氣相色譜-三重四極桿質(zhì)譜法測(cè)定地下水中44種有機(jī)物污染物

余蕾， 張小毅

(新疆維吾爾自治區(qū)礦產(chǎn)實(shí)驗(yàn)研究所， 新疆 烏魯木齊 830000)

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)環(huán)境的污染，不僅僅對(duì)土壤和地表水造成危害，作為飲用水源的地下水也受到了不同程度的污染[1-2]，因此，地下水的污染物分析越來(lái)越體現(xiàn)出重要性[3-4]，加強(qiáng)地下水有機(jī)污染物調(diào)查已是環(huán)境保護(hù)的迫切需求。2017年國(guó)家頒布的《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)中有機(jī)指標(biāo)由原來(lái)的2項(xiàng)增加至49項(xiàng)，其中包括揮發(fā)性有機(jī)物、多環(huán)芳烴、有機(jī)氯、多氯聯(lián)苯、硝基苯、有機(jī)磷、三嗪類、鄰苯二甲酸酯類、氨基甲酸酯類、酚類等多種物質(zhì)。如何快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)這些物質(zhì)是當(dāng)前地下水有機(jī)分析領(lǐng)域的重要課題。這些物質(zhì)中，半揮發(fā)性有機(jī)物的種類多、極性差別大，從多環(huán)芳烴的弱極性到有機(jī)氯、有機(jī)磷的中強(qiáng)極性，難以實(shí)現(xiàn)在保證較低的檢出限的情況下同時(shí)測(cè)定多種類有機(jī)物。其中，鄰苯二甲酸酯是一種常用增塑劑，隨著塑料制品的大量生產(chǎn)和使用，大量的鄰苯二甲酸酯進(jìn)入土壤、大氣和水體中，對(duì)水生生物和人體產(chǎn)生潛在危害。鄰苯二甲酸二(2-乙基己基)酯[5]在相應(yīng)的制品中呈游離態(tài)，主要依靠氫鍵和范德華力結(jié)合，極易在地下水樣前處理過(guò)程中釋放至樣品中，造成樣品的污染，對(duì)其準(zhǔn)確測(cè)定帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)[6-7]。

目前，國(guó)內(nèi)外研究地下水中半揮發(fā)有機(jī)物的檢測(cè)方法主要有液相色譜法[8]、氣相色譜法[9]、氣相色譜-質(zhì)譜法[10]、氣相色譜-三重四極桿質(zhì)譜法等[11]。由于氣相色譜-三重四極桿質(zhì)譜的多反應(yīng)檢測(cè)模式(MRM)可以有效降低背景干擾，大幅度提高分析的靈敏度，近年來(lái)已有文獻(xiàn)報(bào)道應(yīng)用于水質(zhì)、土壤、生物、農(nóng)產(chǎn)品等檢測(cè)領(lǐng)域[12-15]。其中應(yīng)用于水質(zhì)檢測(cè)的方法檢出限可達(dá)ng/L級(jí)[10-11]，但檢測(cè)對(duì)象種類較為單一，往往只針對(duì)某單一類化合物，如有機(jī)氯類[11]、鄰苯二甲酸酯類[16]等，難以實(shí)現(xiàn)多種類化合物的同時(shí)測(cè)定。地下水中半揮發(fā)有機(jī)物的前處理方式通常有液液萃取、固相萃取、固相微萃取等。液液萃取法的流程長(zhǎng)，需要消耗大量溶劑[17]；固相萃取法的富集過(guò)程所需時(shí)間長(zhǎng)，不能實(shí)現(xiàn)快速分析；固相微萃取法的耗材昂貴[18-19]，操作可控性差，不適合大批量的樣品分析。

QuEChERS是由美國(guó)農(nóng)業(yè)部Anastassiades等于2003年開發(fā)的一種用于農(nóng)產(chǎn)品檢測(cè)的快速樣品前處理技術(shù)[20]。該技術(shù)主要采用乙腈提取，樣品經(jīng)離心分離、分散固相萃取凈化離心后直接測(cè)定。該方法的應(yīng)用減少了取樣量，簡(jiǎn)化了前處理流程[21-22]，現(xiàn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生物、農(nóng)產(chǎn)品的檢測(cè)[23-26]，近年來(lái)也有報(bào)道將QuECHERS方法應(yīng)用于水樣檢測(cè)中，但主要是針對(duì)某一類有機(jī)物，并且關(guān)注的重點(diǎn)在于QuECHERS方法的凈化能力方面。本文基于氣相色譜-三重四極桿質(zhì)譜的低干擾和高靈敏度，采用改進(jìn)的QuECHERS方法對(duì)樣品進(jìn)行處理，在水樣中加入內(nèi)標(biāo)，使用二氯甲烷萃取，取一定量的二氯甲烷層溶液上機(jī)測(cè)定。該方法簡(jiǎn)化了前處理流程，實(shí)現(xiàn)了一次萃取，有機(jī)氯、有機(jī)磷、鄰苯二甲酸酯類、多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯、硝基苯等44種半揮發(fā)性有機(jī)物的同時(shí)測(cè)定。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器和主要試劑

