氣相色譜-串聯質譜法測定水中29種致嗅物質

李豐鐸，王 洵，石亞東，李 濤，錢 進

（1.河海大學 環境學院，江蘇 南京 210098；2.河海大學 淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；3.太湖流域水文水資源監測中心（太湖流域水環境監測中心），江蘇 無錫 214024）

嗅味直接影響飲用水質量，在某些情況下甚至可能造成公眾恐慌［1］。水中嗅味來源物質具有多種不同結構特征，主要包括藻類及細菌代謝物和工業污染物［2］，其中部分物質在ng/L 水平就能產生明顯異嗅味［3-4］。新修訂的GB 5749-2022《生活飲用水衛生標準》中［5］，將二甲基異莰醇和土臭素納入水質擴展指標及限值表中，并規定其限值為10 ng/L。根據近年來發生的水體嗅味事件，已有更多種類的致嗅物質被逐漸發現［6-8］。為了解水體中致嗅物質的種類和分布水平，評估致嗅物質風險，建立高效準確的多種致嗅物質分析方法成為首要的研究內容。

水中致嗅物質作為痕量、超痕量化合物，對檢測方法的靈敏度和精密度提出了更高要求。新修訂的GB/T 5750.8-2023《生活飲用水標準檢驗方法 第8 部分：有機物指標》中規定，以頂空固相微萃取（HS-SPME）結合氣相色譜-質譜法（GC-MS）測定土臭素和二甲基異莰醇［9］。相比于液液萃取、固相萃取、分散固相萃取和吹掃捕集等前處理方法，固相微萃?。⊿PME）具有操作簡便、處理效率高、實驗成本低且環境友好的優點［10-15］。SPME 一般包括HS-SPME、直接微萃取（DI-SPME）及膜保護萃?。℉FSPME），其中HS-SPME 更適用于富集揮發、半揮發性化合物，避免了DI-SPME 易受基質中不揮發性大分子污染物影響的缺陷，且能明顯消除背景噪音干擾［16-17］。作為測定水中致嗅物質的常用方法，GC-MS 的分離能力和靈敏度有限［18-19］，無法滿足多種致嗅物質同時定量檢測的需求，因此選擇更為靈敏可靠的檢測技術十分重要。氣相色譜-串聯質譜法（GC-MS/MS）包含多反應監測模式（MRM），可根據多組前體離子和產物離子對，將化合物峰與背景噪音分離，實現精確識別與定量［20］。

目前致嗅物質的檢測多針對生源性化合物［10-11］，本研究根據近年來本流域的定性篩查結果，選擇硫醚類、醛類、苯系物、醚類、酮類、萜類和環狀縮醛類等29種嗅閾值低且較常見的生源性及工業源致嗅物質為檢測目標物，采用頂空箭型固相微萃?。℉S-Arrow-SPME）結合GC-MS/MS 技術，建立了針對上述不同種類致嗅物質的同時快速檢測方法。通過對前處理條件和GC-MS/MS 參數的優化，提高了致嗅物質的富集效率，各目標物可獲得最佳響應。該方法前處理簡單，富集效率和靈敏度高，能夠滿足水中致嗅物質的快速定性及定量檢測需求。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

8890B-7000D 氣相色譜-串聯質譜儀（美國Agilent 公司）；PAL RTC 自動換針多功能前處理及進樣平臺（廣州智達實驗室科技有限公司）；Vortex Cenie 2 渦旋混勻器（美國Scientifie Industries 公司）；VF-624 MS色譜柱（30 m×0.25 mm×1.4 μm，美國Agilent公司）。

29種致嗅物質標準溶液（各溶于甲醇中，100 mg/L，天津阿爾塔公司），具體見表1。甲醇（色譜純，北京百靈威科技有限公司）；氯化鈉（分析純，使用前于馬弗爐450 ℃下烘烤4 h，上海麥克林生化科技有限公司）。

