环境水中有机污染物检测方案

ApplicationNote：466 激素Part of Thermo Fisher Scientific APCI-LC-MS/MS进行水资源中医药品、个人护理品和农药的检测 Liza Viglino1， Khadija Aboulfald1，Mich ele Prevost2，and Sebastien Sauve11Department of Chemistry， Universite de Montreal， Montreal， QC， Canada； 2Departement ofCivil，Geological， and Mining Engineering， cole Polytechnique de Montreal， Montreal， QC， Canada 医药产品(PhACs)、个人护理品(PCPs)、内分泌干扰素(EDCs)如杀虫剂等对环境存在潜在的危害，因此，饮用水和地表水中有关该类物质的含量检测越来越受到全球的关注。而此类物质通过人体和动物的排泄，以及其他不合适的排放途径，使其在地表水中广泛存在，并进一步污染饮用水，对人类的健康造成潜在的威胁。于是，人们对水处理仪器设备提出了更高的要求。 对加拿大和其他一些地方进行调查发现：前面所提到的这些有机废水污染物(OWCs)当前主要分布在污水处理厂(STP)附近。更具体一点，在安大略湖、魁北克这些污水处理厂的排放口附近，也可以检测该类物质。然而，此类物质是通过在地表水中广泛分布而污染饮用水还是仅仅分布在污水处理厂排污口附近几米范围以内，目前还没有研究的很清楚。 蒙特利尔大学化学学院和土木、地质、矿业工程学院共同承担了一项研究项目，主要目标是：从蒙特利尔地区饮用水中中出医药品(PhACs)，个人护理品(PCPs)，内分泌干扰素(EDCs)并对之定量，从而确定地表水是否是饮用水污染的主要源头。该研究对进一步决定采用哪种水处理方法(如臭氧化技术和吸附工艺)是非常关键的。 该研究数据的建立非常困难，原因有如下几点： (1)由于富集化合物具有化学多样性，且数量之庞大。 (2)分析样品中待测物的含量较低，需要进行痕量分析。 (3)复杂的样品浓缩技术。针对以上问题，研究工作者通常使用固相萃取的方法(SPE)进行样品浓缩，同时可以去除本底。 样品通过SPE提取之后，可以使用几种不同的分析方法进行检测，如GC-MS/MS， 又或是最近报道的LC-MS/MS。但是，分析过程中仍然存在一个问题，那就是有机化合物具有不同理化特性且具有较广的极性范围，要使用一种方法同时对各种化合物进行样品浓缩、色谱分离并定量是非常困难的。但对环境监测过程来说，能够一次从样品中对多种理化或是其他性质不同的污染物进行检测分析是非常必要的。然而，截至目 前，研究工作者经常是将多种分析方法组合在一起进行多种痕量物质的分析。但这样会大大增加分析的成本，包括仪器设备、人力和时间的投入。 研究目标： 开发一种简单方法，使用固相萃取(SPE) 和LC-MS/MS可以实现样本中多种医药产品、农药、个人护理品的痕量分析。 进一步确定蒙特利尔地区水资源中的污染成份，并了解水资源中各种污染物的含量。 材料及方法： 分析物的选择 加拿大有机废水(OWCs)中普遍存在的一系列物质(物质名称见在图1) 样品采集 在相同时间从Mille lles， des Prairies， and St-Laurent rivers 分别取水样，收集的水样是未净化水，是在水样处理之前收集的。所取得水样存放在四升玻璃瓶中，置实验室储存备用。从采样地到实验室的运输过程及后续实验室存放都是在零度状态下进行。所取的这些水样分布比较广泛，既有污染废水，又有下水道的排水。 所有采取的水样为了长期保存，需先经硫酸酸化，然后4℃黑暗储存。样品分析前，分别经0.7 pm玻璃纤维和0.45 pm纤维素膜过滤 (Millipore， MA， USA)。样品在采集24小时内进行预处理。 样品的浓缩提取方法 固相萃取(SPE) 操作流程请见图2。