色谱  2014, Vol. 32 Issue (5): 529-534   PDF (916KB)    
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丁洁
张圣虎
刘济宁
周林军
陈国松
石利利
液相色谱-串联质谱法测定污水处理厂水样中双酚A、四溴双酚A及烷基酚类化合物
丁洁1,2, 张圣虎1, 刘济宁1 , 周林军1, 陈国松2, 石利利1    
1. 环境保护部南京环境科学研究所, 江苏 南京 210042;
2. 南京工业大学理学院, 江苏 南京 210009
收稿日期：2013-12-31
基金项目：国家高技术研究发展计划（“863”计划）项目（2013AA06A308）；环保公益性行业科研专项（201309028）.
通讯作者：刘济宁E-mail:ljn@nies.org
摘要：近年来，双酚A、四溴双酚A及烷基酚类化合物由于其对水生生物的内分泌干扰作用受到越来越广泛的关注。污水处理厂是处理这类化合物的重要途径，研究目标物在其中的浓度分布对于探明此类物质在环境中的暴露水平具有重要意义，而建立相应的分析测定方法则是开展上述研究的基础。本研究建立了同时测定污水处理厂水样中双酚A、四溴双酚A及6种烷基酚类化合物的反相液相色谱-电喷雾串联质谱分析方法。结果发现，以ZORBAX Eclipse Plus C18色谱柱（150 mm×2.1 mm，3.5 μm）为分离柱，乙腈和0.02%（v/v）氨水溶液为梯度洗脱的流动相，电喷雾质谱负离子模式下目标化合物在11 min内分离；在1~100 μg/L范围内，双酚A、四溴双酚A及6种烷基酚类化合物的峰面积与质量浓度的线性关系良好（R2≥0.998），方法定量限为2.0~20 ng/L；添加水平分别为0.2、2、20 μg/L时，目标化合物的平均回收率分别为64.3%~118.0%、65.9%~100.5%、70.3%~102.7%，相对标准偏差均小于7.1%。基于上述方法，对江苏省某工业园区污水处理厂水样中相关物质进行检测，出水中检出5种目标化合物，质量浓度范围为11.9~3015.3 ng/L。结果表明，该方法准确可靠、灵敏度高，适用于污水处理厂水样中相关烷基酚类化合物的检测。
关键词： 液相色谱-串联质谱     双酚A     四溴双酚A     烷基酚类     水样     污水处理厂    
Determination of bisphenol A, tetrabromobisphenol A and alkylphenols in water samples of sewage treatment plant using liquid chromatography-tandem mass spectrometry
DING Jie1,2, ZHANG Shenghu1, LIU Jining1 , ZHOU Linjun1, CHEN Guosong2, SHI Lili1    
1. Nanjing Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environmental Protection, Nanjing 210042, China;
2. College of Sciences Nanjing Tech University, Nanjing 210009, China
Received: 2013-12-31
Abstract: Bisphenol A, tetrabromobisphenol A and alkylphenols have received much attention in recent years because of their endocrine disrupting effects to aquatic ecosystem. The fate of these compounds in sewage treatment plant which is important to deal with this kind of compounds has significance on the study of exposure levels of the target compounds in the environment, and the development of analytical method is the basis on the above study. An analytical method based on liquid chromatography-electrospray ionization tandem mass spectrometry (LC-ESI-MS/MS) with negative ionization mode has been developed for measuring bisphenol A, tetrabromobisphenol A and six alkylphenols in raw and treated sewage samples. The target compounds were separated on a ZORBAX Eclipse Plus C18 column (150 mm×2.1 mm, 3.5 μm) with mobile phases of acetonitril and 0.02% (v/v) ammonia. Analyte confirmations were performed under multiple reaction monitoring (MRM) mode and the eight compounds were separated within 11 min. The calibration curves were linear in the range of 1-100 μg/L (R2≥0.998). The quantification limits of the eight compounds were 2.0-20 ng/L. The recovery experiments were performed with samples spiked at the levels of 0.2, 2 and 20 μg/L, and the recoveries for the target compounds were in the range of 64.3%-118.0%, 65.9%-100.5% and 70.3%-102.7% (RSD<7.1%, n=3), respectively. Based on the analytical method, the raw and treated sewage samples from an industrial park of Jiangsu Province were analyzed. Five compounds were detected in the water outlet in the range of 11.9-3015.3 ng/L. It shows that the method is simple, selective, sensitive and can be used to analyze the water samples of sewage treatment plant containing alkylphenols.
Key words: liquid chromatography-tandem mass spectrometry (HPLC-MS/MS)     bisphenol A     tetrabromobisphenol A     alkylphenols     water sample     sewage treatment plant (STP)    

