气相色谱-三重四极杆质谱法测定地下水中44种有机物污染物

2021-07-06余蕾张小毅

岩矿测试 2021年3期

余蕾，张小毅

(新疆维吾尔自治区矿产实验研究所，新疆乌鲁木齐 830000)

现代工业生产中对环境的污染，不仅仅对土壤和地表水造成危害，作为饮用水源的地下水也受到了不同程度的污染[1-2]，因此，地下水的污染物分析越来越体现出重要性[3-4]，加强地下水有机污染物调查已是环境保护的迫切需求。2017年国家颁布的《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)中有机指标由原来的2项增加至49项，其中包括挥发性有机物、多环芳烃、有机氯、多氯联苯、硝基苯、有机磷、三嗪类、邻苯二甲酸酯类、氨基甲酸酯类、酚类等多种物质。如何快速、准确地检测这些物质是当前地下水有机分析领域的重要课题。这些物质中，半挥发性有机物的种类多、极性差别大，从多环芳烃的弱极性到有机氯、有机磷的中强极性，难以实现在保证较低的检出限的情况下同时测定多种类有机物。其中，邻苯二甲酸酯是一种常用增塑剂，随着塑料制品的大量生产和使用，大量的邻苯二甲酸酯进入土壤、大气和水体中，对水生生物和人体产生潜在危害。邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯[5]在相应的制品中呈游离态，主要依靠氢键和范德华力结合，极易在地下水样前处理过程中释放至样品中，造成样品的污染，对其准确测定带来了极大挑战[6-7]。

目前，国内外研究地下水中半挥发有机物的检测方法主要有液相色谱法[8]、气相色谱法[9]、气相色谱-质谱法[10]、气相色谱-三重四极杆质谱法等[11]。由于气相色谱-三重四极杆质谱的多反应检测模式(MRM)可以有效降低背景干扰，大幅度提高分析的灵敏度，近年来已有文献报道应用于水质、土壤、生物、农产品等检测领域[12-15]。其中应用于水质检测的方法检出限可达ng/L级[10-11]，但检测对象种类较为单一，往往只针对某单一类化合物，如有机氯类[11]、邻苯二甲酸酯类[16]等，难以实现多种类化合物的同时测定。地下水中半挥发有机物的前处理方式通常有液液萃取、固相萃取、固相微萃取等。液液萃取法的流程长，需要消耗大量溶剂[17]；固相萃取法的富集过程所需时间长，不能实现快速分析；固相微萃取法的耗材昂贵[18-19]，操作可控性差，不适合大批量的样品分析。

QuEChERS是由美国农业部Anastassiades等于2003年开发的一种用于农产品检测的快速样品前处理技术[20]。该技术主要采用乙腈提取，样品经离心分离、分散固相萃取净化离心后直接测定。该方法的应用减少了取样量，简化了前处理流程[21-22]，现已经广泛应用于生物、农产品的检测[23-26]，近年来也有报道将QuECHERS方法应用于水样检测中，但主要是针对某一类有机物，并且关注的重点在于QuECHERS方法的净化能力方面。本文基于气相色谱-三重四极杆质谱的低干扰和高灵敏度，采用改进的QuECHERS方法对样品进行处理，在水样中加入内标，使用二氯甲烷萃取，取一定量的二氯甲烷层溶液上机测定。该方法简化了前处理流程，实现了一次萃取，有机氯、有机磷、邻苯二甲酸酯类、多环芳烃、多氯联苯、硝基苯等44种半挥发性有机物的同时测定。

1 实验部分

1.1 仪器和主要试剂

Agilent 7890B气相色谱仪(美国Agilent公司)。Agilent 7000D三重四极杆串联质谱仪(美国Agilent公司)。往复式振荡器。HP-5ms弹性石英毛细管柱(30m×0.25mm×0.25μm)。

标准溶液：9种多氯联苯混合标准、16种多环芳烃混合标准、10种有机氯农药混合标准、4种有机磷混合标准、2-4-二硝基甲苯、2-6-二硝基甲苯、百菌清、克百威、邻苯二甲酸2-(乙基己基)酯标准品，均购自上海安谱实验科技股份有限公司。

