电喷雾萃取电离质谱法直接检测环境水样中的邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯

研究报告DOI :10.11895/j.issn.0253⁃3820.171525电喷雾萃取电离质谱法直接检测环境水样中的邻苯二甲酸二(2⁃乙基己基)酯梁大鹏1　方媛萍1　刘文杰1　张华2　裘彦挺1　董祎铭1　宁杨*11(吉林大学环境与资源学院,地下水资源与环境教育部重点实验室,长春130012)2(吉林大学化学学院,无机合成与制备化学国家重点实验室,长春130012)摘　要　采用电喷雾萃取电离质谱技术(Extractive electrospray ionization mass spectrometry,EESI⁃MS)分析水样中的有机污染物邻苯二甲酸二(2⁃乙基己基)酯(Di⁃2⁃ethylhexy phthalate,DEHP),系统考察了电喷雾电压㊁离子传输管温度㊁样品溶液流速及萃取剂组成对待测物信号强度的影响,优化了检测DEHP 的实验条件,建立了水样中DEHP 的快速质谱分析方法,并对垃圾渗滤液㊁城市生活污水及湖水等实际水样进行检测㊂结果表明,在正离子检测模式下,水样中的DEHP 能够在EESI 源中有效电离,生成准分子离子[M +H ]+(m /z 391.28),进行碰撞诱导解离得到二级特征碎片离子m /z 279.26,167.12,149.11㊂在5~1000μg /L 范围内,DEHP 浓度与m /z 149.11质谱峰信号强度的线性关系良好,相关系数R 2=0.9991,检出限LOD =0.21μg /L (S /N =3);水样的3个加标水平(8,80和400μg /L)的DEHP 回收率为96.2%~111.2%,RSD 为5.6%~11.8%㊂EESI⁃MS 法检测垃圾渗滤液㊁城市生活污水和晏湖水中DEHP 的含量分别为556.5㊁275.3和37.8μg /L㊂本方法具有无需样品预处理㊁分析速度快(单个样品分析时间约3min)㊁操作简便㊁灵敏度高等优点,为邻苯二甲酸酯类物质的检测提供了一种快速质谱分析新方法㊂关键词　电喷雾萃取电离;质谱;邻苯二甲酸二(2⁃乙基己基)酯;环境水样　2017⁃12⁃21收稿;2018⁃03⁃24接受本文系国家自然科学基金项目(Nos.21404047,21307040)和高等学校学科创新引智计划(No.B16020)资助*E⁃mail:ningyang@1　引言邻苯二甲酸酯(Phthalate esters,PAEs)是一类环境内分泌干扰物质,主要用作塑料材料的增塑剂㊂增塑剂与塑料中的聚合物之间不是以化学键结合,而是由氢键或范德华力联接,彼此保留相对独立的化学性质㊂随着时间推移,增塑剂可从聚合物基质中浸出,进入周围环境,造成严重的环境污染[1,2]㊂其中,邻苯二甲酸二(2⁃乙基己基)酯(Di⁃2⁃ethylhexy phthalate,DEHP)是使用最广泛的PAEs 类物质,约占增塑剂总产量的50%,广泛应用于塑料制品㊁建筑材料㊁油漆和药物等产品中[3]㊂研究表明,DEHP 具有内分泌干扰作用㊁致癌性㊁生殖毒性㊁肾脏肝脏毒性等多种毒害作用,美国环保署和我国国家环保总局都将其列为重点控制的污染物,我国地表水环境质量标准规定DEHP 的限值为8μg /L [4,5]㊂常用的DEHP 的检测方法包括气相色谱法(GC)[6]㊁高效液相色谱法(HPLC)[7]㊁气相色谱⁃质谱法(GC⁃MS)[8,9]㊁液相色谱⁃质谱法(LC⁃MS)[10]等,分析的基质主要集中在环境样品[11]㊁塑料制品[12]㊁食品[13]㊁化妆品[14]等㊂但这些常规方法的样品前处理均需用大量有机溶剂(丙酮㊁乙腈㊁正己烷等)进行萃取,实验耗时㊁低效,且易造成环境污染,很难满足现有研究中高通量样品的分析需求㊂因此,建立直接快速有效的DEHP 检测方法具有重要的现实意义㊂电喷雾萃取电离质谱技术(Extractive electrospray ionization mass spectrometry,EESI⁃MS)是近年发展起来的新兴质谱技术,能灵敏地电离复杂基体中的痕量大分子和小分子,具有无需样品预处理㊁分析速度快㊁灵敏度高㊁基质耐受力强,无化学污染等优点,已被用于环境中的抗生素[15]㊁有机染料[16]以及土壤环境中的四溴双酚A [17]等痕量污染物物检测,在环境检测方面具有良好的应用前景㊂本研究采用EESI⁃MS 技术,建立了水样中DEHP 的快速测定方法,优化了实验条件,并对垃圾渗滤液㊁城市生活废水㊁湖水等水样中DEHP 的含量进行检测分析㊂本方法无第46卷2018年6月分析化学(FENXI HUAXUE)　研究报告Chinese Journal of Analytical Chemistry第6期883~888需样品预处理,测定时间短,单个样品测定时间仅3min,远低于现有的测定方法,且操作简便㊁灵敏度高,可用于水样中DEHP 的直接质谱分析㊂2　实验部分2.1　仪器与试剂Orbitrap