顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用测定饮用水中的2-甲基异莰醇和土臭素
近年来,随着河流、湖泊等地表水富营养化加剧,一些藻、菌微生物过度繁殖生长分泌的嗅味物质所引起的饮用水质量问题已经成为环境领域的研究热点。在我国及世界范围内饮用水行业由土霉味物质2-甲基异莰醇(2-methylisoborneol,2-MIB)和土臭素(geosmin,GSM)导致的水污染普遍存在,尤其是我国的南方水域,地表水极易产生土味、霉味[1,2]。例如,2007年无锡太湖蓝藻暴发,导致大范围自来水发臭,引发了罕见的供水危机,引起了国内外的广泛关注。
研究表明,2-MIB和GSM主要是由蓝绿藻、放线菌分泌产生的天然萜烯醇化合物,是目前已经确认的造成饮用水具有土霉嗅味的主要物质[3]。水中2-MIB和GSM的含量极低,但人的嗅觉对此极为敏感,痕量的这些物质便能使人觉察到令人厌恶的土霉味,从而引起居民用水恐慌。有研究报道人类对2-MIB和GSM的嗅阈值分别为10 ng/L 和30 ng/L[4]。尽管目前尚无2-MIB、GSM致死生物的报道,但世界各地消费者对饮用水质量好坏先从色味方面进行评价[5],口感和味道不佳,常使人们误认为饮用水遭到污染而无法放心使用。由于存在对饮用水的感官特性和饮用者接受度的影响,水中2-MIB和GSM的鉴定、定量和去除已成为水质保障必不可少的环节。我国《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)[6]对2-MIB和GSM允许限值均为10 ng/L。因此,为了提高消费者对饮用水的安全信任度,保障居民用水安全,建立饮用水中痕量2-MIB和GSM嗅味物质同时检测的分析方法尤为必要。
目前,国内外对水中2-MIB和GSM的检测方法主要分为感官分析法和仪器分析法两大类。感官分析法凭借人的嗅觉进行嗅味分析,受主观因素影响大且无法实现准确定量分析[7]。相比而言,水中痕量2-MIB和GSM主要使用仪器分析,水样经过预处理后采用气相色谱(GC)分离结合质谱(MS)、氢火焰离子化检测器(FID)等完成定性和定量分析。由于2-MIB和GSM在实际样品中含量极低,同时为了降低分析过程中样品基底的干扰,在进行分析检测前必须进行合适的样品前处理。目前用于2-MIB和GSM分析的样品前处理过程主要包括:液-液萃取、静态顶空、吹扫捕集、顶空固相微萃取(HS-SPME)等。Shin等[8]报道了一种液-液萃取水样中嗅味物质的方法,对2-MIB、GSM的检出限不低于50 ng/L、回收率低于75% 。Li等[9]建立了静态顶空富集测定水中土霉味物质的方法,能够检测2-MIB和GSM的质量浓度低至0.35 μ g/L 和0.7 μ g/L。Manickum等[10,11]比较了不同吹扫捕集模式对嗅味物质检测灵敏度的影响,建立的吹扫捕集浓缩样品方法对2-MIB和GSM的检出限分别为4 ng/L 和7 ng/L,线性范围为5～100 ng/L。Watson等[12]采用顶空固相微萃取结合GC-MS分析方法实现了水中痕量嗅味物质的检测,对水样中2-MIB和GSM的检出范围为1～1 000 ng/L,检测时间为70 min左右。Wu等[13]研究了废水及藻类土霉味物质对饮用水品质的影响,建立的顶空固相微萃取方法对2-MIB和GSM分析的质量浓度范围为1～300 ng/L。Wu等[14]报道了一种顶空固相微萃取结合GC-MS联用检测海洋沉积物中苯系物的方法,在0.500～20.0 ng/g范围内目标苯系物的线性关系良好,方法的检出限为 0.081 8～0.175 ng/g (干重)。
尽管液-液萃取、吹扫捕集、静态顶空等方法在嗅味物质鉴别和定量分析方面一直发挥着重要的作用,但某些方面仍存在一定的局限性,如有机溶剂消耗量大、萃取富集效率低、操作复杂、检测灵敏度低,此外吹扫捕集还需要使用昂贵的仪器设备,无法满足特定的嗅味物质分析实验要求。相比较而言,顶空固相微萃取集吸附、浓缩、解吸、进样等功能于一体,是一种无有机溶剂、环境友好、易于实现自动进样的新型样品前处理技术,目前已被饮用水、食品、医药等行业广泛使用[15,16,17]。
