液相色谱_电喷雾质谱法测定污水和污泥中壬基酚聚氧乙烯醚的参数优化

第28卷 第6期2009年 11月环 境 化 学E NV I RONMENTAL C H E M I STRYV o.l 28,N o .6N ove m ber 20092008年12月31日收稿.*国家自然科学基金资助项目(50538090).**通讯作者,E m ai :lj x li u @rcees ac cn液相色谱 电喷雾质谱法测定污水和污泥中壬基酚聚氧乙烯醚的参数优化*连 静 刘俊新**(中国科学院生态环境研究中心,北京,100085)摘 要 在液相色谱 电喷雾质谱法测定壬基酚聚氧乙烯醚的过程中,对壬基酚聚氧乙烯醚加合离子的形成影响因素进行分析,优化了关键参数,建立了测定污水和污泥中壬基酚聚氧乙烯醚的高分辨高灵敏的液相色谱 电喷雾质谱方法.流动相A 为0 1mmo l l -1乙酸钠缓冲液,流动相B 为甲醇,各聚合度壬基酚聚氧乙烯醚的加合离子响应值达到最大;锥孔电压设为60V 能最大程度上避免[NP n EO +2N a]2+对测定的干扰.N P1EO,NP2EO 和NP n E O s (n =3 15)的仪器检出限分别为10pg,1pg 和0 1pg .该方法成功用于污水和污泥中壬基酚聚氧乙烯醚的测定.关键词 壬基酚聚氧乙烯醚,缓冲液,加合离子,锥孔电压.壬基酚聚氧乙烯醚(NP n EOs ,n 为聚合度)因其生物代谢产物壬基酚(NP)被发现具有雌激素效应而受到环境工作者的关注[1].一些研究表明[2 4],NP n EOs 存在于污水处理厂的进水中,且在出水中检测到NP 的存在.目前NP n E O s 的检测方法主要有气相色谱 质谱联用法(GC M S)[5,6]和液相色谱 质谱联用法(LCM S)[7 10].GC M S 可用于测定NP ,NP1EO 和NP2EO,但不适用于测定高聚合度的NP n EOs .近年来更多的研究者采用LC M S 分析NP n EOs .在应用LC M S 分析NP n EOs 样品时,其灵敏度受到一些关键因素(如色谱柱,流动相,离子源等)的影响[11 13].当色谱柱确定后,流动相缓冲液的选取对于灵敏度的影响至关重要,因为不同的缓冲液会形成不同的加合离子,进而影响样品分析的灵敏度.特别是在对城市污水处理厂的污水或污泥的检测中,如何避免其它加合离子的干扰,是保障分析结果准确性的关键.目前在此方面还缺乏详细的讨论.本研究通过比较3种缓冲液对形成NP n EOs 加合离子的影响,确定最佳缓冲液及其浓度,建立最佳质谱条件,为检测污水和污泥中的NP n EO s 提供高分辨高灵敏的液相色谱 电喷雾质谱方法.1 实验部分1 1 样品的采集和预处理从北京某污水处理厂采集污水和污泥样品.水样和泥样分别用玻璃瓶和不锈钢饭盒盛装,玻璃瓶和不锈钢饭盒事先用二氯甲烷和甲醇润洗.水样采集后立即加入甲醛(1%,体积比),用玻璃纤维滤膜过滤,4!下避光保存,在48h 之内进行预处理.泥样采集后连同过滤后的滤膜冷冻保存,经冷冻干燥机干燥后,去除污泥中杂质,研磨,-20!下保存.水样的固相萃取步骤:将过滤后的500m l 水样用盐酸调p H 值至2 3.将OasisH LB 固相萃取柱依次用5m l 二氯甲烷、5m l 甲醇、5m l 超纯水活化后,以5m l m in -1的速度使水样过柱.用微弱的氮气将小柱吹干,用10m l 二氯甲烷 甲醇溶液(8∀2,体积比)洗脱;洗脱液用微弱的氮气吹干,用C H 3OH 水(1∀1,体积比)定容至1m ,l 进行LC M S 分析.泥样的预处理步骤:在1g 污泥样品中加入15m l 二氯甲烷 甲醇溶液(7∀3,体积比),超声萃取10m i n 后,4000r m in -1下离心分离,取出上清液,重复超声萃取步骤两次,收集上清液,用旋转蒸发仪在35!下浓缩至1m ,l 再溶于500m l 去离子水中,进行固相萃取,步骤与水样处理步骤相同.6期连静等:液相色谱 电喷雾质谱法测定污水和污泥中壬基酚聚氧乙烯醚的参数优化9051 2 LC M S分析NP1EO标准品、NP2EO标准品(林纯药业公司,日本).用Igepa l CO630(S i g m a A l d rich,美国)作为NP n E O s混合标准品,聚合度为315,平均聚合度为9 5.A lliance2690HPLC(W aters公司,美国),Z Q4000质谱检测器(W aters公司,美国),Oasis H LB 固相萃取柱(6m,l500m g,W aters公司,美国).色谱柱:2 1mm#150mm(W aters Sy mm etry Shie l d TM RP18);流动相A:0 1mm o l l-1乙酸钠溶液;流动相B:甲醇.采用梯度洗脱,流速0 2m l m in-1,流动相B为30%,保持5m i n,从5m i n到12m in,流动相B从30%线性增加至85%,保持9m i n,然后流动相B快速增加至97%,保持6m i n,最后降至30%,保持7m i n.