柱前衍生-SPE-GC/MS法測定水中痕量溴代苯酚

葛嘉雨梁海燕劉冬李春靈張豐泉趙茜

(新鄉(xiāng)醫(yī)學院 公共衛(wèi)生學院,河南 新鄉(xiāng) 453003)

在研究水中有機污染檢測方法中,固相萃取(solid phase extraction,SPE)具有操作簡單、效率高、安全性高、成本低以及適于大體積水樣前處理等優(yōu)點[10];氣相色譜-質譜儀(gas chromatography-mass spectrometer,GC/MS)既可以利用氣相色譜強大的分離能力,又具有質譜在鑒定未知物方面較高的靈敏度,能夠較好地解決水環(huán)境介質復雜的問題,也非常適于BPs這類熱穩(wěn)定性好、易揮發(fā)物質的定性與定量分析[11].此外,對于BPs的自身特性問題,衍生化反應[12]可以有效地改善BPs極性,進而優(yōu)化其色譜和質譜響應,提高其分離度和檢測方法的靈敏度.因此,擬采用乙酸酐為衍生化試劑,將?；鶊F引入BPs分子中,衍生后的BPs經SPE富集純化,以GC/MS為檢測儀器的分析方法,通過加標回收實驗評價分析方法,并以市政供水為測試水樣驗證方法的實用性,建立水相中BPs柱前衍生-SPE-GC/MS檢測方法,為今后其分析方法的優(yōu)化提供參考,并為研究環(huán)境、生命、地球、材料等科學領域BPs的控制、削減以及潛在生態(tài)風險等問題提供基礎.

1 材料與方法

1.1 儀器和試劑

Agilent7890A-5975C 氣相色譜質譜聯用儀(配備HP-5MS毛細管柱,30 m×0.25 mm×0.25μm)和Agilent7890A 氣相色譜儀配備電子捕獲檢測器(ECD)和30 m×0.32 mm×0.25μm HP-5毛細管柱;Supelco 12位固相萃取裝置;C18固相萃取小柱(6 m L,500 mg);PEP固相萃取小柱(3 m L,60 mg);HLB固相萃取小柱(3 m L,60 mg).5種BPs標準品:2-溴酚(2-BP)、2,4-二溴酚(2,4-DBP)、2,6-二溴酚(2,6-DBP)、3,5-二溴酚(3,5-DBP)、2,4,6-三溴酚(2,4,6-TBP)均購于北京百靈威科技有限公司;碳酸鉀(0.1 mol/L)、無水硫酸鈉和乙酸酐為分析純試劑(天津市大茂化學試劑廠);甲醇、正己烷均為色譜純試劑(美國J.T.Baker公司);高純水(18.2～18.3 MΩ·cm,上海和泰儀器有限公司).

1.2 實驗內容

1.2.1 BPs的衍生化反應

向5種BPs標準品中依次加入碳酸鉀、乙酸酐,振搖5 min使其充分混勻進行衍生化反應.以2-BP為例,衍生化反應式如下所示:

衍生化反應完成后,進行固相萃取,收集萃取液并洗至中性,經無水硫酸鈉脫水后上機待測.通過對目標物峰形、峰面積等色譜信號和行為的考察,進行BPs衍生化反應條件的優(yōu)化.

1.2.2 固相萃取[13]

固相萃取前安裝固相萃取裝置和抽真空裝置,SPE小柱采用甲醇和超純水各5 m L依次活化(每次加液需停留5 min),打開真空泵使液體流出.在柱內液面與填料液面稍平時,將100 m L 衍生后水樣以5 m L/min的速度通過小柱,富集完成后抽真空20 min去除小柱殘余水分,在柱頭加入2 m L正己烷并保留2 min,洗脫、收集后進行儀器檢測.結合目標物的總離子流圖、回收率等檢測結果,對該操作步驟進行優(yōu)化.

1.3 儀器條件

1.3.1 GC/MS參數[14]

色譜條件:進樣口250℃;高純氦氣為載氣,流速1.50 m L/min;柱溫箱起始溫度40℃(保持1 min),以15℃/min升至225℃,再以40℃/min升至280℃(保持5 min);不分流進樣模式,進樣量1.0μL.質譜條件:離子源溫度230℃,四級桿溫度150℃,接口溫度280℃,溶劑延遲5 min;全掃描模式掃描m/z=40～400;選擇離子掃描模式(SIM)下不同BPs的檢測離子如表1所示.

表1 BPs及其衍生產物的GC/MS檢測參數Tab.1 Scan parameters of BPs and BPs derivatives monitored by GC/MS

1.3.2 GC參數

進樣口溫度250℃;檢測器溫度280℃;載氣為氮氣(流速1 m L/min);不分流進樣模式,進樣量1.0μL;升溫程序:起始溫度40℃(保持1 min),以15℃/min升至230℃,再以40℃/min升至280℃(保持5 min).

