一种高效测定水中卤乙腈和卤代硝基甲烷的方法
种高效测定水中卤乙腈和卤代硝基甲烷的方法
01、研究背景
自1974年科学家Rook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。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。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。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。在饮用水中HANs和HNMs的检出浓度一般为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、顶空法、液液萃取法、固相萃取法、固相微萃取法等。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。
02、试验材料与方法
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种卤乙腈（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种卤代硝基甲烷（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。
样品前处理：
（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。
（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的搅拌器中在转速600 r/min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
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。
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
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
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、0.5、0.5 mL和1 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。
03、检测方法评价
方法线性和检出限：
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质量浓度范围内均具有良好的线性关系，相关系数r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
精密度和准确度：
在pH值=2、投加1 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%~2.5%，加标30 μg/L时回收率为73.2%~101.0%，精密度为0.1%~2.4%。
表3 方法的回收率和精密度
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，检出浓度范围分别为0.27~1.11 μg/L、0.32~0.73 μg/L和0.17~0.94 μg/L；6种HNMs中，除CNM外，其余5种HNMs均有检出。
表 4 实际水样中12种目标消毒副产物的检测结果
04、研究结论
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 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 0，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%~2.5%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，满足饮用水中卤乙腈和卤代硝基甲烷的检测需求，为城市供水行业卤乙腈和卤代硝基甲烷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。
