頂空固相微萃取-氣相色譜-質譜聯(lián)用法同時測定湖庫水中12種氯苯甲醚的條件優(yōu)化

熊茂富， 任敏， 杜伊， 趙高峰， 王曉燕*

(1.首都師范大學資源環(huán)境與旅游學院， 北京 100048；2.水利部信息中心， 北京 100053)

氯苯甲醚類化合物(CAs)是茴香醚苯環(huán)上的氫原子被氯取代而形成的一氯至五氯代苯甲醚。該類物質具有較低的揮發(fā)性和較高的沸點，水溶性差、親脂性強等物理性質[1-3]。CAs是水中土霉味的主要來源之一[4]，其中主要以4-氯苯甲醚(4-CA)、2-氯苯甲醚(2-CA)、2,4-二氯苯甲醚(2,4-DCA)、2,6-二氯苯甲醚(2,6-DCA)、2,3,6-三氯苯甲醚(2,3,6-TCA)及2,4,6-三氯苯甲醚(2,4,6-TCA)對水中土霉味貢獻較大。如Nystrom等[5]在檢測瑞典的地表水時發(fā)現(xiàn)2,4,6-TCA普遍存在，湖水中的2,4,6-TCA是湖水土霉味的主要來源；毛敏敏等[6]對我國某湖泊的研究中發(fā)現(xiàn)2,4,6-TCA的濃度值為4.35ng/L，說明這類物質雖然廣泛存在，但其濃度值很低，屬于痕量物質。CAs類物質在水中具有很低的嗅閾濃度[7]，一般在1～50ng/L范圍，尤其是TCA的土霉味最為嚴重，其嗅閾值小于4ng/L，很難對其進行檢測。TCA也是葡萄酒中的主要污染物，人類對葡萄酒中TCA的排斥值小于3.1ng/L[8]。然而該類物質并未在工業(yè)上大量生產(chǎn)，在地表水中其主要是有氧條件下微生物降解五氯酚(PCP)及其鈉鹽(Na-PCP)的產(chǎn)物；飲用水中來自氯的消毒過程中，與水中的茴香醚反應，取代苯環(huán)上的氫原子，生成CAs。CAs在沿食物鏈傳播過程中，容易在生物體中富集，特別是對于人類這一食物鏈頂端物種，它的危害性更易被放大，其中五氯苯甲醚(PCA)的毒性最大，近幾年PCA已被列入持久性有機污染物之一[9]。

CAs在水中的含量極低(ng/L水平)，但該類物質帶來的危害大，在國際上已備受關注[10-11]。而關于CAs在水中的限值目前國際上并未給出，對于其前體物揮發(fā)性酚類在我國生活飲用水標準中規(guī)定不能超過0.002mg/L。對于性質相似的一氯苯，世界衛(wèi)生組織(WHO)和我國飲用水質量標準限值均為0.3mg/L。目前，國際標準化組織(ISO)也僅給出了軟木塞中2,4,6-TCA的檢測標準[12]，水中CAs的檢測也大多以單個物質為目標或代表物，而對于水體中CAs類污染物的方法研究較少，也未給出一致的標準方法。

