頂空固相微萃取/氣相色譜-三重四極桿串聯質譜法測定地表水與飲用水中的揮發性有機物

馮麗麗，胡曉芳

(上海交通大學 環境科學與工程學院，上海 200240)

揮發性有機物(VOCs)是一類在室溫下易揮發的重要有機污染物，地表水和飲用水中的VOCs主要來源于工業廢水、市政污水以及自來水消毒工藝[1]。一些揮發性鹵代化合物即使濃度很低對人體也有毒害[2]，某些難降解的VOCs還會導致生物累積效應，在很大范圍上影響生物系統和環境系統[3]。因此，飲用水和地表水中VOCs的含量越來越受到關注，開發高效靈敏的VOCs檢測技術具有重要的實際意義。

氣相色譜-三重四極桿串聯質譜(GC-MS/MS)是一種適用于痕量有機物的檢測技術，通過消除基質干擾和降低噪聲來提高選擇性和靈敏度。近年來，GC-MS/MS被廣泛應用于環境和食品中有機污染物的檢測[4-7]，但用于水中VOCs檢測的研究鮮見報道。由于VOCs揮發性強，且在環境水體中的濃度很低，通常在ng/L和μg/L之間[3]，需選擇合適的前處理方法進行富集和濃縮。頂空固相微萃取(HS-SPME)富集水中的VOCs具有富集效果好、快速簡單、無溶劑污染，且消除了基質干擾[8-9]等優點。目前，對頂空固相微萃取進行參數優化通常采用單變量方法，即單獨研究某一個變量而其余變量保持定值。但這種傳統的優化方法忽視了各變量之間可能存在的交互作用[10-11]。而多變量試驗設計則彌補了此不足，可獲得更好的優化結果[12-14]。

本研究將HS-SPME和GC-MS/MS相結合，采用多變量試驗設計對HS-SPME進行優化，建立了地表水和飲用水中55種VOCs同時檢測的方法，涉及VOCs種類較全，涵蓋鹵代烴、鹵代烯烴、芳香烴、鹵代芳烴等毒性較大的VOCs，方法抗干擾能力強、選擇性高、靈敏度高，同時采用穩定的內標物進行定量，保證了方法的穩定性和準確性。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Trace GC Ultra氣相色譜儀及TSQ Quantum XLS三重四極桿質譜儀(美國Thermo Fisher公司)，配電子轟擊離子源(EI)；22 mL磁力頂空瓶(美國Thermo Fisher公司)；固相微萃取纖維頭(美國Supelco公司)；超純水儀(上海淼康公司)。

甲醇(UV-IR-HPLC，德國CNW公司)；55種VOCs標準品(質量濃度均為2 000 mg/L)及內標(氟苯、1,2-二氯苯-D4，質量濃度均為1 000 mg/L)均購于美國o2si 公司。

1.2 標準工作溶液的配制

將VOCs標準品用甲醇稀釋成一定濃度標準使用液，再用超純水逐級稀釋配成低濃度(0.04、0.08、0.16、0.24、0.32、0.40 μg/L)、中等濃度(0.4、0.8、1.6、2.4、3.2、4.0 μg/L)和高濃度(4.0、8.0、16、24、32、40、80、100 μg/L)的系列標準溶液，以及各自所對應的內標溶液(質量濃度分別為0.20、2.0、20 μg/L)。

1.3 頂空固相微萃取條件

取5 mL水樣加入22 mL頂空瓶中，再加入0.75 g氯化鈉，將磁力瓶蓋擰緊放入樣品盤。使用CAR/PDMS 75 μm纖維頭，萃取溫度為40 ℃，萃取時間40 min，解析溫度300 ℃，解析時間5 min。

1.4 色譜-質譜條件

色譜條件：RTX-5ms毛細色譜柱(60 m×0.25 mm×1.0 μm)，升溫程序：初始柱溫30 ℃，保持4 min，以5 ℃/min升至150 ℃，保持5 min，再以8 ℃/min升至200 ℃，保持5 min；載氣為高純氦氣(99.999%)，柱流速為1.2 mL/min；不分流進樣；進樣口溫度為300 ℃。

