一种LC-MS/MS方法：解决废水中卤代酚及其结构类似物痕量分析的挥发性挑战

《Journal of Chromatography A》：An LC?MS/MS Method Addressing the Volatility Challenge for Trace Analysis of Halogenated Phenols and Their Structurally Related Analogs in Wastewater

- 开发了一种固相萃取-液相色谱-串联质谱（SPE-LC-MS/MS）方法，用于测定污水厂样品中的12种卤代酚（HPs）。- 通过优化前处理方法，最大限度减少卤代酚因挥发性导致的损失。- 对于饱和蒸气压大于0.001 Pa的卤代酚，应考虑其挥发性的影响。- 首次在污水处理厂中检测到二聚态PCMX，且其可能在处理过程中生成。## 引言卤代酚（Halogenated Phenols, HPs）是一类广泛存在的芳香类污染物，被广泛用于消毒剂、防腐剂、阻燃剂和工业生产过程[1,2]。释放后，卤代酚常通过人为排放进入市政污水处理厂（WWTPs）。环境中检测到的主要卤代酚同系物为氯酚（CPs）和溴酚（BPs），它们既来源于人为活动，也来源于自然过程，包括海洋藻类代谢、消毒副产物形成以及有机物的微生物或光化学转化[[3], [4], [5]]。中国（GB 3838?2002）、美国（EPA，第423部分附录A—126种优先污染物）和欧盟（理事会指令76/464/EEC）已将2,4-二氯苯酚（2,4-DCP）、2,4,6-三氯苯酚（2,4,6-TCP）和五氯苯酚（PCP）等典型卤代酚列为优先污染物，并制定了地表水和废水排放的限值标准。这些化合物已知可产生多种毒性效应。例如，氯酚已被报道会干扰自由基代谢、免疫反应、细胞凋亡以及甲状腺/生殖腺功能[6]，而溴酚已被证明在环境相关浓度下会显著降低斑马鱼受精成功率并破坏生殖腺形态[7]。1983年，Klibanov等人报道辣根过氧化物酶可去除酚类污染物[8]，且过氧化物酶在废水处理微生物中普遍存在[9]。因此，污水处理厂理论上可能通过微生物酶催化卤代酚的氧化偶联。溴酚和氯酚的偶联产物比其母体化合物毒性更强。溴酚对斑马鱼胚胎的LC??范围为3.10至32.50 mg/L[10]，而羟基化多溴二苯醚（OH-PBDEs）的LC??范围为0.12至0.52 mg/L[11,12]。特别是p-氯间-二甲苯酚（PCMX）可形成疏水性更强、持久性更高且毒性增强的二聚体（di-PCMX-1和di-PCMX-2）。因此，可靠的痕量监测对于研究卤代酚及其结构类似物在废水处理过程中的存在、转化与归趋至关重要。液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）和气相色谱-串联质谱（GC-MS/MS）是环境样品中卤代酚分析的主要技术，通常与液-液萃取（LLE）、固相萃取（SPE）或超声辅助萃取（UAE）联用[13,14]。与GC-MS/MS相比，LC-MS/MS无需衍生化，通常更适合极性酚类化合物的分析。然而，由于分析过程中可能发生分析物损失，卤代酚的准确测定仍然具有挑战性。对于水样，常用HLB固相萃取柱进行富集，随后通过氮气吹干浓缩提取物。完全蒸发溶剂可能导致挥发性较强的卤代酚——尤其是低分子量同系物——的大量损失。在卤代酚的GC-MS分析中，硅烷化衍生化要求严格无水的条件，因此传统方法通常需要氮吹SPE洗脱液至干[15,16]。除预富集步骤外，LC-MS/MS为去溶剂化而设置的高离子源温度也可能引发与挥发性相关的信号降低[17,18]。前处理和仪器检测中的这类挥发性损失容易导致浓度被低估以及对污水处理厂中卤代酚转化过程的误判。为缓解酚类污染物因挥发性导致的损失，一项被广泛采用的措施是控制氮气吹干过程中的最终残留体积[[19], [20], [21]]。同位素标记内标已在多项研究中被用于校正回收率偏差，包括氮吹过程中的分析物损失[22,23]。