實驗室在檢測水中痕量物質時，一般先把目標物質富集之后再進行檢測[13]。對于前處理富集技術，國內(nèi)外學者為了提高富集倍數(shù)，提出了很多方法，如吹掃捕集、固相萃取(SPE)、固相微萃取(SPME)。吹掃捕集技術是Bellar等[14]提出的測定水中揮發(fā)性物質的富集方法，其原理是使用氣流將待測物質吹脫后進入氣相色譜儀進行定量分析，然而這種方法的濃縮限值為20～200ng/L，高于一些嗅味物質的嗅閾值，因此，對于嗅閾值較低的物質如CAs不太合適。SPE技術是利用一種特殊的填料裝置，在真空機的抽取作用下，樣品被吸附到填料上，隨后在有機溶劑的作用下樣品被重新溶解[15]，進而達到富集的目的。其缺點是整個萃取過程所需時間較長，同時所用的萃取填料柱為一次性使用，成本較高。SPME技術是加拿大Arthur等[16]于1990年研發(fā)在固相萃取的基礎上演變而來的，萃取時只需將萃取纖維暴露在樣品中，檢測樣品被吸附到纖維上，再進行樣品的解離后進入相應的儀器中進行檢測分析。該技術操作比較簡單，耗時少，檢出限低且準確度高，萃取過程中無需使用有機溶劑，同時避免了SPE容易堵塞和產(chǎn)生溝流等缺點。王丹華等[17]利用新型固相微萃取涂層準確檢測了水中8種多環(huán)芳烴。頂空固相微萃取(HS-SPME)實現(xiàn)了將采集、進樣萃取及分析過程一體化，無需溶劑，大幅提高了檢測效率。Kristiana等[18]在檢測飲用水中含氮消毒副產(chǎn)物時使用了HS-SPME方法，檢出限在0.9～80ng/L；余勝兵等[19]使用HS-SPME法對飲用水中單個TCA進行富集，取得了較好的檢出效果。

水體中CAs一般是以多種痕量同時存在，建立水中CAs的檢測方法是分析水中異味物質來源的基礎。對于CAs的檢測方法，已有氣相色譜-質譜法(GC-MS)[20-23]、氣相色譜-原子發(fā)射光譜聯(lián)用技術(GC-AES)[24]和生物傳感器法[25]，其中GC-MS的定性能力強，在濃度較低時仍有較好的響應值[26]，同時該方法也具有較好的選擇性[27-29]。但已有的研究大多是以單個CAs為目標物，沒有給出同時對多種CAs類物質的最佳檢測條件。本文在前人研究的基礎上，考察了HS-SPME對多種CAs的富集效果，首先采用HS-SPME對水中目標物質進行萃取，再用GC-MS對萃取物質進行檢測，建立了湖庫水中12種CAs同時測定的檢測方法。研究結果可為后續(xù)CAs及水體中痕量物質的檢測提供技術條件參考。

1 實驗部分

1.1 儀器與設備

氣相色譜-質譜儀(6890GC/5975MS，Agilent公司，美國)；色譜柱DB-5MS(30m×0.25mm×0.25μm，Agilent公司，美國)。萃取頭包括：CAR/PDMS(85μm羧乙基/聚二甲基硅氧烷，Supelco公司，美國)；50/30μm DVB/CAR/PDMS(1cm，57328-U，Supelco，美國)；PA(85μm，57305，Agilent公司，美國)。PC-420D數(shù)字型磁力加熱攪拌裝置(Corning公司，美國)；15mL固相微萃取專用樣品瓶(Supelco公司，美國)。

電子天平(稱重范圍220g；精度0.01mg，Sartorius公司，德國)；馬弗爐(余姚市亞星儀器儀表有限公司)。

1.2 標準樣品和溶液配制

12種CAs標準樣品(純度≥98%，Dr.Ehrenstorfer公司，德國)；甲醇為農(nóng)殘級(J.T.Baker公司，美國)；氯化鈉為分析純(國藥集團化學試劑有限公司)，使用前置于400℃的馬弗爐中烘干2h，干燥器中密閉保存、備用；超純水(經(jīng)Milli-Q系統(tǒng)純化，電阻率為18.2MΩ·cm)。

分別稱取1mg(精確到0.01mg)的3-氯苯甲醚(3-CA)、4-CA、 2-CA、2,6-CA、3,5-氯苯甲醚(3,5-CA)、2,4-CA、2,3-氯苯甲醚(2,3-CA)、2,4,6-TCA、2,3,6-TCA、2,3,4-三氯苯甲醚(2,3,4-TCA)、五氯苯甲醚(PCA)固體標準物質，以甲醇溶解定容至100mL，得到上述11種物質的標準溶液(10mg/L)。2,3,5,6-四氯苯甲醚(2,3,5,6-TeCA)為液體標樣(10mg/L)。

