微萃取柱進樣結合氣相色譜-串聯質譜法用于污水中4種常見毒品的測定

　　摘 要 采用一種適用于氣相色譜的針式微萃取技術，即微萃取柱進樣(METI)技術，以一段毛細管整體柱(5 cm)作為萃取柱兼進樣針，通過將柱內靜態(tài)解吸和萃取柱直接進樣相結合，可實現 1 mL 水樣中 ng/L 水平分析物的富集。以 N-乙烯基吡咯烷酮和二乙烯基苯為單體制備了毛細管整體柱，以甲基苯丙胺、氯胺酮、去甲氯胺酮和可卡因 4 種常見毒品為目標物，優(yōu)化了 METI 的操作條件，結合氣相色譜-串聯質譜(GC-MS/MS)技術，建立了污水中 4 種毒品的分析方法。檢測甲基苯丙胺、氯胺酮和去甲氯胺酮的線性范圍為 0.05~50 µg/L，檢測可卡因的線性范圍為 0.10~50 µg/L，相關系數(R 2)均大于 0.9985，檢出限(S/N=3)為 0.32~10.00 ng/L，定量限(S/N=10)為 1.07~33.00 ng/L。對于湖水水樣和污水處理站進水口處水樣，在 0.3、3 和 30 ?g/L 加標水平下的回收率為 74.65%~114.36%;除在湖水中加標濃度為 0.3 ?g/L 時，可卡因測試結果的相對標準偏差(RSD)為 15.0%外，其它加標回收實驗測試結果的 RSD 均小于 10.6%。本研究結果表明，METI 集分離、富集和進樣功能于一體，具有操作簡便和富集效率高等優(yōu)點，適用于少量樣品中痕量組分的快速前處理。

　　關鍵詞 樣品前處理;微萃取柱進樣;毒品;污水;氣相色譜-串聯質譜

　　黃晴; 胡勝華; 楊道兵; 王曉如; 邢鈞 分析化學 2021-12-13

　　全球毒品濫用問題持續(xù)蔓延，嚴重威脅人類的身體健康和社會安全。毒品經人體代謝(如尿液、糞便)或直接傾倒銷毀，以母體或代謝物的形式最終匯入環(huán)境水體[1-5]。因此，檢測環(huán)境水樣中毒品及其代謝物有利于相關政府部門及執(zhí)法機構及時了解毒品濫用情況[6]，相關測定結果也可用于評估毒品對水環(huán)境及生態(tài)系統的潛在危害[7]。由于污水樣品中通常僅含痕量水平的毒品及其代謝物，而且復雜的基質會對測試結果產生干擾，因此，在測定前需借助樣品前處理技術對樣品進行凈化，并對目標物進行濃縮。水樣中毒品分析的主要前處理方法是固相萃取(SPE)法，檢測方法主要有氣相色譜-質譜或串聯質譜(GC-MS 或 GC-MS/MS)法[5,8-12]、液相色譜-質譜或串聯質譜(LC-MS 或 LC-MS/MS)法[13-15]。對于 µg/L 級毒品，采用 SPE 處理時，水樣用量一般在 100 mL 以上，并且需要采用氮吹等濃縮方式以達到儀器的檢測要求，操作繁瑣耗時[13-18]。針式微萃取是前處理技術微型化重要方向之一，不僅具有可大幅減少樣品用量及有機溶劑消耗和富集效率高等優(yōu)勢，而且可直接用于色譜儀進樣。目前，固相微萃取(SPME)[8,10]、填充吸附劑微萃取(MEPS)[9]和固相動態(tài)萃取(SPDE)[19]等針式微萃取技術已在毒品分析中得到廣泛應用，然而，MEPS 和 SPDE 僅適用于大體積進樣要求的 GC 分析。

　　本研究組近期提出了一種適用于普通 GC 的針式微萃取技術，即微萃取柱進樣(METI)[20-21]。微 METI 的特點是將一段毛細管整體柱同時作為萃取柱和進樣針，采用柱內靜態(tài)解吸和萃取柱直接進樣相結合的策略，實現 1 mL 水樣中 ng/L 水平分析物的富集。鑒于污水中毒品檢測的重要意義，本研究以甲基苯丙胺、氯胺酮、去甲氯胺酮和可卡因 4 種常見毒品為分析對象，優(yōu)化了檢測體系的 METI 操作條件，建立了 METI-GC-MS/MS 分析方法用于污水中毒品的檢測。

