超高效液相色譜-串聯質譜法快速測定地表水中5種污染物

(江蘇省南通環境監測中心,南通 226006)

苯胺和聯苯胺是印染、制藥等領域的重要工業原料。苯胺可造成嚴重的血液、肝臟及神經系統損傷;聯苯胺具有強烈的致癌性,是國際癌癥研究機構(IARC)認定的第一類致癌物[1]。微囊藻毒素是淡水藍綠藻細胞破裂后產生的一種環狀七肽化合物,可抑制肝細胞中蛋白磷酸酶的活性,引起肝臟損傷及肝炎等疾病。微囊藻毒素-LR 是眾多亞型微囊藻毒素中常見的毒性最大的一種[2]。甲萘威是一種廣譜、高效的氨基甲酸酯類殺蟲劑,在農業生產中應用廣泛,進入人體可造成急性中毒[3]。丙烯酰胺是涂料、醫藥等工業生產中的重要原料,對人體生殖系統和神經系統具有潛在的威脅,是IARC 認定的第二類致癌物[4]。

我國現行的GB 3838－2002《地表水環境質量標準》中,苯胺、聯苯胺、微囊藻毒素-LR、甲萘威和丙烯酰胺等5種污染物被列為嚴格控制的特定項目,并規定了相應的測定方法。其中,苯胺、聯苯胺與丙烯酰胺采用氣相色譜法,微囊藻毒素-LR 與甲萘威采用高效液相色譜法。氣相色譜法與高效液相色譜法均規定了水樣需要經過富集處理方能進行分析,操作繁瑣、耗時較長,且難以避免使用多種有機試劑,這對試驗人員產生潛在危害的同時也對環境造成負擔。液相色譜-質譜法具有選擇性高、靈敏度高等優勢,越來越多地被應用于地表水中痕量有機污染物的測定[5-8]。目前,采用液相色譜-質譜法測定苯胺[9-11]、聯苯胺[11-12]、微囊藻毒素-LR[13-14]、甲萘威[15]和丙烯酰胺[16-17]均有報道,然而絕大多數報道是針對一種化合物或同類化合物的測定。

近年來,水污染事件頻發,水質安全問題越來越受到重視,生態環境部門更是不斷加大對環境水質的監測力度。自2013年起,江蘇省開展了沿江八市集中式生活飲用水水源地水質特定項目協作監測,苯胺、聯苯胺、微囊藻毒素-LR、甲萘威和丙烯酰胺均在協作監測項目之列。為順利開展協作監測工作,保持實驗室分析方法的先進性,同時確保測定結果的時效性,本工作建立了一種直接進樣并且能夠同時測定多種化合物的超高效液相色譜-串聯質譜法(UHPLC-MS/MS),實現了地表水中苯胺、聯苯胺、微囊藻毒素-LR、甲萘威和丙烯酰胺的同時測定。本方法無繁瑣前處理過程,總分析時間短,并且大大節約了人力及儀器設備成本。

1 試驗部分

1.1 儀器與試劑

Waters Xevo TQ-S Micro型超高效液相色譜-串聯質譜儀;Millipore Milli-Q 型超純水發生器;0.2μm 聚醚砜(PES)針式濾頭。

苯胺、聯苯胺、甲萘威、丙烯酰胺標準儲備溶液:1 000 mg·L－1,使用時用甲醇稀釋至20 mg·L－1。

微囊藻毒素-LR 標準儲備溶液:20 mg·L－1。

5種污染物的混合標準儲備溶液:1.00 mg·L－1,分別移取20 mg·L－1的5種污染物標準儲備溶液5.00 mL至100 mL 容量瓶中,用甲醇稀釋定容后,轉移至棕色瓶中,于－20 ℃保存。

所用試劑均為色譜純,試驗用水為超純水。

1.2 儀器工作條件

1)色譜條件 ACQUITY UPLC?BEH C8色譜柱(2.1 mm×50 mm,1.7μm),柱溫40 ℃;進樣量10μL;流量0.2 mL·min－1。流動相:A 為甲醇,B為0.1%(體積分數,下同)甲酸溶液;梯度洗脫程序:0～1.0 min 時,B 由5%升至95%,保持0.5 min;1.5～1.6 min時,B 由95%降至5%,保持1.4 min。

2)質譜條件 電噴霧電離源(ESI),正離子模式,電離源溫度150 ℃;毛細管電壓1.40 k V;脫溶劑氣為氮氣,脫溶劑氣溫度500 ℃,流量1 000 L·h－1;錐孔氣為氮氣,流量50 L·h－1;多反應監測(MRM)模式。其余質譜參數見表1,其中,“?”為定量離子。

