采用吹扫捕集分析土味素和2-甲基异崁醇

2023-09-02 09:48:28, 普小立 北京普立泰科仪器有限公司


简介

土味素和2-甲基异崁醇(2-MIB)是两种在饮用水中存在的导致令人厌恶的气味和口感的物质。它们是蓝绿藻类的代谢副产品,在水中产生了一种发霉的味道或者土味;有时,它们也被称为“模子气味”物质。常规的水处理方法(例如:加氯或者臭氧)不能够得到嗅味检测可接受的结果,这些物质的浓度通常处10-20ppt。近来,土味素和2-甲基异崁醇在日本、欧洲和美国的西南部已经日益受到重视,开发一个方法以萃取和检测极低浓度的这些物质,已经变得益发重要了。

在大多数国家,强制的检出浓度是10ppt或更低。在日本,要求的检出限是1ppt。低的检出限使常规的吹扫捕集萃取方法复杂化。这项研究的目标就是优化吹扫捕集和质谱的操作条件,以便满足1ppt的检出限,并进行性能验证测试。


最大化吹扫效率的策略

本项目中使用的吹扫捕集仪器是OI分析仪器公司的4760型样品浓缩仪,配置专利的红外线吹扫管样品加热器和旋风式除水装置,显示于图1。注意几个步骤使吹扫效率最大化,提高结果的准确度,包括如下的内容:

● 样品体积25mL,使检测器能够检测到最大化的样品质量

● 添加10%(w/v)氯化钠(NaCl)溶液以增加萃取效率

● 采用红外线吹扫管样品加热器,加热样品至80°C


样品体积

大多数USEPA的吹扫捕集方法都采用5mL的进样量,最低检出限为0.5ppb(500ppt)。为了得到1ppt的检出限,最大化传送到检测器的样品量是十分必要的,因此需要使用25mL的过滤式吹扫管提高进样量。为了测试随样品体积的灵敏度的改变,制备一份含有土味素和 2-甲基异崁醇的标样,在相同的吹扫捕集条件下,分析5 mL、10 mL和 25 mL三个不同的样品体积,比较其峰高度。在 95m/z(保 留时间为 15.7 分钟),2- 甲基异崁醇的峰高度从5-mL样品体积的50提高到25mL样品体积的 240。表明当采用大的样品体积时,传送到检测器的样品质量几乎增加了5倍。土味素的结果类似。在样品体积方面,分析物的回收率的结果显示于图 2。




1 OI分析仪器公司的 4760 型样品浓缩仪, 配置专利的红外线吹扫管样品加热器



图2 样品体积对于回收率的影响


亲水特性

土味素和2-甲基异崁醇的结构和化学特性显示于图3,两种物质都是饱和的叔醇;因此,它们是亲水性的,不易被吹出来。对于水基体要得到最大 的萃取效率,需要采用“盐化”技术。标样采用 10%(w/v)的氯化钠溶液制备。样品分析之间,吹扫管和传输管线用清洗水清洗三次,避免产生腐蚀或者盐的沉积。

除了盐化,在吹扫阶段将样品加热到80°C以提高萃取效率。专利的红外线吹扫管样 品加热器采用高强度的灯泡加热吹扫管中的样品,并使用一根内置的热电偶提供精确的样品温度,反馈给电气系统,控温精度在±1°C,保证样品能够被快速、准确地加热到指定的温度。相比于通常的40°C样品温度,回收率提高了38%到44%,显示于图 4。



3  土味素和2-甲基异崁醇的化学结构和物理特性。在正常的吹扫捕集条件下,两个物质都难以吹出来。



图4 提高样品的温度,改进了吹扫效率

虽然土味素和2-甲基异崁醇的保留时间都处于多余的水产生的色谱问题区域之后,但多余的水还是会影响到较早出峰的物质,如果没有一个高效的除水装置,对于质谱仪将产生有害的影响。4760型吹扫捕集采用专利的旋风式除水系统,在正常的USEPA方法要求的时间和温度条件下,去除掉了几乎所有捕集到的水。由于这里采用更高的样品吹扫温度,有必要考虑其它一些措施,处理在吹扫阶段传输到捕集阱上的更大量的水,所以需要增加额外3分钟的干吹扫模式,同时配以旋风式除水系统以去除掉这些水量。其它的吹扫捕集条件都是标准的UPSPA挥发性物质的检测方法,总结于表1。


表1 吹扫捕集条件总结




优化GC/MS的条件

优化 GC/MS 的操作条件主要集中在进样方式和质谱(MS)的获取参数。


进样方式


采用脉冲式分流进样,能够最大限度地把待测物传输至 GC 的柱子。通过增加在运行开始时的进样口压力,增加在脱附阶段的载气流速,使样品能够更快地流出柱子。同时最小化了分析物在进样口的分解,尤其是 2-甲基异崁醇,在高温下极易分解。分流比设置为 5:1,使到达检测器的质量更高,可以改善峰形,且峰更加锐利。最后,传输管线直接连接到分流/不分流进样口的载气管线,并且提供保温措施以消除冷凝点。隔垫吹扫排放口被堵住,避免了额外的损失(见图 5)。



