基于攪拌棒固相萃取-氣相色譜-質譜/嗅辨同步分析法的污染河道水異味分析

陳秀雯,嚴文杰,黃波濤

(上海市環境科學研究院,上海 200233)

人類嗅辨氣味的能力十分強大,人鼻理論上可以嗅辨至少1萬億種氣味[1]。但是僅依靠嗅覺,研究人員常常無法明確導致水體異味的具體物質,這是由于異味物質種類繁多且濃度水平較低,會對嗅覺產生綜合反應,導致嗅覺識別難度較高。由于儀器檢出限遠高于嗅覺感知限值[2],以儀器檢測代替人鼻嗅辨可能導致出現人聞到較大異味但是儀器檢測不到的現象[3]。氣相色譜-質譜/嗅辨同步分析法兼具質譜和嗅辨分析的優點,不僅可對待測物進行準確定性、定量分析,還能使研究人員鑒別嗅辨色譜分離出的異味物質的氣味類型和強度(分0, 1, 2, 3, 4等5個等級,分別代表無感、微弱、清晰、較強和非常強烈)[4],在食品分析[5-6]、香精香料生產[7]的香味鑒定以及環境領域異味檢測與溯源中得到了實際應用。如文獻[8]利用這種方法鑒別了由城市污水經多級處理而來的飲用水中異味物質,確定了土臭素、2,4,6-三氯苯甲醚是主要異味物質。文獻[9]利用該技術分析了城市固體廢棄物處理廠的環境空氣,發現在檢測儀器上加配嗅辨口可以提高惡臭判定的精度,并確定丙酮、二甲苯等是導致固廢處理廠惡臭的主要異味物質。文獻[10-11]通過污水處理廠的實地檢測驗證了該方法的適用性,并認為該方法可用于廠區惡臭物質的篩選和排查,有助于進一步改進生產工藝以及消減特定臭味物質的排放。文獻[12]采用該方法測定了飲用水中低濃度水平的土臭素,并揭示了甲基萘在化學臭味物質形成過程中的作用。

實際樣品中異味物質的質量濃度一般為μg·L-1級,甚至低至ng·L-1,能被人鼻嗅到,但是很難被液液萃取、固相微萃取、固相萃取等常規預濃縮方法有效富集到。攪拌棒固相萃取技術是一種基于固相微萃取的新型無溶劑或少溶劑的樣品前處理方法[13],所用攪拌棒一般為涂覆有一層聚二甲基硅氧烷(PDMS)的內封磁芯的玻璃管,在攪拌的同時吸附待測物。和固相微萃取法相比,攪拌棒固相萃取的固定相量要高50倍以上,靈敏度要高100～1 000倍,富集倍數也更高。這種技術簡單、高效、快速、綠色、重現性好、溶劑耗費少,適合水樣中超痕量組分的富集[14-15]。但是還未見到這種方法和氣相色譜-質譜/嗅辨同步分析法聯合用于污染水體中異味物質篩查的研究,因此本工作采用攪拌棒固相萃取-氣相色譜-質譜/嗅辨同步分析法分析某污染河道水樣,篩選出了異味物質和推測了致臭原因。

1 試驗部分

1.1 儀器與試劑

Agilent 7890 GC/5975c MSD型氣相色譜-質譜聯用儀;ODP4型嗅聞儀;Gerstel TDU2型熱脫附小管;吸附萃取攪拌棒(直徑10 mm,PDMS膜厚 1 mm,萃取相涂層用量63 μL)。

正己烷、甲醇、二氯甲烷均為色譜純;試驗用水為超純水。上海市某地污染河道水樣,外觀為黑色,散發著惡臭味,氣味強度為4級,現場水溫25.2 ℃,溶解氧質量濃度0.15 mg·L-1。

1.2 儀器工作條件

1.2.1 熱脫附條件

不分流模式。熱脫附程序:初始溫度20 ℃,保持 0.5 min;以100 ℃ ·min-1速率升溫到250 ℃,保持 5 min。傳輸線溫度260 ℃。

1.2.2 色譜條件

DB-5MS 毛細管色譜柱( 30 m ×0.25 mm ,0.25 μm)。柱升溫程序:初始溫度40 ℃,保持 2 min;以 5 ℃ ·min-1速率升溫至270 ℃,保持12 min。載氣為高純氦氣,流量1.8 mL·min-1;進樣口溫度 250 ℃;分流進樣,分流比3∶ 1。

1.2.3 質譜條件

電子轟擊離子(EI)源;離子源溫度230 ℃;電子能量70 eV;傳輸線溫度280 ℃;四極桿溫度150 ℃。全掃描(SCAN)范圍質荷比(m/z)29～400;電子倍增管電壓(EMV)1 258 V;冷阱進樣-程序升溫氣化(CIS-PTV)進樣口,進樣口程序溫度-30～250 ℃,溫度變化速率15 ℃·s-1。

