固相萃取GC-MS/MS法测定海水中多环芳烃研究

李文文, 唐道军, 张蓉蓉, 陆 茵, 孙爱丽 , 张泽明, 庞林江

固相萃取GC-MS/MS法测定海水中多环芳烃研究

李文文1,2, 唐道军1*, 张蓉蓉1, 陆 茵2, 孙爱丽1, 张泽明1, 庞林江3

（1.宁波大学 海洋学院, 浙江 宁波 315832; 2.宁波大学 食品与药学学院, 浙江 宁波 315832; 3.浙江农林大学 农业与食品科学学院, 浙江 杭州 311300）

建立了同时测定海水中10种多环芳烃的精确定量检测方法. 利用固相萃取GC-MS/MS法, 确定10种多环芳烃的色谱分离条件和质谱定性、定量离子. 通过比对不同固相萃取柱和萃取条件对多环芳烃的萃取效果发现C18为最佳固相萃取柱, 最佳洗脱溶剂为二氯甲烷. 同时, GC-MS/MS采用多反应监测模式(MRM)及内标法定量, 该方法的线性范围为1.0～200.0μg·L-1, 检出限为0.01～0.08ng·L-1, 加标回收率为83.0%～108.7%, 相对标准差小于6.5%.表明该方法具有较好的准确度和精密度, 最后将其应用于象山港海水中多环芳烃的测定, 10种多环芳烃的检出率为100%.

气相色谱-三重四极杆质谱联用法; 多环芳烃; 固相萃取; 海水

多环芳烃(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, PAHs)是一类含有2个或2个以上苯环结构的碳氢化合物[1], 其来源广泛, 物理化学性质稳定, 且不易降解, 易在生物体内蓄积, 引起生物体致癌、致畸、致突变[2-3]. 研究表明, PAHs普遍存在于大气、土壤、水体和沉积物中, 是一种典型的具有持久性的有机污染物(Persistent Organic Pollutants, POPs)[4].目前已被发现的PAHs大约有200多种, 有16种被美国环保局(EPA)列为优先控制污染物[5]. 我国也将7种PAHs列入水中优先监测污染物目录[6], 其中苯并[a]芘(Benzo(a)pyrene, BaP)作为第1个被发现的多环芳烃类环境化学污染物, 具有很强的致癌性, 已成为衡量PAHs含量的标志物[7]. PAHs能通过多种途径, 如工业废水和生活污水排放、雨水淋溶、地表径流、石油泄漏事故以及空气干湿沉降等进入海水环境介质中, 对海洋生态环境以及水生生物体造成严重的威胁.

目前, 水体中PAHs的检测方法主要有气相色谱-质谱联用法(GC-MS)[8]、气相色谱-串联质谱法(GC-MS/MS)、高效液相色谱法(HPLC)[9]、液相色谱-质谱联用法(LC-MS)等. 然而, 海水环境介质复杂、基质干扰物多, 且PAHs的含量为痕量级别, 检测PAHs有一定难度, 因此选择合适的富集净化和检测方法尤为重要. PAHs的前处理方法主要有液液萃取(Liquid Liquid Extraction, LLE)[10]、固相萃取(Solid Phase Extraction, SPE)[10]、固相微萃取(Solid Phase Microextraction, SPME)[10]等. 通常, 液液萃取操作繁琐、费时、有机试剂消耗量大、易产生污染, 在实际样品的检测中效率较低; 而固相萃取具有操作简单、有机试剂用量少、富集倍数高、净化效果好等优点, 在海水痕量有机化合物的前处理中具有较大优势. 同时, GC-MS/ MS具有灵敏度高、选择性好等优点. 刘金玉等[11]建立了SPE- GC-MS法, 可同时测定海水中多环芳烃和邻苯二甲酸酯类, 优化得出了C18 SPE柱为最佳的固相萃取小柱. 赵利容等[12]通过对C18 SPE柱的活化、干燥和洗脱等过程的优化提高了固相萃取法测定水中PAHs的富集效率, 优化后的方法在流沙湾海水样品的检测中取得了较好效果.

本文采用固相萃取技术, 通过对固相萃取柱的选择及洗脱溶剂的优化, 建立了C18 SPE柱和GC-MS/MS联用同时测定海水中10种PAHs的方法. 实验结果表明, 该方法获得了较低的检出限和较高的回收率, 有效提高了检测的准确度和灵敏度, 并成功检测了实际海水样品中PAHs的残留, 为检测海水中PAHs污染提供了参考.

