水中异味化合物检测方案(气相色谱仪)

应用简报 Agilent环境Trusted Answers 使用 SPME ARROW-GC/MS/MS平台对水中的异味化合物进行筛查和定量分析 孔晔、曹喆 安捷伦科技(中国)有限公司 本文介绍了一种新型 SPME ARROW 专利技术，并将该技术与安捷伦独有的异味物质数据库相结合，对生活饮用水中的异味物质进行筛查和定量分析。其中利用 AgilentPAL RTC 自自动样品前处理平台，结合 Agilent 7890B/7000D 三重四极杆气质联用系统，实现水样的在线萃取、富集、进样等整个流程的自动化，无需人工干预。可降低有机溶剂的消耗，提高操作人员的安全性，并大幅提升分析稳定性。该方法与常规检测方法相比，检测限下降一个数量级；准确度高，所有化合物的线性相关系数高于0.99；具有优异的重现性，加标浓度为 10 ng/L 的实际水样重复测定10次所得到的所有化合物的RSD 值均小于20%，且90%以上化合物的 RSD 小于10%。本方法的各项性能均满足生活饮用水异味物质的检测要求，并在实际水样检测中不受基质干扰。 水体富营养化导致水体异味 (off-flavor)是一个严重且普遍存在的环境问题。异味将直接对饮用水和水产品的质量造成影响，并最终危害到饮用水和水产品的品质，造成消费者不安全感和渔业经济损失。因此水体中的异味物质研究受到越来越多的关注。水体中最常见的两种异味物质是土臭素(Geosmin)和2-甲基异玻醇(2-Methylisoborneol， 2-MIB)，这两种物质已经得到广泛研究，在生活饮用水卫生标准[1]当中也规定了限值。但随着工业的发展和各种环境问题的爆发，其他水体异味(如土霉味、氯味、草木味、沼气味、芳香味、鱼腥味、药水味及化学品味等)也需要引起关注。了解水体中异味物质的种类、分布和浓度水平是判断异味物质来源、采取针对性控制措施的基础，因此建立准确可靠并且可同时分析多种异味物质的方法十分必要。 针对这一研究课题，安捷伦公司开发出异味物质MRM 数据库，其中包含251种异味物质的基本信息和 MRM 采集信息。利用安捷伦特有的保留时间锁定功能，能够使保留时间得到很好的重现，直接一键操作建立251种异味物质的 MRM 采集方法，通过一针进样即可对样品中的两百多种异味物质进行筛查分析。另外，由于异味物质的嗅觉阈值极低，因此需要高灵敏度检测方法。2016年颁布的国家标准检测方法 《GB/T 32470-2016生活饮用水臭味物质土臭素和2-甲基异茨醇检验方法》[2]规定，采用固相微萃取技术吸附样品中的土臭素和2-甲基异莰醇，经顶空富集后用气质联用仪进行分离和测定。但是该方法使用手动固相萃取，耗时长，无法实现自动化，特别不利于大批量样品的检测。并且固相微萃取纤维头采用石英纤维，极易折断，寿命较短。为克服以上困难，本研究使用 PAL RTC 全自动样品处理平台，采用新型 SPME ARROW 专利技术取代传统的 SPME 纤维头进行全自动的固相微萃取富集和脱附。 SPME ARROW (图1和图2)是一项全新的专利技术，该技术基于对 SPME 纤维头的改进。其采用金属材质，机械性能大大增强；前端采用箭型端头，更容易插入样品瓶垫和进样口隔垫中；采用更长、更厚的涂层，增加了吸附容量，从而大大提高了检测灵敏度。与 PAL RTC 全自动样品处理平台相结合，能够实现样品的全自动检测，具有省时省力、萃取效率高、无溶剂消耗、取样量少、受基质干扰小、易实现全自动检测等优点。 图1.图1.SPME ARROW(上图) 与 SPME纤维头(下图) 试剂和样品 标准品：化合物纯品或溶液均购自上海安谱实验科技股份有限公司， 具体列表详见表1。 氯化钠：为优级纯，购自国药集团化学试剂有限公司，在450°C下烘烤2h备用。 甲醇：色谱纯，购自Merck. 所用实验用水为现配的超纯水。 表1.