一种基于薄膜微萃取技术的环境水样低丰度污染物的非目标筛查分析方法及其应用

本发明属于环境分析领域，具体地，涉及一种基于薄膜微萃取技术的环境水样低丰度污染物的非目标筛查分析方法及其应用。

背景技术：

1、水样中的痕量污染物包括各种各样的分析物，具有不同的化学性质、极性、溶解性和化学稳定性。这种污染可能会对人类和野生动物的健康造成意想不到的、在某些情况下极其有害的后果。目前，还没有一种单一的方法能够实现环境水样中低丰度有机污染物的非目标筛查识别分析。

2、而实现非目标筛查分析的关键和挑战，是尽可能地避免在筛查过程中遗漏部分污染物。鉴于污染物的种类未知，它们所处的极性范围和浓度范围也未知，用于非目标筛查的样品前处理方法就需要能够广谱性地从环境水样中萃取和富集性质迥异和浓度差异大的污染物。有研究表明，样品前处理上花费的时间占到整个分析流程的70％以上。目前，固相萃取(solid phase extraction，spe)被广泛用于污染物非目标筛查分析中，用于反应样品的整体污染情况和发现新污染物及转化产物。spe的主要流程主要包括上样、淋洗与洗脱三步。样品中的杂质与吸附剂间相互作用力较弱，在淋洗阶段被去除，而后使用适当种类的洗脱液，将目标分析物洗脱，最终实现除杂与浓缩。另外，固相萃取法和加压溶剂萃取法已经被分别用于环境水体和水体沉积物中有机污染物的筛查。针对水样中有机污染物的筛查，混合型萃取剂如极性基团封端的十八烷基修饰的硅胶颗粒被用来对污染物进行萃取和富集。而针对水体沉积物中有机污染物的筛查，多种不同极性的有机溶剂则被依次用来对弱极性和强极性的污染物进行加压溶剂萃取。然而现有传统spe技术用于有机污染物的非目标筛查分析一般适用于高浓度物质，而痕量污染物则很容易因信号峰较低被掩盖而被忽略。另外，少数研究也开发了多层spe吸附材料来实现对环境中物理化学性质迥异的有机污染物的高效富集。但另一方面，由于步骤繁琐，固相萃取法和加压溶剂萃取法都需要将样品采集回实验室进行样品前处理操作，在采集样品转移过程中有部分物质会吸附在瓶壁上或者一些不稳定的物质在这个转移过程中损失。样品的保存和运输过程极大地增加了监测的成本，同时也增加了样品污染及样品中分析物损失的风险。

3、因此，迫切需要一种能够在不损失污染物的情况下能够全面展现样品内全部分析物的轮廓，加速对新污染物和污染物转化产物的挖掘的样品前处理方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述缺陷和不足，提供一种基于薄膜微萃取技术的环境水样低丰度污染物的非目标筛查分析方法及其应用。

2、本发明的上述目的是通过以下技术方案给予实现的：

3、本发明首先提供一种基于薄膜微萃取技术的环境水样中低丰度有机污染物采样方法，将薄膜浸入水样中萃取20～80min，取出擦干表面后立即浸没在体积为500～2000μl的脱附溶液中进行脱附5～15min，过滤后即得待测样品溶液；所述薄膜为以亲水改性碳布作为载体，表面涂覆有hlb/pdms或c18/pdms吸附材料；所述脱附溶液为甲醇、乙腈或甲醇/乙腈混合溶液。

4、本发明通过制备薄膜微萃取涂层材料并将薄膜萃取(thin-filmmicroextarction,tfme)技术应用于水样采样中，对水中污染物进行萃取及富集。具体通过对碳布载体进行亲水改性处理，再负载hlb/pdms或c18/pdms吸附材料制备得到薄膜材料，并控制萃取参数，从而能够广谱性地从环境水样中萃取和富集性质迥异和浓度差异大的污染物，尤其是对环境水样中低丰度有机污染物也能实现广谱萃取，从而用于后续水样中的痕量污染物的分析。