其中，样品首先通过200 mg C18固相萃取小柱，待测物被吸附在介质上，3mL甲基叔丁基醚甲醇溶液(甲基叔丁基醚：甲醇=90：10) 和3mL甲醇进行洗脱，洗脱液收集于锥形离心管中，氮气(N2)吹干，以200 pL 90%水溶液(含0.1%乙酸、5%甲醇并添加内标)复溶。 雌激素酮 CH MW：270.4 CH， H 雌激素 HO 雌激素三醇 CFC.HOH OH MW：288.4 H 雌激素 HO 雌二醇 OH MW：272.4 雌激素 孕酮 MW：314.15 HO 孕激素 17-α炔雌醇 MW：296.4 合成雌激素 农药 CH， 阿特拉津(ATRA) HN. MW：215.68，pKa=1.7， HN- 除草剂 HC- CH 图1加拿大有机废水中普遍存在污染物的相关信息 LC-MS/MS方法 HPLC采用Thermo Scientific Surveyor HPLC系统，分离条件见表1。待测物的检测和定量由Thermo Scientific TSQ QuantumUltra三级四极杆质谱仪完成，采用选择反应监测 (SRM)模式(详细参数请见表2)。在早期相关研究实验中，人们是用两种API离子源(大气压电离)进行所有化合物的检测，即ESI(电喷雾离子化)和APCI(大气压化学离子化)。 对于大部分化合物，ESI离子源表现出了稍高的灵敏度(如阿特拉津)，而APCI离子源则对类固醇有较高的灵敏度。在所有待测物中，内分泌干扰素(EDCs)具有很低的检测极限(1ng/L)，因此该物质的检测方法要求更加严格。众所周知，这些物质低浓度下都会对生物体产生影响。如果我们开发的这种方法最主要的目的是检测范围尽可能广，那么推荐选择APCI离子源，以牺牲一些极易检测化合物的检测灵敏度来换取一些ESI离子源检测不到的化合物的检测灵敏度。同时， APCI离子源相比ESI离子源在许多情况下更不容易受到基质的干扰。。一些研究结果也已经证实了ESI-LC-MS/MS在水样品中各种有机污染物检测分析中受到了信号抑制。 待测物通过保留时间12，13定性，仪器控制、数据获得由Thermo Scientific Xcalibur 软件实现。 图2固相萃取(SPE)方法流程 表1 HPLC和MS相关分离条件 HPLC MS 色谱柱： Thermo Scientific Hypersil GOLD 50x2.1mm，3um 离子化模式： APCI+ APCI- 色谱柱温度： 30℃ 电流： 3pA 4pA 流动相A： 水(0.1%甲酸) 气化室温度： 500℃ 500C 流动相B： 甲醇 毛细管温度： 250℃ 250℃ 进样体积： 20 pL 外壳气压： 40 arb 30 arb 流速： 500 uL/min 辅助气压： 20 arb 15 arb 梯度： T=0，A=90%， B=10% 碰撞气压： 1.5mTorr 1.5mTorr T=1. A=90%.B=10% CID源： -10V 15V T=15.A=1%.B=99% T=16.5，A=1%， B=99% T=17，A=90%，B=10% T=22. A=90%，B=10% 待测物 母离子 (m/z) 子离子(m/z) 碰撞能量(V) 管透镜电压(V) 三甲氧苄二氨嘧啶 291.16 230.16 22 90 咖啡因 195.10 138.10 18 77 雌激素三醇 271.24 157.10 18 80 立痛定 237.11 194.10 20 80 阿特拉津 216.11 174.10 34 97 萘普生 231.11 185.10 13 101 17-α炔雌醇 279.16 133.10 31 86 雌二醇 255.16 159.10 17 79 雌激素酮 271.24 157.10 18 80 孕酮 315.26 109.10 38 118 三氯二苯脲 316.99 127.04 32 99 二甲苯氧庚酸 251.09 129.10 20 118 水杨酸 137.04 93.10 31 72 降固醇酸 213.17 127.10 32 102 图3 Milli-Q⑧ 水和地表水(Mille lles River)C18色谱柱提取方法的平均回收率(添加基质为50ng/L， n=6)) 结果讨论： 对于所有的待测物，相对偏差(%RSD)范围为3%~11%，结果是非常不错的。