化合物标准品清单 编号 化合物名称 CAS号 名称 规格 1 正戊醛 110-62-3 戊醛，≥95.0% 5mL 2 4-溴苯酚 106-41-2 4-溴苯酚，≥98.0% 5g 3 丁酸甲酯 623-42-7 丁酸甲酯(C4：0)标准品 1g 4 α-紫罗兰酮 127-41-3 a-紫罗酮，≥90.0% 5g 5 桉叶油醇 470-82-6 1，8-桉树脑，≥98.0% 5mL 6 二氢茉莉酮酸甲酯 24851-98-7 二氢茉莉酮酸甲酯(顺反异构体混和物)，≥95.0% 2mL 7 异松油烯 586-62-9 萜品油烯，≥85.0% 5mL 8 吡嗪 290-37-9 吡嗪，≥98.0% 5g 9 嘧啶 289-95-2 嘧啶自由基，≥98.0% 1g 10 戊酸戊酯 2173-56-0 戊酸戊酯，≥98.0% 5mL 11 对伞花烃 99-87-6 4-异丙基甲苯标准品 1mL 12 苯甲酸苄酯 120-51-4 苯甲酸苄酯标准品 5000 ng/uL， 溶于正己烷中，1mL 13 吡 110-86-1 吡啶标准品 1000mg/L， 溶于二氯甲烷中，1mL 14 β-蒎烯 127-91-3 B-蒎烯 20 mg 15 L-薄荷醇 2216-51-5 L-薄荷醇 20 mg 16 萘 91-20-3 萘标准品 100 mg/L， 溶于甲醇中，1mL 17 芳樟醇 78-70-6 芳樟醇 20 mg 18 香兰素 121-33-5 香兰素 20 mg 19 1-溴丙完 106-94-5 1-溴丙烷， ≥98.0% 5g 20 对叔丁基甲苯 98-51-1 4-叔丁基甲苯，≥95.0% 5mL 21 叔戊基苯 2049-95-8 叔戊基苯，≥97.0% 5mL 22 碳酸二乙酯 105-58-8 碳酸二乙酯，≥98.0% 5g 23 异丙苯 98-82-8 异丙基苯/茴香素标准品 100 ng/uL， 溶于甲醇中，1mL 24 环己酮 108-94-1 环己酮标准品 100 mg/L， 溶于甲醇中，1mL 25 2，6-二甲基 苯酚 576-26-1 2，6-二甲酚标准品，100ng/uL，溶于甲醇中 100 ng/uL， 溶于甲醇中，1mL 仪器和设备 Agilent PAL RTC 自动样品前处理平台，配备孵化炉、SPMEARROW 老化模块、加热磁力搅拌模块。详见表2. Agilent 7890B/7000D 三重四极杆气质联用系统，配备El源。 表 2. PAL RTC 自动样品前处理平台及各模块部件号 安捷伦部件号 部件名称 G7370A PAL RTC 120系统，包括： PAL RTC 120 主机， Park Station， D7/57 液体进样针组件，样品 盘，标准清洗模块 SPME Arrow 套装 G7377A 包括SPME ARROW 进样针组件、进样口组件、加热磁力搅拌模块、 Arrow老化模块、孵化炉、衬管、隔垫、标准溶液、Arrow 萃取 头套装 SPME Arrow， 1.1 mm OD， DVB/CAR/PDMS， 首次使用前需置 5191-5861 于老化装置中在270°C下老化1h G7370A#206 安装套件 SPME ARROW 参数 取5.0mL水样，加入20 mL 螺口顶空瓶中，然后加入1.0g氯化钠。旋紧瓶盖，置于顶空样品盘中待测。 萃取前，将样品置于40°C下孵化 3.0 min， 然后将样品转移到加热磁力搅拌模块中，将 SPME ARROW 伸入样品上方顶空气相中，在40°C下顶空萃空 30.0 min， 最后在进样口脱附 5.0 min。 GC/MS分析条件 ( 色谱柱： Agilent DB-WAX UI气相色谱柱， 30mx ) 0.25 mmx0.25pum， 部件号122-7032UI多模式进样口： 不分流进样，250°C载气类型及流速：He，恒流模式，流速1 mL/min炉温升温程序： 在40°C下下持3.0min，然后以10.0°C/min 的速率升至250°C并保持 10.0 min传输线温度： 280°C质谱离子源温度：250°C检测模式： MRM模式，验证的目标物保留时间及定量离子对详见表3. 萃取条件的优化 固相微萃取技术中吸附效率的影响因素主要包括萃取头涂层(固定相)、萃取时间、萃取温度、样品 pH值和离子强度等。