準確量取上述11種CAs的混合標準溶液和2,3,5,6-TeCA的標準溶液各1mL于100mL容量瓶中，用甲醇定容至100mL，配制成100μg/L的12種CAs的混合標準溶液，搖勻置于4℃冰箱，避光保存。

1.3 樣品前處理

取10mL標準溶液于15mL萃取瓶(Supelco)中，加入3.5g 氯化鈉和磁性攪拌子(PTFE包覆，2mm×10mm)，擰緊瓶蓋(襯有PTFE瓶墊)，對磁力攪拌器(轉速為1150r/min)進行升溫，待水浴溫度達到恒定90℃時，將萃取瓶置于水浴中，使瓶身2/3的深度沒入水中，并將附有85μm CAR/PDMS萃取纖維的手動萃取針插入瓶內(nèi)(距水面約0.5mm)，萃取40min，立即轉移至GC進樣口，于300℃下解吸附2min。由保留時間、特征離子定性，外標法定量。

1.4 氣相色譜-質譜條件

GC條件：載氣為高純氦氣，純度不小于99.999%，恒流模式，流速1.5mL/min；進樣方式為不分流進樣；升溫程序初始溫度50℃，保持1min，以5℃/min升溫至180℃，保持1min，以20℃/min升溫至285℃；解吸時間2min；進樣口溫度300℃。

MS條件：采用選擇性離子掃描模式(SIM)下無分流進樣方式進行檢測，電子轟擊源(EI)；電子能量為70eV；離子源溫度為230℃；傳輸桿溫度為250℃；溶劑延遲9min；掃描時間為9.0～33.25min。

1.5 質量控制

實驗玻璃器皿依次用洗漆劑、重鉻酸鉀洗液浸泡、自來水、去離子水漂洗，再用烘箱烘干，使用前分別用甲醇、丙酮、二氯甲烷潤洗。其中每隔10個樣品添加一個溶劑空白和程序空白，避免背景污染，在探索每種因素對萃取效率的影響時，每組實驗重復三次以降低實驗誤差。在優(yōu)化后的儀器條件下，各物質色譜峰可以良好分離。12種物質在1～50ng/L范圍內(nèi)線性均良好，能夠用于定量，以3倍信噪比(S/N)時的濃度為檢出限，其中CAs在水中的檢出限為0.045～0.185ng/L，相關系數(shù)≥0.9978。使用基質加標法測定樣品中的回收率，樣品回收率為95.5%～115.1%，相對標準偏差(RSD)≤13.02%。

2 結果與討論

對于HS-SPME來說，在萃取頭涂層一定的條件下，目標化合物的吸附量主要取決于兩相的分配系數(shù)、目標物的傳質速率和頂空體積等因素[30]。本文分別對轉子轉速、萃取溫度、萃取時間、離子濃度(氯化鈉的用量)等條件進行優(yōu)化。

