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2018, 35(7):654-660.doi:10.13213/j.cnki.jeom.2018.18315

固相萃取-气质联用测定饮用水中七类半挥发性有机物


1. 复旦大学公共卫生学院环境卫生学教研室, 公共卫生安全教育部重点实验室, 健康风险预警治理协同创新中心, 上海 200032 ;
2. 上海市化工职业病防治院中心实验室, 上海 200041 ;
3. 复旦大学浦东预防医学研究院, 上海 200136

收稿日期: 2018-05-01;  发布日期: 2018-09-01

基金项目: 国家自然科学基金资助项目(编号:81472934)

通信作者: 王霞, Email: xwang6@fudan.edu.cn  

作者简介: 赵亚萌(1990-), 女, 硕士生; 研究方向:饮用水与健康; E-mail:

[目的] 优化固相萃取-气质联用测定饮用水中七类半挥发性有机物的方法。

[方法] 40 L水样分别经不同固相萃取方式(XAD-2单柱,XAD-2与活性炭双柱串联)进行有机物富集,XAD-2萃取剂依次经甲醇:丙酮(7:3)、丙酮:正己烷(1:1)、二氯甲烷洗脱;活性炭依次经丙酮:正己烷(1:1)、二氯甲烷洗脱。待洗脱液自然挥干,甲醇复溶,内标法定量,气相色谱-质谱联用检测。

[结果] 本方法各物质色谱峰分离度较好,七类物质在0.05~5 μg/mL浓度范围内线性良好。双柱萃取提高了115种化学物的回收率。有机氯农药、有机氮农药、多氯联苯、邻苯二甲酸酯和高分子量多环芳烃回收率大多在70%~110%,精密度在20%以下。大多数亚硝胺类和高挥发性酚类回收率较低。方法检出限能够满足饮用水水样检测的需要。

[结论] 本研究XAD-2与活性炭串联萃取效果优于XAD-2单柱萃取,优化的水中七类半挥发性有机物的固相萃取-气质联用法较为灵敏,适合于大体积饮用水样的富集检测。

关键词: 气相色谱-质谱法;  固相萃取;  XAD-2;  活性炭;  半挥发性有机物 

半挥发性有机物主要包括邻苯二甲酸酯(phthalate esters,PAEs)、多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)、多氯联苯(polychlorinated biphenyls,PCBs)、有机氯农药(organochlorine pesticides,OCPs)、有机氮农药(organonitrogen pesticides,ONPs)、亚硝胺类(nitrosamines,NAms)、酚类等物质,这些物质多具有致癌、致畸、致突变作用以及内分泌干扰效应和生殖发育毒性,对人类健康和生态环境具有深远的潜在危害,受到广泛关注。这些有机物在饮用水中多处于ng/L至亚μg/L水平,由于基质组分复杂和在环境中的浓度极低,往往很难被直接检测到[1],需要对样品进行富集浓缩。

固相萃取技术通过将复杂样品中的分析物吸附到吸附剂中进行纯化和浓缩进而检测[2],适用于多种理化性质的化合物,是各种萃取方法中的首选。大孔树脂吸附剂(XAD系列)是目前固相萃取水中有机物时常用的吸附剂,其中XAD-2作为非极性吸附剂,在PCBs、PAHs、PAEs等目标化合物的萃取中均有应用[3-5]。活性炭是一种多孔吸附剂,能够有效吸附水中直接和间接致突变物[6],在水厂净水处理中广泛应用[7]。以往研究多采用单一吸附剂萃取水中有机物,但当目标物种类较多、理化特性差异较大时,单一吸附剂无法全面富集水中有机物。为提高对水中有机污染物的富集能力,可考虑采用XAD-2与活性炭萃取柱串联吸附的方法,使水样依次流经XAD-2和活性炭两个固相萃取柱。虽然这在以往水样有机物的富集中已有少量应用,但对大体积水样半挥发性有机物的萃取效果并不完全清楚。因此,本研究结合美国环保署十大类129种水中优先控制污染物名单和我国68种水中优先控制污染物名单,选择七类129种对健康危害较大的半挥发性有机物作为目标物,对40 L大体积水样经XAD-2单独萃取与XAD-2和活性炭串联吸附的萃取效能进行比较,优化XAD-2与活性炭串联富集饮用水中半挥发性有机物的方法。