近年来,类雌激素活性物质双酚A(bisphenol A,BPA)、四溴双酚A(tetrabromobisphenol A,TBBA)及烷基酚类化合物(如壬基酚(nonylphenol,NP)、辛基酚(4-tert-octylphenol,OP))作为典型的环境中的内分泌干扰物(endocrine disrupting chemicals,EDCs)引起了人们的广泛关注。水体中痕量的此类物质也会严重危害水生生物的生殖系统和胚胎发育[ 1 ],抑制雄鱼精子的生成[ 2 ]并导致雄性的雌性化[ 3 ]。至今,已经有很多学者调查研究了各地河流、湖泊等水体中此类物质的浓度水平及分布,结果表明多种环境水体中均能检测出不同浓度的双酚A、四溴双酚A及烷基酚类化合物[ 4,5,6 ]。由于此类化合物是精细化工生产中的重要中间体,广泛应用于表面活性剂、橡胶和塑料的抗氧化剂等中。由于大量此类物质随着生活污水及工业废水排放,污水处理作为此类物质进入环境前的重要消减环节尤为关键,但是由于污水处理工艺对其去除效率较低,大量未被去除的此类物质随出水排放进入周围水环境,对水生生物和人体健康造成潜在的危害。因此,建立污水处理厂的水样中此类物质的分析测定方法,是研究其在水环境中暴露水平的基础。

目前,报道较多的关于此类物质的测定方法有气相色谱-质谱法[ 7 ]、高效液相色谱法[ 8 ]、液相色谱-质谱法[ 9 ]、毛细管电泳法[ 10,11 ]、单扫示波极谱法[ 12 ]等,涉及样品包括环境水样、土壤[ 13 ]、生物[ 14 ]、食物[ 15 ]等,但水样中此类物质多组分同时检测的方法较少。液相色谱-串联质谱法是检测环境样品中此类物质含量的一种重要方法,其灵敏度高,选择性和特异性好,能对低浓度的样品进行很好的定量分析检测。基于此,本研究采用反相液相色谱-电喷雾串联质谱分析方法同时检测了污水处理厂水样中可能存在的双酚A、四溴双酚A及烷基酚类化合物,建立了可用于污水处理厂水样中类激素酚类活性物质的分析方法。

1 实验部分
1.1 仪器与试剂

高效液相色谱-串联质谱仪(LC-Agilent Technologies 1290 Infinity,MS-AB SCIEX QTRAP 4500,美国AB公司); ZORBAX Eclipse Plus C18色谱柱(150 mm×2.1 mm,3.5 μ m)(美国Agilent公司); Oasis HLB固相萃取小柱(500 mg,6 mL);数显往复震动摇床(德国IKA公司); 旋转蒸发仪(瑞士BUCHI公司); Milli-Q超纯水器(美国Millipore公司); AG-285电子天平(瑞士Mettler公司)。

双酚A、四溴双酚A、4-壬基酚、对特辛基酚、4-叔丁基苯酚、4-丁基苯酚、4-己基苯酚、2,4-二叔戊基苯酚,上述标准品均购自美国J&K公司,纯度均大于97% ;乙腈、甲醇(色谱纯,德国Merck公司);氨水(色谱纯,国药集团药业股份有限公司);超纯水为Milli-Q纯水机出水。上述标准品均用甲醇配成为1 g/L 的标准储备液,储存于4 ℃冰箱。

1.2 样品处理

液液萃取:准确量取经0.45 μ m玻璃纤维滤膜过滤的水样100 mL于200 mL分液漏斗中,用100 mL二氯甲烷/正己烷(4 ∶ 1,v/v)混合萃取剂分3次(40 mL、40 mL、20 mL)进行萃取;每次振荡萃取20 min,合并萃取液,旋转蒸发至干;用甲醇定容至2 mL,过0.22 μ m孔径滤膜,HPLC-MS/MS分析。

