饮用水中土嗅素和2-甲基异茨醇检测方案(毛细管柱)

北京豫维科技有限公司联系人：水先生电话：18911849923Vol. 29 No.4Aug. 2013中 国 环 境 监 测Environmental Monitoring in China第29卷第4期2013年8月 北京豫维科技有限公司联系人：水先生电话：18911849923126第29卷 第4期 2013年8月 固相微萃取-气相色谱质谱法测定饮用水中土嗅素和2-甲基异茨醇 沈 斐，李 睿，苏晓燕，朱培育无锡市环境监监中心站，江苏无锡214000 摘 要：采用固相微萃取法富集，气相色谱-质谱联用法定性和定量测定饮用水中致嗅物质土嗅素和2-甲基异茨醇。研究并讨论优化了纤维头的类型、盐的种类和浓度、温度、萃取时间等因素对异味化合物萃取量的影响。土嗅素和2-甲基异茨醇的检出限分别为1.02、2.13 ng/L，相对标准偏差分别为4.96%、7.74%。2种异味化合物在5~1000 ng/L的范围内线性关系良好，相关系数均大于0.985。因此，用该方法能够很好地分析水中痕量的异味化合物。 关键词：固相微萃取；气相相谱-质谱联用；致嗅物质；2-甲基异茨醇；土嗅素 中图分类号：X830.2 文献标志码：A 文章编号：1002-6002(2013) 04-0125-05 Determination CGeosmin and 2-Methylisoborneol in Drinking Water by Solid-Phase Microextraction-GasChromatography-Mass Spectrometry SHEN Fei，LI Rui，SU Xiao-yan，ZHU Pei-yu Wuxi Environmental Monitoring Central Station，Wuxi 214000，China Abstract： Determination of musty odorants， geosmin( GSM) and 2-methylisoborneol(2-MIB)，in drink water was developed bysolid-phase microextraction (SPME) coupled with gas chromatography-mass spectrometry. The operating conditions of SPME，such as fibre type， salt concentration， water temperature and absorption time were studied and discussed. The limits of detectionfor geosmin and 2-MIB in water were 1. 02，2. 13 ng/L， and the relative standard deviations for them were 4.96%， 7.74%，respectively. There were good linear correlation ( the calibration coefficients were all above 0.985) for the two odorouscompounds in the range of 51 000 ng/ L. This method was successfully applied to the analysis trace of the odor compounds indrink water samples. Key words： solid-phase microextraction； gas chromatography-mass spectrometry； odorous compound；2-methylisoborneol；geosmin 随着人类生产、生活规模的扩大，尤其是近年来城市建设、工农业发展及城市人口增加，大量未经处理的污水和废水直接排入天然水体，水中N、P含量增加，加速了水源的富营养化进程，导致水体产生异臭。