自動液液萃取-氣相色譜-質譜法同時測定飲用水中鹵乙腈和鹵代硝基甲烷

董露露,姚振興,盧緒鑫,姜佳慧,孫韶華,賈瑞寶,*

(1.濟南大學水利與環境學院,山東濟南 250022;2.山東省城市供排水水質監測中心,山東濟南 250101;3.臨沂市水務集團有限公司,山東臨沂 276000)

自1974年科學家Rook[1]在自來水中發現氯化消毒副產物三鹵甲烷,消毒副產物開始受到廣泛關注,到目前為止已有800多種消毒副產物被識別出[2]。經毒理學和流行病學的研究,發現許多消毒副產物具有細胞毒性和基因毒性,具有致癌、致畸、致突變特性,甚至會對生長發育造成不可逆危害[3]。對于常規消毒副產物三鹵甲烷和鹵乙酸,一些國家、地區和組織對其濃度已做出明確的限值要求。而隨著研究的進一步深入,發現一些新型含氮消毒副產物如鹵乙腈(HANs)、鹵代硝基甲烷(HNMs)等雖在水體中的檢出濃度遠低于含碳消毒副產物,但其毒性遠高于含碳消毒副產物,對人體健康產生更大的威脅[4]。因此,建立含氮消毒副產物的高通量檢測方法至關重要。

目前,HANs和HNMs的檢測分析主要采用氣相色譜-電子捕獲檢測器(GC-ECD)和氣相色譜-質譜(GC-MS)法,相比于GC-MS技術,GC-ECD法具有更高的靈敏度,但其僅由保留時間定性,易受其他物質干擾,檢測結果可能出現假陽性[5]。在飲用水中HANs和HNMs的檢出質量濃度一般為ng/L～μg/L級別,故需在儀器分析前經前處理技術進行富集濃縮,前處理技術主要有吹掃捕集法[6]、頂空法[7]、液液萃取法[8-9]、固相萃取法[10]、固相微萃取法[11]等。液液萃取是一種常見的萃取方法,具有成本低、操作簡單等優點。然而,傳統的液液萃取多采用手動萃取,具有工作量大、萃取時間長、萃取效果差、有機溶劑消耗量大等缺點。本文運用多功能全自動樣品前處理平臺實現自動液液萃取,以減少手動液液萃取過程中人為操作誤差,提高方法的重現性和穩定性;并聯合GC-MS法同時測定飲用水中6種HANs和6種HNMs,大大提高了含氮消毒副產物的檢測效能。

1 試驗材料與方法

1.1 儀器與試劑

氣相色譜-三重四極桿質譜聯用儀(GC-MS/MS,日本島津,TQ8040),配備多功能全自動樣品前處理平臺(MPS,德國GERSTEL,JS-200);電子天平(瑞士Mettle Toledo公司,MS204S);pH計(意大利哈納,HI2002)。

6種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)均購自上海安譜實驗科技有限公司。

6種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%)均購自上海安譜實驗科技有限公司。

有機溶劑:丙酮(色譜純)、甲基叔丁基醚(MTBE,色譜純)均購自上海安譜實驗科技有限公司。

其他試劑:無水硫酸鈉(分析純)、硫酸(分析純)、氫氧化鈉(分析純)均購自中國國藥集團。

1.2 樣品前處理

1.2.1 樣品采集

使用棕色玻璃瓶進行采樣,采集時每100 mL水樣加入0.2 g抗壞血酸終止氯化反應[12-14],4 ℃冰箱保存。

1.2.2 樣品前處理

首先將水樣用稀硫酸調節至pH值=2,之后取10 mL水樣于預先盛有1 g無水硫酸鈉的20 mL螺紋頂空瓶中,加入1 mL MTBE,立即擰緊瓶蓋,然后將頂空瓶放置于多功能全自動前處理平臺的樣品盤中,通過預先設定程序完成全自動液液萃取和進樣。具體操作步驟如圖1所示:(1)攪拌,將頂空瓶移動至MPS的攪拌器中在600 r/min轉速下攪拌5 min;(2)靜置,攪拌結束后將頂空瓶移入樣品盤中靜置5 min;(3)取樣和進樣,靜置后通過預先調試取樣位置,避免自動進樣針接觸到水相,確保其于頂空瓶上部有機溶劑中部吸取1 μL MTBE注入GC-MS/MS儀器進樣口中進行分析。

圖1 自動液液萃取-氣相質譜-質譜法操作示意圖Fig.1 Schematic Diagram of the Operation of Automated Liquid-Liquid Extraction-Gas Chromatography-Mass Spectrometry

