1. 引言
近年来，全国各地关于江河、水库及饮用水嗅味事件时有发生，饮用水安全与人民生活息息相关，因此水中的嗅味物质成为人们的关注热点。嗅味是评价饮用水水质最直观的指标之一，水中高浓度的嗅味物质不仅会造成饮用水污染事件，对人类身体健康也会造成危害[1]。藻类代谢的过程中会产生藻毒素和嗅味物质，其中，藻毒素无色无味不易察觉，但嗅味物质会直接影响饮用水感官性状，2-甲基异莰醇(2-Methylisoborneol, 2-MIB)和土臭素(Geosmin, GSM)是两种最常见的致嗅物质。目前，已有研究表明蓝藻、放线菌以及某些真菌是导致水体产生2-甲基异莰醇和土臭素的主要来源[2] [3]，二者是具有强土腥味的致嗅物质，尤其在藻类繁殖和死亡的过程中，2-甲基异莰醇和土臭素的浓度会明显升高，导致饮用水水源受到污染，散发腥臭味，直接从水中就能闻到相应的土腥味，严重影响饮用水质量和感官性状，因此水质检测工作的必要性和及时性[4]就显得尤为重要。
目前，最新版《生活饮用水卫生标准》(GB/T 5750.8-2023)中已将2-甲基异莰醇和土臭素这两个指标增加到扩展指标中，该国标方法对2-甲基异莰醇和土臭素的最低检测浓度分别为3.8 ng/L和2.2 ng/L，饮用水中二者的含量不得超过10 ng/L [5]，且该方法中所用的检测前处理方法为固相微萃取。本研究旨在建立一种利用吹扫捕集–气相色谱质谱联用(T&P-GC-MS)技术检测水中痕量2-甲基异莰醇(2-MIB)和土臭素(GSM)的分析方法，该方法简便、灵敏、稳定，为水质检测实验室提供了一种方案，丰富了检测技术库，为饮用水中嗅味物质的测定提供了必要的分析技术支持和数据支持[6]，有显著的社会经济效益和良好的应用前景。
2. 实验部分
2.1. 主要仪器与试剂
吹扫捕集仪(T&P)：O·I·Analytical-4660；
气相色谱–质谱联用仪(GCMS)：Agilent GC-MS6890-5973型，安捷伦科技(中国)有限公司；
色谱柱：DB-5ms-30 m × 0.25 mm × 0.25 µm和DB-624-60 m × 0.25 mm × 1.4 µm；
甲醇：HPLC级，美国赛默飞世尔科技有限公司；
甲醇中2-甲基异莰醇、土臭素标准物质溶液：标准样品编号为23110862，100 mg/L，相对扩展不确定度为3% (k = 2)，坛墨质检标准物质中心；
甲醇中1,2-二氯苯-d4标准物质溶液：标准样品编号为8631000，1998 mg/L，纯度99.50%，CHEM SERVICE；
顶空瓶：40 mL顶空瓶(配备PTFE瓶盖)；
超纯水：二次蒸馏水(或市售纯净水)，于90℃水浴中用高纯氮气吹扫15 min，现制现用(超纯水应无干扰测定的杂质，或杂质含量小于待测物的方法检出限)。
2.2. 实验步骤
2.2.1. 标准曲线的制备
用甲醇将2-甲基异莰醇、土臭素标准物质溶液逐级稀释为10.0 μg/L的标准使用液。
用甲醇将内标1,2-二氯苯-d4标准物质溶液逐级稀释为40.0 μg/L的内标使用液。
用超纯水将2-甲基异莰醇、土臭素的标准使用液10.0 μg/L稀释为浓度梯度0 ng/L、10 ng/L、20 ng/L、40 ng/L、60 ng/L、80 ng/L和100 ng/L的标准曲线，置于40 mL顶空瓶中待上机测定。内标法定量，每个浓度点内标浓度为20 ng/L。
2.2.2. 空白加标的制备
用超纯水分别配制10 ng/L、40 ng/L和80 ng/L三个浓度，每个标样浓度测定7次。内标法定量，每个标样内标浓度为20 ng/L。
2.3. 仪器工作条件
吹扫捕集仪条件如下：
载气：高纯氮气，体积分数不小于99.999%；
吹扫捕集装置：吹扫管25 mL；捕集阱型号Tenax®(＃7)；吹扫管温度及时间：红外加热80℃，11 min；捕集阱吹扫温度及时间：25℃，11 min；捕集阱解析温度及时间：180℃，3 min；捕集阱烘焙温度及时间：200℃，15 min。
气相色谱仪条件如下：
载气：高纯氦气，体积分数不小于99.999%；色谱柱：DB-5ms-30 m × 0.25 mm × 0.25 µm；进样口温度：200℃；程序升温：40℃，保持3 min，以10℃/min速率升至160℃，然后以20℃/min速率升至280℃，保持2 min；流速：1 mL/min。分流：5:1。
质谱仪条件如下：
离子源温度：230℃；四极杆温度：150℃；传输线温度：250℃；
扫描模式：选择离子扫描(SIM)。
3. 结果与讨论
3.1. 定性离子和定量离子选择
配制100 ng/L标样采用全扫描(SCAN)模式，通过与谱库对比进行定性，总离子流图见图1，各组分质谱图见图2。
