固相萃?。瓪庀嗌V串聯(lián)質(zhì)譜測(cè)定飲用水中N－亞硝胺類消毒副產(chǎn)物
摘 要 近年來，N-亞硝胺因其致癌性在水處理中引起了廣泛關(guān)注，其為氯消毒或臭氧消毒產(chǎn)生的副產(chǎn)物。本試驗(yàn)建立了固相萃取-氣相色譜串聯(lián)質(zhì)譜( SPE-GC-MS /MS) 方法檢測(cè)飲用水中 9 種亞硝胺類物質(zhì)。結(jié)果表明，在最佳萃取條件、最優(yōu)儀器參數(shù)下，9 種 N-亞硝胺含量在 1. 0 ～ 20 ng /L，采用內(nèi)標(biāo)法的線性相關(guān)系數(shù) R2 為 0. 992 ～ 0. 999，最低檢出限為 0. 3 ng /L。該檢測(cè)方法靈敏度高、最低檢出限低，適用于飲用水中的 N-亞硝胺的檢測(cè)。
關(guān)鍵詞 N-亞硝胺 固相萃取 氣相色譜串聯(lián)質(zhì)譜儀 飲用水
亞硝胺類化合物( N-nitrosamines，NAs) 是一類存在于環(huán)境和水體中的持久性有機(jī)污染物[1]，是一類新型的消毒副產(chǎn)物，已被國(guó)際癌癥研究署( IARC) 列為高疑似致癌物質(zhì)[2-3]。近年來 N-亞硝胺因其飲用水中的強(qiáng)致癌性在許多工業(yè)化國(guó)家引起了廣泛的關(guān)注。目前，主要研究的亞硝胺物質(zhì)有 9 種，即亞硝基二甲胺( NDMA) 、亞硝基二乙基胺( NDEA) 、亞硝基甲乙胺( NMEA) 、二正丙基亞硝胺( NDPA) 、對(duì)亞硝基二異丁胺( NDBA) 、亞硝基嗎啉( NMOR) 、亞硝基吡咯烷( NPYR) 、亞硝基哌啶( NPIP) 、亞硝基二苯胺( NDPhA) 。有些已被確定為氯胺的消毒副產(chǎn)物( DBPs) [4-5]，有些是臭氧與二甲胺或某些人為化學(xué)物質(zhì)的反應(yīng)產(chǎn)物[6-7]。
N-亞硝胺，尤其是 N-亞硝基二甲胺( NDMA) 經(jīng)常在許多國(guó)家的飲用水氯胺消毒處理過程中被檢測(cè)到。1989 年，加拿大安大略省首次在飲用水中發(fā)現(xiàn)了 NDMA[8]，并確定其為消毒過程產(chǎn)生的副產(chǎn)物。 1998 年，NDMA 在美國(guó)火箭燃料產(chǎn)生的地下水污染物中首次被發(fā)現(xiàn)，隨后被證實(shí)是氯胺消毒處理生成的副產(chǎn)物[9-10]。近年來，亞硝胺的研究已經(jīng)涉及到食品和工業(yè)制品，熏肉、腌菜、煙草、嬰兒奶嘴等橡膠制品中均已檢出亞硝胺類物質(zhì)[11-12]。
我國(guó)水源水質(zhì)情況有逐年惡化的趨勢(shì)，自來水廠需要進(jìn)行深度處理來確保供水安全，從而減小對(duì)人體的危害。深度處理后的凈化工藝一般采用常規(guī)的加氯消毒和臭氧氧化。但是亞硝酸鹽和有機(jī)氮均會(huì)在水中生成 N-亞硝胺，且之前的研究發(fā)現(xiàn)臭氧消毒后會(huì)有較高濃度的 NDMA 產(chǎn)生[13]，更高濃度消毒副產(chǎn)物的檢出說明必須加大對(duì)飲用水中 N-亞硝胺的檢測(cè)力度。目前，水中 N-亞硝胺的提取方法主要有液液萃取、固相萃取( SPE) 和固相微萃取( SPME) 。采用的檢測(cè)方法主要有 GC-NCD、GC-NPD、GC /MS、GC /HRMS、GC /MS / MS、LC /MS /MS、LC /MS /HRMS 和 UPLC /MS / MS [14]。相較于其他方式的前處理，固相微萃取因其影響因素多、靈敏度低，適用于廢水中 N-亞硝胺的檢 測(cè)。對(duì)于不同的進(jìn)樣方式，采 用 LC 進(jìn) 樣時(shí)，低分子量的 N-亞硝胺的檢測(cè)易受雜質(zhì)和溶劑基質(zhì)效應(yīng)的影響，因此采用 GC 進(jìn)樣效果相對(duì)較好。與其他 的 檢 測(cè) 器 相 比，MS 檢測(cè)的響應(yīng)值更低，其效果優(yōu)于其他檢測(cè)器。
