氣相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法測定水中29種致嗅物質(zhì)

李豐鐸，王 洵，石亞東，李 濤，錢 進

（1.河海大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué) 淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；3.太湖流域水文水資源監(jiān)測中心（太湖流域水環(huán)境監(jiān)測中心），江蘇 無錫 214024）

嗅味直接影響飲用水質(zhì)量，在某些情況下甚至可能造成公眾恐慌［1］。水中嗅味來源物質(zhì)具有多種不同結(jié)構(gòu)特征，主要包括藻類及細菌代謝物和工業(yè)污染物［2］，其中部分物質(zhì)在ng/L 水平就能產(chǎn)生明顯異嗅味［3-4］。新修訂的GB 5749-2022《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準》中［5］，將二甲基異莰醇和土臭素納入水質(zhì)擴展指標(biāo)及限值表中，并規(guī)定其限值為10 ng/L。根據(jù)近年來發(fā)生的水體嗅味事件，已有更多種類的致嗅物質(zhì)被逐漸發(fā)現(xiàn)［6-8］。為了解水體中致嗅物質(zhì)的種類和分布水平，評估致嗅物質(zhì)風(fēng)險，建立高效準確的多種致嗅物質(zhì)分析方法成為首要的研究內(nèi)容。

水中致嗅物質(zhì)作為痕量、超痕量化合物，對檢測方法的靈敏度和精密度提出了更高要求。新修訂的GB/T 5750.8-2023《生活飲用水標(biāo)準檢驗方法 第8 部分：有機物指標(biāo)》中規(guī)定，以頂空固相微萃取（HS-SPME）結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜法（GC-MS）測定土臭素和二甲基異莰醇［9］。相比于液液萃取、固相萃取、分散固相萃取和吹掃捕集等前處理方法，固相微萃取（SPME）具有操作簡便、處理效率高、實驗成本低且環(huán)境友好的優(yōu)點［10-15］。SPME 一般包括HS-SPME、直接微萃取（DI-SPME）及膜保護萃取（HFSPME），其中HS-SPME 更適用于富集揮發(fā)、半揮發(fā)性化合物，避免了DI-SPME 易受基質(zhì)中不揮發(fā)性大分子污染物影響的缺陷，且能明顯消除背景噪音干擾［16-17］。作為測定水中致嗅物質(zhì)的常用方法，GC-MS 的分離能力和靈敏度有限［18-19］，無法滿足多種致嗅物質(zhì)同時定量檢測的需求，因此選擇更為靈敏可靠的檢測技術(shù)十分重要。氣相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法（GC-MS/MS）包含多反應(yīng)監(jiān)測模式（MRM），可根據(jù)多組前體離子和產(chǎn)物離子對，將化合物峰與背景噪音分離，實現(xiàn)精確識別與定量［20］。

目前致嗅物質(zhì)的檢測多針對生源性化合物［10-11］，本研究根據(jù)近年來本流域的定性篩查結(jié)果，選擇硫醚類、醛類、苯系物、醚類、酮類、萜類和環(huán)狀縮醛類等29種嗅閾值低且較常見的生源性及工業(yè)源致嗅物質(zhì)為檢測目標(biāo)物，采用頂空箭型固相微萃取（HS-Arrow-SPME）結(jié)合GC-MS/MS 技術(shù)，建立了針對上述不同種類致嗅物質(zhì)的同時快速檢測方法。通過對前處理條件和GC-MS/MS 參數(shù)的優(yōu)化，提高了致嗅物質(zhì)的富集效率，各目標(biāo)物可獲得最佳響應(yīng)。該方法前處理簡單，富集效率和靈敏度高，能夠滿足水中致嗅物質(zhì)的快速定性及定量檢測需求。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

8890B-7000D 氣相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜儀（美國Agilent 公司）；PAL RTC 自動換針多功能前處理及進樣平臺（廣州智達實驗室科技有限公司）；Vortex Cenie 2 渦旋混勻器（美國Scientifie Industries 公司）；VF-624 MS色譜柱（30 m×0.25 mm×1.4 μm，美國Agilent公司）。

29種致嗅物質(zhì)標(biāo)準溶液（各溶于甲醇中，100 mg/L，天津阿爾塔公司），具體見表1。甲醇（色譜純，北京百靈威科技有限公司）；氯化鈉（分析純，使用前于馬弗爐450 ℃下烘烤4 h，上海麥克林生化科技有限公司）。

表1 29種目標(biāo)致嗅物質(zhì)的MRM參數(shù)Table 1 MRM parameters for 29 target odor-causing substances