Fusion TM Tribrid TM 质谱仪(美国Thermo Scientific 公司),配有Xcalibur 3.0数据处理系统;离子源(实验室自建)[18];石英毛细管(内径0.10mm,外径0.19mm,美国Agilent 公司);超纯水机(上海摩勒科学仪器公司)㊂标准品DEHP (色谱纯,德国Dr.Ehrenstorfer 公司);甲醇(色谱纯,美国ROE 公司);乙酸(色谱纯,天津光复科技有限公司)㊂垃圾渗滤液采自长春市城市生活垃圾处理中心,城市生活污水采自长春市东南污水处理厂,湖水水样采自吉林大学晏湖和长春市南湖㊂2.2　实验方法2.2.1　标准溶液配制和样品准备　取适量DEHP 标准品,用甲醇配制成10mg /L 的储备液㊂实验时,稀释为5~1000μg /L 不同梯度浓度的DEHP 溶液,供质谱分析㊂本研究采集的垃圾渗滤液㊁城市生活污水及湖水水样均用0.45μm 滤膜过滤,去除杂质,保存在棕色瓶内,于4℃保存㊂测定时,使其恢复至室温,在优化的质谱条件下进行分析㊂2.2.2　质谱条件及参数　电喷雾萃取电离源的原理如图1所示,由相互独立的电喷雾通道和样品引入通道组成,电喷雾溶液和待测物样品溶液分别由电喷雾通道和样品通道引入[19]㊂在常压条件下,电喷雾通道产生的初级离子与样品通道产生的中性样品进行碰撞,发生液⁃液萃取,将目标物萃取到带电液滴中,形成的待测物离子随即在电场和真空的共同作用下被引入质谱仪,进行分析检测[20]㊂N2琢Sample solutionExtractanthvN 2cd茁Massspectrometer图1　电喷雾萃取电离质谱的结构示意图Fig.1　Schematic diagram of extractive electrospray ionizationmass spectrometry (EESI⁃MS)EESI 离子源的两个喷雾通道之间的夹角α=60°,两个毛细管喷雾口之间的距离c =2mm,样品通道与质谱仪进样口的角度β=150°,距离d =5mm㊂EESI⁃MS 采用正离子检测模式,全扫描范围m /z 100~500,雾化气为纯度99.999%的N 2,气体流速60Arb㊂离子传输管温度为300℃,电喷雾电压3.5kV,溶剂流速为4μL /min,样品溶液流速为8μL /min,以甲醇⁃水⁃乙酸(40∶40∶20,V /V )溶液为萃取剂㊂进行串联质谱分析时,母离子的隔离宽度为1.0Da,碰撞时间为30ms,碰撞能量为30%,其它参数由质谱仪系统自动优化㊂3　结果与讨论3.1　DEHP 标准溶液的定性分析在正离子检测模式下,采用EESI⁃MS 分析DEHP 标准溶液㊂在全扫描模式下得到的一级质谱图(图2A)中可观察到m /z 391.28准分子离子峰,为排除假阳性信号,选择m /z 391.28作为母离子进行碰撞诱导解离,得到m /z 279.26㊁167.12㊁149.11的碎片离子(图2B),分别为母离子丢失C 8H 16㊁C 16H 32㊁C 16H 34O 后的碎片离子,与文献[21]报道一致,说明一级质谱图中的m /z 391.28即为DEHP 形成的[M+H]+分子离子㊂本研究选择丰度较强㊁干扰较小的碎片离子m /z 149.11为定量离子㊂3.2　EESI 参数优化3.2.1　电喷雾电压　电喷雾电压(2.0~4.0kV)对DEHP 的二级特征离子m /z 149.11的信号强度的影响如图3A 所示㊂喷雾电压在2.0~3.5kV 范围内不断增加,更多的离子被电离,m /z 149.11的信号488 分析化学第46卷10080200m /zR e l a t i v e a b u n d a n c e (%)6040200185.11163.13249.00107.07301.14347.24391.28445.12496.33100300400500A10080100m /zR e l a t i v e a b u n d a n c e (%)6040200149.11113.10167.12229.07279.26200300400B391.28391.28图2　邻苯二甲酸二(2⁃乙基己基)酯标准溶液的电喷雾萃取电离质谱图:(A)一级质谱图;(B)二级质谱图Fig.2　EESI⁃MS spectra of di⁃2⁃ethylhexy phthalate (DEHP)standard:(A)MS spectrum;(B)MS 2spectrum强度逐渐增大;当电喷雾电压超过3.5kV,目标信号强度降低,这可能是因为电压过高,喷雾口发生电晕放电,离子的形成效率降低,导致目标信号强度降低㊂因此,本研究选择喷雾电压为3.5kV㊂3.2.2　离子传输管温度　离子传输管的温度的升高可以促进带电液滴的去溶剂化过程,进而提高产生气态物质的效率㊂考察了在200~400℃范围内的离子传输管温度对m /z 149.11的信号强度的影响㊂如图3B 所示,随着温度升高(200~300℃),m /z 