超高效液相色谱-串联质谱法快速测定环境空气中13种醛酮类化合物的含量

汪素芳,王晓伟,孟 甜,杨霓云,董淮晋,冯学良

(中国环境科学研究院 环境检测与实验中心,北京 100012)

环境空气中的主要有机污染物醛酮类化合物,是光化学烟雾的主要成分,也是生成自由基、臭氧和过氧硝基化合物的关键前体[1]。化工产品生产、汽车尾气排放、化石燃料不完全燃烧等均会产生该类化合物[2]。研究证实,醛酮类化合物对眼睛、皮肤和呼吸道黏膜有强烈刺激,部分醛酮类化合物还会致癌。但是,醛酮类化合物性质相对活泼,在大气中的含量变化大,精确采样、分析的难度较大[3-4]。因此,快速准确检测大气中醛酮类化合物对环境污染防治具有重要意义。

醛酮类化合物的检测方法主要包括分光光度法[5]、气相色谱-质谱法[6-7]、液相色谱法[8-12]以及液相色谱-质谱法[13]等。其中,高效液相色谱-紫外检测法是目前应用最广泛的方法,检测种类全面、方法稳定性较好,但由于紫外检测器灵敏度较低,该方法更适合高浓度水平样品的定量分析,同时该方法的分析时间一般为30～40 min,分析时间长、溶剂用量大,且丙酮和丙烯醛的分离度较差[14-19]。超高效液相色谱-串联质谱法(UHPLC-MS/MS)具有分析快速、灵敏度高等优势,适合分析浓度水平较低的环境空气样品,但是该方法一般采用乙腈-乙酸铵溶液体系作为流动相,而铵盐的长期稳定性较差,影响方法的重现性。鉴于此,本工作以2,4-二硝基苯肼(DNPH)采样管采集环境空气中甲醛、乙醛、丙酮、丙烯醛、丙醛、丁烯醛、丁醛、苯甲醛、戊醛、对甲基苯甲醛、己醛、甲基丙烯醛和丁酮等13种醛酮类化合物,并以优化的UHPLC-MS/MS条件测定其含量,可为大气污染防治提供技术支撑。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

Nexera-X2/8040型超高效液相色谱-串联质谱仪;Gil Air型恒流气体采样器;Gilibrator 2型皂膜流量计;DNPH 采样管(350 mg/1 mL);KI除臭氧柱(1 g/1 mL)。

醛酮类衍生物混合标准溶液:13种醛酮类化合物的DNPH 衍生物的质量浓度均为100 mg·L－1(衍生物的含量均以醛酮计,下同)。

醛酮类衍生物混合标准溶液系列:取适量醛酮类衍生物混合标准溶液,用50%(体积分数,下同)乙腈溶液逐级稀释,配制成质量浓度为0.005,0.01,0.025,0.05,0.10,0.20 mg·L－1的醛酮类衍生物混合标准溶液系列。

11种醛酮类化合物混合标准溶液:甲醛、乙醛、丙酮、丙烯醛、丙醛、丁烯醛、丁醛、苯甲醛、戊醛、对甲基苯甲醛、己醛的质量浓度均为1 000 mg·L－1。

甲基丙烯醛、丁酮标准品和乙腈均为色谱纯;试验用水为超纯水。

1.2 仪器工作条件

1.2.1 色谱条件

Shim-pack GISS 色谱柱(50 mm×2.1 mm,1.9μm);柱温30℃;进样体积5μL;流量0.5 mL·min－1;流动相A 为乙腈,B 为水。梯度洗脱程序:0～3 min,A 为35%;3～5 min,A 由35%升 至45%;5～8 min,A 由45%升至70%;8～10 min,A由70%降至35%,保持2 min。

1.2.2 质谱条件

电喷雾离子源负离子(ESI－)模式;离子源温度120 ℃;毛细管电压2.8 kV;雾化温度350 ℃;雾化气流量800 L·h－1;反吹气流量10 L·h－1;碰撞气流量0.10 mL·min－1;多反应监测(MRM)模式;其他质谱参数见表1。

表1 质谱参数Tab.1 MS parameters

1.3 试验方法

1.3.1 样品的采集

检查采样管路气密性,设置采样流量为2 000 mL·min－1(使用皂膜流量计校准流量,采样前后流量误差绝对值小于5%)。将两根DNPH 采样管串联,前端连接一根除臭氧柱,采样25 min。采样完毕后,用密封帽密封采样管管口,用铝箔包裹采样管,于4 ℃以下保存、运输。