本試驗(yàn)采取高靈敏度、低檢出限、簡(jiǎn)單易行的固相萃取-氣相色譜串聯(lián)質(zhì)譜方法測(cè)定蘇州清源水廠兩種處理工藝中常見的 9 種 N-亞硝胺物質(zhì)。通過對(duì)常規(guī)工藝和深度處理工藝的多種 N-亞硝胺化合物進(jìn)行測(cè)定，比較兩種工藝各處理過程中的亞硝胺種類和含量，說明飲用水中 N-亞硝胺類物質(zhì)的產(chǎn)生源頭，從而全面地對(duì)該水廠的飲用水水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，為該水廠的工藝進(jìn)一步優(yōu)化提供依據(jù)。優(yōu)化水樣前處理和 GC /MS /MS 檢測(cè) N-亞硝胺的條件，建立一種檢測(cè)限低至 0. 3 ng /L 的飲用水中痕量 N-亞硝胺的檢測(cè)方法，并將其應(yīng)用于水廠全工藝過程中水樣的檢測(cè)，對(duì)水廠的水質(zhì)質(zhì)量監(jiān)測(cè)具有至關(guān)重要的作用。
1 試驗(yàn)部分
1.1 儀器
氣相色譜串聯(lián)質(zhì)譜儀( Agilent 7890B GC System-Agilent 7000C GC /MS Triple Quard) ; 色譜柱為 DB-WAX( 30 m×0. 25 mm×0. 25 μm) ; 固相萃取裝置 Auto Trace SPE( 美國(guó) Caliper 公司) ; 濃縮儀 TurboVapⅡ( 美國(guó) Caliper 公司) 。
1.2 試劑
9 種 N-亞硝胺( o2si 公司，USA) 所有標(biāo)樣稀釋后配制成 2 000 mg /L 的甲醇溶液; NDMA-d14( o2si 公司，USA) 稀釋后配制成 1 000 mg /L 的甲醇溶液; 椰子殼活性炭柱( 上海安譜實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司) ; 甲醇、二氯甲烷( Merck 公司，Germany) ; 氮?dú)?( 99. 999%) 和氦氣( 99. 999%) 。
1.3 色譜/質(zhì)譜條件
1.3.1 色譜條件
升溫程序: 起始溫度為 40 ℃，保持 3 min，以 10 ℃ /min 的速率升至 110 ℃，以 15 ℃ /min 的速率升至 200 ℃，再以 40 ℃ /min 的速率升至 240 ℃，保持 5 min。
進(jìn)樣口溫度為 240 ℃，采用不分流進(jìn)樣。
氣體流量為 1. 7 mL /min，恒流模式。
1.3.2 質(zhì)譜條件
離子源: EI 源，電子轟擊能量為 70 eV，離子源溫度為 230 ℃，傳輸線溫度為 240 ℃，四級(jí)桿溫度為 150 ℃。
1.4 線性試驗(yàn)
校準(zhǔn)曲線可用標(biāo)準(zhǔn)曲線或工作曲線。雖然標(biāo)準(zhǔn)曲線線性最低點(diǎn)可低至 0. 2 μg /L，但實(shí)際水樣經(jīng)過固相萃取后會(huì)出現(xiàn)峰漂移的現(xiàn)象，因此采用工作曲線。本方法采用內(nèi)標(biāo)法( 10 μg /L 的 NDMA-d14 為內(nèi)標(biāo)物質(zhì)) ，配制 9 種 N-亞硝胺化合物濃度分別為 1. 0、2. 0、5. 0、10、15、20 ng /L 的水溶液。
1.5 樣品處理