水中异味不仅反映水的不良外观，降低了水的可饮性，而且表示有机质对水的污染，降低了水质的安全性3。国内外水体中的致嗅物质主要有土嗅素( Geosmin) 和2-甲基异茨醇(2-MIB)等微生物代谢产物类致嗅物质，其嗅阈值浓度(OTC)极低，它们在水体中的浓度达到几个纳克每升“就能产生很强的土霉味，这对嗅味物质的检测有了较高的要求。 目前对于土嗅素和2-甲基异茨醇的检测，大 多采用一定的前处理方法，结合高分离能力与敏感鉴别，定量性能的气相色谱和质谱联用仪器(GC-MS)检测技术5-5应用于嗅味物质的测定。已有文献报道采用液液萃取及固相萃取9前处理方法萃取水中痕量有机物土嗅素和2-甲基异茨醇，采用气相色谱或液相色谱分析萃取液，效果较好。但上述前处理方法存在样品需要量大、耗费有机溶剂、操作复杂、灵敏度低、难以测定痕量(纳克每升级)的异味化合物等缺点。20世纪90年代，在固相萃取的基础上开发了固相微萃取(SPME)技术，利用均匀涂覆在石英纤维上的吸附剂涂层进行萃取，在饮用水嗅味物质检测中得到了广泛应用。SPME 操作简单、快速、稳定性 ( 作者简介：沈斐(1983)，男，江苏无锡人，硕士，工程师. ) 中 国 环 境 监 测 好，无需有机溶剂，样品用量少，重现性好，灵敏度高。只要选择合适的萃取头，控制好相应的实验条件，是一种极为有效的分析方法。Lloyd等10报道了在藻类中检测土嗅素和2-甲基异茨醇的方法，并认为以此可以发展一种快速测定饮用水中痕量土嗅素和2-甲基异茨醇的方法。此外，Lloyd 对 SPME-GC-FID、SPME-GC-ITD、吹扫捕集-GC-FID、吹扫捕集-GC-MSD 几种检测方法进行了对比，发现固相微萃取效果优于吹扫捕集法。Rebecca等"将固相微萃取分析土嗅素和2-甲基异茨醇的各种实验条件进行了对比，确定了最佳萃取条件。国内学者对固相微萃取也进行了相关研究，如张德明等12-14研究了 SPME 对水中土味和霉味物质的吸附效果，分析了萃取时间、温度、解吸温度、解吸时间以及搅拌速率等各项条件对萃取效果的影响。该研究应用顶空固相微萃取法富集异味化合物，优化了纤维头的类型、盐的浓度、萃取的温度和时间等条件，结合 GC-MS 对水中痕量的异味化合物进行了测定，获得了满意结果，为研究蓝藻水华导致的水体异味问题提供了有效的分析方法。 1 实验部分 1.1 主要仪器与试剂 6890-5973型气相色谱-质谱联用仪，载气为高纯氦气(纯度大于99.999%)，带色谱化学工作站，美国； HP-5MS5% 苯甲基聚硅氧烷弹性石英毛细管柱(30 m×0.32 mm i.d×0.25 pm)；固相微萃取专用衬管 0.75 mm ID，美国；磁力加热搅拌仪，美国；固相微萃取小柱：二乙烯苯/碳分子筛/聚二甲基硅氧烷(DVB/CAR/PDMS)50/30pm。2-甲基异茨醇(100 mg/L甲醇溶液)和土腥素(100 mg/L甲醇溶液)。NaCl、KCl、Na，So为国产分析纯试剂，经400℃烤4h后使用。标准储备液的配制：准确称取该化合物适量，溶解于色谱纯甲醇(美国)中，制得质量浓度为1.0 mg/L 的储备液，于冰箱中保存。 1.2 GC-MS条件 色谱柱温度，36℃恒温2 min，以 10℃ /min速率升温至220℃，恒温1 min；进样口温度250℃，解吸时间5 min； 进样方式，不分流进样；EI离子源温度230℃；传输线温度230℃；载气为氦气，纯度不低于99.999%；流速1.0 mL/min； 扫描方式，定性 SCAN( 40~200)，定量 SIM。采用外标法定量，定量和定性离子见表1. 表1 2-甲基异茨醇和土嗅素定量、定性离子 化合物名称 特征离子 备选特征离子 (m/z) (m/z) 2-甲基异茨醇 95 108，135 土嗅素 112 97，125，149 1.3 水样的固相微萃取方法 取水样25 mL于40mL萃取瓶中，加入分析纯 NaCl 后拧紧衬有聚四氟乙烯薄膜的瓶盖，放置于加热磁力搅拌器上，对磁力搅拌器进行升温，达到一定温度时将 SPME 萃取柱插入瓶中进行顶空吸附，吸附一定时间后，将 SPME 萃取柱在气相色谱进样口(250℃)处解吸。 