離子色譜-串聯質譜法分析環境水體中痕量人工甜味劑

桂建業　孫　威　張辰凌　張永濤　張　莉　劉　菲*(中國地質科學院水文地質環境地質研究所，正定050803)(中國地質大學(北京)，水資源與環境學院，北京00083)

離子色譜-串聯質譜法分析環境水體中痕量人工甜味劑

桂建業1，2孫威2張辰凌1張永濤1張莉1劉菲*2
1(中國地質科學院水文地質環境地質研究所，正定050803)2(中國地質大學(北京)，水資源與環境學院，北京100083)

人工甜味劑被廣泛使用并且在環境中持久存在，因此可能成為生活廢水污染地表水體及地下水的有力證據。人工甜味劑作為一種新型示蹤劑，對其在環境水體中的分析方法的靈敏度和抗干擾能力提出了更高的挑戰。本研究采用離子色譜-三重四極桿串聯質譜負離子模式實現了4種人工甜味劑的分離檢測。經對比考察，采用細內徑(2mm)離子色譜柱(AS19-2 mm)既縮短了保留時間又提高了分離度;采用60 mmol/L NaOH等度洗脫，既實現了簡便操作，又克服了傳統的反相分離試劑及緩沖鹽對離子化效度的負面影響;采用默克固相萃取柱(Merk LiChrolut EN 200 mg 3 mL)對酸化水樣(pH＜2．0)進行富集，固相萃取柱活化條件為依次加入2 mL甲醇與2 mL水，并采用2 mL甲醇;采用外接水柱后抑制法進一步提高了靈敏度、降低了檢測背景值，抑制器電流為75mA;統一采用多反應監測負離子模式實現了安賽蜜、糖精鈉、甜蜜素及三氯蔗糖4種人工甜味劑的同時采集與檢測，檢出限均在5．0 ng/L以下，不同基質環境樣品的加標回收率可控制在65%～120%之間。本方法簡便、干擾少、檢出限低，既適合于不同基質環境水樣的日常分析監測，又適合于地下水污染的示蹤研究。

人工甜味劑;示蹤劑;離子色譜-串聯質譜;地下水

1　引言

人工甜味劑是一類廣泛被用來替代蔗糖的低能量添加劑，常被用在食品、飲料、藥品以及諸多衛生產品上，這類甜味劑包括安賽蜜、糖精鈉、三氯蔗糖、甜蜜素、紐甜、阿斯巴甜等，其中前4種在我國使用最為普遍。由于人工甜味劑毒理性很弱，因此對其環境行為研究很少。自Buerge等發現其在環境中難以降解，并且會隨著廢水的排放進入各種環境受體以來，其作為生活廢水環境示蹤劑的作用日益受到關注和重視［1，2］，一些文獻報道了其作為示蹤劑的可靠性［3］，有的研究者嘗試將人工甜味劑與其它示蹤劑一起，聯合對生活污水進行示蹤［4］。

當前，人工甜味劑較為成熟的測試方法包括高效液相色譜法［5，6］、傅立葉變換拉曼光譜法［7］、氣相色譜-質譜法［8］、液相色譜-質譜聯用法［9］等。這些方法已經足夠滿足其在食品飲料中的分析要求，但是對于環境樣品分析卻不夠滿意，因為環境樣品中人工甜味劑的含量很低，多處于痕量乃至超痕量水平，并且環境樣品基質各不相同，分析檢測難度大，定量分析困難。

目前，環境樣品中痕量人工甜味劑的分析主要采用液相色譜-三重四極桿串聯質譜法。Scheurer等［10］建立了反相液相色譜分離、柱后添加改進劑(三羥甲基氨基甲烷，Tris)的串聯質譜方法，Gan等［11］改進了該方法，將改進劑Tris直接加入到流動相中，使其作為離子對試劑來改善分離，并且在固相萃取的過程也引入Tris，用于提高萃取效率。類似方法了有報道［12，13］，但只是采用了不同的或者性能更高的質譜儀來完成多反應監測。Wu等［14］采用監測加合離子［M+HCOO］-的辦法使三氯蔗糖的靈敏度提高了20倍，實現了地下水樣品的大體積進樣直接分析。與其它類目標物(如藥品與護膚品、內分泌干擾物等)同時分析的方法也陸續被開發［15，16］，但均是采用反相分離串聯質譜檢測的方法，這些方法都存在著靈敏度不高、分離困難等問題，因為這些方法都要借助梯度洗脫并且添加改進劑才能實現分離，然而在添加改進劑的同時又會給后續的質譜檢測帶來負面影響。