由图1可知，1,2-二氯苯-d4、2-甲基异莰醇和土臭素的保留时间分别是9.854 min、12.543 min和15.720 min。由图2可知，1,2-二氯苯-d4、2-甲基异莰醇和土臭素的最大丰度质量数分别是150、95和112，选择丰度最高的m/z值作为定量离子，得到各组分的定量和定性离子，离子参数如表1所示。
Figure 1. Total ion flow diagram-100 ng/L
图1. 总离子流图-100 ng/L
Figure 2. 1,2-Dichlorobenzene-d4 (a), 2-MIB (b), GSM (c) Full scan mass spectrum
图2. 1,2-二氯苯-d4 (a)，2-甲基异莰醇(b)，土臭素(c)全扫描质谱图
Table 1. Select the ion scanning parameters and retention time
表1. 选择离子扫描参数及保留时间
组分 |
保留时间/min |
定性离子(m/z) |
定量离子(m/z) |
1,2-二氯苯-d4 |
9.854 |
150, 152, 115 |
150 |
2-甲基异莰醇 |
12.543 |
95, 107, 135 |
95 |
土臭素 |
15.720 |
112, 125 |
112 |
3.2. 色谱柱选择
2-甲基异莰醇和土臭素结构式如图3所示(左为2-甲基异崁醇，右为土臭素)，2-甲基异莰醇分子中有两个甲基，是非极性化合物；土臭素分子中有十氢萘结构，并在结环处有叔醇基团，是极性化合物。
Figure 3. 2-MIB (left) and GSM (right) structural formula
图3. 2-甲基异崁醇(左)和土臭素(右)结构式
制备2-甲基异莰醇和土臭素标样浓度为100 ng/L，其中氯化钠浓度为10%，在色谱柱DB-5ms-30 m × 0.25 mm × 0.25 µm (色谱柱填料为5%苯基-95%甲基聚硅氧烷，属于非极性色谱柱)和DB-624-60 m × 0.25 mm × 1.4 µm (色谱柱填料为6%氰丙基苯基-94%聚二甲基硅氧烷，属于中等极性色谱柱)分别进行试验。
研究结果表明：相同仪器条件下，不论是在DB-5ms色谱柱还是在DB-624色谱柱上，两种组分和内标都能实现分离，色谱图见图4、图5。但在DB-5ms色谱柱上2-甲基异莰醇和土臭素的保留时间更短且峰对称性更好，2-甲基异莰醇和土臭素在DB-5ms色谱柱上的响应均高于在DB-624色谱柱上的响应。物质在色谱柱上的响应与色谱柱极性和色谱柱状态均有关系，一般来说，物质的极性较强，使用极性稍高固定相的色谱柱，如果物质在色谱柱中的保留会较强，也可能会在色谱柱中吸附，相比弱极性的色谱柱来说响应可能会较低，因此考虑物质对柱效的选择最终选用DB-5ms色谱柱。
Figure 4. 2-MIB compared to the DB-5ms (left) and DB-624 (right) columns
图4. 2-甲基异崁醇在DB-5ms(左)色谱柱和DB-624(右)色谱柱对比
Figure 5. GSM compared to the DB-5ms (left) and DB-624 (right) columns
图5. 土臭素在DB-5ms(左)色谱柱和DB-624(右)色谱柱对比
3.3. 氯化钠浓度选择
分别制备氯化钠浓度为5%、10%、15%、20%、30%、35%的水溶液，其中这6个水溶液中2-甲基异莰醇和土臭素的浓度均为20 ng/L，内标浓度均为20 ng/L。对比不同氯化钠浓度溶液中2-甲基异莰醇和土臭素的测定结果。以响应因子RF表示(通过比较内标物质的信号强度与组分的信号强度)。不同浓度氯化钠对组分响应影响的趋势图见图6。
研究结果表明：当氯化钠溶液浓度在5%~10%时，2个组分的响应因子呈明显上升趋势；当氯化钠浓度在10%时，2个组分的响应因子达到最高；当氯化钠溶液浓度在10%~35%时，2个组分的响应因子趋于逐渐平缓并无明显上升趋势。
由于2-甲基异莰醇和土臭素是亲水性化合物，不易被吹扫出来，因此想要水基体获得最大的萃取效率，需要采用“盐化”的方式来降低2-甲基异莰醇和土臭素在水中的溶解度，从而将它们可以更容易从水中被吹扫出来。饱和氯化钠溶液浓度是在室温下，每100 g水大约溶解36.5 g氯化钠，也就是饱和氯化钠溶液浓度大约为30%，而10%浓度为氯化钠溶液已经可以达到2-甲基异莰醇和土臭素最大萃取效率的预期要求，因此，选择氯化钠溶液浓度为10%作为测定水中痕量2-甲基异莰醇和土臭素的介质。
