微萃取柱进样结合气相色谱-串联质谱法用于污水中4种常见毒品的测定

　　摘 要 采用一种适用于气相色谱的针式微萃取技术，即微萃取柱进样(METI)技术，以一段毛细管整体柱(5 cm)作为萃取柱兼进样针，通过将柱内静态解吸和萃取柱直接进样相结合，可实现 1 mL 水样中 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为单体制备了毛细管整体柱，以甲基苯丙胺、氯胺酮、去甲氯胺酮和可卡因 4 种常见毒品为目标物，优化了 METI 的操作条件，结合气相色谱-串联质谱(GC-MS/MS)技术，建立了污水中 4 种毒品的分析方法。检测甲基苯丙胺、氯胺酮和去甲氯胺酮的线性范围为 0.05~50 µg/L，检测可卡因的线性范围为 0.10~50 µg/L，相关系数(R 2)均大于 0.9985，检出限(S/N=3)为 0.32~10.00 ng/L，定量限(S/N=10)为 1.07~33.00 ng/L。对于湖水水样和污水处理站进水口处水样，在 0.3、3 和 30 g/L 加标水平下的回收率为 74.65%~114.36%;除在湖水中加标浓度为 0.3 g/L 时，可卡因测试结果的相对标准偏差(RSD)为 15.0%外，其它加标回收实验测试结果的 RSD 均小于 10.6%。本研究结果表明，METI 集分离、富集和进样功能于一体，具有操作简便和富集效率高等优点，适用于少量样品中痕量组分的快速前处理。

　　关键词 样品前处理;微萃取柱进样;毒品;污水;气相色谱-串联质谱

　　黄晴; 胡胜华; 杨道兵; 王晓如; 邢钧 分析化学 2021-12-13

　　全球毒品滥用问题持续蔓延，严重威胁人类的身体健康和社会安全。毒品经人体代谢(如尿液、粪便)或直接倾倒销毁，以母体或代谢物的形式最终汇入环境水体[1-5]。因此，检测环境水样中毒品及其代谢物有利于相关政府部门及执法机构及时了解毒品滥用情况[6]，相关测定结果也可用于评估毒品对水环境及生态系统的潜在危害[7]。由于污水样品中通常仅含痕量水平的毒品及其代谢物，而且复杂的基质会对测试结果产生干扰，因此，在测定前需借助样品前处理技术对样品进行净化，并对目标物进行浓缩。水样中毒品分析的主要前处理方法是固相萃取(SPE)法，检测方法主要有气相色谱-质谱或串联质谱(GC-MS 或 GC-MS/MS)法[5,8-12]、液相色谱-质谱或串联质谱(LC-MS 或 LC-MS/MS)法[13-15]。对于 µg/L 级毒品，采用 SPE 处理时，水样用量一般在 100 mL 以上，并且需要采用氮吹等浓缩方式以达到仪器的检测要求，操作繁琐耗时[13-18]。针式微萃取是前处理技术微型化重要方向之一，不仅具有可大幅减少样品用量及有机溶剂消耗和富集效率高等优势，而且可直接用于色谱仪进样。目前，固相微萃取(SPME)[8,10]、填充吸附剂微萃取(MEPS)[9]和固相动态萃取(SPDE)[19]等针式微萃取技术已在毒品分析中得到广泛应用，然而，MEPS 和 SPDE 仅适用于大体积进样要求的 GC 分析。

　　本研究组近期提出了一种适用于普通 GC 的针式微萃取技术，即微萃取柱进样(METI)[20-21]。微 METI 的特点是将一段毛细管整体柱同时作为萃取柱和进样针，采用柱内静态解吸和萃取柱直接进样相结合的策略，实现 1 mL 水样中 ng/L 水平分析物的富集。鉴于污水中毒品检测的重要意义，本研究以甲基苯丙胺、氯胺酮、去甲氯胺酮和可卡因 4 种常见毒品为分析对象，优化了检测体系的 METI 操作条件，建立了 METI-GC-MS/MS 分析方法用于污水中毒品的检测。

　　1 实验部分 1.1 仪器与试剂

　　Clarus 680-SQ8T 型气相色谱-质谱联用仪(美国 Perkin Elmer 公司);Varian 450-320 型气相色谱 -三重四极杆质谱联用仪(美国 Bruker 公司);NEXUS670 型傅里叶红外光谱仪(美国 Nicolet 公司); Merlin Compact 型场发射扫描电子显微镜(德国 Zeiss 公司);TGA2 型热重分析仪(瑞士 Mettler-Toledo 公司);JJ24BC 型电子天平(常熟市双杰测试仪器厂);KQ-100E 型超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司);85-1 型磁力搅拌器(武汉科尔仪器设备有限公司);LSP04-1A 型可编程注射泵(保定兰格恒流泵有限公司);PB-10 标准型 pH 计(德国 Sartorius 公司);熔融石英毛细管(250 µm, i.d.，河北永年锐沣色谱器件有限公司)。