1   材料与方法

1.1   主要仪器与试剂

GC-MS QP-2010气相色谱质谱联用仪(岛津,日本),Agilent DB-5 MS毛细管柱(30 m×0.25 mm× 0.25 μm)(Agilent,美国),DC-12H恒温水浴氮吹仪(上海安谱,中国),FA 1104型电子天平(上海天平仪器厂,中国),固相萃取玻璃柱(海门赛瑞科实验器材有限公司,中国)。

甲醇(色谱级)、丙酮(色谱级)、正己烷(色谱级)、二氯甲烷(色谱级)(迪马科技,中国),农残级无水硫酸钠、玻璃棉、含氮农药以外的有机物混标、萘-d8(上海安谱实验科技股份有限公司,中国),含氮农药混标、苊-d10、菲-d10、屈-d12(RESTEK,美国),XAD-2填料、椰壳活性炭(20~40目)(Supelco,美国),超纯水(屈臣氏,中国)。

1.2   GC-MS检测条件

GC-MS检测条件参照WANG等[8]和郑唯韡等[9]研究,并进行优化。

1.2.1   色谱条件

色谱柱,DB-5 MS毛细管柱;进样方式,1 μL;进样时间,1 min;载气,高纯氦气(> 99.999%);离子源,EI源。

NAms色谱条件:进样口温度,230℃;柱箱温度,35℃;升温程序,35℃保持1 min,5℃/min升至50℃,10℃/min升至170℃,保持2 min;总时长,18.0 min。

ONPs、OCPs、酚类色谱条件:进样口温度,230℃;柱箱温度,35℃;升温程序,35℃保持3 min,3℃/min升至250℃,保持2 min;总时长,80.0 min。

PAHs、PCBs、PAEs色谱条件:进样口温度,280℃;柱箱温度,80℃;升温程序,80℃保持3 min,5℃/min升至320℃,保持5 min;总时长,56.0 min。

1.2.2   质谱条件

NAms质谱条件:离子源温度,230℃;接口温度,280℃;溶剂延迟,4 min。

ONPs、OCPs、酚类质谱条件:离子源温度,230℃;接口温度,280℃;溶剂延迟,15 min。

PAHs、PCBs、PAEs质谱条件:离子源温度,230℃;接口温度,300℃;溶剂延迟,5 min。

1.3   标准曲线的配制

以甲醇为溶剂配制七类物质的标准溶液系列,采用内标法定量,内标萘-d8、苊-d10、菲-d10和屈-d12的加入量分别为5.0、2.0、2.0、2.0µg。

1.4   固相萃取

固相萃取方法主要参照陈丽[10]的研究,将浸泡过甲醇的玻璃棉置入玻璃柱底部,分别将5 g XAD-2、2 g活性炭置于2个玻璃柱中。其中XAD-2依次用适量二氯甲烷、正丙醇、甲醇清洗3遍,各约半天时间,浸于甲醇中备用。活性炭依次用适量丙酮:正己烷(1:1,体积比)浸泡半天,并适时用玻璃棒搅拌,最后浸于甲醇中备用。

预实验中对水样过柱流速进行了探索:流速设置为60mL/min时,回收率有明显下降;40mL/min时,回收率有轻微下降,但并不明显;在30、20、15 mL/min流速时,回收率没有明显差异;15 mL/min流速较慢,增加了时间成本和物质降解的可能。因此选用20~30 mL/min流速作为最终流速。