本實驗系統研究了離子色譜-三重四極桿質譜多反應監測分析方法，利用簡單有效的條件解決分離與檢測的矛盾，并試圖研發配套的基于聚合物填料的新型固相萃取方法，有效解決多種基質水樣中人工甜味劑的篩選與分析方法，為地下水污染示蹤提供可靠手段。

2　實驗部分

2．1儀器與試劑

ICS-1500離子色譜儀(美國戴安公司);3200-QTRAP三重四極桿線性離子阱串聯雜交質譜儀(美國AB公司);MTN-2800W氮吹儀(天津奧特賽恩斯儀器有限公司);HA-20固相萃取儀(天津市恒奧科技發展有限公司);AS11HC-4mm，AS17HC-4mm AS19-4mm，AS19-2mm離子色譜柱(美國戴安公司); ASRS 300抑制器(美國戴安公司);Phenomenex Fusion-RP C18液相色譜柱(廣州菲羅門科學儀器有限公司);Shim-pack VP-ODS液相色譜柱(日本島津公司)。

固相萃取柱:Supelco ENVI-18(色譜科500 mg/6 mL)，Varian，Bond Elut-C18(瓦里安，500 mg/ 6 mL)，Agilent C18Sample Pack(安捷倫，500 mg/6 mL)，Oasis HLB Cartridge(沃特世，3 mL/60 mg)，Merk LiChrolut EN 200(默克，mg/3 mL)，Poly-sery PSD(德國CNW，200 mg/3 mL)。

標準品:三氯蔗糖、安賽蜜、糖精鈉、甜蜜素(百靈威公司);內標物:三氯蔗糖D6、安賽蜜D4(百靈威公司);甲醇、乙腈(德國Merk公司);無水Na2SO4、H3PO4(優級純)，NaOH(優級純)購自國藥集團試劑有限公司;純水取自Milli-RO Plus超純水系統(Millipore公司)。

2．2樣品預處理

取200mL水樣，加入約3mLH3PO4(V(H3PO4)∶V(H2O)=1∶2)，搖勻，使pH＜2．0。先后用2mL甲醇與2 mL水對Merk小柱進行活化，將小柱裝入固相萃取裝置，連接大體積采樣管，使酸化好的樣品以4 mL/min的速度上樣，再以2 mL甲醇洗脫，用氮吹儀吹至近干，加入內標10μL(1．0 mg/L三氯蔗糖D6及安賽蜜D4混合液)，以水定容至1 mL，待測。

2．3色譜-質譜條件

離子色譜柱AS19-2mm，60 mmol/L NaOH等度洗脫，流速0．3 mL/min，抑制器采用外接水模式，外接水流量0．8 mL/min，抑制電流75 mA，電噴霧電離源監測方式為負離子多反應監測模式，離子噴霧電壓-3500 V，離子源溫度600℃，碰撞氣壓力(CAD)83 kPa，氣簾氣壓力(CUR)172 kPa，GAS1 350 kPa，GS2 450 kPa，其它離子碎片參數見表1。

表1　串聯質譜監測條件Table 1　Condition of tandem mass spectrometry

3　結果與討論

3．1人工甜味劑的性質及分離方式的選擇

大多數人工甜味劑含有羥基、磺酸基或磺酰基，這些強親水性的極性基團都會導致這些化合物在水中以離子形式存在，即水中溶解度極大，這一性質也決定了人工甜味劑一旦進到受體環境后，會隨著水體遷移非常遠距離，部分人工甜味劑在環境中穩定性較好，因此可以作為環境的示蹤劑。

