超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法測定水中痕量硝基多環(huán)芳烴

薛洪海，汪雨薇，，王 穎，陳 希，溫 學，高斯嶼，紀 寧

(1.吉林建筑大學松遼流域水環(huán)境教育部重點實驗室，吉林 長春 130118； 2.北京中領(lǐng)工程設(shè)計咨詢有限公司，北京 100035； 3.吉林省領(lǐng)地房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，吉林 長春 130117)

超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法測定水中痕量硝基多環(huán)芳烴

薛洪海1，汪雨薇1，2，王 穎1，陳 希3，溫 學1，高斯嶼1，紀 寧2

(1.吉林建筑大學松遼流域水環(huán)境教育部重點實驗室，吉林 長春 130118； 2.北京中領(lǐng)工程設(shè)計咨詢有限公司，北京 100035； 3.吉林省領(lǐng)地房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，吉林 長春 130117)

采用帶有大氣壓化學電離離子源的超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜儀，研究了水中2種典型硝基多環(huán)芳烴——1-硝基芘和1，8-二硝基芘的定量分析條件.結(jié)果表明，在多反應(yīng)監(jiān)測模式下，可直接分析水中痕量1-硝基芘和1，8-二硝基芘.其線性范圍分別為0.72～12 μg/L和0.48～48 μg/L，相關(guān)系數(shù)分別為0.999 0和0.999 2，回收率分別為97.67%～104.44%和93.33%～103.13%，方法檢出限分別為0.21 μg/L和0.15 μg/L，定量限分別為0.72 μg/L和0.26 μg/L.

1-硝基芘；1，8-二硝基芘；超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法

0 引言

硝基多環(huán)芳烴(nitro-polycyclic aromatic hydrocarbons，NPAHs)是一類具有直接致突變和致癌活性的多環(huán)芳烴(polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs)衍生物，[1]其致癌性和致突變性是PAHs的幾十甚至數(shù)萬倍.關(guān)于PAHs分析方法的報道較多，如液相色譜法、氣相色譜法、氣質(zhì)聯(lián)用(GC-MS)、液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法(LC-MS/MS)等，[2-5]而對NPAHs進行定量分析的研究較少.1-硝基芘(1-nitropyrene，1-NP)是一類結(jié)構(gòu)最簡單的NPAHs，也是汽車尾氣中含量最高的一類NPAHs[6]；1，8-二硝基芘(1，8-dinitropyrene，1，8-DNP)是目前報道的致突變活性最高的一類化合物[7].盡管1-NP和1，8-DNP在水中溶解度較低，僅為12 μg/L和54 μg/L，但有研究者已在雨水、河流中檢測到這兩種NPAHs.[8-9]

目前，關(guān)于大氣及大氣顆粒物中NPAHs檢測方法的報道較多，而對水中NPAHs分析方法的研究相對較少[10].盡管早在1994年，徐曉白院士[11]就利用帶有電子捕獲檢測器的氣相色譜儀(GC-ECD)在城市地表水樣中檢測到多種NPAHs，然而該方法需要復(fù)雜的富集及處理過程.最近，關(guān)于NPAHs檢測方法的研究主要集中于GC-MS法[12]以及高效液相色譜-熒光檢測法(HPLC-FLD)[13].鑒于NPAHs的低揮發(fā)性和熱不穩(wěn)定性，容易在進樣口分解，因此并不適于GC-MS分析.[8]HPLC-FLD法需要先將NPAHs衍生化為氨基多環(huán)芳烴(amino-PAH，APAH)，然后再測定具有熒光性的APAH，[14]從而間接獲得NPAHs的濃度.但APAH性質(zhì)不穩(wěn)定，需要在生成后立即進行測試，且這一衍生化反應(yīng)易受干擾.此外，上述兩種方法檢測NPAHs的靈敏度均不高.后來，研究者開發(fā)了帶有化學發(fā)光檢測器的高效液相色譜法(HPLC-CL)來分析NPAHs，[15]雖然靈敏度可提高100 倍，但仍然需要衍生化前處理，步驟繁瑣.Straube等[16]采用帶有不同離子源的LC-MS/MS分析了大鼠血漿中的DNP，結(jié)果發(fā)現(xiàn)電噴霧電離源中，DNP不能有效霧化，而大氣壓化學電離源(APCI)和大氣壓光化學電離源對DNP的檢測效果均較好.近年來，有研究者利用LC-MS/MS分析了大氣顆粒物和水中的1-NP，[17-21]獲得了較高的靈敏度；對于水樣來說，采用LC-MS/MS避免了繁雜的前處理過程，可以直接進樣分析，因此，可以預(yù)見，LC-MS/MS適于用作水中NPAHs的分析，然而目前關(guān)于這方面的研究很少.王莉麗等[5]利用帶有APCI離子源的LC-MS/MS分析了城市污水中的6種PAHs，在正離子、MRM監(jiān)測模式下獲得了較好的分離效果和較高的靈敏度.