149.11的信号强度逐渐增大;当温度高于300℃时,信号强度逐渐降低,这是因为温度过高,DEHP 的热解离效应增强㊂因此,本实验选择离子传输管温度为300℃㊂3.2.3　样品溶液流速　考察了样品流速6~10μL /min 对DEHP 的二级特征离子m /z 149.11信号强度的影响,结果如图3C 所示㊂样品流速在6~8μL /min 范围内,加快流速,使得更多的离子进入质谱口被检测,信号强度逐渐增强;流速超过8μL /min 时,由于样品流速过快,导致样品溶液与萃取剂碰撞萃取的效果不佳,导致信号强度减小㊂因此本研究样品溶液流速设置为8μL /min㊂43 2.5Voltage （kV ）I n t e n s i t y (×104)210A2.03.0 3.54.03250Temperature （℃）I n t e n s i t y (×104)210B2003003504002.41.87Flow rate （滋L/min ）I n t e n s i t y (×104)1.20.60.0C68910５５Ratio of acetic acid in extraction （%）I n t e n s i t y (×104)３10Ｄ１５２０２５１０２４图3　实验条件优化:(A)电喷雾电压;(B)离子传输管温度;(C)样品溶液流速;(D)萃取剂中乙酸的比例Fig.3　Optimization of experimental conditions:(A)ESI voltage;(B)ion⁃transport temperature;(C)flow rate ofsample solution;(D)ratio of acetic acid in extraction588第6期梁大鹏等:电喷雾萃取电离质谱法直接检测环境水样中的邻苯二甲酸二(2⁃乙基己基)酯3.2.4　萃取剂组成　萃取过程与萃取剂的组成密切相关,直接影响EESI⁃MS 方法的灵敏度及选择性,因此萃取剂的组成也是建立方法时需重点考察的因素㊂本研究所用的EESI 源是基于ESI 溶剂电喷雾萃取电离中性样品液滴中的待测物的原理,根据相似相溶原理,选取一定比例甲醇⁃水⁃乙酸溶液作为萃取剂㊂根据文献[22]的报道的方法,在甲醇⁃水(1∶1,V /V )的基体中加入乙酸,配制成含乙酸(0%㊁5%㊁10%㊁15%㊁20%㊁25%,V /V )的萃取剂,对比m /z 149.11信号强度的变化,结果如图3D 所示㊂当乙酸含量为20%时,m /z 149.11信号强度最大,因此本实验选取甲醇⁃水⁃乙酸(40∶40∶20,V /V )溶液为萃取剂㊂3.3　EESI⁃MS 检测DEHP 的线性范围、检出限在最佳实验条件下,对质量浓度为5㊁10㊁50㊁100㊁500和1000μg /L 的DEHP 标准溶液进行EESI⁃MS 检测,每个浓度水平检测6次,以DEHP 的浓度为横坐标,二级特征离子m /z 149.11信号强度的平均值为纵坐标,绘制标准工作曲线㊂结果表明,在5~1000μg /L 范围内,DEHP 浓度与m /z 149.11的平均信号强度线性关系良好,线性方程为y =33.58x +10131.19,相关系数R 2=0.9991,以3倍信噪比计算,方法的检出限LOD =0.21μg /L㊂对实验用二次去离子水及经过滤的南湖水样进行加标回收实验,结果如表1所示,加标回收率为96.3%~111.3%,精密度(RSD)为5.6%~11.8%㊂表1　邻苯二甲酸二(2⁃乙基己基)酯加标回收实验Table 1　Recoveries and precision for determination of di⁃2⁃ethylhexy phthalate in spiked samples样品Sample 初始浓度Original (μg /L)添加水平Spiked (μg /L)测定值Measured (μg /L)回收率Recovery (%)相对标准偏差RSD (%,n =6)去离子水Deionized water 0μg /L 南湖水SouthLake water60.60μg /L8.008.86±0.82111.39.380.0085.16±6.55106.57.7400.00385.02±21.6896.35.68.0072.53±4.10105.7 5.780.00136.56±16.1497.111.8400.00452.72±36.2198.38.0 将本方法与文献报道的常规检测方法对比,结果如表2所示,几种方法回收率及精密度相近,但常规的检测方法部分检出限较高,且样品的检测时间均大于10min㊂与其它方法相比,本方法无需样品前处理,样品测定时间短㊁有机溶剂用量少,操作简便㊂表2　不同DEHP 分析方法的性能比较Table 2　Comparison of different methods for determination of DEHP序号No.