不同方法測(cè)定水中丁基黃原酸的差異性分析

（上海市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，上海 200030）

0 引言

丁基黃原酸鹽結(jié)構(gòu)式為C4H9OCSSK，是黃原酸鹽的一種。黃原酸鹽俗稱黃藥,是有色金屬選礦工藝中應(yīng)用最廣的高效廉價(jià)捕集劑,廣泛應(yīng)用于各種有色金屬硫化礦的混合浮選[1-3]，類別主要有乙基、異丙基、丁基、異丁基、戊基、異戊基的黃原酸鹽，其中國內(nèi)最常見的為丁基黃原酸[4]。丁基黃原酸鹽性質(zhì)極不穩(wěn)定，堿性條件下相對(duì)穩(wěn)定，酸性條件下極易分解。丁基黃原酸具有中等毒性，會(huì)傷及人的神經(jīng)系統(tǒng)和肝臟器官。水溶性強(qiáng)，易對(duì)水環(huán)境產(chǎn)生污染，不合格的處理廢水排放會(huì)污染水體質(zhì)量，嚴(yán)重破壞水域生態(tài)平衡，危害人體健康。其對(duì)飲用水源存在潛在安全風(fēng)險(xiǎn)，被列為水環(huán)境質(zhì)量的主要監(jiān)控對(duì)象之一[5]。

丁基黃原酸在GB 3838—2002 《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》、GB 5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》和DB 31/199—2018《上海市污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中均有相當(dāng)嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)限值要求，分別為0.005，0.001 和0.005 mg/L（一級(jí)）。因此，為配套現(xiàn)行環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和污水排放標(biāo)準(zhǔn)，采用高靈敏度、高準(zhǔn)確性的檢測(cè)方法勢(shì)在必行。實(shí)際水樣中，尤其廢水樣品基質(zhì)復(fù)雜，丁基黃原酸的檢測(cè)一直是個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，不同實(shí)驗(yàn)室之間的數(shù)據(jù)很難一致。目前水質(zhì)中丁基黃原酸的分析方法主要有銅試劑亞銅分光光度法[6]、紫外分光光度法[7-8]、吹掃捕集氣相色譜質(zhì)譜法[9]和超高效液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜法[10-12]等。銅試劑亞銅分光光度法方法繁瑣冗長(zhǎng)，且毒性較強(qiáng)，抗干擾性差，不具普適性，故不在本文討論范圍內(nèi)。本文主要針對(duì)紫外分光光度法、吹掃捕集/氣相色譜-質(zhì)譜（P&T-GC/MS）法和液相色譜-三重四極桿串聯(lián)質(zhì)譜（VPLC-MS/MS）法3種方法，分別從樣品的采集和保存、方法原理、方法性能、干擾和影響等多方面因素，結(jié)合實(shí)際分析的比對(duì)結(jié)果，對(duì)容易出現(xiàn)的測(cè)定結(jié)果不理想以及定性定量等問題進(jìn)行深入研究。通過對(duì)檢測(cè)方法的差異性分析，選擇最優(yōu)的方法，滿足各種水質(zhì)分析要求，以期為丁基黃原酸的準(zhǔn)確測(cè)定提供技術(shù)參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

主要儀器：島津UV-2600 紫外可見分光光度計(jì)（日本）；Agilent 7890A-5977 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（美國）；OI 4660 吹掃捕集儀（美國）；氣相色譜柱DB 624（60 m × 0.20 mm × 1.12 μm）；Waters ACQUITY UPLC H-Class XEVO TQD 超高效液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀（美國），帶ESI 源；液相色譜柱Waters ACQUITY UPLC BEH C18（2.1 mm×50 mm，1.7 μm）（美國）。

主要試劑：丁基黃原酸鉀（100 μg/mL），氟苯（內(nèi)標(biāo)，100 μg/mL），2,4-二氯苯氧乙酸-13C6（內(nèi)標(biāo)，100 μg/mL）均產(chǎn)自o2si 公司；氨水（Sigma-Aldrich，HPLC級(jí)），甲醇HPLC 級(jí)（德國Merck 公司）；濃磷酸（分析純）；氫氧化鈉（分析純）；硫代硫酸鈉（分析純）；水相濾膜（孔徑為0.22 μm）。

1.2 P&T-GC/MS 儀器使用條件

吹掃捕集條件：取樣體積為5 mL；吹掃溫度為40 ℃；吹掃流速為40 mL/min；吹掃時(shí)間為11 min；脫附溫度為180 ℃；脫附時(shí)間為1 min；烘烤溫度為190 ℃；烘烤時(shí)間為10 min。