由于人工甜味劑的高親水性使得其在常規的基于反相機理的液相色譜柱上保留非常弱，甚至不保留，這給色譜分離帶來了很大困難。人工甜味劑均屬于帶負電物質，在流動相中加入一定比例的酸會增強其在反相色譜柱上的保留，但是酸的加入會嚴重抑制負離子在電噴霧上的信號強度，這就使分離與檢測形成了一對不可調和的矛盾。離子對試劑也可以用來改善分離，但是流動相中加入離子對試劑會使平衡時間變得很長，并且離子對試劑也會使部分物質(如三氯蔗糖)在電噴霧上的信號變弱［10］。某些特殊處理的反相色譜柱在一定條件下也可以使人工甜味劑的保留有所增強，但也必須通過加入緩沖鹽，或者改進劑，并且通過梯度洗脫方能實現［11］。

離子色譜分離是根據離子價態和疏水性吸附程度進行色譜分配的一種分離方式，由于人工甜味劑在水中以離子形式出現，并且疏水性和價態不一，因此理論上可以采用離子色譜柱進行分離。本研究分別采用AS11HC、AS17HC及AS19色譜柱進行實驗，發現多種離子色譜柱均有分離人工甜味劑的能力，但分離性能和分離時間差別非常大，AS11HC是高容量的陰離子分離柱，適用于分析復雜樣品基質中大量的無機陰離子和有機酸，但是在分離人工甜味劑時，保留時間需要30 min以上，并且需要NaOH濃度大于70 mmol/L，這給后面抑制器工作造成很大的負荷;AS17HC及AS19均可以在梯度條件下20 min內完全分離4種人工甜味劑，峰對稱性好，但半峰寬較大，以上實驗均是采用4 mm內徑的色譜柱完成。理論上，采用2 mm內徑的色譜柱可以提高4倍柱效，并且峰寬會變窄，這樣可以使靈敏度提高4倍以上，本研究采用AS19-2mm色譜柱進行實驗，采用60 mmol/L NaOH進行淋洗，4種甜味劑在9 min內實現完全分離，達到了滿意的效果(圖1)。

圖1　人工甜味劑(10．0μg/L)在AS 19-2mm離子色譜柱上的分離圖Fig．1　Chromatogram of artificial sweeteners(ASs，10．0μg/L)in anion chromatography column AS 19-2mm 1．三氯蔗糖(SUC)3．22 min;2．三氯蔗糖-d6(SUC-d6) 3．31 min;3．甜蜜素(CYC)3．58min;4．安賽蜜-d4(ACE-d4) 5．92 min;5．安賽蜜(ACE)5．93 min;6．糖精鈉(SAC)8．68 min

3．2萃取方法

由于人工甜味劑特殊的高親水性，使得在食品及土壤中萃取此物質的最佳溶劑為水或者緩沖鹽，而不是有機溶劑［13］。但是從水中將人工甜味劑反萃取非常困難。采用特殊填料(如HLB小柱)可以取得較好的回收率［17］，因為它是由親脂性二乙烯苯和親水性N-乙烯基吡咯烷酮兩種單體按一定比例聚合成的大孔共聚物，通過增加特殊極性捕獲基團，增強極性有機物的保留，但是，這些材質的保留機理依然為反相萃取，因此在回收率穩定性的控制上對操作者的要求較高。為了研究萃取柱及萃取填料對人工甜味劑的萃取性能，本實驗重點考察了LiChrolutEN固相萃取柱(Merk公司)及Poly-sery PSD萃取柱(德國CNW公司)，并將這些萃取柱的性能與Waters Oasis HLB(美國沃特世公司)及另外3種常規反相萃取柱ENVI-18(500 mg/6 mL Supelco公司)、Bond Elut-C18(500 mg/6 mL，Varian公司)、C18Sample Pack(500 mg，6 mL，Agilent公司)進行了比較。實驗采用石家莊地下水樣品(溶解性共固體為395．0 mg/L)，加標后在各類型固相萃取柱上進行回收實驗，加標濃度為50．0 ng/L，每份樣品的萃取體積為200 mL，操作方式見2．2節，6種不同萃取柱的萃取回收效果見表2。LiChrolutEN固相萃取柱在萃取人工甜味劑方面性能最好，原因可能在于此萃取柱的填料為苯乙烯二乙烯基苯共聚物(PS-DVB)，呈不規則形狀，其粒徑分布為40～120μm，由于其具有非常大的比表面積(約為1200 m2/g)，載量是普通反相C18柱的十幾倍，對于極性有機化合物有非常優越的吸附容量。