1.2.4 嗅辨條件

將色譜柱流出物以1∶1體積比分別流入質譜檢測器和ODP4型嗅聞儀;嗅聞儀的傳輸線溫度 220 ℃;嗅辨載氣為濕潤空氣,流量2 mL·min-1。

1.3 試驗方法

1.3.1 吸附萃取攪拌棒老化

將吸附萃取攪拌棒浸在 2 mL體積比1∶1 的甲醇和二氯甲烷混合溶液中,超聲清洗5 min,重復3次。用鑷子取出吸附萃取攪拌棒,用無塵紙擦干后置于專用老化器中,在75 mL·min-1氮氣流量下,將老化器溫度升至300 ℃,保持1 h。

1.3.2 樣品前處理

取50.0 g水樣于250 mL三角瓶中,放入磁力攪拌子和老化好的吸附萃取攪拌棒,在室溫下以 1 000 r·min-1轉速攪拌 120 min。吸附萃取攪拌棒用水沖洗干凈,用無塵紙吸干表面水分,置于熱脫附小管中,按照1.2節條件進行檢測。

1.3.3 氣相色譜-質譜法定性及半定量分析

基于NIST 20標準譜庫和Masshunter定性軟件,對總離子流色譜圖中的化學組分進行定性分析,峰面積歸一化法進行半定量分析,以確定各化學組分的相對含量。

1.3.4 嗅辨分析

選擇2名感官評價人,每名評價人均需對氣相色譜分離出的化學組分進行嗅辨,并記錄所嗅到的氣味類型、特征和強度,氣味越強烈的化合物對異味的貢獻越大。

1.3.5 水樣常規參數檢測

高錳酸鹽指數采用GB/T 11892-1989《水質 高錳酸鹽指數的測定》檢測;化學需氧量采用HJ 828-2017《水質 化學需氧量的測定 重鉻酸鹽法》檢測;揮發性有機物采用HJ 639-2012《水質 揮發性有機物的測定 吹掃捕集/氣相色譜-質譜法》檢測;半揮發性有機物采用USEPA 3510C-1996/USEPA 8270E-2018《分液漏斗液液萃取/氣相色譜-質譜法測定半揮發性有機化合物》檢測;多環芳烴采用HJ 478-2009《水質 多環芳烴的測定 液液萃取和固相萃取高效液相色譜法》檢測。

2 結果與討論

2.1 方法同步分析準確性驗證

選用9種異味物質的混合標準溶液進行儀器定性和嗅辨的同步分析,所得不同異味物質的保留時間、嗅辨時間、氣味強度、氣味類型等見表1。

表1 異味物質定性及嗅辨結果

由表1可知,同一化合物的嗅辨時間較保留時間延遲0.50～1.20 min,可能和分流后輔助加濕導致樣品在毛細管中運行距離變長有關,也可能和人體嗅辨反應延遲有關,該結果與文獻[16]的基本吻合。為保證檢測結果的科學性和可靠性,滯后時間差是必須考慮的問題,該工作留作以后研究。另外,氣味流出時間十分短暫,建議相關研究選擇氣味最明顯的土臭素作為關鍵異味物質。

2.2 污染河道水樣的常規參數檢測結果分析

按照1.3.5節方法對污染河道水樣的常規參數進行檢測,所得高錳酸鹽指數和化學需氧量均超出GB 3838-2022《地表水環境質量標準》,未檢出多環芳烴以及常見的環境有機污染物(41種揮發性有機物和13種半揮發性有機物)?；瘜W需氧量高意味著水樣中含有大量的有機污染物,但是常見的環境有機污染物均未檢出,說明該水樣中的有機物種類、含量以及異味來源有待進一步研究。

2.3 污染河道水樣中有機污染物的定性、半定量分析及其嗅味特征分析

按照試驗方法分析污染河道水樣,所得的總離子流色譜圖見圖1,其中標“*”的色譜峰面積較大。

圖1 水樣的總離子流色譜圖Fig.1 Total ion chromatogram of the water sample

對圖1色譜圖的色譜峰進行統計,共發現329個色譜峰,說明水樣中所含化合物種類較多。對相對含量高于0.01%的化合物進行分析,其定性、半定量和嗅辨結果見表2。表中,“/”表示未查到或者不確定相關信息。