氣相色譜分析條件：程序升溫40 ℃保持1.0 min，以5 ℃/min 升至120 ℃，保持1.0 min，再以20℃/min 升至250 ℃，保持2.0 min；進(jìn)樣口溫度為230℃；載氣流量為1.0 mL/min；分流進(jìn)樣（分流比5∶1）。

質(zhì)譜分析條件：電子轟擊源為EI 源；離子化能量為70 eV；離子源溫度為230 ℃；傳輸線溫度為280 ℃；全掃描，掃描范圍在30～260 amu；四極桿溫度為150 ℃；溶劑延遲時(shí)間為6 min；定量離子為二硫化碳m/z:76，氟苯m/z:96。

1.3 UPLC-MS/MS 儀器方法

流動(dòng)相A 為氨水溶液（pH 值為9.5），B 為甲醇，流速為0.2 mL/min，梯度洗脫程序：0～1.5 min，體積分?jǐn)?shù)為80%A；1.5～2.5 min，體積分?jǐn)?shù)為80%～10%A；2.5～3.5 min，體積分?jǐn)?shù)為10%A；3.5～4.0 min，體積分?jǐn)?shù)為10%～80%A。柱溫為40 ℃，進(jìn)樣體積為10 μL。

采用電噴霧離子源（ESI），負(fù)離子掃描，多反應(yīng)監(jiān)測(cè)（MRM）模式。離子源溫度為150 ℃，離子化電壓為3 kV，具體質(zhì)譜參數(shù)見表1。

表1 目標(biāo)化合物的質(zhì)譜參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品的采集和保存

丁基黃原酸極不穩(wěn)定，故其水樣的采集和保存是監(jiān)測(cè)的重要環(huán)節(jié)之一。HJ 896—2017 氣相色譜-質(zhì)譜法和HJ 1002—2018 液相色譜-三重四極桿串聯(lián)質(zhì)譜法均要求水樣保存在弱堿性條件下。采用HJ 756—2015 采用紫外分光光度法的水樣在中性條件下可保存3 d。經(jīng)驗(yàn)證：丁基黃原酸在中性條件下降解極快，而在pH 值為10 的條件下避光4 ℃保存，48 h 內(nèi)降解速率較慢，降解率＜30%。其次，加入Na2S2O3有助于樣品保存，但會(huì)對(duì)UPLC-MS/MS 法產(chǎn)生干擾而不適用。建議為準(zhǔn)確定量丁基黃原酸，應(yīng)在弱堿性條件下保存且盡快分析。采樣要求的差異性比較見表2。

表2 采樣要求的差異性比較

2.2 方法原理

黃原酸類化合物在波長(zhǎng)301 nm 處有最強(qiáng)吸收峰，遇酸發(fā)生分解，吸收峰消失。紫外分光光度法通過加酸分解前后的吸光度差值可間接測(cè)定黃原酸的總量濃度。

P&T-GC/MS 法利用了黃原酸類化合物遇酸分解產(chǎn)生二硫化碳（CS2），通過測(cè)定加酸前后CS2的濃度間接測(cè)定水中黃原酸類的總量濃度。CS2經(jīng)高純N2吹掃后吸附于捕集管中，采用迅速加熱捕集管并以高純N2反吹進(jìn)行熱脫附，再經(jīng)氣相色譜分離后通過質(zhì)譜檢測(cè)器檢測(cè)。

在同一生境中，植物必然會(huì)競(jìng)爭(zhēng)空間、養(yǎng)分等，甚至?xí)a(chǎn)生一些次生物質(zhì)，對(duì)其他植物產(chǎn)生不利的影響，即化感作用[20-22]。紫莖澤蘭具有較強(qiáng)的化感作用，其提取物能抑制多種植物的種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)[23]。而地桃花是在紫莖澤蘭下可正常生長(zhǎng)并表現(xiàn)出一定競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的一種植物。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，地桃花提取物在濃度為10 mg/mL時(shí)對(duì)刺莧和稗的抑制效果分別達(dá)75.70%、62.01%，但其效果比已成功研發(fā)的植物源除草劑癸酸低15%左右?？梢酝ㄟ^活性成分分離、鑒定來提高產(chǎn)品效果[24]，具體原因還需要進(jìn)一步深入研究。