除此之外,本法在前期试验中发现空白溶液可检出较高含量的PAEs,分析原因后发现是在操作过程中引入的,由于PAEs的广泛使用,无论自然界还是实验室,都在大量使用含有PAEs的耗材,从而造成难以获得完全不含有PAEs的空白溶液。本实验将所有前处理装置换成玻璃材质,使用前经超声泡酸后在200℃烘烤24 h,且实验过程中尽量避免与含PAEs的耗材接触(如手套,含有PAEs的滤膜),更换空白用水,从而使空白溶液中PAEs含量大大减少。采用40 L水样进行富集,一方面是由于本研究中大部分目标物在饮用水中浓度极低,处于ng/L水平,需富集足够多的水样,达到足够高的富集倍数,才能够满足GC-MS定性、定量检测的要求;另一方面,大体积水样富集有利于为生物学实验收集足够的样本。

40 L超纯水或加标超纯水水样流经XAD-2萃取柱或经XAD-2、活性炭柱串联萃取,流速均约20~30 mL/min。XAD-2与活性炭柱串联萃取时,水样首先流经XAD-2柱,流出的水样收集于洁净的玻璃容器,紧接着流经活性炭柱。待吸附剂中水分排干后,XAD-2吸附剂中依次用40 mL甲醇-丙酮溶液(体积比为7:3),30 mL丙酮-正己烷溶液(体积比为1:1),40 mL二氯甲烷洗脱;活性炭依次用40 mL丙酮-正己烷溶液(体积比为1:1),20 mL二氯甲烷洗脱。每种试剂浸泡15 min后再洗脱,速度控制在4 mL/min,洗脱液中加入无水硫酸钠静置过夜后转移至蒸发皿中,室温下避光自然挥干。双柱串联萃取时两柱洗脱液需合并。甲醇复溶后氮吹至1 mL。加入内标物萘-d8、菲-d10、苊-d10、屈-d12待检。整个过程保持避光。

1.5   检出限

配制NAms、OCPs、ONPs、酚类、PAHs、PAEs、PCBs七类物质低浓度标准液,连续测定7次,求标准偏差。按公式MDL=K×S×C计算检出限。其中MDL(method detection limit)为方法检出限,K=3(置信区间为90%),S为样品测量读数的标准差,C为加标值(测量读数的平均值)。

1.6   加标回收率

向6份40L超纯水中将分别加入2.0µg PAEs、1.0µg NAms、1.0 µg OCPs、1.0 µg ONPs、1.0 µg酚类、1.0 µg PAHs、1.0 µg PCBs混标,PAEs终质量浓度为50 ng/L,其他物质终质量浓度为25 ng/L。这些有机物相互之间不存在干扰。经固相萃取后进行检测。加标回收率= [(加标样测定值-空白测定值)/加标量]×100%。精密度用相对标准偏差(relative standard deviation,RSD)表示,相对标准偏差=(加标水样浓度的标准差/加标水样浓度的均值)×100%。本研究参照陈丽等[10]的研究根据回收率将萃取效果分为三级:回收率 > 60%为萃取效果良好,40%~60%为中等, < 40%为较差。

1.7   质量控制

开机时GC-MS自动调谐校准。每次开机调谐后先用校准曲线中点浓度进行校准,观察目标物保留时间的变化。设置超纯水空白对照,评估前处理过程是否受到污染。全程尽可能避光,全部采用玻璃器皿或聚四氟乙烯材质,玻璃容器超声并泡酸处理,200℃烘烤24 h。

2   结果

2.1   总离子流色谱图

图 1~3分别为七类物质的总离子流色谱图。由图可见各物质分离良好,峰型对称,溶剂或杂峰干扰少,基线平稳。由于NAms沸点较低,挥发性较高,其色谱图峰形极易出现前沿和拖尾,因此将NAms单独研究检测条件。本研究在预试验中不断探索升温速率和柱流量之间的关系,从而得到更好的峰形,在保证色谱图峰形和分离度良好的情况下尽可能降低升温程序最高温度和离子源温度,以便更好地延长仪器和柱子寿命。在选择定量离子时,首选基峰离子,若存在离子干扰,再选择无干扰的特征离子。

