固相萃取-气相色谱-质谱法同时测定黑臭水中15种邻苯二甲酸酯化合物

    李新洪　向垒　黄裕宏　莫测辉　李彦文　李慧　蔡全英

    

    

    

    摘 要 建立了固相萃取-气相色谱-质谱（GC-MS）法同时测定黑臭水中15种典型PAEs化合物的高效分析方法。采用HP-5MS色谱柱分离，以电子轰击（EI）-选择离子模式（SIM）和基质标准曲线进行定量测定。最佳萃取条件为：取水样100 mL，调节pH值为3，过WondaSep C18萃取柱进行固相萃取，以6 mL甲醇-二氯甲烷（1∶4， V/V）进行洗脱。在此条件下，15种PAEs的线性范围为0.05～2.0 mg/L（R2 >0.991），检出限为0.04～0.38 μg/L; 在不同浓度基质加标（2和10 μg/L）条件下，各PAEs回收率在70%～115%之间，标准偏差为10%。以此方法测定实际黑臭水样中PAEs，总浓度为2.57～13.69 μg/L，加标（2 μg/L）回收率为62%～115%。

    关键词 固相萃取; 气相色谱-质谱; 邻苯二甲酸酯; 黑臭水样; 基质效应

    1 引 言

    随着城镇化和工业化快速发展，部分城市河道沦为工业废水和生活污水排污的主要通道，大量有机质、氨氮等物质排入水体，超过水体自净能力，造成缺氧和富营养化，形成黑臭水体[1，2]。黑臭水呈现令人不悦的颜色和（或）散发令人不适气味，其主要评价指标包括氨氮（NH3-N）、溶解氧（DO）、透明度等[2]。当水样溶解氧和氨氮浓度分别在0.2～20.0 mg/L和8.0～15.0 mg/L之间时为轻度黑臭水，当二者浓度分别为15 mg/L时为重度黑臭水[2]。黑臭水体是影响城市环境质量的重要问题之一，不仅带来极差的感官体验，也直接影响生活、生产用水的质量。中国国务院颁布的《水污染防治行动计划》提出“到2020 年，地级及以上城市建成区黑臭水体均控制在10%以内，到2030 年，城市建成区黑臭水体总体得到消除”的控制性目标。

    黑臭水体通常含有多类有机污染物，特别是一些难降解有机污染物，如邻苯二甲酸酯（PAEs）、多环芳烃（PAHs）等普遍检出，且对水中动植物和微生物毒性大，并严重影响水体和沉积物的生物群落结构和功能，以及水体自净能力[3～5]。目前，国内外建立的水体有机污染物分析方法主要针对饮用水、自来水、河水、污水等样品。以PAEs为例，针对上述不同来源水样品建立了液-液萃取/固相萃取以及气相色谱质谱联用-液相色谱质谱联用的高效分析方法（回收率73%～ 120%，RSD≤20%）[6，7]，但有关黑臭水中PAEs高效分析方法尤其是基质效应方面的研究还缺乏报道。本研究建立了同时测定黑臭水体中15种典型PAEs化合物的固相萃取-气相色谱-质谱（GC-MS）分析方法，并将其成功应用于城市黑臭水样的分析。

    2 实验部分

    2.1 仪器与试剂

    AgiLent 7890A气相色谱-质谱联用仪（美国安捷伦公司）; RE-2000B旋转蒸发仪（上海亚荣公司）; SB25-12DTS超声波清洗机（宁波新艺公司）; Mill-Q A10 超纯水系统（美国 Millipore 公司）。

    15种邻苯二甲酸酯（PAEs）混合标准溶液（溶于甲醇，单个化合物浓度均为1000 mg/L）购自美国Sigma-Aldrich公司（表1）。甲醇（色谱纯，美国Sigma-Aldrich公司）; 二氯甲烷（色谱纯，Burdick & Jackson公司）; 其余试剂均为分析纯，购自广州化学试剂厂。实验用水为超纯水（18 MΩ·cm）， 由Mill-Q A10 超纯水系统制备。

