超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法快速測定地表水中聯(lián)苯胺、苦味酸、甲萘威、阿特拉津和溴氰菊酯

張 明, 唐訪良*, 徐建芬, 張 偉, 程新良, 王立群

(1. 杭州市環(huán)境監(jiān)測中心站, 浙江 杭州 310007; 2. 淳安縣環(huán)境保護(hù)監(jiān)測站, 浙江 杭州 311700)

聯(lián)苯胺(benzidine)是染料合成的中間體,在化工、印染和制藥等工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛,高毒且具有強(qiáng)烈的致癌作用[1];苦味酸(picric acid)是早期炸藥的主要成分,同時大量用作殺菌劑、除霉劑及收斂劑等,屬高毒類物質(zhì)[2];甲萘威(carbaryl)主要用于糧食作物的病蟲害防治,進(jìn)入人體內(nèi)可造成急性中毒癥狀,另外還被認(rèn)為是潛在的內(nèi)分泌干擾物[3];阿特拉津(atrazine)是目前應(yīng)用最廣泛的除草劑之一,適用于玉米、高粱等作物田及果園、林地等,具有內(nèi)分泌干擾作用和潛在致癌性[4];溴氰菊酯(deltamethrin)是一類重要的合成殺蟲劑,廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)害蟲、倉庫害蟲及衛(wèi)生害蟲等防治,具中等毒性[5]。通常,含有聯(lián)苯胺、苦味酸、甲萘威、阿特拉津和溴氰菊酯等化合物的制成品在生產(chǎn)和使用過程中會不斷地將這些化合物釋放到環(huán)境中,并通過地表徑流、大氣干濕沉降等環(huán)境遷移行為進(jìn)入地表水體,造成水環(huán)境污染,并對人體健康產(chǎn)生影響,進(jìn)而影響整個生態(tài)系統(tǒng)。我國現(xiàn)行的地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中,聯(lián)苯胺、苦味酸、甲萘威、阿特拉津和溴氰菊酯均屬于嚴(yán)格控制的特定項目[6],標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了這5種有機(jī)污染物的相應(yīng)檢測方法,其中聯(lián)苯胺、苦味酸、阿特拉津和溴氰菊酯分別采用氣相色譜法,甲萘威則采用液相色譜法。這些方法靈敏度和特異性較差,易出現(xiàn)假陽性,而且均需通過液液萃取富集樣品,使得整個檢測過程操作繁瑣且耗時很長。另外,大量具有毒副作用的有機(jī)試劑的使用導(dǎo)致方法的環(huán)境友好性較差,并潛在威脅操作人員的身體健康。

隨著近年來頻發(fā)的水污染事件和水資源供需矛盾的日益突出,環(huán)境健康研究領(lǐng)域受到了越來越多的關(guān)注,相關(guān)管理部門更是不斷加大對水環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)測力度,這也對環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展提出了新的要求。目前,具有高靈敏度和選擇性的液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)越來越多地被應(yīng)用于環(huán)境痕量有機(jī)污染物的分析,成為地表水中有機(jī)物殘留快速篩查的有效分析方法之一[7-10]。現(xiàn)階段,液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用檢測地表水中聯(lián)苯胺[11-13]、苦味酸[2,14]、甲萘威[15,16]、阿特拉津[17-19]和溴氰菊酯[20]的應(yīng)用研究均取得了較大進(jìn)展,但是目前絕大多數(shù)分析方法是將5種化合物分開檢測,這就導(dǎo)致了實(shí)際檢測過程中需要進(jìn)行繁瑣的方法切換,不僅降低了工作效率,大大增加了儀器設(shè)備的分析和維護(hù)成本,也嚴(yán)重影響到檢測結(jié)果的時效性。因此亟須建立一批簡單快速并能同時檢測多種化合物的分析方法,以滿足現(xiàn)階段水質(zhì)監(jiān)測的要求。目前部分理化性質(zhì)相近的化合物多組分同時檢測的研究工作已逐步開展起來[3,21-25],但是地表水中不同性質(zhì)的污染物多組分同時監(jiān)測的分析方法還很缺乏。本文基于液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù),通過簡化前處理程序,擴(kuò)大檢測范圍,建立并驗(yàn)證了同時檢測地表水中聯(lián)苯胺、苦味酸、甲萘威、阿特拉津和溴氰菊酯5種有機(jī)污染物的超高效液相色譜-三重四極桿串聯(lián)質(zhì)譜(UPLC-MS/MS)方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器

