IC-MS和UHPLC-MS/MS方法測定地表水中丁基黃原酸和苦味酸

吳 杰，溫才裕，吳 斌

(珠海水務環(huán)境控股集團有限公司，廣東珠海 519020)

丁基黃原酸鹽即黃藥，為黃色粉末固狀，有刺激性氣味，有毒，性質不穩(wěn)定，在酸性介質中加速分解，易溶于水、丙酮和醇，是有色金屬選礦工藝中應用最廣的捕集劑之一。殘留在選礦水中的丁基黃原酸會使水體呈現異味，對動物的肝臟、腎臟和神經系統造成損傷。

苦味酸即2,4,6-三硝基苯酚，被廣泛應用于炸藥、染料和皮革等工業(yè)生產及醫(yī)學中收斂劑和殺菌劑的制備。受硝基吸電子效應的影響，苦味酸具有很強的酸性，可經過呼吸道、消化道和皮膚被人體吸收，引起支氣管炎和接觸性皮炎等。

《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)[1]中規(guī)定丁基黃原酸標準限值為0.005 mg/L，苦味酸的標準限值為0.5 mg/L。對丁基黃原酸鹽的測定方法有以下幾種：分光光度法主要有銅試劑亞銅分光光度法[2]、紫外分光光度法[3]，但是靈敏度都比較低，滿足不了檢測要求；儀器法主要有吹掃捕集氣相色譜-質譜法[4]、離子色譜法[5-6]、超高效液相色譜-質譜法[7]、頂空固相微萃取-氣相色譜/質譜法[8]、離子色譜-三重四級桿質譜聯用法[9]等。苦味酸的檢測方法有分光光度法[10]、氣相色譜法[11]、吹掃捕集-氣相色譜-質譜法[12]、頂空固相微萃取法[13]、液相色譜法[14]、離子色譜法[15]、液相色譜/串聯質譜法[16]、離子色譜-串聯質譜法[17]。其中，分光光度法、氣相色譜法、氣相色譜-質譜法、頂空固相微萃取法前處理復雜。

人類活動改變了自然水的性質和組織，導致近年來在全球各地發(fā)生了多種多樣的水污染事件，而且隨著社會的進步和人民生活水平的提高，人類對飲用水的要求也越來越高。因此，水環(huán)境健康研究領域受到了人民的廣泛關注，相關管理部門更是在不斷加大對水資源的監(jiān)測力度和研究，這也對水質監(jiān)測技術的發(fā)展提出了新的要求。本文建立了直接進樣離子色譜-質譜(IC-MS)測定地表水中丁基黃原酸和苦味酸的方法，該方法簡便易行、靈敏度高，為自創(chuàng)的方法，國內未見報道。此外，將其與按《水質 丁基黃原酸的測定 液相色譜-三重四極桿串聯質譜法》(HJ 1002—2018)[18]、《水質 4種硝基酚類化合物的測定 液相色譜-三重四極桿質譜法》(HJ 1049—2019)[19]建立的超高效液相色譜-串聯質譜(UHPLC-MS/MS)法進行對比，比較了2種方法的檢出限、準確度和精密度，并用這2種方法同時分析了22份實際水樣品中丁基黃原酸和苦味酸的質量濃度。根據試驗結果，進而對2種方法的性能和適用性進行了總結歸納。

1 試驗部分

1.1 主要儀器

Thermo ICS2100-MSQ離子色譜-質譜儀；Waters Xevo TQ-S Micro超高效液相色譜-串聯質譜儀。

1.2 材料與試劑

丁基黃原酸鉀(100 mg/L，壇墨)；苦味酸(100 mg/L，甲醇中，Bepure?)；NaOH溶液(1 mol/L)；乙腈(色譜純)；試驗用水為Milli-Q所制18.2 MΩ超純水。

1.3 標準溶液的配制

在純水里滴加NaOH溶液，配成pH值為9～10的堿溶液。稱取適量丁基黃原酸鉀，用少量堿溶液溶解后定容，避光保存；稱取適量苦味酸直接用超純水稀釋到所需濃度。IC-MS法：取2種標液逐級稀釋配制成5、10、50、100、500 μg/L的混合標準系列溶液。UHPLC-MS/MS法：取丁基黃原酸標液逐級稀釋配制成0.5、1.0、10.0、20.0、50.0、100.0 μg/L的標準系列溶液，取苦味酸標準液逐級稀釋配制成1、5、10、20、50 μg/L的標準系列溶液。標準系列溶液臨用現配。

1.4 儀器條件

1.4.1 IC-MS法

(1)色譜條件

色譜柱為AG20柱(2×250 mm)；流動相采用KOH淋洗液自動發(fā)生裝置，梯度洗脫；分析流速為0.4 mL/min；柱后在線加乙腈流速為0.4 mL/min；抑制器電流為50 mA；柱溫為30 ℃；進樣體積為100 μL。