1 实验部分

1.1 仪器及试剂

实验采用的仪器: Agilent 7890B-7000D型气相色谱-三重四级杆串联质谱仪(美国Agilent Technologies公司); 固相萃取仪(美国Supelco公司); HSC-12B型氮吹仪(天津恒奥科技发展有限公司); UPT-11-10T型纯水仪(四川优普超纯科技有限公司); Vortex 3型涡旋混匀器(德国IKA公司); C18固相萃取柱、HLB固相萃取柱(500mg·(6mL)-1)(上海安谱实验科技股份有限公司).

1.2 标准溶液的配置

多环芳烃标准储备液(20.0mg·L-1)配置: 准确量取100.0μL多环芳烃标准溶液于10mL容量瓶中, 用正己烷稀释至刻度, 混匀, 在-20℃冰箱中密封保存备用.

混合内标标准储备液(20.0mg·L-1)配置: 准确量取100.0μL混合内标液于10mL容量瓶中, 用正己烷稀释至刻度, 混匀, 在-20℃冰箱中密封保存备用.

混合内标标准应用液(1.0mg·L-1)配置: 准确量取50.0μL混合内标标准储备液于1mL容量瓶中, 用正己烷稀释至刻度, 混匀, 在-20℃冰箱中密封保存备用.

标准工作溶液配置: 取适量多环芳烃标准储备液, 用正己烷逐级稀释定容, 加入100.0μL混合内标标准应用液, 配制成1.0、10.0、20.0、50.0、100.0、200.0μg·L-1的混合标准系列工作溶液.

1.3 样品采集与保存

海水样品采自象山港海域. 使用有机玻璃采水器采集样品于棕色玻璃采样瓶中, 采样瓶完全注满, 并且倒置无气泡. 采样完成后, 尽快送回实验室, 在4℃环境下避光阴暗保存. 所有样品在7d内完成萃取.

1.4 样品前处理

海水样品用抽滤装置经0.45μm玻璃纤维滤膜过滤后, 准确量取500.0mL, 加5.0mL甲醇平衡; 然后加入20.0μL混合内标标准应用液, 混匀. 依次用10mL二氯甲烷、10mL甲醇和10mL纯水以1滴·s-1速度活化C18固相萃取柱, 当活化溶剂液面接近柱填充物时, 以5mL·min-1的速率开始上样, 待上样即将完成, 即液面接近柱填充物时加入10mL纯水淋洗, 抽干小柱30min; 最后用15mL二氯甲烷洗脱, 初始洗脱时浸泡柱子5min, 洗脱速度为1滴·s-1. 收集洗脱液, 采用氮吹仪室温吹至近干, 以200μL正己烷复溶, 过0.22μm有机相滤膜后, 上机检测.

1.5 仪器条件

色谱条件: DB-5MS型毛细管色谱柱(30m× 0.25mm×0.25μm), 不分流模式进样, 进样体积1.0μL, 载气为高纯He(纯度>99.999%), 流速1.0mL·min-1, 进样口温度280℃. 程序升温条件为: 初始温度70℃, 保持2min, 以20℃·min-1升至220℃, 再以5℃·min-1升至300℃, 保持5min.

质谱条件: 电子轰击离子源(EI)70eV, 离子源温度280℃, 传输线温度280℃, 四极杆温度150℃, 溶剂延迟时间4min, 采用多反应监测模式(MRM), 碰撞气体为高纯氮气, 多环芳烃化合物的保留时间、定性离子对、定量离子对及碰撞能见表1.

2 结果与结论

2.1 GC-MS/MS条件的优化

使用GC-MS/MS可以对目标化合物进行分离、鉴定和精准定量. 采用MRM监测模式, 选用多对特征离子以增强目标化合物的结构解析、定性和抗干扰能力, 且定量分析时具有灵敏度高、选择性强等优点, 适合分析复杂基质样品中的痕量有机污染物, 分析结果准确可靠.