Acquity Ultra Performance LCTM超高效液相色譜儀-XEVO電噴霧串聯(lián)四極桿質(zhì)譜儀(美國Waters公司)。

1.2 主要材料與試劑

0.2 μm孔徑聚四氟乙烯(PTFE)針式濾頭(美國Waters公司)。甲醇(色譜純,德國Merck公司);1 000 mg/L甲醇中聯(lián)苯胺標(biāo)準(zhǔn)溶液、100 mg/L甲醇中苦味酸標(biāo)準(zhǔn)溶液和100 mg/L甲醇中甲萘威標(biāo)準(zhǔn)溶液(美國Accustandard公司)、100 mg/L甲醇中阿特拉津標(biāo)準(zhǔn)溶液(農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測所)、溴氰菊酯標(biāo)準(zhǔn)品(純度99%,中國計量科學(xué)研究院)。實(shí)驗(yàn)用超純水由Milli-Q Advantage A10系統(tǒng)(美國Millipore公司)制備。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)溶液配制

準(zhǔn)確稱取溴氰菊酯標(biāo)準(zhǔn)品10.0 mg,用甲醇溶解并轉(zhuǎn)移至10 mL棕色容量瓶中,甲醇定容制得1 000 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)溶液,取1.00 mL該標(biāo)準(zhǔn)溶液至10 mL棕色容量瓶中,用甲醇定容制得100 mg/L的溴氰菊酯標(biāo)準(zhǔn)溶液;取1.00 mL聯(lián)苯胺標(biāo)準(zhǔn)溶液至10 mL棕色容量瓶中,用甲醇定容制得100 mg/L的聯(lián)苯胺標(biāo)準(zhǔn)溶液;分別取100 mg/L的5種化合物的標(biāo)準(zhǔn)溶液各1.00 mL,置于10 mL棕色容量瓶中,用甲醇稀釋配制成質(zhì)量濃度為10.0 mg/L的混合標(biāo)準(zhǔn)儲備液,所有標(biāo)準(zhǔn)溶液和儲備液均置于-20 ℃避光保存。實(shí)驗(yàn)中用超純水將混合標(biāo)準(zhǔn)儲備液稀釋成系列濃度工作液,現(xiàn)用現(xiàn)配。

1.4 儀器分析條件

1.4.1色譜條件

Waters Acquity UPLC HSS T3色譜柱(100 mm×2.1 mm, 1.7 μm);流動相:2 mmol/L乙酸銨水溶液(A)和2 mmol/L乙酸銨甲醇溶液(B);梯度洗脫程序:0～0.6 min,45%B; 0.6～1.1 min,45%B～90%B; 1.1～3.4 min,90%B; 3.4～3.5 min,90%B～45%B; 3.5～4.0 min,45%B;柱溫50 ℃;流速0.4 mL/min;進(jìn)樣量10 μL。

表 1 目標(biāo)化合物的保留時間和優(yōu)化的質(zhì)譜參數(shù)

* Quantitative ion.