2 结果与讨论 2.1 水样的采集和储存 尽可能及时分析所采集的水样，否则置于4℃冰箱内储存。余氯是饮用水卫生标准中的一项重要指标，在固相微萃取过程中，余氯抢占了萃取头上很大一部分吸附点位以及水样中部分土嗅素和2-甲基异茨醇被余氯所氧化而浓度有所减少，影响 SPME-GC、MS 的测定，为去除余氯的影响，可加入适量硫代硫酸钠。 2.2 纤维类型的选择 由于土嗅素和2-甲基异茨醇为饱和环叔醇类物质，都是半挥发性有机物，属于弱极性分子，在水中的溶解度不高，是微极性脂溶性化合物，见表2。选取 PDMS(100 um)、CAR/PDMS ( 75pm) 和 DVB/CAR/PDMS (50/30 p.m)3种不同类型的纤维头，在相同条件下进行对比实验。从图1可以看出，DVB/CAR/PDMS (50/30 pm)纤维头对这2种异味化合物的萃取效果最好，故在后面的分析中，均使用该纤维头进行顶空固相微萃取。 表2 土嗅素和2-甲基异茨醇物理化学性质 化合物名称 分子式 相对分子质量/25℃溶解度/沸点/ (gmol-) (mgL-) 土嗅素 C12H220 182 150.2 165 2-甲基异茨醇 C CH200 168 194.5 197 2.3 盐的种类和浓度的选择 溶解的盐离子对溶解于水溶液中物质的活度有影响，即“盐析效应”。利用此效应可以提高水 沈 斐等：固相微萃取气相色谱-质谱法测定饮用水中土嗅素和2-甲基异茨醇 溶液样品液面上被测挥发性痕量组分浓度。分别加入NaCl、KCl 和 Na，SO 溶液进行顶空固相微萃取30 min时，实验显示这3种盐对3种异味化合物的萃取量无明显差异，实验选用NaCl。在100mL 溶剂中 NaCl 加入量分别为0、10、20、30、40g条件下，考察了顶空固相微萃取时对 20 ng/L 土嗅素和2-甲基异茨醇的吸附能力。从图2可见，随着 NaCl 加入量的增大，异味化合物在纤维头中的吸附量明显增加，当NaCl 加入量在30 g以上时，对这2种异味化合物的萃取效果最好。 ■土嗅素 2-甲基异茨醇 图1 不同类型纤维对异味化合物萃取量的影响 -◆一土嗅素-△-2-甲基异茨醇 图2 NaCl 加入量对萃取效果的影响 2.4 萃取温度的选择 萃取温度是影响测定结果的重要因素之一。提高萃取温度可以增加异味化合物从溶液中解离的能量，从而加速传质过程，将致嗅有机物有效地挥发。但是温度升高的同时也会降低纤维头对异味化合物的吸附力，吸附在萃取头上的有机物在高温下会发生脱附作用，导致富集量减少。实验考察了40、50、60、70、80℃对100 ng/L 2-甲基异茨醇和200 ng/L 土嗅素的萃取效果(见图3)。 在40~60℃时，随着温度的升高，异味化合物的萃取量均有不同程度的增大；在60~70℃时，2种异味化合物的萃取量均达到最大。故选择60~70℃作为最佳萃取温度。 -◆◆一土嗅素-△公2-甲基异茨醇 图3 萃取温度对萃取效果的影响 2.5 萃取时间的选择 萃取时间影响如图4所示。萃取过程在刚开始时吸附量迅速增加，在20~30 min 时出现转折点，30 min 以后吸附量不再增加并趋于稳定。故选择30 min 为最佳萃取时间。 —◆一土嗅素△一2-甲基异茨醇 图4 萃取时间对萃取效果的影响 2.6 样品体积 由于顶空取样涉及顶空气体(气相)、待测样品基体(液相)及萃取涂层(固相)三相平衡，所以在固定体积的容器中固相微萃取的效率受到样品体积的影响。常见的静态顶空萃取在加大样品量情况下可以提高分析灵敏度，增加样品的提取效率。在40 mL 固定容器中，分别吸取体积为10、20、25、30、35 mL 的样品进行萃取实验，结果见图5。从图5可见，液相体积为25~35mL时萃取效率最高，其中2-甲基异茨醇在25mL时萃取效率 最高，土嗅素样品量越大，萃取效率越好，响应值越高。 