Agilent 7890B氣相色譜儀(美國(guó)Agilent公司)。Agilent 7000D三重四極桿串聯(lián)質(zhì)譜儀(美國(guó)Agilent公司)。往復(fù)式振蕩器。HP-5ms彈性石英毛細(xì)管柱(30m×0.25mm×0.25μm)。

標(biāo)準(zhǔn)溶液：9種多氯聯(lián)苯混合標(biāo)準(zhǔn)、16種多環(huán)芳烴混合標(biāo)準(zhǔn)、10種有機(jī)氯農(nóng)藥混合標(biāo)準(zhǔn)、4種有機(jī)磷混合標(biāo)準(zhǔn)、2-4-二硝基甲苯、2-6-二硝基甲苯、百菌清、克百威、鄰苯二甲酸2-(乙基己基)酯標(biāo)準(zhǔn)品，均購(gòu)自上海安譜實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司。

內(nèi)標(biāo)：萘-d8、菲-d10、苝-d12，均購(gòu)自上海安譜實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司。

二氯甲烷：農(nóng)殘級(jí)(美國(guó)ThermoFisher公司，4L)。

1.2 混合標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

將各標(biāo)準(zhǔn)溶液按照比例混合配制成二氯甲烷介質(zhì)，各目標(biāo)化合物濃度為400ng/mL(多氯聯(lián)苯類為100ng/mL)的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液。將混合標(biāo)準(zhǔn)溶液逐級(jí)稀釋成1～200ng/mL的標(biāo)準(zhǔn)系列(多氯聯(lián)苯類稀釋為0.25～50ng/mL的標(biāo)準(zhǔn)系列)。

替代物和內(nèi)標(biāo)配制成40μg/mL二氯甲烷介質(zhì)的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液。

1.3 氣相色譜分析條件

HP-5ms毛細(xì)管柱，柱溫60℃，保持1min，以40℃/min升至170℃，再以10℃/min升至310℃，保持3min。進(jìn)樣口溫度280℃；不分流進(jìn)樣，恒流模式，柱流量1mL/min；進(jìn)樣量1μL。

1.4 質(zhì)譜分析條件

選擇EI源；能量70eV；傳輸線溫度250℃；離子源溫度230℃；前級(jí)、后級(jí)四極桿溫度均為150℃；QQQ碰撞池氦氣(淬滅氣)流速2.25mL/min；氮?dú)?碰撞氣)流速1.5mL/min；溶劑延遲3.0min[11]。

1.5 樣品采集和實(shí)驗(yàn)方法

使用1L棕色玻璃瓶采集新疆國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程監(jiān)測(cè)井水樣，聚四氟乙烯蓋密封。采集的樣品在低溫下(4℃)保存，14天內(nèi)完成測(cè)定。空白水樣和加標(biāo)水樣均為二次去離子水，不含待測(cè)目標(biāo)物。

量取100mL水樣置于帶磨口塞的250mL玻璃錐形瓶中，加入20μL內(nèi)標(biāo)和替代物，準(zhǔn)確加入10mL二氯甲烷，振蕩10min后靜置10min分層，取二氯甲烷層1mL上機(jī)測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 質(zhì)譜條件優(yōu)化

采用氣相色譜-三重四極桿質(zhì)譜法測(cè)定地下水中的有機(jī)污染物，該方法利用多反應(yīng)監(jiān)測(cè)模式(MRM)定性定量、抗干擾和靈敏度高的優(yōu)勢(shì)降低檢出限，適合超痕量有機(jī)污染物定性和定量分析[27-28]。MRM模式在第2個(gè)四極桿可除去許多化學(xué)背景，通常情況下出現(xiàn)與碎片離子質(zhì)量完全相同的同種干擾的機(jī)會(huì)微乎其微，所以三重四極桿質(zhì)譜對(duì)于復(fù)雜基質(zhì)中的低濃度定量比單四極桿可減少更多的化學(xué)噪音[29-30]。