本文利用LC-MS/MS法定量分析了水中痕量NPAHs，優(yōu)化了質(zhì)譜和色譜分析條件，通過線性范圍、檢出限和定量限、回收率和精密度等指標評價了方法的可行性.此外，采集實際水樣，分析了其中NPAHs的濃度.本方法具有較好的分離能力、較快的分析速度和較高的靈敏度.

1 實驗方法

1.1 主要儀器與裝置

Ekspert Ultra LC 110 XL超高效液相色譜儀，美國Eksigent公司產(chǎn)品，配有兩元四相梯度泵、自動進樣器和柱溫箱；3200 Q Trap串聯(lián)質(zhì)譜儀，美國AB Sciex公司產(chǎn)品，配有APCI離子源及Analyst 1.6數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng).175L液氮罐，浙江普陽深冷裝備有限公司產(chǎn)品；超純水機，上海摩勒科學儀器有限公司產(chǎn)品.

1.2 主要材料與試劑

1-NP，純度99%，美國Sigma公司產(chǎn)品；1，8-DNP，純度98%，美國Aldrich公司產(chǎn)品；甲醇，色譜純，美國Tedia公司產(chǎn)品；純凈水，杭州娃哈哈集團有限公司產(chǎn)品.

1.3 樣品制備

標準溶液的制備：分別準確稱取0.002 4 g 1-NP和0.004 8 g 1，8-DNP標準品，用甲醇溶解并定容至1 L，配制成2.4 mg/L 1-NP和4.8 mg/L 1，8-DNP的儲備液.使用前，用水稀釋成所需溶液.為避免1-NP和1，8-DNP發(fā)生光解，采用棕色容量瓶和鋁箔包裹，于4℃冰箱中密封保存.

1.4 實驗條件

1.4.1 色譜條件

色譜柱：Agilent Zorbax RRHD SB-C18色譜柱(2.1 mm×100 mm，1.8 μm)；柱溫40 ℃；進樣量20 μL；甲醇和水作為流動相，流速為200 μL/min.

1.4.2 質(zhì)譜條件

APCI離子源；負離子掃描模式；多重反應(yīng)監(jiān)測模式(MRM)；離子源溫度500 ℃；電流-3.0 nA；氣簾氣(curtain gas)壓力172 kPa；噴霧氣(GS1)壓力310 kPa；輔助加熱氣(GS2)壓力207 kPa；碰撞氣(CAD)壓力為中等.

1.5 實際樣品采集方法

2016年1月在吉林省長春市生態(tài)廣場環(huán)島內(nèi)(N43°49′，E125°22′)采集實際積雪樣品；2016年6月在吉林省長春市南湖大橋下(N43°50′，E125°18′)采集湖水樣品.雪樣品需在室溫融化，隨后將融雪水和湖水經(jīng)0.45 μm濾膜過濾，當天測試其中1-NP和1，8-DNP的質(zhì)量濃度.