方法Method检测基质Sample检出限LOD回收率Recovery (%)精密度RSD (%)检测时间Time (min)参考文献Reference 1高效液相色谱HPLC饮料Drink 0.05μg /L 85.6~103.3 2.6~4.930[8]2气相色谱⁃质谱GC⁃MS 白酒Liquor 1.13μg /L 85.0~124.2 2.2~5.340[10]3液相色谱⁃质谱LC⁃MS食品Food1.0μg /kg81.1~107.43.1~14.330[11]4磁性固相萃取⁃气相色谱⁃质谱MSPE⁃GC⁃MS 环境水样Environmental water 0.01μg /L 106~1105.1~8.415[23]5气相色谱GC 白酒Liquor 10μg /L 81.2~111.1 2.2~6.840[24]6固相萃取⁃超高效液相色谱⁃质谱SPE⁃UPLC⁃MS水样Water sample 2.7ng /L 86.5~88.3 5.1~9.415[25]7电喷雾萃取电离质谱EESI⁃MS环境水样Environmental water0.21μg /L 96.3~111.35.6~11.83本工作This work SPE:solid phase extraction;MSPE:magnetic solid phase extraction;UPLC:ultra performance liquid chormatography.3.4　实际样品分析采用EESI⁃MS 对实际环境水样中的DEHP 进行测定,样品平行测定6次,测得垃圾渗滤液㊁城市生活污水及晏湖水中的DEHP 的含量分别为556.5㊁275.3和37.8μg /L,其中湖水中DEHP 含量高于我国地表水环境质量标准的DEHP 限值㊂本方法检测实际样品中DEHP 的相对标准偏差小于6.9%,方法精密度高,稳定性好,可用于水样中DEHP 的直接检测㊂688 分析化学第46卷4　结论采用EESI⁃MS 技术,在无需样品预处理的条件下,建立了稳定可靠的DEHP 的EESI⁃MS 检测方法,实现了水样中DEHP 的快速定量分析㊂与常规检测方法相比,EESI⁃MS 法具有灵敏度高㊁操作简便㊁分析速度速度快㊁无需样品预处理等优点,可实现环境基质中化学污染物的快速㊁高通量分析,在环境污染物的检测方面具有良好的应用前景㊂References1　Daniel S B,Laura H R,Edgar R R,Aracely H R,Jorge Luis G M.Talanta ,2017,168:291-2972　Harunarashid N Z I H,Lim L H,Harunsani M H.Food Anal.Methods ,2017,10(12):3790-38143　Wang L,Wang L H,Chang Q,Dong J W,Sun R X,Yang SS,Fu J W,Feng C C,Yang L L,Zhang Y.Eur.J.Soils Sci.,2017,68(6):897-9084　Fierens T,Servaes K,Van Holderbeke M,Geerts L,de Henauw S,Sioen I,Vanermen G.Food Chem.Toxicol.,2012,50(7):2575-25835　GB 3838⁃2002,Environmental Quality Standards for Surface Water.National Standards of the People's Republic of China地表水环境质量标准.中华人民共和国国家标准.GB 3838⁃20026　Sargazi S,Mirzaei R,Rahmani M,Mohammadi 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Mach.,2016,32(1):59-62曹勇,华晓曼,郑明珠,王楠,刘景圣.食品与机械,2016,32(1):59-6224　Ye Q,Liu L H,Chen Z B,Hong L M.J.Chromatogr.A,2014,1329(3):24-2925　ZHANG Hai⁃Jing,HU Xiao⁃Jian,LIN Shao⁃Bin.Chinese J.Anal.Chem.,2014,42(9):1281-1287张海婧,胡小建,林少彬.