液相色譜串聯質譜法測定水中的亞硝胺類物質

郭茜楠， 張 蕊， 王升昊

(天津水務集團水質監測中心， 天津 300241)

飲用水消毒副產物(disinfection byproducts,DBPs)是飲用水消毒過程中消毒劑與水中有機物反應產生的一系列副產物，其種類繁多，常見的有三鹵甲烷 (THMs)、鹵代乙酸 (HAAs)、鹵酸鹽 (氯酸鹽、次氯酸鹽和溴酸鹽)等[1]。亞硝胺類消毒副產物(N-DBPs )作為一種新型的消毒副產物，具有致癌、致畸、致突變的危害，廣泛存在于大氣、水、土壤、食品、橡膠制品、煙草等環境介質中[2]，盡管其濃度相對較低但毒性卻高于常見的鹵代消毒副產物。很多國家或地區已確定了亞硝胺類物質的檢出限，例如美國加利福尼亞州已規定亞硝基二甲胺(NDMA)、N-二乙基亞硝胺(NDEA)和N-二丙基亞硝胺(NDPA)在飲用水中的濃度限值均為10 ng/L；德國也規定飲用水中亞硝基二甲胺(NDMA)和N-亞硝基嗎啉(NMOR)的健康標準不得超過10 ng/L；而加拿大安大略省環境部則更為嚴格，規定 NDMA 的飲用水水質標準為 9 ng/L[3]。因此，檢測飲用水中痕量亞硝胺類物質，對評價飲用水水質、保證水源安全具有重要意義。

筆者建立了超高效液相色譜-三重四極桿質譜聯用法快速測定飲用水中亞硝胺類物質的方法，以更好地助力進一步研究去除和控制飲用水中亞硝胺類物質含量，保證飲用水安全。

1 實驗試劑與儀器

1.1 8種亞硝胺物質的基本信息

研究中涉及檢測的亞硝胺類組分見表1。

表1 8種亞硝胺類物質的基本信息

1.2 儀器和試劑

液相色譜/質譜聯用儀(LC-MS /MS)Waters Xevo TQ-XS 超高效液相色譜-串聯質譜儀，包含自動進樣系統、超高效液相色譜儀、三重四極桿串聯質譜儀并配有大氣壓化學電離源(atmospheric pressure chemical ionization，APCI)。

儀器軟件：Masslynx 4.1軟件(Waters)用于儀器控制、數據采集和結果分析。

液相色譜柱：ACQUITY UPLC HSS T3 100 mm，內徑 2.1 mm，粒徑 1.8 μm。

固相萃取裝置：全自動或手動的固相萃取裝置均可，本文使用手動固相萃取儀。

濃縮蒸發裝置：TTL-DC II氮吹儀。

固相萃取小柱：CNWBOND Cocount Charocal(椰子殼活性炭)2 g,6 mL。

9種N-亞硝胺混標，2 000 mg/L 甲醇溶液；二氯甲烷、甲醇、甲酸，均為色譜純； Milli-Q 超純水，15 MΩ·cm；高純氮氣，純度>99.9%。

1.3 儀器參數設置

液相色譜條件：流動相由甲醇(流動相A)和0.1%的甲酸溶液(流動相B)組成，流速為0.3 mL/min，進樣量為10 μL，色譜柱溫度為45℃。流動相梯度：2.5% A保持2 min，隨后1 min內提高A的比例至50%并保持1 min，然后在0.5 min內升至80%，接著在2.5 min內升至97.5%，最后在0.1 min內降至2.5%，整個程序共6.5 min。

質譜條件：大氣壓化學電離源正離子模式(APCI)，毛細管電壓3.1 kV；離子源溫度，150℃；脫溶劑氣流量，500 L/h；錐孔氣(氮氣)流量，180 L/h；碰撞氣流量，0.15 mL/min。

1.4 實驗步驟

1.4.1樣品采集

采用硬質棕色磨口玻璃瓶采集水樣，預先按每升水 80～100 mg 的比例加入固體過硫酸鈉，脫去水樣中活性氯。水樣應充滿樣品瓶并加蓋密封，4℃以下冷藏，避光保存，盡快檢測[4]。

1.4.2N-亞硝胺標準溶液的配制

采用外標法繪制標準曲線，以二氯甲烷為溶劑，采用購買的標品梯度稀釋得到 9 種 N-亞硝胺標準溶液，配制濃度依次為 5，10，20，50，100和200 μg/L。

1.4.3樣品前處理

準確量取1 L水樣，采用固相萃取的方法對樣品進行處理，在使用固相萃取小柱萃取之前，依次用 6 mL二氯甲烷、12 mL甲醇和15 mL超純水活化椰殼柱。水樣以3～5 mL/min 的速率通過活化后的椰殼柱。水樣上樣完畢后，進行真空抽干120 min。隨后，使用二氯甲烷進行洗脫，每次4 mL，共洗脫3次。洗脫過程中，洗脫液應自然滴落。收集洗脫液，使用氮吹儀在35℃下對洗脫液進行濃縮，最后用二氯甲烷定容至0.5 mL，上機進樣。

2 結果與討論

2.1 質譜采集條件的確認

在實驗初期，選用電噴霧電離源(ESI)與大氣壓化學電離源(APCI)進行質譜參數摸索對比。NDMA、NMEA等分子量較小、揮發性強的物質，在ESI下的響應不及APCI。因此，最終確定用APCI進行檢測。通過質譜方法優化，最終確定8種物質的錐孔電壓、碰撞能級以及定量離子見表2。

