便携式GC-MS结合固相微萃取方法现场快速检测水中有机氯农药

【核心介绍】本文建立了便携式气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）结合固相微萃取前处理方法检测水中17种有机氯农药的方法。本文分别对萃取方式、萃取纤维头、萃取温度、萃取时间等萃取条件做了优化。在优化后的条件下，17种有机氯农药在14min内可以得到较好的分离，检出限在0.05μg/L-1.62μg/L之间，线性系数均大于0.992，相对标准偏差（RSD，n=5）均小于14.9%，加标回收率在70.4%到107.4%之间。该方法能快速对水体中17 种有机氯农药进行定性分析和定量检测，适用于水体中有机氯农药污染的应急监测工作 　

便携式GC-MS结合固相微萃取方法现场快速检测水中17种有机氯农药

胡建坤 吴文明 段炼 吴旭梅 马乔 刘立鹏

（聚光科技（杭州）股份有限公司杭州310052）

    摘要  本文建立了便携式气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）结合固相微萃取前处理方法检测水中17种有机氯农药的方法。本文分别对萃取方式、萃取纤维头、萃取温度、萃取时间等萃取条件做了优化。在优化后的条件下，17种有机氯农药在14min内可以得到较好的分离，检出限在0.05μg/L-1.62μg/L之间，线性系数均大于0.992，相对标准偏差（RSD，n=5）均小于14.9%，加标回收率在70.4%到107.4%之间。该方法能快速对水体中17 种有机氯农药进行定性分析和定量检测，适用于水体中有机氯农药污染的应急监测工作。

    关键词  便携式气相色谱-质谱联用仪；固相微萃取；有机氯农药；现场检测

    中图分类号   O657.63   

                    

Short-term Test of 17 Kinds of Organchlorine Pesticides in Water by Portable Gas Chromatography - Mass Spectrometry with Solid-phase Micro-extraction on-site 

HU Jian-Kun WU Wen-Ming DUAN Lian WU Xu-Mei MA Qiao LIU Li-Peng

（Focused Photonics(Hangzhou),Inc. Hangzhou 310052）  

Abstract：A new method was established with portable gas chromatography - mass spectrometry (GC-MS) and solid-phase micro-extraction (SPME) method for analysis 17 kinds of organchlorine pesticides in water. The extraction conditions including extraction type, SPME fiber, extraction temperature, extraction time were optimized. Under the optimized conditions, 17 kinds of organchlorine pesticides could be separated in 14 minutes. The detection limit was between 0.05μg/L and 1.62μg/L, the linear coefficient was biger than 0.992, the RSD (n=5) was less than 14.9%, and the recovery ratio is between 70.4% and 107.4%.The method was able to qualitatively and quantitatively analyze 17 kinds of OCPs in water quickly. It is suitable for environment emergency monitoring for analysis of OCPs in water.

Key words: Portable gas chromatography mass spectrometry; Solid phase microextraction; Organchlorine pesticides; On-site analysis

有机氯农药（OCPs）属于持久性有机污染物(POPs)的一类，虽然我国已在20世纪90年代禁止有机氯农药的生产，但由于其可长期存在于环境中并具有累积性和生物毒性，目前仍是环境中不可忽视的重要污染物之一。

目前对于有机氯农药的检测，通常使用实验室进行分析。但实验室方法分析周期长，在面对一些突发事故时，无法快速得到测试结果，不能够对现场处置提供必要的信息，因此开发现场快速检测方法是十分有必要的。

1. 现场快速测定水中有机氯农药的方法

便携式气相色谱-质谱联用仪采用与实验室气相色谱-质谱仪相同的技术原理，同时又具有体积小、重量轻、能耗低的特点，特别适合在现场对有毒有害物质进行分析，已经广泛应用于现场应急检测^[1-3]，但目前便携式气相色谱-质谱联用仪在现场分析的目标物主要是空气或水中的挥发性有机物，对于半挥发性有机物的现场检测研究较少。固相微萃取技术(Solid Phase Micro Extraction，SPME)是20世纪90年代初发明的一种样品前处理技术^[3]。这种技术集采样、富集、进样于一体，大大简化了常规的前处理操作流程，且整个过程不需要使用溶剂，是一种特别适合于现场使用的前处理方法。经过20多年的发展，固相微萃取方法在全世界范围内得到了大量的应用，已经有很多文献研究了固相微萃取方法对水、土壤和空气中的挥发性或半挥发性有机物的萃取性能^[4-7]。