由于地下水污染物含量低和前處理取樣量的減少，本實(shí)驗(yàn)選擇高靈敏度的氣相色譜-三重四極桿質(zhì)譜進(jìn)行測(cè)定。首先用1μg/mL的44種混合標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行全掃描分析，得到44種有機(jī)物的保留時(shí)間，考察各化合物的碎片離子及相對(duì)豐度，選擇質(zhì)荷比最大、豐度最高的離子為母離子，對(duì)其產(chǎn)生的二級(jí)質(zhì)譜碎片離子進(jìn)行掃描，得到子離子掃描質(zhì)譜圖，選擇響應(yīng)強(qiáng)的2個(gè)二級(jí)碎片作為子離子對(duì)。對(duì)不同的母離子、子離子以及碰撞電壓進(jìn)行優(yōu)化，確定了這44種有機(jī)物的MRM模式的最佳質(zhì)譜分析條件。44種有機(jī)物的定量和定性離子對(duì)、保留時(shí)間、碰撞電壓及內(nèi)標(biāo)列于表1中，MRM質(zhì)譜圖如圖1所示。

表1 多反應(yīng)監(jiān)測(cè)模式(MRM)下44種有機(jī)物質(zhì)譜分析條件

圖1 有機(jī)污染物多反應(yīng)監(jiān)測(cè)模式(MRM)質(zhì)譜圖Fig.1 Mass spectrogram of organic pollutants in multi-reaction monitoring mode (MRM)

2.2 萃取溶劑的選擇

地下水中檢測(cè)的有機(jī)物種類繁多，在目前的水質(zhì)分析中，常以正己烷、二氯甲烷、乙酸乙酯、丙酮、乙腈、甲苯等作為提取溶劑[3]。其中丙酮、乙酸乙酯屬于極性較大溶劑，會(huì)與水互溶，不適合作為QuECHERS處理溶劑，本實(shí)驗(yàn)選擇正己烷和二氯甲烷作為提取溶劑。在水樣中加入44種有機(jī)物混合標(biāo)準(zhǔn)溶液0.50μg/L，分別加入正己烷和二氯甲烷各10mL，平行測(cè)定6份，每種物質(zhì)的平均回收率如圖2所示。由圖2可知，當(dāng)使用正己烷為提取溶劑時(shí)，多環(huán)芳烴、有機(jī)氯、硝基苯和多氯聯(lián)苯類的提取效果較好，而有機(jī)磷和百菌清的提取效率較低；二氯甲烷對(duì)這44種半揮發(fā)有機(jī)物的提取效率都比較好。

圖2 正己烷和二氯甲烷提取有機(jī)污染物的平均回收率Fig.2 Average recovery rate of organic pollutants extracted by dichloromethane and n-hexane

已有研究表明，正己烷的極性小，對(duì)多環(huán)芳烴、有機(jī)氯等弱極性物質(zhì)的提取效果較好，但對(duì)極性大的有機(jī)磷、百菌清的提取效果較差[17]。根據(jù)相似相溶原理，選擇極性大的有機(jī)溶劑才能更好地提取極性大的有機(jī)物。在常用有機(jī)溶劑中，二氯甲烷的極性大，與水不互溶，所以用二氯甲烷的提取效果較好。再者，由于二氯甲烷的密度比水大，可以在各種渾濁水樣基質(zhì)中迅速分層，另外由于揮發(fā)性很強(qiáng)的二氯甲烷被水相層覆蓋，使得在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中的毒害作用下降[3]。故本文實(shí)驗(yàn)確定了選擇二氯甲烷作為QuECHERS提取溶劑。

2.3 QuECHERS方法的應(yīng)用

通常QuECHERS方法主要采用乙腈等溶劑提取樣品，樣品經(jīng)離心分離、分散固相萃取凈化離心后直接進(jìn)行測(cè)定[31-32]。如前所述，QuECHERS方法主要應(yīng)用于食品、農(nóng)產(chǎn)品的前處理[33-34]。本方法在前人QuECHERS方法的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，將此方法應(yīng)用于水樣處理，簡(jiǎn)化了前處理過(guò)程。具體步驟是：在處理樣品前將內(nèi)標(biāo)和替代物同時(shí)加入100mL水樣中[35-36]，用10mL二氯甲烷振蕩提取靜置分層后，不需離心和凈化，直接抽取一定量二氯甲烷層上機(jī)測(cè)定，這樣不僅能消除儀器波動(dòng)帶來(lái)的影響，還可以消除前處理的損失，準(zhǔn)確度顯著提高。實(shí)驗(yàn)中添加三種內(nèi)標(biāo)和兩種替代物，分別在前、中、后段出峰，以此來(lái)監(jiān)控低、中、高沸點(diǎn)的化合物。內(nèi)標(biāo)有針對(duì)性，對(duì)檢測(cè)結(jié)果有一定的保證[37-38]。