1.2 標(biāo)準溶液的配制

標(biāo)準儲備溶液配制：取各致嗅物質(zhì)標(biāo)準品0.1 mL，以甲醇定容至10.0 mL，配制為1.0 mg/L的29種致嗅物質(zhì)混合標(biāo)準儲備液，轉(zhuǎn)移至1.5 mL棕色頂空進樣瓶中，-20 ℃保存。

標(biāo)準曲線溶液配制：按照標(biāo)準儲備溶液配制方法配制2.0 μg/L 的中間液，以甲醇逐級稀釋，配制5、10、20、40、50、80、100、150、200、300 ng/L的標(biāo)準曲線溶液。

1.3 固相微萃取前處理

選擇二乙烯基苯/羥基/聚二甲基硅氧烷（DVB/Carbon WR/PDMS） Smart SPME Arrow 箭型固相萃取頭（首次使用前于PAL RTC Arrow 老化模塊中240 ℃老化30 min），在裝有3.5 g NaCl 的頂空進樣瓶中加入10 mL水樣，70 ℃條件下預(yù)孵化8 min后萃取20 min，最終于240 ℃進樣口解吸3 min。每次進樣前萃取頭于240 ℃條件下老化5 min。

1.4 儀器分析

氣相色譜條件：色譜柱：VF-624 MS 色譜柱（30 m×0.25 mm×1.4 μm）；載氣為氦氣；碰撞氣為氮氣；不分流進樣；進樣口溫度為240 ℃；色譜柱升溫程序為：40 ℃保持1 min，以8 ℃/min 升至80 ℃并保持2 min，以10 ℃/min升至180 ℃并保持4 min，再以10 ℃/min升至260 ℃并保持2 min。

質(zhì)譜條件：電子轟擊離子源（EI）；碰撞氣為氮氣；檢測器電壓為70 eV；離子源溫度為230 ℃；色譜質(zhì)譜接口溫度為240 ℃；溶劑延遲時間8 min；MRM模式進行檢測。其它質(zhì)譜參數(shù)見表1。

2 結(jié)果與討論

2.1 質(zhì)譜條件的優(yōu)化

待測目標(biāo)物的質(zhì)譜檢測參數(shù)對于方法檢測靈敏度和準確性有著重要影響。首先利用全掃描（Scan）模式確定29種目標(biāo)物的保留時間和前級離子，選擇豐度高且質(zhì)量數(shù)較大的特征離子作為定量離子；其次選擇產(chǎn)物離子掃描模式確定響應(yīng)值較高的二級離子為定性離子；最后選擇MRM模式比較不同碰撞能下各碎片離子的豐度，擇優(yōu)確定各個離子對的碰撞能。29種致嗅物質(zhì)的最優(yōu)MRM參數(shù)見表1。

2.2 SPME裝置的選擇

SPME 裝置種類豐富，主要包括探針式、刀片式及管內(nèi)式等［21］，其中應(yīng)用最廣泛的為探針式SPME裝置［22］。SPME 裝置的核心是固定在石英纖維或不銹鋼絲基質(zhì)上的涂層材料，涂層材料（高聚物或吸附劑）的選擇依據(jù)主要是目標(biāo)物的極性強弱，而涂層厚度多取決于目標(biāo)物的揮發(fā)性及分子量［23］。最常用的固體熔融二氧化硅纖維涂層為PDMS，其無孔結(jié)構(gòu)能夠顯著降低復(fù)雜樣品的基質(zhì)效應(yīng)，適用于半揮發(fā)性的非極性化合物；聚丙烯酸酯（PA）涂層則常用于氯酚及有機磷農(nóng)藥等［19］極性化合物的吸附。

考慮到本方法中致嗅物質(zhì)的分子量小、沸點較低，且各目標(biāo)物的結(jié)構(gòu)多樣、極性差異較大，根據(jù)文獻方法［24-25］，本研究選擇三相復(fù)合涂層箭型固相微萃取頭DVB/Carbon WR/PDMS Smart SPME Arrow。該萃取頭涂層厚度為120 μm，長度為2 cm，較常規(guī)的固相微萃取涂層更厚，萃取頭更長，比表面積大且靈敏度高，對29種致嗅物質(zhì)的檢測效果優(yōu)異。因此，本研究選擇該萃取頭作為SPME裝置。