質譜條件：電子轟擊離子源(EI)，離子源溫度250 ℃，SRM模式，Q2碰撞氣：高純氬氣(純度≥99.999%)；碰撞池壓力：0.2 Pa；分辨率(FWHM)：0.7；掃描時間(Cycle time)：0.2 s；在子離子中選取定量離子(Q)和定性離子(q)，根據2種離子的強度比值(Q/q)來確證目標物[15]。每種目標物的Q/q理論值由標準系列的平均值而得。根據歐盟決議[16]，當Q/q理論值小于2時，誤差范圍是±20%；在2～5之間時，誤差范圍是±25%；在5～10之間時，誤差范圍是±30%；大于10時，誤差范圍是±50%。55種目標物的保留時間及優化后的GC-MS/MS參數見表1。

表1 55種VOCs的保留時間及優化的GC-MS/MS參數Table 1 Retention time and optimized GC-MS/MS parameters of 55 VOCs

*quantitative ion

圖1 全掃描模式下55種VOCs的總離子流圖Fig.1 TIC of 55 VOCs in full scan mode

2 結果與討論

2.1 色譜-質譜參數優化

采用100 μg/L混合標準溶液進行MS/MS方法優化。首先對55種目標物進行全掃描，獲得其總離子流圖(圖1)，再根據質譜圖，選取m/z大、信號響應強的離子(如基峰)作母離子，以不同的碰撞能(5～40 eV)劇烈碰撞使其斷裂形成子離子，選取2個信號響應強的離子作為子離子，其中一個強度較大的為定量離子(Q)，另外一個為定性離子(q)(表1)。研究發現，55種VOCs中有17種目標物僅一個子離子，可采用假選擇反應監測(pseudo-SRM)模式[17-18]，以母離子作為其中的一個子離子，將優化碰撞能設定為0 eV。

2.2 頂空固相微萃取條件優化

圖2 標準化效應的Pareto圖Fig.2 Standardized Pareto chartA.extraction temperature(℃);B.sample volume(mL);C.desorption temperature(℃);D.NaCl(%);E.extraction time(min)

2.2.1 萃取纖維頭的選擇固相微萃取的萃取效果在很大程度上取決于目標物在樣品和纖維頭涂層材料之間的分配系數[19]。因此，實驗考察了聚二甲硅氧烷(PDMS，100 μm)、聚二甲硅氧烷/二乙烯苯(PDMS/DVB，65 μm)、二乙烯苯/碳分子篩/聚二甲硅氧烷(DVB/CAR/PDMS，50/30 μm)、碳分子篩/聚二甲硅氧烷(CAR/PDMS，75 μm)、聚丙烯酸酯(PA，85 μm) 5種不同纖維頭涂層對5 mL 20 μg/L混合標準溶液的富集效果。結果顯示，CAR/PDMS和DVB/CAR/PDMS所對應的總峰面積高于其余3種。為進一步選擇合適萃取纖維頭，選取其中24種同類型中常見的VOCs的峰面積進行比較，發現CAR/PDMS對此類VOCs具有較高靈敏度，富集效果更好。因此，本研究選擇CAR/PDMS為萃取纖維頭進行方法優化和分析測定。

2.2.2 多因素試驗設計影響頂空固相微萃取效果的因素主要為萃取溫度、樣品體積、解析溫度、氯化鈉的百分含量、萃取時間[12-13]。本研究采用統計軟件Minitab 16進行實驗設計。首先，篩選重要因子。分別給5個因子設定高值和低值，采用部分因子試驗設計(25-1)，設2個區組，每個區組的中心點數為3，得到22次試驗(表2)。采用20 μg/L標準溶液進行試驗，以得到的目標物峰面積的幾何平均值為響應值[20]，繪制標準化效應的Pareto圖(圖2)。圖中的垂直線是95%的置信水平，超出垂直線為作用顯著。因此，根據圖2結果，選擇樣品體積和萃取時間為重要因子。

