饮用水中消毒副产物3种氯乙酸的测定与分析

■ 杨创涛 杨 颖 彭 鹭 林 青

饮用水中消毒副产物3种氯乙酸的测定与分析

■ 杨创涛 杨 颖 彭 鹭 林 青

采用氯气消毒是国内饮用水最主要的消毒方式，但氯与水中的有机物反应生成的很多消毒副产物对人体有直接或间接的危害。消毒副产物中的卤乙酸已经被证实对嗫齿类动物有致癌、致畸变、致突变作用，其致癌风险占消毒副产物总致癌风险的90%以上，已经被美国EPA定义为人类潜在的致癌物。氯乙酸，即指β-碳原子上的一个或多个氢原子被氯原子取代的乙酸，是卤乙酸的主要形式。其中二氯乙酸（DCA）和三氯乙酸（TCA）含量最高，致癌风险最大，其致癌风险分别是三氯甲烷的50倍和100倍。流行病学研究和动物实验结果表明，长期饮用加氯消毒的饮用水，会加大死于消化和泌尿系统癌症的风险。

世界各国对饮用水中氯乙酸规定了相应浓度限值。其中我国GB 5749-2006《生活饮用水卫生标准》中规定，二氯乙酸不得超过50μg/L，三氯乙酸不得超过100μg/L，一氯乙酸（MCA）暂并未列入标准。《世界卫生组织饮用水质量指导标准》中规定一氯乙酸不得超过20μg/L。《美国饮用水水质标准》要求最为严格，规定卤乙酸总量不得超过60μg/L。可见，随着人们对饮用水安全的要求不断提升，针对氯乙酸的水质标准将愈发严苛。

美国EPA公布的552系列方法是发达国家测定饮用水中氯乙酸普遍采用的方法，该方法使用甲基叔丁基醚萃取水中氯乙酸，再用叠氮甲烷将其酯化为氯乙酸甲酯，再用GC进行检测。而我国发布的GB/T 5750.10-2006《生活饮用水标准检验方法消毒副产物指标》，方法原理与EPA 552类似。总的来说，由于氯乙酸挥发性较差，GC检测需涉及衍生化处理，样品前处理操作较为复杂。近年来，陆续有学者对液相色谱质谱串联仪检测饮用水中氯乙酸开展研究，此方法具有检测速度快、灵敏度高、前处理简单等特点。但运用LC-MS/MS同时检测多种氯乙酸的方法仍在摸索阶段，在实际使用过程还存在着色谱峰分离较差，一氯乙酸及二氯乙酸回收率不理想的情况，液相和质谱条件仍有待优化。

本研究在液相分离流动相条件、质谱条件、样品除氯和保存等重要方面均进行了全新的探索和试验，以建立一套适用于饮用水中一氯乙酸、二氯乙酸和三氯乙酸等3种氯乙酸同时测定的液相色谱串联质谱检测方法。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

ACQUITY超高效液相色谱仪-TQD三重四级杆串联质谱仪，配有ESI离子源；色谱柱：ACQUITY UPLC CSH氟苯基色谱柱；Milli-Q超纯水系统；甲醇、乙腈为色谱纯试剂；色谱纯乙酸；分析纯硫代硫酸钠；分析纯抗坏血酸；标准溶液：MCA（M-552A-2）DCA（M-552A-3）和TCA（M-552A-4）均为AccuStandard的有证标准溶液，浓度均为100mg/L，甲醇介质。

1.2 标准溶液的配制

标准溶液现配现用，以去离子水为溶剂将标准储备液稀释至一氯乙酸C=4.00mg/L；二氯乙酸C=1.00mg/L；三氯乙酸C=2.00mg/L的标准中间液。然后再用去离子水逐级稀释为标准工作曲线。

1.3 水样的处理

自来水样品添加硫代硫酸钠去除余氯（每100mL水样添加2mg）；样品经0.22μm亲水PTFE滤膜过滤后，取约2mL直接上机检测。

1.4 液相色谱/质谱条件

1.4.1 液相色谱条件

色谱柱：ACQUITY UPLC CSH氟苯基色谱柱（50mm× 2.1mm，1.7µm）；柱温箱温度：35℃；进样量：10µL；流动相：0.1%乙酸水（A相）/0.1%乙酸乙腈（B相）；梯度洗脱程序见表1。

1.4.2 质谱条件

电离方式：ESI，负离子模式；毛细管电压：3.00kV；离子源温度：120℃；脱溶剂气温度：400℃；脱溶剂气流量：800L/h；反吹气流量：20L/h。多离子反应监测方式（MRM），质谱参数见表2。

表1 液相色谱流动相梯度洗脱程序

表2 3种氯乙酸多离子反应监测质谱参数

1.5 测定

本方法采用外标法定量。

2 结果与讨论

2.1 质谱条件优化

将3种氯乙酸标液用甲醇配制成1.0mg/L的调谐液，以质谱注射直接进样的方式，确定分子离子对及优化毛细管电压、锥孔电压、透镜电压、碰撞能量及质谱分辨率等质谱参数。图1结果表明，氯乙酸作为含羧基结构的弱酸性氯代有机物，在ESI-电离方式下，获得较高丰度的［M-H］-母离子。子离子碎片中，DCA和TCA主要以［M-COO］-的形式存在，存在少量的［Cl］-；而MCA由于分子较小较难破碎，子离子碎片主要以［Cl］-为主。