2.1 萃取條件優(yōu)化

2.1.1SPME萃取頭的選擇

不同的分析物具有不同的揮發(fā)性、極性和分子量，在萃取時要盡可能多的吸附不同的目標物質，同時目標物質又能在熱解析時快速脫離萃取涂層[31]。本實驗對不同的萃取頭物化性質及應用范圍進行比較，主要考察了三種常用萃取頭：CAR/PDMS、DVB/CAR/PDMS、PA的萃取效果。在溫度為80℃、0.35g/mL離子濃度、頂空固相微萃取40min條件下，對混合標準溶液進行萃取分析，結果見圖1。從實驗數(shù)據(jù)看出，三種萃取頭響應值大小并沒有很明顯的分布規(guī)律，CAR/PDMS萃取頭對一氯和二氯苯甲醚響應均值大于5000，DVB/CAR/PDMS萃取頭對應響應均值大于4000，兩種萃取頭對三、四及五氯苯甲醚萃取響應值明顯降低，PA萃取頭則更低。這與目標物質隨分子質量增加揮發(fā)性降低有關。CAR/PDMS主要用于揮發(fā)性物質、胺類、硝基芳香類化合物的萃取；DVB/CAR/PDMS主要用于具有香味的揮發(fā)性化合物；PA萃取頭主要用于極性較強的揮發(fā)性物質。CAR/PDMS采用多孔滲水，是一種聚合體材料，對極性和非極性化合物有較強的吸附能力。在以往研究中，魏魏等[32]在對水中包括CAs在內(nèi)的多種嗅味物質進行測定時選用了CAR/PDMS作為萃取頭，對目標物質的吸附能力強，萃取效率高，故后續(xù)分析實驗均使用CAR/PDMS萃取頭。

圖1 不同萃取頭對萃取效果的影響Fig.1 Effect of different fiber typers on the extraction efficiency

2.1.2萃取溫度優(yōu)化

體系溫度影響到整個萃取過程中的熱力學和動力學。在一定溫度下溶液體系達到氣液平衡，氣相組成與樣品原來組成成正比關系。隨體系溫度升高，氣相中目標分析物濃度變大，有利于纖維的吸附。但溫度過高會降低分配系數(shù)，從而降低回收率[33]，因此需要對萃取溫度進行優(yōu)化。

圖2 萃取溫度(a)、離子濃度(b)、萃取時間(c)和攪拌速度(d)對萃取效率的影響Fig.2 Effect of extraction temperature(a), ion concentration(b), extraction time(c) and mixing speed(d) on extraction efficiency

取標準液10mL于15mL頂空瓶中，加入3.5g氯化鈉，攪拌速率為1150r/min，萃取時間40min條件下。考察了萃取溫度(20℃、40℃、60℃、80℃、90℃)對12種CAs萃取效率的影響(圖2a)。當溫度從20～60℃時，其響應值變化不大；當溫度到達80℃時響應值大幅增加，在80℃之后其變化不明顯，可能因為達到一定溫度后，CAs發(fā)生了解析現(xiàn)象。從圖中的變化趨勢可以看出溫度大于80℃后，大部分目標物質響應值都有所上升，而 4-CA、2-CA、2,6-DCA及2,4,6-TCA的響應值有少許下降，可能原因是溫度過高導致熱解析，使目標物質從萃取纖維上脫落下來，進而降低萃取效率。參考以往研究，余勝兵等[19]對水中嗅味物質研究中，選擇萃取溫度為70℃；徐振秋等[34]在測定飲用水中嗅味物質時萃取溫度為60℃。對于CAs可能隨著CAs物質相對分子質量的增加，對萃取溫度的要求明顯提升。因此，為了充分萃取目標物質，選擇萃取溫度為80℃。

2.1.3離子強度優(yōu)化

樣品中加入鹽后，鹽在水中電離出的離子占據(jù)了有機物周圍的水分子，降低了目標物質的溶解度，使得目標物分子較多地揮發(fā)至頂部空間，從而有利于CAs在萃取頭上的吸附，提高了方法靈敏性[35]。本研究中選擇NaCl增加離子濃度。在15mL的頂空瓶中加入10mL標準溶液，萃取溫度為80℃，萃取時間選擇40min，攪拌速率為1150r/min。考察NaCl加入量(0、0.10、0.20、0.35、0.40g/mL)對12種CAs萃取效率的影響(圖2b)。結果表明，隨著NaCl加入量的增加，大部分目標物的峰面積先減小再增大后變化不明顯。開始峰面積減小是由于加入少量NaCl對CAs的競爭吸附；然后峰面積增大是由于鹽析效應；最后峰面積變化不明顯是由于NaCl在水中溶解趨于飽和，鹽析效應減小，此外過高的離子強度對CAs分子競爭吸附的同時，也會破壞CAs的理化性質，從而降低CAs的傳質速率[36]，影響萃取效率。離子濃度為0.35g/mL時，達到飽和，各目標物的峰面積最大，這與宋榮娜等[37]采用相同的方法測定水中異味物質時得出的最優(yōu)離子濃度一致，所以本實驗選擇離子濃度為0.35g/mL。

