感官氣相色譜對水中不同化合物嗅味特征的同步測定

郭巧媛，王春苗，楊 帆，陳 燚，孫道林，楊 敏，于建偉,*

(1.中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，飲用水科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.無錫市水務(wù)集團(tuán)有限公司，江蘇無錫 214031；4.中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計研究院有限公司，北京 100024)

近年來，水環(huán)境異味等成為最為關(guān)注的水質(zhì)問題之一。明確主要致嗅物質(zhì)及其嗅味特征是對水中嗅味物質(zhì)進(jìn)行管控的基礎(chǔ)，其中，嗅閾值(odor threshold concentration，OTC)和嗅味類型是需要明確的關(guān)鍵指標(biāo)。目前，常用嗅閾值的測定主要包括強(qiáng)制性選擇三角測試法[1]、三點(diǎn)比較式臭袋法(GB/T 14675—1993)、動態(tài)稀釋嗅覺計惡臭取樣測定方法(美國EPA)和動態(tài)嗅覺計的測定方法(歐洲En13725號標(biāo)準(zhǔn))等[2]，主要通過設(shè)置濃度由低到高的一系列樣品，聞測后計算得到[3]。此類方法操作過程繁瑣，且往往一次只能測定一種物質(zhì)，效率過低。另外，對于嗅味類型、嗅閾值等的確定，通常需要多人測定結(jié)果才有統(tǒng)計學(xué)意義。因此，發(fā)展一種能同時測定不同化合物嗅味特征的方法具有重要意義。

通過化學(xué)分析與感官評價方法結(jié)合，可對水中未知嗅味物質(zhì)進(jìn)行鑒定[4]。主要采用感官氣相色譜(gas chromatography-olfactometry，GC-O)的方法，通過GC分離混合物中的組分，部分樣品分流至聞測杯后，測試人員對不同時間流出的氣體樣品進(jìn)行嗅聞，協(xié)助從大量色譜峰中尋找相應(yīng)物質(zhì)，如美國Elk河化學(xué)品泄漏以及我國無錫太湖嗅味事件的解析等[5-6]。該方法可將不同化合物分離后同時進(jìn)行聞測，選擇6種典型硫醚類物質(zhì)為對象，結(jié)合人員選定、數(shù)據(jù)分析和影響因素等多個方面，對GC-O用于不同化合物嗅閾值和氣味描述等特征的同時測定進(jìn)行討論。本研究可為水環(huán)境中嗅味污染的快速評估以及控制提供重要的基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

采用具備聞測裝置(ODP)的氣相色譜儀，GCMS-TQ8050三重四級桿氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀，日本島津公司；ODP3嗅聞儀、多功能自動進(jìn)樣器，德國Gerstel公司；色譜柱為VF-624MS毛細(xì)管柱(60 m×0.32 mm×1.8 μm)，美國安捷倫公司。

硫醚類標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(純度>95%)購于Sigma-Aldrich(美國)，使用前配制成100 mg/L的甲醇儲備液；NaCl采用優(yōu)級純級別，使用前在450 ℃馬弗爐中烘烤2 h，去除其中的有機(jī)物；有機(jī)溶劑甲醇、丙酮、二氯甲烷等均采用色譜純級別；超純水(18.2 MΩ·cm)由Milli-Q凈水系統(tǒng)制備。

1.2 GC-O分析條件

氣相色譜條件：載氣為高純氦(純度為99.999%)，進(jìn)樣口溫度為250 ℃，離子源溫度為230 ℃，注射體積為1 μL，柱流速為3.0 mL/min，質(zhì)譜檢測器與嗅聞儀分流比為2∶1，以2.0 mL/min分流至質(zhì)譜檢測器、1.0 mL/min分流至ODP3嗅聞儀。程序升溫條件：初始溫度為40 ℃，保持2 min后，以20 ℃/min升溫至250 ℃，保持5 min，總升溫程序?yàn)?7.5 min。

嗅聞儀條件：ODP3嗅聞儀的傳輸線溫度為250 ℃，ODP3出口溫度為90 ℃，補(bǔ)充氣為高純氦。

1.3 嗅聞操作過程

13名測試者均來自實(shí)驗(yàn)室，包括6名女性(24～27歲)，其中6名曾參與過實(shí)際水樣的嗅味聞測。為保證操作的一致性，在進(jìn)行GC-O聞測時，參照嗅覺層次分析法對相關(guān)人員進(jìn)行培訓(xùn)[《城鎮(zhèn)供水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法》(CJ/T 141—2018)][7]，測定時分別在聞測杯口嗅探并記錄嗅味強(qiáng)度和氣味描述。