　　1 實驗部分 1.1 儀器與試劑

　　Clarus 680-SQ8T 型氣相色譜-質譜聯用儀(美國 Perkin Elmer 公司);Varian 450-320 型氣相色譜 -三重四極桿質譜聯用儀(美國 Bruker 公司);NEXUS670 型傅里葉紅外光譜儀(美國 Nicolet 公司); Merlin Compact 型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(德國 Zeiss 公司);TGA2 型熱重分析儀(瑞士 Mettler-Toledo 公司);JJ24BC 型電子天平(常熟市雙杰測試儀器廠);KQ-100E 型超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司);85-1 型磁力攪拌器(武漢科爾儀器設備有限公司);LSP04-1A 型可編程注射泵(保定蘭格恒流泵有限公司);PB-10 標準型 pH 計(德國 Sartorius 公司);熔融石英毛細管(250 µm, i.d.，河北永年銳灃色譜器件有限公司)。

　　二乙烯基苯(80%，DVB)，以 NaOH 溶液(0.1 mol/L)除去阻聚劑并減壓蒸餾純化;偶氮二異丁腈(AIBN，上海阿拉丁生化科技股份有限公司)，在熱乙醇中重結晶;3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(γ-MAPS，武漢大學有機硅新材料有限公司);N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)、十二醇、環(huán)己醇(上海國藥集團化學試劑有限公司)，均采用蒸餾純化。其余試劑均為分析純。甲基苯丙胺(MAMP)、氯胺酮(Ket)、去甲氯胺酮(NKet)和可卡因(COC)的甲醇標準溶液(濃度均為 10 mg/L)由武漢市公安毒品司法鑒定中心提供，并配制成 2.5 mg/L 的標準混合儲備液，于–20℃保存。

　　1.2 儀器條件 1.2.1 色譜條件

　　色譜柱 DB-5 MS(30 m×0.25 mm×0.25 µm，美國 Agilent 公司);載氣：氦氣(純度≥99.999%)，流量 1.0 mL/min;進樣口溫度 280℃;不分流進樣，2.0 min 開啟分流閥，分流流量 20 mL/min。升溫程序：初始溫度 80℃，保持 1 min;以 10℃/min 升溫至 280℃，保持 5 min。

　　1.2.2 MS/MS 條件

　　EI 電離源，電子能量 70 eV;傳輸線溫度 260℃;離子源溫度 200℃;四極桿溫度 40℃;Q2 碰撞氣：氬氣(純度≥99.999%)，0.226 Pa;采用多反應監(jiān)測(MRM)模式，根據歐盟 2002/657/EC 中規(guī)定的質譜定性確證標準，優(yōu)化后的質譜參數見表 1。

　　1.3 水樣采集

　　地表水樣采自武漢東湖，污水水樣采自武漢市某城市污水處理站進水口。水樣以棕色玻璃瓶收集，實驗前以純水和甲醇沖洗并烘干。以 HCl 調節(jié)所有水樣至 pH 2.0±0.2，于–20℃暗處保存。

　　1.4 毛細管萃取柱的制備 1.4.1 毛細管預處理

　　參照文獻[22-23]對毛細管柱內壁進行活化、清洗和預處理后，在柱內壁引入烯基修飾，具體操作如下：先以丙酮清洗毛細管柱，再以 NaOH 溶液(1 mol/L)沖洗 2 h，將充滿 NaOH 溶液的毛細管柱兩端用硅膠墊密封，置于 50℃烘箱中處理 2 h。取出毛細管，依次用水和 HCl 溶液(1 mol/L)沖洗，以水沖洗至中性，再用丙酮沖洗，氮氣吹干。在毛細管中注滿 γ-MAPS-丙酮(30：70, V/V)溶液，以硅膠墊封堵兩端，置于 45℃烘箱中保溫 14 h。以丙酮沖洗，氮氣干燥 3 h，備用。