表2 SPME參數篩選的部分因子設計矩陣Table 2 Design matrix of half-fractional factorial design for screening of SPME parameters

(續表2)

Exp.Extraction temperature( ℃)Sample volume(mL)Desorption temperature( ℃)NaCl(%)Extraction time(min)860225015.035960230015.0151040830015.015115052757.525125052757.525135052757.5251440230015.0351560830015.035166083000.0151760825015.015184022500.035195052757.525206082500.035214023000.0152240225015.015

表3 SPME參數優化的中心復合設計矩陣Table 3 Design matrix of central composite design for optimization of SPME parameters

圖3 樣品體積和萃取時間的響應曲面圖Fig.3 Response surface obtained for sample volume and extraction time

然后，利用響應曲面設計優化重要因子。分別給樣品體積和萃取時間設定高值和低值，選擇中心復合設計類型(CCD)，設2個區組，合計中心點數為6，得到14次試驗(表3)。其余參數根據Pareto圖設為固定值(如果是正作用即設為最大值，負作用則設為最小值)。因此本研究中氯化鈉的百分含量設為15%，萃取溫度設為40 ℃，解析溫度設為300 ℃。采用20 μg/L的混合標準溶液進行試驗，以得到的目標物峰面積的幾何平均值為響應值，繪制樣品體積和萃取時間的響應曲面圖(圖3)。結果顯示，當樣品體積為5 mL，萃取時間為40 min時，響應值的預期為最大。

2.3 方法學驗證

2.3.1 線性關系與檢出限取“1.2”配制的低(0.04、0.08、0.16、0.24、0.32、0.40 μg/L)、中(0.4、0.8、1.6、2.4、3.2、4.0 μg/L)、高(4.0、8.0、16、24、32、40、80、100 μg/L)系列濃度的55種VOCs混合標準溶液，在優化條件下測定，采用內標法繪制標準曲線。結果顯示，在0.04～0.4、0.4～4.0、4.0～100 μg/L質量濃度范圍內，各組分的定量離子與內標物定量離子的峰面積比值與其濃度呈良好的線性，相關系數(r2)均大于0.99。

采用標準添加法，以3倍和10倍信噪比(S/N)計算得55種VOCs的檢出限(LOD)和定量下限(LOQ)分別為0.03～80 ng/L和0.1～300 ng/L(表4)。

2.3.2 準確性與精密度向空白礦泉水中分別添加質量濃度為0.2、2.0、40 μg/L的55種VOCs混合標準溶液，每個濃度平行實驗6次，在優化條件下測定，計算各目標化合物的平均回收率和相對標準偏差(RSD)。結果顯示，55種VOCs在低、中、高3個加標水平下的回收率為77.3% ～124%，RSD為1.3% ～17%。

表4 55種VOCs的線性系數、加標回收率、相對標準偏差(n=6)、檢出限與定量下限Table 4 Correlation coefficients(r2),spiked recoveries,relative standard deviations(RSDs,n=6),limits of detection(LODs) and limits of quantification(LOQs)of 55 VOCs

圖4 自來水的SRM色譜圖Fig.4 SRM chromatogram of tap waterthe number 1-55 were the same as those in Table 1

2.4 實際樣品測定

分別采集典型的3種地表水(Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類)和3種飲用水(自來水、純凈水、凈化水)，在優化條件下測定。結果顯示，地表水中檢出37種VOCs，其中苯系物(甲苯和苯乙烯)檢出濃度(19.1 μg/L)最高，其次為氯仿和1,2,3-三氯苯(0.244～6.26 μg/L)。飲用水(自來水)中檢出25種VOCs，氯仿的檢出濃度最高，達2.10 μg/L(圖4)。該方法可用于實際樣品中VOCs的定量分析。

3 結 論

本研究采用部分因子試驗設計和中心復合設計對HS-SPME的影響參數進行了優化，結合GC-MS/MS建立了同時檢測地表水和飲用水中55種VOCs的分析方法。該方法靈敏度高、選擇性強、準確可靠，可為地表水和飲用水中VOCs的測定提供技術支撐。