固相萃取GC-MS/MS法測定海水中多環(huán)芳烴研究

李文文, 唐道軍, 張蓉蓉, 陸 茵, 孫愛麗 , 張澤明, 龐林江

固相萃取GC-MS/MS法測定海水中多環(huán)芳烴研究

李文文1,2, 唐道軍1*, 張蓉蓉1, 陸 茵2, 孫愛麗1, 張澤明1, 龐林江3

（1.寧波大學(xué) 海洋學(xué)院, 浙江 寧波 315832; 2.寧波大學(xué) 食品與藥學(xué)學(xué)院, 浙江 寧波 315832; 3.浙江農(nóng)林大學(xué) 農(nóng)業(yè)與食品科學(xué)學(xué)院, 浙江 杭州 311300）

建立了同時測定海水中10種多環(huán)芳烴的精確定量檢測方法. 利用固相萃取GC-MS/MS法, 確定10種多環(huán)芳烴的色譜分離條件和質(zhì)譜定性、定量離子. 通過比對不同固相萃取柱和萃取條件對多環(huán)芳烴的萃取效果發(fā)現(xiàn)C18為最佳固相萃取柱, 最佳洗脫溶劑為二氯甲烷. 同時, GC-MS/MS采用多反應(yīng)監(jiān)測模式(MRM)及內(nèi)標(biāo)法定量, 該方法的線性范圍為1.0～200.0μg·L-1, 檢出限為0.01～0.08ng·L-1, 加標(biāo)回收率為83.0%～108.7%, 相對標(biāo)準(zhǔn)差小于6.5%.表明該方法具有較好的準(zhǔn)確度和精密度, 最后將其應(yīng)用于象山港海水中多環(huán)芳烴的測定, 10種多環(huán)芳烴的檢出率為100%.

氣相色譜-三重四極桿質(zhì)譜聯(lián)用法; 多環(huán)芳烴; 固相萃取; 海水

多環(huán)芳烴(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, PAHs)是一類含有2個或2個以上苯環(huán)結(jié)構(gòu)的碳?xì)浠衔颷1], 其來源廣泛, 物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定, 且不易降解, 易在生物體內(nèi)蓄積, 引起生物體致癌、致畸、致突變[2-3]. 研究表明, PAHs普遍存在于大氣、土壤、水體和沉積物中, 是一種典型的具有持久性的有機(jī)污染物(Persistent Organic Pollutants, POPs)[4].目前已被發(fā)現(xiàn)的PAHs大約有200多種, 有16種被美國環(huán)保局(EPA)列為優(yōu)先控制污染物[5]. 我國也將7種PAHs列入水中優(yōu)先監(jiān)測污染物目錄[6], 其中苯并[a]芘(Benzo(a)pyrene, BaP)作為第1個被發(fā)現(xiàn)的多環(huán)芳烴類環(huán)境化學(xué)污染物, 具有很強(qiáng)的致癌性, 已成為衡量PAHs含量的標(biāo)志物[7]. PAHs能通過多種途徑, 如工業(yè)廢水和生活污水排放、雨水淋溶、地表徑流、石油泄漏事故以及空氣干濕沉降等進(jìn)入海水環(huán)境介質(zhì)中, 對海洋生態(tài)環(huán)境以及水生生物體造成嚴(yán)重的威脅.

目前, 水體中PAHs的檢測方法主要有氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法(GC-MS)[8]、氣相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法(GC-MS/MS)、高效液相色譜法(HPLC)[9]、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法(LC-MS)等. 然而, 海水環(huán)境介質(zhì)復(fù)雜、基質(zhì)干擾物多, 且PAHs的含量為痕量級別, 檢測PAHs有一定難度, 因此選擇合適的富集凈化和檢測方法尤為重要. PAHs的前處理方法主要有液液萃取(Liquid Liquid Extraction, LLE)[10]、固相萃取(Solid Phase Extraction, SPE)[10]、固相微萃取(Solid Phase Microextraction, SPME)[10]等. 通常, 液液萃取操作繁瑣、費(fèi)時、有機(jī)試劑消耗量大、易產(chǎn)生污染, 在實(shí)際樣品的檢測中效率較低; 而固相萃取具有操作簡單、有機(jī)試劑用量少、富集倍數(shù)高、凈化效果好等優(yōu)點(diǎn), 在海水痕量有機(jī)化合物的前處理中具有較大優(yōu)勢. 同時, GC-MS/ MS具有靈敏度高、選擇性好等優(yōu)點(diǎn). 劉金玉等[11]建立了SPE- GC-MS法, 可同時測定海水中多環(huán)芳烴和鄰苯二甲酸酯類, 優(yōu)化得出了C18 SPE柱為最佳的固相萃取小柱. 趙利容等[12]通過對C18 SPE柱的活化、干燥和洗脫等過程的優(yōu)化提高了固相萃取法測定水中PAHs的富集效率, 優(yōu)化后的方法在流沙灣海水樣品的檢測中取得了較好效果.