柱温:40!;进样量:20 .l 毛细管电压:3 5kV;锥孔电压:30V,源温度:100!;脱溶剂气温度:300!;脱溶剂气流量: 250L h-1;锥孔气流量:60L h-1.m/z扫描范围:2001500;扫描周期1s,扫描延迟0 1s.2 结果与讨论2 1 流动相缓冲液对形成加合离子的影响流动相A使用缓冲液能够促进离子化,有助于提高目标加合离子的响应强度,从而提高待测物质的灵敏度.用于NP n EO s定量的常见加合离子有:[NP n EO+Na]+,[NP n EO+K]+和[NP n EO+ NH4]+.为了比较Na+,K+和NH+4与NP n EOs加合的难易程度,分别以0 1mm o l l-1N a A c, 0 1mm o l l-1KA c和5mm o l l-1NH4A c作为流动相A,保持其他参数不变,对1m g l-1的C O630甲醇溶液进行质谱谱图分析.在每种缓冲液条件下,非人为加入的离子与NP n EOs加合,会降低目标加合离子的相应强度,影响灵敏度.因此,干扰加合离子与目标加合离子的响应值之比越低,说明其它加合离子干扰作用越小,即NP n EOs越容易与目标阳离子加合.表1以聚合度为3,5,7,10,12的NP n EO s为例,列出了3种缓冲液体系下,干扰加合离子与目标加合离子的响应值之比.在NH4A c缓冲液体系中,即使NH4Ac的浓度高达5mm o l l-1,NP3EO仍未能与NH+4形成加合离子,表现为[NP3EO+N a]+/ [NP3EO+NH4]+和[NP3E O+K]+/[NP3EO+NH4]+为无穷大.在KA c缓冲液体系中,[NP5EO+ N a]+/[NP5EO+K]+大于1,说明尽管人为加入K+,NP5E O仍倾向于与系统中残留的N a+结合,导致[NP5EO+Na]+的响应值高于[NP5EO+K]+.而Na A c缓冲体系中,各聚合度的[NP n EO+ NH4]+/[NP n EO+N a]+与[NP n EO+K]+/[NP n EO+Na]+的值均很小,说明NP n EO s相对容易与N a+结合形成加合离子,其它加合离子的干扰作用最小.因此,在本研究条件下N a Ac溶液为最佳.表1 3种缓冲液体系下干扰加合离子与目标加合离子的响应值之比Tab le1 R atios o f adduct signa ls f o r N P n EO s using NHA c,KA c and N a A c as m obil e phase bu ffer,respecti ve ly4缓冲液响应值之比NP3EO NP5EO NP7EO NP10EO NP12EO NH4Ac[NP n EO+N a]+/[NP n EO+N H4]+∃0 7930 1920 1170 110 [NP n EO+K]+/[NP n EO+NH4]+∃0 1390 1030 1400 112 KAc[NP n EO+NH4]+/[NP n EO+K]+0 0000 0230 0000 0500 042 [NP n EO+Na]+/[NP n EO+K]+0 1911 4460 9461 4830 896 NaAc[NP n EO+NH4]+/[NP n EO+N a]+0 0000 0000 0070 0810 091 [NP n EO+K]+/[NP n EO+Na]+0 0000 0000 0040 0710 0632 2 缓冲液浓度对形成加合离子的影响实验结果表明,缓冲液浓度过小不足以使待测物质全部加合,浓度过大则会给仪器系统带来噪音或抑制电离,因此选择恰当的缓冲液浓度是关键环节.本研究以[NP n E O+Na]+为目标离子,在加入缓冲液N a Ac浓度分别为0,0 02,0 1和0 5mm ol l-1时,得出CO630各单体[NP n EO+N a]+的峰面积,如图1所示.在N a Ac浓度为0 1mm o l l-1时,CO630绝大多数单体的[NP n EO+N a]+峰面积达到最大,因此,Na A c的最佳浓度为0 1mm o l l-1906环 境 化 学28卷图1 不同N a A c浓度下CO630各单体的[N P n EO+N a]+峰面积F ig 1 The peak areas o f[NP n E O+N a]+at different bu ffer concen trati ons2 3 锥孔电压对定量的影响同以往研究结果类似[14],除目标加合离子[NP n EO+Na]+外,还发现有双电荷加合离子[NP n EO +2Na]2+产生,且随着聚合度的增加,[NP n EO+2Na]2+形成的可能性增大.由于某些高聚合度NP n EOs的[NP n EO+2Na]2+与一些低聚合度NP n EO s的[NP n EO+N a]+具有相同的质荷比(如[NP13EO+2N a]2+与[NP4EO+Na]+),从而使二者的信号发生重叠,造成定量的偏差.因此,应选择适当的锥孔电压以尽量避免双电荷加合离子[NP n EO+2N a]2+的产生.图2为不同锥孔电压下[NP n EO+2N a]2+与[NP n EO+Na]+的响应值之比.