1.4.2質(zhì)譜條件

電噴霧電離(ESI)源,正、負(fù)離子掃描切換;多反應(yīng)監(jiān)測(MRM)模式;毛細(xì)管電壓:3.2 kV;離子源溫度:150 ℃;脫溶劑氣溫度:550 ℃;脫溶劑氣流速(氮?dú)?: 700 L/h;錐孔氣流速(氮?dú)?: 30 L/h;碰撞氣流速(氬氣): 0.15 mL/min。在分析過程中,以離子對(母離子和兩個子離子,見表1)信息比較和保留時間進(jìn)行定性分析;以母離子和響應(yīng)高的子離子通道進(jìn)行定量分析。

1.5 實(shí)際樣品采集和前處理

地表水樣品采集前2天未下大雨,河流水采樣點(diǎn)位于河流中垂線上,水庫水采樣點(diǎn)位于水庫中間。水樣采集后置于潔凈的棕色玻璃瓶中,以錫箔紙包裹后用冰塊保存,當(dāng)天送回實(shí)驗(yàn)室,帶回實(shí)驗(yàn)室的地表水樣品經(jīng)0.2 μm PTFE微孔濾膜過濾,待液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 質(zhì)譜條件的選擇

根據(jù)目標(biāo)化合物的結(jié)構(gòu)特征,選擇正、負(fù)離子掃描切換模式,其中聯(lián)苯胺、甲萘威、阿特拉津和溴氰菊酯采用正離子模式,苦味酸采用負(fù)離子模式。采用流動注射泵進(jìn)樣,分別對5種目標(biāo)化合物標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行一級質(zhì)譜掃描,確定各待測化合物的準(zhǔn)分子離子峰,并分別優(yōu)化其錐孔電壓。然后分別以其準(zhǔn)分子離子為母離子,通過氬氣碰撞產(chǎn)生碎片離子進(jìn)行二級質(zhì)譜掃描,同時優(yōu)化碰撞能量,選擇豐度較高的2種碎片離子作為定量與定性特征離子。為了保證每種化合物的靈敏度,采用分時段分別監(jiān)測。優(yōu)化后各目標(biāo)化合物的定性、定量特征離子及質(zhì)譜參數(shù)見表1。

圖 1 脫溶劑氣溫度對質(zhì)譜響應(yīng)的影響Fig. 1 Influence of desolvation gas temperature on mass spectral response

ESI離子源的脫溶劑氣溫度對目標(biāo)化合物的質(zhì)譜響應(yīng)有一定的影響,我們配制5種待測組分混合標(biāo)準(zhǔn)溶液(甲萘威和阿特拉津分別為5.00 μg/L;聯(lián)苯胺、苦味酸和溴氰菊酯分別為50.0 μg/L)進(jìn)樣分析,對脫溶劑氣溫度進(jìn)行優(yōu)化。圖1為不同脫溶劑氣溫度條件下各目標(biāo)化合物的相對響應(yīng)值變化趨勢:脫溶劑氣溫度過低會抑制目標(biāo)化合物的質(zhì)譜響應(yīng),除了聯(lián)苯胺在400 ℃脫溶劑氣溫度下質(zhì)譜響應(yīng)達(dá)到最高外,其余4種化合物響應(yīng)值在300～500 ℃范圍內(nèi)隨著脫溶劑氣溫度上升呈升高趨勢;脫溶劑氣溫度在500～600 ℃時,各化合物質(zhì)譜響應(yīng)相差不大,當(dāng)脫溶劑氣溫度大于550 ℃,除阿特拉津響應(yīng)值略有升高外,其他化合物的響應(yīng)值均有所下降。因此,方法的脫溶劑氣溫度設(shè)定為550 ℃。

圖 3 5種目標(biāo)化合物的MRM圖Fig. 3 MRM chromatograms of the five target compounds

脫溶劑氣流速同樣直接影響目標(biāo)化合物的質(zhì)譜響應(yīng),我們試驗(yàn)了其他質(zhì)譜條件不變的情況下不同脫溶劑氣流速(300～1 000 L/h)對目標(biāo)化合物質(zhì)譜響應(yīng)的影響,結(jié)果見圖2。從圖2可以看出:除了阿特拉津,其余各化合物在脫溶劑氣流速低于500 L/h條件下響應(yīng)值相對較低;過高的脫溶劑氣流速同樣對大部分目標(biāo)化合物的質(zhì)譜響應(yīng)有抑制作用,當(dāng)脫溶劑氣流速大于800 L/h時,僅有苦味酸的響應(yīng)值呈略微增長趨勢。綜合考慮5種化合物的響應(yīng)值變化特征,確定方法的脫溶劑氣流速為700 L/h。