2 結(jié)果與討論

2.1 質(zhì)譜條件的優(yōu)化

在進行化合物優(yōu)化——母離子掃描(MS)時，本方法對儀器進行了改進，在LC出口和APCI源進口之間加一個三通和注射泵，由注射泵引入2.4 mg/L的1-NP或4.8 mg/L的1，8-DNP的甲醇-水溶液(V(甲醇)/V(水)=50∶50)，由LC提供的1.0 mL/min甲醇-水(V(甲醇)/V(水)=95∶5)作為流動相.在負離子電離模式下，分別在m/z為100～280和100～320范圍進行1-NP和1，8-DNP的母離子掃描，在一級全掃描質(zhì)譜中得到母離子的質(zhì)量數(shù).隨后，進行產(chǎn)物離子掃描(product ion scan)，不斷增加碰撞能，最終獲得多對離子對，將最強的離子對確定為定量離子對.同時，對去簇電壓和碰撞能量進行優(yōu)化，具體質(zhì)譜參數(shù)見表1.

表1 1-NP和1，8-DNP的質(zhì)譜參數(shù)

2.2 色譜條件的優(yōu)化

由于1-NP和1，8-DNP的極性較差，嘗試了較高體積比的甲醇進行了系列洗脫實驗，結(jié)果見表2.由表2可見，無論對于1-NP還是1，8-DNP，當V(甲醇)/V(水)=95∶5時，保留時間最短；當V(甲醇)/V(水)=90∶10時，儀器響應(yīng)值最高，但與V(甲醇)/V(水)=95∶5時響應(yīng)值相差不多.為節(jié)省分析測試時間，選擇V(甲醇)/V(水)=95∶5的甲醇-水溶液作為流動相.

在上述優(yōu)化的質(zhì)譜和色譜條件下分析1-NP和1，8-DNP，所得色譜圖如圖1所示.由圖1可見，在選定的實驗條件下，1-NP和1，8-DNP均具有良好的色譜峰.通過對同一樣品重復(fù)測定發(fā)現(xiàn)，1-NP和1，8-DNP保留時間的重復(fù)性均較好，相對標準偏差(RSD)分別為0.19%和0.39%(n=6).1-NP和1，8-DNP的結(jié)構(gòu)及其二級質(zhì)譜圖如圖2所示.

表2 1-NP和1，8-DNP的色譜參數(shù)

圖1 1-NP(a)和1，8-DNP(b)的多反應(yīng)監(jiān)測掃描模式色譜圖

圖2 1-NP(a)和1，8-DNP(b)的二級質(zhì)譜圖及其結(jié)構(gòu)式

2.3 方法評價

2.3.1 線性范圍、檢出限和定量限

在上述優(yōu)化實驗條件下進行方法評價.分別配制0.72，1.2，3，6，9，12 μg/L的1-NP水溶液和0.48，3.6，12，24，36，48 μg/L的1，8-DNP水溶液，進LC-MS/MS分析，對不同濃度目標物的峰面積進行線性回歸，結(jié)果表明，1-NP和1，8-DNP分別在0.72～12 μg/L和0.48～48 μg/L的濃度范圍內(nèi)具有的良好線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)(R2)分別為0.999 0和0.999 2.以3倍信噪比(S/N)為方法檢出限(LOD)，10倍S/N為定量限(LOQ)，得到1-NP和1，8-DNP的檢出限和定量限，結(jié)果見表3.Barreto等[22]采用APCI-LC-MS/MS方法檢測柴油機油煙中的1-NP，檢出限為0.2 μg/L，與本文相當.Straube等[16]采用APCI-LC-MS/MS方法檢測大鼠血漿中的1，8-DNP，檢出限為5 μg/L(S/N值=5)，劣于本論文.

表3 1-NP和1，8-DNP的線性方程、相關(guān)系數(shù)、檢出限、定量限

2.3.2 回收率和精密度

在不同質(zhì)量濃度的1-NP和1，8-DNP標準品中分別添加0.5和1倍的加標量，進行回收率測定，結(jié)果見表4.由表4可見，在3～6 μg/L范圍內(nèi)，1-NP的回收率為97.67%～104.44%；在2.4～24 μg/L范圍內(nèi)，1，8-DNP的回收率為93.33%～103.13%.相對標準偏差均小于5%，結(jié)果令人滿意.

表4 1-NP和1，8-DNP的回收率和精密度(n=3)

2.3.3 1-NP和1，8-DNP的同時分析

圖3 1-NP和1，8-DNP的多反應(yīng)監(jiān)測掃描模式色譜圖

將1-NP和1，8-DNP的分析方法進行合并(Merge，MRM)，利用合并后的方法，測定混合標準品中1-NP和1，8-DNP的濃度，結(jié)果見圖3.由圖3可見，本方法可有效分離出混合組份中的1-NP和1，8-DNP，且色譜峰良好.