分析化学,2014,42(9):1281-1287Direct Detection of Di⁃2⁃ethylhexy Phthalate in EnvironmentalWater Sample Based on Extractive ElectrosprayIonization Mass SpectrometryLIANG Da⁃Peng1,FANG Yuan⁃Ping1,LIU Wen⁃Jie1,ZHANG Hua2,QIU Yan⁃Ting1,DONG Yi⁃Ming1,NING Yang*1 1(College of Environment and Resources,Key Lab of Groundwater Resources and Environment Ministry of Education,Jilin University,Changchun130012,China)2(College of Chemistry,State Key Laboratory of Inorganic Synthesis and Preparative Chemistry,Jilin University,Changchun130012,China)Abstract　The environmental organic pollutant of di⁃2⁃ethylhexy phthalate(DEHP)was analyzed by extractive electrospray ionization mass spectrometry(EESI⁃MS).Effect of some important experimental conditions were investigated systematically,including the electrospray voltage,temperature of ion⁃transport tube,sample injection rate and extractant composition.Under the optimal conditions,a method for rapid detection of DEHP in water sample was established.DEHP levels in different samples with complex matrixes were measured,including landfill leachate,urban sewage and lake water.The results showed that DEHP in water samples could be ionized by EESI source and obtained the molecule ion(m/z391.28)at the positive detection mode,and then CID experiment were performed to obtain the secondary fragment ions m/z279.26, 167.12and149.11.The intensity of characteristic peak m/z149.11possessed a good linearity with the concentration of DEHP in the range of5-1000μg/L with the correlation coefficient of R2=0.9991,and the detection limit(LOD)of0.21μg/L.The recoveries of DEHP at three spiked levels(8,80,400μg/L) were96.2%-111.2%,with RSDs of5.6%-11.8%.With the developed EESI⁃MS method,the concentrations of DEHP in landfill leachate,urban sewage and Yan lake water were556.5,275.3and 37.8μg/L,respectively.The EESI⁃MS method possessed many advantages such as no requirement of sample pretreatment,fast analysis speed(about3min per sample),simple operation and high sensitivity,thus providing a new mass spectrometric method for rapid detection of phthalate esters.Keywords　Di⁃2⁃ethylhexyl phthalate;Extractive electrospray ionization;Mass spectrometry;Environmental water sample(Received21December2017;accepted24March2018) This work was supported by the National Natural Science Foundation of China(Nos.21404047,21307040)and the111Project (No.B16020).。