阴离子表面活性剂是工业生产和日常生活中广泛使用的化学品，但它们的排放对水环境造成了严重污染。因此，开发一种快速、准确的水质监测方法对于及时发现并解决水环境中的阴离子表面活性剂污染问题至关重要。液相色谱-质谱联用技术具有高灵敏度和高选择性，已经被广泛应用于环境污染物的分析。结合固相萃取前处理步骤，可以有效地提高样品的净化和浓缩效果，从而实现对复杂水样中微量阴离子表面活性剂的快速检测。
1.材料与方法
1.1 目标化合物、化学品和材料
本研究中的目标分子包括9种阴离子、7种非离子和9种阳离子表面活性剂，共计25种个体物质，代表了12个表面活性剂家族。本研究中的阴离子表面活性剂属于三个家族：线性烷基苯磺酸盐（LAS）、烷基醚磺酸盐（AES）和烷基硫酸盐（AS）。非离子表面活性剂属于三个家族：辛基酚乙氧基醚（OPEO）、椰油酰胺和苏菲诺尔。本研究中的阳离子和两性表面活性剂属于五个家族：苯扎基氯化铵（BAC）、二烷基二甲基氯化铵（DDAC）、烷基吡啶盐、三乙醇胺酯化物（TEAQ）和酰胺胺。最后，一种两性表面活性剂属于烷基甜菜碱家族。
其中五种标准品包含混合物的同系物或异构体。其中，BAC-C12和C14标准由供应商表征，分别含有64.9%和31.2%的BAC-C12和C14。其他四种分析标准品（LAS C10-C13、月桂醚硫酸酯（C12EO0 2S）、OPEO和TEAQ）的成分未由供应商提供。因此，如已报告的那样，通过LC-MS估计了同系物或异构体的相对百分比。标准溶液经LC-MS分析，从每个标准品的峰面积中推导出各个同系物或异构体的浓度，假定所有同系物或异构体具有相同的响应因子。代用标准是氘代化合物，苄基二甲基癸基铵-d5氯化物（BDDA-d5）、十六烷基吡啶-d5溴化物（HexPyr-d5）和十二烷基硫酸钠-d25（SDS-d25），由CDN同位素供应（纯度> 98%）。单个存储标准和代用标准溶液的浓度为200 mg/L，将2 mg溶解于10 mL甲醇/水（50/50）中。制备后，标准品存放在4°C的黑暗中。在4°C存放三个月的甲醇/水（50/50）中制备的标准品混合物10 mg/L是稳定的。定期准备稀释的工作标准溶液并在4°C存放[1]。
1.2 固相萃取
采用自动萃取仪AutoTrace™ 280进行固相萃取（SPE）。测试了三种不同的SPE柱：Oasis™ HLB，6 mL，150 mg，Strata-C18-E™，3 mL，200 mg，和Cunax2™ 3 mL，200 mg。为了进行SPE优化，每个样品由含有所有标准品的矿泉水构成，浓度约为1 µg/L，并且每个实验均以三重复进行。根据Bergé等人的方法进行条件处理、装载和洗脱，具体如下：首先，使用8 mL甲醇、4 mL LC-MS级水和4 mL 0.1 M磷酸盐缓冲液（pH=6）对SPE柱进行条件处理。磷酸盐缓冲液由每升1M K2HPO4和1M KH2PO4组成，13 mL和87 mL，然后，每分钟10 mL的速度灌注250 mL样品后，用5 mL磷酸盐缓冲液冲洗柱，并在氮气流下干燥5分钟。最后，进行两次洗脱：第一次使用2次5 mL乙腈洗脱，在第一个焙烧管中回收，第二次使用95/5乙腈和25%氨水溶液的混合物2次5 mL洗脱，在第二个焙烧管中回收。通过使用NH4OH的第二次洗脱步骤改善了萃取率，这已经由Bergé等人在2016年证明过[20]。SPE后得到的萃取物重新组合后，在40°C下在氮气流下蒸发至干燥，然后在-18°C存储。在LC-MS/MS分析之前，萃取物在800 µL的注射溶剂中重溶，该溶剂为乙腈、矿泉水和25% NH4OH溶液的混合物，比例为30/65/5（体积比）[2]。