硫醚混標(biāo)樣品共設(shè)置8個濃度梯度，按照2倍梯度依次遞增，氣相濃度的計算方法為1 μL進(jìn)樣體積×甲醇中標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度×(1/3分流至聞測口體積)/0.5 L呼吸體積，如表1所示。聞測前，分析2個甲醇空白樣品，以確定GC-O的基線水平，之后按照從低到高的濃度依次進(jìn)行測試。針對每一濃度梯度，測試者分別在6～7、9～13 min和14～15 min聞測并記錄相應(yīng)物質(zhì)的氣味描述。每組測試完成后休息10 min再進(jìn)行下一濃度樣品聞測，聞測4個樣品后至少休息30 min。記錄的氣味時間與氣相色譜該物質(zhì)的保留時間相差±0.20 min時，則認(rèn)為測試者聞測到該物質(zhì)的氣味。

表1 嗅味聞測時硫醚類物質(zhì)的濃度梯度設(shè)置

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析通過R 3.6.1(R Core Foundation，2019)進(jìn)行。

嗅閾值濃度采用幾何平均法和Logistic回歸兩種方法分別進(jìn)行計算[3]。采用幾何平均法計算時，參照三選一強(qiáng)制選擇的方法[8]，計算每個測試者最后一個答錯濃度與下一個答對濃度之間的幾何平均值作為個體嗅閾值的估算值(best-estimated value)。若全部答對，以最低濃度與其1/2濃度的幾何平均值計算個體嗅閾值；若全部答錯，則以最大濃度及其2倍濃度的幾何平均值計算個體嗅閾值；小組的平均嗅閾值通過個人閾值的幾何平均值計算[3]。

采用Logistic回歸計算嗅閾值時，以50%的測試者可以正確聞測到的硫醚濃度作為小組平均嗅閾值濃度[9]。記錄保留時間相差±0.2 min內(nèi)聞測到的氣味描述，采用Wordcloud和Text Mapper繪制詞云圖進(jìn)行表述。

2 結(jié)果與討論

2.1 嗅閾值濃度

6種硫醚的Logistic回歸嗅閾值計算結(jié)果如圖1和表2所示。不同硫醚的嗅閾值存在較大差別，其中二甲基二硫醚(0.72 ng/L，95%置信區(qū)間：0.24～2.16 ng/L)、二乙基二硫醚(0.84 ng/L，95%置信區(qū)間：0.43～1.61 ng/L)及二異丙基三硫醚(1.70 ng/L，95%置信區(qū)間：0.81～3.54 ng/L)的嗅閾值相對較高，為二甲基三硫醚的20～50倍；二異丙基硫醚和甲硫醚的嗅閾值次之，分別為0.15 ng/L(95%置信區(qū)間：0.08～0.27 ng/L)和0.40 ng/L(95%置信區(qū)間：0.16～0.97 ng/L)；二甲基三硫醚的嗅閾值濃度最低，為0.033 ng/L(95%置信區(qū)間：0.021～0.052 ng/L)。

注：空氣中濃度做了標(biāo)準(zhǔn)化處理

在接近閾值濃度時，二甲基三硫醚的Logistic回歸曲線上升明顯，這表明該物質(zhì)濃度只要稍高于嗅閾值就能被人感知，相比之下二甲基二硫醚和二異丙基三硫醚的回歸曲線上升平緩。值得注意的是，本研究中確定的甲硫醚、二甲基二硫醚和二甲基三硫醚嗅閾值結(jié)果低于文獻(xiàn)采用三點(diǎn)比較式臭袋法報道的嗅閾值，這可能與測試方法的不同以及參與測試的人群有關(guān)。同時，由于對混合物采用了色譜進(jìn)行分離后，在進(jìn)樣口處加以聞測的方法，如果一些物質(zhì)的出峰時間相近，其結(jié)果可能會相互干擾，此種情況下可將相應(yīng)物質(zhì)單獨(dú)測定。此外，個人的嗅覺敏感性受到是否先前接觸過此類嗅味物質(zhì)因素影響，研究表明先前接觸過一種氣味的人群比未接觸過的具有更高的敏感性和更低的嗅閾值，然而高濃度的嗅味暴露又會鈍化人的嗅覺[10]。這一現(xiàn)象在飲用水中的土霉味物質(zhì)2-甲基異莰醇(2-MIB)中得到了證實(shí)，飲用水從業(yè)人員可以比單純的消費(fèi)者更準(zhǔn)確地描述和感受發(fā)霉氣味[11]。但化合物的嗅閾值本身就是一個范圍，因此，需要保證一定人員的參與下所得結(jié)果是合理的。

