氣相色譜-三重四極桿質(zhì)譜法測定地下水中44種有機物污染物

余蕾， 張小毅

(新疆維吾爾自治區(qū)礦產(chǎn)實驗研究所， 新疆 烏魯木齊 830000)

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中對環(huán)境的污染，不僅僅對土壤和地表水造成危害，作為飲用水源的地下水也受到了不同程度的污染[1-2]，因此，地下水的污染物分析越來越體現(xiàn)出重要性[3-4]，加強地下水有機污染物調(diào)查已是環(huán)境保護的迫切需求。2017年國家頒布的《地下水質(zhì)量標準》(GB/T 14848—2017)中有機指標由原來的2項增加至49項，其中包括揮發(fā)性有機物、多環(huán)芳烴、有機氯、多氯聯(lián)苯、硝基苯、有機磷、三嗪類、鄰苯二甲酸酯類、氨基甲酸酯類、酚類等多種物質(zhì)。如何快速、準確地檢測這些物質(zhì)是當前地下水有機分析領域的重要課題。這些物質(zhì)中，半揮發(fā)性有機物的種類多、極性差別大，從多環(huán)芳烴的弱極性到有機氯、有機磷的中強極性，難以實現(xiàn)在保證較低的檢出限的情況下同時測定多種類有機物。其中，鄰苯二甲酸酯是一種常用增塑劑，隨著塑料制品的大量生產(chǎn)和使用，大量的鄰苯二甲酸酯進入土壤、大氣和水體中，對水生生物和人體產(chǎn)生潛在危害。鄰苯二甲酸二(2-乙基己基)酯[5]在相應的制品中呈游離態(tài)，主要依靠氫鍵和范德華力結(jié)合，極易在地下水樣前處理過程中釋放至樣品中，造成樣品的污染，對其準確測定帶來了極大挑戰(zhàn)[6-7]。

目前，國內(nèi)外研究地下水中半揮發(fā)有機物的檢測方法主要有液相色譜法[8]、氣相色譜法[9]、氣相色譜-質(zhì)譜法[10]、氣相色譜-三重四極桿質(zhì)譜法等[11]。由于氣相色譜-三重四極桿質(zhì)譜的多反應檢測模式(MRM)可以有效降低背景干擾，大幅度提高分析的靈敏度，近年來已有文獻報道應用于水質(zhì)、土壤、生物、農(nóng)產(chǎn)品等檢測領域[12-15]。其中應用于水質(zhì)檢測的方法檢出限可達ng/L級[10-11]，但檢測對象種類較為單一，往往只針對某單一類化合物，如有機氯類[11]、鄰苯二甲酸酯類[16]等，難以實現(xiàn)多種類化合物的同時測定。地下水中半揮發(fā)有機物的前處理方式通常有液液萃取、固相萃取、固相微萃取等。液液萃取法的流程長，需要消耗大量溶劑[17]；固相萃取法的富集過程所需時間長，不能實現(xiàn)快速分析；固相微萃取法的耗材昂貴[18-19]，操作可控性差，不適合大批量的樣品分析。

QuEChERS是由美國農(nóng)業(yè)部Anastassiades等于2003年開發(fā)的一種用于農(nóng)產(chǎn)品檢測的快速樣品前處理技術[20]。該技術主要采用乙腈提取，樣品經(jīng)離心分離、分散固相萃取凈化離心后直接測定。該方法的應用減少了取樣量，簡化了前處理流程[21-22]，現(xiàn)已經(jīng)廣泛應用于生物、農(nóng)產(chǎn)品的檢測[23-26]，近年來也有報道將QuECHERS方法應用于水樣檢測中，但主要是針對某一類有機物，并且關注的重點在于QuECHERS方法的凈化能力方面。本文基于氣相色譜-三重四極桿質(zhì)譜的低干擾和高靈敏度，采用改進的QuECHERS方法對樣品進行處理，在水樣中加入內(nèi)標，使用二氯甲烷萃取，取一定量的二氯甲烷層溶液上機測定。該方法簡化了前處理流程，實現(xiàn)了一次萃取，有機氯、有機磷、鄰苯二甲酸酯類、多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯、硝基苯等44種半揮發(fā)性有機物的同時測定。

1 實驗部分

1.1 儀器和主要試劑

Agilent 7890B氣相色譜儀(美國Agilent公司)。Agilent 7000D三重四極桿串聯(lián)質(zhì)譜儀(美國Agilent公司)。往復式振蕩器。HP-5ms彈性石英毛細管柱(30m×0.25mm×0.25μm)。

標準溶液：9種多氯聯(lián)苯混合標準、16種多環(huán)芳烴混合標準、10種有機氯農(nóng)藥混合標準、4種有機磷混合標準、2-4-二硝基甲苯、2-6-二硝基甲苯、百菌清、克百威、鄰苯二甲酸2-(乙基己基)酯標準品，均購自上海安譜實驗科技股份有限公司。