圖 2 脫溶劑氣流速對質(zhì)譜響應(yīng)的影響Fig. 2 Influence of desolvation gas flow rate on mass spectral response

2.2 色譜條件的選擇

色譜柱的選擇對于樣品分離非常重要,通常不同填料的色譜柱對同一樣品有不同的保留時間。5種化合物均有使用常規(guī)C18色譜柱分離的文獻(xiàn)報道,我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明甲萘威、阿特拉津和溴氰菊酯采用常規(guī)的反相C18色譜柱即能獲得滿意的分離效果,而強(qiáng)極性的親水性化合物聯(lián)苯胺和苦味酸在常規(guī)反相C18色譜柱中雖可以實(shí)現(xiàn)分離,但因與色譜柱的非極性固定相結(jié)合較弱而難以實(shí)現(xiàn)有效保留,通常會出現(xiàn)色譜峰拖尾或雙峰的現(xiàn)象,苦味酸在常規(guī)C18色譜柱上的保留時間還會出現(xiàn)明顯的漂移。采用親水作用色譜柱可改善聯(lián)苯胺[13]、苦味酸[2]的分離效果,但是該類色譜柱對甲萘威、阿特拉津和溴氰菊酯的分離效果并不理想。經(jīng)過試驗(yàn)比較,我們選用一款極性化合物分析專用硅膠基體C18色譜柱,即T3色譜柱,用于5種目標(biāo)化合物的分離,得到滿意的分離效果。

在液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀的使用中,流動相的選擇要兼顧各目標(biāo)化合物的色譜分離效果以及質(zhì)譜離子化效率,以獲得最佳的分辨率和最高的靈敏度。經(jīng)過考察,我們選擇了甲醇-水作為流動相體系。在流動相中加入緩沖鹽可調(diào)節(jié)系統(tǒng)的pH值,增加目標(biāo)化合物在色譜柱上的保留并改善峰形,本文比較了添加不同緩沖鹽(甲酸、氨水、乙酸銨)條件下目標(biāo)物的離子化效率以及色譜峰形。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),氨水會抑制目標(biāo)化合物的離子化效率;而選用甲酸則能增加聯(lián)苯胺、甲萘威和阿特拉津等部分化合物的響應(yīng)值,但是會導(dǎo)致聯(lián)苯胺和溴氰菊酯的色譜峰變形,溴氰菊酯的響應(yīng)值也會有所降低;選用乙酸銨作為緩沖鹽,各目標(biāo)化合物的離子化效率較佳且色譜峰形對稱無拖尾。綜合各方面因素,最終確定0.2 mmol/L乙酸銨水溶液和0.2 mmol/L乙酸銨甲醇溶液作為流動相,經(jīng)過優(yōu)化,得到1.4.1節(jié)的梯度洗脫條件,在該條件下,目標(biāo)化合物分離良好。圖3為混合標(biāo)準(zhǔn)溶液(甲萘威和阿特拉津分別為5.00 μg/L;聯(lián)苯胺、苦味酸和溴氰菊酯分別為50.0 μg/L)按1.4節(jié)條件進(jìn)樣分析得到的MRM圖。

2.3 樣品過濾濾膜的選擇

由于UPLC色譜柱填料孔徑較小,地表水樣品中的細(xì)小顆粒物容易造成色譜柱堵塞,因此樣品需經(jīng)過濾后才能進(jìn)行儀器分析。研究選取PTFE、親水性聚丙烯(GHP)、親水尼龍(Nylon)、聚醚砜(PES)和親水性聚偏二氟乙烯(PVDF)等5種常用材質(zhì)濾膜過濾加標(biāo)樣品,統(tǒng)計回收率,結(jié)果見圖4。

圖 4 5種目標(biāo)化合物過不同濾膜的回收率Fig. 4 Recoveries of the five target compounds through different filters PTFE: poly tetra fluoroethylene; GHP: hydrophilic polypropylene; PES: polyethersulfone; PVDF: polyvinylidene fluoride micro filters.