表1 質譜參數Tab.1 MS parameters

1.3 試驗方法

1)水樣采集 使用棕色玻璃瓶,采集地表水樣充滿采樣瓶不留空隙,于4 ℃避光保存。

2)水樣凈化 水樣經0.2μm 聚醚砜針式濾頭過濾后轉移入樣品瓶中,按儀器工作條件進行測定。

2 結果與討論

2.1 色譜行為

按儀器工作條件對10.0μg·L－1的5種污染物混合標準溶液進行測定,5種污染物混合標準溶液的MRM 色譜圖見圖1。

圖1 5種污染物混合標準溶液的MRM 色譜圖Fig.1 MRM chromatograms of mixed standard solution of 5 pollutants

2.2 試驗條件的選擇

2.2.1 濾膜

超高效液相色譜柱所使用的填料粒徑極小,對溶劑、緩沖劑及樣品的純度要求極高。因此,上機分析的水樣需要先過濾以去除微小的雜質。試驗比較了空白加標水樣經聚醚砜、尼龍和醋酸纖維等3種不同材質濾膜過濾后的回收率。結果顯示:聚醚砜和尼龍材質的濾膜對目標物沒有明顯的吸附作用,加標回收率穩定;使用醋酸纖維材質的濾膜時,聯苯胺的回收率稍低。試驗選用聚醚砜材質的濾膜進行分析前的過濾。

2.2.2 混合標準溶液的溶劑

混合標準溶液溶劑的選擇往往對目標物的峰形以及響應強度有著直接影響。試驗分別以甲醇、不同體積分數的甲醇溶液及水為混合標準溶液溶劑,配制10.0μg·L－1的5種污染物混合標準溶液,按儀器工作條件進行測定,混合標準溶液的溶劑對5種污染物質譜響應強度的影響見圖2。

圖2 混合標準溶液的溶劑對5種污染物質譜響應強度的影響Fig.2 Effect of solvent of mixed standard solution on intensity of mass spectral response of 5 pollutants

由圖2 可知:隨著甲醇體積分數的增大,聯苯胺、甲萘威的質譜響應強度增加,分別在甲醇體積分數為80%,60%時最高,而后又隨之降低;苯胺、微囊藻毒素-LR、丙烯酰胺的質譜響應強度隨著甲醇體積分數的增大而升高,但總體變化不大。試驗表明:隨著混合標準溶液溶劑中甲醇體積分數的增加,苯胺、聯苯胺和丙烯酰胺的色譜峰出現展寬、拖尾;水作為混合標準溶液溶劑時,5種污染物的色譜峰均對稱且尖銳。綜合考慮5種污染物的色譜分離效果以及質譜響應,同時考慮到與分析實際水樣時的溶劑條件一致,試驗選擇混合標準溶液的溶劑為水。

2.3 色譜條件的選擇

2.3.1 流動相

流動相直接影響目標物的色譜分離效果與靈敏度。經過比較,試驗選擇甲醇和水體系作為流動相。

為了改善峰形以及優化洗脫效果,試驗考察了添加甲酸、氨水、甲酸銨等對5種污染物質譜響應強度的影響。結果表明:添加氨水及甲酸銨時,5種污染物的質譜響應強度都較低,并且在添加甲酸銨時,苯胺、聯苯胺出現了峰形展寬、拖尾;添加甲酸時,5種污染物的峰形、質譜響應強度、分離效果明顯優于添加氨水、甲酸銨的流動相體系。試驗選擇流動相為甲醇-0.1%甲酸溶液。

2.3.2 流動相流量

流動相流量過低會增加保留時間,出現峰形拖尾、展寬;流動相流量過高會導致離子化效率降低。試驗考察了流動相流量依次為0.1,0.2,0.3,0.4 mL·min－1時對5種污染物測定的影響。結果表明:流動相流量為0.1 mL·min－1時,5種污染物的峰形相對較寬,聯苯胺、甲萘威色譜峰出現拖尾;流動相流量增至0.2 mL·min－1時,5種污染物的峰形對稱;流動相流量更高時,5種污染物的質譜響應強度降低。因此,試驗選擇流動相流量為0.2 mL·min－1。

2.4 脫溶劑氣溫度的選擇

脫溶劑氣溫度對目標物的質譜響應有直接影響。按儀器工作條件對10.0μg·L－1的5種污染物混合標準溶液進行測定,考察了脫溶劑氣溫度依次為350,400,450,500,550,600℃時對5種污染物質譜響應強度的影響,結果見圖3。

圖3 脫溶劑氣溫度對5種污染物質譜響應強度的影響Fig.3 Effect of desolvation gas temperature on intensity of mass spectral response of 5 pollutants

