气相色谱-串联质谱法测定水中29种致嗅物质

2024-04-23李丰铎石亚东

分析测试学报 2024年4期

李丰铎，王洵，石亚东，李涛，钱进

（1.河海大学环境学院，江苏南京 210098；2.河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，江苏南京 210098；3.太湖流域水文水资源监测中心（太湖流域水环境监测中心），江苏无锡 214024）

嗅味直接影响饮用水质量，在某些情况下甚至可能造成公众恐慌［1］。水中嗅味来源物质具有多种不同结构特征，主要包括藻类及细菌代谢物和工业污染物［2］，其中部分物质在ng/L 水平就能产生明显异嗅味［3-4］。新修订的GB 5749-2022《生活饮用水卫生标准》中［5］，将二甲基异莰醇和土臭素纳入水质扩展指标及限值表中，并规定其限值为10 ng/L。根据近年来发生的水体嗅味事件，已有更多种类的致嗅物质被逐渐发现［6-8］。为了解水体中致嗅物质的种类和分布水平，评估致嗅物质风险，建立高效准确的多种致嗅物质分析方法成为首要的研究内容。

水中致嗅物质作为痕量、超痕量化合物，对检测方法的灵敏度和精密度提出了更高要求。新修订的GB/T 5750.8-2023《生活饮用水标准检验方法第8 部分：有机物指标》中规定，以顶空固相微萃取（HS-SPME）结合气相色谱-质谱法（GC-MS）测定土臭素和二甲基异莰醇［9］。相比于液液萃取、固相萃取、分散固相萃取和吹扫捕集等前处理方法，固相微萃取（SPME）具有操作简便、处理效率高、实验成本低且环境友好的优点［10-15］。SPME 一般包括HS-SPME、直接微萃取（DI-SPME）及膜保护萃取（HFSPME），其中HS-SPME 更适用于富集挥发、半挥发性化合物，避免了DI-SPME 易受基质中不挥发性大分子污染物影响的缺陷，且能明显消除背景噪音干扰［16-17］。作为测定水中致嗅物质的常用方法，GC-MS 的分离能力和灵敏度有限［18-19］，无法满足多种致嗅物质同时定量检测的需求，因此选择更为灵敏可靠的检测技术十分重要。气相色谱-串联质谱法（GC-MS/MS）包含多反应监测模式（MRM），可根据多组前体离子和产物离子对，将化合物峰与背景噪音分离，实现精确识别与定量［20］。

目前致嗅物质的检测多针对生源性化合物［10-11］，本研究根据近年来本流域的定性筛查结果，选择硫醚类、醛类、苯系物、醚类、酮类、萜类和环状缩醛类等29种嗅阈值低且较常见的生源性及工业源致嗅物质为检测目标物，采用顶空箭型固相微萃取（HS-Arrow-SPME）结合GC-MS/MS 技术，建立了针对上述不同种类致嗅物质的同时快速检测方法。通过对前处理条件和GC-MS/MS 参数的优化，提高了致嗅物质的富集效率，各目标物可获得最佳响应。该方法前处理简单，富集效率和灵敏度高，能够满足水中致嗅物质的快速定性及定量检测需求。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

8890B-7000D 气相色谱-串联质谱仪（美国Agilent 公司）；PAL RTC 自动换针多功能前处理及进样平台（广州智达实验室科技有限公司）；Vortex Cenie 2 涡旋混匀器（美国Scientifie Industries 公司）；VF-624 MS色谱柱（30 m×0.25 mm×1.4 µm，美国Agilent公司）。

29种致嗅物质标准溶液（各溶于甲醇中，100 mg/L，天津阿尔塔公司），具体见表1。甲醇（色谱纯，北京百灵威科技有限公司）；氯化钠（分析纯，使用前于马弗炉450 ℃下烘烤4 h，上海麦克林生化科技有限公司）。

表1 29种目标致嗅物质的MRM参数Table 1 MRM parameters for 29 target odor-causing substances

1.2 标准溶液的配制

标准储备溶液配制：取各致嗅物质标准品0.1 mL，以甲醇定容至10.0 mL，配制为1.0 mg/L的29种致嗅物质混合标准储备液，转移至1.5 mL棕色顶空进样瓶中，-20 ℃保存。

标准曲线溶液配制：按照标准储备溶液配制方法配制2.0 µg/L 的中间液，以甲醇逐级稀释，配制5、10、20、40、50、80、100、150、200、300 ng/L的标准曲线溶液。

1.3 固相微萃取前处理

选择二乙烯基苯/羟基/聚二甲基硅氧烷（DVB/Carbon WR/PDMS） Smart SPME Arrow 箭型固相萃取头（首次使用前于PAL RTC Arrow 老化模块中240 ℃老化30 min），在装有3.5 g NaCl 的顶空进样瓶中加入10 mL水样，70 ℃条件下预孵化8 min后萃取20 min，最终于240 ℃进样口解吸3 min。每次进样前萃取头于240 ℃条件下老化5 min。