幾何平均值計算的嗅閾值結(jié)果如表2所示。其中，二異丙基三硫醚(2.38 ng/L)嗅閾值質(zhì)量濃度最高，二異丙基硫醚(0.14 ng/L)、甲硫醚(0.54 ng/L)、二乙基二硫醚(0.69 ng/L)和二甲基二硫醚(1.01 ng/L)次之，二甲基三硫醚嗅閾值質(zhì)量濃度最低(0.041 ng/L)，與Logistic回歸結(jié)果一致。相關(guān)性分析表明，當(dāng)測試的濃度范圍覆蓋多數(shù)受試者的嗅閾值濃度時，通過Logistic回歸和幾何平均值計算的嗅閾值基本一致(r=0.975，p<0.05)(圖2)。但二異丙基三硫醚通過兩種方法計算的嗅閾值相差較大，可能的原因是當(dāng)測試者可以正確聞測到最低濃度或不能聞測到最高濃度時，幾何平均嗅閾值受到濃度序列中下一個最高/最低濃度的影響[12]，而不同嗅閾值計算方法也會有一定的系統(tǒng)誤差[13]?？傮w來看，兩種方法均可用于嗅閾值的計算。

表2 硫醚的嗅閾值濃度

基于上述氣相中的嗅閾值結(jié)果，進(jìn)一步根據(jù)亨利定律和理想氣體狀態(tài)方程，采用EPI Suite v4.11(U.S.EPA, 2012)計算硫醚的亨利定律常數(shù)，對水中嗅閾值進(jìn)行了推算，結(jié)果如表2所示。由于推斷過程中假定為理想氣體，且嗅閾值與溫度和亨利常數(shù)等因素均有關(guān)，結(jié)果與以往文獻(xiàn)報道有較大差異。因此，如需通過一種氣相中的結(jié)果對水相中的嗅閾值進(jìn)行預(yù)測，后續(xù)仍需要從試驗(yàn)條件以及推斷模型等方面加以針對性優(yōu)化。

2.2 嗅味特征描述

利用詞云圖的方式對通過GC-O所描述的6種硫醚類物質(zhì)的嗅味類型進(jìn)行表述，如圖2所示。詞云圖中字體較大的氣味描述表示具有較高的使用頻率。對6種硫醚類物質(zhì)，“臭味”“臭雞蛋味”“沼澤味”“酸臭味”為主要描述，同時還有“蔬菜味”“蒜臭味”“甜味”“土味”“下水道味”“腥臭味”“洋蔥味”和“難以描述”等。研究表明硫醚類物質(zhì)導(dǎo)致的“腥臭味”/“沼澤味”在我國飲用水中普遍發(fā)生，約36%的原水中存在且主要發(fā)生在河流型水源[17-18]。此類物質(zhì)的來源非常廣泛，各種含硫有機(jī)物或無機(jī)多硫化物在合適的環(huán)境條件下均可通過不同轉(zhuǎn)化途徑產(chǎn)生[19-20]。從嗅味類型來看，總體上可以描述為“腥臭味”“沼澤味”“腐敗味”等，與通過GC-O所分別描述的嗅味類型保持一致。

圖2 硫醚類物質(zhì)的嗅味描述詞云圖

就具體的物質(zhì)來看，對甲硫醚、二甲基三硫醚的嗅味描述較為統(tǒng)一，而二甲基二硫醚和二異丙基硫醚則有不同類型的嗅味描述。“臭雞蛋味”和“臭味”是甲硫醚的主要?dú)馕睹枋鲈~，測試者在低濃度時使用“蔬菜味”和“草味”，在高濃度時使用“臭雞蛋味”“臭味”“榴蓮味”“糞便味”“垃圾味”等，與文獻(xiàn)中報道的甲硫醚低濃度為“淡淡的蔬菜味”、高濃度呈現(xiàn)明顯的“臭味”特征相符[21]。二甲基二硫醚和二甲基三硫醚具有相似的嗅味特征，以“臭味”為主，其次是“蔬菜味”“蒜臭味”“沼澤味”“腥臭味”“下水道味”和“洋蔥味”。二甲基二硫醚和二甲基三硫醚在湖泊河流中廣泛存在，在水中濃度超過閾值會產(chǎn)生“沼澤”“腐敗”氣味，影響水的感官[22]。對二異丙基硫醚的描述存在較大差異，在低濃度時呈現(xiàn)“淡淡的清香味”，但濃度過高就會產(chǎn)生令人反感的“臭味”，表明不同濃度的硫醚可能呈現(xiàn)不同的氣味。二乙基二硫醚的多被描述為“臭味”“土味”“灰塵味”“金屬味”“化工廠味”。二異丙基三硫醚更多的被描述為“臭味”和“酸臭味”。