　　二乙烯基苯(80%，DVB)，以 NaOH 溶液(0.1 mol/L)除去阻聚剂并减压蒸馏纯化;偶氮二异丁腈(AIBN，上海阿拉丁生化科技股份有限公司)，在热乙醇中重结晶;3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(γ-MAPS，武汉大学有机硅新材料有限公司);N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)、十二醇、环己醇(上海国药集团化学试剂有限公司)，均采用蒸馏纯化。其余试剂均为分析纯。甲基苯丙胺(MAMP)、氯胺酮(Ket)、去甲氯胺酮(NKet)和可卡因(COC)的甲醇标准溶液(浓度均为 10 mg/L)由武汉市公安毒品司法鉴定中心提供，并配制成 2.5 mg/L 的标准混合储备液，于–20℃保存。

　　1.2 仪器条件 1.2.1 色谱条件

　　色谱柱 DB-5 MS(30 m×0.25 mm×0.25 µm，美国 Agilent 公司);载气：氦气(纯度≥99.999%)，流量 1.0 mL/min;进样口温度 280℃;不分流进样，2.0 min 开启分流阀，分流流量 20 mL/min。升温程序：初始温度 80℃，保持 1 min;以 10℃/min 升温至 280℃，保持 5 min。

　　1.2.2 MS/MS 条件

　　EI 电离源，电子能量 70 eV;传输线温度 260℃;离子源温度 200℃;四极杆温度 40℃;Q2 碰撞气：氩气(纯度≥99.999%)，0.226 Pa;采用多反应监测(MRM)模式，根据欧盟 2002/657/EC 中规定的质谱定性确证标准，优化后的质谱参数见表 1。

　　1.3 水样采集

　　地表水样采自武汉东湖，污水水样采自武汉市某城市污水处理站进水口。水样以棕色玻璃瓶收集，实验前以纯水和甲醇冲洗并烘干。以 HCl 调节所有水样至 pH 2.0±0.2，于–20℃暗处保存。

　　1.4 毛细管萃取柱的制备 1.4.1 毛细管预处理

　　参照文献[22-23]对毛细管柱内壁进行活化、清洗和预处理后，在柱内壁引入烯基修饰，具体操作如下：先以丙酮清洗毛细管柱，再以 NaOH 溶液(1 mol/L)冲洗 2 h，将充满 NaOH 溶液的毛细管柱两端用硅胶垫密封，置于 50℃烘箱中处理 2 h。取出毛细管，依次用水和 HCl 溶液(1 mol/L)冲洗，以水冲洗至中性，再用丙酮冲洗，氮气吹干。在毛细管中注满 γ-MAPS-丙酮(30：70, V/V)溶液，以硅胶垫封堵两端，置于 45℃烘箱中保温 14 h。以丙酮冲洗，氮气干燥 3 h，备用。

　　1.4.2 毛细管萃取柱的制备

　　鉴于 Oasis HLB 柱对极性物质具有较高的萃取能力，本研究选择 NVP 和 DVB 作为单体和交联剂，并参照整体柱常用制备方法[24]，合成了 Poly(NVP-DVB)整体型毛细管萃取柱。为满足快速进样需求，本研究对合成配方进行了改进，具体方案如下：将 10% (m/m)单体 NVP、15%(m/m)交联剂 DVB、 22.5%(m/m)环己醇和 52.5%(m/m)十二醇混合,超声 10 min，加入 1%(m/m)引发剂 AIBN，搅拌均匀，超声 10 min，通氮气 15 min，除去反应液中的氧气。将反应液灌入上述表面改性的毛细管(28 cm 长， 32 根)中，封堵两端，于 60℃反应 24 h。以 3.2 mL 甲醇冲洗除去未反应的单体及致孔剂，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

　　取室温解冻的水样 5 mL，用 0.22 µm 滤膜过滤，除去颗粒物，加入适量 NaOH 溶液(0.1 mol/L)调节水样至 pH 9.0±0.2。METI 操作的主要流程见图 1。上样装置由 5 cm 长的毛细管萃取柱和去除不锈钢针针管的 18 G 注射器针头组成，通过一小片置于针座内的硅胶垫，使两者紧密连接。将此装置接上注射器筒，利用可编程注射泵提供稳定的驱动力，按设定的流速完成活化、上样、清洗及干燥等操作。每次进样后更换萃取柱。具体过程如下：(1)依次将 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)将 1 mL 水样以 60 µL/min 流速流过萃取柱;(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 空气，除去柱内残余水分;(5)萃取柱内注满乙腈，将萃取柱从针座上拔出，用硅胶垫封堵一端，静置解吸 5 min;(6)采用萃取柱开口端刺穿 GC 进样口隔垫，并将其推入，保持 0.5 min 后拔出，完成进样。