    2.2 实验方法

    2.2.1 黑臭水基质的制备 考虑到黑臭水样中普遍检出多种有机污染物，为获得无污染的基质水样， 本研究根据黑臭水形成关键因素（COD、氨氮、Fe2+等）及文献[1]报道的方法，以超纯水为母液，以少量无污染清澈湖水（取自暨南大学人工湖，湖水/母液=1∶100）为微生物媒介，并添加淀粉、葡萄糖、尿素、Na2HPO4、KH2PO4、CaCl2、MgSO4、FeCl3等提供碳源、氮源和其它营养，在避光条件下，靜置密封培养6 d， 制备黑臭水水样，测得其COD、氨氮、总铁、DO含量分别为173、 31、 1和0.1 mg/L[8～11]，未检出PAEs化合物。向制备黑臭水样中添加PAEs标准储备液，使其PAEs浓度为20 μg/L，以此作为模拟黑臭水基质， 优化建立黑臭水中PAEs分析方法。

    2.2.2 标准溶液配制 以甲醇为溶剂，将15种PAEs混标母液稀释成10 mg/L标准储备液，于4℃保存备用。采用甲醇和制备黑臭水基质萃取液分别稀释PAEs标准储备液，制备PAEs的溶剂和基质标准曲线工作液（0.05、0.1、0.2、0.5、1和2 mg/L）。

    2.2.3 样品溶液制备 取100 mL黑臭水水样，以1 mol/L HCl调节至pH 3，过WondaSep C18萃取柱（日本Shimadzu公司）进行固相萃取富集，以6 mL甲醇-二氯甲烷溶液（1∶4， V/V）进行洗脱，收集洗脱液于鸡心瓶中，40℃下旋转蒸发至近干，用甲醇溶解并定容至1 mL，待测。

    2.3 色谱质谱条件

    2.3.1 色谱条件 HP-5MS石英毛细管色谱柱（30 m×0.25 mm×0.1 μm），进样口温度270℃，载气为高纯氦气（≥99.999%），柱流量1.0 mL/min，不分流进样（1 μL）; 程序升温： 60℃保留1 min，以20℃/min升至220℃，保留1 min，再以5℃/min 升至280℃，保留5 min。

    2.3.2 质谱条件 电子轰击（EI）源温度230℃，进样口温度230℃，检测电压1.1 kV，采用选择离子模式（SIM）检测， 基质标线外标法定量分析。各PAEs化合物的色谱条件和定量和定性离子见表1。

    3 结果与讨论

    3.1 色谱-质谱条件优化和分析

    以相同规格（30 m×0.25 mm×0.1 μm）不同固定相的石英毛细管色谱柱，包括DB-5MS色谱柱（5%苯基+95%二甲基聚硅氧烷）、HP-5MS（5%二苯基+95%二甲基聚硅氧烷）及HP-1MS（100%二甲基聚硅氧烷）分别分离15种PAEs化合物（0.1 mg/L）。其中HP-5MS色谱柱对PAEs的分离效果最优，各PAEs化合物在溶剂（甲醇）及黑臭水基质样品中均达到基线分离（图1），并且在空白黑臭水基质中未发现干扰峰，选择性良好，因此选择此柱作为分析色谱柱。

    以EI源为质谱源，采用全扫描离子模式扫描15种PAEs的特征离子，扫描范围设置为m/z 50～300。在EI源轰击条件下，PAEs分子可通过α断裂和γ-H重排脱去酯基碳链部分，形成m/z 149、m/z 167等特征碎片离子（表1）。以DNOP和DEHP为例（图2），DNOP可通过诱导的α断裂先脱去一侧的酯基碳链（·C8H17O），再通过γ-H重排脱去另一侧的酯基碳链（·C8H16），最终形成m/z 149特征离子碎片; DEHP则通过3次γ-H重排脱去两侧酯基碳链（·C8H15和·C8H16）形成次丰度特征离子碎片m/z 167，再脱去1分子H2O后形成主丰度特征离子碎片m/z 149[12，13]。根据各化合物的特征碎片离子（表1），建立SIM方法进行后续分析。