表1 29種目標致嗅物質的MRM參數Table 1 MRM parameters for 29 target odor-causing substances

1.2 標準溶液的配制

標準儲備溶液配制：取各致嗅物質標準品0.1 mL，以甲醇定容至10.0 mL，配制為1.0 mg/L的29種致嗅物質混合標準儲備液，轉移至1.5 mL棕色頂空進樣瓶中，-20 ℃保存。

標準曲線溶液配制：按照標準儲備溶液配制方法配制2.0 μg/L 的中間液，以甲醇逐級稀釋，配制5、10、20、40、50、80、100、150、200、300 ng/L的標準曲線溶液。

1.3 固相微萃取前處理

選擇二乙烯基苯/羥基/聚二甲基硅氧烷（DVB/Carbon WR/PDMS） Smart SPME Arrow 箭型固相萃取頭（首次使用前于PAL RTC Arrow 老化模塊中240 ℃老化30 min），在裝有3.5 g NaCl 的頂空進樣瓶中加入10 mL水樣，70 ℃條件下預孵化8 min后萃取20 min，最終于240 ℃進樣口解吸3 min。每次進樣前萃取頭于240 ℃條件下老化5 min。

1.4 儀器分析

氣相色譜條件：色譜柱：VF-624 MS 色譜柱（30 m×0.25 mm×1.4 μm）；載氣為氦氣；碰撞氣為氮氣；不分流進樣；進樣口溫度為240 ℃；色譜柱升溫程序為：40 ℃保持1 min，以8 ℃/min 升至80 ℃并保持2 min，以10 ℃/min升至180 ℃并保持4 min，再以10 ℃/min升至260 ℃并保持2 min。

質譜條件：電子轟擊離子源（EI）；碰撞氣為氮氣；檢測器電壓為70 eV；離子源溫度為230 ℃；色譜質譜接口溫度為240 ℃；溶劑延遲時間8 min；MRM模式進行檢測。其它質譜參數見表1。

2 結果與討論

2.1 質譜條件的優化

待測目標物的質譜檢測參數對于方法檢測靈敏度和準確性有著重要影響。首先利用全掃描（Scan）模式確定29種目標物的保留時間和前級離子，選擇豐度高且質量數較大的特征離子作為定量離子；其次選擇產物離子掃描模式確定響應值較高的二級離子為定性離子；最后選擇MRM模式比較不同碰撞能下各碎片離子的豐度，擇優確定各個離子對的碰撞能。29種致嗅物質的最優MRM參數見表1。

2.2 SPME裝置的選擇

SPME 裝置種類豐富，主要包括探針式、刀片式及管內式等［21］，其中應用最廣泛的為探針式SPME裝置［22］。SPME 裝置的核心是固定在石英纖維或不銹鋼絲基質上的涂層材料，涂層材料（高聚物或吸附劑）的選擇依據主要是目標物的極性強弱，而涂層厚度多取決于目標物的揮發性及分子量［23］。最常用的固體熔融二氧化硅纖維涂層為PDMS，其無孔結構能夠顯著降低復雜樣品的基質效應，適用于半揮發性的非極性化合物；聚丙烯酸酯（PA）涂層則常用于氯酚及有機磷農藥等［19］極性化合物的吸附。

考慮到本方法中致嗅物質的分子量小、沸點較低，且各目標物的結構多樣、極性差異較大，根據文獻方法［24-25］，本研究選擇三相復合涂層箭型固相微萃取頭DVB/Carbon WR/PDMS Smart SPME Arrow。該萃取頭涂層厚度為120 μm，長度為2 cm，較常規的固相微萃取涂層更厚，萃取頭更長，比表面積大且靈敏度高，對29種致嗅物質的檢測效果優異。因此，本研究選擇該萃取頭作為SPME裝置。