Figure 6. Trend chart of the effects of different concentrations of sodium chloride on component responses
图6. 不同浓度氯化钠对组分响应影响趋势图
3.4. 吹扫管规格选择
吹扫捕集仪上配备的吹扫管规格有10 mL和25 mL两种规格，在相同的仪器条件下，分别用10 mL和25 mL的吹扫管吹扫相同浓度的标样。研究结果表明，2-甲基异莰醇和土臭素在25 mL吹扫管的进样体积下，仪器的响应和灵敏度明显高于10 mL吹扫管的进样体积，由于2-甲基异莰醇和土臭素都是饱和的叔醇，具有亲水性，因此想要检测到更低的浓度，不仅要采用“盐化”技术，还要尽可能加大水样体积，将组分最大化的被捕集阱吸附和解析，从而传送到检测器。因此选用25 mL吹扫管将水基体中的2-甲基异莰醇和土臭素的质量最大化传送到检测器是十分必要的。
3.5. 内标选择
国标《生活饮用水标准检验方法》(GB/T 5750.8-2023) [7]中检测2-甲基异莰醇和土臭素使用的内标是2-异丁基-3-甲氧基吡嗪[8]，本文使用的内标为1,2-二氯苯-d4。分别在10%浓度的氯化钠溶液中配制两种内标浓度为40 ng/L进行试验。研究表明，在相同仪器条件下，1,2-二氯苯-d4的保留时间比2-异丁基-3-甲氧基吡嗪短；1,2-二氯苯-d4的响应和灵敏度明显均优于2-异丁基-3-甲氧基吡嗪，且1,2-二氯苯-d4的峰对称性更好，对比信息见表2，色谱图见图7 (左为2-异丁基-3-甲氧基吡嗪，右为1,2-二氯苯-d4)。1,2-二氯苯-d4是将苯环上两个氢原子替代为氘的化合物，具有良好的化学物稳定性，且在自然环境中本底值极低，可以校正测量仪器的波动和损失，为水中痕量2-甲基异莰醇和土臭素的准确测定提供了保障[9]。
Table 2. Comparison information table of different internal standards
表2. 不同内标对比信息表
内标 |
浓度(ng/L) |
峰面积 |
峰高 |
信噪比 |
2-异丁基-3-甲氧基吡嗪 |
40 |
3985 |
1746 |
291 |
1,2-二氯苯-d4 |
48,121 |
22,320 |
1063 |
Figure 7. 2-MIP (left) and 1,2-Dichlorobenzene-d4 (right) contrast chromatograms
图7. 2-异丁基-3-甲氧基吡嗪(左)和1,2-二氯苯-d4(右)对比色谱图
3.6. 线性方程和检出限
根据1.2.1配制并绘制标准曲线[10]，浓度梯度为0 ng/L、10 ng/L、20 ng/L、40 ng/L、60 ng/L、80 ng/L和100 ng/L，内标1,2-二氯苯-d4浓度为20 ng/L，用内标法建立浓度–峰面积标准曲线[11]，在T&P-GCMS上绘制曲线和测定检出限。试验结果表明，2-甲基异莰醇和土臭素标准曲线线性良好，R2 ≥ 0.995，可满足定量要求。依据《环境监测分析方法标准制定技术导则》(HJ 168-2020) [12]对加标样品浓度为5 ng/L重复测定7次，由单侧t分布表可查，当置信水平为99%时，自由度为f = 6，t = 3.14，计算其标准偏差从而得出则检出限为MDL = St，。研究结果如表3所示。
Table 3. Summary table of standard curves and detection limits
表3. 标准曲线及检出限汇总表
仪器 |
化合物名称 |
回归方程 |
相关系数(r) |
检出限(ng/L) |
T&P-GCMS |
2-甲基异莰醇 |
相对响应 = 0.1493 * 相对浓度 − 0.004517 |
0.995838 |
1.3 |
土臭素 |
相对响应 = 0.1042 * 相对浓度 − 0.009675 |
0.996603 |
3.8 |
3.7. 精密度和加标回收实验
制备空白加标样品浓度为10 ng/L、40 ng/L、80 ng/L的标样，每个浓度测定7次，进行加标回收实验。T&P-GCMS的实验数据见表4。研究结果表明，2-甲基异莰醇的回收率在98%~108%，土臭素的回收率在92%~111%。
3.8. 实际样品分析及加标回收率
利用T&P-GCMS建立的方法对北京市某生活饮用水和水源地表水进行加标回收实验，加标浓度分别是10 ng/L和40 ng/L，每个加标回收试验分别重复3次，其回收率以及相对标准偏差见表5。由表5检测数据可知，两种不同水质中2-甲基异莰醇的回收率在102%~117%之间；两种不同水质中土臭素的回收率在84%~98%之间。均满足日常检测需求。