本文采用固相萃取技術(shù), 通過對固相萃取柱的選擇及洗脫溶劑的優(yōu)化, 建立了C18 SPE柱和GC-MS/MS聯(lián)用同時測定海水中10種PAHs的方法. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 該方法獲得了較低的檢出限和較高的回收率, 有效提高了檢測的準(zhǔn)確度和靈敏度, 并成功檢測了實(shí)際海水樣品中PAHs的殘留, 為檢測海水中PAHs污染提供了參考.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器及試劑

實(shí)驗(yàn)采用的儀器: Agilent 7890B-7000D型氣相色譜-三重四級桿串聯(lián)質(zhì)譜儀(美國Agilent Technologies公司); 固相萃取儀(美國Supelco公司); HSC-12B型氮吹儀(天津恒奧科技發(fā)展有限公司); UPT-11-10T型純水儀(四川優(yōu)普超純科技有限公司); Vortex 3型渦旋混勻器(德國IKA公司); C18固相萃取柱、HLB固相萃取柱(500mg·(6mL)-1)(上海安譜實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司).

1.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配置

多環(huán)芳烴標(biāo)準(zhǔn)儲備液(20.0mg·L-1)配置: 準(zhǔn)確量取100.0μL多環(huán)芳烴標(biāo)準(zhǔn)溶液于10mL容量瓶中, 用正己烷稀釋至刻度, 混勻, 在-20℃冰箱中密封保存?zhèn)溆?

混合內(nèi)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)儲備液(20.0mg·L-1)配置: 準(zhǔn)確量取100.0μL混合內(nèi)標(biāo)液于10mL容量瓶中, 用正己烷稀釋至刻度, 混勻, 在-20℃冰箱中密封保存?zhèn)溆?

混合內(nèi)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用液(1.0mg·L-1)配置: 準(zhǔn)確量取50.0μL混合內(nèi)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)儲備液于1mL容量瓶中, 用正己烷稀釋至刻度, 混勻, 在-20℃冰箱中密封保存?zhèn)溆?

標(biāo)準(zhǔn)工作溶液配置: 取適量多環(huán)芳烴標(biāo)準(zhǔn)儲備液, 用正己烷逐級稀釋定容, 加入100.0μL混合內(nèi)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用液, 配制成1.0、10.0、20.0、50.0、100.0、200.0μg·L-1的混合標(biāo)準(zhǔn)系列工作溶液.

1.3 樣品采集與保存

海水樣品采自象山港海域. 使用有機(jī)玻璃采水器采集樣品于棕色玻璃采樣瓶中, 采樣瓶完全注滿, 并且倒置無氣泡. 采樣完成后, 盡快送回實(shí)驗(yàn)室, 在4℃環(huán)境下避光陰暗保存. 所有樣品在7d內(nèi)完成萃取.

1.4 樣品前處理

海水樣品用抽濾裝置經(jīng)0.45μm玻璃纖維濾膜過濾后, 準(zhǔn)確量取500.0mL, 加5.0mL甲醇平衡; 然后加入20.0μL混合內(nèi)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用液, 混勻. 依次用10mL二氯甲烷、10mL甲醇和10mL純水以1滴·s-1速度活化C18固相萃取柱, 當(dāng)活化溶劑液面接近柱填充物時, 以5mL·min-1的速率開始上樣, 待上樣即將完成, 即液面接近柱填充物時加入10mL純水淋洗, 抽干小柱30min; 最后用15mL二氯甲烷洗脫, 初始洗脫時浸泡柱子5min, 洗脫速度為1滴·s-1. 收集洗脫液, 采用氮吹儀室溫吹至近干, 以200μL正己烷復(fù)溶, 過0.22μm有機(jī)相濾膜后, 上機(jī)檢測.