UPLC-MS/MS 法為水樣經(jīng)孔徑為0.22 μm 水相濾膜直接進(jìn)樣，液相色譜分離后，串聯(lián)質(zhì)譜儀在多反應(yīng)監(jiān)測(cè)模式下測(cè)定，是唯一可對(duì)丁基黃原酸的具體組分準(zhǔn)確定性定量的分析方法。由于不涉及任何前處理，對(duì)基質(zhì)復(fù)雜的污水樣品直接進(jìn)樣時(shí)，會(huì)大幅增加儀器的維護(hù)成本和損耗風(fēng)險(xiǎn)。3 種方法原理差異性比較見表3。

表3 3 種方法原理差異性比較

2.3 方法性能

3 種方法均適用地表水、地下水、生活污水和工業(yè)廢水的檢測(cè)。丁基黃原酸被列為GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》集中式生活飲用水地表水源地水質(zhì)特定監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，質(zhì)量濃度限值為5 μg/L。其中紫外分光光度法的檢出限（4 μg/L）雖滿足了限值要求，但其測(cè)定下限高于限值要求，應(yīng)用存在一定的局限性。其它2 種方法均可滿足現(xiàn)有的任一標(biāo)準(zhǔn)限值要求。3 種方法性能的差異性比較見表4。

表4 3 種方法性能的差異性比較

2.4 干擾和影響

紫外分光光度法為非專用檢測(cè)器，任何在301 nm 波長(zhǎng)處有吸收的物質(zhì)，如懸浮物、有色物質(zhì)、硝酸鹽等其它共存物均會(huì)產(chǎn)生假陽性的分析結(jié)果。此外研究表明[13]亞硫酸鹽、連二硫酸鹽、偏亞硫酸氫鹽等通過譜圖掃描在301 nm 處沒有吸收峰，但是在加酸酸化后生成的SO2在301 nm 處有吸收峰，給測(cè)定帶來負(fù)干擾。故此方法存在一定的使用局限性。

P&T-GC/MS 法定性定量基本準(zhǔn)確。但因其主要是通過測(cè)定加酸前后CS2的濃度來間接測(cè)定黃原酸鹽的總量，故任何影響CS2轉(zhuǎn)換效率或吹掃捕集效率的因素，如電導(dǎo)率、高氯含量或氧化性物質(zhì)的共存干擾等均會(huì)大大降低丁基黃原酸的定量準(zhǔn)確性。此外，代森鋅類農(nóng)藥或化學(xué)試劑DDTC 有與黃原酸相似的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，也會(huì)遇酸生成CS2，會(huì)對(duì)測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生假陽性。

以上2 種間接測(cè)定法在選擇性方面均難以滿足丁基黃原酸準(zhǔn)確測(cè)定的要求，考慮到丁基黃原酸普遍只在選礦廢水中存在，建議若水樣中檢出丁基黃原酸，必要時(shí)還需采用其他方法進(jìn)一步確認(rèn)。

UPLC-MS/MS 法定性定量最為準(zhǔn)確，抗干擾能力最強(qiáng)。但由于丁基黃原酸在液質(zhì)上不同pH 值時(shí)電離程度差別很大，故必須嚴(yán)格把控實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中流動(dòng)相體系、校準(zhǔn)曲線和實(shí)際水樣的pH 值一致，否則會(huì)產(chǎn)生分析偏差。3 種方法抗干擾能力的差異性比較見表5。

表5 3 種方法抗干擾能力的差異性比較

2.5 實(shí)際樣品測(cè)定結(jié)果

分別使用3 種檢測(cè)方法，對(duì)本市某污水廠Z 總排口廢水樣品（采樣時(shí)加氨水，堿性條件下保存）進(jìn)行實(shí)際樣品和樣品加標(biāo)分析，分析結(jié)果見表6。由表6可以看出，使用P&T-GC/MS 法和UPLC-MS/MS法均未檢出丁基黃原酸，而紫外分光光度法卻檢出丁基黃原酸質(zhì)量濃度為35.6 μg/L，即高出前2 種方法2～3 個(gè)數(shù)量級(jí)，方法間數(shù)值偏差較大。

表6 實(shí)樣測(cè)定結(jié)果的差異性比較

表7 基質(zhì)測(cè)定結(jié)果的差異性比較

從加標(biāo)回收數(shù)據(jù)判斷，P&T-GC/MS 法雖然方法精密度良好，6 次基質(zhì)加標(biāo)平行測(cè)定的相對(duì)偏差為8.7%，但其加標(biāo)回收率最差，僅22.4%，存在嚴(yán)重的負(fù)干擾。類似的干擾問題也同樣存在于本市污水廠S 和污水廠W 的出口廢水樣品中。具體見表8。P&T-GC/MS 法在測(cè)定水樣中的丁基黃原酸時(shí)，雖靈敏度高，對(duì)干凈基質(zhì)樣品（如地表水樣品，6 次平均加標(biāo)回收率為86.0%）可準(zhǔn)確定性定量，但對(duì)經(jīng)污水處理工藝排放的廢水樣品，僅可準(zhǔn)確定性，不能準(zhǔn)確定量。其在廢水等復(fù)雜基質(zhì)的分析應(yīng)用上存在一定的局限性。