采用固相萃取( SPE) 方法對(duì)樣品進(jìn)行處理。依次使用 6 mL 二氯甲烷、12 mL 甲醇和 15 mL 超純水活化椰子殼活性炭柱; 將 1 000 mL 水樣連續(xù)地通過固相萃取柱，上樣速率約為 10 mL /min，待上樣結(jié)束后，用氮?dú)獯蹈?15 min; 使用 15 mL 二氯甲烷洗脫 SPE 柱，洗脫液經(jīng)氮?dú)獯得摑饪s至 0. 5 mL 后加入內(nèi)標(biāo)物質(zhì)，用二氯甲烷定容至 1. 0 mL。
1.6 樣品前處理?xiàng)l件
本試驗(yàn)比較了 C18、HLB 和椰子殼活性炭柱 3 種固相萃取小柱純化的效果。樣品加入適量 N-亞硝胺混合標(biāo)樣溶液，方法同 1. 5，3 次平行試驗(yàn)。通過比較每個(gè)萃取小柱所萃取的 9 種亞硝胺的平均回收率來確定最佳的萃取小柱。椰子殼活性炭柱對(duì) N-亞硝胺的回收率明顯高于 C18、HLB 小柱，因此，本試驗(yàn)采用椰子殼活性炭柱。
2 結(jié)果與討論
2.1 氣質(zhì)聯(lián)用儀分析條件的優(yōu)化
2.1.1 色譜柱的優(yōu)化分別選用非極性柱 DB-5MS( 30 m×0. 25 mm× 0. 25 μm) 和強(qiáng)極性柱 DB-WAX( 30 m × 0. 25 mm × 0. 25 μm) 進(jìn)行 9 種 N-亞硝胺類化合物色譜分離條件試驗(yàn)。結(jié)果表明: 選用非極性柱時(shí)，N-二甲基亞硝胺的色譜峰與溶劑峰不能分離，其他待測(cè)物的色譜峰分離度也不佳; 選用強(qiáng)極性柱 DB-WAX 時(shí)，獲得的色譜峰峰形對(duì)稱，定量準(zhǔn)確，重現(xiàn)性好，分離效果好，如圖 1 所示。因此，本試驗(yàn)選用 DB-WAX 作為色譜柱進(jìn)行 9 種 N-亞硝胺類化合物色譜分離條件試驗(yàn)。
2.1.2 柱溫升溫速率的優(yōu)化由于 NPYR、NPIP 和 NDBA 這 3 種物質(zhì)的出峰時(shí)間比較接近，同時(shí)為了排除溶劑對(duì)峰分離的影響，可以選擇優(yōu)化柱溫的升溫速率來獲得最佳的分離效果。柱溫的起始溫度設(shè)為 40 ℃，分別比較升溫速率為 15、10、5 ℃ /min 時(shí)的分離效果。結(jié)果顯示: 當(dāng)升溫速率為 15 ℃ /min 時(shí)，溶劑峰與 NDMA 的色譜峰分離不明顯; 當(dāng)升溫速率為 10 ℃ /min 時(shí)，兩者能夠有效分離; 當(dāng)升溫速率為 5 ℃ /min 時(shí)，色譜峰的分離效果并沒有明顯改善。綜合比較，選擇升溫速率為 10 ℃ /min，可獲取最佳的分離度。當(dāng)柱溫升高到 110 ℃時(shí)，NDMA 已經(jīng)出現(xiàn)峰，為了提高分析速度，此時(shí)將升溫速率提高至 15 ℃ /min; 當(dāng)柱溫升高到 200 ℃時(shí)，待測(cè)物均已出現(xiàn)峰，因此將柱溫升溫速率提高到 40 ℃ /min。
2.2 方法的線性關(guān)系及方法檢出限本試驗(yàn)條件下，9 種亞硝胺類化合物為 1. 0 ～ 20 ng /L，用色譜柱 DB-WAX 繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。結(jié)果表明，9 種 N-亞硝胺有良好的線性關(guān)系，其線性回歸方程、線性相關(guān)系數(shù)、最低檢出限如表 1 所示。9 種 N-亞硝胺線性相關(guān)系數(shù) R2 為 0. 992 ～ 0. 999，最低檢出限為 0. 3 ng /L。
2.3 回收率