1.5 儀器條件

色譜條件: DB-5MS型毛細(xì)管色譜柱(30m× 0.25mm×0.25μm), 不分流模式進(jìn)樣, 進(jìn)樣體積1.0μL, 載氣為高純He(純度>99.999%), 流速1.0mL·min-1, 進(jìn)樣口溫度280℃. 程序升溫條件為: 初始溫度70℃, 保持2min, 以20℃·min-1升至220℃, 再以5℃·min-1升至300℃, 保持5min.

質(zhì)譜條件: 電子轟擊離子源(EI)70eV, 離子源溫度280℃, 傳輸線溫度280℃, 四極桿溫度150℃, 溶劑延遲時間4min, 采用多反應(yīng)監(jiān)測模式(MRM), 碰撞氣體為高純氮?dú)? 多環(huán)芳烴化合物的保留時間、定性離子對、定量離子對及碰撞能見表1.

2 結(jié)果與結(jié)論

2.1 GC-MS/MS條件的優(yōu)化

使用GC-MS/MS可以對目標(biāo)化合物進(jìn)行分離、鑒定和精準(zhǔn)定量. 采用MRM監(jiān)測模式, 選用多對特征離子以增強(qiáng)目標(biāo)化合物的結(jié)構(gòu)解析、定性和抗干擾能力, 且定量分析時具有靈敏度高、選擇性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn), 適合分析復(fù)雜基質(zhì)樣品中的痕量有機(jī)污染物, 分析結(jié)果準(zhǔn)確可靠.

首先, 在全掃描(Full Scan)模式下分別采用不同的進(jìn)樣口溫度和升溫程序?qū)AHs混合標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行分析, 在各化合物的色譜峰得到較好分離且基線較為平穩(wěn)時, 確定最優(yōu)升溫程序和進(jìn)樣口溫度;然后, 在最優(yōu)色譜條件下使用Agilent MassHunter工作站定性分析軟件積分和提取峰質(zhì)譜, 確定目標(biāo)化合物的保留時間, 選擇豐度高、質(zhì)量數(shù)高的特征離子作為母離子, 進(jìn)一步通過產(chǎn)物離子掃描(Product Ion Scan)模式在5～50V碰撞能條件下依次對特征母離子進(jìn)行二次電離, 選取豐度高的特征子離子作為MRM方法的子離子, 并確定最佳的碰撞能; 最后, 建立PAHs的GC-MS/MS的MRM方法. 結(jié)果表明, MRM監(jiān)測模式下PAHs分離很好, 總離子流色譜如圖1所示.

表1 多環(huán)芳烴的GC-MS/MS參數(shù)

圖1 多環(huán)芳烴的總離子流色譜

2.2 固相萃取柱的選擇

固相萃取柱的選擇主要取決于目標(biāo)化合物的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì), 選擇合適的固相萃取柱可以在很大程度上將目標(biāo)化合物與干擾物分離, 并使海水樣品中目標(biāo)化合物得到高效的富集和凈化. 實(shí)驗(yàn)選取C18和HLB兩種固相萃取柱, 在加標(biāo)量為50.0μg·L-1的質(zhì)量濃度下對空白海水進(jìn)行加標(biāo)回收率測定, 實(shí)驗(yàn)做3組平行, 實(shí)驗(yàn)步驟按1.4節(jié)所述, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示.

圖2 不同固相萃取柱對多環(huán)芳烴的回收率

2.3 洗脫溶劑的優(yōu)化

圖3 不同洗脫溶劑對多環(huán)芳烴的回收率

2.4 方法驗(yàn)證

為了確定分析方法能夠滿足分析測試的要求, 并確保檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性, 對所建立的方法進(jìn)行驗(yàn)證.

2.4.1方法的線性范圍及檢出限

在已優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件下, 對不同濃度的PAHs混合標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行測定, 其中內(nèi)標(biāo)物質(zhì)量濃度為100.0μg·L-1, 以濃度和內(nèi)標(biāo)物濃度之比為橫坐標(biāo), 以目標(biāo)化合物峰面積和內(nèi)標(biāo)物峰面積之比為縱坐標(biāo), 繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線, 得到線性方程. 測定空白加標(biāo)海水樣品, 以3倍信噪比計(jì)算方法的檢出限, 結(jié)果見表2.

表2 方法的線性范圍、相關(guān)系數(shù)及檢出限

從表2可知, 在1.0～200.0μg·L-1線性范圍內(nèi), 10種PAHs的線性關(guān)系良好,2≥0.9989, 方法的檢出限為0.01～0.08ng·L-1, 表明該方法具有較好的線性和靈敏度.