固相萃取:分别用5 mL甲醇、5 mL超纯水活化Oasis HLB固相萃取小柱(500 mg,6 mL);准确量取经0.45 μ m玻璃纤维滤膜过滤的水样100 mL,经活化的固相萃取小柱萃取,上样速度约为5 mL/min;上样后用10 mL的超纯水淋洗HLB小柱,并在负压条件下抽真空30 min进行干燥,用10 mL甲醇洗脱;洗脱液经氮气吹干,然后用甲醇/水(1 ∶ 1,v/v)定容至2 mL,涡旋振荡2～3 min,HPLC-MS/MS分析。

1.3 仪器条件
1.3.1 质谱条件

采用电喷雾(ESI)离子源、负电离模式、多反应离子监测(multiple reaction monitoring,MRM)扫描定量分析目标污染物。气帘气(curtain gas,CUR)压力为 206851.8 Pa,喷雾气(ion source gas 1,GS1)压力为 241327.1 Pa,辅助加热气(ion source gas 2,GS2)压力为 275802.4 Pa,源温度(temperature,TEM)为400 ℃,离子化电压(ion spray voltage,IS)为 5500 V,碰撞气(collision gas,CAD)压力为41370.36 Pa。其他参数见表1。

表1 分析8种目标化合物的质谱条件 Table 1 Mass spectrometric conditions for the analysis of the eight target compounds
1.3.2 液相色谱条件

采用ZORBAX Eclipse Plus C18色谱柱(150 mm×2.1 mm,3.5 μ m); 0.02%(v/v)氨水溶液(A)和乙腈(B)为流动相,柱温40 ℃,进样5 μ L;测定时采用的流动相梯度见表2。

表2 8种目标化合物测定时的洗脱梯度 Table 2 Gradient elution program for the analysis of the eight test compounds
2 结果与讨论
2.1 质谱条件的优化

根据目标化合物的分子结构特征,选择ESI负电离模式。采用半自动进样方式,以5 μ L/min 的流速将500 μ g/L的标准工作储备液分别注入离子源;在MRM模式下对每种化合物进行一级质谱分析(Q1扫描),得到每种化合物的分子离子峰;选取相应母离子峰,对其子离子进行二级质谱分析(Q2扫描),得到碎片离子信息;接着对目标化合物二级质谱的CE、DP、EP、CXP等质谱参数进行优化,使目标化合物的分子离子与特征离子碎片的离子强度达到最大时为最优条件(见表1)。

2.2 色谱分离条件的优化

分别用甲醇-水、乙腈-水、乙腈-0.02%(v/v)氨水溶液作为流动相,对8种目标化合物(0.1 mg/L)的分离效果进行比较。使用甲醇-水时目标峰出现不同程度的拖尾现象,且发生重叠,8种目标化合物不能得到有效分离(见图1a);使用其他两种流动相体系时8种目标化合物均可在11 min之内达到完全分离,且目标峰峰形较好。但由于待测物质结构式中都含有酚羟基,具有弱酸性,调节流动相中pH可抑制弱酸的离解从而改变目标化合物的响应。在乙腈-水的基础上加入0.02%(v/v)的氨水(见图1b),提高了8种目标化合物的响应。因此,选择乙腈-0.02%(v/v)氨水溶液作为分离8种目标化合物的流动相体系。

图1 不同流动相条件下8种目标化合物的质量色谱图 Fig.1 Mass chromatograms of the eight target compounds with different mobile phases a. methanol/water; b. acetonitrile/0.02% (v/v) ammonium hydroxide.
1. TBBA; 2. BPA; 3. 4-tert-butylphenol; 4. 4-butylphenol; 5. 4-hexylphenol; 6. OP; 7. NP; 8. 2,4-di-tert-amylphenol.
2.3 提取方法的选择

水样中酚类化合物的富集方法主要有液液萃取、固相萃取等。液液萃取操作简单,对仪器设备要求低;相比液液萃取而言,固相萃取中有机溶剂用量少,且富集倍数高,便于自动化。本文研究了这两种方法对水样中目标物的提取效果。

2.3.1 液液萃取

影响液液萃取效率的主要因素是萃取溶剂的选择。本文比较了在添加质量浓度为20 μ g/L 时二氯甲烷、正己烷和不同比例的二氯甲烷/正己烷混合萃取溶剂对8种目标化合物的回收率,结果见图2。二氯甲烷/正己烷(4 ∶ 1,v/v)作为萃取剂时提取回收率最高,均在60%以上。

