固相萃取-氣相色譜串聯(lián)質(zhì)譜測定飲用水中N-亞硝胺類消毒副產(chǎn)物

湯慶會，余沛芝，陸 坤，曹滎玉，關(guān)永年，牛璐瑤，符策竿，Wido Schmidt，劉洪波

(1.蘇州工業(yè)園區(qū)清源華衍水務(wù)有限公司，江蘇蘇州 215021；2.上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093；3.德國水技術(shù)中心，德國德累斯頓 2,D-01326)

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污染物[1],是一類新型的消毒副產(chǎn)物，已被國際癌癥研究署(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致癌性在許多工業(yè)化國家引起了廣泛的關(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)常在許多國家的飲用水氯胺消毒處理過程中被檢測到。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]。

我國水源水質(zhì)情況有逐年惡化的趨勢，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氮均會在水中生成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飲用水中N-亞硝胺的檢測力度。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。對于不同的進(jìn)樣方式，采用LC進(jìn)樣時，低分子量的N-亞硝胺的檢測易受雜質(zhì)和溶劑基質(zhì)效應(yīng)的影響，因此采用GC進(jìn)樣效果相對較好。與其他的檢測器相比，MS檢測的響應(yīng)值更低，其效果優(yōu)于其他檢測器。

本試驗采取高靈敏度、低檢出限、簡單易行的固相萃取-氣相色譜串聯(lián)質(zhì)譜方法測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，從而全面地對該水廠的飲用水水質(zhì)進(jìn)行評價，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N-亞硝胺的條件，建立一種檢測限低至0.3 ng/L的飲用水中痕量N-亞硝胺的檢測方法，并將其應(yīng)用于水廠全工藝過程中水樣的檢測，對水廠的水質(zhì)質(zhì)量監(jiān)測具有至關(guān)重要的作用。

1 試驗部分

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Caliper公司)；濃縮儀TurboVapⅡ(美國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(上海安譜實驗科技股份有限公司)；甲醇、二氯甲烷(Merck公司，Germany)；氮氣(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 ℃，四級桿溫度為150 ℃。

1.4 線性試驗

校準(zhǔn)曲線可用標(biāo)準(zhǔn)曲線或工作曲線。雖然標(biāo)準(zhǔn)曲線線性最低點可低至0.2 μg/L，但實際水樣經(jīng)過固相萃取后會出現(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，用氮氣吹干15 min；使用15 mL二氯甲烷洗脫SPE柱，洗脫液經(jīng)氮氣吹脫濃縮至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 樣品前處理條件

本試驗比較了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。通過比較每個萃取小柱所萃取的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N-亞硝胺的回收率明顯高于C18、HLB小柱，因此，本試驗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。結(jié)果表明：選用非極性柱時，N-二甲基亞硝胺的色譜峰與溶劑峰不能分離，其他待測物的色譜峰分離度也不佳；選用強極性柱DB-WAX 時，獲得的色譜峰峰形對稱，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。

圖1 9種N-亞硝胺的分離效果圖Fig.1 Separation Effect of Nine Kinds of N-Nitrosamines

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)的出峰時間比較接近，同時為了排除溶劑對峰分離的影響，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 時的分離效果。結(jié)果顯示：當(dāng)升溫速率為15 ℃/min時，溶劑峰與NDMA 的色譜峰分離不明顯；當(dāng)升溫速率為10 ℃/min 時，兩者能夠有效分離；當(dāng)升溫速率為5 ℃/min 時，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，NDMA已經(jīng)出現(xiàn)峰，為了提高分析速度，此時將升溫速率提高至15 ℃/min；當(dāng)柱溫升高到200 ℃時，待測物均已出現(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

為增強試驗的精確度，分別測定實際出廠水水樣的2個加標(biāo)濃度2、10 ng/L的回收率(表2)。由表2可知，NPYR兩個濃度的加標(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，本試驗采用的固相萃取-氣相色譜串聯(lián)質(zhì)譜的方法適用于檢測飲用水中N-亞硝胺類化合物。

表1 9種N-亞硝胺的線性方程、線性相關(guān)系數(shù)和最低檢出限Tab.1 Linear Equations, Correlation Coefficients and Minimum Detection Limits of Nine Kinds of N-Nitrosamines

表2 9種N-亞硝胺的加標(biāo)回收率Tab.2 Recovery Rates of Nine Kinds of N-Nitrosamines

2.4 實際樣品的檢測

實驗室選取不同水源兩個水廠的各個過程水樣進(jìn)行檢測，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-亞硝胺的檢測結(jié)果如表3所示。

表3 水廠全過程水樣中9種N-亞硝胺的種類和含量Tab.3 Types and Contents of Nine Kinds of N-Nitrosamines in Water Plant

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在每個處理工藝中均可檢出，其檢測量最高，且遠(yuǎn)高于其他N-亞硝胺，說明各深度處理工藝對NDMA的生成有很大的影響。臭氧會導(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，同時也會減少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，氯胺會和二甲胺反應(yīng)生成氯代不對稱二甲肼(UDMH)，而UDMH會與氧氣反應(yīng)生成NDMA[15]，臭氧也會對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大大增加N-亞硝胺的生成。而碳濾對N-亞硝胺的去除率在75.6%以上，說明生物活性炭的投加對水中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

本試驗建立了固相萃取-氣相色譜串聯(lián)質(zhì)譜方法高效檢測兩種處理工藝中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。對不同水源的兩個水廠進(jìn)行了全過程水樣的檢測，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，對人體健康的影響不容忽視，因此應(yīng)對其來源、分布和含量等進(jìn)行更多的研究，并通過切實可行的方法，時刻關(guān)注飲用水中的N-亞硝胺類物質(zhì)。