1.3.2 样品的测定

将DNPH 采样管于25 ℃静置2 h,用5 mL乙腈洗脱,洗脱液流向与采样时气流方向相反。将洗脱液收集到5 mL容量瓶中,用乙腈稀释至刻度,过0.22μm 滤膜,加入与滤液等体积的水,供UHPLCMS/MS分析。

2 结果与讨论

2.1 色谱条件的选择

2.1.1 流动相

试验比较了甲醇-水、乙腈-水、乙腈-0.2 mmol·L－1乙酸铵溶液体系等3种流动相的色谱分离效果。结果显示:以甲醇-水体系作流动相时,分析时间较长;以乙腈-0.2 mmol·L－1乙酸铵溶液体系作流动相时,13种醛酮类衍生物的峰面积较高,但是乙酸铵溶液需要现用现配,每次测试前均需重新绘制标准曲线;以乙腈-水体系作流动相时,其色谱峰面积虽不及乙腈-0.2 mmol·L－1乙酸铵溶液体系的高,但是长期稳定性较好,色谱峰面积的相对标准偏差(RSD,n＝6,每5 d检测一次)小于10%。因此,试验选择的流动相为乙腈-水体系。

2.1.2 色谱柱

试验比较了两种规格[(50 mm×2.1 mm,1.9μm)和(100 mm×2.1 mm,1.9μm)]的Shimpack GISS 色谱柱的色谱分离效果。结果显示,Shim-pack GISS色谱柱(50 mm×2.1 mm,1.9μm)具有更短的分析时间和更窄的半峰宽,目标物均能达到基线分离。因此,试验选择Shim-pack GISS色谱柱(50 mm×2.1 mm,1.9μm)进行后续试验。

2.2 质谱条件的选择

醛酮类衍生物易在负离子模式下电离形成[M－H]－准分子离子峰,因此试验选择在ESI－模式下优化母离子、特征子离子、碰撞能量等质谱参数,详见表1。

在优化的仪器工作条件下,0.10 mg·L－1醛酮类衍生物混合标准溶液中各目标物的色谱图见图1。

图1 醛酮类衍生物的色谱图Fig.1 Chromatograms of aldehyde and ketone derivatives

2.3 标准曲线和检出限

按照仪器工作条件测定醛酮类衍生物混合标准溶液系列,以各目标物的质量浓度为横坐标,其对应的峰面积为纵坐标绘制标准曲线。结果显示,各目标物标准曲线的线性范围均为0.005～0.20 mg·L－1,其他线性参数见表2。

在空白DNPH 采样管中加入醛酮类衍生物各0.25μg(以醛酮计),按照试验方法重复分析7次,以3.143倍标准偏差(s)计算检出限(3.143s),结果见表2。

表2 线性参数和检出限Tab.2 Linearity parameters and detection limits

2.4 精密度和回收试验

按照仪器工作条件对0.05,0.10 mg·L－1的醛酮类衍生物混合标准溶液分别重复测定6次,计算各目标物测定值的RSD,结果见表3。

向DNPH 空白管中分别加入0.5,1.0μg(以醛酮计)醛酮类衍生物,按照1.3.2节试验方法分别重复测定6次,计算回收率,结果见表3。

由表3 可知,各目标物测定值的RSD 为0.90%～7.1%,回收率为92.9%～104%,说明方法的精密度和准确度较好。

表3 精密度和回收试验结果(n＝6)Tab.3 Results of tests for precision and recovery(n＝6)

向泰德拉(Tedlar)气袋中充入50 L高纯空气,作为空白空气样品,分别加入0.25,1.0μg的11种醛酮类化合物,配制成加标空气样品1和加标空气样品2,按照1.3.2节试验方法分析,结果见表4。

表4 加标空气样品的回收试验结果Tab.4 Results of test for recovery on the spiked air samples

由表4 可知,各目标物回收率为81.8%～96.5%,表明该方法准确度高。

2.5 样品分析

按照试验方法分析北京市某场地环境空气样品和加标环境空气样品,检出了甲醛、乙醛、丙酮、丙烯醛、丙醛、丁醛和戊醛,检出量分别为5.24,5.52,31.2,11.8,3.42,7.10,4.27μg·m－3,色 谱 图见图2。

图2 环境空气和加标环境空气的色谱图Fig.2 Chromatograms of samples of the ambient air and the spiked ambient air

由图2可知,目标物测定不受空气中其他成分的影响,且13 种目标物可在8 min 内实现基线分离。

本工作以UHPLC-MS/MS 测定环境空气中13种醛酮类化合物的含量,方法溶剂消耗少、分析时间短、定量结果可靠,方法精密度好、准确度高,可用于环境空气中醛酮类化合物的高通量测定。