基于搅拌棒固相萃取-气相色谱-质谱/嗅辨同步分析法的污染河道水异味分析

陈秀雯,严文杰,黄波涛

(上海市环境科学研究院,上海 200233)

人类嗅辨气味的能力十分强大,人鼻理论上可以嗅辨至少1万亿种气味[1]。但是仅依靠嗅觉,研究人员常常无法明确导致水体异味的具体物质,这是由于异味物质种类繁多且浓度水平较低,会对嗅觉产生综合反应,导致嗅觉识别难度较高。由于仪器检出限远高于嗅觉感知限值[2],以仪器检测代替人鼻嗅辨可能导致出现人闻到较大异味但是仪器检测不到的现象[3]。气相色谱-质谱/嗅辨同步分析法兼具质谱和嗅辨分析的优点,不仅可对待测物进行准确定性、定量分析,还能使研究人员鉴别嗅辨色谱分离出的异味物质的气味类型和强度(分0, 1, 2, 3, 4等5个等级,分别代表无感、微弱、清晰、较强和非常强烈)[4],在食品分析[5-6]、香精香料生产[7]的香味鉴定以及环境领域异味检测与溯源中得到了实际应用。如文献[8]利用这种方法鉴别了由城市污水经多级处理而来的饮用水中异味物质,确定了土臭素、2,4,6-三氯苯甲醚是主要异味物质。文献[9]利用该技术分析了城市固体废弃物处理厂的环境空气,发现在检测仪器上加配嗅辨口可以提高恶臭判定的精度,并确定丙酮、二甲苯等是导致固废处理厂恶臭的主要异味物质。文献[10-11]通过污水处理厂的实地检测验证了该方法的适用性,并认为该方法可用于厂区恶臭物质的筛选和排查,有助于进一步改进生产工艺以及消减特定臭味物质的排放。文献[12]采用该方法测定了饮用水中低浓度水平的土臭素,并揭示了甲基萘在化学臭味物质形成过程中的作用。

实际样品中异味物质的质量浓度一般为μg·L-1级,甚至低至ng·L-1,能被人鼻嗅到,但是很难被液液萃取、固相微萃取、固相萃取等常规预浓缩方法有效富集到。搅拌棒固相萃取技术是一种基于固相微萃取的新型无溶剂或少溶剂的样品前处理方法[13],所用搅拌棒一般为涂覆有一层聚二甲基硅氧烷(PDMS)的内封磁芯的玻璃管,在搅拌的同时吸附待测物。和固相微萃取法相比,搅拌棒固相萃取的固定相量要高50倍以上,灵敏度要高100～1 000倍,富集倍数也更高。这种技术简单、高效、快速、绿色、重现性好、溶剂耗费少,适合水样中超痕量组分的富集[14-15]。但是还未见到这种方法和气相色谱-质谱/嗅辨同步分析法联合用于污染水体中异味物质筛查的研究,因此本工作采用搅拌棒固相萃取-气相色谱-质谱/嗅辨同步分析法分析某污染河道水样,筛选出了异味物质和推测了致臭原因。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

Agilent 7890 GC/5975c MSD型气相色谱-质谱联用仪;ODP4型嗅闻仪;Gerstel TDU2型热脱附小管;吸附萃取搅拌棒(直径10 mm,PDMS膜厚 1 mm,萃取相涂层用量63 μL)。

正己烷、甲醇、二氯甲烷均为色谱纯;试验用水为超纯水。上海市某地污染河道水样,外观为黑色,散发着恶臭味,气味强度为4级,现场水温25.2 ℃,溶解氧质量浓度0.15 mg·L-1。

1.2 仪器工作条件

1.2.1 热脱附条件

不分流模式。热脱附程序:初始温度20 ℃,保持 0.5 min;以100 ℃ ·min-1速率升温到250 ℃,保持 5 min。传输线温度260 ℃。

1.2.2 色谱条件

DB-5MS 毛细管色谱柱( 30 m ×0.25 mm ,0.25 μm)。柱升温程序:初始温度40 ℃,保持 2 min;以 5 ℃ ·min-1速率升温至270 ℃,保持12 min。载气为高纯氦气,流量1.8 mL·min-1;进样口温度 250 ℃;分流进样,分流比3∶ 1。

1.2.3 质谱条件

电子轰击离子(EI)源;离子源温度230 ℃;电子能量70 eV;传输线温度280 ℃;四极杆温度150 ℃。全扫描(SCAN)范围质荷比(m/z)29～400;电子倍增管电压(EMV)1 258 V;冷阱进样-程序升温气化(CIS-PTV)进样口,进样口程序温度-30～250 ℃,温度变化速率15 ℃·s-1。