(2)質譜條件

霧化溫度為450 ℃；離子傳輸管溫度為350 ℃；鞘氣壓力為40 psi(1 psi=6.895 kPa)；輔助氣壓力為3 psi；反吹氣壓力為0.5 psi；源電壓為-3 500 V。

1.4.2 UHPLC-MS/MS法

(1)丁基黃原酸

色譜柱為ACQUITY HSS T3柱，1.8 μm(2.1 mm×100 mm)；流動相為氨水、乙腈，梯度洗脫；柱溫為40 ℃；進樣體積為10 μL；毛細管電壓為3.0 kV；質譜源溫度為120 ℃；電離方式為電噴霧負離子模式(ESI-)；脫溶劑氣溫度為500 ℃；脫溶劑氣流量為1 000 L/h。

(2)苦味酸

色譜柱為ACQUITY HSS T3柱，1.8 μm(2.1 mm×100 mm)；流動相為甲酸銨-甲酸、甲醇，梯度洗脫；柱溫為40 ℃；進樣體積為10 μL；毛細管電壓為3.0 kV；質譜源溫度為120 ℃；電離方式為電噴霧負離子模式(ESI-)；脫溶劑氣溫度為600 ℃；脫溶劑氣流量為1 000 L/h。

1.5 樣品預處理

水樣中丁基黃原酸鹽易分解，在酸性介質中迅速分解生成CS2和相應的醇，而生成的醇可自動催化分解反應。水樣采集于棕色玻璃瓶中，向水樣中滴加1 mol/L的NaOH溶液調節(jié)水樣pH值至9～10，于4 ℃避光冷藏保存，1周內測定。樣品恢復至室溫后測定其pH，若pH有變化，重新用NaOH溶液調節(jié)pH值至9～10。樣品搖勻，IC-MS法水樣直接過樣品塞自帶的0.45 μm濾芯、UHPLC-MS/MS法水樣過0.22 μm的聚偏氟乙烯(PVDF)濾膜后分析。

2 結果與討論

2.1 條件選擇與優(yōu)化

2.1.1 IC-MS法

(1)色譜條件的選擇

試驗中發(fā)現苦味酸保留能力強，用70 mmol/L的KOH等度洗脫AS20的色譜柱，用時為45.8 min，且峰型嚴重拖尾。最后選擇用AG20保護柱作為分析柱，苦味酸出峰時間縮短，峰型拖尾現象得到很大改善。

(2)質譜條件的選擇

丁基黃原酸標準限值低，電導檢測器的靈敏度達不到《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)限值(≤0.005 mg/L)要求，故通過自主研究建立了IC-MS法同時檢測地表水中丁基黃原酸和苦味酸。本試驗對離子色譜柱后、質譜前在線加乙腈與不加乙腈的丁基黃原酸質譜響應值進行了比較。結果表明，離子色譜柱后、質譜前在線加乙腈，丁基黃原酸的響應值提高了一個數量級，而且噪聲明顯降低。

丁基黃原酸和苦味酸的質譜圖如圖1～圖2所示。

圖1 5 μg/L丁基黃原酸(m/z 149)質譜圖Fig.1 Mass Spectrum of 5 μg/L Butyl Xanthate(m/z 149)

圖2 500 μg/L苦味酸(m/z 228)質譜圖Fig.2 Mass Spectrum of 500 μg/L Picric Acid(m/z 228)

2.1.2 UHPLC-MS/MS法

根據《水質 丁基黃原酸的測定 液相色譜-三重四極桿串聯質譜法》(HJ 1002—2018)和《水質 4種硝基酚類化合物的測定 液相色譜-三重四極桿質譜法》(HJ 1049—2019)2種方法建立了UHPLC-MS/MS法分別測定了水中的丁基黃原酸和苦味酸。由于2種化合物的檢測使用不同的流動相和脫溶劑氣溫度，只能通過設定不同條件分別檢測2種有機物，過程比起離子色譜質譜法會比較繁瑣，需要用到的試劑種類多。丁基黃原酸和苦味酸的色譜圖如圖3～圖4所示。

圖3 20 μg/L丁基黃原酸色譜圖Fig.3 Chromatogram of 20 μg/L Butyl Xanthate

圖4 20 μg/L苦味酸色譜圖Fig.4 Chromatogram of 20 μg/L Picric Acid

2.2 方法的線性范圍與檢出限

2.2.1 IC-MS法

丁基黃原酸的標準曲線質量濃度為5～500 μg/L，標準曲線方程為y=233.11x+238.13 (y為面積，x為質量濃度)，相關系數r=0.999 9。苦味酸的標準曲線質量濃度為5～500 μg/L，標準曲線方程為y=894.69x+1 878.17，相關系數r=0.999 8。平行測定5 μg/L空白加標樣品7次，丁基黃原酸測定結果為4.78、4.92、5.32、5.32、4.70、4.72、5.25 μg/L，苦味酸測定結果為4.95、4.82、5.34、5.22、4.95、4.88、5.26 μg/L，方法的檢出限(3.14×SD)分別為0.90、0.65 μg/L。

