在線液液萃取-氣相色譜-質(zhì)譜法測定生活飲用水中鹵代乙腈

王 棟，賈瑞寶，孫韶華，宋 艷，王明泉，趙清華，王銳敏

1.濟(jì)南大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022 2.山東省城市供排水水質(zhì)監(jiān)測中心，山東 濟(jì)南 250101

飲用水中消毒劑的使用會導(dǎo)致消毒副產(chǎn)物(DBPs)的生成。自從1974年在消毒水中第一次檢測出DBPs三氯甲烷以來[1]，已經(jīng)有超過800多種DBPs被文獻(xiàn)報(bào)道[2-3]，主要包括含碳消毒副產(chǎn)物(C-DBPs)、含氮消毒副產(chǎn)物(N-DBPs)、芳香族消毒副產(chǎn)物和一些新興消毒副產(chǎn)物[4]，其中，N-DBPs雖然在飲用水中的平均濃度低于C-DBPs[5]，但對人類健康的危害往往要比C-DBPs大得多[6-8]，因此逐漸成為研究的重點(diǎn)。鹵代乙腈(HANs)是典型的N-DBPs，在世界多個國家和地區(qū)均有檢出[9]。因此飲用水中HANs的檢測對水質(zhì)保障具有重要意義[10]。

HANs在飲用水中濃度較低，通常需要經(jīng)過前處理后才能進(jìn)行分析測定。關(guān)于鹵代乙腈檢測方法方面的研究主要集中在樣品前處理方法的優(yōu)化，并結(jié)合GC-ECD或GC-MS進(jìn)行檢測。目前國內(nèi)外鹵代乙腈前處理方法主要有液液萃取法[11-12]、頂空法[11]、固相微萃取法[13-14]和分散液液萃取法[15]。其中，液液萃取法是鹵代乙腈檢測最常使用的前處理方法，如US EPA 551.1所推薦的標(biāo)準(zhǔn)方法，使用甲基叔丁基醚(MTBE)作為萃取溶劑，結(jié)合GC-ECD對樣品進(jìn)行檢測。但傳統(tǒng)液液萃取通常采用手動萃取的方式，存在著操作繁瑣、時間長、萃取效率低和人工操作強(qiáng)度大等問題。

目前，國內(nèi)外關(guān)于鹵代乙腈的在線液液萃取檢測方法鮮有報(bào)道。本研究針對傳統(tǒng)液液萃取存在的操作繁瑣、有機(jī)試劑污染嚴(yán)重、檢測結(jié)果易受到干擾等問題，通過多功能在線進(jìn)樣裝置對樣品中的鹵代乙腈組分進(jìn)行在線液液萃取，既可以克服離線液液萃取過程兩相分離效果對樣品萃取的干擾，又降低了傳統(tǒng)分液漏斗作萃取容器時萃取過程中有機(jī)試劑揮發(fā)對樣品回收率的影響；同時，以氣相色譜-質(zhì)譜儀為檢測手段，實(shí)現(xiàn)了有機(jī)組分的定性定量，充分考慮了色譜法檢測樣品組分可能出現(xiàn)的假陽性結(jié)果，通過定性離子檢測，更加精確地測定了水中有機(jī)物不同組分含量。相比傳統(tǒng)液液萃取，方法自動化程度高，檢測結(jié)果更加科學(xué)、準(zhǔn)確、可靠。所檢測的鹵代乙腈包括氯乙腈(CAN)、二氯乙腈(DCAN)、三氯乙腈(TCAN)、溴乙腈(BAN)、二溴乙腈(DBAN)、溴氯乙腈(BCAN)和碘乙腈(IAN)。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

儀器設(shè)備：多功能前處理平臺，德國GERSTEL JS-200；三重四極桿氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀，日本島津TQ8040。標(biāo)準(zhǔn)品及試劑：氯乙腈(1000 μg/mL溶于甲醇，1 mL)、二氯乙腈(5.0 mg/mL溶于丙酮，1 mL)、三氯乙腈(5.0 mg/L溶于丙酮，1 mL)、 溴乙腈(97%，5 g)、二溴乙腈(5.0 mg/L溶于丙酮，1 mL)、溴氯乙腈(5.0 mg/L溶于丙酮，1 mL)、碘乙腈(98%，5 g)、甲基叔丁基醚(色譜純)均購自上海安譜實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司；無水硫酸鈉(分析純)、氯化鈉(分析純)、磷酸二氫鉀(分析純)、磷酸氫二鈉(分析純)、抗壞血酸(分析純)均購自中國國藥集團(tuán)。實(shí)驗(yàn)耗材：100 mL棕色樣品瓶、20 mL螺紋口頂空瓶均購自上海安譜實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樣品采集

使用100 mL棕色玻璃瓶中采集水樣，水樣瓶中先加入0.095 5 g磷酸氫二鈉、0.817 g磷酸二氫鉀和0.2 g抗壞血酸，待樣品瓶充滿水樣后，密封樣品瓶。采樣后冷藏至分析。

1.2.2 樣品預(yù)處理

打開水樣瓶，量取10 mL水樣至預(yù)先稱量裝有4 g無水硫酸鈉的20 mL螺紋口頂空瓶后，立即準(zhǔn)確加入1 mL甲基叔丁基醚，擰緊瓶蓋。

1.2.3 在線液液萃取

將頂空瓶放入多功能自動進(jìn)樣器(MPS)樣品盤中，通過預(yù)設(shè)程序完成樣品萃取和進(jìn)樣過程，如圖1所示，具體步驟：①攪拌。取頂空瓶于MPS的攪拌器中進(jìn)行攪拌，攪拌器轉(zhuǎn)速600 r/min，攪拌時間3 min。②靜置。攪拌結(jié)束后將頂空瓶取出，于樣品盤中靜置5 min。③取樣和進(jìn)樣。靜置結(jié)束后通過自動進(jìn)樣針取1 μL上層有機(jī)溶劑于GC-MS/MS儀器進(jìn)樣口進(jìn)樣分析。