內(nèi)標：萘-d8、菲-d10、苝-d12，均購自上海安譜實驗科技股份有限公司。

二氯甲烷：農(nóng)殘級(美國ThermoFisher公司，4L)。

1.2 混合標準溶液的配制

將各標準溶液按照比例混合配制成二氯甲烷介質(zhì)，各目標化合物濃度為400ng/mL(多氯聯(lián)苯類為100ng/mL)的混合標準溶液。將混合標準溶液逐級稀釋成1～200ng/mL的標準系列(多氯聯(lián)苯類稀釋為0.25～50ng/mL的標準系列)。

替代物和內(nèi)標配制成40μg/mL二氯甲烷介質(zhì)的混合標準溶液。

1.3 氣相色譜分析條件

HP-5ms毛細管柱，柱溫60℃，保持1min，以40℃/min升至170℃，再以10℃/min升至310℃，保持3min。進樣口溫度280℃；不分流進樣，恒流模式，柱流量1mL/min；進樣量1μL。

1.4 質(zhì)譜分析條件

選擇EI源；能量70eV；傳輸線溫度250℃；離子源溫度230℃；前級、后級四極桿溫度均為150℃；QQQ碰撞池氦氣(淬滅氣)流速2.25mL/min；氮氣(碰撞氣)流速1.5mL/min；溶劑延遲3.0min[11]。

1.5 樣品采集和實驗方法

使用1L棕色玻璃瓶采集新疆國家地下水監(jiān)測工程監(jiān)測井水樣，聚四氟乙烯蓋密封。采集的樣品在低溫下(4℃)保存，14天內(nèi)完成測定。空白水樣和加標水樣均為二次去離子水，不含待測目標物。

量取100mL水樣置于帶磨口塞的250mL玻璃錐形瓶中，加入20μL內(nèi)標和替代物，準確加入10mL二氯甲烷，振蕩10min后靜置10min分層，取二氯甲烷層1mL上機測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 質(zhì)譜條件優(yōu)化

采用氣相色譜-三重四極桿質(zhì)譜法測定地下水中的有機污染物，該方法利用多反應監(jiān)測模式(MRM)定性定量、抗干擾和靈敏度高的優(yōu)勢降低檢出限，適合超痕量有機污染物定性和定量分析[27-28]。MRM模式在第2個四極桿可除去許多化學背景，通常情況下出現(xiàn)與碎片離子質(zhì)量完全相同的同種干擾的機會微乎其微，所以三重四極桿質(zhì)譜對于復雜基質(zhì)中的低濃度定量比單四極桿可減少更多的化學噪音[29-30]。

由于地下水污染物含量低和前處理取樣量的減少，本實驗選擇高靈敏度的氣相色譜-三重四極桿質(zhì)譜進行測定。首先用1μg/mL的44種混合標準溶液進行全掃描分析，得到44種有機物的保留時間，考察各化合物的碎片離子及相對豐度，選擇質(zhì)荷比最大、豐度最高的離子為母離子，對其產(chǎn)生的二級質(zhì)譜碎片離子進行掃描，得到子離子掃描質(zhì)譜圖，選擇響應強的2個二級碎片作為子離子對。對不同的母離子、子離子以及碰撞電壓進行優(yōu)化，確定了這44種有機物的MRM模式的最佳質(zhì)譜分析條件。44種有機物的定量和定性離子對、保留時間、碰撞電壓及內(nèi)標列于表1中，MRM質(zhì)譜圖如圖1所示。

表1 多反應監(jiān)測模式(MRM)下44種有機物質(zhì)譜分析條件

圖1 有機污染物多反應監(jiān)測模式(MRM)質(zhì)譜圖Fig.1 Mass spectrogram of organic pollutants in multi-reaction monitoring mode (MRM)

2.2 萃取溶劑的選擇

地下水中檢測的有機物種類繁多，在目前的水質(zhì)分析中，常以正己烷、二氯甲烷、乙酸乙酯、丙酮、乙腈、甲苯等作為提取溶劑[3]。其中丙酮、乙酸乙酯屬于極性較大溶劑，會與水互溶，不適合作為QuECHERS處理溶劑，本實驗選擇正己烷和二氯甲烷作為提取溶劑。在水樣中加入44種有機物混合標準溶液0.50μg/L，分別加入正己烷和二氯甲烷各10mL，平行測定6份，每種物質(zhì)的平均回收率如圖2所示。由圖2可知，當使用正己烷為提取溶劑時，多環(huán)芳烴、有機氯、硝基苯和多氯聯(lián)苯類的提取效果較好，而有機磷和百菌清的提取效率較低；二氯甲烷對這44種半揮發(fā)有機物的提取效率都比較好。

圖2 正己烷和二氯甲烷提取有機污染物的平均回收率Fig.2 Average recovery rate of organic pollutants extracted by dichloromethane and n-hexane

已有研究表明，正己烷的極性小，對多環(huán)芳烴、有機氯等弱極性物質(zhì)的提取效果較好，但對極性大的有機磷、百菌清的提取效果較差[17]。根據(jù)相似相溶原理，選擇極性大的有機溶劑才能更好地提取極性大的有機物。在常用有機溶劑中，二氯甲烷的極性大，與水不互溶，所以用二氯甲烷的提取效果較好。再者，由于二氯甲烷的密度比水大，可以在各種渾濁水樣基質(zhì)中迅速分層，另外由于揮發(fā)性很強的二氯甲烷被水相層覆蓋，使得在實驗操作過程中的毒害作用下降[3]。故本文實驗確定了選擇二氯甲烷作為QuECHERS提取溶劑。

