自动顶空固相微萃取气相色谱-三重四级杆质谱联用法测定水中的五种嗅味物质

吴 聪

(厦门市政水务集团有限公司，福建 厦门 361005)

嗅味物质影响消费者对饮用水水质的感觉和评价，同时影响水生生物和人体健康[1]。嗅味物质主要来源于水中某些微生物代谢产生的微量有机物，常见的嗅味物质包括土臭素(Geosmin)、2-甲基异茨醇(2-MIB) β-环柠檬醛、2-异丁基-3-甲氧基吡嗪(IBMP)和β-紫罗兰酮等[2]。嗅味物质的阈值浓度很低，一般为ng/L级别，且多为挥发性或半挥发性有机物。我国颁布的《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2005)中建议自来水厂出水的土臭素和2-甲基异茨醇的标准阈值均为10 ng/L。因此，建立灵敏度高、相对简便可靠的分析方法对控制水质臭味问题和研究嗅味物质对水生生物和人体健康的影响具有重要意义。对水中嗅味物质的检测必须采用高分离性能与敏感定性与定量性能仪器，同时，选择合适的前处理方法进行富集萃取也是精确定量检测的关键。目前，对水中嗅味物质的检测仪器，主要采用气相色谱和质谱联用仪(GC/MS)[3-5]。对于水样的前处理方法主要有液液萃取法[6]、吹扫捕集法[7]、固相萃取[8]、搅拌棒吸附萃取和固相微萃取。固相微萃取(solid-phase microextraction, SPME)技术，是一种集采样，萃取，浓缩和进样于一体的无溶剂样品微萃取新技术，为目前所采用的样品前处理技术中应用最为简洁、广泛的方法之一。水样经该技术处理后可直接采用气相色谱仪和质谱仪定量测定。气相色谱-单四级杆联用仪是目前常用的一种有机物分析手段，但是单四级杆检测灵敏度低，且不能解决复杂基质带来的背景干扰问题，故本文建立了顶空固相微萃取结合优化后的GC/MS/MS条件, 测定水样中的土臭素(Geosmin)、2-甲基异茨醇(2-MIB) β-环柠檬醛、2-异丁基-3-甲氧基吡嗪(IBMP)和β-紫罗兰酮等五种嗅味物质的方法。

1 实验部分

1.1 仪器及试剂

Agilent三重四级杆气相色谱质谱联用仪7000B；Hp-5 ms毛细管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)；CTC三合一(固相微萃取、顶空进样、液体进样)自动进样器；65 μm DVB/PDMS 23Ga固相微萃取纤维头,Supleco 美国；20 mL螺口萃取瓶。

2-甲基异莰醇、GSM 标准品, 浓度100 mg/L(Supelco), 2-异丁基-3-甲氧基吡嗪，浓度100 mg/L；β-环柠檬醛标准品(纯度>90%)，美国Sigma公司；β-紫罗兰酮标准品(纯度>96%)，美国Sigma公司。

标准溶液的制备：分别取适量五种标准品，溶于甲醇中，配制成混合标准储备液，于4 ℃避光保存。其中2-甲基异莰醇、土臭素、2-异丁基-3-甲氧基吡嗪、β-环柠檬醛浓度为100 μg/L,β-紫罗兰酮浓度为1000 μg/L。

1.2 固相微萃取方法

取10 mL 待测溶液置于萃取瓶中, 待CTC进样器平衡温度达到65 ℃后, 以250 r/min的转速萃取，注意需将萃取头位置调节好, 使其接近液面, 但不能接触液面, 萃取20 min 后插入GC 气化室, 解析2 min 进行GC/MS/MS分析。

1.3 GC/MS/MS 条件

GC条件：以高纯氦气(99.999%)为载气, 恒流1.0 mL/min；无分流进样模式； 进样口温度为250 ℃；起始柱温35 ℃，保持5 min, 以12 ℃/min 升温至250 ℃。

MS条件: EI 源; 电子能量70 eV; 离子源温度260 ℃; 传输线温度260 ℃；氦气碰撞流量：2.25 mL/min; 氮气碰撞流量：1.5 mL/min。