图5  传输管线的连接处提供保温措施并且堵住隔垫吹扫排放口


质谱的获取


要获得最大的灵敏度,选择选定离子监测(SIM)获取模式。在 SIM 模式下,只有几个选定的离子碎片被监测,因此整个检测器的灵敏度大大提高。

使用质谱直接进样制备好的100ppb标样,MS处于扫描模式,以决定分析物的保留时间和 SIM 所需要的最佳离子。检索整个扫描质谱图形,对于土味素和 2-甲基异崁醇,选定一个主要和几个次要的离子。土味素的主要离子为112 m/z,2-甲基异崁醇有两个潜在的选择,95 m/z和 107 m/z。一些文献中报告在95  m/z处有潜在的干扰,因此每个离子都进行监测,并且验证几个离子的比较结果(见图 6)。



图 6  土味素和2-甲基异崁醇的全谱扫描色谱图和质谱


用于土味素和2-甲基异崁醇研究的GC/MS条件总结于表2。


2 GC/MS 操作条件总结




分析结果


一、萃取效率

要检测萃取效率,首先直接注入分析每种物质50ng,然后采用优化的条件执行吹扫捕集分析。比较两个不同分析物得到的峰面积并且计算其百分回收率。比较峰面积的数值显示,土味素的回收率为 31%(使用 m/z 112),2-甲基异崁醇的回收率为 28%(使用 m/z 95)。由于在水基体中吹扫亲水性物质困难这一内在性质的决定,相比于厌水性物质而言,回收率总是明显低于 100%(见图 7)。



图7  在优化的吹扫捕集操作条件下,土味素和2-甲基异崁醇的萃取效率


二、校准

通过分析6点的标样,浓度分别为 1ppt、2ppt、5ppt、10ppt、50ppt和 100ppt,得到一条校准曲线。采用两个分析物的主要离子数据以及2-甲基异崁醇的第二主要离子的数据进行曲线的绘制。土味素和2-甲基异崁醇的变异系数分别为0.9993 、0.9994(m/z 95)和 0.9997(m/z 107)(见图8)。



图8 土味素采用主要离子得到的校准曲线以及2-甲基异崁醇的主要离子和第二主要离子的校准曲线(1-100ppt)


三、重复性

为了测试在优化条件下的重复性,制备5ppt的标样重复分析9次。计算两个主要离子和一个第二主要离子的峰面积的百分相对标准偏差(%RSD)。土味素和2-甲基异崁醇采用主要离子进行定量的RSD分别为4.7%和6.9%。2-甲基异崁醇的第二主要离子(m/z 107)的重复性为9.1%。重复性数据列于表3。9次重复性测试的叠加的色谱图显示于图9。


表3 5-ppt的土味素和2-甲基异崁醇标样重复分析9次的峰面积的重复性结果





9 5-ppt的土味素和2-甲基异崁醇标样9次分析的叠加的色谱图


常规的仪器维护


当使用盐化技术用于提高分析的回收率时,则需要进行一些常规维护以保证仪器状态。必须确保在每一个步骤中,盐分不会沉积在样品流路中,导致堵塞或腐蚀。建议在每个样品分析完毕之后采用自动进样器的标准清洗步骤清洗样品流路,至少用纯洁水冲洗三次。另外,需要每天检查系统中是否有盐沉积、堵塞、腐蚀或者泄漏的痕迹。当使用自动进样器时,需要每星期或者每天用清洁水反冲洗管线、阀、采样针和吹扫管,以避免沉积。至少需要在每年的常规维护中更换从自动进样器到样品浓缩仪的整个样品传输流路;如果盐的沉积或者腐蚀现象很严重,则需要更频繁的更换。

以4100型水/土壤自动进样器替代4551A型自动进样器并且使用土壤模式,则明显减少了盐化基体导致的问题。当采用这个配置时,样品直接在40mL的VOA小瓶中吹扫,只会直接接触到土壤采样针。样品不会通过管线或者阀进行传输,因此不存在盐的沉积或者腐蚀的问题。土壤采样针则需要每天或者每星期进行常规的维护。


结论


用于土味素和2-甲基异崁醇的吹扫捕集和GC/MS的操作条件经过优化,相对于标准的USEPA方法,系统灵敏度提高了500倍,达到了要求的1ppt的检出限要求,加大的25mL样品体积以及在吹扫阶段准确地加热样品到80°C,对于改进萃取的性能是十分必要的。有效地去除在吹扫捕集中传输到捕集阱上的大量的水,是这个方法成功的关键所在。每个物质的变异系数都优于0.9993,在主要离子和第二离子处的2-甲基异崁醇的R2值都相当好。参与测试的3个离子在5ppt浓度的重复性都低于10%;虽然如此,2-甲基异崁醇的第二离子(107m/z)的峰面积只有主要离子的一半,重复性也稍差一些。最后,为了达成极低浓度的检测,保持一个清洁的、不受到污染的分析系统是绝对必要的。



END



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