首先, 在全扫描(Full Scan)模式下分别采用不同的进样口温度和升温程序对PAHs混合标准溶液进行分析, 在各化合物的色谱峰得到较好分离且基线较为平稳时, 确定最优升温程序和进样口温度;然后, 在最优色谱条件下使用Agilent MassHunter工作站定性分析软件积分和提取峰质谱, 确定目标化合物的保留时间, 选择丰度高、质量数高的特征离子作为母离子, 进一步通过产物离子扫描(Product Ion Scan)模式在5～50V碰撞能条件下依次对特征母离子进行二次电离, 选取丰度高的特征子离子作为MRM方法的子离子, 并确定最佳的碰撞能; 最后, 建立PAHs的GC-MS/MS的MRM方法. 结果表明, MRM监测模式下PAHs分离很好, 总离子流色谱如图1所示.

表1 多环芳烃的GC-MS/MS参数

图1 多环芳烃的总离子流色谱

2.2 固相萃取柱的选择

固相萃取柱的选择主要取决于目标化合物的结构和化学性质, 选择合适的固相萃取柱可以在很大程度上将目标化合物与干扰物分离, 并使海水样品中目标化合物得到高效的富集和净化. 实验选取C18和HLB两种固相萃取柱, 在加标量为50.0μg·L-1的质量浓度下对空白海水进行加标回收率测定, 实验做3组平行, 实验步骤按1.4节所述, 实验结果如图2所示.

图2 不同固相萃取柱对多环芳烃的回收率

2.3 洗脱溶剂的优化

图3 不同洗脱溶剂对多环芳烃的回收率

2.4 方法验证

为了确定分析方法能够满足分析测试的要求, 并确保检测结果的准确性和可靠性, 对所建立的方法进行验证.

2.4.1方法的线性范围及检出限

在已优化的实验条件下, 对不同浓度的PAHs混合标准溶液进行测定, 其中内标物质量浓度为100.0μg·L-1, 以浓度和内标物浓度之比为横坐标, 以目标化合物峰面积和内标物峰面积之比为纵坐标, 绘制标准曲线, 得到线性方程. 测定空白加标海水样品, 以3倍信噪比计算方法的检出限, 结果见表2.

表2 方法的线性范围、相关系数及检出限

从表2可知, 在1.0～200.0μg·L-1线性范围内, 10种PAHs的线性关系良好,2≥0.9989, 方法的检出限为0.01～0.08ng·L-1, 表明该方法具有较好的线性和灵敏度.

2.4.2 方法的回收率及准确性

根据已建立的方法进行加标回收率实验, 加标质量浓度分别为10.0、50.0、100.0μg·L-1, 每个浓度设置3组平行, 得到PAHs的加标回收率为83.0%～108.7%, 相对标准差小于6.5%(表3).从表3可知, 本文建立的海水样品中PAHs检测方法具有较好的准确性. 与国标方法[13]相比, 本文方法的检出限低、回收率高, 相对标准差也显著低于国标方法, 表明本文方法具有更高的灵敏度和准确性.

2.5 象山港海水样品的测定

采用本文方法对象山港6个站点的表层海水进行检测分析, 结果见表4.

表3 方法的加标回收率及精确性 %

表4 象山港海水中多环芳烃的检测结果 ng·L-1

从表4可知, 6个采样点中10种PAHs的检出率为100%, 其中菲的质量浓度最高, 达到12.95～ 20.30ng·L-1, 苯并[k]荧蒽的质量浓度最低, 为1.32～1.60ng·L-1, 站点1样品多环芳烃化合物的总质量浓度最高. 这进一步验证了本文方法在实际样品分析中的实用性和可靠性, 表明该方法具有实际应用潜力, 可以满足海水中痕量PAHs的分析检测.

3 结语

通过对固相萃取柱以及洗脱溶剂的优化, 采用GC-MS/MS的MRM监测模式, 建立了基于C18固相萃取柱、二氯甲烷为洗脱溶剂的测定海水中10种多环芳烃的固相萃取GC-MS/MS检测方法. 研究结果表明, 该方法具有较好的定性、定量分析性能, 获得的结果准确可靠, 能满足海水中PAHs残留的检测.

[1] de Boer J, Wagelmans M. Polycyclic aromatic hydrocarbons in soil-practical options for remediation[J]. CLEAN Soil Air Water, 2016, 44(6):648-653.

[2] Purcaro G, Moret S, Conte L S. Overview on polycyclic aromatic hydrocarbons: Occurrence, legislation and innovative determination in foods[J]. Talanta, 2013, 105: 292-305.