图 1

NAms总离子流色谱图

图 2

OCPs、ONPs和酚类总离子流色谱图

图 3

PAHs、PAEs和PCBs总离子流色谱图

2.2   线性范围与检出限

七类物质的标准溶液线性范围和检出限如表 1所列。内标法定量的结果表明线性良好,相关系数均在0.996 8以上,方法检出限达到ng/L级。

表1

线性范围与检出限

2.3   方法的回收率和精密度

表 2可知,双柱串联后每类物质的回收率平均值比XAD-2单柱萃取有所增加。两种方法对水中绝大多数OCPs、ONPs、PCBs、PAEs和高分子量PAHs的萃取效果较好,回收率多在70%~110%之间,但对大多数NAms和高挥发性酚类的萃取效果较差,回收率为20.14%~31.48%。双柱萃取提高了115种化学物的回收率,在单柱萃取基础上提高了0.53%~29.55%。降低了78种化学物的RSD,在单柱萃取基础上降低了0.03%~29.16%;51种化学物的RSD有所增加。单柱萃取和双柱萃取中,萃取效果良好(回收率 > 60%)的物质分别有84种和89种。

表2

回收率和精密度数据(n=6)

3   讨论

由回收率数据可知,活性炭对XAD-2有一定程度的补充吸附作用。XAD-2单独萃取与XAD-2和活性炭串联萃取两种富集方法对于NAms和绝大多数酚类的回收率均偏低,精密度也较差。但在以往研究中,活性炭在亚硝胺的萃取中效果明显[11],多数是1 L或500 mL小体积水样的萃取,原因可能在于大体积水样比小体积水样萃取过程复杂很多,更易造成NAms损失;而且以往研究中对NAms的回收率研究采用商业椰壳活性炭小柱,而本研究为满足大体积水样对填料量的需求采用自制填充柱,也是造成NAms回收率不佳的原因;也有可能是对于NAms的富集,其他吸附剂与活性炭串联没有单独使用活性炭效果好,或吸附剂的先后顺序有影响,这一点也有研究证实,朱翔等[12]研究发现HLB柱与活性炭串联使用没有单独使用活性炭检测NAms的结果好,而且HLB柱与活性炭串联较活性炭与HLB串联相对强度低。酚类是极性化合物,XAD-2和活性炭对其萃取能力并不乐观,文献中常用XAD-4 [13]等极性较强的大孔树脂作为酚类吸附剂。本研究中考虑到将该前处理方法应用于生物学试验中,因此对洗脱液采取挥干的方式,复溶时可以选用低毒二甲基亚砜来避免甲醇等溶剂的影响,而在此过程中采用的挥干有机溶剂的方式也会造成NAms和酚类的损失。与陈丽等[10]的研究中采用XAD-2、PSDVB、活性炭三种固相萃取剂串联相比,本研究并未采用PSDVB,避免了水样酸化,缩短了前处理时间,所涉及的七类目标物的数量也较之大大增加。

本研究具有一定局限性。本研究采用的固相萃取剂XAD-2和活性炭、GC-MS检测中使用的DB-5色谱柱使得所优化的方法更适合于分析水中非极性或极性较低的半挥发性有机物,对于极性强的物质需选择XAD-8等强极性的吸附剂。挥发性较强的物质在前处理过程中损失较大,对于难挥发性物质应采用液相色谱法进行检测分析。如果关注卤乙酸等消毒副产物的含量,应将水样先酸化后再富集。本研究对回收率较低的物质浓度的估计比较保守。

综上所述,本研究采用同一水样、同一前处理对水样进行萃取浓缩后检测,大大节省了时间和样品。XAD-2与活性炭串联使用比单独运用XAD-2更能充分吸附水中OCPs、ONPs、PAHs、PAEs、PCBs。本研究对40 L水样采用XAD-2与活性炭串联的固相萃取方式,可以广泛应用于实际水样中OCPs、ONPs、PAHs、PAEs、PCBs的浓缩检测,并可利用浓缩提取物进行生物学实验,相比小体积水样的单纯检测,具有更高的实际应用价值。

图 1

NAms总离子流色谱图

Figure 1 [注]1:N-亚硝基二甲胺;2:N-亚硝基甲基乙基胺;3:N-亚硝基二乙胺;4:N-亚硝基吡咯烷;5:N-亚硝基吗啉;6:N-亚硝基二丙胺;7:N-亚硝基哌啶;8:N-亚硝基二丁胺。
图 2