1.2.4 嗅辨条件

将色谱柱流出物以1∶1体积比分别流入质谱检测器和ODP4型嗅闻仪;嗅闻仪的传输线温度 220 ℃;嗅辨载气为湿润空气,流量2 mL·min-1。

1.3 试验方法

1.3.1 吸附萃取搅拌棒老化

将吸附萃取搅拌棒浸在 2 mL体积比1∶1 的甲醇和二氯甲烷混合溶液中,超声清洗5 min,重复3次。用镊子取出吸附萃取搅拌棒,用无尘纸擦干后置于专用老化器中,在75 mL·min-1氮气流量下,将老化器温度升至300 ℃,保持1 h。

1.3.2 样品前处理

取50.0 g水样于250 mL三角瓶中,放入磁力搅拌子和老化好的吸附萃取搅拌棒,在室温下以 1 000 r·min-1转速搅拌 120 min。吸附萃取搅拌棒用水冲洗干净,用无尘纸吸干表面水分,置于热脱附小管中,按照1.2节条件进行检测。

1.3.3 气相色谱-质谱法定性及半定量分析

基于NIST 20标准谱库和Masshunter定性软件,对总离子流色谱图中的化学组分进行定性分析,峰面积归一化法进行半定量分析,以确定各化学组分的相对含量。

1.3.4 嗅辨分析

选择2名感官评价人,每名评价人均需对气相色谱分离出的化学组分进行嗅辨,并记录所嗅到的气味类型、特征和强度,气味越强烈的化合物对异味的贡献越大。

1.3.5 水样常规参数检测

高锰酸盐指数采用GB/T 11892-1989《水质 高锰酸盐指数的测定》检测;化学需氧量采用HJ 828-2017《水质 化学需氧量的测定 重铬酸盐法》检测;挥发性有机物采用HJ 639-2012《水质 挥发性有机物的测定 吹扫捕集/气相色谱-质谱法》检测;半挥发性有机物采用USEPA 3510C-1996/USEPA 8270E-2018《分液漏斗液液萃取/气相色谱-质谱法测定半挥发性有机化合物》检测;多环芳烃采用HJ 478-2009《水质 多环芳烃的测定 液液萃取和固相萃取高效液相色谱法》检测。

2 结果与讨论

2.1 方法同步分析准确性验证

选用9种异味物质的混合标准溶液进行仪器定性和嗅辨的同步分析,所得不同异味物质的保留时间、嗅辨时间、气味强度、气味类型等见表1。

表1 异味物质定性及嗅辨结果

由表1可知,同一化合物的嗅辨时间较保留时间延迟0.50～1.20 min,可能和分流后辅助加湿导致样品在毛细管中运行距离变长有关,也可能和人体嗅辨反应延迟有关,该结果与文献[16]的基本吻合。为保证检测结果的科学性和可靠性,滞后时间差是必须考虑的问题,该工作留作以后研究。另外,气味流出时间十分短暂,建议相关研究选择气味最明显的土臭素作为关键异味物质。

2.2 污染河道水样的常规参数检测结果分析

按照1.3.5节方法对污染河道水样的常规参数进行检测,所得高锰酸盐指数和化学需氧量均超出GB 3838-2022《地表水环境质量标准》,未检出多环芳烃以及常见的环境有机污染物(41种挥发性有机物和13种半挥发性有机物)。化学需氧量高意味着水样中含有大量的有机污染物,但是常见的环境有机污染物均未检出,说明该水样中的有机物种类、含量以及异味来源有待进一步研究。

2.3 污染河道水样中有机污染物的定性、半定量分析及其嗅味特征分析

按照试验方法分析污染河道水样,所得的总离子流色谱图见图1,其中标“*”的色谱峰面积较大。

图1 水样的总离子流色谱图Fig.1 Total ion chromatogram of the water sample

对图1色谱图的色谱峰进行统计,共发现329个色谱峰,说明水样中所含化合物种类较多。对相对含量高于0.01%的化合物进行分析,其定性、半定量和嗅辨结果见表2。表中,“/”表示未查到或者不确定相关信息。

由表2可知,嗅辨结果中描述的气味强度和类型与原始水样恶臭味有一定差距,推测原始水样嗅味特征可能由其中所含化合物相互作用以及其气味协同或拮抗作用综合形成[17]。由各化合物的相对含量可知,保留时间38.77 min处的化合物相对含量较高,其次是27.58, 33.81, 43.28, 47.17, 51.56 min处的,这些化合物主要为醇类和醚类物质,但是匹配度较低,只有74%～85%。分析这6个化合物(图1标*的6个色谱峰对应的化合物)对应的质谱图(图2),6个质谱图中丰度最大离子m/z约59.1对应CH3CH2CH2-O-或其相近结构,后5个质谱图中丰度次大的离子m/z117.1对应CH3CH2CH2-O-CH2CH2CH2-O-或其相近结构,后3个质谱图中m/z约59.1, 117.1, 175.1, 233.2, 291.2处一组特征离子对应CH2CH2CH2-On(n=1,2,3,4,5)或其相近结构。