為增強(qiáng)試驗(yàn)的精確度，分別測(cè)定實(shí)際出廠水水樣的 2 個(gè)加標(biāo)濃度 2、10 ng /L 的回收率( 表 2) 。由表 2 可知，NPYR 兩個(gè)濃度的加標(biāo)回收率和 NDphA 濃度為 10 ng /L 的加標(biāo)回收率均低于 70%。但是其他物質(zhì)無論濃度高低，它們的單位加標(biāo)回收率在 EPA 規(guī)定的可接受范圍( 70% ～ 120%) 。因此，本試驗(yàn)采用的固相萃取-氣相色譜串聯(lián)質(zhì)譜的方法適
2.4 實(shí)際樣品的檢測(cè)
實(shí)驗(yàn)室選取不同水源兩個(gè)水廠的各個(gè)過程水樣進(jìn)行檢測(cè)，水廠 1 為常規(guī)處理工藝，水廠 2 為預(yù)處理+常規(guī)處理+深度處理工藝，9 種 N-亞硝胺的檢測(cè)結(jié)果
由表 3 可知，常規(guī)處理工藝和深度處理工藝中 N-亞硝胺類物質(zhì)的種類和含量。水廠 1 中只檢出 4 種 N-亞硝胺，除了 NDPA 含量較高外，其他 3 種 N-亞硝胺含量均低于 2. 5 ng /L; 水廠 2 中檢測(cè)出的 N-亞硝胺種類明顯多于水廠 1，水廠 2 中檢出 7 種 N-亞硝胺，且砂濾水的 NDMA 濃度達(dá) 29. 0 ng /L。
相較于其他幾種亞硝胺，水廠 2 中 NDMA 在每個(gè)處理工藝中均可檢出，其檢測(cè)量最高，且遠(yuǎn)高于其他 N-亞硝胺，說明各深度處理工藝對(duì) NDMA 的生成有很大的影響。臭氧會(huì)導(dǎo)致 NDMA 的生成，含有 N，N 二甲胺的化合物是 NDMA 的前驅(qū)物，在臭氧條件下會(huì)促成 NDMA 生成。文獻(xiàn)說明，二甲胺的生成與臭氧濃度成負(fù)相關(guān)，二甲胺隨著臭氧濃度的增加而減少，同時(shí)也會(huì)減少 NDMA 的生成量[15]。水廠 2 中砂濾水和沉淀水 NDMA 的含量最高，說明在混凝沉淀中加入的消毒劑與水中物質(zhì)反應(yīng)生成了較多的 NDMA，是 NDMA 的主要來源，氯胺會(huì)和二甲胺反應(yīng)生成氯代不對(duì)稱二甲肼( UDMH) ，而 UDMH 會(huì)與氧氣反應(yīng)生成 NDMA[15]，臭氧也會(huì)對(duì) N-亞硝胺類的生成起到一定的作用。
水廠 1 的原水水質(zhì)較好，總氮和氨氮基本達(dá)到 Ⅱ類，而水廠 2 的原水總氮、氨氮含量明顯高于水廠 1，水廠 2 中 N-亞硝胺的前驅(qū)體含量高，深度處理中的臭氧會(huì)大大增加 N-亞硝胺的生成。而碳濾對(duì) N-亞硝胺的去除率在 75. 6%以上，說明生物活性炭的投加對(duì)水中 N-亞硝胺的去除起到了主要作用，出廠水的 9 種 N-亞硝胺含量均低于 10. 0 ng /L。深度處理工藝相較于常規(guī)工藝，消毒劑的投加以及臭氧化的處理，使得水中 N-亞硝胺類物質(zhì)的量增加。
3 結(jié)論
本試驗(yàn)建立了固相萃取-氣相色譜串聯(lián)質(zhì)譜方法高效檢測(cè)兩種處理工藝中 9 種 N-亞硝胺物質(zhì)。該方法的相關(guān)系數(shù)為 0. 992～0. 999; 除個(gè)別外，加標(biāo)回收率均在 72. 1% ～126%; 9 種 N-亞硝胺的最低檢出限為 0. 3 ng /L。對(duì)不同水源的兩個(gè)水廠進(jìn)行了全過程水樣的檢測(cè)，結(jié)果表明，深度處理后，出廠水中 N-亞硝胺含量較高，其中 NDMA 的含量最高。深度處理過程中的消毒劑和臭氧化是飲用水中 N-亞硝胺類生成的主要原因。亞硝胺作為消毒副產(chǎn)物，對(duì)人體健康的影響不容忽視，因此應(yīng)對(duì)其來源、分布和含量等進(jìn)行更多的研究，并通過切實(shí)可行的方法，時(shí)刻關(guān)注飲用水中的 N-亞硝胺類物質(zhì)。
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