表2　6種固相萃取小柱的回收率(%)Table 2　Recovery of 6 kinds of solid phase cartridge(%)

3．3質譜條件的優化

串聯質譜多反應監測中質譜碎片的選擇以及離子化參數優化對于人工甜味劑的分析十分關鍵，與常規的反相分離的條件不同，離子色譜流動相為強堿(NaOH)，經過抑制器抑制后產物為純水，與甲醇、乙腈等有機溶劑相比，水對目標物離子化效率的促進作用較弱，對比實驗發現，在柱后添加50%乙腈可以將信號強度提高20%～75%，但缺點是操作上需要增加一臺計量泵及三通，這樣會使日常監測變得復雜。進一步實驗發現，提高離子源溫度也可以明顯提高離子化效率，優化離子源溫度發現，在600℃條件下取得了較好的效果。

3．4檢出限、線性范圍、線性系數及回收率

配制0．5～500．0μg/L的系列濃度加標溶液，采用內標法定量(其中，三氯蔗糖-D6定量三氯蔗糖;安賽蜜-D4定量安賽蜜、甜蜜素和糖精鈉)，相關系數可控制在0．997以上(表3);以華北地區地下水為基質，同時添加7個濃度為50．0 ng/L的樣品進行加標回收實驗，以3倍信噪比計算，除三氯蔗糖外，其余組分檢出限可達5．0 ng/L以下。

表3　線性范圍、相關系數、回收率、相對標準偏差及方法檢出限Table 3　Linearity range，correlation coefficient，recovery，RSD and LOD

3．5不同基質樣品加標回收實驗及實際樣品分析

采用石家莊城市及近郊飲用水、地下水、地表水及生活廢水等不同基質樣品，分別進行基體加標實驗，添加水平分別為20．0，50．0和100．0 ng/L，在不同基質條件下，所有化合物回收率均在65%～120%之內。采用本方法對華北地區地質調查的地下水及地表水等20余組樣品進行分析，共有7組有不同濃度的組分檢出，檢出率高達30%以上(表4)。

表4　實際樣品分析結果Table 4　Analytical result of real samples

7組有檢出結果的樣品中，編號為 HB15B15，HB15B67，HB15B95的樣品為地表水;編號為HB15D67，HB15D95，HB15D139和HB15D156的樣品為地下水。其中，HB15B67和HB15D67為同一個污水處理廠附近的地表水和地下水樣品;HB15B95和HB15D95為同一個生活垃圾填埋廠附近的地表水和地下水。從表7可見，安賽蜜的檢出最為普遍，尤其是有對應關系的地表水與地下水相關性較好，其作為示蹤劑的穩定性與可靠性較其它3種更有優勢;三氯蔗糖也具有較好的潛力，但由于其檢出限較其它幾種高，可能掩蓋了其指示意義;另外兩種甜蜜素和糖精鈉在地下水中檢出率較低，這可能是由于地表水在向地下水滲透的過程中由于土壤的岸濾作用而被吸附或截留的原因。

從當前報道的有限的人工甜味劑環境行為來看，安賽蜜和三氯蔗糖應該是很難被吸附或降解，而糖精和甜蜜素則較容易被吸附、降解或被污水處理廠處理掉［1～3］，因此Buerge等［1］曾經假設:如果在水環境中檢測出濃度較低的不易被降解的安賽蜜和三氯蔗糖，而糖精和甜蜜素等易被降解的甜味劑未被檢出，則說明該水體受到了被處理過的污水的污染;而如果安賽蜜和三氯蔗糖較高，糖精和甜蜜素較低，則說明該水體曾經被未處理過的污水污染(糖精和甜蜜素被降解了一部分，但還未完全降解，污水可能已經排入受納水體一定時間);如果糖精和甜蜜素較高，則說明該水體近期被污染(糖精和甜蜜素被降解的程度低，污水可能被排入受納水體不久)。按照這一推測，HB15B15和HB15B95可能是受了未被處理過的生活污水污染，HB15B67可能是水體近期剛被污染，而HB15D67、HB15D95、HB15D139和HB15D156則可能是被污染處理廠處理過的污水侵入過。本研究認為該假設對于地表水體更加適用，而對于地下水樣品，應該結合地層結構、地下水流向以及地層不同粘性對人工甜味劑的吸附降解作用等多種因素進行綜合考慮才可以給出明確的答案。