图2 相对含量较高的6个化合物的质谱图Fig.2 Mass spectra of the 6 compounds with higher relative contents

结合文献[18]的研究可知,聚丙二醇裂解会产生m/z59.1, 117.1, 175.1, 233.2, 291.2等与聚丙二醇结构单元相关的产物离子,分别对应含有1, 2, 3, 4, 5个丙二醇重复单元的聚丙二醇片段。根据以上结果推测该水样中存在含-CH2CH2CH2-O-重复单元的聚合物,可能是聚丙二醇或聚丙二醇与醇作用后生成的醚类产物。聚丙二醇可作为植物油、树脂和石蜡的溶剂,也可用于制备醇酸树脂, 乳化剂、反乳化剂、润滑油和增塑剂等,是非常常见的工业助剂。因此,推测以聚丙二醇为母体生成的醇类和醚类物质可能是污染河道水体的主要物质,可能来源于工业、生活污水不经处理直接排放、不达标排放、偷排乱排等,但是这些物质无明显臭味[19],说明这些化合物不是导致河道水体恶臭的主要物质,针对样品中相对含量较大的组分进行解析,不能找到污染河道并且导致水体恶臭的物质。综合表2结果进一步发现,化合物气味强度和该物质的相对含量不成正比,如26 min以内的化合物相对含量较低,但嗅到的气味强度较大,26～55 min内的化合物相对含量较大,却未嗅到强烈异味,气味强度也较低,这主要和各异味物质的嗅阈值有关,说明应结合各化合物的嗅味特征综合分析。

由于化合物嗅辨时间与保留时间存在一定时间差,嗅辨所得的气味强度和类型具有一定主观性,且检出物种类繁多,逐一排查和确认的工作量十分庞大,在兼顾科学性、严谨性和效率的前提下,先选择气味强度较大的保留时间段,再选择其中与NIST20标准谱库匹配度较高的化合物进行剖析探讨。综合考虑,试验选择的研究对象为气体强度比较大的保留时间在26 min以内流出的化合物。其中:在含硫化合物中,正丁硫醇和2-乙基噻吩匹配度分别为86%和72%,二者均有恶臭味。在含氮化合物中,2-乙基-5-甲基吡啶匹配度为94%,有刺激性气味;吲哚匹配度为91%,高度稀释后有新鲜花香味;甲基吲哚匹配度高达93%,纯试剂有强烈恶臭,但稀释后有茉莉花香,极度稀释后有成熟水果香味。在烃类化合物中,烷烃类中二甲基二恶烷的匹配度为94%,有剧烈臭味;芳香烃类中苯、甲苯、乙苯、苯、二甲苯、三甲苯等的匹配度都在90%以上,均有香味;烯烃类中三甲基双环-庚-2-烯的匹配度为98%,气味微弱。在含氧有机物中, 2-乙基己醇的匹配度为99%,有青草香味[20];十二醇的匹配度为91%,3-庚酮的匹配度为91%,均具有香味特征。从上述化合物的相对含量上看,这些化合物的相对含量均低于1.00%,一些化合物的相对含量甚至只有0.01%,却是河道水体异味的主要贡献者。这是由于异味物质的嗅阈值往往很低,极低的浓度水平就可带来强烈的异味,即使异味物质的含量降低了90%,人的嗅觉感觉只能去除50%[21]。从气味特征上看,这些化合物有臭味也有香味,各种气味组成的复合气味共同作用导致了河道恶臭。综上所述,水体臭味是多种微量化合物散发的复合气味,导致恶臭的化合物包括含硫化合物(硫醇、噻吩), 含氮化合物(吲哚、吡啶), 烷烃类化合物(烷烃、烯烃、芳香烃)和含氧有机物(醇、酮、醚)等。

本工作通过搅拌棒固相萃取-气相色谱-质谱/嗅辨同步分析法分析污染河道水样,发现该河道水中相对含量较高的组分(醇类、醚类)不是关键异味物质,多种微量异味物质(含硫化合物、含氮化合物、烃类化合物以及含氧有机物)共同作用导致河道恶臭。本工作对河水污染事件异味物质的判定及溯源有一定指导意义,也能为环境事故应急监测提供一种新思路。