5、优选地，所述吸附材料为hlb/pdms；聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,pdms)对于中低极性的物质具有较好的吸附效果，是薄膜微萃取中最常用的萃取相成分。而本发明研究表明，c18涂层材料能够检测获得更多的质谱信号特征，同时对萃取水样中高疏水性和低丰度环境污染物具有偏好性，可以筛选出传统固相萃取技术遗漏的有机污染物。

6、进一步地，所述薄膜的制备方法包括以下步骤：

7、s1.碳布预处理：碳布在溶液中经过超声处理清洁后，将碳布置于浓硫酸和硝酸的混合溶液中，水热反应处理3～4h，漂洗干净即得改性碳布；

8、s2.涂层材料制备：将吸附材料超声分散在环己烷中，加入聚二甲基硅氧烷，再次超声分散，通过氮吹将环己烷挥发，加入聚二甲基硅氧烷固化剂，混合均匀即得；所述吸附材料为hlb或c18；

9、s3.将s2制备得到的涂层材料涂覆至s1制备得到的改性碳布上，在氮气氛围中90～95℃固化4～5h，重复一次涂覆碳布另一面。

10、所述碳布制备方法为对碳布进行改性处理，碳布经过改性处理能够提高表面亲水性和对吸附材料的亲和力。

11、优选地，s1中所述超声处理清洁为碳布依次在丙酮、乙醇和去离子水中超声处理各30分钟来清洁碳布表面。

12、优选地，s2中所述水热反应为95℃下进行水热反应。

13、优选地，s2中所述水热反应处理3h。

14、优选地，s3中所述在氮气氛围中90℃固化4h。

15、进一步地，所述萃取为萃取60～80min。

16、优选地，所述萃取为萃取60min。

17、进一步地，所述脱附液体积为1000～2000μl。

18、优选地，所述脱附液体积为1000～1500μl。

19、优选地，所述脱附液体积为1000μl。

20、进一步地，所述脱附溶液为甲醇或其混合溶液。

21、优选地，所述脱附溶液为甲醇。

22、进一步地，所述脱附为脱附10～15min。

23、优选地，所述脱附为脱附10min。

24、本发明上述方法能够广谱地萃取及富集物质，适用于非靶向筛查分析中。

25、因此，本发明提供所述采样方法在环境水样采样分析中的应用。

26、进一步地，所述环境水样采样分析包括现场原位采样分析，采集水样分析。

27、优选地，所述环境水样采样分析为原位采样分析。

28、本发明还提供所述采样方法在水样中低丰度污染物的非目标筛查分析中的应用。

29、一种对水中低丰度污染物的非目标筛查分析方法，包括以下步骤：

30、s1.根据上述任一所述采样方法对环境水样进行前处理，获得待测样品溶液；

31、s2.对步骤s1所得的待测样品溶液使用液相色谱-质谱分别在正负模式下对待测样品进行非靶向扫描分析，得到原始数据；

32、s3.对步骤s2所得的原始数据进行数据预处理，获得包含质谱数据中特征峰的精确质荷比、保留时间及其在各组分中的峰响应值的csv文件；

33、s4.对步骤s3所得的csv文件根据保留时间和质荷比，建立target-msms方法，在10～40v的碰撞能下获得二级质谱信号谱图，与数据库比对确认碎片吻合的化合物。

34、进一步地，s3所述数据预处理包括将原始数据运用proteowizardmsconvert软件，经过peaking picking过滤器将原始数据转换为mzxml格式文件，将这些文件数据导入mzmine 3.3.0数据处理平台，历经质量检测、adap色谱重构、去同位素、峰对齐、峰过滤和峰去重等步骤。

