吹掃捕集-氣相色譜-三重四極桿質譜法同時測定飲用出廠水中6種鹵乙腈

詹 未, 韓志宇, 李 勇, 劉 非, 張 永

(北京市疾病預防控制中心, 北京市預防醫學研究中心, 北京 100013)

飲用水消毒是保障飲水安全的重要手段。鹵乙腈(HANs)是含氮類消毒副產物中濃度水平最高的一類,其神經毒性、遺傳毒性、細胞毒性已被相繼報道[1-3];二氯乙腈(DCAN)可引發皮膚癌,三氯乙腈(TCAN)和溴氯乙腈(BCAN)可引發肺癌[4]。國際癌研究機構(IARC)分別將二溴乙腈(DBAN)列入ⅡB類,二氯乙腈和三氯乙腈列入Ⅲ類致癌物清單。

鹵乙腈廣泛存在于飲用出廠水中,液氯、氯胺、二氧化氯、臭氧等多種消毒方式均會導致鹵乙腈的產生[5],且因其親水性的結構使得在水質處理工藝中較難去除[6]。鹵乙腈較三鹵甲烷、鹵乙酸毒性更強,且可能產生蓄積效應[7]。世界衛生組織(WHO)《飲用水水質準則》(第四版)中規定了二氯乙腈(20 μg/L)和二溴乙腈(70 μg/L)的限值要求[8]。日本則對二氯乙腈和二溴乙腈做出了較《飲用水水質準則》更加嚴格的限值要求[9]。但目前該類消毒副產物在我國仍處于非受監管狀態,缺乏相關的標準規范。

飲用水樣品中鹵乙腈的前處理方法有液液萃取法[10,11]、液液微萃取法[12-14]、固相萃取法[15]、靜態頂空法[16-18]。但以上方法均存在不足之處,其中液液萃取法與固相萃取法均需消耗有害試劑;液液微萃取法步驟繁瑣且難以實現自動化連續進樣;靜態頂空法靈敏度較低。尋求應用高自動化、環境友好的樣品前處理技術是目前的研究趨勢。因此近年來固相微萃取法被相繼報道[19-22]。與固相微萃取法相比,吹掃捕集法同為綠色化學技術,且普及性更強,樣品制備的速度更快,成本更低。但目前將吹掃捕集法應用于鹵乙腈檢測的相關報道較少。儀器方法選擇方面,現階段的文獻報道有氣相色譜法(GC)[17,23,24]、氣相色譜-質譜法(GC-MS)[11-14,16,18-21]、氣相色譜-串聯質譜法(GC-MS/MS)[15,25]、柱后熒光衍生液相色譜法[26]。GC可使用氫離子火焰檢測器(FID)[23]、電子捕獲檢測器(ECD)[10,17]、鹵素特殊檢測器(XSD)[24]檢測鹵乙腈。其中ECD和XSD較四極桿質譜檢測器具有更高的靈敏度。但GC僅憑保留時間定性分析,檢測特異性不足,易受干擾。綜合評判,GC-MS/MS可兼具特異性檢測和靈敏度的優勢。

本研究采用吹掃捕集-氣相色譜-三重四極桿質譜法同時測定飲用出廠水中最典型的6種鹵乙腈(氯乙腈(CAN)、二氯乙腈、三氯乙腈、溴乙腈(BAN)、溴氯乙腈、二溴乙腈)。配合優化后的25 mL吹掃捕集樣品制備系統,實現樣品經采集后全程自動測定,有害試劑零消耗。在對38份出廠水樣品的檢測中,6種目標組分均有檢出,方法表現出優越的適用性,應用前景廣闊。

1 實驗部分

1.1 儀器、試劑與材料

GC-MS-TQ 8040氣相色譜-質譜儀(日本Shimadzu公司)、Eclipse 4660吹掃捕集儀(美國OI Analytical公司)、Milli-Q超純水儀(美國Millipore公司)、XPE-105電子天平(瑞士Mettler-Toledo公司)。

二氯乙腈、三氯乙腈、溴氯乙腈、二溴乙腈標準溶液(5.0 mg/mL)均購自美國AccuStandard公司;氯乙腈(純度>98%)、溴乙腈(純度>97%)均購自日本TCI公司;抗壞血酸(分析純,北京化學試劑公司)。

樣品采自本地市、區兩級所轄自來水廠。

1.2 標準溶液的配制

準確稱取氯乙腈、溴乙腈標準品0.010 0 g,以丙酮稀釋定容至10 mL,配制1 000 mg/L的氯乙腈、溴乙腈單標準儲備液。分別準確移取氯乙腈和溴乙腈儲備液0.05 mL和0.25 mL,以丙酮稀釋定容至100 mL,即得2種鹵乙腈混合標準使用液。準確移取混合標準使用液5、10、20、40、80、100 μL,以超純水定容至50 mL,獲得系列標準溶液后,立即測定。