從圖4可以看出,5種目標(biāo)化合物經(jīng)各種濾膜過濾后的回收率各不相同:聯(lián)苯胺除了在PTFE濾膜上沒有明顯吸附效應(yīng)外,經(jīng)其余4種濾膜過濾后回收率均低于35%;苦味酸在Nylon濾膜上有明顯吸附;阿特拉津則在GHP濾膜上吸附較高;甲萘威在試驗(yàn)的5種濾膜上均無明顯吸附,經(jīng)GHP和Nylon濾膜過濾后甚至有明顯的增敏效應(yīng),回收率分別達(dá)到120%和118%;溴氰菊酯經(jīng)PTFE和PVDF等2種材質(zhì)濾膜過濾有較高的回收率,而在GHP和PES兩種濾膜上表現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸附效應(yīng)。綜合比較,采用PTFE濾膜過濾樣品效果最佳,5種目標(biāo)化合物的回收率在93.3%～102%之間,適合作為樣品儀器分析前過濾使用。

2.4 上機(jī)溶液中有機(jī)相體積分?jǐn)?shù)對響應(yīng)值的影響

通常,HPLC特別是UPLC在色譜分離過程中有一定的“溶劑效應(yīng)”,如果樣品溶劑不合適,有可能會影響色譜保留而導(dǎo)致色譜峰形異常。我們在實(shí)驗(yàn)過程中也發(fā)現(xiàn)聯(lián)苯胺和苦味酸的色譜峰隨著樣品溶劑中甲醇含量的增大而變寬,特別是當(dāng)甲醇體積分?jǐn)?shù)大于60%時,苦味酸的色譜峰出現(xiàn)雙峰等嚴(yán)重變形現(xiàn)象?？紤]到樣品溶劑的成分同樣會影響待測物在液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀中的電噴霧電離效果進(jìn)而影響檢測靈敏度,因此有必要考察樣品溶劑中有機(jī)含量對目標(biāo)化合物質(zhì)譜響應(yīng)的影響。分別以純水、純甲醇以及不同含量的甲醇水溶液作為溶劑,配制混合標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)樣分析,結(jié)果見圖5。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:苦味酸的質(zhì)譜響應(yīng)基本不受樣品溶劑的影響;聯(lián)苯胺的質(zhì)譜響應(yīng)隨著樣品溶劑中甲醇含量的增大而略有升高,但以純甲醇為溶劑時其質(zhì)譜響應(yīng)出現(xiàn)明顯降低;甲萘威和阿特拉津的質(zhì)譜響應(yīng)分別在以體積分?jǐn)?shù)為40%、60%甲醇水溶液作為樣品溶劑時最高,而以純水為溶劑時均為最低,但變化不大。樣品溶劑甲醇含量對溴氰菊酯的質(zhì)譜響應(yīng)影響較大,采用高甲醇含量的樣品溶劑(體積分?jǐn)?shù)≥80%)時其質(zhì)譜響應(yīng)比低甲醇含量時高了近一倍。充分考慮5種化合物的色譜分離效果和質(zhì)譜響應(yīng),在能夠滿足地表水樣品中各目標(biāo)化合物的檢測限值要求的前提下,本文選用水作為樣品溶劑。這樣雖然會降低部分化合物的靈敏度,但卻大大提高了方法的檢測便利性,可實(shí)現(xiàn)地表水樣品直接進(jìn)樣快速分析。