1.4 BP衍生產物工作曲線的繪制

稱取5種BPs標準品適量,用正己烷配制質量濃度分別為2、4、6、8、10μg/m L的混合標樣,進行衍生化反應后繪制工作曲線。

1.5 質量控制

分別取8份100.0 m L水樣,加入BPs標準品,其中4份樣品質量濃度為4μg/m L,另4份為6μg/m L,經1.2步驟處理后,進行GC/MS分析.

2 結果與討論

2.1 檢測儀器的選擇

沸點較低、熱穩(wěn)定性較好的有機物適于采用GC、GC/MS 作為檢測儀器,因此分別采用2 種儀器對10μg/m L BPs標準品進行檢測,得到氣相色譜圖和總離子流圖(圖1).通過比較這2種儀器檢測后的譜圖、峰型等色譜行為,可以看出:相比于總離子流圖的檢測結果(圖1b),氣相色譜圖中2,4-DBP、2,6-DBP和2,4,6-TBP拖尾較嚴重,同時2-BP和3,5-DBP響應值偏低(圖1a).因此,為了便于定量,選擇GC/MS作為水樣中BPs的檢測儀器.

圖1 5種BPs的氣相色譜和總離子流圖Fig.1 Gas chromatogram and total ion flow diagram of five BPs

2.2 衍生化實驗條件的優(yōu)化

由于BPs分子結構中含有酚羥基,使其具有較高的親水性和極性,在GC/MS檢測時會影響自身的色譜信號和行為,如出現峰形不對稱、拖尾等現象,進而影響檢測結果.化學衍生化技術[12]可以通過衍生化試劑的引入,調整待測物的極性和提供特征離子,從而改善色譜響應和質譜信號強度.目前,乙酸酐是酚類常用衍生試劑之一,相比于其他衍生化試劑(如丹酰氯[15]、五氟芐基溴[16]等),具有操作簡單、成本低和毒性小等優(yōu)點.但過量的乙酸酐會刺激人體眼睛和上呼吸道,并且腐蝕損傷儀器.因此需考察衍生前后、乙酸酐用量等實驗條件,使BPs具有好的衍生化效率和色譜響應,便于更好的定性和定量.

2.2.1 衍生前后色譜行為比較

取2份含BPs標準品的高純水樣,其中1份加入乙酸酐進行衍生化反應,之后2份樣品均采用SPE 和GC/MS檢測,結果顯示:未衍生的BPs拖尾明顯(圖2a),而衍生后的5種BPs衍生產物(2-BP′,2,6-DBP′,2,4-DBP′,3,5-DBP′,2,4,6-TBP′)峰型對稱且不拖尾(圖2b), 表明采用乙酸酐衍生可以改善BPs色譜峰峰形、拖尾等問題,有利于其定性和定量分析.

圖2 衍生前后5種BPs的總離子流對比Fig.2 Total ion chromatograms of five BPs standards:without and with derivatization

2.2.2 乙酸酐的用量

乙酸酐作為衍生化試劑,其用量的變化不僅會影響衍生化效率、自身的酸性、腐蝕性以及黏度等性質還可能會影響操作人員和儀器,因而需對其用量進行探討.實驗結果如表2所示:隨乙酸酐用量增加,BPs衍生產物峰面積增加,當其用量增至1.0 m L后,5種BPs衍生產物峰面積趨于穩(wěn)定.基于衍生化效率和避免乙酸酐殘留較多時對人員和儀器的影響,確定乙酸酐用量為1.0 m L.

表2 乙酸酐用量對BPs(4μg/m L)衍生產物峰面積的影響Tab.2 Effect of acetic anhydride on peak area of BPs(4μg/mL)derivatization products

2.3 SPE實驗條件的優(yōu)化

在水相中痕量有機物的多種富集方法中,相比于液液萃取法,SPE 法具有簡單快速、時間短、重復性好和成本低[10,17]等優(yōu)點,且能夠處理較大采樣體積的水樣,適于BPs這類痕量有機污染物的準確定量.因此,選用SPE法對BPs衍生產物進行富集,并對其萃取實驗條件進行優(yōu)化,包括SPE小柱和洗脫時間等.

2.3.1 SPE小柱的選擇

通過文獻查閱,選用C18、HLB和PEP 3種SPE小柱對5種BPs衍生產物進行富集(圖3):HLB柱的萃取效率更高且較穩(wěn)定,這一結果與Chi等[18]的研究結果一致, 這可能是因為HLB吸附劑為親脂性二乙烯苯和親水性N-乙烯基吡咯烷酮[19],適用于酸性、中性和堿性化合物吸附,因而用于BPs衍生產物的富集具有較高且穩(wěn)定的回收率.