1.3 液相色谱仪器和条件
使用安捷伦1290 Infinity液相色谱系统。比较了两种LC方法：一种基于疏水和阴离子交换相互作用，称为RP/阴离子.exch，另一种仅基于疏水相互作用。对于两种方法，注射体积为40 µL，注射溶剂为乙腈、水和25%氨水（NH4OH）的混合物，比例分别为30%、65%和5%（25% NH4OH溶液）。在注射溶剂中添加NH4OH是为了防止阳离子表面活性剂附着在玻璃管的硅烷基上。柱为Acclaim Surfactant Plus 3.0 µm（150 x 3）mm，流速设置为900 μL/min，温度设定为30°C，水相（A）为含有5 mM乙酸铵和0.1%甲酸的LC-MS级水，有机相（B）为含有5 mM乙酸铵的乙腈。在第二种方法中，柱为Poroshell 120 C18（安捷伦）1.9μm（50 x 2.1）mm，流速设定为500 μL/min，温度设定为40°C，水相（A）为含有0.1%甲酸的LC-MS级水（用于正离子电喷雾）和含有1 mM乙酸铵的LC-MS级水（用于负离子电喷雾），有机相（B）为甲醇[3]。
1.4 串联质谱仪器和参数
MS/MS仪器为3200 QTrap（Sciex，美国福斯特城）三重四极质谱仪，使用电喷雾（ESI）电离。为了优化MS/MS参数，将每种化合物在水/甲醇混合物（50/50）中的浓度为1 mg/L的溶液（含有10 mM NH4Ac）准备并依次注入，流速为10 µL/min。优化的第一阶段包括确定每种分子的响应因子最高的电离模式（正离子或负离子）和最丰富的离子（母离子），并优化去束缚电位（DP）（见表1）。优化的第二阶段包括选择每种分子至少2个片段离子（产物离子）的m/z，对于每种分子进行碰撞能量（CE）的优化。使用多重反应监测（MRM）模式进行目标化合物的定量分析。为每个目标化合物监测两个MRM转变，母离子 > 产物离子：最敏感的一个用于定量（MRM1），另一个用于确认（MRM2）（表1）。最后，源温度也经过优化，并最终设置为450和500°C，分别用于负离子和正离子电离模式。
表1 目标表面活性剂的配方、保留时间（tR）和MS/MS参数
2. 结果与讨论
2.1 液相色谱优化
本步骤的目标是找到最佳的色谱条件，以使用尽可能少的分析方法定量所有目标化合物。由于分子的物理化学性质已经要求它们在正离子模式和负离子模式下分析，因此目标是优化两种色谱方法，一种用于正带电化合物，一种用于负带电化合物。由于表面活性剂具有疏水和离子功能，它们可以在液相色谱柱的固定相上形成疏水和离子相互作用。选择比较两种液相色谱方法，涉及两种柱类型：C18接枝二氧化硅，这是最常用的相，以及结合了疏水相互作用和阴离子交换的相（RP/anion.exch），专门用于表面活性剂的分析。使用C18柱得到的峰更尖锐，形状更为高斯。然而，RP/anion exch.柱提供了比C18柱更好的分辨率。主要与柱的尺寸和固定相关的几个参数可以解释这一结果。一方面，C18柱的内径较小，为2.1毫米，而RP/anion.exch柱为3毫米。较小直径的柱比较大的柱以较低的流速运行。这既可以减少溶剂消耗，也可以增加ESI-MS的灵敏度，因为较低的流速会使ESI源的效率大大提高。另一方面，固定相的两个主要参数解释了观察到的差异：所涉及的相互作用和颗粒大小。离子相互作用的结合能（100 - 350 kJ/mol）高于疏水相互作用的结合能（5 - 10 kJ/mol），这可以解释使用RP/anion.exch柱得到的峰的拖尾。此外，RP/anion.exch柱的颗粒大小为3微米，而C18柱为1.9微米，即对应于UHPLC条件。这个参数可能是最关键的，因为液相色谱柱的效率与颗粒直径成反比。因此，选择了C18柱的方法作为本研究的后续步骤。目标表面活性剂的保留时间见表1。