2.5 方法的線性范圍和檢出限

以3倍和10倍信噪比(S/N)計算方法的檢出限(LOD)和定量限(LOQ),結(jié)果見表2?？梢钥闯?5種化合物的檢出限在0.01～0.22 μg/L之間,檢出限均低于我國地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[6]中這些化合物的控制標(biāo)準(zhǔn),能滿足直接進(jìn)樣測定地表水樣品中這些化合物的要求。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)5種目標(biāo)化合物的靈敏度各異且差別較大,因此,配制系列標(biāo)準(zhǔn)溶液的時候?qū)?種目標(biāo)組分分成2組,其中甲萘威和阿特拉津分別為0.10、0.20、0.50、1.00、5.00和10.0 μg/L;聯(lián)苯胺、苦味酸和溴氰菊酯分別為1.00、2.00、5.00、10.0、50.0和100 μg/L。以目標(biāo)組分響應(yīng)值(Y)對相應(yīng)的質(zhì)量濃度(X, μg/L)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。各種目標(biāo)化合物的線性方程、相關(guān)系數(shù)(r)、線性范圍見表2。

表 2 5種目標(biāo)化合物的回歸方程、相關(guān)系數(shù)、線性范圍、檢出限、定量限和標(biāo)準(zhǔn)限值

Y: peak area of the analyte;X: mass concentration, μg/L.

2.6 方法的回收率和精密度

選用不含5種待測組分的地表水樣品,根據(jù)各化合物的線性范圍添加一定濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液以制備低、中、高3個添加水平的加標(biāo)水樣,每個水平平行測定6次,計算回收率及其相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD),結(jié)果見表3。高、中、低3個添加水平的回收率在81.4%～113%之間,RSD為0.84%～14.0%,說明該方法有較好的回收率且具有較高的精密度,適合實(shí)際樣品的檢測分析。

表 3 目標(biāo)分析物在實(shí)際樣品中的加標(biāo)回收率及其RSD(n=6)

圖 6 陽性地表水樣品中阿特拉津的TIC色譜圖Fig. 6 Total ion current (TIC) chromatogram of atrazine in a positive surface water sample

圖 7 陽性地表水樣品中溴氰菊酯的TIC色譜圖Fig. 7 TIC chromatogram of deltamethrin in a positive surface water sample

2.7 實(shí)際樣品檢測

自2016年1月起,按照上述方法,對位于錢塘江、苕溪和千島湖的杭州市集中式生活飲用水水源地水質(zhì)進(jìn)行每月一次的監(jiān)測,部分水樣中檢出阿特拉津和溴氰菊酯。圖6和圖7分別為兩個實(shí)際地表水樣品中阿特拉津和溴氰菊酯的總離子流色譜圖(TIC),其中圖6水樣檢出阿特拉津(質(zhì)量濃度為0.26 μg/L),圖7水樣檢出溴氰菊酯(質(zhì)量濃度為2.32 μg/L),檢出化合物的質(zhì)量濃度均遠(yuǎn)低于地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值。

3 結(jié)論

本文建立了一種同時檢測地表水中聯(lián)苯胺、苦味酸、甲萘威、阿特拉津和溴氰菊酯的液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用方法。與原有的標(biāo)準(zhǔn)檢測方法相比,靈敏度大大提高,僅需簡單的超濾處理后直接進(jìn)樣檢測,即可滿足相關(guān)法規(guī)對地表水中這5項指標(biāo)的控制標(biāo)準(zhǔn)要求,避免了煩冗的前處理程序,降低了實(shí)驗(yàn)人員因前處理過程中使用強(qiáng)毒性溶劑所面臨的健康威脅,是一種高效、快速的適于實(shí)際水樣中這5種目標(biāo)化合物檢測分析的方法。在杭州市地表水水質(zhì)監(jiān)測中,成功應(yīng)用本方法對來自各個點(diǎn)位的水樣進(jìn)行了分析測定,部分水樣中阿特拉津和溴氰菊酯有一定濃度的檢出。