由表2可知,嗅辨結果中描述的氣味強度和類型與原始水樣惡臭味有一定差距,推測原始水樣嗅味特征可能由其中所含化合物相互作用以及其氣味協同或拮抗作用綜合形成[17]。由各化合物的相對含量可知,保留時間38.77 min處的化合物相對含量較高,其次是27.58, 33.81, 43.28, 47.17, 51.56 min處的,這些化合物主要為醇類和醚類物質,但是匹配度較低,只有74%～85%。分析這6個化合物(圖1標*的6個色譜峰對應的化合物)對應的質譜圖(圖2),6個質譜圖中豐度最大離子m/z約59.1對應CH3CH2CH2-O-或其相近結構,后5個質譜圖中豐度次大的離子m/z117.1對應CH3CH2CH2-O-CH2CH2CH2-O-或其相近結構,后3個質譜圖中m/z約59.1, 117.1, 175.1, 233.2, 291.2處一組特征離子對應CH2CH2CH2-On(n=1,2,3,4,5)或其相近結構。

圖2 相對含量較高的6個化合物的質譜圖Fig.2 Mass spectra of the 6 compounds with higher relative contents

結合文獻[18]的研究可知,聚丙二醇裂解會產生m/z59.1, 117.1, 175.1, 233.2, 291.2等與聚丙二醇結構單元相關的產物離子,分別對應含有1, 2, 3, 4, 5個丙二醇重復單元的聚丙二醇片段。根據以上結果推測該水樣中存在含-CH2CH2CH2-O-重復單元的聚合物,可能是聚丙二醇或聚丙二醇與醇作用后生成的醚類產物。聚丙二醇可作為植物油、樹脂和石蠟的溶劑,也可用于制備醇酸樹脂, 乳化劑、反乳化劑、潤滑油和增塑劑等,是非常常見的工業助劑。因此,推測以聚丙二醇為母體生成的醇類和醚類物質可能是污染河道水體的主要物質,可能來源于工業、生活污水不經處理直接排放、不達標排放、偷排亂排等,但是這些物質無明顯臭味[19],說明這些化合物不是導致河道水體惡臭的主要物質,針對樣品中相對含量較大的組分進行解析,不能找到污染河道并且導致水體惡臭的物質。綜合表2結果進一步發現,化合物氣味強度和該物質的相對含量不成正比,如26 min以內的化合物相對含量較低,但嗅到的氣味強度較大,26～55 min內的化合物相對含量較大,卻未嗅到強烈異味,氣味強度也較低,這主要和各異味物質的嗅閾值有關,說明應結合各化合物的嗅味特征綜合分析。

由于化合物嗅辨時間與保留時間存在一定時間差,嗅辨所得的氣味強度和類型具有一定主觀性,且檢出物種類繁多,逐一排查和確認的工作量十分龐大,在兼顧科學性、嚴謹性和效率的前提下,先選擇氣味強度較大的保留時間段,再選擇其中與NIST20標準譜庫匹配度較高的化合物進行剖析探討。綜合考慮,試驗選擇的研究對象為氣體強度比較大的保留時間在26 min以內流出的化合物。其中:在含硫化合物中,正丁硫醇和2-乙基噻吩匹配度分別為86%和72%,二者均有惡臭味。在含氮化合物中,2-乙基-5-甲基吡啶匹配度為94%,有刺激性氣味;吲哚匹配度為91%,高度稀釋后有新鮮花香味;甲基吲哚匹配度高達93%,純試劑有強烈惡臭,但稀釋后有茉莉花香,極度稀釋后有成熟水果香味。在烴類化合物中,烷烴類中二甲基二惡烷的匹配度為94%,有劇烈臭味;芳香烴類中苯、甲苯、乙苯、苯、二甲苯、三甲苯等的匹配度都在90%以上,均有香味;烯烴類中三甲基雙環-庚-2-烯的匹配度為98%,氣味微弱。在含氧有機物中, 2-乙基己醇的匹配度為99%,有青草香味[20];十二醇的匹配度為91%,3-庚酮的匹配度為91%,均具有香味特征。從上述化合物的相對含量上看,這些化合物的相對含量均低于1.00%,一些化合物的相對含量甚至只有0.01%,卻是河道水體異味的主要貢獻者。這是由于異味物質的嗅閾值往往很低,極低的濃度水平就可帶來強烈的異味,即使異味物質的含量降低了90%,人的嗅覺感覺只能去除50%[21]。從氣味特征上看,這些化合物有臭味也有香味,各種氣味組成的復合氣味共同作用導致了河道惡臭。綜上所述,水體臭味是多種微量化合物散發的復合氣味,導致惡臭的化合物包括含硫化合物(硫醇、噻吩), 含氮化合物(吲哚、吡啶), 烷烴類化合物(烷烴、烯烴、芳香烴)和含氧有機物(醇、酮、醚)等。

本工作通過攪拌棒固相萃取-氣相色譜-質譜/嗅辨同步分析法分析污染河道水樣,發現該河道水中相對含量較高的組分(醇類、醚類)不是關鍵異味物質,多種微量異味物質(含硫化合物、含氮化合物、烴類化合物以及含氧有機物)共同作用導致河道惡臭。本工作對河水污染事件異味物質的判定及溯源有一定指導意義,也能為環境事故應急監測提供一種新思路。