2 结果与讨论

2.1 固相微萃取条件的优化

2.1.1 萃取温度

萃取温度对吸附作用有很大的影响, 温度太低则致嗅有机物不能有效地挥发到气相中而导致灵敏度不高;加热样品能加速样品分子运动的速度, 增加蒸汽压,但同时高温下挥发性组分在纤维固定相上的分配系数会降低, 因此必需选择一个合适的萃取温度。我们考察了萃取温度为40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃时的萃取效率，实验表明 80 ℃的温度下萃取灵敏度较高，但考虑温度高，水蒸汽引起萃取头及色谱柱的流失，故萃取温度选择为70 ℃。

2.1.2 萃取时间

影响萃取时间的因素较多, 如温度、分配系数、试样的扩散速度等。本研究考察了萃取时间为20 min、30 min、40 min、50 min、60 min时的萃取效率，实验表明大部分化合物的响应随着萃取时间延长而增加，萃取时间为60 min的时候萃取效率最高，但考虑实际工作效率, 接近平衡状态的最短时间即为最佳萃取时间。通过试验确定在70 ℃的萃取温度下萃取时间为20 min。

2.2 仪器条件的优化

样品依上述方法萃取后，分别用GC/MS 法及GC/MS/MS 法分析, GC/MS 法有背景干扰峰， 结合质谱图可达到定性目的，但由于背景干扰对灵敏度有明显的影响，相应的MS/MS 法几乎无背景干扰(见图1所示)。因此，气质联用法测定能得到杂质峰较少、分离效果好的谱图。为了提高二级质谱的特异性， 我们先用全扫描模式确定了各组分的保留时间，设计出各分析时段。结合丰度比，选择丰都高、质荷比大的离子作为特征母离子，对每种成分的母离子进行子离子扫描，同样结合丰度比，选择丰度高的作为定量和定性粒子，组成母离子/定量离子和母离子/定性离子对，再分别比较碰撞电压为5、10、15、20、25、30、35、40 V的条件下，各组分的响应峰面积，取峰面积较大响应的碰撞电压，建立MS/MS分析条件，见表1所示。

表1 五种嗅味物质的质谱采集参数Table 1 The MRM parameters of five odorous compounds

2.3 标准曲线及线性相关系数

将混合标准储备液用甲醇稀释成浓度为1.0 μg/L、2.0 μg/L、3.0 μg/L、5.0 μg/L、10.0 μg/L、15.0 μg/L、20.0 μg/L的标准曲线，用微量注射器分别准确移取10 μL于10 mL水中配制成浓度为1.0 ng/L、2.0 ng/L、3.0 ng/L、5.0 ng/L、10.0 ng/L、15.0 ng/L、20.0 ng/L待测标准水样。在上述实验条件下测定10 ng/L的2-异丁基3-甲氧基吡嗪、2-甲基异莰醇、β-环柠檬醛、土臭素和100 ng/L的β-紫罗兰酮得标准谱图如图1所示。

图1 5种嗅味物质的二级质谱图Fig.1 The Mass Spectrometry of five odorous compounds

以峰面积和浓度绘制五种嗅味物质的标准曲线，其线性回归方程，相关系数如表2所示。

表2 五种嗅味物质的标准曲线方程Table 2 Liner Equations of five odorous compounds

2.4 检出限、精密度和加标回收率

对1.0 ng/L的2-异丁基3-甲氧基吡嗪、2-甲基异莰醇、β-环柠檬醛、土臭素和10.0 ng/L的β-紫罗兰酮的混合标样进行精密度实验，计算标准偏差s，按4MDL=4s×t(n-1, 0. 95)计算方法测定下限。式中, t(n-1,0. 95)为置信度95%、自由度(n-1)时的t值，n 为重复样品数。五种嗅味物质的测定下限见表3所示。

对浓度为2.0 ng/L的 2-异丁基3-甲氧基吡嗪、2-甲基异莰醇、β-环柠檬醛、土臭素和20 ng/L的β-紫罗兰酮的五种嗅味物质混合模拟水样进行加标回收率测定，每天测定两次，连续测定六天，结果见表3所示。

表3 五种嗅味物质的检出限、精密度、和回收率Table 3 Determination,ARR and RSDs of Five Odorous Compounds

3 结 论

研究通过对固相微萃取的条件优化，建立了顶空固相微萃取-串联四级杆气相色谱质谱法同时测定水中5种常见嗅味物质的方法，其中2-异丁基3-甲氧基吡嗪、2-甲基异莰醇、β-环柠檬醛、土臭素的检出限均能达到1.0 ng/L以下，该方法操作简单，检测灵敏度高，适合水中衡量致嗅物质的检测。