    3.2 前处理条件的优化

    3.2.1 萃取小柱的选择 考察了常用于PAEs萃取的同规格（500 mg/6 mL）不同填料和品牌的固相萃取小柱对黑臭水中15种目标PAEs的萃取回收率。考察的固相萃取小柱包括Sep-Pak C18柱（十八烷基键合硅胶，Waters，美国）、WondaSep C18柱（十八烷基键合硅胶，日本Shimadzu公司）、弱阴离子柱PWAX（聚苯乙烯/二乙烯苯，博纳艾杰尔公司）和Oasis HLB柱（亲脂性二乙烯苯和亲水性N-乙烯基吡咯烷酮，美国Waters公司）。结果表明，以PAWX柱萃取时，多数PAEs化合物回收率≤60%，且部分化合物如DEEP和DEHP标准偏差较大（>30%）（图3），这与PAEs化合物为弱极性类化合物有关[14]。以Oasis HLB柱和Sep-Pak C18柱萃取时，PAEs化合物回收率总体在60%～120%之间，但前者对DEHP和DNOP回收率低于40%，而后者对这两种化合物测定回收率的标准偏差较大（>20%）。以WondaSep C18柱为柱萃取时，各PAEs化合物回收率总体在80%～120%之间，且对DEHP和DNOP的萃取回收率也优于其它固相萃取柱，因此后续优化实验选择此柱。

    3.2.2 洗脱剂的选择 尽管PAEs为弱极性类化合物，但由于酯基碳链长度和结构的差异，不同PAEs化合物极性也存在一定差异[14]。考察了甲醇（MeOH，较强极性溶剂）和二氯甲烷（DCM，较弱极性溶剂）单一溶剂及二者不同配比混合溶剂对目标PAEs的洗脱效果，洗脱剂用量均为4 mL。如图4所示，以MeOH为洗脱剂时，除DBP、BiBP和DMEP外，其余PAEs回收率均较低，普遍在60%以下，这与甲醇具有较强极性有关。以DCM为洗脱剂时，PAEs化合物回收率较以MeOH为洗脱剂时有所提高，但DMP、DEP和DNOP等化合物回收率较低（40%～60%）。以MeOH和DCM混合溶剂为洗脱剂时，目标PAEs回收率较单一溶剂时有明显改善，其中以MeOH-DCM（1∶4，V/V）时洗脱效果最优，各PAEs的回收率在65%～110%之间，故以此作为洗脱溶剂。

    3.2.3 洗脱剂用量的优化 考察了以MeOH/DCM（1∶4，V/V）作为洗脱溶剂时，不同洗脱剂用量对目标PAEs回收率的影响。结果表明，洗脱剂体积为2 mL时，目标PAEs的回收率在60%以下; 随着洗脱剂体积的增加，各目标化合物的回收率明显提高; 体积为4或6 mL时，二者对目标PAEs提取的回收率相当，在70%～120%之间，但前者DPHP和DNOP的回收率较差（低于60%），显著低于后者（65%～77%）; 继续增加洗脱剂体积至8或10 mL未能进一步增加目标PAEs的回收率，反而造成部分化合物回收率过高（DiBP、DMEP和DEEP回收率>120%）或过低的现象（DNOP< 60%），这可能与共萃取基质成分造成的干扰和基质效应有关。因此，选择洗脱剂用量为6 mL。

    3.2.4 pH值的影响 溶液pH值可显著影响PAEs化合物在C18柱的萃取富集效率，过高的pH值（>7）导致PAEs化合物難以键合于C18柱硅胶固定相，过低的pH值（<2）则会导致柱硅胶固定相溶解，降低回收率和稳定性[6]。为此，调节水样pH值为2、3、4、5、7，考察pH值对目标PAEs化合物回收率的影响。结果表明，pH值为5或7时，大部分PAEs回收率低于40%; 随着pH值的降低（2～4），回收率大幅度提高，在pH=3时回收率最优，在80%～115%之间，且RSD<15%（图5）。故萃取水样前，调节其pH=3。

    3.3 基质效应、线性范围和检出限

    尽管通过前处理过程可有效去除样品基质成分，但萃取质中残留的基质成分仍会影响GC-MS对痕量有机物污染物的分析，使目标化合物信号相对于溶剂信号增强或减弱，并影响准确定量，即产生基质效应[15，16]。为此，分别用溶剂甲醇和模拟黑臭水基质配制标准PAEs溶液，并绘制标准曲线，以二者的斜率比（K基/K甲）分析黑臭水基质对PAEs测定的基质效应。一般而言，K基/K甲1.1，表现为基质增强效应; 0.9≤K基/K甲≤1.1，基质效应可忽略[15，16]。如表2所示，溶剂和黑臭水中各目标PAEs化合物在0.05～2 mg/L浓度范围均具有良好的线性关系（R2>0.991）; 除DBP、DMP、DEP、DIBP等二者的K基/K甲在0.9～1.1间， 其余的K基/K甲主要在1.1～1.5之间，表现为基质增强效应。因此，为提高样品分析的准确性，应采用基质标线进行定量分析。采用优化的前处理条件萃取空白模拟黑臭水基质，以获得的基质萃取液稀释PAEs化合物储备液，当稀释液中目标化合物出峰信噪比（S/N）为 3时的浓度作为该化合物检出限[16，17]。各PAEs的检出限为0.04～0.38 μg/L，与已报道的用于测定饮用水、自来水、河水等样品的GC-MS法相当（0.65～1.57 μg/L）[7]。若考虑水样萃取过程的浓缩倍数（100），则实际样品中目标PAEs的样品检出限为0.4～3.8 ng/L。