图2 液液萃取中不同萃取溶剂对目标化合物的提取效率 Fig.2 Extraction efficiencies of the eight target compounds by liquid liquid extration with different extraction solutions
2.3.2 固相萃取

用Oasis HLB小柱(500 mg,6 mL)进行固相萃取。为了优化固相萃取的实验条件,我们比较了添加质量浓度为20 μ g/L 时,常用洗脱溶剂甲醇和乙腈对8种目标化合物的回收率,结果如图3所示。甲醇作为洗脱溶剂时,提取回收率较高,均大于70% 。

由上述结果表明,在两种提取方法最优条件下,利用Oasis HLB小柱进行目标化合物的提取可以获得更高的提取回收率,因此后续试验选择固相萃取作为提取方法。

图3 固相萃取中不同洗脱溶剂对烷基酚的提取效率 Fig.3 Extraction efficiencies of the eight target compounds by SPE with different elution solutions
2.4 线性范围和检出限

准确吸取目标化合物混合标准样品,用甲醇稀释成质量浓度为1、2、5、10、20、50、100 μ g/L 的一系列标准工作溶液,在优化的液相色谱和质谱条件下进行分析。连续3天对5 μ g/L 的标准工作溶液进行测定(每天测定3次),计算日内、日间精密度。以峰面积(y)对质量浓度(x,μ g/L)进行线性回归。各目标物在1～100 μ g/L 范围内线性关系显著,结果如表3所示。

表3 8种目标化合物的标准曲线方程、判定系数(R2)、日内及日间精密度 Table 3 Regression equations,coefficients of determination (R2),intra- and intra-day RSDs of the eight target compounds
2.5 方法的回收率和精密度

在不含目标化合物的空白水样中添加标样溶液,质量浓度分别为0.2、2、20 μ g/L,按上述方法进行前处理和色谱分析,采用外标法定量,结果见表4。回收率和相对标准偏差均能满足样品分析要求。以10倍信噪比时可以检测到的化合物质量浓度作为目标物的方法定量限,可以得到水中烷基酚方法定量限为2.0～20 ng/L。

表4 回收率、相对标准偏差和方法定量限 Table 4 Recoveries,RSDs and method quantification limits (MQLs)
2.6 样品测定

选取江苏省某化工园区一家典型工业废水处理厂作为研究对象,于2013年9月采集厂区的原水、曝气池出水口、沉降池出水口及总排水口的水样进行分析。采集的水样放置于1 L棕色玻璃瓶内,于当天运回实验室,用盐酸调节pH值达到2.0±0.2,并用0.45 μ m孔径玻璃纤维膜过滤,然后按照上述方法进行分析测定,结果见表5。

表5 污水处理厂水样中8种目标化合物的测定 Table 5 Determination of the eight target compounds in the water samples from a sewage treatment plant

结果表明,在4个采样点的样品中均检测到对特辛基酚、4-壬基酚、双酚A、4-叔丁基苯酚和4-己基苯酚,其在污水处理厂总排水口水样中的质量浓度范围为11.9～3015.3 ng/L,最终去除率为36.1% ～96.5% 。表6对比了文献报道中污水处理厂出水中涉及的部分目标化合物的含量,与国内外其他污水处理厂得到的检测结果相比,本文中测得的结果在其范围之内。

表6 文献报道的壬基酚、辛基酚及双酚A在国内外一些污水处理厂出水中的含量 Table 6 Contents of NP,OP and BPA from some sewage treatment plant effluents at home and abroad from references
3 结论

建立了污水处理厂水样中双酚A、四溴双酚A及6种烷基酚类化合物的液相色谱-串联质谱分析方法。结果发现,采用Oasis HLB固相萃取小柱和甲醇进行洗脱的方法提取目标物,提取效率均在70%以上,可用于实际样品测定。用乙腈和0.02%(v/v)氨水溶液为流动相,采用梯度洗脱的方式,8种目标物在11 min内很好地分离,可实现准确积分。线性和添加回收试验结果表明,用上述方法测定污水处理厂水样中双酚A、四溴双酚A及6种烷基酚类化合物的含量较为准确可靠,回收率高,精密度及定量限均可达到分析检测要求。

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