本研究采用正交分析方法优化了顶空固相微萃取实验条件,使用气相色谱-质谱联用技术建立了水库水、水库附近土壤、居民自来水中痕量土霉味物质2-甲基异莰醇及土臭素SPME-GC-MS的测定方法,为饮用水中异味物质的测定及其去除工艺中机理机制的深入研究提供了必要的分析技术支持。
1 实验部分
1.1 仪器与试剂
Agilent 7890A气相色谱仪-5975C质谱检测器(美国Agilent公司),HP-5MS毛细管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μ m),固相微萃取搅拌加热平台、手动SPME进样器、65 μ m聚二甲基硅氧烷/二乙烯基苯(PDMS/DVB)固相微萃取纤维头、搅拌子(3.0 mm×10.0 mm)、40 mL带有聚四氟乙烯(PTFE)涂层硅橡胶垫的螺纹口玻璃样品瓶(美国Supelco公司)。
2-甲基异莰醇和土臭素标准物(100 mg/L 甲醇溶液,北京百灵威科技有限公司),甲醇(色谱纯),NaCl(优级纯)经300 ℃灼烧6 h后密封贮存于干燥器内备用,超纯水(18.2 M Ω \5cm)取自Milli-Q超纯水系统(法国密里博公司);高纯氦气(99.999% ,大连特种气体有限公司)。
1.2 实验条件
1.2.1 固相微萃取条件
新萃取头使用前在250 ℃色谱进样口内活化30 min,顶空萃取瓶中加入20 mL水样和5 g NaCl;磁力搅拌器转速 1 200 r/min;萃取温度65 ℃;平衡时间10 min;萃取时间60 min;解吸温度250 ℃,解吸时间3 min。
1.2.2 色谱条件
HP-5MS毛细管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μ m);高纯氦气(99.999% ),采用恒流模式,载气流速1.0 mL/min;程序升温控制,初始温度40 ℃(保持2 min),以4 ℃/min 升至140 ℃,再以10 ℃/min 升至280 ℃; 280 ℃后运行3 min;进样口温度250 ℃,不分流进样。
1.2.3 质谱条件
电子轰击离子源(EI),离子源温度230 ℃,四极杆温度150 ℃,传输线温度280 ℃,电子能量70 eV。选择离子扫描(SIM)模式采集数据。2-MIB定量离子为m/z 95,定性离子为m/z 95、108和168; GSM定量离子为m/z 112,定性离子为m/z 112、125和182。
1.3 实验方法
1.3.1 标准溶液的配制
采用外标法定量。用甲醇将100 mg/L 的2-MIB、GSM标准品原液逐级稀释配制成 1 000 μ g/L 的混合标准溶液,取0.5 mL分装于1.5 mL离心管中,冷冻保存。准确量取 1 000 μ g/L 标准溶液,使用超纯水逐级稀释配制成1 μ g/L 的混合标准储备溶液,再经超纯水逐级稀释后得到含2-MIB和GSM质量浓度分别为5、10、30、50、100、200、500、800、1 000 ng/L 的系列标准溶液,仅限当日使用。
1.3.2 待测样品的采集
待测样品取自辽宁省某地区水库、水库附近土壤和居民自来水终端,取样时间为2015年4月。对于水库水,使用采水器从水库中央深入水面0.5 m直接取水1 L;对于水库附近土壤,在距离水库边沿100 m地点,去除表面5 cm植被土壤,使用无菌取样器垂直取土壤样品300 g;居民饮用水样则直接使用取水器从市区居民饮用水终端接取1 L。全部待测样品均满装于洁净的棕色玻璃采样瓶中,防止采样瓶顶端存在空气或者样品发生光解作用导致测定结果不准确。除此之外,为了保持样品的原始状态,降低其他不确定因素对测定结果的干扰,取样后需尽快将样品运回实验室,冷藏保存于4 ℃冰箱内,并于48 h内完成待测样品中2-MIB和GSM的测定分析。
1.3.3 待测样品预处理