2.3 NaCl加入量及樣品pH值的選擇

在SPME 前處理方法中，尤其是HS-SPME，鹽析作用及pH 值變化均能夠明顯改變基質的離子強度，從而影響揮發性目標化合物在水相和氣相之間的分配平衡［11，26］。鹽析通常是向樣品中加入無機鹽，通過水化作用減少自由水分子，降低待測物在基質中的溶解度，提高待測物在頂空氣相中的含量，進而提高萃取效率。實驗考察了NaCl 加入量（0、1.0、2.0、3.0、3.5 g）對響應值的影響（如圖1）。結果表明，各目標化合物的響應值與NaCl加入量基本成正比，在接近鹽飽和溶液時，多數目標物的響應值較高，當NaCl 過量（4 g）后，非溶解態無機鹽產生吸附作用，影響各目標物在氣相、水相中的分配系數，導致萃取效率降低。

圖1 NaCl加入量對29種致嗅物質響應值的影響Fig.1 Effect of NaCl dosage on the response values of 29 odor-causing substances

向樣品中添加一定量的乙酸、碳酸鈉調節pH值。結果發現，酸性條件下酚類及酯類化合物的響應值明顯提高，而吡嗪類化合物的響應值降低；堿性條件下吡嗪類和醚類化合物的響應值提高，酚類化合物的響應值降低。根據HJ 91.2-2022《地表水環境質量監測技術規范》和HJ 494-2009《水質 采樣技術指導》，地表水樣采集過程中未調節pH 值［27-28］。綜合實驗結果，中性水樣中各類目標物的響應值能夠滿足方法要求。因此本實驗選擇NaCl 加入量為3.5 g，樣品不調節pH 值（研究區域水樣pH 值為6.0～8.0）。

2.4 萃取溫度的選擇

基于PAL RTC 平臺，于萃取前設置樣品預孵化程序，以充分溶解NaCl，利用鹽析作用使目標化合物由水相轉移至頂空氣相中達到初步平衡。為保證前處理過程中目標物分配平衡的穩定，設置同一預孵化與萃取溫度，在NaCl 加入量3.5 g、萃取時間30 min 條件下，考察了萃取溫度在40～80 ℃范圍內各目標物響應值的變化。結果顯示，萃取溫度對SPME 前處理有多重影響。萃取溫度升高，提高了待測目標物在兩相中的擴散速度，增強了平衡效率，但對于不同沸點目標物的影響存在較大差異，低沸點化合物的響應值總體隨溫度升高而逐漸減低，高沸點化合物則相反。此外，實驗發現較高的萃取溫度降低了部分目標物的萃取效率，原因可能是熱解吸造成纖維涂層固定相的吸附能力降低。綜合實驗數據，選擇萃取溫度為70 ℃，此時各目標物的響應值總體較高。

2.5 萃取時間的選擇

萃取時間與吸附平衡密切相關。SPME 雖然是平衡分析法，但并不完全依賴于分析物的完全萃取，只需嚴格控制變量條件，根據SPME 非平衡原理，一般將萃取時間定為吸附量達到平衡的95%所需的時間。在萃取溫度70 ℃、NaCl 加入量3.5 g 的條件下，考察了萃取時間在10～35 min 范圍內幾種不同沸點的代表性目標物響應值的變化情況。如圖2 所示，不同致嗅物質達到吸附平衡所需的時間不同，低沸點化合物2MDL 和2EMDL 的響應值在10 min 內達到最大，高沸點化合物在萃取時間大于20 min 才逐步達到吸附平衡。為提高效率，一般要求前處理所需時間接近但不超過GC-MS/MS 儀器分析時間。儀器檢測方法的分析時間為32 min，考慮到萃取針老化及樣品預孵化程序，兼顧前處理富集效果，最終確定萃取時間為20 min。

圖2 萃取時間對部分致嗅物質響應值的影響Fig.2 Effect of extraction time on the response values of partial odor-causing substances