氮吹过程中的挥发会使目标分析物的绝对质量减少，降低方法的检出限性能，并因样品差异导致干燥时间不同而产生较大的批间变异性。此外，市售的同位素标记标准品仅覆盖卤代酚的一部分。考虑到卤代酚各同系物之间挥发性的显著差异，这些内标仅能对挥发性相关损失提供部分补偿[22]。迄今为止，少数综合方法能够在分析多极性卤代酚及其转化类似物时，同时解决氮吹、离子源检测、污泥前处理和固相萃取洗脱环节产生的挥发性损失问题。这一尚未解决的分析挑战构成了复杂环境基质定量分析的关键研究空白。本研究开发并验证了一种综合SPE-LC-MS/MS方法，用于同时测定废水和污泥中12种卤代酚化合物，包括7种卤代酚、2种PCMX二聚体、三氯生和2种羟基化多溴二苯醚同系物。研究特别关注通过优化氮吹后的残留溶剂体积、电喷雾离子源温度、SPE洗脱组分和湿污泥萃取步骤来最小化挥发性损失。此外，还通过Pearson相关分析和偏相关分析探讨了饱和蒸气压与氮吹和LC-MS/MS分析过程中分析物损失之间的关系。经过全面的方法验证后，所提出的方法被应用于从某市政污水处理厂采集的进水、出水及污泥样品中，以表征母体卤代酚及其转化产物的存在与去除情况。所开发的方法为复杂环境基质中卤代酚及结构相关转化产物的同时测定提供了一种可靠的分析手段。## 各节摘要### 试剂与标准品定量测定了12种目标分析物，涵盖单环卤代酚、PCMX二聚体及卤代芳香类似物，同时使用三种定制合成的同位素内标（PCMX-d?、di-PCMX-1-d??、di-PCMX-2-d??）进行同位素稀释定量分析。参考标准品和HPLC级溶剂均购自商业来源，认证纯度≥97–98%。选用HLB固相萃取柱（500 mg，6 mL）作为吸附剂。理化性质（log K?w、饱和蒸气压……）### LC-MS/MS参数优化本研究系统考察了离子源鞘气温度（150–290°C）和干燥气温度（200–350°C）对目标分析物信号响应的影响（图2）。如图1所示，总体而言，随着温度升高，卤酚单体的MS信号强度呈下降趋势。相比之下，其结构相关类似物的响应受温度影响较小，且5-OH-BDE-47和3,5-diOH-BDE-7与卤酚单体表现出相反的变化趋势。**卤酚单体**### 真实废水和污泥样品的应用为评估所开发SPE与LC-MS/MS方法的适用性，从中国深圳市某市政污水处理厂采集了进水、出水和污泥样品。12种目标分析物在样品中均成功定量。浓度及对应的精密度值汇总于表2。在所监测的卤酚中，PCMX在所有基质中的浓度最高，在进水中达到28,332.53 ng/L，且在……中仍可检出。### 结论开发了一种优化的SPE-LC-MS/MS方法，用于废水和污泥中12种卤代酚及其结构相关化合物的同时痕量测定。该方法有效减轻了因挥发性导致的分析物损失。虽然文献中已有卤代酚热降解的报道，但本研究表明，影响检测性能的主要因素是挥发性损失和电离效率，而非热分解。### CRediT作者贡献声明**谢蓉：** 论文撰写—初稿，数据整理。**李畅：** 调查，数据整理。**葛辉：** 论文撰写—审阅与编辑，调查。**张嘉伟：** 方法学，调查。**陶环宇：** 方法学，调查。**杨业文：** 调查，数据整理。**蔡煜晨：** 调查，数据整理。**倪嘉华：** 调查。**张梦涛：** 论文撰写—审阅与编辑，监督，项目管理，资金获取。**史江红：** 监督，项目管理，资金获取。### 利益冲突声明作者声明以下可能与潜在利益冲突相关的财务利益/个人关系：张梦涛报告获得国家自然科学基金会的资助。史江红报告获得国家自然科学基金会的资助。张梦涛报告获得深圳市科技计划项目的资助。史江红报告获得……的资助。### 致谢作者感谢国家自然科学基金青年科学基金项目（编号：52200229）、国家自然科学基金项目（编号：42477395）、深圳市科技计划项目（JCYJ20240813094805008、JCYJ20250604144644060）以及高水平专项资金（G03050K001）提供的资助。---谢蓉|李畅|葛辉|张嘉伟|陶环宇|杨业文|蔡煜晨|倪嘉华|张梦涛|史江红