應(yīng)用本方法對長春市生態(tài)廣場積雪以及南湖水樣中的1-NP和1，8-DNP濃度進行了同時分析，結(jié)果表明，兩個采樣點融雪水和湖水中1-NP和1，8-DNP的濃度均低于檢出限(LOD).

4 結(jié)論

本文以APCI為離子源，在MRM模式下，通過對質(zhì)譜和色譜條件的優(yōu)化，成功建立了水中2種代表性NPAHs化合物1-NP和1，8-DNP的LC-MS/MS分析方法.與已報道方法相比，本方法不需樣品前處理過程，且具有較好的分離能力、較快的分析速度和較高的靈敏度等諸多優(yōu)點，適用于水環(huán)境中痕量NPAHs的分離分析.

[1] WANG W，JING L，ZHAN J，et al.Nitrated polycyclic aromatic hydrocarbon pollution during the Shanghai World Expo 2010[J].Atmospheric Environment，2014，89：242-248.

[2] 陶敬奇，王超英，李碧芳，等.固相微萃取-高效液相色譜聯(lián)用分析環(huán)境水樣中的痕量多環(huán)芳烴[J].色譜，2003，21(6)：599-602.

[3] 羅世霞，朱淮武，張笑一.固相微萃取-氣相色譜法聯(lián)用分析飲用水源水中的 16 種多環(huán)芳烴[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2008，27(1)：395-400.

[4] 李慶玲，徐曉琴，黎先春，等.固相微萃取-氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用測定海水和沉積物間隙水中的痕量多環(huán)芳烴[J].中國科學：B輯，2006，36(3)：202-210.

[5] 王莉麗.城市污水中多環(huán)芳烴的測定方法及其去除特性研究[D].西安:西安建筑科技大學，2012.

[6] ARCE R，PINO E F，VALLE C，et al.Photophysics and photochemistry of 1-nitropyrene[J].Journal of Physical Chemistry A，2008，112(41)：10294-10304.

[7] 占潔，楊顏，柳杜鵑，等.大氣中硝基多環(huán)芳烴的研究進展[J].中國科學:地球科學，2012 (1)：1-9.

[8] MURAHASHI T，ITO M，KIZU R，et al.Determination of nitroarenes in precipitation collected in Kanazawa，Japan[J].Water Research，2001，35(14):3367-3372.

[9] OHE T，NUKAYA H.Genotoxic activity of 1-nitropyrene in water from the Yodo River，Japan[J].The Science of the Total Environment，1996，181(1):7-12.

[10] PERRINI G，TOMASELLO M，LIBRANDO V，et al.Nitrated polycyclic aromatic hydrocarbons in the environment：formation，occurrences and analysis[J].Annali Di Chimica，2005，95(7/8)：567-577.

[11] 馬明生，徐曉白，康致泉，等.城市水樣中首次檢出痕量硝基多環(huán)芳烴(NO2-PAH)[J].環(huán)境化學，1994(6):543-549.

[12] 郭麗，惠亞梅，鄭明輝，等.氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用測定土壤及底泥樣品中的多環(huán)芳烴和硝基多環(huán)芳烴[J].環(huán)境化學，2007，26(2)：192-196.

[13] SCHAUER C，NIESSNER R，POSCHLU.Analysis of nitrated polycyclic aromatic hydrocarbons by liquid chromatography with fluorescence and mass spectrometry detection：air particulate matter，soot，and reaction product studies[J].Analytical and Bioanalytical Chemistry，2004，378(3)：725-736.

[14] DELHOMME O，HERCKES P，MILLET M.Determination of nitro-polycyclic aromatic hydrocarbons in atmospheric aerosols using HPLC fluorescence with a post-column derivatisation technique[J].Analytical and Bioanalytical Chemistry，2007，389(6)：1953-1959.

[15] HAYAKAWA K.Environmental behaviors and toxicities of polycyclic aromatic hydrocarbons and nitropolycyclic aromatic hydrocarbons[J].Chemical & Pharmaceutical Bulletin，2016，64(2)：83-94.