基质添加回收率实验结果表明，本实验回收率为72%~94%，回收率较好。从以上结果可知，该分析方法符合检测要求(详情请见表3)。 在开发LC-MS/MS方法条件时，考察基质效应是非常重要的，它会影响到方法的重现性和准确度。通过比较Milli-Q⑧水和地表水(Mille lles River) 添加基质50ng/L(n=6)时的回收率进行该方面影响的评价。地表水对于阿特拉津和三氯二苯脲(TCC)信号存在增强效应，分别为6%和2%，其余待测物的信号抑制变化范围为1%~13%，显示其基质效应较低(详情请见图3)。 地表水样本分析中，添加基质的浓度范围从LOD(检测限)以下到100 ng/L都有良好的线性关系，其 相关系数都大于0.99。地表水的方法检测限可达到0.03~2ng/L(详情请见表3)。 对所采取的各种地表水中一些相关待测物进行了分析研究，图4给出了Mille lles River 所取水样中各种待测物代表性的LC-MS/MS色谱图(SRM模式)。图5是不同水样中待测物的分析结果。从图5 a、b两图可以看出，不同地区所取水样中待测物的含量是不同的。其中，咖啡因、阿特拉津、水杨酸、二甲苯氧庚酸测得的最高含量分别为16-24 ng/L、1.5-39ng/L、10-33 ng/L、4-14 ng/L。立痛定测得的最低浓度为3-5 ng/L， 其余降固醇酸、两种激素(孕酮和雌二醇)、三甲氧苄二氨嘧啶、三氯二苯脲和其他一些待测激素都在痕量水平。总之，加拿大和欧洲其他地区水样中大多数待测物 的含量和以上结果具有相似性。 表3自来水中各种待测物的保留时间、检测限、相对偏差(RSD)和回收率 待测物 保留时间 (min) LOD* (ng/L) R2** 回收率***(%) RSD(%) 三甲氧苄二氨嘧啶 5.46 0.50 0.9998 91 7 咖啡因 5.79 0.07 0.9995 87 9 雌激素三醇 10.14 0.30 0.9981 84 9 立痛定 10.76 0.09 0.9999 86 5 阿特拉津 11.41 0.03 0.9995 86 3 萘普生 12.62 2.00 0.9996 85 9 17-a此雌醇 12.85 0.50 0.9931 73 10 雌二醇 12.88 0.10 0.9979 72 6 雌激素酮 12.94 0.60 0.9989 79 9 孕酮 14.44 0.08 0.9994 94 4 TCC 15.10 0.20 0.9970 81 10 二甲苯氧庚酸 15.17 2.00 0.9991 84 6 水杨酸 8.82 0.90 0.9993 77 6 降固醇酸 12.00 0.60 0.9989 83 11 注：*LOD(检测限) Mille lles River地表水样的检测限 R2**为河水样品中待测物浓度范围0-100 ng/L标准曲线的相关系数 回收率***代表地表水中添加基质浓度为50 ng/L， n=6时该方法总回收率 图4 Mille lles River 所取水样中各种待测物代表性的LC-MS/MS色谱图 (SRM模式，*表示干扰峰) 结论： 本研究成功开发了一种APCI-LC-MS/MS方法，可以同时对地表水中几种不同类别的一系列物质进行定量，如医药品、农药、个人护理品。检测浓度可以在单位为ng/L较低的数值，而且该检测方法具有良好的精密度和准确度。结果发现，在蒙特利尔地区所有水资源中都有医药品、个人护理品和内分泌干扰素的存在。而且，待测物的含量会因所取水样的来源不同而变化，如污染废水和下水道排出物中所检测到的结果是不同的。 ( 1. 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