35、优选地，所述质量检测处理条件为允许时间误差0.2min，峰强度最小为1000，允许质量误差20ppm。

36、优选地，所述adap色谱重构处理条件为峰强度最小为1000，允许质量误差20ppm。

37、优选地，所述去同位素处理条件为most intense模式，允许质量误差20ppm。

38、优选地，所述峰对齐处理条件为ransac aligner模式，允许时间误差0.2min，允许质量误差20ppm。

39、优选地，所述峰过滤处理条件为允许时间误差0.2min，允许质量误差20ppm。

40、优选地，所述峰去重处理条件为new average模式，允许时间误差0.2min，允许质量误差20ppm。

41、进一步地，所述方法还包括使用步骤s4中确认碎片吻合的化合物的标准品，重复步骤s2～s4，获得一级质谱和二级质谱结果，与待测样品获得的质谱数据中的保留时间和质谱碎片离子进行比对，最终在level 1水平上确定筛查出的化合物；所述level 1水平为与标准品二级质谱和保留时间匹配。

42、进一步地，所述方法为步骤s1为采用固相萃取技术或液液萃取技术与上述任一所述采样方法对水样分别进行前处理获得待测样品，将所述待测样品进行步骤s2、s3，对所得csv文件进行单因素分析、数据过滤、数据标准化与归一化、主成分分析、差异倍数分析，绘制火山图，筛选得到表达较高的质谱特征峰，对所述质谱特征峰根据保留时间和质荷比建立target-msms方法，在10～40v的碰撞能下获得二级质谱信号谱图，与数据库比对确认碎片吻合的化合物，进一步地购买s4中确认碎片吻合的化合物的标准品，重复s2～s4步骤，获得一级质谱和二级质谱结果，与待测样品获得的质谱数据中的保留时间和质谱碎片离子进行比对，最终在level 1水平上确定筛查出的化合物；所述level 1水平为与标准品二级质谱和保留时间匹配。

43、优选地，所述步骤s1为采用固相萃取技术与上述任一所述采样方法对环境水样分别进行前处理获得待测样品溶液。

44、优选地，所述单因素分析、数据过滤、数据标准化与归一化在metaboanalyst5.0(https://www.metaboanalystca)网站进行。

45、优选地，所述数据过滤为以质谱峰强度作为数据分析类型，设定数据的相对标准偏差(rsd)40％为阈值进行数据过滤。

46、优选地，所述数据标准化为基于样品内数据之和进行样品的标准化。

47、本发明通过制备薄膜固相微萃取材料并将其应用于水中多种有机污染物的非目标筛查分析，利用薄膜固相微萃取较大的涂层体积大大增加了萃取相与样品接触的有效表面积，所开发方法的分析灵敏度得到极大的提升；另一方面，快速的萃取动力学和灵活的形状确保其能用于现场原位采样分析，避免了水样保存和运输过程中的样品污染及样品中分析物损失的风险，提高了样品分析的效率。进一步通过不同的萃取技术与本发明开发的薄膜微萃取技术对水中多种有机污染物的非目标筛查的结果进行统计分析，揭示了薄膜微萃取技术采用c18涂层材料能够检测到更多的质谱信号特征，对萃取水样中高疏水性和低丰度环境污染物具有偏好性。

48、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

49、本发明提供一种基于薄膜微萃取技术的环境水样低丰度污染物采样方法，通过制备薄膜微萃取涂层材料并控制萃取参数，提升了在后续物质分析获得的质谱特征信号数，提高非靶向筛查分析中对样品中污染物的筛查覆盖率以及分析灵敏度，从而能够广谱性地从环境水样中萃取和富集性质迥异及浓度差异大的污染物，尤其是对环境水样中低丰度有机污染物也能实现广谱萃取。进一步采用液相色谱-高分辨率质谱结合上述基于薄膜萃取技术的采样方法能够实现对环境水样中有机污染物的非目标筛查分析，尤其是对环境水样中低丰度有机污染物的非目标筛查识别分析。