由于[NP n EO+N a]+相对于[NP n EO+2N a]2+有较强的稳定性,因此随着锥孔电压增大,可使更多的[NP n EO+2Na]2+被打碎而消除,导致[NP n E O+2Na]2+/[NP n E O+N a]+减小.当锥孔电压大于60V,该比值不再减小.由此可见,60V的锥孔电压可以最大程度地抑制双电荷加合离子[NP n E O+2Na]2+的存在.对比锥孔电压30V 时的质谱图,60V质谱图更加真实地反映了CO630各单体的分布(图3),说明测定误差被减小.图2 不同锥孔电压下的[NP n EO+2N a]2+/[N P n EO+N a]+F i g 2 S i gnal ratios o f d isodi u m adducts and t he ir correspondi ng mono sodi um adducts at different cone vo ltages图3 在锥孔电压30V和60V下,CO630各单体的质谱图Fig 3 M ass spectru m of CO630at cone vo ltage of30V and60V6期连静等:液相色谱 电喷雾质谱法测定污水和污泥中壬基酚聚氧乙烯醚的参数优化9072 4 回收率与检出限实验结果表明,流动相A使用0 1mm o l l-1乙酸钠缓冲液,锥孔电压为60V时,得到NP1EO, NP2EO和NP n EOs(n=315)的仪器检出限(S/N=3)分别为10pg,1pg和0 1pg,定量下限分别为33pg,3 3pg和0 33pg,线性范围分别为:0 5100 g l-1,0 05100 g l-1,0 00550 g l-1.为了确定该方法用于污水和污泥中NP n EOs检测的可行性,在实验中向生活污水中加入NP1EO, NP2EO和CO630各1 g l-1,向污泥中加入NP1EO,NP2EO和CO630各5mg kg-1,NP n EO s的回收率及检出限列于表2.由表2可知,各聚合度NP n E O s的回收率均比较理想;NP1EO和NP2EO的方法检出限与已有报道结果(污水样品:405000ng l-1;污泥样品:10752 g kg-1)相当[7,11],而NP n E Os(n=315)的检出限低于已有报道结果(污水样品:0 5600ng l-1;污泥样品:51820 g kg-1)[6,11],说明本方法对于测定NP n EOs,尤其是高聚合度的NP n EOs,具有很高的灵敏度.表2 NP n EO s在污水和污泥中的方法检出限、方法定量下限、回收率及相对标准偏差Table2 M e t hod detection li m it(M DL),m ethod quantitation li m it(MQ L)and averag e recover i es obta i ned in se l ected i on m onitor i ng(SI M)m ode污水样品污泥样品M DL/ g l-1M QL/ g l-1回收率/%M DL/ g kg-1M QL/ g kg-1回收率/% NP1EO500150089 2%2 110030085 7%8 6 NP2EO8024085 3%3 9309078 9%6 7NP n EOs(n=315)0 020 0681 9%5 80 070 2179 0%5 62 5 实际样品的分析对北京某城市污水处理厂的污水和污泥中NP n EOs浓度进行分析,结果列于表3.由表3可以看出,该污水处理厂进、出水和脱水污泥中主要以NP1EO和NP2EO为主,去除率高达89 7%.对每个采样点取3个平行样进行测定,水样的相对标准偏差为9 2%18 6%,污泥的相对标准偏差为13 9%20%,测定结果满足分析准确度和精度要求.表3 进出水和脱水污泥中NP n EO s的浓度及标准偏差Tab le3 T he concentration o f each NP n E O s o ligo m er i n wastewater and s l udge samp l es 单体进水/ g l-1出水/ g l-1脱水污泥/m g kg-1单体进水/ g l-1出水/ g l-1脱水污泥/m g kg-1 NP1EO4 24%0 390 31%0 0414 37%2 01NP9EO0 22%0 030 03%0 010 03%0 01 NP2EO3 34%0 540 27%0 0318 48%3 50NP10EO0 37%0 060 04%0 010 07%0 01 NP3EO0 07%0 010 07%0 010 06%0 01NP11EO0 29%0 030 02%0 000 05%0 01 NP4EO0 11%0 010 08%0 010 07%0 01NP12EO0 56%0 080 03%0 010 11%0 02 NP5EO0 10%0 010 06%0 010 02%0 00NP13EO0 38%0 070 02%0 000 09%0 02 NP6EO0 18%0 020 05%0 010 05%0 01NP14EO0 31%0 060 02%0 000 07%0 01 NP7EO0 12%0 010 04%0 010 02%0 01NP15EO0 21%0 040 02%0 000 06%0 01 NP8EO0 23%0 020 05%0 010 03%0 01总计10 73%1 701 11%0 1933 58%6 303 结论(1)流动相A使用乙酸钠缓冲液,有利于NP n EO s形成加合离子[NP n EO+Na]+,此时其它加合离子的干扰作用最小.