图5 样品体积在40 mL 固定容器中对固相微萃取的影响 2.7 其他条件的影响 固相微萃取萃取土嗅素和2-甲基异茨醇，除了与加盐量、萃取温度、萃取时间和样品体积相关外，还与搅拌速度和样品 pH 存在一定的关系。搅拌速度为1000 r/min 左右时，萃取更加稳定，萃取效果也更好，转速过大往往会导致搅拌子的失控，导致精密度降低。水样pH过低时萃取效率会大大降低，pH为4~8时最佳，一般地表饮用水均在该范围内，无需调节 pH. 解吸残留。选取质量浓度为1000 ng/L 的土嗅素，2-甲基异茨醇萃取30 min，在250℃下进样解吸5 min 后，再将萃取纤维进行第2次解吸，第2次解吸时未见色谱峰出现。因此，解吸时间5min 时可以使固相微萃取柱上的土嗅素和2-甲基异茨醇完全解吸。 2.8 色谱分离效果 在第1.2节实验条件下，加标水溶液通过固相微萃取后的气相色谱-质谱分析结果见图6.图6表明，2种致嗅物质分离良好，2-甲基异茨醇和土嗅素的出峰时间分别为11.835、15.068 min。在相同浓度下，土嗅素在质谱上的响应应比2-甲基异茨醇高。2种致嗅物质的标准质谱峰见图7。 2.9 方法的线性范围、检出限 分别取不同体积致嗅物质混合标准溶液，注 图6 2种致嗅物质的 GC-MS分离效果 (a)2-甲基异茨醇 图72种致嗅物质的标准质谱峰 入装有 40 mL空白水样的吹扫瓶中，在上述条件下分析，以峰面积为纵坐标，质量浓度为横坐标绘制标准曲线。2种异味化合物检出限(S/N=3)、线性范围测定结果见表3。 表3 检出限、线性范围和检出限 化合物 线性范围/(ng*L-) 回归方程 相关系数 检出限/(ng*L-) 2-甲基异茨醇 5~500 y=6 100x-528000 0 0.987 2.13 100~1000 y=17940x-175 2720 0.985 土嗅素 5~500 y=19 900x165000 0 0.991 1.02 100~1000 y=64 998x-627 0750 0.991 沈 斐等：固相微萃取气相色谱-质谱法测定饮用水中土嗅素和2-甲基异茨醇 由表3可以看出，2种嗅味物质的标准曲线都具有良好的线性相关性，其相关系数均达到了0. 985 以上。 2.10 加标回收率及精密度 分别取2个质量水平的2种致嗅物质混合标准溶液，注入装有40 mL 空白水样的吹扫瓶中，在上述条件下重复分析7次，加标量为100 ng/L，加标回收率结果见表4. 表4 加标回收率和精密度(n=7) 化合物 加标量/ 平均回 标准偏差/ RSD/% (ng"L-') 收率/% (ngL-) 2-甲基异茨醇 100 108 8.39 7.74 土嗅素 100 106 5.28 4.96 2. 11 实际水样测定 将40mL 吹扫瓶用蒸馏水清洗多次，于120℃烘干后密封备用。现场采样时，将水过滤后直接注入瓶中，不留气泡。将该方法用于无锡水源水致嗅污染物质环境分布调研，闾江口、梅园水厂、马山水厂、灵湖码头等点位样品的测定结果表明，这2种致嗅物质均未检出。 3 结语 采用 SPME-GC-MS 法测定饮用水中土嗅素和2-甲基异茨醇，样品前处理无需使用有机溶剂，避免了对环境造成二次污染，并具有取样量少、富集效率高、受基体干扰少等优点。质谱检测器在 SCAN模式下可精确鉴别水中致嗅物质的种类，SIM模式下灵敏度高，能够检测到纳克每升的级别。 ( 参考文献： ) ( [1]李勇，张晓健，陈超.我国饮用水中嗅味问题及其研 究进展叨.环境科学，2009，30(2)：583-588. ) ( [2 ] 于建伟，李宗来，曹楠，等.无锡市饮用水嗅味突发事件致嗅原因及潜在问题分析[.环境科学学报， 2007，27 ( 11 ) ： 1 7711777. ) ( [3]张晓健，张悦，王欢，等.无锡自来水事件的城市供水应急除臭处理技术[.给水排水，2007，33(9)： 7-12. ) ( [4] Yong G W F， Horth H， Crane R. 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