自动液液萃取-气相色谱-质谱法同时测定饮用水中卤乙腈和卤代硝基甲烷

董露露,姚振兴,卢绪鑫,姜佳慧,孙韶华,贾瑞宝,*

(1.济南大学水利与环境学院,山东济南 250022;2.山东省城市供排水水质监测中心,山东济南 250101;3.临沂市水务集团有限公司,山东临沂 276000)

自1974年科学家Rook[1]在自来水中发现氯化消毒副产物三卤甲烷,消毒副产物开始受到广泛关注,到目前为止已有800多种消毒副产物被识别出[2]。经毒理学和流行病学的研究,发现许多消毒副产物具有细胞毒性和基因毒性,具有致癌、致畸、致突变特性,甚至会对生长发育造成不可逆危害[3]。对于常规消毒副产物三卤甲烷和卤乙酸,一些国家、地区和组织对其浓度已做出明确的限值要求。而随着研究的进一步深入,发现一些新型含氮消毒副产物如卤乙腈(HANs)、卤代硝基甲烷(HNMs)等虽在水体中的检出浓度远低于含碳消毒副产物,但其毒性远高于含碳消毒副产物,对人体健康产生更大的威胁[4]。因此,建立含氮消毒副产物的高通量检测方法至关重要。

目前,HANs和HNMs的检测分析主要采用气相色谱-电子捕获检测器(GC-ECD)和气相色谱-质谱(GC-MS)法,相比于GC-MS技术,GC-ECD法具有更高的灵敏度,但其仅由保留时间定性,易受其他物质干扰,检测结果可能出现假阳性[5]。在饮用水中HANs和HNMs的检出质量浓度一般为ng/L～μg/L级别,故需在仪器分析前经前处理技术进行富集浓缩,前处理技术主要有吹扫捕集法[6]、顶空法[7]、液液萃取法[8-9]、固相萃取法[10]、固相微萃取法[11]等。液液萃取是一种常见的萃取方法,具有成本低、操作简单等优点。然而,传统的液液萃取多采用手动萃取,具有工作量大、萃取时间长、萃取效果差、有机溶剂消耗量大等缺点。本文运用多功能全自动样品前处理平台实现自动液液萃取,以减少手动液液萃取过程中人为操作误差,提高方法的重现性和稳定性;并联合GC-MS法同时测定饮用水中6种HANs和6种HNMs,大大提高了含氮消毒副产物的检测效能。

1 试验材料与方法

1.1 仪器与试剂

气相色谱-三重四极杆质谱联用仪(GC-MS/MS,日本岛津,TQ8040),配备多功能全自动样品前处理平台(MPS,德国GERSTEL,JS-200);电子天平(瑞士Mettle Toledo公司,MS204S);pH计(意大利哈纳,HI2002)。

6种HANs:氯乙腈(CAN,25 g,98%)、二氯乙腈(DCAN,5.0 mg/mL于丙酮,1 mL)、三氯乙腈(TCAN,5.0 mg/mL于丙酮,1 mL)、溴乙腈(BAN,5 g,97%)、二溴乙腈(DBAN,5.0 mg/mL于丙酮,1 mL)、溴氯乙腈(BCAN,5.0 mg/mL于丙酮,1 mL)均购自上海安谱实验科技有限公司。

6种HNMs:氯硝基甲烷(CNM,50 mg)、二氯硝基甲烷(DCNM,200 mg,95%)、三氯硝基甲烷(TCNM,100 mg/L于甲醇,1 mL)、溴硝基甲烷(BNM,1 g)、二溴硝基甲烷(DBNM,10 mg)、溴氯硝基甲烷(BCNM,200 mg,85%～90%)均购自上海安谱实验科技有限公司。

有机溶剂:丙酮(色谱纯)、甲基叔丁基醚(MTBE,色谱纯)均购自上海安谱实验科技有限公司。

其他试剂:无水硫酸钠(分析纯)、硫酸(分析纯)、氢氧化钠(分析纯)均购自中国国药集团。

1.2 样品前处理

1.2.1 样品采集

使用棕色玻璃瓶进行采样,采集时每100 mL水样加入0.2 g抗坏血酸终止氯化反应[12-14],4 ℃冰箱保存。

1.2.2 样品前处理

首先将水样用稀硫酸调节至pH值=2,之后取10 mL水样于预先盛有1 g无水硫酸钠的20 mL螺纹顶空瓶中,加入1 mL MTBE,立即拧紧瓶盖,然后将顶空瓶放置于多功能全自动前处理平台的样品盘中,通过预先设定程序完成全自动液液萃取和进样。具体操作步骤如图1所示:(1)搅拌,将顶空瓶移动至MPS的搅拌器中在600 r/min转速下搅拌5 min;(2)静置,搅拌结束后将顶空瓶移入样品盘中静置5 min;(3)取样和进样,静置后通过预先调试取样位置,避免自动进样针接触到水相,确保其于顶空瓶上部有机溶剂中部吸取1 μL MTBE注入GC-MS/MS仪器进样口中进行分析。