　　1.4.2 毛細管萃取柱的制備

　　鑒于 Oasis HLB 柱對極性物質具有較高的萃取能力，本研究選擇 NVP 和 DVB 作為單體和交聯劑，并參照整體柱常用制備方法[24]，合成了 Poly(NVP-DVB)整體型毛細管萃取柱。為滿足快速進樣需求，本研究對合成配方進行了改進，具體方案如下：將 10% (m/m)單體 NVP、15%(m/m)交聯劑 DVB、 22.5%(m/m)環(huán)己醇和 52.5%(m/m)十二醇混合,超聲 10 min，加入 1%(m/m)引發(fā)劑 AIBN，攪拌均勻，超聲 10 min，通氮氣 15 min，除去反應液中的氧氣。將反應液灌入上述表面改性的毛細管(28 cm 長， 32 根)中，封堵兩端，于 60℃反應 24 h。以 3.2 mL 甲醇沖洗除去未反應的單體及致孔劑，干燥后置于干燥器中保存。每次截取 5 cm 用于 METI 操作。

　　1.5 METI 方法

　　取室溫解凍的水樣 5 mL，用 0.22 µm 濾膜過濾，除去顆粒物，加入適量 NaOH 溶液(0.1 mol/L)調節(jié)水樣至 pH 9.0±0.2。METI 操作的主要流程見圖 1。上樣裝置由 5 cm 長的毛細管萃取柱和去除不銹鋼針針管的 18 G 注射器針頭組成，通過一小片置于針座內的硅膠墊，使兩者緊密連接。將此裝置接上注射器筒，利用可編程注射泵提供穩(wěn)定的驅動力，按設定的流速完成活化、上樣、清洗及干燥等操作。每次進樣后更換萃取柱。具體過程如下：(1)依次將 0.5 mL 甲醇和 0.3 mL 水(pH=9.0±0.2)以 70 µL/min 的流速活化和平衡萃取柱;(2)將 1 mL 水樣以 60 µL/min 流速流過萃取柱;(3)采用 0.2 mL 水(pH=9.0±0.2)以 50 µL/min 的流速清洗萃取柱;(4)采用空注射器注入 3 mL 空氣，除去柱內殘余水分;(5)萃取柱內注滿乙腈，將萃取柱從針座上拔出，用硅膠墊封堵一端，靜置解吸 5 min;(6)采用萃取柱開口端刺穿 GC 進樣口隔墊，并將其推入，保持 0.5 min 后拔出，完成進樣。

　　2 結果與討論 2.1 毛細管萃取柱的表征

　　通過紅外光譜(FT-IR)、熱重分析(TGA)和掃描電鏡(SEM)對毛細管萃取柱的結構和形貌進行表征。由 FT-IR 圖(圖 2A)可知，2925 cm-1 的強吸收峰為聚合物分子的亞甲基 C–H 伸縮振動; 3087~3020 cm-1、1630~1447 cm-1、989~710 cm-1 范圍內的吸收峰分別為芳香環(huán)=C–H 伸縮振動、C=C 伸縮振動和=C–H 彎曲振動;1690 cm-1 的吸收峰為 NVP 的 C=O 伸縮振動。這些特征峰證明成功合成了 Poly(NVP-DVB)。TGA 分析結果(圖 2B)表明，Poly(NVP-DVB)材料在 400℃以下具有較好的熱穩(wěn)定性。SEM 圖(圖 2C 和 2D)顯示，萃取材料與毛細管柱內壁連接緊密，材料呈現連續(xù)且均勻的多孔結構，保證萃取柱既具有良好的滲透性，又具有較強的萃取能力。

　　2.2 METI 條件的優(yōu)化

　　本研究設定水樣體積為 1 mL，以純水配制 5 ?g/L 的水樣，對微萃取柱進樣條件進行優(yōu)化。首先采用 GC-MS 考察了不同操作條件下目標物的峰面積，以優(yōu)化 METI 操作方法。色譜柱、升溫程序等色譜條件與 GC-MS/MS 相同，采用選擇離子模式(SIM)進行定量分析。MAMP、Ket、NKet 和 COC的定量(定性)離子依次為 m/z 58(91、134)、180(209、152)、166(168、195)和 82(182、303)。