2.2 色谱条件优化

2.2.1 色谱柱的选择

本实验考察了Waters ACQUITY UPLC BEH C18、ACQUITY UPLC HSS T3和ACQUITY UPLC CSH Fluoro-Phenyl三种不同色谱柱对氯乙酸的分离效果，详见图2。结果表明，采用Waters ACQUITY UPLC CSH Fluoro-Phenyl时，目标物分离效果、峰形和保留强度都优于其他两种。因此最终采用Waters ACQUITY UPLC CSH Fluoro-Phenyl作为最佳色谱分析柱。

2.2.2 流动相体系选择

参考李宗来等人的研究成果可知，采用含0.005%乙酸和乙腈作为流动相时，氯乙酸的分离效果和响应值都较好。为强化检测结果的稳定性，在水相和有机相中同时添加乙酸，并考察了含不同比例乙酸的水和乙腈作为流动相时，氯乙酸的分离保留效果和基质干扰情况，详见图3。结果表明，在流动相中加入一定比例的乙酸有助于提高氯乙酸在色谱柱上的保留效果，改善峰形，但当乙酸比例达到0.15%时，三氯乙酸出现一定程度的峰展宽。在实际水样检测时，流动相中添加乙酸有利于抵制水体基质效应，流动相体系中乙酸比例达0.1%时，基质效应基本消失。因此，最终选择0.1%乙酸水溶液和0.1%乙酸乙腈溶液作为流动相。

图1 氯乙酸ESI-二级质谱扫描图（*为定量离子对，#为辅助定性离子）

图2 不同色谱分析柱对氯乙酸分离效果

2.3 样品除氯剂的选择

为避免余氯与水中有机物反应继续生成氯乙酸，自来水样品需添加除氯剂以去除水中余氯。本实验通过自来水考察了硫代硫酸钠和抗坏血酸两种常用除氯剂对自来水加标样品回收率的影响，结果详见图4。测试结果表明，抗坏血酸对一氯乙酸检测有干扰，随着其加入量的增加，一氯乙酸回收率明显降低；三氯乙酸回收率出现异常升高趋势，分析样品提取离子流图可知，抗坏血酸对三氯乙酸定量离子对有明显的干扰。而以硫代硫酸钠为除氯剂时，当其含量为20mg/L时，三种氯乙酸回收率良好。基于硫代硫酸钠和氯气反应的化学方程式（Na2S2O3+4Cl2+5H2O=2NaCl+2H2SO4+6HCl）可知，单位体积内20mg/L的硫代硫酸钠理论上可去除35.9mg/L的氯气。国标GB5749-2006规定了出厂水中游离氯的限值为4mg/L，采用20mg/L硫代硫酸钠作为水样中的除氯剂，可满足绝大多数饮用水水样除氯的需要。因此，本标准采用20mg/L硫代硫酸钠作为饮用水中氯乙酸检测的除氯剂。

图3 流动相中乙酸含量对氯乙酸分离效果和基质干扰的影响出峰顺序依次为MCA（40.0μg/L）-DCA（10.0μg/L）-TCA（20.0μg/L）

2.4 方法学验证

2.4.1 标准曲线及检出限

为考察方法线性范围，本实验按照表1的浓度范围配置了三种氯乙酸标准系列曲线，相关系数R＞0.997，满足常规检测工作质控要求，实际工作中应依据实际需要制定合理的曲线浓度范围。按照HJ 168-2010标准中空白实验中未检出目标物质的检出限测定方法，配制7份模拟水样进行平行测试后计算方法检出限和测定下限，结果见表3。

表3 三种氯乙酸标准曲线及检出限

2.4.2 精密度和回收率

对空白样品进行三种浓度水平的添加，每个浓度水平配制7份平行样品进行测定，相对标准偏差小于4.0%，结果见表4。选取室内自来水样品进行加标回收和精密度测试，每个浓度水平配制7份平行样品进行测定，样品的平均加标回收率在98.4%～104.3%之间，结果见表5。

图4 样品中添加两种除氯剂后的回收率测试结果（n=3）

表4 三种氯乙酸精密度测试（相对标准偏差，n=7）

3 结论

本研究建立了饮用水中一氯乙酸、二氯乙酸和三氯乙酸的超高效液相色谱串联质谱检测方法。该方法水样仅需简单过滤处理即可直接上机检测，通过ACQUITY UPLC CSH Fluoro-Phenyl色谱柱分离，超高效液相色谱串联质谱仪进行检测，具有前处理简单、分析速度快、灵敏度高、准确性好的特定，能够满足生活饮用水卫生标准限值检测要求，适用于饮用水中氯乙酸的快速测定。

（作者单位：广东粤港供水有限公司）

珠三角区域饮用水新兴痕量污染物检测和安全控制技术项目（2013B090500132）