    本文应用建立了便携式气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）配合固相微萃取前处理方法现场快速测定水中17种有机氯农药的方法，该方法检出限能够满足《GB 3838-2002 地表水环境质量标准》与《GB 5749-2006 生活饮用水卫生标准》中对有机氯农药的限值要求，并且整个样品处理与分析时间小于30 min，特别适合在现场对水中的有机氯农药进行快速检测。

2.实验部分

2.1试剂与化学品

蒸馏水：来自MilliQ 系统(Milford, Mass, USA) 不含有机挥发物；甲醇：色谱纯；

    17种有机氯农药标样：购于Supecol公司（表1），17种有机氯农药浓度均为500μg/mL，溶剂为甲醇。标准溶液储备液配制：使用甲醇配制成浓度为10μg/mL标准储备液。

表1     17种有机氯农药列表

序号	中文名称	序号	中文名称
1	α-六六六	10	狄试剂
2	β-六六六	11	异狄试剂
3	γ-六六六	12	β-硫丹
4	δ-六六六	13	4'4-滴滴滴
5	七氯	14	异狄试剂醛
6	艾氏剂	15	硫代硫酸酯
7	环氧七氯	16	4'4-滴滴涕
8	α-硫丹	17	甲氧滴滴涕
9	4'4-滴滴伊

2.2设备与材料

      Mars-400 Plus便携式GC-MS仪：聚光科技（杭州）股份有限公司生产，仪器整机重量小于20kg，体积与台式电脑主机相当，能够通过手提或背负的方式方便的携带到测试现场；SPME综合前处理装置：聚光科技（杭州）股份有限公司生产；SPME手柄：购于Supecol公司；SPME纤维头100μm PDMS、65μm PDMS\DVB：购于Supecol公司；SPME纤维头 44μmPDMS： 购于上海新拓分析仪器科技有限公司；20 mL萃取瓶与密封垫：购于Supecol公司。

2.3仪器分析条件（表2）

表2 仪器分析条件

GC		MS
色谱柱：	DB-5ms 5m×0.1mm×0.4μm	离子阱温度	150 °C
载气	氦气	气质接口温度	200 °C
进样口温度	230 °C	扫描方式	FullScan
载气流量	0.3 mL/min	扫描范围	50-400 amu
分流比	10:1	溶剂延迟	4 min
进样口吹扫流量	20 mL/min (@0.5 min)
色谱柱升温程序	60 °C(2 min) 40 °C/min 160 °C8 °C/min 250 °C(1 min)

2.4实验方法

在20 mL顶空瓶中加入10 mL蒸馏水、一定量的17种有机氯标准溶液和聚四氟乙烯的搅拌池子，用带有硅胶垫的铝盖封口，然后放入SPME专用加热搅拌装置中进行加热搅拌（搅拌速度每分钟1000转），然后插入SPME手柄使用顶空或浸没萃取的方法，萃取一定时间后拨出并立即插入便携式GC-MS进样口进行高温解吸，分析物由载气送入色谱柱进行分析。

每次进样前，将萃取纤维头在SPME综合前处理装置上的进样口内于270 ℃解吸5 min，清除前一次萃取所残留的分析物，保证实验的准确性。

3.结果与讨论

3.1萃取条件的优化

3.1.1萃取方式选择

有机氯农药种类众多，物化性质差异很大。本实验对比了浸没式直接萃取和顶空萃取两种方式对17种有机氯农药的萃取效率（图1所示）。结果表明，两种萃取方式对不同有机氯农药的萃取效率有明显差异。17种有机氯农药用浸没法的萃取效率均大于顶空法，并且在顶空萃取时，β-六六六、异狄试剂醛、硫代硫酸酯3种物质几乎无响应，因此选择浸没萃取的方式。

 

图1 两种萃取方式萃取效率对比图

（1.α-六六六 2.β-六六六 3. γ-六六六 4. δ-六六六 5.七氯 6.艾氏剂 7.环氧七氯 8.α-硫丹 9.4,4'-滴滴伊 10.狄试剂 11.异狄试剂 12.β-硫丹 13.4'4-滴滴滴 14.异狄试剂醛 15.硫代硫酸酯 16.4,4'-滴滴涕 17.甲氧滴滴涕）

3.1.2萃取纤维选择

不同的萃取纤维材料对待测物的富集效率不同。本实验考察了PDMS（100μm）、PDMS（44μm）、PDMS\DVB（65μm）3种萃取纤维头在浸没萃取条件下，对17种有机氯农药的萃取效果（图2所示）。结果表明，不同纤维材料对各种有机物具有不同的萃取效率。两种PDMS纤维头对17种有机氯农药的萃取效率均十分接近。而PDMS\DVB（65μm）纤维头对4种六六六有机物的萃取效率远大于PDMS纤维头，但对于其它有机氯农药的萃取效率均低于或接近PDMS纤维头。考虑到纤维头的通用性与耐用性，本试验选择耐用、坚固、抗恶劣操作环境能力强的PDMS（100μm）涂层萃取纤维头。