圖3 C18、HLB和PEP固相萃取小柱對BPs衍生產物回收率影響Fig.3 Effects of C18,HLB and PEP SPE cartridges on recovery rates of BPs derivatives

2.3.2 洗脫劑保留時間

固相萃取法中,洗脫劑常需在SPE小柱上停留一段時間,以便目標物得到較好的回收率.圖4顯示:當正己烷在SPE小柱上的停留時間為2 min時,目標物的回收率較高且穩(wěn)定.在BPs質量濃度為4μg/m L和6μg/m L時,加標回收率分別為72.5%～112.5%和71.8%～104.0%.這可能是因為目標物本身具有一定的揮發(fā)性,同時正己烷也較易揮發(fā),故停留時間長,可能對目標物加標回收率的影響更為明顯.因此,洗脫劑停留時間定為2 min較為合適.

圖4 BPs衍生產物回收率隨正己烷在HLB柱上停留時間的變化曲線Fig.4 Variation curve of the BPs derivatives recovery rate vs retention time of hexane(HLB)

2.4方法性能指標

BPs標準品溶液中加入1.0 m L乙酸酐和1.0 m L碳酸鉀溶液進行衍生化反應,之后加入100.0 m L水樣混勻,經活化后的HLB小柱富集,抽真空20 min,采用正己烷(保留2 min)洗脫后,收集、濃縮,經GC/MS檢測.

定量檢出限定義為噪聲信號的10倍所對應的被測物質質量濃度值,定性檢出限為噪聲信號的3倍所對應的被測物質質量濃度值.結果顯示:5種BPs衍生產物的定量檢出限為1.7～27.4 ng/m L,定性檢出限為0.8～17.7 ng/m L(表3).使用質量濃度為2～10μg/m L的5種BPs標準溶液進行衍生化反應,繪制工作曲線(圖5),其線性相關系數為0.999 0～0.999 5,具有良好的線性關系,表明目標化合物質量濃度在2～10μg/m L內可以滿足定量要求.

圖5 5種BPs衍生產物的工作曲線Fig.5 Working curves of five BPs derivatives

表3 5種BPs衍生產物的檢出限Tab.3 Detection limits of five BPs derivatives

2.5 實際水樣中BPs的加標回收率

為了評價本方法的實用性和重復性,采用市政供水和高純水為水樣,在已經確定好的前處理方法和儀器條件下,進行BPs的加標回收實驗(表4),2種質量濃度條件下,5種BPs經過已建立的分析方法衍生后其空白加標回收率為93.2%～114.5%,市政供水水樣的加標回收率為68.3%～110.1%(僅2,4,6-TBP較低,為68.3%～73.0%),相對標準偏差均小于20%,顯示出良好回收率和重復性.

表4 市政供水水樣中5種BPs衍生產物的加標回收率Tab.4 Recoveries of five BPs derivatives in municipal water

目前,有關BPs的測定方法多用于研究土壤或生物等樣品,如李利榮等[20]針對土壤介質,利用超聲提取目標物,凈化、濃縮后,經GC/MS測定后,2,4,6-TBP平均加標回收率為57.9%;徐英江等[21]采用凝膠滲透色譜凈化-乙酸酐衍生-氣相色譜質譜法測定水產品中的BPs,其加標回收率為70.2%～102%.雖然介質不同,但BPs作為親脂性較高的有機物來說,其在土壤或生物等介質中的含量遠高于水相中,目標物被檢出的概率相對較大.實際水樣中對溴酚經表面活性劑輔助-凝固-漂浮分散液液微萃取,采用高效液相色譜儀檢測,其加標回收率為96.6%～105%[22],與本方法的加標回收率近似,但此方法成本相對較高.因此,與以上已報道的分析方法相比,所建立的水中BPs測定方法的各項方法性能指標還是具有一定的優(yōu)勢,適于環(huán)境水樣中BPs的測定.

3 結論

針對水相中的溴酚類物質含量少、毒性大,且尚未有標準檢測方法等問題,本實驗建立了以柱前衍生-SPE為前處理方法,GC/MS為檢測儀器的水相中痕量BPs的測定方法,探討了影響衍生化反應和SPE 的因素,確定了較為合適的實驗條件.所建立的以乙酸酐為衍生化試劑,HLB 小柱萃取,GC/MS檢測的分析方法中,5種BPs標準品的定性檢出限為0.8～17.7 ng/m L,空白加標回收率為93.2%～114.5%,市政供水的加標回收率為68.3%～110.1%(僅2,4,6-TBP較低),相對標準偏差均小于20%.表明該方法的靈敏度、回收率和重復性均較好,且對實際水樣也具有良好的適用性,能夠為今后BPs分析方法的優(yōu)化、檢測和監(jiān)測、削減和控制以及潛在生態(tài)風險研究提供參考和基礎.