本方案着重考察了萃取时间、萃取温度、样品 pH、进样口插入深度的影响。 萃取头种类 选用何种固定相应当综合考虑分析组分在各相中的分配系数、极性与沸点。根据相似相溶原则，选取与被分析组分最匹配的固定相。常用的固定相有非极性PDMS(聚二甲基硅氧烷)、极性PA(聚丙烯酸酯)、CW(聚乙二醇) /DVB(二乙烯基苯)等。由于水中的异味物质既包括极性化合物，也包括弱极性或非极性化合物，因此一般选用极性和非极性的固定相相结合来满足不同极性化合物的萃取要求，例如 DVB/CAR/PDMS。 ARROW萃取头的长度为2cm， 直径为1.1 mm， 比表面积大，吸附速度快，涂层体积大，灵敏度高。本研究选择1.1 mm DVB/CAR/PDMS 作为萃取涂层，能够得到非常优异的结果。 萃取温度 萃取温度对固相微萃取有双重作用：温度升高时， 可以加快待测物质的分子扩散速度，有利于尽快达到平衡；但是温度增加后，又使平衡分配系数K减小，涂层对待测物质的吸附量减少，导致灵敏度下降。本研究考察了萃取温度对目标物的影响，温度范围为30°C至70°C。结果表明，对于保留时间在21.0 min 之前的化合物，采用40°C能够实现最优的萃取效果。当萃取温度高于40°C后，随着萃取温度的升高，这些化合物的响应值逐渐降低，这是由于温度升高导致平衡分配系数减小(图3)。而对于保留时间在 21.0 min 之后的化合物，随着萃取温度的升高，萃取效率不断升高。对于这些化合物而言，温度升高，分子扩散速度的增加更为明显。考虑到保留时间21.0 min 之前的化合物占大多数，并且温度过高，水汽量会增加，对 ARROW 也存在不利影响，因此选择40°C为本研究的萃取温度。 图3.萃取温度对萃取效率的影响，对不同化合物的影响不同，对沸点较低的化合物，40°C是最佳萃取温度，对沸点较高的化合物，随着温度的升高，萃取效率一直提高。 萃取时间 萃取时间即萃取达到平衡所需的时间，由待分析物的分配系数、物质的扩散速率、样品基质、样品体积、萃取头膜厚等因素决定。本研究考察了萃取时间对萃取效率的影响，时间范围为10 min 至60 min。结果表明，对于保留时间在 20.0 min 之前的化合物，采用30.0 min 能够实现最优的萃取效果。而对于保留时间在20.0 min 之后的化合物，随着萃取时间的延长，萃取效率不断升高。综合考虑化合物数量和实验效率等因素，本研究最终选择 30.0 min 作为萃取时间。 图4.萃取时间对萃取效率的影响，不同化合物的影响不同。对于沸点较低的化合物，萃取时间30 min 达到萃取平衡，而对于沸点较高的化合物，随着萃取时间增加到70 min， 萃取效率一直在提高。 盐析效应和 pH的影响 两者本质上相同，均影响基质的离子强度，从而影响待分析物在基质和涂层之间的分配系数。盐析是向待测样品中加入氯化钠或其他盐，使得溶液中的离子强度增加，从而减小了待测物在基质中的溶解度，使K值增大，从而提高了萃取效率。在本实验中，向待测溶液中加入20%氯化钠，增强离子强度，从而提高萃取效率。 pH 的影响表现在通过调节酸碱度影响溶液中的离子强度，从而改变待测物在基质中的溶解度。对于带羧基和羟基的化合物，酸性条件下萃取可以得到较好的萃取效果。而对于带氨基的化合物而言，在碱性条件下进行萃取能够获得理想的萃取效果。本研究考察了样品 pH 值对萃取效率的影响：在酸性条件下，对酚类、酸类等化合物的萃取具有明显的促进作用(图5)；而碱性条件下，对胺类等碱性化合物的萃取具有明显的促进作用(图6)。但最终实验为了兼顾所有化合物的萃取，实现一次萃取进样完成所有化合物的分析，选择中性萃取条件。 1[p-Ethylaniline] 图6.碱性条件下萃取对部分化合物的促进作用，如上图所示， Dicyclohexylamine 和 p-Ethylanilline 两个化合物在中性溶液中萃取，几乎无响应，而碱性条件下萃取，峰的响应非常明显，萃取效率得到显著提升(上图为碱性条件，下图为中性条件) 进样深度的影响 萃取头在气相进样口插入的深度对脱附的效率有比较大的影响。