2.1.4萃取時間優(yōu)化

萃取時間是判定待測物在基質和固定相之間達到平衡的重要因素，選擇合適的時間不僅能提高萃取效率，還能減少樣品由于長時間處于萃取環(huán)境中而帶來的純度的降低，時間太短，萃取不完全，時間過長，會延長分析時間，降低工作效率，萃取時間過長，還可能發(fā)生目標物的脫附[38]。本研究考察10、20、30、40、50min不同萃取時間對12種CAs萃取效率的影響(圖2c)。結果表明：10～40min，隨萃取時間增加，峰面積增加；40～50min，峰面積略有下降，相似的趨勢在以往相關研究中也有被發(fā)現(xiàn)[39]，萃取過程中基質和固定相之間需達到同一動態(tài)平衡狀態(tài)，同一平衡狀態(tài)不會對SPME的定量造成影響，同時考慮到對目標物質的充分萃取，故選定萃取時間為40min。

2.1.5攪拌速率優(yōu)化

對樣品的攪拌有助于目標物和涂層間的傳質，使樣品均勻，增加萃取針和目標物的接觸，提高萃取效率，同時還可以促進NaCl的溶解，使平衡時間縮短。本研究考察了攪拌速度0、200、400、600、800、1150r/min對12種CAs萃取效率的影響(圖2d)。結果表明，隨攪拌速率增加，響應值亦增加，當達到儀器最大攪拌速度時，萃取效率也最高，本次實驗沒有對后續(xù)攪拌速度進行對比分析，這一趨勢與馬康等[40]的研究結果一致，同時考慮到萃取纖維易變形問題，因此選定1150r/min為實驗最優(yōu)攪拌速度。

2.1.6樣品體積優(yōu)化

在萃取溫度不變的情況下，體系的平衡常數(shù)維持不變[41]。樣品量一定時氣相與液相的相比相同，因此樣品體積是影響分析結果的重要因素之一。減小樣品體積，可以增大頂空體積，使CAs在兩相間的分配平衡偏向頂空氣相，使更多的CAs揮發(fā)至頂空；然而頂空體積過大，也會造成CAs濃度的稀釋，使萃取效率降低[42]。普遍認為，在萃取溫度不變的情況下，隨著頂空體積變小，萃取效率一般會變高。本研究考察了在15mL樣品瓶中加入4、6、8、10mL標準液對12種CAs萃取效率的影響(圖3)。結果表明，樣品體積在4～6mL時，隨樣品量的增加，峰面積迅速增大；在樣品體積為6～10mL時，峰面積也在增加，但增加的幅度較小。當樣品量高于10mL時，可能會導致萃取纖維接觸水相，破壞萃取纖維，故選擇樣品量為10mL。

圖3 樣品體積對萃取效率的影響Fig.3 Effect of sample volume on extraction efficiency

2.2 方法技術指標

2.2.1檢出限

本實驗采用頂空固相微萃取技術，其中確定的最優(yōu)萃取條件為萃取時間40min，離子濃度0.35g/mL，萃取溫度80℃，樣品用量10mL(15mL瓶)，解析時間2min。將100μg/L的混合標準母液稀釋為1、5、10、20、50ng/L的5種濃度12種物質的混合標準水樣，在優(yōu)化后的儀器條件下，各物質色譜峰可以良好分離。12種物質在1～50ng/L范圍內(nèi)線性良好，相關系數(shù)在0.9978以上。當置信水平為99%時，以3倍信噪比(S/N)時的濃度為檢出限(表1)。毛敏敏等[6]采用固相微萃取法對水樣中TCA進行檢測的檢出限為0.24ng/L，本實驗采用頂空固相微萃取TCA的檢出限均小于0.185ng/L。

