頂空萃取-氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用檢測飲用水源5種典型嗅味物質(zhì)

唐敏康， 賀玲， 黎雷， 王先云， 盧寧， 趙來財(cái)

（1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海200092；3.上海城市水資源開發(fā)利用國家工程研究中心，上海200082）

頂空萃取-氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用檢測飲用水源5種典型嗅味物質(zhì)

唐敏康1， 賀玲1， 黎雷2， 王先云3， 盧寧3， 趙來財(cái)1

（1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海200092；3.上海城市水資源開發(fā)利用國家工程研究中心，上海200082）

利用自動(dòng)化的頂空固相微萃取裝置，結(jié)合氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀，建立水體中5種典型嗅味物質(zhì)的同步檢測方法.萃取樣品體積為10 mL，萃取條件為65℃，時(shí)間為30 min，萃取預(yù)加熱時(shí)間為5 min，解吸時(shí)間為2 min.對(duì)于5種典型痕量嗅味物質(zhì)，具有較好的靈敏度，檢測限均低于1.5 ng/L，且濃度為0～1000 ng/L時(shí)，線性關(guān)系較高，回歸系數(shù)均較好（R2＞0.98）.而自動(dòng)固相微萃取模式大幅降低傳統(tǒng)萃取方法的復(fù)雜性.將本方法應(yīng)用于產(chǎn)嗅藻類檢測，結(jié)果表明：當(dāng)藻密度達(dá)到3億/L時(shí)，典型嗅味物質(zhì)2-MIB濃度高達(dá)136.78 μg/L，同時(shí)β-Ionone濃度為1 347.88 ng/L，表明該檢測方法能夠穩(wěn)定檢測復(fù)雜樣品中嗅味物質(zhì)含量.

嗅味物質(zhì)；頂空萃??；氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用；飲用水源；藻類

嗅味物質(zhì)一直以來都是飲用水研究的熱點(diǎn)，在我國嗅味物質(zhì)影響水質(zhì)的問題也十分突出，然而其低嗅閾值，低濃度的特點(diǎn)使得檢測方法的建立成為該類研究的難點(diǎn)與限制性因素[1-3].本研究選擇典型的5種嗅味物質(zhì)：2-甲基異莰醇（2-MIB），β-環(huán)檸檬醛（β-Cyclocitral），土嗅素（GSM），二甲基三硫醚（DMTS）以及β-紫羅蘭酮（β-Ionone）作為研究對(duì)象，利用自動(dòng)化的頂空萃取-氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用方法，建立檢測痕量嗅味物質(zhì)的檢測方法.該5種典型嗅味物質(zhì)中，2-MIB與GSM表現(xiàn)為土霉味，為某些特殊致嗅藍(lán)藻，放線菌等微生物的代謝產(chǎn)物[4]；β-Cyclocitral跟隨濃度變化（0.5～80 μg/L）表現(xiàn)為青草味，木頭味，煙草味等，被普遍認(rèn)為是藍(lán)藻中的銅綠微囊藻所代謝產(chǎn)生[5-6]；DMTS為腐敗味、爛菜味，是由于水體中藻類等腐敗分解后產(chǎn)生，同時(shí)也有研究稱某些渦鞭藻類的多甲藻屬也能夠產(chǎn)生[7]；β-Ionone為紫羅蘭味道，源自藍(lán)藻細(xì)胞中經(jīng)氧化的β-胡蘿卜素[8].

固相微萃?。⊿PME）是頂空萃取方式的一種，作為富集檢測低濃度嗅味物質(zhì)的處理方法，其效果明顯，得到較廣泛應(yīng)用.毛敏敏等[9]利用大體積濃縮固相微萃取方法對(duì)嗅味物質(zhì)進(jìn)行富集檢測，各類物質(zhì)在0～200 ng/L范圍內(nèi)線性關(guān)系良好.張錫輝等[10]利用新型頂空-固相微萃取裝置作為樣品預(yù)處理方法，對(duì)嗅味物質(zhì)進(jìn)行測定，各類物質(zhì)檢出濃度與峰面積相關(guān)性大于0.87.然而上述固相微萃取方法操作復(fù)雜，對(duì)萃取裝置有嚴(yán)格要求.同時(shí)萃取過程中，萃取時(shí)間，萃取針頭深入位置，攪拌強(qiáng)度等參數(shù)難以得到精確的控制，不同操作人員在操作該類萃取裝置時(shí)差異較大.此外，萃取時(shí)間較長且后續(xù)進(jìn)樣過程較為繁瑣，樣品數(shù)量較多時(shí)不宜采用.