2.3 NaCl加入量及樣品pH值的選擇

在SPME 前處理方法中，尤其是HS-SPME，鹽析作用及pH 值變化均能夠明顯改變基質(zhì)的離子強度，從而影響揮發(fā)性目標(biāo)化合物在水相和氣相之間的分配平衡［11，26］。鹽析通常是向樣品中加入無機鹽，通過水化作用減少自由水分子，降低待測物在基質(zhì)中的溶解度，提高待測物在頂空氣相中的含量，進而提高萃取效率。實驗考察了NaCl 加入量（0、1.0、2.0、3.0、3.5 g）對響應(yīng)值的影響（如圖1）。結(jié)果表明，各目標(biāo)化合物的響應(yīng)值與NaCl加入量基本成正比，在接近鹽飽和溶液時，多數(shù)目標(biāo)物的響應(yīng)值較高，當(dāng)NaCl 過量（4 g）后，非溶解態(tài)無機鹽產(chǎn)生吸附作用，影響各目標(biāo)物在氣相、水相中的分配系數(shù)，導(dǎo)致萃取效率降低。

圖1 NaCl加入量對29種致嗅物質(zhì)響應(yīng)值的影響Fig.1 Effect of NaCl dosage on the response values of 29 odor-causing substances

向樣品中添加一定量的乙酸、碳酸鈉調(diào)節(jié)pH值。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，酸性條件下酚類及酯類化合物的響應(yīng)值明顯提高，而吡嗪類化合物的響應(yīng)值降低；堿性條件下吡嗪類和醚類化合物的響應(yīng)值提高，酚類化合物的響應(yīng)值降低。根據(jù)HJ 91.2-2022《地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》和HJ 494-2009《水質(zhì) 采樣技術(shù)指導(dǎo)》，地表水樣采集過程中未調(diào)節(jié)pH 值［27-28］。綜合實驗結(jié)果，中性水樣中各類目標(biāo)物的響應(yīng)值能夠滿足方法要求。因此本實驗選擇NaCl 加入量為3.5 g，樣品不調(diào)節(jié)pH 值（研究區(qū)域水樣pH 值為6.0～8.0）。

2.4 萃取溫度的選擇

基于PAL RTC 平臺，于萃取前設(shè)置樣品預(yù)孵化程序，以充分溶解NaCl，利用鹽析作用使目標(biāo)化合物由水相轉(zhuǎn)移至頂空氣相中達到初步平衡。為保證前處理過程中目標(biāo)物分配平衡的穩(wěn)定，設(shè)置同一預(yù)孵化與萃取溫度，在NaCl 加入量3.5 g、萃取時間30 min 條件下，考察了萃取溫度在40～80 ℃范圍內(nèi)各目標(biāo)物響應(yīng)值的變化。結(jié)果顯示，萃取溫度對SPME 前處理有多重影響。萃取溫度升高，提高了待測目標(biāo)物在兩相中的擴散速度，增強了平衡效率，但對于不同沸點目標(biāo)物的影響存在較大差異，低沸點化合物的響應(yīng)值總體隨溫度升高而逐漸減低，高沸點化合物則相反。此外，實驗發(fā)現(xiàn)較高的萃取溫度降低了部分目標(biāo)物的萃取效率，原因可能是熱解吸造成纖維涂層固定相的吸附能力降低。綜合實驗數(shù)據(jù)，選擇萃取溫度為70 ℃，此時各目標(biāo)物的響應(yīng)值總體較高。

2.5 萃取時間的選擇

萃取時間與吸附平衡密切相關(guān)。SPME 雖然是平衡分析法，但并不完全依賴于分析物的完全萃取，只需嚴格控制變量條件，根據(jù)SPME 非平衡原理，一般將萃取時間定為吸附量達到平衡的95%所需的時間。在萃取溫度70 ℃、NaCl 加入量3.5 g 的條件下，考察了萃取時間在10～35 min 范圍內(nèi)幾種不同沸點的代表性目標(biāo)物響應(yīng)值的變化情況。如圖2 所示，不同致嗅物質(zhì)達到吸附平衡所需的時間不同，低沸點化合物2MDL 和2EMDL 的響應(yīng)值在10 min 內(nèi)達到最大，高沸點化合物在萃取時間大于20 min 才逐步達到吸附平衡。為提高效率，一般要求前處理所需時間接近但不超過GC-MS/MS 儀器分析時間。儀器檢測方法的分析時間為32 min，考慮到萃取針老化及樣品預(yù)孵化程序，兼顧前處理富集效果，最終確定萃取時間為20 min。

圖2 萃取時間對部分致嗅物質(zhì)響應(yīng)值的影響Fig.2 Effect of extraction time on the response values of partial odor-causing substances

2.6 解吸時間及探針深度的選擇

萃取纖維涂層中待測物解吸溫度一般設(shè)置200 ℃以上，但該溫度對于SPME 萃取纖維的使用壽命、靈敏度、重復(fù)性以及目標(biāo)物質(zhì)的解吸程度影響大［29］。解吸時間與致嗅物質(zhì)殘留量基本成反比，但解吸時間過長，萃取纖維涂層可能發(fā)生鈍化，影響靈敏度［30］。在最優(yōu)條件下，考察了解吸時間為1～5 min時部分目標(biāo)物響應(yīng)值的變化。如圖3 所示，隨著解吸時間的增加，目標(biāo)物的響應(yīng)值逐步提高，解吸3 min 后響應(yīng)值基本趨于平穩(wěn)，少部分高沸點化合物可能需要更長時間才能達到最大響應(yīng)值。綜合考慮萃取效率與萃取針使用壽命，選擇解吸時間為3 min。