由圖3可知:脫溶劑氣溫度過低時,5種污染物的質譜響應強度受到不同程度的抑制;隨著脫溶劑氣溫度的上升,5種污染物的質譜響應強度呈升高趨勢;微囊藻毒素-LR 的質譜響應強度在脫溶劑氣溫度為450℃時達到了最高,苯胺、聯苯胺和甲萘威的質譜響應強度在脫溶劑氣溫度為500 ℃時最高,丙烯酰胺的質譜響應強度在脫溶劑氣溫度為550℃時達到最高;達到最高響應值后,繼續增加脫溶劑氣溫度,5種污染物的質譜響應強度均略有下降。綜合5種污染物的質譜響應強度變化趨勢,試驗選擇脫溶劑氣溫度為500 ℃。

2.5 標準曲線和檢出限

以水為溶劑,將1.00 mg·L－1的5種污染物混合標準儲備溶液稀釋得到0.10,0.20,0.40,1.00,2.00,4.00,10.0,20.0μg·L－1的5種污染物混合標準溶液系列。按儀器工作條件對上述5種污染物的混合標準溶液系列進行測定,以5種污染物的質譜響應強度對質量濃度進行線性回歸。5種污染物的線性范圍、線性回歸方程和相關系數見表2。

參照HJ 168－2010《環境監測分析方法標準制修訂技術導則》,對含量接近預期檢出限的空白加標樣品平行測定7次,根據公式(1)計算方法檢出限:

式中:XMDL為檢出限;t(n－1)為平行測定n次時的t值,n＝7時,t＝3.143;s為標準偏差。

檢出限結果見表2。

表2 線性范圍、線性回歸方程、相關系數和檢出限Tab.2 Linearity ranges,linear regression equations,correlation coefficients and detection limits

由表2 可知:5 種污染物的檢出限為0.04～0.10μg·L－1,均低于GB 3838－2002《地表水環境質量標準》的限值,滿足地表水中這5種污染物的測定要求。

2.6 準確度及精密度

按試驗方法對空白地表水樣品進行分析,并進行加標回收試驗,計算回收率和測定值的相對標準偏差(RSD),測定結果見表3。

由表3可知:回收率為95.0%～120%,RSD 為1.9%～12%,方法具有較高的準確度及精密度。

2.7 樣品分析

在2019年江蘇省沿江八市集中式生活飲用水水源地水質特定項目協作監測中(以下簡稱“水源水協作監測”),按試驗方法對各市水樣進行分析,5種污染物均未檢出。

5種目標化合物作為GB 3838－2002《地表水環境質量標準》規定的優先控制項目,其測定方法的準確度、分析效率都是衡量方法優越性的重要指標。在面臨短時間內大批樣品的分析任務時,以“水源水協作監測”為例,近200個樣品需在有效時間內報出結果,分析人員面臨巨大壓力。根據GB 3838－2002《地表水環境質量標準》推薦的傳統測定方法,即氣相色譜法與高效液相色譜法,5種化合物需要經過不同的前處理過程后方能上機分析,總分析時長約40 h。根據最新的國家標準HJ 1048－2019《水質17種苯胺類化合物的測定液相色譜-三重四極桿質譜法》,以及近年來的文獻報道[9-17],液相色譜-質譜法由于其選擇性高、靈敏度高等優勢,逐漸成為主流測定手段,直接進樣法也得到應用,各化合物測定時長3～10 min不等,總分析時長約20 min。本工作建立的直接進樣-超高效液相色譜-串聯質譜方法,利用串聯質譜儀的高靈敏度,省略了復雜的前處理過程,5種化合物無需一一進行前處理,亦無需逐一測定,分析時長直接減少至3 min。對于分析人員而言,不僅無需長時間暴露于揮發性試劑環境中,而且在面臨大批量的分析任務時,既能夠確保結果的準確性,又能夠保證測定效率得到極大程度的提高。

表3 準確度和精密度試驗結果(n＝6)Tab.3 Results of tests for accuracy and precision(n＝6)

本工作采用超高效液相色譜-串聯質譜法快速測定地表水中苯胺、聯苯胺、微囊藻毒素-LR、甲萘威和丙烯酰胺等5種污染物的含量。水樣經簡單過濾后直接進樣,即可實現地表水中這5種污染物的同時分析。與傳統方法相比,本方法靈敏度高、步驟簡便、總分析時間短,同時減少了試驗人員在揮發性溶劑環境中的暴露。本方法成功應用于2019年江蘇省沿江八市集中式生活飲用水水源地水質特定項目協作監測中,完成了苯胺、聯苯胺、微囊藻毒素-LR、甲萘威和丙烯酰胺這5種污染物的測定,提高了環境監測部門的分析效率。