針對(duì)當(dāng)前嗅味物質(zhì)檢測問題，本研究利用自動(dòng)化的頂空萃取進(jìn)樣器，對(duì)5種水體中典型嗅味物質(zhì)進(jìn)行檢測，并利用產(chǎn)嗅藻類的藻液樣品進(jìn)行方法驗(yàn)證，建立出一套簡單且易于操作，同時(shí)條件控制精確，重現(xiàn)性高的頂空萃取-氣質(zhì)聯(lián)用檢測方法，增強(qiáng)了定量分析嗅味物質(zhì)的能力，同時(shí)也為嗅味物質(zhì)檢測與研究過程中遇到的大量樣品測定提供了可行方法.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器與材料

試驗(yàn)所用檢測儀器為氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀，型號(hào)TSQ Quantum XLS（熱電，美國），色譜柱為HP5-MS，自動(dòng)化頂空萃取進(jìn)樣器型號(hào)TriPlus（熱電，美國）.自動(dòng)頂空萃取纖維型號(hào)50/30 μm，DVB/CAR/ PDMS（Supelco，美國）.玻璃纖維膜孔徑0.7 μm（Whatman，英國）.

目標(biāo)物標(biāo)準(zhǔn)樣品（目標(biāo)物性質(zhì)見表1）與內(nèi)標(biāo)物2-異丁基-3-甲氧基吡嗪（2-Isobutyl-3-methoxypyrazine，IB）均為色譜純（Sigma，美國），使用前用Milli-Q超純水稀釋至所需濃度.甲醇為色譜純，純度不低于90%（Sigma，美國）.NaCl、NaOH和HCl（用于調(diào)節(jié)pH）為分析純（國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，中國）.

表1 5種嗅味物質(zhì)物化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical propertiesof 5 T&O compounds

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 氣相色譜-質(zhì)譜條件

氣相色譜（GC）條件：使用高純氦氣（99.999%）作為載氣，柱中流速為1.00 mL/min.分流進(jìn)樣，分流時(shí)間1 min，分流速度為30 mL/min.柱溫初始為60℃，保持3 min，以6℃/min升溫至150℃，再以15℃/min升溫至250℃，進(jìn)樣口溫度為250℃.

質(zhì)譜（MS）條件：電子轟擊源（EI），離子源溫度200℃，接口溫度為250℃，離子掃描范圍為40～220m/z，掃描時(shí)間為5.0～20.27 min，選用SIM模式時(shí)各物質(zhì)特征離子及出峰時(shí)間見表2.

表2 5種物質(zhì)和內(nèi)標(biāo)物質(zhì)保留時(shí)間與特征離子Table 2 Characteristic mass ions and retention time for 5 T&O compounds and internal standard content

1.2.2 自動(dòng)化頂空萃取預(yù)處理方法條件

采用自動(dòng)化頂空萃取方式富集水中痕量嗅味物質(zhì)，根據(jù)以往研究選取萃取材料為DVB/CAR/PDMS，萃取時(shí)間選取30 min，萃取溫度為65℃，樣品體積為10 mL，加入3 g NaCl，促進(jìn)目標(biāo)物揮發(fā)[12]，萃取后轉(zhuǎn)入GC進(jìn)樣口解吸2 min.

1.2.3 藻類樣品測試

取處于對(duì)數(shù)生長期的假魚腥藻（中國科學(xué)院武漢水生所藻種庫購買）藻液（藻類密度3.0×105萬個(gè)/L），吸取1 mL，加入內(nèi)標(biāo)物質(zhì)IB（20 ng/L），稀釋至10 mL，放入自動(dòng)萃取裝置進(jìn)行萃取測定.

2 結(jié)果與討論

2.1 SCAN模式與SIM模式下測定結(jié)果

由于SCAN模式條件，質(zhì)譜儀檢測樣品的特異性較低，因而選擇較高濃度樣品（5 μg/L），以保證各物質(zhì)均能夠正常檢出.通過萃取得到結(jié)果如圖1表示：由圖1可以發(fā)現(xiàn)，儀器基線平整，而各物質(zhì)峰幾乎無拖尾現(xiàn)象，分離效果較好.同時(shí)，利用檢索庫可以檢測到目標(biāo)物即5種嗅味物質(zhì)均有檢出，其中GSM峰值最高最為明顯，2-MIB以及IB等物質(zhì)其次，DMTS最差，且有稍許拖尾狀況出現(xiàn)，這與物質(zhì)結(jié)構(gòu)，以及色譜柱材料流失有關(guān)，通過檢索庫搜索發(fā)現(xiàn)，在緊鄰DMTS物質(zhì)峰的旁邊（保留時(shí)間RT＝7.90 min）有一色譜柱材料流失峰，但5種物質(zhì)均能檢出且峰形明顯.