1.4 仪器分析

气相色谱条件：色谱柱：VF-624 MS 色谱柱（30 m×0.25 mm×1.4 µm）；载气为氦气；碰撞气为氮气；不分流进样；进样口温度为240 ℃；色谱柱升温程序为：40 ℃保持1 min，以8 ℃/min 升至80 ℃并保持2 min，以10 ℃/min升至180 ℃并保持4 min，再以10 ℃/min升至260 ℃并保持2 min。

质谱条件：电子轰击离子源（EI）；碰撞气为氮气；检测器电压为70 eV；离子源温度为230 ℃；色谱质谱接口温度为240 ℃；溶剂延迟时间8 min；MRM模式进行检测。其它质谱参数见表1。

2 结果与讨论

2.1 质谱条件的优化

待测目标物的质谱检测参数对于方法检测灵敏度和准确性有着重要影响。首先利用全扫描（Scan）模式确定29种目标物的保留时间和前级离子，选择丰度高且质量数较大的特征离子作为定量离子；其次选择产物离子扫描模式确定响应值较高的二级离子为定性离子；最后选择MRM模式比较不同碰撞能下各碎片离子的丰度，择优确定各个离子对的碰撞能。29种致嗅物质的最优MRM参数见表1。

2.2 SPME装置的选择

SPME 装置种类丰富，主要包括探针式、刀片式及管内式等［21］，其中应用最广泛的为探针式SPME装置［22］。SPME 装置的核心是固定在石英纤维或不锈钢丝基质上的涂层材料，涂层材料（高聚物或吸附剂）的选择依据主要是目标物的极性强弱，而涂层厚度多取决于目标物的挥发性及分子量［23］。最常用的固体熔融二氧化硅纤维涂层为PDMS，其无孔结构能够显著降低复杂样品的基质效应，适用于半挥发性的非极性化合物；聚丙烯酸酯（PA）涂层则常用于氯酚及有机磷农药等［19］极性化合物的吸附。

考虑到本方法中致嗅物质的分子量小、沸点较低，且各目标物的结构多样、极性差异较大，根据文献方法［24-25］，本研究选择三相复合涂层箭型固相微萃取头DVB/Carbon WR/PDMS Smart SPME Arrow。该萃取头涂层厚度为120 µm，长度为2 cm，较常规的固相微萃取涂层更厚，萃取头更长，比表面积大且灵敏度高，对29种致嗅物质的检测效果优异。因此，本研究选择该萃取头作为SPME装置。

2.3 NaCl加入量及样品pH值的选择

在SPME 前处理方法中，尤其是HS-SPME，盐析作用及pH 值变化均能够明显改变基质的离子强度，从而影响挥发性目标化合物在水相和气相之间的分配平衡［11，26］。盐析通常是向样品中加入无机盐，通过水化作用减少自由水分子，降低待测物在基质中的溶解度，提高待测物在顶空气相中的含量，进而提高萃取效率。实验考察了NaCl 加入量（0、1.0、2.0、3.0、3.5 g）对响应值的影响（如图1）。结果表明，各目标化合物的响应值与NaCl加入量基本成正比，在接近盐饱和溶液时，多数目标物的响应值较高，当NaCl 过量（4 g）后，非溶解态无机盐产生吸附作用，影响各目标物在气相、水相中的分配系数，导致萃取效率降低。

图1 NaCl加入量对29种致嗅物质响应值的影响Fig.1 Effect of NaCl dosage on the response values of 29 odor-causing substances

向样品中添加一定量的乙酸、碳酸钠调节pH值。结果发现，酸性条件下酚类及酯类化合物的响应值明显提高，而吡嗪类化合物的响应值降低；碱性条件下吡嗪类和醚类化合物的响应值提高，酚类化合物的响应值降低。根据HJ 91.2-2022《地表水环境质量监测技术规范》和HJ 494-2009《水质采样技术指导》，地表水样采集过程中未调节pH 值［27-28］。综合实验结果，中性水样中各类目标物的响应值能够满足方法要求。因此本实验选择NaCl 加入量为3.5 g，样品不调节pH 值（研究区域水样pH 值为6.0～8.0）。

2.4 萃取温度的选择

基于PAL RTC 平台，于萃取前设置样品预孵化程序，以充分溶解NaCl，利用盐析作用使目标化合物由水相转移至顶空气相中达到初步平衡。为保证前处理过程中目标物分配平衡的稳定，设置同一预孵化与萃取温度，在NaCl 加入量3.5 g、萃取时间30 min 条件下，考察了萃取温度在40～80 ℃范围内各目标物响应值的变化。结果显示，萃取温度对SPME 前处理有多重影响。萃取温度升高，提高了待测目标物在两相中的扩散速度，增强了平衡效率，但对于不同沸点目标物的影响存在较大差异，低沸点化合物的响应值总体随温度升高而逐渐减低，高沸点化合物则相反。此外，实验发现较高的萃取温度降低了部分目标物的萃取效率，原因可能是热解吸造成纤维涂层固定相的吸附能力降低。综合实验数据，选择萃取温度为70 ℃，此时各目标物的响应值总体较高。