    3.4 黑臭水中不同浓度PAEs的回收率和精密度

    在优化条件下，进一步测定了模拟黑臭水基质中不同浓度目标PAEs化合物（2、10 μg/L）的回收率和标准偏差。结果表明，不同浓度PAEs的萃取回收率在70%～110%之间，RSD低于10%（n=5，表3），与已报道的采用GC-MS测定饮用水、自来水、河水、污水等样品的结果相当（回收率73%～120%，RSD≤20%）[7]，说明本方法测定黑臭水中PAEs化合物具有较高的准确度和精密度。

    3.5 环境水样分析

    采集了广州市6个典型黑臭水体水样，测定其氨氮、溶解氧、COD含量为7.9～20.0 mg/L、2.6～3.3 mg/L、32～100 mg/L[8-11]。以建立的优化方法测定了目标物PAEs在所采实际样品中的回收率（加标浓度2 μg/L）和含量。结果表明，各目标化合物回收率在62%～115%之间，RSD小于10%（表4），说明本方法适用于实际黑臭水样中PAEs化合物的测定。含量分析显示，所采黑臭水样中15种PAEs均不同程度被检出，总量为2.57～13.69 μg/L，其中DBP、DEP、DiBP、DPHP、DEHP检出率为100%，DNOP和DMP分别只在1和2个样品中检出，而DPP和DHXP未在水样中检出（表4）。各化合物中，DPHP检出量最高（0.66～8.71 μg/L），其次是DEHP（0.30～4.11 μg/L）、DiBP（0.20～0.86 μg/L）和DBP（0.18～0.46 μg/L）。鉴于所采黑臭水样中普遍检出PAEs化合物，需进一步针对广州黑臭水河涌开展PAEs化合物污染调查及风险评估工作。

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    Simultaneous Determination of 15 Kinds of Phthalate Esters

    in Black and Odorous Water by Solid Phase Extraction

    and Gas Chromatography-Mass Spectrometry

    LI Xin-Hong， XIANG Lei*， HUANG Yu-Hong， MO Ce-Hui*， LI Yan-Wen， LI Hui， CAI Quan-Ying

    （Guangdong Provincial Research Center for Environment Pollution Control and Remediation Materials，

    College of Life Science and Technology， Jinan University， Guangzhou 510632， China）

    Abstract A solid phase extraction and gas chromatography/mass spectrometry （GC-MS） method was developed for simultaneous extraction and determination of fifteen phthalate esters （PAEs） in black and odorous water. The quantification of 15 kinds of PAEs was performed using a HP-5MS column for chromatographic separation， followed by electren ionization （EI） mass spectra and selected ion monitoring （SIM）. Under optimal extraction conditions， 100 mL of water sample at pH 3 was loaded into a WondaSep C18 cartridge， and then eluted with 6 mL of methanol/dichloromethane （1∶4， V/V）. Satisfactory linearity （R2>0.991） for the target PAEs in matrix of black and odorous water was obtained in the range of 0.05-2 μg/mL， with detection limit of 0.04-0.38 μg/L. The recoveries at two spiked levels （2 and 10 μg/L） in the matrix of black and odorous water generally ranged from 70% to 115%， with relative standard deviation of lower than 10%. The developed method was successfully used to detect PAEs in the actual black and odorous water samples， with total concentration and recoveries （spiked at 2 μg/L） ranging from 2.57 μg/L to 13.69 μg/L and 62% to 115%， respectively.

    Keywords Solid-phase extraction; Gas chromatography-mass spectrometry; Phthalic acid esters; Black and odorous water; Matrix effect