1.3 氣相色譜條件

采用Rtx-5MS型色譜柱(60 m×0.25 mm×2.5 μm);以高純度氦氣(純度≥99.999%)為載氣;柱溫箱升溫程序:初始溫度為40 ℃,保持5 min,以5 ℃/min升溫到80 ℃,保持2 min,再以40 ℃/min升溫到180 ℃,保持3 min;柱流速:1.2 mL/min;進樣口溫度:170 ℃;進樣方式:不分流進樣;進樣量:1 μL。

1.4 質譜條件

離子源模式:EI(70 eV);離子源溫度:200 ℃;傳輸線溫度:200 ℃;溶劑延遲時間:6.8 min;掃描模式:離子監測模式(SIM)。12種目標消毒副產物的總離子色譜圖如圖2所示,各組分保留時間、定量離子和定性離子如表1所示。

圖2 標準選擇離子色譜圖Fig.2 Standard Selection Ion Chromatogram

表1 12種目標消毒副產物的保留時間、定量離子及定性離子Tab.1 Retention Time, Quantitative Ion and Qualitative Ion of 12 Target DBPs

1.5 標準曲線繪制

以丙酮為溶劑,將DCAN、TCAN、BCAN、DBAN標準品定容至10 mL容量瓶中,稀釋為500 mg/L的標準儲備液;將CNM、DCNM、BCNM和DBNM標準品先分別定容至10、50、50 mL和10 mL容量瓶中配制成5、4、4 mg/mL和1 mg/mL的標準儲備液,之后再分別吸取1.0、0.5、0.5 mL和1.0 mL于10 mL容量瓶中稀釋為500、200、200 mg/L和100 mg/L的標準儲備液;稱取10.0 mg的CAN、BAN和BNM標準品定容至10 mL容量瓶中配制成1 mg/mL的標準儲備液;將TCNM標準品定容至10 mL容量瓶配制成10 mg/L的標準儲備液。

臨用時分別將6種HANs以及除TCNM以外的5種HNMs用MTBE稀釋為20 mg/L的HANs和HNMs混標使用溶液,然后將HANs、HNMs混標溶液以及TCNM稀釋為1 mg/L的混合標準使用液。將1 mg/L的混合標準使用液用MTBE稀釋成質量濃度分別為1、3、10、20、40、80、100 μg/L的系列標準溶液,按照上述氣相色譜和質譜條件進行測定,通過外標法定量,以峰面積(y)對濃度(x)繪制標準曲線。

2 結果與討論

2.1 自動液液萃取條件優化

2.1.1 pH影響

pH是影響水中消毒副產物穩定性的重要因素之一,在酸性條件下更有利于HANs和HNMs的檢測[9,15-16]。本試驗分別考察了pH值=2、4、6、7、8、9時對加標質量濃度為5 μg/L純水水樣的回收試驗,結果如圖3所示。對于HANs,DCAN、BCAN、DBAN在pH值=2～9時有較高的回收率,而TCAN在pH值=7～9時,回收率明顯下降。對于HNMs,6種HNMs均在pH值=2～4時有較高的回收率,BCNM和DBNM在堿性條件下,回收率均明顯下降。在pH值=2時,大多數目標物有更高的回收率,因此,本試驗選取pH值=2時對12種目標物進行萃取分析。

圖3 pH值對12種目標消毒副產物回收率的影響Fig.3 Effect of pH Value on Recovery Rate of 12 Target DBPs

2.1.2 硫酸鈉投加量影響

在水樣中投加鹽可增強水溶液的離子強度,降低液液萃取過程有機溶劑在水中的溶解度,并減少乳化現象的產生,進而提高消毒副產物的萃取效率。本試驗選取無水硫酸鈉作為鹽析試劑,在pH值=2、攪拌轉速為600 r/min、攪拌時間為5 min條件下,分別投加0.5、1.0、2.0、3.0、4.0 g無水硫酸鈉對加標質量濃度為5 μg/L的純水水樣進行回收試驗,結果如圖4所示。大部分目標物的回收率隨著無水硫酸鈉投加量的增大而減少,對HNMs的影響更大。這主要是因為隨著無水硫酸鈉投加量的增大,部分無水硫酸鈉不能完全溶解,導致目標物吸附于無水硫酸鈉上不能進入萃取劑中,造成回收率降低[17]。在無水硫酸鈉投加0.5 g和1.0 g時,各物質均有較高回收率,但投加0.5 g易產生乳化現象,因此,本試驗最終選取投加1.0 g無水硫酸鈉。

圖4 無水硫酸鈉投入量對12種目標消毒副產物回收率的影響Fig.4 Effect of Anhydrous Sodium Sulfate Input on Recovery Rate of 12 Target DBPs

2.1.3 攪拌器轉速影響

攪拌器轉速是影響自動液液萃取萃取效率的核心因素之一。在pH值=2、投加1.0 g無水硫酸鈉、攪拌時間為5 min條件下,分別在攪拌器轉速為300、400、500、600、700 r/min下對加標質量濃度為5 μg/L的純水水樣進行回收試驗,結果如圖5所示。隨著攪拌器轉速的增大,總體上HANs和HNMs的回收率呈現上升趨勢,在600 r/min時,目標分析物均取得較高回收率。因此,本試驗選擇攪拌器轉速為600 r/min。