　　2 结果与讨论 2.1 毛细管萃取柱的表征

　　通过红外光谱(FT-IR)、热重分析(TGA)和扫描电镜(SEM)对毛细管萃取柱的结构和形貌进行表征。由 FT-IR 图(图 2A)可知，2925 cm-1 的强吸收峰为聚合物分子的亚甲基 C–H 伸缩振动; 3087~3020 cm-1、1630~1447 cm-1、989~710 cm-1 范围内的吸收峰分别为芳香环=C–H 伸缩振动、C=C 伸缩振动和=C–H 弯曲振动;1690 cm-1 的吸收峰为 NVP 的 C=O 伸缩振动。这些特征峰证明成功合成了 Poly(NVP-DVB)。TGA 分析结果(图 2B)表明，Poly(NVP-DVB)材料在 400℃以下具有较好的热稳定性。SEM 图(图 2C 和 2D)显示，萃取材料与毛细管柱内壁连接紧密，材料呈现连续且均匀的多孔结构，保证萃取柱既具有良好的渗透性，又具有较强的萃取能力。

　　2.2 METI 条件的优化

　　本研究设定水样体积为 1 mL，以纯水配制 5 g/L 的水样，对微萃取柱进样条件进行优化。首先采用 GC-MS 考察了不同操作条件下目标物的峰面积，以优化 METI 操作方法。色谱柱、升温程序等色谱条件与 GC-MS/MS 相同，采用选择离子模式(SIM)进行定量分析。MAMP、Ket、NKet 和 COC的定量(定性)离子依次为 m/z 58(91、134)、180(209、152)、166(168、195)和 82(182、303)。

　　2.2.1 样品 pH 值和离子强度

　　本研究测试的 4 种毒品均为含氮化合物，其 pKa 值在 6.70~9.87 之间[12,25]。由于 pH 值决定目标物分子的质子化程度，进而影响萃取性能，因此，在 pH 8~12 范围内考察了 pH 值对萃取量的影响(图 3A)。结果表明，pH 值由 8 增加至 9 时，所有目标物的响应增大;但继续增加 pH 值，目标物响应几乎不变。此外，由于 COC 分子中的酯键在强碱性条件下会发生水解[26]，当 pH 值增加至 12，不仅导致萃取量下降，并且测试结果的精度明显变差。因此，确定上样时样品的 pH=9。

　　考虑到盐析效应对萃取的影响，考察了样品中 NaCl 含量(0~30%，w/V)对萃取性能的影响(图 3B)。结果表明，离子强度的改变对大部分目标物的萃取量没有明显影响，加入少量 NaCl 会使致 MAMP 的萃取量降低。此现象与文献[27-28]的结果基本一致，说明盐析效应可忽略。因此，后续研究中将不调整样品的离子强度。

　　2.2.2 上样流速

　　在 50~90 µL/min 范围内，考察了上样流速对萃取性能的影响(图 3C)。结果表明，上样流速由 50 µL/min 增加到 60 µL/min 时，目标物的萃取量增加;继续增加上样流速，大部分目标物的萃取量都下降。因此，选择上样流速为 60 µL/min。

　　2.2.3 解吸溶剂和解吸时间

　　METI 的解吸过程属于柱内静态平衡解吸，因此，解吸溶剂和解吸时间都将影响目标物的解吸量。考察了甲醇、异丙醇、丙酮、乙腈、乙酸乙酯、乙酸乙酯-甲醇(1:1，V/V)等溶剂的解吸性能。图 3D 表明，总体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与乙腈相近，但甲醇对 MAMP 解吸较差;乙酸乙酯-甲醇的混合溶剂与乙酸乙酯相比，仅对 MAMP 的解吸有改善作用。因此选择乙腈为解吸溶剂。考察了解吸时间对目标物解吸量的影响(图 3E)。结果表明，在 2~15 min 范围内，除 MAMP 外，其余目标物在 5 min 达到最大解吸量;随着解吸时间延长，目标物的响应有降低趋势。本研究确定解吸时间为 5 min。

　　2.2.4 进样时间

　　METI 进样方式的主要特点是借助进样口的高温，使萃取柱内的解吸液受热膨胀、释放，以实现进样。因此，本研究保持色谱仪分流阀开启时间不变，在 0.5~2 min 范围内考察了进样时间(萃取柱在进样口的停留时间)对进样量的影响，根据目标物的响应确定进样时间。图 3F 表明，0.5 min 时目标物的响应达到最大值;延长进样时间，响应基本保持恒定。因此，选择进样时间为 0.5 min。