2.4.2 方法的回收率及準(zhǔn)確性

根據(jù)已建立的方法進(jìn)行加標(biāo)回收率實(shí)驗(yàn), 加標(biāo)質(zhì)量濃度分別為10.0、50.0、100.0μg·L-1, 每個濃度設(shè)置3組平行, 得到PAHs的加標(biāo)回收率為83.0%～108.7%, 相對標(biāo)準(zhǔn)差小于6.5%(表3).從表3可知, 本文建立的海水樣品中PAHs檢測方法具有較好的準(zhǔn)確性. 與國標(biāo)方法[13]相比, 本文方法的檢出限低、回收率高, 相對標(biāo)準(zhǔn)差也顯著低于國標(biāo)方法, 表明本文方法具有更高的靈敏度和準(zhǔn)確性.

2.5 象山港海水樣品的測定

采用本文方法對象山港6個站點(diǎn)的表層海水進(jìn)行檢測分析, 結(jié)果見表4.

表3 方法的加標(biāo)回收率及精確性 %

表4 象山港海水中多環(huán)芳烴的檢測結(jié)果 ng·L-1

從表4可知, 6個采樣點(diǎn)中10種PAHs的檢出率為100%, 其中菲的質(zhì)量濃度最高, 達(dá)到12.95～ 20.30ng·L-1, 苯并[k]熒蒽的質(zhì)量濃度最低, 為1.32～1.60ng·L-1, 站點(diǎn)1樣品多環(huán)芳烴化合物的總質(zhì)量濃度最高. 這進(jìn)一步驗(yàn)證了本文方法在實(shí)際樣品分析中的實(shí)用性和可靠性, 表明該方法具有實(shí)際應(yīng)用潛力, 可以滿足海水中痕量PAHs的分析檢測.

3 結(jié)語

通過對固相萃取柱以及洗脫溶劑的優(yōu)化, 采用GC-MS/MS的MRM監(jiān)測模式, 建立了基于C18固相萃取柱、二氯甲烷為洗脫溶劑的測定海水中10種多環(huán)芳烴的固相萃取GC-MS/MS檢測方法. 研究結(jié)果表明, 該方法具有較好的定性、定量分析性能, 獲得的結(jié)果準(zhǔn)確可靠, 能滿足海水中PAHs殘留的檢測.

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Simultaneous determination of polycyclic aromatic hydrocarbons in seawater by solid phase extraction coupled with gas chromatography tandem mass spectrometry (GC-MS/MS)

LI Wenwen1,2, TANG Daojun1*, ZHANG Rongrong1, LU Yin2, SUN Aili1, ZHANG Zeming1, PANG Linjiang3

( 1.School of Marine Sciences, Ningbo University, Ningbo 315832, China; 2.College of Food and Pharmaceutical Sciences, Ningbo University, Ningbo 315832, China; 3.School of Agriculture and Food Science, Zhejiang A & F University, Hangzhou 311300, China )

In the current study, a solid phase extraction coupled with GC-MS/MS method was established to investigate 10 kinds of polycyclic aromatic hydrocarbons in seawater. The chromatographic separation conditions and the qualitative and quantitative ions of PAHs were determined with experiments. The solid phase extraction columns and extraction solvents were also optimized. Finally, the PAHs in seawater samples were concentrated by C18 SPE cartridge and eluted by dichloromethane, qualified and quantified by multiple reaction monitoring mode (MRM) with GC-MS/MS, where the internal standard method was used. Using the proposed method, the limit of detection ranged from 0.01-0.08ng·L-1, the spiked recoveries were 83.0%-108.7%, and the relative standard deviation was less than 6.5%. The method has been successfully applied to analyze target PAHs in seawater samples collected from Xiangshan Harbor, with the detective rate being 100%.

GC-MS/MS; PAHs; solid phase extraction; seawater

X834

A

1001-5132（2021）04-0015-06

2020?06?07.

寧波大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版）網(wǎng)址: http://journallg.nbu.edu.cn/

國家自然科學(xué)基金（31772856）; 浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2020C02023）; 寧波大學(xué)研究生科研創(chuàng)新基金（IF2020153）.

李文文（1992－）, 女, 河南洛陽人, 在讀碩士研究生, 主要研究方向: 食品安全. E-mail: liwenwen1955@163.com

唐道軍（1984－）, 男, 湖南永州人, 實(shí)驗(yàn)師, 主要研究方向: 水產(chǎn)實(shí)驗(yàn)技術(shù). E-mail: tangdaojun@nbu.edu.cn

（責(zé)任編輯 史小麗）