2.2.2準確度和精密度

準確度是指測定結果與真實值之間接近的程度，常用回收率評價方法的準確度，用相對標準偏差評價方法的精密度[43]。依據(jù)樣品加標回收率原理，用10、50ng/L兩種組分混合標準溶液進行加標實驗。按上述優(yōu)化的萃取方法和儀器條件進行回收率實驗，每個水平重復6次，結果見表2。表中對12種目標分析物進行回收率及相對標準偏差(RSD)分析，目標物平均回收率在95.5%～115.1%之間，具有較好的準確度；RSD均值在5%以下，說明實驗的操作及儀器的精密度具有良好的可靠性。沈斐等[44]采用吹掃捕集結合GC-MS法測定飲用水中嗅味物質時，加標回收率在71.0%～125.0%之間。唐熙等[45]使用甲醇超聲萃取結合GC-MS測定軟木塞中土霉味物質的加標回收率在88.4%～97.6%之間。因此，本實驗回收率(95.5%～115.1%)表明該方法對于CAs的適用度更佳。

表1氯苯甲醚的線性關系和方法檢出限

Table 1 Linear relationship and detection limits of CAs

目標分析物保留時間(min)特征離子線性范圍(ng/L)相關系數(shù)(R2)方法檢出限(ng/L)3-CA10.370142.098.9111.91～500.99900.1204-CA10.691142.098.9111.91～500.99780.1252-CA11.051142.0127.0126.91～500.99910.1292,6-DCA13.240176.0134.8177.91～500.99900.0743,5-DCA14.629176.0134.8177.91～500.99920.0682,4-DCA15.682176.0134.8177.91～500.99910.0642,3-DCA16.532176.0134.8177.91～500.99870.0572,4,6-TCA16.775210.0168.8211.81～500.99890.1852,3,6-TCA17.907211.8211.8211.81～500.99970.1322,3,4-TCA21.212211.8211.8211.81～500.99820.1062,3,5,6-TeCA21.618202.8230.8245.91～500.99990.086PCA26.009264.6277.6281.81～500.99800.045

表2氯苯甲醚的回收率及相對標準偏差

Table 2 Recoveries and relative standard deviations of CAs

目標分析物 加標濃度(ng/L)檢出濃值(ng/L)平均回收率(%)RSD(%)3-CA1010.77107.710.735050.51101.00.464-CA1011.51115.17.565047.8295.64.132-CA109.5595.58.965048.9197.83.262,6-DCA1010.09100.913.025049.9399.90.513,5-DCA1010.38103.87.905050.77101.51.922,4-DCA1010.30103.09.515049.1298.23.042,3-DCA1010.24102.49.265049.9199.80.462,4,6-TCA1010.35103.58.275050.08100.10.292,3,6-TCA1010.55105.57.115049.99100.00.462,3,4-TCA1010.37103.71.575056.90113.80.672,3,5,6-TeCA109.9399.311.255049.3698.70.25PCA1010.14101.42.575056.17112.31.87

3 結論

本文針對湖庫水體中12種CAs的HS-SPME萃取影響因素進行了優(yōu)化，給出了最佳實驗條件。采用HS-SPME結合GC-MS法，實現(xiàn)了對水中12種CAs物質的同時、精確檢測，提高了檢測效率。該方法的檢出限、回收率及相對標準偏差均能滿足水體樣品的檢測要求，可以廣泛地應用到水體樣品中CAs的檢測。因實驗中未考慮其他幾種CAs，后續(xù)研究有必要探究其他幾種物質對整個萃取檢測過程的影響。

以往研究只針對單個CAs為目標物，而實際水體中CAs是以多物質混合存在的，本研究能為后續(xù)工作的開展以及水中痕量物質的檢測提供很好的技術參考和實際應用潛力。