图1 自动液液萃取-气相质谱-质谱法操作示意图Fig.1 Schematic Diagram of the Operation of Automated Liquid-Liquid Extraction-Gas Chromatography-Mass Spectrometry

1.3 气相色谱条件

采用Rtx-5MS型色谱柱(60 m×0.25 mm×2.5 μm);以高纯度氦气(纯度≥99.999%)为载气;柱温箱升温程序:初始温度为40 ℃,保持5 min,以5 ℃/min升温到80 ℃,保持2 min,再以40 ℃/min升温到180 ℃,保持3 min;柱流速:1.2 mL/min;进样口温度:170 ℃;进样方式:不分流进样;进样量:1 μL。

1.4 质谱条件

离子源模式:EI(70 eV);离子源温度:200 ℃;传输线温度:200 ℃;溶剂延迟时间:6.8 min;扫描模式:离子监测模式(SIM)。12种目标消毒副产物的总离子色谱图如图2所示,各组分保留时间、定量离子和定性离子如表1所示。

图2 标准选择离子色谱图Fig.2 Standard Selection Ion Chromatogram

表1 12种目标消毒副产物的保留时间、定量离子及定性离子Tab.1 Retention Time, Quantitative Ion and Qualitative Ion of 12 Target DBPs

1.5 标准曲线绘制

以丙酮为溶剂,将DCAN、TCAN、BCAN、DBAN标准品定容至10 mL容量瓶中,稀释为500 mg/L的标准储备液;将CNM、DCNM、BCNM和DBNM标准品先分别定容至10、50、50 mL和10 mL容量瓶中配制成5、4、4 mg/mL和1 mg/mL的标准储备液,之后再分别吸取1.0、0.5、0.5 mL和1.0 mL于10 mL容量瓶中稀释为500、200、200 mg/L和100 mg/L的标准储备液;称取10.0 mg的CAN、BAN和BNM标准品定容至10 mL容量瓶中配制成1 mg/mL的标准储备液;将TCNM标准品定容至10 mL容量瓶配制成10 mg/L的标准储备液。

临用时分别将6种HANs以及除TCNM以外的5种HNMs用MTBE稀释为20 mg/L的HANs和HNMs混标使用溶液,然后将HANs、HNMs混标溶液以及TCNM稀释为1 mg/L的混合标准使用液。将1 mg/L的混合标准使用液用MTBE稀释成质量浓度分别为1、3、10、20、40、80、100 μg/L的系列标准溶液,按照上述气相色谱和质谱条件进行测定,通过外标法定量,以峰面积(y)对浓度(x)绘制标准曲线。

2 结果与讨论

2.1 自动液液萃取条件优化

2.1.1 pH影响

pH是影响水中消毒副产物稳定性的重要因素之一,在酸性条件下更有利于HANs和HNMs的检测[9,15-16]。本试验分别考察了pH值=2、4、6、7、8、9时对加标质量浓度为5 μg/L纯水水样的回收试验,结果如图3所示。对于HANs,DCAN、BCAN、DBAN在pH值=2～9时有较高的回收率,而TCAN在pH值=7～9时,回收率明显下降。对于HNMs,6种HNMs均在pH值=2～4时有较高的回收率,BCNM和DBNM在碱性条件下,回收率均明显下降。在pH值=2时,大多数目标物有更高的回收率,因此,本试验选取pH值=2时对12种目标物进行萃取分析。

图3 pH值对12种目标消毒副产物回收率的影响Fig.3 Effect of pH Value on Recovery Rate of 12 Target DBPs

2.1.2 硫酸钠投加量影响

在水样中投加盐可增强水溶液的离子强度,降低液液萃取过程有机溶剂在水中的溶解度,并减少乳化现象的产生,进而提高消毒副产物的萃取效率。本试验选取无水硫酸钠作为盐析试剂,在pH值=2、搅拌转速为600 r/min、搅拌时间为5 min条件下,分别投加0.5、1.0、2.0、3.0、4.0 g无水硫酸钠对加标质量浓度为5 μg/L的纯水水样进行回收试验,结果如图4所示。大部分目标物的回收率随着无水硫酸钠投加量的增大而减少,对HNMs的影响更大。这主要是因为随着无水硫酸钠投加量的增大,部分无水硫酸钠不能完全溶解,导致目标物吸附于无水硫酸钠上不能进入萃取剂中,造成回收率降低[17]。在无水硫酸钠投加0.5 g和1.0 g时,各物质均有较高回收率,但投加0.5 g易产生乳化现象,因此,本试验最终选取投加1.0 g无水硫酸钠。

图4 无水硫酸钠投入量对12种目标消毒副产物回收率的影响Fig.4 Effect of Anhydrous Sodium Sulfate Input on Recovery Rate of 12 Target DBPs