2.1.4 攪拌時間影響

攪拌器攪拌時間也是影響自動液液萃取萃取效率的重要因素之一。在pH值=2、投加1.0 g無水硫酸鈉、攪拌器轉速為600 r/min條件下,分別在攪拌時間為3、5、8、10 min下對加標質量濃度為5 μg/L的純水水樣進行回收分析,結果如圖6所示。在5 min和8 min時,大部分目標物均取得較高回收率,且沒有明顯差異,為了提高測樣效率,本試驗最終選取攪拌器攪拌時間為5 min。

圖6 攪拌時間對12種目標消毒副產物回收率的影響Fig.6 Effect of Stirring Time on Recovery Rate of 12 Target DBPs

2.2 檢測方法評價

2.2.1 方法線性和檢出限

按照1.5小節配制標準系列溶液進行測定,繪制標準曲線。由表2可知,BCAN和DBNM在3.0～100.0 μg/L以及其他10種目標物在1.0～100.0 μg/L質量濃度時均具有良好的線性關系,相關系數均大于0.999 0。以定量離子3倍信噪比確定方法檢出限,方法的檢出限為0.02～0.10 μg/L;以定量離子10倍信噪比對應濃度確定測定下限,方法的測定下限為0.10～0.30 μg/L。

表2 12種目標消毒副產物的標準曲線、線性范圍、測定下限和檢出限Tab.2 Standard Curves, Linear Range, Lower Limits of Detection and Detection Limits of 12 Target DBPs

2.2.2 精密度和準確度

在pH值=2、投加1.0 g無水硫酸鈉、攪拌轉速為600 r/min、攪拌時間為5 min的萃取條件下,分別在純水和管網水中對12種目標消毒副產物進行加標回收試驗(其中管網水中DCAN、DCNM、BCAN、BCNM和DBAN的本底值分別為0.3、0.2、1.1、0.6 μg/L和1.0 μg/L,其余7種未檢出),加標量分別為3 μg/L和30 μg/L,結果如表3所示。在純水中,加標3 μg/L的回收率為73.8%～117.8%,精密度為0.3%～3.6%,加標30 μg/L時回收率為76.0%～110.8%,精密度為0.1%～8.9%;在管網水中,加標3 μg/L的回收率為73.6%～110.0%,精密度為0.3%～4.1%,加標30 μg/L時回收率為73.2%～101.0%,精密度為0.1%～2.4%。

2.2.3 實際水樣測定

為驗證該檢測方法對實際水體中HANs和HNMs的適用性,選擇某市8個水廠的出廠水進行檢測,檢測結果如表4所示,6種HANs中,DCAN、BCAN和DBAN常檢測出,檢出質量濃度分別為0.27～1.11、0.32～0.73 μg/L和0.17～0.94 μg/L,這與文獻[18]中HANs濃度范圍相似;6種HNMs中,除CNM外,其余5種HNMs均有檢出,與相關調研結果[19]相似。

表4 實際水樣中12種目標消毒副產物的檢測結果 (單位:μg/L)Tab.4 Determination Results of 12 Target DBPs in Actual Water Samples (Unit:μg/L)

3 結論

本文研究建立了自動液液萃取-氣相色譜-質譜同時測定6種鹵乙腈和6種鹵代硝基甲烷的檢測方法。主要研究結果如下。

(1)優化確定自動液液萃取條件,10 mL水樣在pH值=2、投加1.0 g無水硫酸鈉和1 mL MTBE、攪拌轉速為600 r/min、攪拌時間為5 min的條件下取得最優萃取效率。

(2)該方法的線性相關系數r大于0.999,檢出限為0.02～0.10 μg/L,測定下限為0.10～0.30 μg/L。在純水中,加標3 μg/L和30 μg/L時,回收率分別為73.8%～117.8%和76.0%～110.8%,精密度分別為0.3%～3.6%和0.1%～8.9%;在管網水中,加標3 μg/L和30 μg/L時,回收率分別為73.6%～110.0%和73.2%～101.0%,精密度分別為0.3%～4.1%和0.1%～2.4%。

該檢測方法前處理技術采用自動液液萃取操作簡便快速,提高了萃取效率以及萃取效果,減少了樣品量以及萃取溶劑使用量,聯合氣相色譜-質譜檢測,提高檢測的精準性與可靠性,該方法具有較高的靈敏度和精密度,檢出限低,滿足飲用水中HANs和HNMs的檢測需求,為城市供水行業HANs和HNMs等含氮消毒副產物的檢測與控制提供了一種行之有效的技術方法。