 

图2 不同纤维头的萃取量对比图

（1.α-六六六 2.β-六六六 3. γ-六六六 4. δ-六六六 5.七氯 6.艾氏剂 7.环氧七氯 8.α-硫丹 9.4,4'-滴滴伊 10.狄试剂 11.异狄试剂 12.β-硫丹 13.4'4-滴滴滴 14.异狄试剂醛 15.硫代硫酸酯 16.4,4'-滴滴涕 17.甲氧滴滴涕）

3.1.3萃取温度选择

萃取温度对萃取效率有着直接的影响，本实验考察了分别在40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃四种不同萃取温度下，用PDMS（100μm）纤维头浸没萃取3 min后，17种有机氯农药的萃取效果（图3所示）。结果表明，萃取温度对于浸没萃取的影响较为复杂。分子量小、沸点较低的物质，其萃取效率随着温度的升高而降低，如4种六六六、七氯等；而分子量大、沸点较高的物质，其萃取效率随温度升高而升高，如4'4-滴滴涕、甲氧滴滴涕等。从图4中可以看出，在40 ℃~70 ℃的范围内，虽然各物质的萃取效率有一定变化，但变化并不是特别大，考虑到现场检测的低功耗需求，选择温度较低的40 ℃作为浸没萃取温度。

 

图3 萃取温度与萃取量关系图

（1.α-六六六 2.β-六六六 3. γ-六六六 4. δ-六六六 5.七氯 6.艾氏剂 7.环氧七氯 8.α-硫丹 9.4,4'-滴滴伊 10.狄试剂 11.异狄试剂 12.β-硫丹 13.4'4-滴滴滴 14.异狄试剂醛 15.硫代硫酸酯 16.4,4'-滴滴涕 17.甲氧滴滴涕）

3.1.4萃取时间选择

在以上几项实验条件下，选取5 min~30 min范围内考察萃取时间与萃取量的关系，由图4可见，在萃取时间从5 min增加到10 min时，大部分物质萃取量都有较明显的增加，萃取时间再继续加长时，部分物质萃取量不再明显上升，说明部分物质在萃取10 min时已经达到平衡状态，部分高沸点物质的萃取量随萃取时间的增加会继续增长。考虑到现场检测对于检测速度的要求，选择10 min作为萃取时间。

 

图4 萃取时间与萃取量关系图

（1.α-六六六 2.β-六六六 3. γ-六六六 4. δ-六六六 5.七氯 6.艾氏剂 7.环氧七氯 8.α-硫丹 9.4,4'-滴滴伊 10.狄试剂 11.异狄试剂 12.β-硫丹 13.4'4-滴滴滴 14.异狄试剂醛 15.硫代硫酸酯 16.4,4'-滴滴涕 17.甲氧滴滴涕）

3.2分析方法评价

3.2.1色谱条件分离效果

用便携式GC-MS按照方法中的色谱分离条件对17种有机氯农药进行分析，总离子流图见图5所示，定性结果见表3。从图6中可以看出17种有机氯农药在14 min内可以得到较好的分离，定性结果见表3。

 

图5  17种有机氯农药总离子流图

表3 定性结果

序号	保留时间（min）	英文名称	中文名称
1	6.579	α-BHC	α-六六六
2	7.071	β-BHC	β-六六六
3	7.173	γ-BHC	γ-六六六
4	7.741	δ-BHC	δ-六六六
5	8.485	Heptachlor	七氯
6	9.172	Aldrin	艾氏剂
7	9.955	Heptachlor epoxide (isomer B)	环氧七氯
8	10.674	α-Endosulfan	α-硫丹
9	11.145	4,4'-DDE	4,4'-滴滴伊
10	11.222	Dieldrin	狄试剂
11	11.630	Endrin	异狄试剂
12	11.876	β-Endosulfan	β-硫丹
13	12.002	4',4-DDD	4'4-滴滴滴
14	12.186	Endrin aldehyde	异狄试剂醛
15	12.663	Endosulfan Sulfate	硫代硫酸酯
16	12.733	4',4-DDT	4,4'-滴滴涕
17	13.891	Methoxychlor	甲氧滴滴涕

3.2.2方法线性与检出限

用储备液配制各组分浓度均为2 μg/L、5 μg/L、10 μg/L、20 μg/L、40 μg/L的17种有机氯农药标准水样，在上述优化后的条件下进行测定，得到了本方法的线性与检出限（S/N=3），如表4所示。从表中可以看出，大部分物质的检出限都低于1 μg/L（除β-六六六和异狄试剂醛外），均能够满足标准中的限值要求，2-40 μg/L的浓度范围内线性相关系数均大于0.99。