OCPs、ONPs和酚类总离子流色谱图

Figure 2 [注]1:苯酚;2:2-氯苯酚;3:2-甲酚;4:4-甲酚;5:3-甲酚;6:2,4-二甲酚;7:2,4-二氯苯酚;8:4-氯苯酚;9:2,6-二氯苯酚;10:2,4,6-三氯苯酚;11:2,4,5-三氯苯酚;12:菌达灭;13:丁草特;14:氯唑灵;15:灭草猛;16:克草丹;17:丁噻隆;18:4-硝基酚;19:禾草敌;20:毒草胺;21:草灭特;22:氟苯胺灵;23:氟乐灵;24:α-666;25:莠去通;26:β-666;27:西玛津;28:五氯芬;29:扑灭通;30:莠去津;31:δ-666;32:扑灭津;33:菲-d10;34:戊炔草胺;35:γ-666;36:特草定;37:嗪草酮;38:甲草胺;39:七氯;40:西草净;41:莠灭净;42:扑草净;43:特丁净;44:除草定;45:异丙甲草胺;46:艾氏剂;47:氰草津;48:三唑酮;49:大芬灭;50:增效胺;51:环氧七氯B;52:γ-氯丹;53:α-硫丹;54:α-氯丹;55:丁草胺;56:敌草胺;57:三环唑;58:4,4’-滴滴伊;59:狄氏剂;60:异狄氏剂;61:β-硫丹T;62:4,4’-滴滴滴;63:异狄氏醛;64:达草呋;65:硫丹硫酸酯;66:4,4’ -滴滴涕;67:环嗪酮;68:异狄氏酮;69:屈-d12;70:甲氧滴滴涕;71:氟苯嘧啶醇。
图 3

PAHs、PAEs和PCBs总离子流色谱图

Figure 3 [注]1:萘;2:邻苯二甲酸二甲酯;3:苊烯;4:苊-d10;5:苊;6:多氯联苯1;7:邻苯二甲酸二乙酯;8:芴;9:多氯联苯5;10:多氯联苯18;11:蒽;12:菲-d10;13:菲;14:邻苯二甲酸二异丁酯;15:多氯联苯31;16:多氯联苯44;17:邻苯二甲酸二丁酯;18:多氯联苯52;19:邻苯二甲酸二(2-甲氧基)乙酯;20:邻苯二甲酸二-4-甲基-2-戊基酯;21:多氯联苯66;22:荧蒽;23:邻苯二甲酸双(2-乙氧基乙)酯;24:多氯联苯87;25:芘;26:邻苯二甲酸二戊酯;27:多氯联苯101;28:多氯联苯110;29:多氯联苯138;30:多氯联苯151;31:多氯联苯153;32:邻苯二甲酸二己酯;33:邻苯二甲酸丁苄酯;34:多氯联苯141;35:多氯联苯170;36:多氯联苯183;37:邻苯二甲酸二丁氧基乙酯;38:屈-d12;39:苯丙[a]蒽;40:屈;41:多氯联苯180;42:邻苯二甲酸二环己酯;43:邻苯二甲酸二(2-乙基)己酯;44:邻苯二甲酸二苯酯;45:PCB 187;46:邻苯二甲酸二正辛酯;47:苯并[b]荧蒽; 48:苯并[a]芘;49:多氯联苯206;50:苯并[k]荧蒽;51:邻苯二甲酸二壬酯;52:茚并[1,2,3cd]芘;53:二苯并[a, h]蒽;54:苯并苝
表1

线性范围与检出限

Table 1
表2

回收率和精密度数据(n=6)

Table 2

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[基金项目] 国家自然科学基金资助项目(编号:81472934)

[作者简介] 赵亚萌(1990-), 女, 硕士生; 研究方向:饮用水与健康; E-mail: yamengzhao@foxmail.com

[收稿日期] 2018-05-01 00:00:00.0

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