2.6 解吸時間及探針深度的選擇

萃取纖維涂層中待測物解吸溫度一般設置200 ℃以上，但該溫度對于SPME 萃取纖維的使用壽命、靈敏度、重復性以及目標物質的解吸程度影響大［29］。解吸時間與致嗅物質殘留量基本成反比，但解吸時間過長，萃取纖維涂層可能發生鈍化，影響靈敏度［30］。在最優條件下，考察了解吸時間為1～5 min時部分目標物響應值的變化。如圖3 所示，隨著解吸時間的增加，目標物的響應值逐步提高，解吸3 min 后響應值基本趨于平穩，少部分高沸點化合物可能需要更長時間才能達到最大響應值。綜合考慮萃取效率與萃取針使用壽命，選擇解吸時間為3 min。

圖3 解吸時間對部分致嗅物質響應值的影響Fig.3 Effect of desorption time on the response values of partial odor-causing substances

此外，呂建霞等［24］研究發現解吸時探針深度對于待測物的響應值也存在較大影響。實驗考察了探針在進樣口不同深度時各待測目標物的響應值，發現在40～60 mm范圍內，探針深度與目標物的響應值成正比，且隨著探針深度的增加，各目標物的保留時間提前，表明在進樣口襯管中下部位，萃取纖維涂層的解吸速度更快。因此本實驗選擇進樣口深度為60 mm。

在上述最優處理條件下，得到29種致嗅物質的色譜圖如圖4所示。

圖4 29種致嗅物質的色譜圖Fig.4 Chromatogram of 29 odor-causing substances the peak numbers denoted were the same as those in Table 1

2.7 標準曲線、方法檢出限與定量下限

按照“1.2”方法配制標準曲線溶液，采用本方法進行測定，以標準溶液中目標物的質量濃度為橫坐標（X），目標物的色譜峰面積為縱坐標（Y），建立29種致嗅物質的線性方程。以空白樣品按照噪音信號的3～5 倍水平進行加標實驗，根據7 次測定結果計算標準偏差（S），得到方法檢出限（LOD＝S×3.143），以4 倍檢出限為目標物的定量下限（LOQ）。結果表明，29 種致嗅物質在5～300 ng/L 范圍內線性良好，相關系數（r2）均大于0.991，方法檢出限為0.31～9.27 ng/L，定量下限為1.26～37.09 ng/L（見表2）。

表2 29種致嗅物質的線性方程、相關系數、檢出限與定量下限Table 2 Linear equations，correlation coefficients，LODs and LOQs of 29 odor-causing compounds

2.8 準確度與精密度

選取超純水作為基質，添加29 種致嗅物質標準溶液進行加標回收實驗，設置低（10 ng/L）、中（80 ng/L）、高（160 ng/L）3 個加標水平，每個水平設置6 個平行樣品，采用優化后的方法進行檢測。由表3可見，29 種致嗅物質的平均回收率為84.3% ～112%，相對標準偏差（RSD）為0.10% ～8.6%，表明本方法具有較好的準確度和精密度。

表3 29種致嗅物質的回收率與相對標準偏差Table 3 Recoveries and relative standard deviations of 29 odor-causing compounds

2.9 實際水樣測定

采集蘇州某河道干流斷面水樣，采用本方法進行檢測。結果檢出6種致嗅物質，除2EMDL 和二甲基異莰醇外，其余檢出致嗅物質的檢出率為100%（見表4）。根據致嗅物質檢出情況，除苯甲醛在河道中分布較為均勻外，其余化合物存在人為排放輸入可能，致嗅物質的檢出濃度變化多在中游位置（Site 3），與其所處工業密集區有關，因此需加強本段入河水質監測。

表4 實際樣品中致嗅物質的檢出結果（ng/L）Table 4 Detection results of odor-causing compounds（ng/L）

3 結 論

本研究結合HS-Arrow-SPME 前處理方法和GC-MS/MS檢測技術，通過系統優化前處理流程，確認影響檢測結果的主要條件及最優設置，建立了水中29 種致嗅物質的同時檢測方法。本方法處理效率高，檢出限低，準確度和精密度好，滿足痕量致嗅物質的檢測要求，為工業致嗅物質檢測提供了可用方法。