　　2.3 毛细管萃取柱制备的重现性

　　萃取柱制备的重现性是影响萃取稳定性和结果可靠性的重要因素。本研究从同批次制备的萃取柱中随机截取 5 支，从两批次间各随机截取 3 支萃取柱，以 4 种目标物的水溶液为样品，采用 METI-GC/MS 方法测定各目标物的峰面积，计算 得到批次内与批间测试结果的相对标准偏差( RSD)分别为 4.5%~6.3%(n=5)和 5.2%~7.2%(n=6)。此结果表明，本研究采用的毛细管萃取柱制备方法具有较好的重现性。

　　2.4 METI 进样的色谱峰宽及实际进样体积

　　考虑到 METI 进样方式的特殊性，本研究在优化后的 METI 操作条件下，利用 GC-MS/MS 分别测定了 METI 进样和微量进样器进样时 4 种毒品的半峰宽并进行比较。由图 4 可见，与微量进样器进样相比，METI 进样对色谱峰宽有轻微影响。MAMP 和 COC 的半峰宽稍有增加，增幅分别为 7.8%和 12.8%;而 NKet 和 Ket 的半峰宽却略有减少，降幅分别为 5.9%和 2.2%。图 5 是毒品混合标准溶液(2.5 mg/L)直接进样和含毒品水样(1 µg/L)经 METI 处理后的 GC-MS/MS 色谱图。

　　此外，通过对比微量进样器进样和 METI 进样的溶剂峰面积可知，METI 的实际进样体积约为 1.1 µL。由于 METI 直接进样时的进样体积近似等于解吸溶剂的体积，即已解吸的目标物近似全部用于分析;并且样品体积为 1 mL，解吸溶剂的体积仅 µL 水平，因此，METI 方法具备较高的富集效率。

　　2.5 方法验证

　　以纯水配制 4 种毒品的混合标准溶液(0.05、0.1、0.5、1、10 和 50 µg/L)，在最佳分析条件下进行 METI-GC-MS/MS 测试，每个浓度平行测试 3 次。以目标物浓度为横坐标，响应峰面积为纵坐标，进行线性拟合。分别以 3 倍信噪比(S/N)和 10 倍信噪比(S/N)确定各目标物的检出限(LOD)和定量限(LOQ)，相关结果见表 2。检测 MAMP、Ket 和 NKet 的线性范围为 0.05~50 µg/L，COC 的线性范围为 0.10~50 µg/L，相关系数(R 2)均大于 0.9985。4 种毒品的检出限为 0.32~10.00 ng/L，定量限为 1.07~33.00 ng/L。

　　通过比较 4 种毒品在基质和标准溶液中的工作曲线斜率，对方法的基质效应进行评估。结果表明， 4 种毒品的基质效应在 0.8~1.0 之间，因此基质效应可忽略。

　　2.6 实际样品分析

　　分别采集东湖水水样和污水处理站进水口水样，采用 METI-GC-MS/MS 方法进行测定，未检出 4 种目标物。进行了两种水样的加标回收实验，加标水平分别为 0.3、3 和 30 µg/L，每个水平平行测定 3 次，结果见表 3。在东湖水水样和污水处理站进水口水样中，目标物的回收率分别为 74.65%~101.79% 和 79.87%~114.36%，日内测试结果的 RSD 分别为 2.2%~15.0%和 1.8%~9.9%。此外，连续 3 d 对加标水样进行测试，以考察日间测试重现性。因稳定性较低，COC 的日间测试结果的 RSD 为 7.84%~20.81%;其它目标物日间测试结果的 RSD 为 3.0%~13.3%。以加标东湖水和污水处理站进口水(0.3 µg/L)为样品时，可推算出 4 种毒品在两种水样中的检出限(S/N=3)分别为 0.43~34.62 ng/L 和 0.61~46.55 ng/L。

　　2.7 方法比较

　　与已报道的文献检测方法相比(表 4)，METI 方法操作简单，并且无需氮吹等浓缩过程，可明显减少样品制备的步骤与时间。在样品用量仅 1 mL 的情况下，即使不对目标物进行衍生化处理，本研究所建立的 METI-GC-MS/MS 方法也具有较高的灵敏度。

　　3 结论

　　本研究将柱内静态解吸和微萃取柱直接进样相结合，提出了一种新的针式前处理技术(METI)，建立了 METI-GC-MS/MS 测定污水中 4 种常见毒品的方法。与传统污水前处理方法相比，本方法集分离、富集和进样于一体，具有简单、快速、样品及有机溶剂用量少、灵敏度高和环境友好等优点。METI 技术不仅适用于毒品水样的快速前处理，而且可与便携式 GC 联用，用于少量样品的现场快速分析。