值得注意的是，盡管本方法能夠?qū)Χ喾N嗅味物質(zhì)進(jìn)行同時測定，但由于是通過色譜柱分離后對于嗅味特征進(jìn)行評價，一些化合物流出出峰的時間相近，仍會存在一定的干擾；另外，由于會受到測試環(huán)境以及人員差異等的干擾，與實(shí)際條件下也會存在一定的差異。因此，測試時建議不同的測試人員參與，并針對嗅味類型進(jìn)行確認(rèn)討論，以達(dá)到對于嗅味特征描述的一致性。

2.3 聞測人員對測試結(jié)果的影響

進(jìn)一步對參與測試的人員進(jìn)行分類，分成暴露組(實(shí)驗(yàn)室內(nèi)參加過嗅味評價的人員)與未暴露組(未參加過嗅味評價的人員)，對兩類人員的影響進(jìn)行討論。嗅味特征描述的結(jié)果如圖3所示，暴露組與未暴露組均有一致的“臭味”“難以描述”“臭雞蛋味”等描述，其中，暴露組將硫醚嗅味更多的描述為“臭味”“臭雞蛋味”“沼澤味”“難以描述”和“有機(jī)味”；而未暴露組對硫醚的描述使用的詞語更多樣化，包括“裝修味”“臭豆腐味”“爛菜葉味”和“洗衣粉味”等。另外，小組成員中有6名在實(shí)驗(yàn)室從事飲用水嗅味評估的人員，測試時將二甲基三硫醚的氣味直接描述為“腥臭味”和“沼澤味”，而未接觸過的測試者對嗅味特征的描述差異較大。報道指出與未接觸過相關(guān)氣味的受試者相比，人們對接觸過的氣味類型會有記憶，當(dāng)再次遇到這種氣味時會給出類似的描述[23]。從嗅味類型的規(guī)范化考慮，建議測定前進(jìn)行相應(yīng)的培訓(xùn)，或者測試小組成員討論后統(tǒng)一描述詞，并通過復(fù)測的方式進(jìn)一步確認(rèn)。

圖3 硫醚的嗅味描述詞云圖

對暴露組和未暴露組的嗅閾值濃度(幾何平均值)分別計算的結(jié)果如表3所示。6種硫醚的嗅閾值濃度暴露組均低于未暴露組，其中，甲硫醚、二異丙基硫醚、二異丙基三硫醚嗅閾值差異較小，對二甲基二硫醚、二甲基三硫醚和二乙基二硫醚，未暴露組與暴露組之間則有2～6倍差異。原因可能是二甲基二硫醚和二甲基三硫醚等為在實(shí)際水體中廣泛存在的硫醚，暴露組為從事飲用水嗅味評估的人員，對其敏感性較高從而有更低的嗅閾值。也有研究表明，先前接觸過一種氣味的人群比未接觸過的具有更高的敏感性和更低的嗅閾值[10]。但總體來看，對于嗅閾值的確定，應(yīng)在保證足夠人員參與(建議不低于10人)的基礎(chǔ)上加以計算；同時，應(yīng)避免長期接觸某類嗅味的人員參與測試。

表3 暴露組和未暴露組的硫醚嗅閾值計算結(jié)果比較

3 結(jié)論

本研究基于感官氣色譜法對同步測定6種硫醚類物質(zhì)嗅味特征(類型和嗅閾值)的可行性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，6種硫醚類物質(zhì)在氣相中的嗅閾值為0.033～1.700 ng/L，二甲基二硫醚(0.72 ng/L)、二乙基二硫醚(0.84 ng/L)及二異丙基三硫醚(1.70 ng/L)的嗅閾值相對較高；二異丙基硫醚(0.15 ng/L)和甲硫醚(0.40 ng/L)的嗅閾值次之；二甲基三硫醚的嗅閾值最低(0.033 ng/L)。“臭味”“臭雞蛋味”“沼澤味”“酸臭味”是6種硫醚類物質(zhì)的主要?dú)馕睹枋?，多?shù)硫醚在高濃度水平表現(xiàn)為強(qiáng)烈的“臭味”，二甲基二硫醚、二異丙基硫醚和二乙基二硫醚在低濃度下呈現(xiàn)“蔬菜味”“花香味”和“化學(xué)味”。另外，人員的敏感性差異對于嗅味特征的確定具有一定的影響，接觸過的暴露組的嗅閾值濃度較低，而未參加過的未暴露組對嗅味類型的描述更加多樣化。為保證測試結(jié)果的有效性，建議采用該方法時應(yīng)保證足夠的人員參與測試，同時加以適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)，并避免長期接觸某類嗅味的人員參與測試。