当乙酸钠缓冲液浓度为0 1mm o l l-1时,各聚合度的NP n EOs获得最高灵敏度.(2)增大锥孔电压可消除双电荷加合离子[NP n EO+2Na]2+对定量的影响,锥孔电压为60V时,最大程度地避免了双电荷加合离子的干扰.(3)本试验建立的LC ES I M S方法排除了杂质的干扰,能够准确地同时定量各聚合度的NP n EO s,结合固相萃取技术,成功用于污水和污泥中NP n EOs的检测.环 境 化 学28卷908参 考 文 献[1] W h ite R,J ob li ng S,H oare S A et a.l,E nvironm entall y Persistent A l kyl pheno li c C o m pounds A re E strogen i c E ndocrinol ogy,1994,135(1)∀175182[2] Ah elM,G i gerW,Koch M,Behav i ou r ofA l kylph enol Polyethoxy l ate Su rf actan ts i n t he Aquati c E nvironm ent & Occu rrence and T ran sf or m ation i n S e w age Treat m en t.W at.R es.,1994,28(5)∀11311142[3] Burno F,C uri n iR,D iC orci a A et a.l,Deter m inati on of Surf act an ts and Som e ofTh ei rM et abolites i n U ntreat ed and An aerob icall y D i gested Se w age S l udge by Subcri ti calW ater E xtracti on Foll ow ed by L i qu i d Chromatography M ass spectro m etry E nviron.Sci.T ec hnol.,2002, 36(19)∀41564161[4] Planas C,Guadayol J M,D roguetM et a.l,D egradati on ofPol yet hoxyl ated Nonylph e no l s i n a Se w age T reat m en tP l an t Qu anti tative Anal ysis by Isot opic D il u ti on HRGC/M S W a t.R 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c,NH4Ac,and KA c w ere added to m ob ile phase,respecti v e l y,and the corresponding adducts w ere monitored Resu lts sho w ed that the sod i u m adducts gave the m ost signals f o r bo th sho rt cha i n and long cha i n o li g o m ers at Na A c o f0 1mmo l l-1 used as the m obile phase buffer A t the cone vo ltage of60V,[NP n EO+2Na]2+w ere e li m i n ated at the m ost li m it to avo i d interference duri n g quantificati o n For NP1EO,NP2EO,NP n EO s(n=315),I D Ls w ere 10pg,1pg,0 1pg,respecti v e l y I nvesti g ation of NP n EO s in waste w ater and sludge sa m p l e s taken fro m a WW TPs i n Be ijing w as successfully perfor m ed by th ism e t h odK eyw ords:nonylpheno l ethoxylates,adduct for m ati o n,m obile phase buffer,cone vo ltage.。