2.1.3 搅拌器转速影响

搅拌器转速是影响自动液液萃取萃取效率的核心因素之一。在pH值=2、投加1.0 g无水硫酸钠、搅拌时间为5 min条件下,分别在搅拌器转速为300、400、500、600、700 r/min下对加标质量浓度为5 μg/L的纯水水样进行回收试验,结果如图5所示。随着搅拌器转速的增大,总体上HANs和HNMs的回收率呈现上升趋势,在600 r/min时,目标分析物均取得较高回收率。因此,本试验选择搅拌器转速为600 r/min。

2.1.4 搅拌时间影响

搅拌器搅拌时间也是影响自动液液萃取萃取效率的重要因素之一。在pH值=2、投加1.0 g无水硫酸钠、搅拌器转速为600 r/min条件下,分别在搅拌时间为3、5、8、10 min下对加标质量浓度为5 μg/L的纯水水样进行回收分析,结果如图6所示。在5 min和8 min时,大部分目标物均取得较高回收率,且没有明显差异,为了提高测样效率,本试验最终选取搅拌器搅拌时间为5 min。

图6 搅拌时间对12种目标消毒副产物回收率的影响Fig.6 Effect of Stirring Time on Recovery Rate of 12 Target DBPs

2.2 检测方法评价

2.2.1 方法线性和检出限

按照1.5小节配制标准系列溶液进行测定,绘制标准曲线。由表2可知,BCAN和DBNM在3.0～100.0 μg/L以及其他10种目标物在1.0～100.0 μg/L质量浓度时均具有良好的线性关系,相关系数均大于0.999 0。以定量离子3倍信噪比确定方法检出限,方法的检出限为0.02～0.10 μg/L;以定量离子10倍信噪比对应浓度确定测定下限,方法的测定下限为0.10～0.30 μg/L。

表2 12种目标消毒副产物的标准曲线、线性范围、测定下限和检出限Tab.2 Standard Curves, Linear Range, Lower Limits of Detection and Detection Limits of 12 Target DBPs

2.2.2 精密度和准确度

在pH值=2、投加1.0 g无水硫酸钠、搅拌转速为600 r/min、搅拌时间为5 min的萃取条件下,分别在纯水和管网水中对12种目标消毒副产物进行加标回收试验(其中管网水中DCAN、DCNM、BCAN、BCNM和DBAN的本底值分别为0.3、0.2、1.1、0.6 μg/L和1.0 μg/L,其余7种未检出),加标量分别为3 μg/L和30 μg/L,结果如表3所示。在纯水中,加标3 μg/L的回收率为73.8%～117.8%,精密度为0.3%～3.6%,加标30 μg/L时回收率为76.0%～110.8%,精密度为0.1%～8.9%;在管网水中,加标3 μg/L的回收率为73.6%～110.0%,精密度为0.3%～4.1%,加标30 μg/L时回收率为73.2%～101.0%,精密度为0.1%～2.4%。

2.2.3 实际水样测定

为验证该检测方法对实际水体中HANs和HNMs的适用性,选择某市8个水厂的出厂水进行检测,检测结果如表4所示,6种HANs中,DCAN、BCAN和DBAN常检测出,检出质量浓度分别为0.27～1.11、0.32～0.73 μg/L和0.17～0.94 μg/L,这与文献[18]中HANs浓度范围相似;6种HNMs中,除CNM外,其余5种HNMs均有检出,与相关调研结果[19]相似。

表4 实际水样中12种目标消毒副产物的检测结果 (单位:μg/L)Tab.4 Determination Results of 12 Target DBPs in Actual Water Samples (Unit:μg/L)

3 结论

本文研究建立了自动液液萃取-气相色谱-质谱同时测定6种卤乙腈和6种卤代硝基甲烷的检测方法。主要研究结果如下。

(1)优化确定自动液液萃取条件,10 mL水样在pH值=2、投加1.0 g无水硫酸钠和1 mL MTBE、搅拌转速为600 r/min、搅拌时间为5 min的条件下取得最优萃取效率。

(2)该方法的线性相关系数r大于0.999,检出限为0.02～0.10 μg/L,测定下限为0.10～0.30 μg/L。在纯水中,加标3 μg/L和30 μg/L时,回收率分别为73.8%～117.8%和76.0%～110.8%,精密度分别为0.3%～3.6%和0.1%～8.9%;在管网水中,加标3 μg/L和30 μg/L时,回收率分别为73.6%～110.0%和73.2%～101.0%,精密度分别为0.3%～4.1%和0.1%～2.4%。

该检测方法前处理技术采用自动液液萃取操作简便快速,提高了萃取效率以及萃取效果,减少了样品量以及萃取溶剂使用量,联合气相色谱-质谱检测,提高检测的精准性与可靠性,该方法具有较高的灵敏度和精密度,检出限低,满足饮用水中HANs和HNMs的检测需求,为城市供水行业HANs和HNMs等含氮消毒副产物的检测与控制提供了一种行之有效的技术方法。