内标：萘-d8、菲-d10、苝-d12，均购自上海安谱实验科技股份有限公司。

二氯甲烷：农残级(美国ThermoFisher公司，4L)。

1.2 混合标准溶液的配制

将各标准溶液按照比例混合配制成二氯甲烷介质，各目标化合物浓度为400ng/mL(多氯联苯类为100ng/mL)的混合标准溶液。将混合标准溶液逐级稀释成1～200ng/mL的标准系列(多氯联苯类稀释为0.25～50ng/mL的标准系列)。

替代物和内标配制成40μg/mL二氯甲烷介质的混合标准溶液。

1.3 气相色谱分析条件

HP-5ms毛细管柱，柱温60℃，保持1min，以40℃/min升至170℃，再以10℃/min升至310℃，保持3min。进样口温度280℃；不分流进样，恒流模式，柱流量1mL/min；进样量1μL。

1.4 质谱分析条件

选择EI源；能量70eV；传输线温度250℃；离子源温度230℃；前级、后级四极杆温度均为150℃；QQQ碰撞池氦气(淬灭气)流速2.25mL/min；氮气(碰撞气)流速1.5mL/min；溶剂延迟3.0min[11]。

1.5 样品采集和实验方法

使用1L棕色玻璃瓶采集新疆国家地下水监测工程监测井水样，聚四氟乙烯盖密封。采集的样品在低温下(4℃)保存，14天内完成测定。空白水样和加标水样均为二次去离子水，不含待测目标物。

量取100mL水样置于带磨口塞的250mL玻璃锥形瓶中，加入20μL内标和替代物，准确加入10mL二氯甲烷，振荡10min后静置10min分层，取二氯甲烷层1mL上机测定。

2 结果与讨论

2.1 质谱条件优化

采用气相色谱-三重四极杆质谱法测定地下水中的有机污染物，该方法利用多反应监测模式(MRM)定性定量、抗干扰和灵敏度高的优势降低检出限，适合超痕量有机污染物定性和定量分析[27-28]。MRM模式在第2个四极杆可除去许多化学背景，通常情况下出现与碎片离子质量完全相同的同种干扰的机会微乎其微，所以三重四极杆质谱对于复杂基质中的低浓度定量比单四极杆可减少更多的化学噪音[29-30]。

由于地下水污染物含量低和前处理取样量的减少，本实验选择高灵敏度的气相色谱-三重四极杆质谱进行测定。首先用1μg/mL的44种混合标准溶液进行全扫描分析，得到44种有机物的保留时间，考察各化合物的碎片离子及相对丰度，选择质荷比最大、丰度最高的离子为母离子，对其产生的二级质谱碎片离子进行扫描，得到子离子扫描质谱图，选择响应强的2个二级碎片作为子离子对。对不同的母离子、子离子以及碰撞电压进行优化，确定了这44种有机物的MRM模式的最佳质谱分析条件。44种有机物的定量和定性离子对、保留时间、碰撞电压及内标列于表1中，MRM质谱图如图1所示。

表1 多反应监测模式(MRM)下44种有机物质谱分析条件

图1 有机污染物多反应监测模式(MRM)质谱图Fig.1 Mass spectrogram of organic pollutants in multi-reaction monitoring mode (MRM)

2.2 萃取溶剂的选择

地下水中检测的有机物种类繁多，在目前的水质分析中，常以正己烷、二氯甲烷、乙酸乙酯、丙酮、乙腈、甲苯等作为提取溶剂[3]。其中丙酮、乙酸乙酯属于极性较大溶剂，会与水互溶，不适合作为QuECHERS处理溶剂，本实验选择正己烷和二氯甲烷作为提取溶剂。在水样中加入44种有机物混合标准溶液0.50μg/L，分别加入正己烷和二氯甲烷各10mL，平行测定6份，每种物质的平均回收率如图2所示。由图2可知，当使用正己烷为提取溶剂时，多环芳烃、有机氯、硝基苯和多氯联苯类的提取效果较好，而有机磷和百菌清的提取效率较低；二氯甲烷对这44种半挥发有机物的提取效率都比较好。

图2 正己烷和二氯甲烷提取有机污染物的平均回收率Fig.2 Average recovery rate of organic pollutants extracted by dichloromethane and n-hexane