對(duì)0.10μg/L、0.50μg/L和2.0μg/L三種濃度的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，采用本實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的QuECHERS方法和液液萃取法進(jìn)行分析對(duì)比，三種濃度水平的平均回收率見圖3。由圖3可知，對(duì)于改進(jìn)的QuECHERS和液液萃取法，目標(biāo)物的回收率沒(méi)有明顯差異；改進(jìn)的QuECHERS方法的回收率在75%～120%，替代物回收率在80%～120%，也能達(dá)到傳統(tǒng)液液萃取的水平，但前處理過(guò)程大大縮短。

圖3 采用改進(jìn)的QuECHERS和液液萃取法的平均回收率Fig.3 Average recovery of improved QuECHERS and liquid-liquid extraction

2.4 方法檢出限、精密度和回收率

在空白水樣中按0.10μg/L、0.50μg/L和2.0μg/L三個(gè)添加水平進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，每個(gè)添加水平做6次平行，計(jì)算回收率和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差；依據(jù)《環(huán)境監(jiān)測(cè)研究方法標(biāo)準(zhǔn)制定修訂技術(shù)導(dǎo)則》(HJ 168—2010)中檢出限實(shí)驗(yàn)要求，在空白水樣中按0.05μg/L添加44種混合標(biāo)準(zhǔn)溶液平行進(jìn)行7次實(shí)驗(yàn)，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差后乘以3.143得到方法檢出限。表2列出了檢出限、回收率和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)，這些指標(biāo)能滿足地下水《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)分析方法的技術(shù)要求。

表2 采用改進(jìn)QuECHERS方法的檢出限、回收率和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差

與液液萃取對(duì)比，改進(jìn)的QuECHERS法的流程短，所需試劑少，操作簡(jiǎn)便，使用的器皿少(表3)，因而大大降低了鄰苯二甲酸酯的檢出限，比常規(guī)氣相色譜-質(zhì)譜法(GC-MS)檢出限低5～10倍[19]。再者，本方法更適合地下水中痕量有機(jī)物的檢測(cè)，在精密度和回收率實(shí)驗(yàn)中添加的濃度水平低(最低為0.10μg/L)，其回收率也在可接受的范圍內(nèi)(75%～120%)。而目前報(bào)道的最低加標(biāo)濃度一般在1～10μg/L，回收率范圍為80%～120%[10,16,24]，本次實(shí)驗(yàn)添加的濃度比報(bào)道中低10～100倍，并且研究對(duì)象更加復(fù)雜，方法包容性更大，適合大量樣品的多組分痕量檢測(cè)。

表3 本文方法和液液萃取方法優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

3 實(shí)際樣品分析

2019—2020年國(guó)家啟動(dòng)“全國(guó)地下水監(jiān)測(cè)工程運(yùn)行維護(hù)”項(xiàng)目，本項(xiàng)目組承擔(dān)了新疆維吾爾自治區(qū)地下水的檢測(cè)工作，依據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)和《地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ 164—2020)對(duì)地下水進(jìn)行采集、保存、運(yùn)輸。將本方法應(yīng)用于該項(xiàng)目中，在實(shí)際樣品檢測(cè)中以上44種污染物均未超過(guò)地下水污染檢出限要求，表明新疆地下水暫不存在安全隱患，相關(guān)部門對(duì)農(nóng)藥殺蟲劑管控措施在地下水保護(hù)方面發(fā)揮了重大作用。

4 結(jié)論

針對(duì)地下水有機(jī)污染物的低濃度和多組分的特點(diǎn)，本文建立了基于改進(jìn)的QuECHERS前處理，氣相色譜-三重四極桿質(zhì)譜測(cè)定地下水中44種有機(jī)污染物的方法。本方法取樣量小，使用的有機(jī)試劑和器皿少，降低了鄰苯二甲酸酯空白本底，在簡(jiǎn)化了前處理流程的同時(shí)也能保證低檢出限。

本方法解決了地下水中有機(jī)污染物多組分同時(shí)測(cè)定時(shí)檢出限欠佳的問(wèn)題，同時(shí)通過(guò)采用改進(jìn)的QuECHERS前處理方式也解決了水樣前處理的大體積取樣、流程長(zhǎng)的問(wèn)題。本方法涵蓋44種有機(jī)污染物，包容性更大，適用于大批量水樣痕量分析，可為地下水、地表水的有機(jī)污染物監(jiān)測(cè)提供參考。