Table 4. Precision and blank spike experimental data sheet (unit: ng/L)
表4. 精密度及空白加标实验数据表(单位：ng/L)
序号 |
加标浓度10 ng/L |
加标浓度40 ng/L |
加标浓度80 ng/L |
2-甲基异莰醇 |
土臭素 |
2-甲基异莰醇 |
土臭素 |
2-甲基异莰醇 |
土臭素 |
1 |
11.06 |
13.45 |
38.68 |
36.39 |
82.95 |
79.44 |
2 |
10.40 |
11.44 |
37.46 |
36.20 |
79.38 |
76.05 |
3 |
11.56 |
10.97 |
39.00 |
36.80 |
77.41 |
74.73 |
4 |
10.52 |
10.69 |
42.50 |
38.01 |
82.70 |
78.77 |
5 |
10.44 |
9.85 |
40.26 |
38.27 |
81.79 |
77.65 |
6 |
10.99 |
9.99 |
38.83 |
36.98 |
82.06 |
77.59 |
7 |
10.91 |
11.34 |
40.15 |
37.27 |
85.61 |
81.49 |
均值 |
10.84 |
11.10 |
39.55 |
37.13 |
81.70 |
77.96 |
标准偏差% |
0.42 |
1.20 |
1.61 |
0.78 |
2.64 |
2.22 |
相对标准偏差% |
3.86 |
10.83 |
4.07 |
2.10 |
3.23 |
2.85 |
回收率% |
108.40 |
111.04 |
98.89 |
92.83 |
102.13 |
97.45 |
Table 5. Actual sample spike recovery experimental data sheet (unit: ng/L)
表5. 实际样品加标回收实验数据表(单位：ng/L)
类型 |
组分 |
本底值 |
加标量 |
测定值 |
相对标准偏差% |
回收率% |
某生活饮用水 |
2-甲基异莰醇 |
<1.3 |
10 |
11.63 |
3.8 |
116 |
11.32 |
113 |
10.78 |
108 |
<1.3 |
40 |
42.32 |
1.7 |
106 |
40.95 |
102 |
41.44 |
104 |
土臭素 |
<3.8 |
10 |
8.98 |
5.4 |
90 |
8.54 |
85 |
9.51 |
95 |
<3.8 |
40 |
38.29 |
1.8 |
96 |
37.92 |
95 |
39.28 |
98 |
某水源地地表水 |
2-甲基异莰醇 |
<1.3 |
10 |
11.32 |
3.4 |
113 |
11.65 |
117 |
10.88 |
109 |
<1.3 |
40 |
41.32 |
1.4 |
103 |
42.35 |
106 |
41.44 |
104 |
土臭素 |
<3.8 |
10 |
8.95 |
4.8 |
90 |
|
|
|
|
9.28 |
|
93 |
8.43 |
84 |
<3.8 |
40 |
38.11 |
1.9 |
95 |
37.92 |
95 |
39.28 |
98 |
4. 结语
本文建立一种利用吹扫捕集–气相色谱质谱联用(T&P-GC-MS)技术检测水中痕量2-甲基异莰醇(2-MIB)和土臭素(GSM)的分析方法，优化了在样品中添加氯化钠的浓度以及对吹扫管规格、色谱柱及内标的选择。研究结果表明：吹扫捕集–气相色谱质谱联用仪对于2-甲基异莰醇检出限是1.3 ng/L，土臭素检出限是3.8 ng/L。生活饮用水和水源地水加标回收实验表明2-甲基异莰醇回收率在102%~117%；土臭素回收率在84%~98%，二者回收率良好，均满足日常痕量检测需求。
吹扫捕集–气相色谱质谱联用仪方法操作简便，重现性好，灵敏度高，有机溶剂消耗较小，且连续检测稳定性高[13]，适用于水体中痕量2-甲基异莰醇和土臭素的测定，但同时吹扫捕集大体积进样的溶液中含有氯化钠可能会导致吹扫捕集管路堵塞，本研究还会继续追踪氯化钠对吹扫捕集仪的影响。本研究为测定水中痕量嗅味物质的测定提供了一定的数据支撑，建立了更高效、稳定、绿色的测定方法，展现了良好的应用前景。
基金项目
感谢国家自然科学基金项目(U2443203)的支持。
NOTES
*第一作者。
#通讯作者。