表2 8種亞硝胺類物質的質譜采集條件

注：*為定量子離子。

2.2 方法檢出限與精密度

實驗條件下，8種亞硝胺類化合物的線性范圍為 5.0～200 μg/L。結果表明，8種N-亞硝胺有良好的線性關系且3次數據的平行性較好，其線性回歸方程、線性相關系數、最低檢出限如表3所示。

表3 8種亞硝胺類物質的線性方程和檢出限

8種N-亞硝胺線性相關系數R2為0.993～0.996，最低檢出限為 0.07～1.3 ng/L，儀器精密度均在10%以內。

2.3 樣品前處理優化

2.3.1萃取柱克數的選擇

經試驗證明，8種亞硝胺在椰殼柱上都能被保留，使用1 mg固相萃取柱與2 mg固相萃取柱的回收率(n=6)見表4。結果表明，在進行25 和50 ng/L的水樣回收時，絕大多數物質使用2 mg固相萃取柱的回收率優于1 mg固相萃取柱，因此最終確定使用2 mg固相萃取柱。

表4 純水中8種亞硝胺類物質在不同質量椰殼柱下的回收率 %

2.3.2樣品 pH 條件的確定

為了確定水樣pH對回收率的影響，試驗分別用鹽酸溶液和碳酸鈉溶液調節水樣的pH值。在酸性(pH=3) 、近中性(pH=6)和堿性(pH=8)水樣條件下，對濃度為 20.0 μg/L的6份加標水樣使用固相萃取方法萃取，萃取液經濃縮后測定。結果表明，3種pH下8種物質的回收率均在80%～110%之間，所以最終選擇不調節水樣pH直接進行固相萃取。

2.3.3曲線配制及定容試劑的選擇

選擇二氯甲烷、水、甲醇作為基質配制曲線進行對比，發現采用水作為基質時，NDPA在低濃度點的響應不好；采用甲醇作為基質時，甲醇對NDMA、NDEA兩種物質響應有影響，NDMA在甲醇基質下不能出峰；采用二氯甲烷配線時，各種物質在曲線濃度最低點響應相對較好。因此選擇二氯甲烷作為配制曲線的試劑。

分別用二氯甲烷和純水作為定容溶劑進行試驗，結果相差不大。考慮到配制溶劑與前處理洗脫、定容溶劑的一致性，最終選擇二氯甲烷作為定容試劑。

2.3.4吸附流速、抽干時間及濃縮倍數的選擇

在真空泵壓力為400 mbar時，選擇0.5，1 和1.5 h作為固定的抽干時間進行回收率對比，發現0.5 及1 h停止抽干后洗脫，洗脫后得到的液體依然混有水份，不利于定容與檢測。1.5 h停止抽干后洗脫得到的回收率較好，因此將抽干時間定為1.5 h。

水樣流速會影響亞硝胺在椰殼柱上的保留，流速太快會導致吸附保留效果不佳。筆者根據有機檢測固相萃取的富集經驗與相關文獻報道，選擇樣品上柱流速在3～5 mL/min[5]。

根據已有研究，將水樣體積定為1 L，選擇將水樣濃縮1 000，2 000和5 000倍進行對比，即定容體積分別為 1，0.5和0.2 mL，結果發現對實驗影響不大。為了提高靈敏度，更好地分析水中痕量的亞硝胺類物質，結合定容體積對回收率平行性的影響，最終選擇濃縮倍數為2 000倍，即1 L水樣應濃縮定容至0.5 mL。

2.3.5濃縮條件的選擇

對比了水浴氮吹不同溫度下的回收率，發現在 40℃ 水浴下的回收率低于35℃。由于8種亞硝胺類物質中NDMA、NDEA等具有揮發性，不宜選擇過高的溫度進行氮吹，以免造成損失，因此最終確定35℃進行氮吹。

2.4 不同濃度下的回收率及精密度的測定

對8種N-亞硝胺類物質進行10.0，50.0和100 μg/L 的加標回收實驗(n=6)，其回收率結果見表5。除NDBA的回收率在70%以下，其余回收率均在 70%～110%內。RSD不大于15%，精密度良好。說明本方法的適用性較好，可以滿足實際水體中N-亞硝胺的檢測要求。

表5 8種亞硝胺類物質在不同添加水平下的回收率和精密度 %

2.5 其余亞硝胺類物質的摸索性研究

在進行8種亞硝胺類物質檢測方法開發的同時，對N-亞硝基二苯胺(NDPhA)進行了儀器檢測方法摸索。該物質的質譜響應較好，儀器檢出限能達到2.65 μg/L，但在進行前處理方法摸索時發現其不能通過本文提及的固相萃取方式進行回收。因此，該物質不能運用本文的前處理富集方式進行固相萃取回收，可以考慮直接水樣上機進行檢測。

3 結論

通過優化前處理條件，利用APCI源，建立了水中常見的8種亞硝胺類物質的固相萃取-超高效液相色譜-串聯質譜檢測法，該方法具有靈敏度高、適用性好等優點。下一步，應考慮采用此方法對實際樣品中亞硝胺類消毒副產物進行檢測，討論飲用水中亞硝胺消毒副產物含量與消毒方式之間的相關性，為降低水中亞硝胺的含量的研究提供支持。