对于 MMI 进样口而言，衬管的中下部位置温度是比较高的区域，因此， ARROW 在进口口中的插入深度越深，脱附效率越高，脱附速度也越快。如图7所示。 x10 1.6 3位们1 9. 6 0.5 0.443 0 -T -TT T 8.78.88.9 99.19.29.39.49.59.69.79.89.991010.1 10.210.3 10.410.510.610.7 Counts vs. Acquisition Time (min)1) 图7.进样口深度对化合物脱附的影响，进样口插入深度从40mm 到65 mm，化合物的峰型变窄，响应变高，说明脱附的速度和效率均得到提升。 线性范围 配制浓度分别为1.0、5.0、10.0、50.0、100和 500 ng/L 的标准溶液，按照上述优化条件，分别进行萃取：加入氯化钠(20%，m/m)以增强离子强度，提高萃取效率；然后在40°C下萃取30.0 min， 最后在进样口脱附 5.0 min。所得的100 ng/L标准溶液总离子流图如图8所示。绘制校准曲线，所有测试的目标物的线性相关系数均高于0.99，如图9所示。 图8.100 ng/L 标准溶液经过 ARROW 萃取脱附后得到的 TIC图 1.0020.998 0.996w0.994 0.9920.99 0.988 0.986 0.984 瓶暑婴' N旺长鑫'卜 石 鑫川旺川帐61寸旺 寸城寸N卜' 2-Isobutyl-3-methoxypyrazine -7 Levels， 7 Levels Used， 7 Points， 7 Po.. Anethole-7Levels， 7 Levels Used. 7 Points. 7 Points Used. 0 QCs x105ly=784.787823*x+15141.040482 4-JR^2=0.99983597 Type：Linear， Origin：Ignore， Weight：None 3.5 3 2.5 2 1.5 0.5 0 0 100 200 300 400 500 0 100 200 300 400 500 Concentration (ng/ml) Concentration (ng/ml) .图9.代表性化合物的线性相关系数和校准曲线 重现性 空白水样加标水平 10 ng/L， 如图10所示，化合物出峰状况良好，峰型尖锐，基本无干扰。重复萃取测定10次，所测试的目标物中，54种化合物的 RSD 小于 10%；两种酚类物质(2，6-二氯酚和2，4，6-三氯酚)和吡啶的 RSD 值均大于10%，但小于20%(图11)。 图10.加标浓度为 10 ng/L 的实际水样中部分化合物的提取离子流色谱图 30 图11.加标浓度为 10 ng/L 的嗅味物质重复测定10次所得到的 RSD 分布结果 检测限 方法最低检测限(MDL)根据同一浓度的十次测定的精密度来确定。计算结果显示，所测试的目标物中，51种化合物的检测限低于5ng/L，仅4种化合物的方法检测限大于 10 ng/L (详见表3)。 表3.测试目标物的保留时间、名称、定量离子、方法检测限 编号 保留时间(min) 名称 中文名称 定量离子对 MDL (n g/L) 37 16.31 perillaldehyde 紫苏醛 122.0->79.0 0.65 38 16.44 Ethyl salicylate 水杨酸乙酯 120.0->92.0 0.93 39 16.65 Anethole 茴香脑 148.0->105.0 0.91 40 16.69 geosmin 土臭素 112.0->97.0 0.22 41 16.79 2-chlorophenol 2-氯酚 128.0->64.0 0.77 42 16.87 a-lonone 紫罗兰酮 121.0->77.0 0.81 43 16.91 2-Methylnaphthalene 2-甲基萘 142.0->142.0 2.46 44 16.93 Guaiacol 愈创木酚 109.0->81.0 