已有研究表明，正己烷的极性小，对多环芳烃、有机氯等弱极性物质的提取效果较好，但对极性大的有机磷、百菌清的提取效果较差[17]。根据相似相溶原理，选择极性大的有机溶剂才能更好地提取极性大的有机物。在常用有机溶剂中，二氯甲烷的极性大，与水不互溶，所以用二氯甲烷的提取效果较好。再者，由于二氯甲烷的密度比水大，可以在各种浑浊水样基质中迅速分层，另外由于挥发性很强的二氯甲烷被水相层覆盖，使得在实验操作过程中的毒害作用下降[3]。故本文实验确定了选择二氯甲烷作为QuECHERS提取溶剂。

2.3 QuECHERS方法的应用

通常QuECHERS方法主要采用乙腈等溶剂提取样品，样品经离心分离、分散固相萃取净化离心后直接进行测定[31-32]。如前所述，QuECHERS方法主要应用于食品、农产品的前处理[33-34]。本方法在前人QuECHERS方法的基础上加以改进，将此方法应用于水样处理，简化了前处理过程。具体步骤是：在处理样品前将内标和替代物同时加入100mL水样中[35-36]，用10mL二氯甲烷振荡提取静置分层后，不需离心和净化，直接抽取一定量二氯甲烷层上机测定，这样不仅能消除仪器波动带来的影响，还可以消除前处理的损失，准确度显著提高。实验中添加三种内标和两种替代物，分别在前、中、后段出峰，以此来监控低、中、高沸点的化合物。内标有针对性，对检测结果有一定的保证[37-38]。

对0.10μg/L、0.50μg/L和2.0μg/L三种浓度的混合标准溶液，采用本实验改进的QuECHERS方法和液液萃取法进行分析对比，三种浓度水平的平均回收率见图3。由图3可知，对于改进的QuECHERS和液液萃取法，目标物的回收率没有明显差异；改进的QuECHERS方法的回收率在75%～120%，替代物回收率在80%～120%，也能达到传统液液萃取的水平，但前处理过程大大缩短。

图3 采用改进的QuECHERS和液液萃取法的平均回收率Fig.3 Average recovery of improved QuECHERS and liquid-liquid extraction

2.4 方法检出限、精密度和回收率

在空白水样中按0.10μg/L、0.50μg/L和2.0μg/L三个添加水平进行加标回收实验，每个添加水平做6次平行，计算回收率和相对标准偏差；依据《环境监测研究方法标准制定修订技术导则》(HJ 168—2010)中检出限实验要求，在空白水样中按0.05μg/L添加44种混合标准溶液平行进行7次实验，计算标准偏差后乘以3.143得到方法检出限。表2列出了检出限、回收率和相对标准偏差(RSD)，这些指标能满足地下水《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)分析方法的技术要求。

表2 采用改进QuECHERS方法的检出限、回收率和相对标准偏差

与液液萃取对比，改进的QuECHERS法的流程短，所需试剂少，操作简便，使用的器皿少(表3)，因而大大降低了邻苯二甲酸酯的检出限，比常规气相色谱-质谱法(GC-MS)检出限低5～10倍[19]。再者，本方法更适合地下水中痕量有机物的检测，在精密度和回收率实验中添加的浓度水平低(最低为0.10μg/L)，其回收率也在可接受的范围内(75%～120%)。而目前报道的最低加标浓度一般在1～10μg/L，回收率范围为80%～120%[10,16,24]，本次实验添加的浓度比报道中低10～100倍，并且研究对象更加复杂，方法包容性更大，适合大量样品的多组分痕量检测。

表3 本文方法和液液萃取方法优缺点对比

3 实际样品分析

2019—2020年国家启动“全国地下水监测工程运行维护”项目，本项目组承担了新疆维吾尔自治区地下水的检测工作，依据《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)和《地下水环境监测技术规范》(HJ 164—2020)对地下水进行采集、保存、运输。将本方法应用于该项目中，在实际样品检测中以上44种污染物均未超过地下水污染检出限要求，表明新疆地下水暂不存在安全隐患，相关部门对农药杀虫剂管控措施在地下水保护方面发挥了重大作用。