分別準確移取5.0 mg/mL的三氯乙腈、二氯乙腈、溴氯乙腈、二溴乙腈儲備液5、50、50、200 μL,以丙酮稀釋定容至100 mL,即得4種鹵乙腈混合標準使用液。準確移取混合標準使用液2、5、10、20、40、80 μL,以超純水定容至50 mL,獲得系列標準溶液后,立即測定。

1.3 樣品的采集

樣品采集時應盡可能充滿頂空瓶。對于出廠水樣品,每40 mL樣品加入30 mg抗壞血酸去除殘留消毒劑干擾。樣品采集后可直接上機測定,并于6 h內完成。

1.4 儀器分析條件

1.4.1吹掃捕集條件

捕集阱:10#(含有2,6-二苯基對苯醚/硅膠/碳分子篩),吹掃體積:25 mL,吹掃溫度:35 ℃,吹掃時間:11 min,解吸溫度:190 ℃,解吸時間:1 min,吹掃流量:40 mL/min。

1.4.2色譜-質譜條件

色譜柱:Rxi-624Sil MS柱(60 m×0.25 mm×1.40 μm),進樣口溫度:220 ℃,載氣:高純氦氣,線速度:30 cm/s,分流比:1∶10。升溫程序:初溫40 ℃,保持5 min,以6 ℃/min升溫至110 ℃,保持4 min,以10 ℃/min升溫至190 ℃,再以20 ℃/min升溫至220 ℃,保持5 min。

離子源:電子轟擊電離(EI)源;離子源溫度:230 ℃,接口溫度:230 ℃,掃描間隔0.3 s,檢測器電壓:調諧電壓+0.6 kV,掃描模式:多反應監測(MRM)模式,溶劑延遲:12 min。6種鹵乙腈的保留時間和質譜參數見表1。

表 1 6種鹵乙腈的保留時間和質譜參數

圖 1 4種型號捕集阱對典型樣品測定的影響Fig. 1 Influence of four types of traps on the determination of a typical sample The bar graph indicates the ratios of the responses for various traps to that of the 10# trap.

圖 2 6種鹵乙腈的總離子流色譜圖Fig. 2 Total ion current chromatogram of the six HANs

2 結果與討論

2.1 吹掃捕集條件的優化

2.1.1捕集阱型號的選擇

捕集阱是影響目標組分檢測的核心因素之一。采用控制單一變量的方法,分別考察7#(2,6-二苯基對苯醚)、10#(2,6-二苯基對苯醚/硅膠/碳分子篩)、11#(疏水活性炭)、12#(疏水活性炭)捕集阱對典型樣品(均未檢出二溴乙腈)的測定結果。以10#捕集阱響應值為分母,與各型號捕集阱響應值做比,比值結果見圖1。其中，11#捕集阱不適宜溴乙腈、溴氯乙腈的檢測,12#捕集阱不適宜三氯乙腈、溴乙腈、溴氯乙腈的檢測。7#捕集阱雖然對氯乙腈和二氯乙腈的捕集效果更佳,但綜合考慮氯乙腈和二氯乙腈的靈敏度均較高,優先選擇更有利溴乙腈和溴氯乙腈檢測的10#捕集阱。

2.1.2解吸時間與解吸溫度的選擇

本研究采用10#捕集阱,其產品手冊明確給出推薦的解吸溫度為190 ℃,推薦解吸時間為0.5～4.0 min。故確定解吸溫度為190 ℃。實驗對比1、2、3、4 min的解吸時間對目標組分響應的影響。結果表明，隨解吸時間的增加,6種鹵乙腈的響應值無上升趨勢,其峰面積相對標準偏差均小于3.1%。因此確定解吸時間為1 min。

2.2 氣相色譜-質譜條件的優化

2.2.1氣相色譜條件的選擇

色譜柱是影響目標組分峰形的關鍵因素,尖銳對稱的色譜峰有利于準確積分,提高定量準確性。實驗分別考察弱極性的VF-5柱(60 m×0.25 mm×0.25 μm),中等極性DB-VRX柱(60 m×0.25 mm×1.40 μm)、Rxi-624柱(60 m×0.25 mm×1.40 μm),極性HP-INNOWAX柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)對鹵乙腈檢測的影響。VF-5柱對6種鹵乙腈普遍存在拖尾現象。DB-VRX柱對氯乙腈、溴乙腈存在拖尾現象,響應較弱。Rxi-624柱和HP-INNOWAX柱均對6種鹵乙腈檢測效果良好,HP-INNOWAX柱對改善氯乙腈和溴乙腈的峰形更為有利,但鑒于其使用上限溫度較低,綜合柱流失等因素,故本研究選擇Rxi-624色譜柱。6種鹵乙腈的總離子流色譜圖見圖2。