1.41 45 17.42 2，6-dimethylphenol 2，6-二甲基苯酚 107.0->77.0 1.88 46 17.53 p-Ethylaniline 对乙基苯胺 106.0->106.0 10.00 47 19.19 Methyl cinnamate 肉桂酸甲酯 131.0->103.0 1.41 48 19.51 2，6-dichlorophenol 2，6-二氯苯酚 164.0->63.0 3.44 49 20.07 2，4-dichlorophenol 2，4-二氯苯酚 162.0->162.0 1.43 50 21.12 Dihydrojasmonicacid methyl 甲基二氢茉莉酸 153.0->97.0 3.53 51 21.81 2，4，6-trichlorophenol 2，4，6-三氯酚 196.0->97.0 2.87 52 22.41 4-chlorophenol 4-氯酚 128.0->65.0 2.40 53 22.97 4-chloro-m-cresol 4-氯-3-甲酚 142.0->107.0 1.09 54 23.16 ethyl vanillin 乙基香兰素 166.0->137.0 25.70 55 23.53 Vanillin 香兰素 152.0->151.0 76.41 56 23.83 p-Bromophenol 对溴苯酚 172.0->65.0 1.85 57 24.09 Benzyl benzoate 苯甲酸苄酯 212.0->105.0 0.48 结论 本研究基于安捷伦异味物质的 MRM 数据库，利用SPMEARROW-气相色谱-三重四极杆质谱联用平台，能够实现饮用水中 200+种异味物质的筛查，经过对部分代表性嗅味物质的实验验证，结果证明该方法不仅满足《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)中对饮用水和水源水的卫生检测要求，而且具有以下优点： -采用专利SPME ARROW 技术，灵敏度高，定量快速且稳定；无需使用有机溶剂，可减少环境污染，保护操作人员安全； ( 取样量少，受基质干扰小，容易实现在线监测； ) AARROW 寿命长，顶空萃取使用次数可达到500次以上。 ( 1.GB5749-2006.《生活饮用水卫生标准》 ) ( 2. GB/T 32470-2016.《生活饮用水臭味物质土臭素和2-甲基异莰醇检验方法》 ) www.agilent.com/chem/contactus-cn 免费专线： 800-820-3278，400-820-3278(手机用户) 联系我们： LSCA-China_800@agilent.com 在线询价： www.agilent.com/chem/erfq-cn www.agilent.com 安捷伦对本资料可能存在的错误或由于提供、展示或使用本资料所造成的间接损失不承担任何责任。 ( 本文中的信息、说明和技术指标如有变更， 恕 不另行通知。 ) ( ◎安捷伦科技(中国)有限公司，2020 ) ( 2020年11月，中国出版 ) ( 5994-0626ZHCN ) 本文介绍了一种新型 SPME ARROW 专利技术，并将该技术与安捷伦独有的异味物质数据库相结合，对生活饮用水中的异味物质进行筛查和定量分析。其中利用 Agilent PAL RTC 全自动样品前处理平台，结合 Agilent 7890B/7000D 三重四极杆气质联用系统，实现水样的在线萃取、富集、进样等整个流程的自动化，无需人工干预。可降低有机溶剂的消耗，提高操作人员的安全性，并大幅提升分析稳定性。该方法与常规检测方法相比，检测限下降一个数量级；准确度高，所有化合物的线性相关系数高于 0.99 ；具有优异的重现性，加标浓度为 10 ng/L 的实际水样重复测定 10 次所得到的所有化合物的 RSD 值均小于 20%，且 90% 以上化合物的 RSD 小于 10%。本方法的各项性能均满足生活饮用水异味物质的检测要求，并在实际水样检测中不受基质干扰。