圖3 解吸時間對部分致嗅物質(zhì)響應(yīng)值的影響Fig.3 Effect of desorption time on the response values of partial odor-causing substances

此外，呂建霞等［24］研究發(fā)現(xiàn)解吸時探針深度對于待測物的響應(yīng)值也存在較大影響。實驗考察了探針在進樣口不同深度時各待測目標(biāo)物的響應(yīng)值，發(fā)現(xiàn)在40～60 mm范圍內(nèi)，探針深度與目標(biāo)物的響應(yīng)值成正比，且隨著探針深度的增加，各目標(biāo)物的保留時間提前，表明在進樣口襯管中下部位，萃取纖維涂層的解吸速度更快。因此本實驗選擇進樣口深度為60 mm。

在上述最優(yōu)處理條件下，得到29種致嗅物質(zhì)的色譜圖如圖4所示。

圖4 29種致嗅物質(zhì)的色譜圖Fig.4 Chromatogram of 29 odor-causing substances the peak numbers denoted were the same as those in Table 1

2.7 標(biāo)準曲線、方法檢出限與定量下限

按照“1.2”方法配制標(biāo)準曲線溶液，采用本方法進行測定，以標(biāo)準溶液中目標(biāo)物的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)（X），目標(biāo)物的色譜峰面積為縱坐標(biāo)（Y），建立29種致嗅物質(zhì)的線性方程。以空白樣品按照噪音信號的3～5 倍水平進行加標(biāo)實驗，根據(jù)7 次測定結(jié)果計算標(biāo)準偏差（S），得到方法檢出限（LOD＝S×3.143），以4 倍檢出限為目標(biāo)物的定量下限（LOQ）。結(jié)果表明，29 種致嗅物質(zhì)在5～300 ng/L 范圍內(nèi)線性良好，相關(guān)系數(shù)（r2）均大于0.991，方法檢出限為0.31～9.27 ng/L，定量下限為1.26～37.09 ng/L（見表2）。

表2 29種致嗅物質(zhì)的線性方程、相關(guān)系數(shù)、檢出限與定量下限Table 2 Linear equations，correlation coefficients，LODs and LOQs of 29 odor-causing compounds

2.8 準確度與精密度

選取超純水作為基質(zhì)，添加29 種致嗅物質(zhì)標(biāo)準溶液進行加標(biāo)回收實驗，設(shè)置低（10 ng/L）、中（80 ng/L）、高（160 ng/L）3 個加標(biāo)水平，每個水平設(shè)置6 個平行樣品，采用優(yōu)化后的方法進行檢測。由表3可見，29 種致嗅物質(zhì)的平均回收率為84.3% ～112%，相對標(biāo)準偏差（RSD）為0.10% ～8.6%，表明本方法具有較好的準確度和精密度。

表3 29種致嗅物質(zhì)的回收率與相對標(biāo)準偏差Table 3 Recoveries and relative standard deviations of 29 odor-causing compounds

2.9 實際水樣測定

采集蘇州某河道干流斷面水樣，采用本方法進行檢測。結(jié)果檢出6種致嗅物質(zhì)，除2EMDL 和二甲基異莰醇外，其余檢出致嗅物質(zhì)的檢出率為100%（見表4）。根據(jù)致嗅物質(zhì)檢出情況，除苯甲醛在河道中分布較為均勻外，其余化合物存在人為排放輸入可能，致嗅物質(zhì)的檢出濃度變化多在中游位置（Site 3），與其所處工業(yè)密集區(qū)有關(guān)，因此需加強本段入河水質(zhì)監(jiān)測。

表4 實際樣品中致嗅物質(zhì)的檢出結(jié)果（ng/L）Table 4 Detection results of odor-causing compounds（ng/L）

3 結(jié) 論

本研究結(jié)合HS-Arrow-SPME 前處理方法和GC-MS/MS檢測技術(shù)，通過系統(tǒng)優(yōu)化前處理流程，確認影響檢測結(jié)果的主要條件及最優(yōu)設(shè)置，建立了水中29 種致嗅物質(zhì)的同時檢測方法。本方法處理效率高，檢出限低，準確度和精密度好，滿足痕量致嗅物質(zhì)的檢測要求，為工業(yè)致嗅物質(zhì)檢測提供了可用方法。