隨后根據(jù)各自保留時(shí)間（見表2）以及特征離子，設(shè)定SIM模式掃描.由于SIM模式用于特征掃描，因?yàn)榻档团渲茦悠窛舛戎? 000 ng/L.檢測得到色譜圖見圖2.可以發(fā)現(xiàn)利用SIM模式后，基本沒有雜峰出現(xiàn)，目標(biāo)物質(zhì)雖然濃度下降，但是其峰形狀依然保持良好，峰面積較高，說明萃取方法較為合適，儀器檢測效果較好.

2.2 目標(biāo)物標(biāo)準(zhǔn)曲線建立

SIM模式下優(yōu)化萃取條件、各段檢測時(shí)間以及特征離子后，用母液配置0，5 ng/L，20 ng/L，80 ng/L，500 ng/L和1 000 ng/L的5種組分與20 ng/L內(nèi)標(biāo)物IB的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立.5種物質(zhì)在0～1 000 ng/L范圍內(nèi)線性均保持良好，回歸系數(shù)R2＞0.98（見圖3）.

圖1 SCAN模式標(biāo)準(zhǔn)樣品色譜圖Fig.1 GC-MS-SCAN chromatograms of standard sample

圖2 SIM模式標(biāo)準(zhǔn)樣品色譜圖Fig.2 GC-MS-SIM chromatograms of standard sample

圖3 目標(biāo)物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)曲線與相關(guān)性Fig.3 Standard curve and relativity for analytes

采用3個(gè)超純水加標(biāo)（20 ng/L）樣品進(jìn)行平行測定，分別計(jì)算各物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（SD），利用檢出限計(jì)算公式（1）得到各物質(zhì)采用該方法的檢出限（limit of detection）.

其中t（n-1，1-a＝0.95）是自由度為n-1，可信度為95%時(shí)的t分布函數(shù).當(dāng)n＝3時(shí)，t＝2.920，得出各嗅味物質(zhì)檢出限為0.56～1.3 ng/L（見表3），相比較傳統(tǒng)方式的固相微萃取預(yù)處理方式，其檢測限并沒有明顯增加，反而個(gè)別還有所下降[9]，可能造成的原因?yàn)樽詣?dòng)萃取裝置為震蕩方式，其劇烈程度并不如傳統(tǒng)的磁力攪拌方式強(qiáng)烈.但由于自動(dòng)萃取能夠保證萃取條件不受操作人員不同而變化，檢測平行樣品時(shí)標(biāo)準(zhǔn)偏差小，同時(shí)節(jié)省大量操作時(shí)間，因而對(duì)于檢測大量樣品來說，仍有明顯的優(yōu)勢.而最高的1.3 ng/L檢測限也能夠較為精確的保證檢測水體中嗅味物質(zhì)的要求，因此該方法是一種良好的檢測方法.

表3 5種物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)曲線線性關(guān)系及檢出限Table 3 Linear relationships standard curves and limit of detection

2.3 藻液樣品分析檢測

利用本檢測方法，對(duì)處于生長對(duì)數(shù)期的假魚腥藻藻液進(jìn)行測定，其樣品檢測結(jié)果（圖4）表明該檢測方法對(duì)于復(fù)雜的水樣，特別是富含多種蛋白質(zhì)、氨基酸、腐植酸以及藻源胞內(nèi)外有機(jī)物的含藻水樣，其檢測效果較好，干擾雜峰較少，目標(biāo)物峰值較高.從數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn)，該種藻液中存在2種典型嗅味物質(zhì)2-MIB與β-Ionone，其各自濃度分別為136.78 μg/L與1 347.88 ng/L，平均單個(gè)藻細(xì)胞產(chǎn)嗅味物質(zhì)量為0.45 pg/cell與4.49×10-3pg/cell，對(duì)比以往研究能說明該種藻類能夠產(chǎn)生典型嗅味物質(zhì)，在飲用水處理中應(yīng)當(dāng)注意對(duì)其的控制[13].

圖4 SIM模式藻液樣品色譜圖Fig.4 GC-MS-SCAN chromatograms of alga sample

3 結(jié) 論

1）采用自動(dòng)化頂空萃取裝置結(jié)合氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)，簡單且易于操作，同時(shí)條件控制精確，重現(xiàn)性高，增強(qiáng)了定量分析嗅味物質(zhì)的能力.

2）為嗅味物質(zhì)檢測與研究過程中遇到的大量樣品測定提供了可行方法.