2.5 萃取时间的选择

萃取时间与吸附平衡密切相关。SPME 虽然是平衡分析法，但并不完全依赖于分析物的完全萃取，只需严格控制变量条件，根据SPME 非平衡原理，一般将萃取时间定为吸附量达到平衡的95%所需的时间。在萃取温度70 ℃、NaCl 加入量3.5 g 的条件下，考察了萃取时间在10～35 min 范围内几种不同沸点的代表性目标物响应值的变化情况。如图2 所示，不同致嗅物质达到吸附平衡所需的时间不同，低沸点化合物2MDL 和2EMDL 的响应值在10 min 内达到最大，高沸点化合物在萃取时间大于20 min 才逐步达到吸附平衡。为提高效率，一般要求前处理所需时间接近但不超过GC-MS/MS 仪器分析时间。仪器检测方法的分析时间为32 min，考虑到萃取针老化及样品预孵化程序，兼顾前处理富集效果，最终确定萃取时间为20 min。

图2 萃取时间对部分致嗅物质响应值的影响Fig.2 Effect of extraction time on the response values of partial odor-causing substances

2.6 解吸时间及探针深度的选择

萃取纤维涂层中待测物解吸温度一般设置200 ℃以上，但该温度对于SPME 萃取纤维的使用寿命、灵敏度、重复性以及目标物质的解吸程度影响大［29］。解吸时间与致嗅物质残留量基本成反比，但解吸时间过长，萃取纤维涂层可能发生钝化，影响灵敏度［30］。在最优条件下，考察了解吸时间为1～5 min时部分目标物响应值的变化。如图3 所示，随着解吸时间的增加，目标物的响应值逐步提高，解吸3 min 后响应值基本趋于平稳，少部分高沸点化合物可能需要更长时间才能达到最大响应值。综合考虑萃取效率与萃取针使用寿命，选择解吸时间为3 min。

图3 解吸时间对部分致嗅物质响应值的影响Fig.3 Effect of desorption time on the response values of partial odor-causing substances

此外，吕建霞等［24］研究发现解吸时探针深度对于待测物的响应值也存在较大影响。实验考察了探针在进样口不同深度时各待测目标物的响应值，发现在40～60 mm范围内，探针深度与目标物的响应值成正比，且随着探针深度的增加，各目标物的保留时间提前，表明在进样口衬管中下部位，萃取纤维涂层的解吸速度更快。因此本实验选择进样口深度为60 mm。

在上述最优处理条件下，得到29种致嗅物质的色谱图如图4所示。

图4 29种致嗅物质的色谱图Fig.4 Chromatogram of 29 odor-causing substances the peak numbers denoted were the same as those in Table 1

2.7 标准曲线、方法检出限与定量下限

按照“1.2”方法配制标准曲线溶液，采用本方法进行测定，以标准溶液中目标物的质量浓度为横坐标（X），目标物的色谱峰面积为纵坐标（Y），建立29种致嗅物质的线性方程。以空白样品按照噪音信号的3～5 倍水平进行加标实验，根据7 次测定结果计算标准偏差（S），得到方法检出限（LOD＝S×3.143），以4 倍检出限为目标物的定量下限（LOQ）。结果表明，29 种致嗅物质在5～300 ng/L 范围内线性良好，相关系数（r2）均大于0.991，方法检出限为0.31～9.27 ng/L，定量下限为1.26～37.09 ng/L（见表2）。

表2 29种致嗅物质的线性方程、相关系数、检出限与定量下限Table 2 Linear equations，correlation coefficients，LODs and LOQs of 29 odor-causing compounds

2.8 准确度与精密度

选取超纯水作为基质，添加29 种致嗅物质标准溶液进行加标回收实验，设置低（10 ng/L）、中（80 ng/L）、高（160 ng/L）3 个加标水平，每个水平设置6 个平行样品，采用优化后的方法进行检测。由表3可见，29 种致嗅物质的平均回收率为84.3% ～112%，相对标准偏差（RSD）为0.10% ～8.6%，表明本方法具有较好的准确度和精密度。

表3 29种致嗅物质的回收率与相对标准偏差Table 3 Recoveries and relative standard deviations of 29 odor-causing compounds

2.9 实际水样测定

采集苏州某河道干流断面水样，采用本方法进行检测。结果检出6种致嗅物质，除2EMDL 和二甲基异莰醇外，其余检出致嗅物质的检出率为100%（见表4）。根据致嗅物质检出情况，除苯甲醛在河道中分布较为均匀外，其余化合物存在人为排放输入可能，致嗅物质的检出浓度变化多在中游位置（Site 3），与其所处工业密集区有关，因此需加强本段入河水质监测。