2.3 QuECHERS方法的應用

通常QuECHERS方法主要采用乙腈等溶劑提取樣品，樣品經(jīng)離心分離、分散固相萃取凈化離心后直接進行測定[31-32]。如前所述，QuECHERS方法主要應用于食品、農(nóng)產(chǎn)品的前處理[33-34]。本方法在前人QuECHERS方法的基礎上加以改進，將此方法應用于水樣處理，簡化了前處理過程。具體步驟是：在處理樣品前將內(nèi)標和替代物同時加入100mL水樣中[35-36]，用10mL二氯甲烷振蕩提取靜置分層后，不需離心和凈化，直接抽取一定量二氯甲烷層上機測定，這樣不僅能消除儀器波動帶來的影響，還可以消除前處理的損失，準確度顯著提高。實驗中添加三種內(nèi)標和兩種替代物，分別在前、中、后段出峰，以此來監(jiān)控低、中、高沸點的化合物。內(nèi)標有針對性，對檢測結(jié)果有一定的保證[37-38]。

對0.10μg/L、0.50μg/L和2.0μg/L三種濃度的混合標準溶液，采用本實驗改進的QuECHERS方法和液液萃取法進行分析對比，三種濃度水平的平均回收率見圖3。由圖3可知，對于改進的QuECHERS和液液萃取法，目標物的回收率沒有明顯差異；改進的QuECHERS方法的回收率在75%～120%，替代物回收率在80%～120%，也能達到傳統(tǒng)液液萃取的水平，但前處理過程大大縮短。

圖3 采用改進的QuECHERS和液液萃取法的平均回收率Fig.3 Average recovery of improved QuECHERS and liquid-liquid extraction

2.4 方法檢出限、精密度和回收率

在空白水樣中按0.10μg/L、0.50μg/L和2.0μg/L三個添加水平進行加標回收實驗，每個添加水平做6次平行，計算回收率和相對標準偏差；依據(jù)《環(huán)境監(jiān)測研究方法標準制定修訂技術導則》(HJ 168—2010)中檢出限實驗要求，在空白水樣中按0.05μg/L添加44種混合標準溶液平行進行7次實驗，計算標準偏差后乘以3.143得到方法檢出限。表2列出了檢出限、回收率和相對標準偏差(RSD)，這些指標能滿足地下水《地下水質(zhì)量標準》(GB/T 14848—2017)分析方法的技術要求。

表2 采用改進QuECHERS方法的檢出限、回收率和相對標準偏差

與液液萃取對比，改進的QuECHERS法的流程短，所需試劑少，操作簡便，使用的器皿少(表3)，因而大大降低了鄰苯二甲酸酯的檢出限，比常規(guī)氣相色譜-質(zhì)譜法(GC-MS)檢出限低5～10倍[19]。再者，本方法更適合地下水中痕量有機物的檢測，在精密度和回收率實驗中添加的濃度水平低(最低為0.10μg/L)，其回收率也在可接受的范圍內(nèi)(75%～120%)。而目前報道的最低加標濃度一般在1～10μg/L，回收率范圍為80%～120%[10,16,24]，本次實驗添加的濃度比報道中低10～100倍，并且研究對象更加復雜，方法包容性更大，適合大量樣品的多組分痕量檢測。

表3 本文方法和液液萃取方法優(yōu)缺點對比

3 實際樣品分析

2019—2020年國家啟動“全國地下水監(jiān)測工程運行維護”項目，本項目組承擔了新疆維吾爾自治區(qū)地下水的檢測工作，依據(jù)《地下水質(zhì)量標準》(GB/T 14848—2017)和《地下水環(huán)境監(jiān)測技術規(guī)范》(HJ 164—2020)對地下水進行采集、保存、運輸。將本方法應用于該項目中，在實際樣品檢測中以上44種污染物均未超過地下水污染檢出限要求，表明新疆地下水暫不存在安全隱患，相關部門對農(nóng)藥殺蟲劑管控措施在地下水保護方面發(fā)揮了重大作用。

4 結(jié)論

針對地下水有機污染物的低濃度和多組分的特點，本文建立了基于改進的QuECHERS前處理，氣相色譜-三重四極桿質(zhì)譜測定地下水中44種有機污染物的方法。本方法取樣量小，使用的有機試劑和器皿少，降低了鄰苯二甲酸酯空白本底，在簡化了前處理流程的同時也能保證低檢出限。

本方法解決了地下水中有機污染物多組分同時測定時檢出限欠佳的問題，同時通過采用改進的QuECHERS前處理方式也解決了水樣前處理的大體積取樣、流程長的問題。本方法涵蓋44種有機污染物，包容性更大，適用于大批量水樣痕量分析，可為地下水、地表水的有機污染物監(jiān)測提供參考。