2.2 固相萃取优化
与液相色谱类似，表面活性剂可以在SPE柱的固定相上产生疏水或离子相互作用。在这项工作中，测试了三种类型的固定相：第一种是结合了疏水和亲水基团的聚合物相，Oasis HLB，这是最常用的SPE相之一。它由两种单体聚合而成：疏水的二乙烯苯和亲水的N-乙烯基吡咯烷酮（DVB-NVP）。它具有几个优点：其苯基功能允许与表面活性剂的苯基π-π相互作用，并且作为聚合物相，它具有更大的承载能力并且在干燥步骤期间不会变质。由于C18接枝二氧化硅相在文献中也经常被选中用于表面活性剂的萃取，选择了由端基化C18接枝二氧化硅组成的Strata-C18-E。最后，第三种评估的相由C8接枝二氧化硅和氨丙基组成，结合了疏水相互作用和阴离子交换（Cunax2）。
三种表面活性剂家族显示出不同的趋势：对于烷基磺酸盐（EHS和SDS），三种柱的回收率非常相似，Strata-C18-E的情况略微降低，低于10%。对于LAS C10到C13，Cunax2柱提供了最佳的回收率，这可能与具有阴离子交换位点的存在有关，从而允许更好地保留这些化合物。在Cunax2柱之后，Oasis HLB为LAS C10和C11提供了最佳的回收率，而对于LAS C12和C13，Strata-C18-E为最佳。Lara-Martin等人也报道了Oasis HLB对LAS C12和C13的提取产率较低的情况。这种差异可以通过LAS C12和C13的较长烷基链长度来解释，从而允许与C18链更高的保留。然而，这两种柱的回收率仍然是可比较的。最后，考虑到月桂基硫醇醚硫酸盐（C12EO1-2S），Cunax2给出了最佳结果，其次是Oasis HLB，最后是Strata-C18-E，Strata-C18-E和Cunax2之间的损失约为20%。总的来说，Cunax2对所有阴离子表面活性剂的回收率都最好。然而，Oasis HLB和Strata-C18-E柱也能很好地保留这些化合物，因为观察到的损失低于25%。
2.3 实验样品的应用
验证的分析方法被应用于2018年在中国境内采集的36个河水样品。使用矿泉水（包装在掺杂玻璃瓶中）作为参考基质，使用基于基质的校准对表面活性剂进行定量。12个方法空白样品与样品一起萃取，并在相同的LC-MS/MS序列中注入，以确保样品中的物质的信号低于相应的LQ。在每次注射时，监测了替代标准的MRM，其变异系数分别为18%、25%和27%。将这些面积与校准标准和方法空白的面积进行比较，以监测真实样品中提取和分析质量。这种比较显示了对BDDA-d5的信号抑制以及对HexPyr-d5和SDS-d25的信号增加。然而，这些基质效应仍然低于25%，因此仍然可以接受。
3.结束语
通过本研究，成功开发了一种快速、准确的水质监测方法，用于检测河水中的阴离子表面活性剂。优化的液相色谱条件和固相萃取方法使得样品处理和分析过程更加高效，同时保证了分析结果的准确性和可靠性。该方法已成功应用于对中国境内多个地区采集的河水样品的分析，为水环境监测和管理提供了一种重要的技术手段。这项研究的成果将为水环境保护和治理工作提供有力的支持，促进水质监测技术的进一步发展和应用。
参考文献：
[1]李世景.水质监测中阴离子表面活性剂快速分析方法[J].黑龙江环境通报,2024,37(05):36-38.
[2]徐若冰.亚甲蓝快速分析水中阴离子表面活性剂的方法探讨[J].化工管理,2019(06):121-122.
[3]张思亮,张发明.亚甲蓝快速分析水中阴离子表面活性剂的方法[J].安徽化工,2017,43(05):115-116.