2.2.2 UHPLC-MS/MS法

丁基黃原酸的標準曲線質量濃度為0.5～100.0 μg/L，標準曲線方程為y= 16 098.2x-1 105.9，相關系數r=0.999 9，平行測定1 μg/L空白加標樣品7次，測出結果為0.997、0.968、0.946、0.946、0.961、0.936、0.935 μg/L，方法的檢出限為0.07 μg/L?？辔端岬臉藴是€質量濃度為1～50 μg/L，標準曲線方程為y=5 115.8x+2 092.3，相關系數r=0.997 7，平行測定2 μg/L空白加標樣品7次，測出結果為1.69、1.72、1.70、1.69、1.70、1.68、1.52 μg/L，方法的檢出限為0.21 μg/L。

2.3 方法的回收率和精密度

在容量瓶中加入一定體積的丁基黃原酸和苦味酸標液，用實際水樣稀釋定容，使稀釋后的2種物質質量濃度分別為5 μg/L和20 μg/L，用IC-MS法和UHPLC-MS/MS法分別測定，7次測定后的加標回收率及相對標準偏差結果如表1所示。

表1 實際水樣的加標回收率及相對標準偏差Tab.1 Determination Results of Standard Recoveries of Actual Water Sample and RSDs

表1數據顯示，丁基黃原酸的加標回收率在95.4%～99.8%，苦味酸的加標回收率在101.0%～107.5%，7次結果相對標準偏差(RSD)均<5%，能夠很好地滿足質控要求。試驗說明使用這2種方法有較好的回收率且具有較高的精密度，能夠很好地滿足試驗室實際水樣的檢測要求。

2.4 實際樣品測定

本試驗采用2種方法同時測定了珠海市水源水22份，樣品均未檢出丁基黃原酸和苦味酸，2種化合物的質量濃度均遠低于地表水環(huán)境質量標準規(guī)定的限值，說明目前珠海市水源水不存在丁基黃原酸和苦味酸污染。

3 結論

(1)IC-MS法可同時測定地表水中的丁基黃原酸和苦味酸，線性相關系數分別是r=0.999 9 (5～500 μg/L)和r=0.999 8 (5～500 μg/L)，檢出限分別為0.90 μg/L和0.65 μg/L，實際水樣加標回收率分別在96.5%～98.2%和101.0%～106.5%，RSD分別為0.90%～2.70%和0.75%～1.80%。UHPLC-MS/MS法在不同條件下分別測定丁基黃原酸和苦味酸，線性相關系數分別是r=0.999 9(0.5～100.0 μg/L)和r=0.997 7(1～50 μg/L)，檢出限分別為0.07 μg/L和0.21 μg/L，實際水樣加標回收率分別在95.4%～99.8%和104.2%～107.5%，RSD分別為0.23%～2.90%和0.62%～1.07%。由以上數據可以得出2種方法均有較好的準確性和精密度，但從檢出限的結果可以看出UHPLC-MS/MS法的檢出限相對更低，說明使用UHPLC-MS/MS法檢測這2種物質時具有更高的靈敏度。

(2)2種方法的前處理采用過0.45 μm濾芯或0.22 μm濾膜后直接進樣測定，簡便易行，無需繁雜的前處理過程，簡化了樣品分析過程中的前處理，使得分析效率得到提高。檢測和衛(wèi)生標準要求均符合GB 3838—2002、HJ 1002—2018和HJ 1049—2019。

(3)本試驗采用2種方法同時測定了珠海市水源水22份，結果均未檢出，說明珠海市水源水中目前不存在丁基黃原酸和苦味酸2種有機物的污染。

(4)根據GB3838—2002、HJ 1002—2018、HJ 1049—2019中的要求，2種方法均能滿足2種有機物的檢測要求。雖然UHPLC-MS/MS法的檢出限低于IC-MS法，但使用UHPLC-MS/MS測定這2種有機物時需要用到不同的流動相和脫溶劑溫度，因此，一次只能測定這2種化合物中的其中一種，2種有機物的測定不能同時進行，需要分2次試驗來檢測。而IC-MS法則可同時檢測這2種物質，不需要更換流動相以及重新設定溫度，一次進樣就可以解決同時測定2種有機物，測定步驟簡單，無須多次重復進樣，使用的試劑種類較少，更環(huán)保。因此，在要求檢測水樣中丁基黃原酸和苦味酸2種有機物時，推薦優(yōu)先使用IC-MS法。