　　2.2.1 樣品 pH 值和離子強度

　　本研究測試的 4 種毒品均為含氮化合物，其 pKa 值在 6.70~9.87 之間[12,25]。由于 pH 值決定目標物分子的質子化程度，進而影響萃取性能，因此，在 pH 8~12 范圍內考察了 pH 值對萃取量的影響(圖 3A)。結果表明，pH 值由 8 增加至 9 時，所有目標物的響應增大;但繼續(xù)增加 pH 值，目標物響應幾乎不變。此外，由于 COC 分子中的酯鍵在強堿性條件下會發(fā)生水解[26]，當 pH 值增加至 12，不僅導致萃取量下降，并且測試結果的精度明顯變差。因此，確定上樣時樣品的 pH=9。

　　考慮到鹽析效應對萃取的影響，考察了樣品中 NaCl 含量(0~30%，w/V)對萃取性能的影響(圖 3B)。結果表明，離子強度的改變對大部分目標物的萃取量沒有明顯影響，加入少量 NaCl 會使致 MAMP 的萃取量降低。此現象與文獻[27-28]的結果基本一致，說明鹽析效應可忽略。因此，后續(xù)研究中將不調整樣品的離子強度。

　　2.2.2 上樣流速

　　在 50~90 µL/min 范圍內，考察了上樣流速對萃取性能的影響(圖 3C)。結果表明，上樣流速由 50 µL/min 增加到 60 µL/min 時，目標物的萃取量增加;繼續(xù)增加上樣流速，大部分目標物的萃取量都下降。因此，選擇上樣流速為 60 µL/min。

　　2.2.3 解吸溶劑和解吸時間

　　METI 的解吸過程屬于柱內靜態(tài)平衡解吸，因此，解吸溶劑和解吸時間都將影響目標物的解吸量。考察了甲醇、異丙醇、丙酮、乙腈、乙酸乙酯、乙酸乙酯-甲醇(1:1，V/V)等溶劑的解吸性能。圖 3D 表明，總體上乙腈的解吸效果最佳，丙酮最差;甲醇和乙酸乙酯的解吸效果與乙腈相近，但甲醇對 MAMP 解吸較差;乙酸乙酯-甲醇的混合溶劑與乙酸乙酯相比，僅對 MAMP 的解吸有改善作用。因此選擇乙腈為解吸溶劑。考察了解吸時間對目標物解吸量的影響(圖 3E)。結果表明，在 2~15 min 范圍內，除 MAMP 外，其余目標物在 5 min 達到最大解吸量;隨著解吸時間延長，目標物的響應有降低趨勢。本研究確定解吸時間為 5 min。

　　2.2.4 進樣時間

　　METI 進樣方式的主要特點是借助進樣口的高溫，使萃取柱內的解吸液受熱膨脹、釋放，以實現進樣。因此，本研究保持色譜儀分流閥開啟時間不變，在 0.5~2 min 范圍內考察了進樣時間(萃取柱在進樣口的停留時間)對進樣量的影響，根據目標物的響應確定進樣時間。圖 3F 表明，0.5 min 時目標物的響應達到最大值;延長進樣時間，響應基本保持恒定。因此，選擇進樣時間為 0.5 min。

　　2.3 毛細管萃取柱制備的重現性

　　萃取柱制備的重現性是影響萃取穩(wěn)定性和結果可靠性的重要因素。本研究從同批次制備的萃取柱中隨機截取 5 支，從兩批次間各隨機截取 3 支萃取柱，以 4 種目標物的水溶液為樣品，采用 METI-GC/MS 方法測定各目標物的峰面積，計算 得到批次內與批間測試結果的相對標準偏差( RSD)分別為 4.5%~6.3%(n=5)和 5.2%~7.2%(n=6)。此結果表明，本研究采用的毛細管萃取柱制備方法具有較好的重現性。