 

表4 方法线性与检出限

序号	物质名称	线性范围	相关系数（r）	检出限 (μg/L)	《GB 3838-2002》 限值(μg/L)	《GB 5749-2006》 限值 (μg/L)
1	α-六六六	2-40 μg/L	0.998	0.18	-	-
2	β-六六六	2-40 μg/L	0.999	1.32	-	-
3	γ-六六六	2-40 μg/L	0.997	0.31	2	2
4	δ-六六六	2-40 μg/L	0.998	0.88	-	-
5	七氯	2-40 μg/L	0.997	0.08	-	0.4
6	艾氏剂	2-40 μg/L	0.996	0.17	-	-
7	环氧七氯	2-40 μg/L	0.997	0.05	0.2	-
8	α-硫丹	2-40 μg/L	0.995	0.60	-	-
9	4,4'-滴滴伊	2-40 μg/L	0.996	0.05	-	-
10	狄试剂	2-40 μg/L	0.995	0.26	-	-
11	异狄试剂	2-40 μg/L	0.997	0.55	-	-
12	β-硫丹	2-40 μg/L	0.996	0.75	-	-
13	4',4-滴滴滴	2-40μg/L	0.999	0.06	-	30*
14	异狄试剂醛	2-40μg/L	0.992	1.62	-	-
15	硫代硫酸酯	2-40μg/L	0.994	0.73	-	-
16	4,4'-滴滴涕	2-40μg/L	0.998	0.17	1	30
17	甲氧滴滴涕	2-40μg/L	0.997	0.29	-	-

备注：* 标准中实际要求为2’4-滴滴滴

 

3.2.3方法精密度

使用10 μg/L浓度水样，在上述优化后的条件下平行测定5次，得到方法精密度，如表5所示。从表5中可以看出17种有机氯农药的峰面积RSD在4.4%-14.9%之间。

表5 方法精密度（n=5）

序号	名称	精密度RSD（%）	序号	名称	精密度RSD（%）
1	α-六六六	9.8	10	狄试剂	12.3
2	β-六六六	8.1	11	异狄试剂	14.1
3	γ-六六六	4.4	12	β-硫丹	9.0
4	δ-六六六	12.5	13	4'4-滴滴滴	7.9
5	七氯	14.9	14	异狄试剂醛	7.0
6	艾氏剂	10.2	15	硫代硫酸酯	5.7
7	环氧七氯	11.7	16	4,4'-滴滴涕	9.6
8	α-硫丹	10.5	17	甲氧滴滴涕	9.5
9	4,4'-滴滴伊	9.9

3.2.4方法回收率

按照节2.5中的方法，对采集的池塘水样进行分析，并无上述17种有机氯农药检出。在此水样中加入适量的17种有机氯农药标准溶液，配制成各物质浓度均为5 μg/L的加标样品溶液，并在优化后的条件下进行测试，按照测试结果计算17种有机氯农药的加标回收率，如表6所示。测试谱图如图6所示。从表6可以看出各物质的回收率在70%到110%之间。

表6 方法回收率

序号	名称	加标回收率（%）	序号	名称	加标回收率（%）
1	α-六六六	102.2	10	狄试剂	81.0
2	β-六六六	84.0	11	异狄试剂	78.6
3	γ-六六六	77.8	12	β-硫丹	79.8
4	δ-六六六	107.4	13	4',4-滴滴滴	70.1
5	七氯	103.0	14	异狄试剂醛	77.2
6	艾氏剂	91.3	15	硫代硫酸酯	74.5
7	环氧七氯	88.1	16	4,4'-滴滴涕	70.4
8	α-硫丹	77.2	17	甲氧滴滴涕	79.8
9	4,4'-滴滴伊	96.3

 

图6 实际加标水样测试谱图

4.结论

Mars-400 Plus便携式GC-MS结合固相微萃取技术是检测水中有机氯农药的一种实用的分析方法。实验结果显示，17种有机氯农药在14 min内可以得到较好的分离， 2-40 μg/L的浓度范围内线性相关系数均大于0.99，所有物质的检出限均能够满足标准中的限值要求，大部分物质的检出限都低于1 μg/L（除β-六六六和异狄试剂醛外），检测结果峰面积的RSD（n=5）均小于15%，各物质的回收率在70%到110%之间。该方法操作简便、快速、灵敏度高，能够在现场快速给出准确的定性定量结果，适合环境应急事故中对现场污染水体中的有机物进行快速检测。

 

 

参考文献

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