[3] 陈洪全, 于英鹏, 陈名. 苏北灌河口工业区土壤PAHs富集特征、溯源及风险评价[J]. 宁波大学学报(理工版), 2020, 33(1):19-24.

[5] Medina G S, Reta M. Development of a dispersive liquid-liquid microextraction method using a lighter-than- water ionic liquid for the analysis of polycyclic aromatic hydrocarbons in water[J]. Journal of Separation Science, 2016, 39(21):4209-4218.

[6] 杨若明. 环境中有毒有害化学物质的污染与监测[M]. 北京: 中央民族大学出版社, 2001:21-178.

[7] Nisbet I C T, LaGoy P K. Toxic equivalency factors (TEFs) for polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs)[J]. Regulatory Toxicology and Pharmacology, 1992, 16(3): 290-300.

[8] Song X J, Li H Y, Yin M M, et al. Determination of 16 polycyclic aromatic hydrocarbons in marine sediments by gas chromatography-tandem mass spectrometry with accelerated solvent extraction[J]. Chinese Journal of Chromatography, 2018, 36(1):51.

[9] Liang P, Xu J, Li Q. Application of dispersive liquid- liquid microextraction and high-performance liquid chromatography for the determination of three phthalate esters in water samples[J]. Analytica Chimica Acta, 2008, 609(1):53-58.

[10] Pawliszyn J, Lord H L. Handbook of Sample Preparation [M]. New York: John Wiley & Sons Incorporated, 2011: 39-51.

[11] 刘金玉, 傅立元, 降升平, 等. 固相萃取-气相色谱质谱法同时测定海水中的多环芳烃和邻苯二甲酸酯类[J]. 天津科技大学学报, 2017, 32(2):49-54.

[12] 赵利容, 孙省利, 高锦锋. 提高水中痕量PAHs的SPE 富集效率和降低背景干扰的考察[J]. 分析测试技术与仪器, 2010, 16(4):229-233.

[13] GB/T 26411-2010. 海水中16种多环芳烃的测定(气相色谱-质谱法)[S].

Simultaneous determination of polycyclic aromatic hydrocarbons in seawater by solid phase extraction coupled with gas chromatography tandem mass spectrometry (GC-MS/MS)

LI Wenwen1,2, TANG Daojun1*, ZHANG Rongrong1, LU Yin2, SUN Aili1, ZHANG Zeming1, PANG Linjiang3

( 1.School of Marine Sciences, Ningbo University, Ningbo 315832, China; 2.College of Food and Pharmaceutical Sciences, Ningbo University, Ningbo 315832, China; 3.School of Agriculture and Food Science, Zhejiang A & F University, Hangzhou 311300, China )

In the current study, a solid phase extraction coupled with GC-MS/MS method was established to investigate 10 kinds of polycyclic aromatic hydrocarbons in seawater. The chromatographic separation conditions and the qualitative and quantitative ions of PAHs were determined with experiments. The solid phase extraction columns and extraction solvents were also optimized. Finally, the PAHs in seawater samples were concentrated by C18 SPE cartridge and eluted by dichloromethane, qualified and quantified by multiple reaction monitoring mode (MRM) with GC-MS/MS, where the internal standard method was used. Using the proposed method, the limit of detection ranged from 0.01-0.08ng·L-1, the spiked recoveries were 83.0%-108.7%, and the relative standard deviation was less than 6.5%. The method has been successfully applied to analyze target PAHs in seawater samples collected from Xiangshan Harbor, with the detective rate being 100%.

GC-MS/MS; PAHs; solid phase extraction; seawater

X834

A

1001-5132（2021）04-0015-06

2020−06−07.

宁波大学学报（理工版）网址: http://journallg.nbu.edu.cn/

国家自然科学基金（31772856）; 浙江省重点研发计划项目（2020C02023）; 宁波大学研究生科研创新基金（IF2020153）.

李文文（1992－）, 女, 河南洛阳人, 在读硕士研究生, 主要研究方向: 食品安全. E-mail: liwenwen1955@163.com

唐道军（1984－）, 男, 湖南永州人, 实验师, 主要研究方向: 水产实验技术. E-mail: tangdaojun@nbu.edu.cn

（责任编辑 史小丽）