　　2.4 METI 進樣的色譜峰寬及實際進樣體積

　　考慮到 METI 進樣方式的特殊性，本研究在優(yōu)化后的 METI 操作條件下，利用 GC-MS/MS 分別測定了 METI 進樣和微量進樣器進樣時 4 種毒品的半峰寬并進行比較。由圖 4 可見，與微量進樣器進樣相比，METI 進樣對色譜峰寬有輕微影響。MAMP 和 COC 的半峰寬稍有增加，增幅分別為 7.8%和 12.8%;而 NKet 和 Ket 的半峰寬卻略有減少，降幅分別為 5.9%和 2.2%。圖 5 是毒品混合標準溶液(2.5 mg/L)直接進樣和含毒品水樣(1 µg/L)經 METI 處理后的 GC-MS/MS 色譜圖。

　　此外，通過對比微量進樣器進樣和 METI 進樣的溶劑峰面積可知，METI 的實際進樣體積約為 1.1 µL。由于 METI 直接進樣時的進樣體積近似等于解吸溶劑的體積，即已解吸的目標物近似全部用于分析;并且樣品體積為 1 mL，解吸溶劑的體積僅 µL 水平，因此，METI 方法具備較高的富集效率。

　　2.5 方法驗證

　　以純水配制 4 種毒品的混合標準溶液(0.05、0.1、0.5、1、10 和 50 µg/L)，在最佳分析條件下進行 METI-GC-MS/MS 測試，每個濃度平行測試 3 次。以目標物濃度為橫坐標，響應峰面積為縱坐標，進行線性擬合。分別以 3 倍信噪比(S/N)和 10 倍信噪比(S/N)確定各目標物的檢出限(LOD)和定量限(LOQ)，相關結果見表 2。檢測 MAMP、Ket 和 NKet 的線性范圍為 0.05~50 µg/L，COC 的線性范圍為 0.10~50 µg/L，相關系數(R 2)均大于 0.9985。4 種毒品的檢出限為 0.32~10.00 ng/L，定量限為 1.07~33.00 ng/L。

　　通過比較 4 種毒品在基質和標準溶液中的工作曲線斜率，對方法的基質效應進行評估。結果表明， 4 種毒品的基質效應在 0.8~1.0 之間，因此基質效應可忽略。

　　2.6 實際樣品分析

　　分別采集東湖水水樣和污水處理站進水口水樣，采用 METI-GC-MS/MS 方法進行測定，未檢出 4 種目標物。進行了兩種水樣的加標回收實驗，加標水平分別為 0.3、3 和 30 µg/L，每個水平平行測定 3 次，結果見表 3。在東湖水水樣和污水處理站進水口水樣中，目標物的回收率分別為 74.65%~101.79% 和 79.87%~114.36%，日內測試結果的 RSD 分別為 2.2%~15.0%和 1.8%~9.9%。此外，連續(xù) 3 d 對加標水樣進行測試，以考察日間測試重現性。因穩(wěn)定性較低，COC 的日間測試結果的 RSD 為 7.84%~20.81%;其它目標物日間測試結果的 RSD 為 3.0%~13.3%。以加標東湖水和污水處理站進口水(0.3 µg/L)為樣品時，可推算出 4 種毒品在兩種水樣中的檢出限(S/N=3)分別為 0.43~34.62 ng/L 和 0.61~46.55 ng/L。

　　2.7 方法比較

　　與已報道的文獻檢測方法相比(表 4)，METI 方法操作簡單，并且無需氮吹等濃縮過程，可明顯減少樣品制備的步驟與時間。在樣品用量僅 1 mL 的情況下，即使不對目標物進行衍生化處理，本研究所建立的 METI-GC-MS/MS 方法也具有較高的靈敏度。

　　3 結論

　　本研究將柱內靜態(tài)解吸和微萃取柱直接進樣相結合，提出了一種新的針式前處理技術(METI)，建立了 METI-GC-MS/MS 測定污水中 4 種常見毒品的方法。與傳統污水前處理方法相比，本方法集分離、富集和進樣于一體，具有簡單、快速、樣品及有機溶劑用量少、靈敏度高和環(huán)境友好等優(yōu)點。METI 技術不僅適用于毒品水樣的快速前處理，而且可與便攜式 GC 聯用，用于少量樣品的現場快速分析。