4　結論

本實驗系統研究了基于離子色譜分離結合串聯質譜進行檢測的可行性，優化了質譜參數，詳細對比了各種分離機制尤其是基于共聚物的固相萃取小柱與基于反相機理的固相萃取柱之間的差異和優缺點，采用簡單的等度條件實現了4種人工甜味劑的分離檢測。與已有的方法相比，由于有效利用了離子交換機理使得人工甜味劑在色譜柱上的保留大大增強，從而克服了反相分離保留時間太短易被干擾的情況。利用此方法對實際樣品進行了分析。由于本方法簡便實用、靈敏度高、回收率好、抗干擾能力強，因此可以有效應對不同基質樣品中人工甜味劑的分析監測，從而為采用人工甜味劑示蹤生活廢水對地表水受體及地下水滲入的影響提供技術，同時也可以為地下水污染的溯源提供有力支撐。

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Thiswork was supported by the National Natural Science Foundation of China(No．42172252)

An nnovative Approach to Sensitive Artificial Sweeteners Analysis by Ion Chromatography-Trip le Quadrupole Mass Spectrometry

GUIJian-Ye1，2，SUNWei2，ZHANG Chen-Ling1，ZHANG Yong-Tao1，ZHANG Li1，LIU Fei*2
1(Institute of Hydrogeology and Environmental Geology，Chinese Academy of Geological Sciences，Zhengding 050803，China)2(School ofWater Resources and Environment，China University of Geoscience，Beijing 100083，China)

Artificial sweeteners(ASs)have gained more and more attention by environmental scientists because some of them such as acesulfame，have the potential to be the ideal tracers of domestic wastewater for environmentalmonitoring．In contrast to the existingmethods of artificial sweeteners，the analyticalmethod of ASs as a new tracer for environmental samples requires better sensitivity and selectivity to avoid matrix interference．A highly sensitive method for the simultaneous determination of four frequently-used artificial sweeteners in water samples using solid-phase extraction and ion chromatography triple quadrupole mass spectrometer with an electrospray ionization source(IC-MS/MS)in negative ion mode was developed．The separation effect of different separation columns was compared and a 2-mm ion chromatography column AS19 was chosen in the experiment．Chromatographic separation of all the 4 artificial sweeteners was carried out in 9 min in isocratic elution mode using 60 mmol/L sodium hydroxide as eluent．Different kinds of solid phase extraction cartridgeswere evaluated to obtain satisfactory recoveries of all of the analytes．Merk LiChrolut EN (200 mg，3 mL)was preconditioned with 2 mL ofmethanol，followed by 2 mL of H2O．About 200 mL of sample(pH＜2．0)was passed through the cartridge at a flow rate of 4 mL/min，and then the cartridge was eluted using 2 mL ofmethanol．2 mm suppresser(75 mA)was used to reduce the background noise and to remove thematrix interference．The limits of detection were below 5．0 ng/L for various artificial sweeteners based on 3-fold the S/N．The recoveries of differentmatrices in the samples were 65%－120%．The method described here is time-saving，accurate and precise，and is suitable for monitoring artificial sweeteners in differentwatermatrices．Themethod has also the potential to trace other contaminants in groundwater．

Artificial sweeteners;Tracer，Ionchromatography-triple quadrupole mass spectrometry; Groundwater

28 August 2015;accepted 4 December 2015)

10．11895/j．issn．0253-3820．150689

2015-08-28收稿;2015-12-04接受

本文系國家自然科學基金項目(No．42172252)資助

*E-Mail:Agui_mail@163．com;