3）可以同時(shí)有效的檢測復(fù)雜水體中典型嗅味物質(zhì)含量，并且避免傳統(tǒng)萃取技術(shù)所帶來的操作復(fù)雜、耗時(shí)長、人為誤差大等缺點(diǎn)，適用于大量水體樣品中痕量嗅味物質(zhì)的定量分析檢測.

[1]Suffet I H，Corado A，Chou D，et al.AWWA taste and odor survey[J]. Journal of the American Water Works Association，1996，88（4）：168-180.

[2]靳朝喜，李懷超，邱穎，等.飲用水處理中嗅和味的去除研究進(jìn)展[J].北方環(huán)境，2010，22（3）：50-53.

[3]李偉光，郜玉楠，黃曉東，等.高錳酸鉀與粉末活性炭聯(lián)用去除飲用水中嗅味[J].中國給水排水，2007，23（5）：18-21.

[4]徐盈，黎雯，吳文忠.東湖富營養(yǎng)水體中藻菌異味性次生代謝產(chǎn)物的研究[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，1999，19（2）：212-216.

[5]Young C C，Suffet I H，Crozes G，et al.Identification of a woody-hay odor-causing compound in a drinking water supply[J].Water Science and Technology，1999，40（6）：273-278.

[6]Lei L，Naiyun G，Yang D，et al.Characterization of intracellular& extracellular algae organic matters（AOM）of microcystic aeruginosa and formation of AOM-associated disinfection byproducts and odor &taste compounds[J].Water Research，2012，46（4）：1233-1240.

[7]Zimba P V，Grimm C C.A synoptic survey of musty/muddy odor metabolites and microcystin toxin occurrence and concentration in southeasternUSAchannelcatfish（IctaluruspunctatusRalfinesque）production ponds[J].Aquaculture，2003，218（1/2/3/4）：81-87.

[8]Davies J M，Roxborough M，Mazumder A.Origins and implications of drinking water odours in lakes and reservoirs of British Columbia，Canada[J].Water Research，2004，38（7）：1900-1910.

[9]毛敏敏，張可佳，張土喬，等.大體積濃縮-固相微萃取-氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用測定水樣中6種典型嗅味物質(zhì)[J].分析化學(xué)，2013，5（5）：760-765.

[10]張錫輝，伍婧娉，王治軍，等.HS-SPME-GC法測定水中典型嗅味物質(zhì)[J].中國給水排水，2007，23（2）：78-82.

[11]魏魏，郭慶園，趙云云，等.頂空固相微萃取-氣質(zhì)聯(lián)用法測定水中7種致嗅物質(zhì)[J].中國給水排水，2014，30（18）：131-135.

[12]Buchholz K D，Pawliszyn J.Optimization of solid-phase microextraction conditions for determination of phenols[J].Analytical Chemistry，1994，66（1）：160-167.

[13]Li Z L，Hobson P，An W，et al.Earthy odor compounds production and loss in three cyanobacterial cultures[J].Water Research，2012，46（16）：5165-5173.

Detection of five typical taste and odor compounds in drinking water source by headspace extraction-gas chromatography-mass spectrometry

TANG Minkang1,HE Ling1,LI Lei2,WANG Xianyun3,LU Ning3,ZHAO Laicai1
(1.School of Resource and Environmental Engineering,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China; 2.College of Enviromental Science and Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China; 3.Shanghai Municipal Water Resource Development and Utilization National Engineering Center Co.Ltd.,Shanghai 200082,China)

To synchronously test five T&O compounds,this study applied automation headspace solid phase micro extraction-gas chromatography-mass spectrometry as the optimized conditions as follows:extraction sample volume of 10 mL,extraction temperature and time of 65℃and 30 min，respectively，with preheating time of 5 min and desorption time of 2 min prior to the analysis.The method exhibited high sensitivity with the detection limit lowered by 1.5 ng/L,and high linearity （regression coefficients R2＞0.98）when the concentration ranged between 1 and 1 000 ng/L.The automatic solid phase micro extraction mode,which was applied to test the T&O compounds-producing algae,significantly reduced the complexity of traditional extraction methods.The results show that the concentration of 2-MIB and β-Ionone are as high as 136.78 μg/L and 1347.88 ng/L，respectively，when the cell density reaches 300 million/L,indicating that this method is reliable to analyze the T&O compounds in samples with complex background.

taste and odor compound;headspace solid phase micro extraction;gas chromatography-mass spectrometry;drinking water source;alga

O652.62；X832

A

1674-9669（2015）05-0114-05

10.13264/j.cnki.ysjskx.2015.05.021

2015-04-09

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51308398）

唐敏康（1956- ），男，教授，主要從事安全技術(shù)及科學(xué)管理等方向研究，E-mail：584843521@qq.com.