[16] STRAUBE E A，DEKANT W，VOLKELW.Comparison of electrospray ionization，atmospheric pressure chemical ionization，and atmospheric pressure photoionization for the analysis of dinitropyrene and aminonitropyrene LC-MS/MS[J].Journal of the American Society for Mass Spectrometry，2004，15(12):1853-1862.

[17] MILLER-SCHULZE J P，PAULSEN M，TORIBA A.Analysis of 1-nitropyrene in air particulate matter standard reference materials by using two-dimensional high performance liquid chromatography with online reduction and tandem mass spectrometry detection[J].Journal of Chromatography A，2007，1167(2)：154-160.

[18] COCHRAN R E，SMOLIAKOVA I P，KUBATOVA A.Detection of nitrated and oxygenated polycyclic aromatic hydrocarbons using atmospheric pressure chemical ionization high resolution mass spectrometry[J].International Journal of Mass Spectrometry，2016，397：6-17.

[19] LIEN G W，CHEN C Y，WU C F.Analysis of polycyclic aromatic hydrocarbons by liquid chromatography/tandem mass spectrometry using atmospheric pressure chemical ionization or electrospray ionization with tropylium post-column derivatization[J].Rapid Communications in Mass Spectrometry，2007，21(22)：3694-3700.

[20] TORIBA A，KITAOKA H，DILLS R L，et al.Identification and quantification of 1-nitropyrene metabolites in human urine as a proposed biomarker for exposure to diesel exhaust[J].Chemical Research in Toxicology，2007，20(7)：999-1007.

[21] HUTZLER C，LUCH A，F(xiàn)ILSER J G.Analysis of carcinogenic polycyclic aromatic hydrocarbons in complex enviromental mixtures by LC-APPI-MS/MS[J].Analytica Chimica Acta，2011，702(2)：218-224.

[22] BARRETO R P，ALBUQUERQUE F C，NETTOA D P.Optimization of an improved analytical method for the determination of 1-nitropyrene in milligram diesel soot samples by high-performance liquid chromatography-mass spectrometry[J].Journal of Chromatography A，2007，1163(1/2)：219-227.

DeterminationoftraceNitro-PAHsinwaterbyultraperformanceliquidchromatography-tandemmassspectrometry

XUE Hong-hai1，WANG Yu-wei1，2，WANG Ying1，CHEN Xi3，WEN Xue1，GAO Si-yu1，JI Ning1

(1.Key Laboratory of Songliao Aquatic Environment，Ministry of Education，Jilin Jianzhu University，Changchun 130118，China； 2.Beijing Zhongling Engineering Design & Consulting Co.Ltd，Beijing 100035，China； 3.Jilin Leading Real Estate Exploitation Ltd，Changchun 130117，China)

Using ultra performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry equipped with atmospheric pressure chemical ionization ion source，this work established the quantitative analysis methods of two typical nitro polycyclic aromatic hydrocarbons，that is，1-nitropyrene and 1，8-dinitropyrene.The results showed that both 1-nitropyrene and 1，8-dinitropyrene could be determined directly under multiple reaction monitoring mode.Both 1-nitropyrene and 1，8-dinitropyrene displayed excellent linearity in the concentration range of 0.72～12 μg/L and 0.48～48 μg/L，the correlation coefficients of the calibration curve were 0.999 0 and 0.999 2.The average rates were in the rang of 97.67%～104.44% and 93.33%～103.13%.In addition，the limits of detection of 1-nitropyrene and 1，8-dinitropyrene were 0.21 μg/L and 0.15 μg/L，and the limit of quantitation were 0.72 and 0.26 μg/L respectively.

1-nitropyrene；1，8-dinitropyrene；ultra performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry (UPLC-MS/MS)

1000-1832(2017)04-0134-06

10.16163/j.cnki.22-1123/n.2017.04.025

2017-04-22

國家自然科學基金資助項目(41403101).

薛洪海(1984—)，女，博士，副教授，主要從事環(huán)境化學研究；通訊作者：王穎(1978—)，女，博士，副研究員、主要從事環(huán)境生態(tài)學研究.

X 132學科代碼610·1015

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(責任編輯：方林)