2.2.2質譜參數的選擇

實驗首先進行全掃描,查找目標組分,確定一級質譜信息。其次進行產物離子掃描,前體離子經誘導碰撞,獲得二級質譜信息。通常選擇一級質譜信息中的基峰作為前體離子。以二溴乙腈為例,分別以基峰(m/z=120.0)和m/z為199.0的碎片離子為前體離子,對比二級質譜信息發現,雖然m/z為199.0的前體離子的強度只有基峰的40%左右,但能夠獲得更強的二級質譜信息。確定二溴乙腈定量離子對m/z為199.0>117.9,定性離子對m/z為120.0>92.9。

2.2.3SIM與MRM采集模式的比較

鑒于GC-MS/MS設備較為昂貴,普及程度尚不如GC-MS。本研究同時應用SIM模式對加標樣品進行測定,并與MRM模式進行比較(見圖3)。MRM在檢測靈敏度、特異性和基線狀態等方面具有優勢。

圖 3 SIM和MRM模式下加標樣品中6種鹵乙腈的總離子流色譜圖Fig. 3 Total ion current chromatograms of the six HANs in a spiked sample in SIM and MRM modes Detected ions in SIM mode: TCAN, m/z 108.0, 110.0, 73.0; CAN, m/z 75.0, 77.0, 48.0; DCAN, m/z 74.0, 84.0, 82.0; BAN, m/z 119.0, 121.0, 81.0; BCAN, m/z 74.0, 155.0, 76.0; DBAN, m/z 120.0, 199.0, 118.0. Spiked concentration (μg/L): 0.1 for TCAN, 0.2 for CAN, 1.0 for DCAN, 1.0 for BAN, 1.0 for BCAN, and 4.0 for DBAN.

2.3 基質效應評價

基質效應=基質匹配校準曲線的斜率/溶劑校準曲線的斜率,比值越接近1,則基質效應越小;若比值為0.8～1.2,則表明基質效應不明顯[27]。實驗分別以陰性出廠水樣品和超純水建立相應的標準曲線,經計算,6種鹵乙腈的基質效應為0.85～1.09。故本研究采用外標法定量,以超純水為溶劑配制系列標準溶液。

2.4 樣品采集和穩定性

針對含有消毒副產物樣品飲用水的采集需選擇適宜的淬滅劑終止殘留消毒劑的影響。參考Kristiana等[28]研究結果,本研究選擇抗壞血酸作為淬滅劑。

實驗過程發現,鹵乙腈在水體系中穩定性較差，主要表現為三氯乙腈的衰減;二溴乙腈衰減并能產生溴乙腈;溴氯乙腈衰減并能產生氯乙腈。因此樣品采集后應盡快測定,避免定量分析時各組分間可能的相互干擾。配制加標樣品,質量濃度為0.1(三氯乙腈)、0.2(氯乙腈)、1.0(二氯乙腈)、1.0(溴乙腈)、1.0(溴氯乙腈)、4.0 (二溴乙腈) μg/L,分別于0、0.5、1、2、3、4、6 h進行測定。結果顯示,6種鹵乙腈峰面積的RSD為2.32%～6.98%,樣品采集后6 h內完成測定可保證結果的準確性。

2.5 方法學評價

2.5.1標準曲線、檢出限與定量限

以各組分濃度為橫坐標(X, μg/L)、定量離子峰面積為縱坐標(Y)繪制標準曲線,相關系數(r)≥0.999 1。以定量離子的信噪比(S/N)為3和10時的濃度分別確定方法的檢出限和定量限,分別為0.8～120.0 ng/L和1.5～300.0 ng/L(見表2)。

表 2 6種鹵乙腈的線性范圍、線性方程、相關系數、檢出限和定量限

2.5.2回收率與精密度

以空白飲用出廠水為樣品,添加低、中、高3個水平的混合標準溶液，進行加標回收及精密度試驗(n=5)。6種鹵乙腈的回收率為84.2%～106%,相對標準偏差為1.81%～10.7%(見表3)。

表 3 6種鹵乙腈的平均回收率和相對標準偏差(n=5)

2.5.3實際樣品測定

應用本研究建立的方法,于2020年8月對本市38份市政飲用出廠水開展檢測,6種鹵乙腈均有檢出。單份樣品中若以其中任意鹵乙腈的檢出為標準,樣品總檢出率為92.1%。各組分檢出率依次為二氯乙腈>溴氯乙腈>氯乙腈>三氯乙腈>溴乙腈>二溴乙腈，具體樣品測定結果見表4。鹵乙腈檢出含量遠低于WHO中二氯乙腈(20 μg/L)和二溴乙腈(70 μg/L)的限值要求[8]。

表 4 38份出廠水中6種鹵乙腈的檢測結果

3 結論

本研究采用吹掃捕集-氣相色譜-三重四極桿質譜法對飲用出廠水中6種典型鹵乙腈開展檢測。方法符合綠色化學理念,滿足大批量檢測要求,高效便捷,具有較高的推廣價值。同時該項技術可與常見揮發性有機物聯合檢測,為飲用水監測領域開發高通量的實用性方法奠定基礎。