表8 不同點(diǎn)位污水廠樣品測(cè)定結(jié)果（P&T-GC/MS 法）

UPLC-MS/MS 法測(cè)定實(shí)際樣品加標(biāo)的回收率最為理想，分別在96.0%～112%范圍內(nèi)。該方法可同時(shí)對(duì)水環(huán)境基質(zhì)和廢水基質(zhì)中的丁基黃原酸準(zhǔn)確定性定量，且抗干擾強(qiáng)，靈敏度高。當(dāng)使用其它方法在水樣中檢出丁基黃原酸時(shí)，亦可使用本方法進(jìn)行定性驗(yàn)證。具體見表9。

表9 不同實(shí)樣測(cè)定結(jié)果（UPLC-MS/MS 法）

2.6 3 種方法適用性的探討

紫外分光光度法操作最簡(jiǎn)便，檢出限質(zhì)量濃度為4 μg/L，雖滿足地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)丁基黃原酸的限值要求，但其測(cè)定下限質(zhì)量濃度為16 μg/L仍高于限值要求。懸浮物、有色物質(zhì)、硝酸鹽等其它共存物會(huì)產(chǎn)生假陽性的分析結(jié)果。使用該方法在水樣中檢出丁基黃原酸，有必要選用其他分析方法進(jìn)一步確認(rèn)。此外，其樣品的采集和保存方法建議與其它方法一致，在弱堿性條件下避光保存且盡快分析。

P&T-GC/MS 法通過測(cè)定加酸前后水樣中CS2的濃度來間接測(cè)定黃原酸的總量濃度。該方法靈敏度高，檢出限質(zhì)量濃度為0.04 μg/L。對(duì)干凈基質(zhì)樣品（如潔凈地表水）可準(zhǔn)確定性定量。但對(duì)高電導(dǎo)率樣品或氧化性物質(zhì)共存的水樣，如經(jīng)污水處理工藝排放的廢水樣品，容易產(chǎn)生負(fù)干擾，不能準(zhǔn)確定量。建議使用氣/質(zhì)方法測(cè)定丁基黃原酸時(shí)，如遇樣品有檢出或懷疑假陽性干擾，需做進(jìn)一步驗(yàn)證。

UPLC-MS/MS 法水樣經(jīng)0.22 μm 濾膜過濾后直接進(jìn)樣，經(jīng)液相色譜分離，通過多反應(yīng)監(jiān)測(cè)（MRM）模式檢測(cè)。檢出限質(zhì)量濃度為0.2 μg/L，水樣加標(biāo)回收率在96.0%～112%。該方法操作簡(jiǎn)單、快速，靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)，可對(duì)水樣中的丁基黃原酸準(zhǔn)確定性定量。但基質(zhì)復(fù)雜的污水樣品直接進(jìn)樣，會(huì)增加液質(zhì)儀器質(zhì)譜部分的損耗風(fēng)險(xiǎn)?？紤]到丁基黃原酸一般僅存在于選礦廢水中，故建議在實(shí)驗(yàn)室的常規(guī)分析中，可使用其他簡(jiǎn)便方法進(jìn)行丁基黃原酸的測(cè)定，而對(duì)有檢出樣品再以液質(zhì)聯(lián)用方法作為定性驗(yàn)證補(bǔ)充。

3 結(jié)論

針對(duì)水質(zhì)中丁基黃原酸的3 種檢測(cè)方法（紫外分光光度法、P&T-GC/MS 法、UPLC-MS/MS 法），從樣品采集、方法原理、方法性能、干擾和影響、實(shí)樣檢測(cè)等多方面進(jìn)行橫向比較和討論，選擇最優(yōu)的方法對(duì)廢水中丁基黃原酸進(jìn)行檢測(cè)，保證檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確。分析了水質(zhì)檢測(cè)應(yīng)用的差異性，詳細(xì)說明了各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性，并對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間的矛盾進(jìn)行了解釋，解決了原紫外分光光度法假陽性干擾的難題。