMP的MRM条件参数Tab.1 Parameters of 2-MIB, GSM and IBMP in MRM Mode

2.2 校准曲线

根据已确定的各物质固相微萃取-气相色谱串联质谱检测条件，以IBMP为内标，配制2-MIB和GSM浓度依次为0、1、2、5、10、20、40、60、80、100 ng/L，IBMP内标浓度均为40 ng/L的标准溶液系列进行检测。绘制校准曲线时，以目标化合物和内标物的相对浓度为横坐标，以目标化合物和内标物的相对响应为纵坐标，2-MIB和GSM的校准曲线分别如图2和图3所示。线性拟合方程分别为2-MIB：y=0.407x+ 0.012 1 (R2=0.997)，GSM：y=1.64x- 0.002 69 (R2=0.998)。由此可知，2种致嗅物质在10个浓度梯度范围内得到的线性相关系数均大于0.990，表明在0～100 ng/L的浓度内，方法的线性相关性良好。

图2 2-MIB的校准曲线Fig.2 Calibration Curve of 2-MIB

图3 GSM的校准曲线Fig.3 Calibration Curve of GSM

2.3 方法准确度和精密度

使用纯水配制2-MIB和GSM浓度梯度为50、100 ng/L的标准溶液， 每个浓度梯度平行配制6份进行分别检测，检测结果如表2所示。由表2可知，检测结果的相对误差均小于5%，说明方法的准确度较高；另外检测数据的相对标准偏差均在1.4%～2.1%，说明方法的精密度高、重现性好。

表2 方法准确度和精密度试验数据Tab.2 Experimental Accuracy and Precision Data of Method

2.4 方法的检出限和测定下限

根据环境保护部《环境监测 分析方法标准制修订技术导则》(HJ 168—2010)中的检出限的确定方法[10]，配制2-MIB和GSM浓度均为2.0 ng/L的标准溶液，平行检测7次。计算得出2-MIB和GSM的标准偏差S分别为0.129 ng/L和0.075 6 ng/L，根据MDL=t×S(n=6时，t=3.143)，计算得出2-MIB和GSM的方法检出限分别为0.41 ng/L和0.24 ng/L。以4倍检出限作为方法的测定下限，2-MIB和GSM这2种致嗅物质的方法测定下限分别为1.6 ng/L和1.0 ng/L，均远低于GB 5749—2006附录A中2种物质的限值要求(10 ng/L)，满足实际检测需求。

2.5 方法的实际水样加标回收率

选取青岛市生活饮用水和水源地表水进行加标回收试验，其中，生活饮用水需用硫代硫酸钠脱氯处理。生活饮用水加标浓度分别为5、50 ng/L和100 ng/L，水源水加标浓度分别为5、50 ng/L和90 ng/L，每个加标回收试验重复6次，加标回收率和检测结果相对标准偏差如表3、表4所示。由表3、表4可知，生活饮用水的加标回收率在88.2%～132%，水源水的加标回收率在96.3%～114%，2种水样基质加标回收试验的RSD均在5.7%以内，说明该方法的准确性、重现性均较好，满足分析检测要求。

表3 生活饮用水加标回收试验数据Tab.3 Experimental Data of Drinking Water Standard Recovery Test

表4 水源水加标回收试验数据Tab.4 Experimental Data of Raw Water Standard Recovery Test

3 结论

(1)试验证明，以2-异丁基-3-甲氧基吡嗪为内标物，使用固相微萃取-气相色谱串联质谱法检测水中2-甲基异莰醇和土臭素，方法操作简便，且准确度高、精密度好、灵敏度高。近年来，气相色谱串联质谱仪应用日益广泛，许多实验室已配备这种仪器，且该方法使用的主要耗材仅固相微萃取纤维头，无需使用有机溶剂，可以批量处理水样。因此，本方法检测效率高、环境友好、经济性强，具有应用前景。

(2)对生活饮用水和水源水进行不同浓度的加标回收试验时，生活饮用水的加标回收率在88.2%～132%，水源水的加标回收率在96.3%～114%，试验相对标准偏差均在6%以内，符合检测要求。

(3)使用该方法时，2-甲基异莰醇和土臭素的方法检出限分别为0.41 ng/L 和0.24 ng/L，测定下限分别为1.6 ng/L和1.0 ng/L，低于已发布的标准方法，且远低于国标限值，灵敏度较高。使用该方法时应注意，对生活饮用水进行检测时应使用硫代硫酸钠进行脱氯处理。

(4)2-甲基异莰醇和土臭素是引起生活饮用水土霉味的主要来源，在供水生产中应密切关注并控制水源水藻类生长，从源头上控制致嗅物质生成，此外净水厂实施臭氧活性炭深度处理工艺可以有效去除这2种致嗅物质。