1.2.4 氣相色譜條件

色譜柱為Rtx-5MS(60×0.25 mm×2.5 μm，島津)；載氣為氦氣(純度≥99.999%)；柱流速為2 mL/min；進(jìn)樣口溫度為200 ℃；進(jìn)樣方式為不分流進(jìn)樣；進(jìn)樣量為1 μL。升溫程序：初始溫度40 ℃，保持5 min；以5 ℃/min升溫到120 ℃；再以10 ℃/min升溫到300 ℃，保持5 min。

1.2.5 質(zhì)譜條件

離子源類型為EI；離子源溫度為230 ℃；傳輸線溫度為260 ℃；溶劑延遲為3 min；掃描模式為SIM。

1.2.6 標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制

將7種鹵代乙腈標(biāo)準(zhǔn)使用液用甲基叔丁基醚稀釋成質(zhì)量濃度分別為10、20、40、60、80、100 μg/L的系列溶液，按照第1.2.4節(jié)、第1.2.5節(jié)儀器工作條件進(jìn)行分析，得到不同鹵代乙腈的質(zhì)譜圖，以質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，峰面積為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

圖1 在線液液萃取-氣相色譜-質(zhì)譜法操作示意圖Fig.1 Schematic diagram of online liquid-liquid extraction-gaschromatography-mass spectrometry method

2 結(jié)果與討論

2.1 GC-MS條件優(yōu)化

2.1.1 色譜條件的優(yōu)化

根據(jù)鹵代乙腈的極性，實(shí)驗(yàn)選擇Rtx-5 MS毛細(xì)管色譜柱，并使用1 mg/L 7種鹵代乙腈混標(biāo)溶液進(jìn)行了驗(yàn)證。如圖2所示，除三氯乙腈和氯乙腈外，其余5種鹵代乙腈均能得到較好分離，由于三氯乙腈和氯乙腈具有不同的定量與定性離子，并不影響其定量與定性檢測，因此，選用Rtx-5MS毛細(xì)管色譜柱作為檢測鹵代乙腈的色譜柱。較高的進(jìn)樣口溫度已被證明有利于HANs的分析[12]，但過高的溫度有可能會造成HANs的分解。在進(jìn)樣口溫度為180、190、200、210、220 ℃下分別對7種鹵代乙腈的混標(biāo)溶液進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示，在200 ℃下，7種鹵代乙腈的響應(yīng)值最高。由于三氯乙腈和氯乙腈的出峰時間較早，因此選用40 ℃作為初始柱溫，而較快的升溫速率不利于鹵代乙腈的分離，最終選擇的升溫速率為5 ℃/min。

1.三氯乙腈；2.氯乙腈；3.二氯乙腈；4.溴乙腈；5.溴氯乙腈；6.碘乙腈；7.二溴乙腈圖2 標(biāo)準(zhǔn)選擇離子色譜圖Fig.2 Standard selection ion chromatogram

2.1.2 質(zhì)譜條件的優(yōu)化

使用1 mg/L的7種鹵代乙腈混標(biāo)溶液進(jìn)行了質(zhì)譜全掃描，獲得7種HANs的全掃描質(zhì)譜圖，分別選擇相對豐度較大的3個特征離子峰作為定量、定性離子，定性信息如表1所示。

表1 鹵代乙腈保留時間、定量離子及定性離子Table 1 Haloacetonitriles retention time,quantitative ion and qualitative ion

2.2 在線液液萃取條件優(yōu)化

2.2.1 離子強(qiáng)度的影響

樣品中鹽的添加可以增加水溶液的離子強(qiáng)度，從而提高分析物的萃取效率。本實(shí)驗(yàn)選擇Na2SO4與NaCl作為實(shí)驗(yàn)對象，在pH=6、攪拌器轉(zhuǎn)速600 r/min、攪拌時間3 min的實(shí)驗(yàn)條件下，分別在每10 mL樣品中加入4 g Na2SO4和4 g NaCl進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示，使用Na2SO4時觀察到的響應(yīng)值要明顯高于NaCl。這與DING等[2]的研究結(jié)果相似，Na2SO4對于含氮消毒副產(chǎn)物的萃取效率要高于NaCl。因此，本實(shí)驗(yàn)選擇Na2SO4作為添加鹽。

本實(shí)驗(yàn)還研究了鹽的添加量對鹵代乙腈萃取效率的影響，在pH=6、攪拌器轉(zhuǎn)速600 r/min、攪拌時間3 min的實(shí)驗(yàn)條件下，分別向每10 mL樣品加入1、2、3、4、5 g無水Na2SO4進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。如圖4所示，在Na2SO4添加量為1～4 g時，氯乙腈、溴乙腈和碘乙腈的回收效果均隨著Na2SO4添加量的升高而升高，而三氯乙腈、二氯乙腈、溴氯乙腈和二溴乙腈受Na2SO4添加量變化的影響較?。划?dāng)Na2SO4添加量達(dá)到5 g時，7種鹵代乙腈的回收率均有不同程度的降低。因此，最終選擇每10 mL樣品加入4 g無水硫酸鈉。

圖4 離子強(qiáng)度對7種鹵代乙腈回收率的影響Fig.4 Influence of ion concentration onrecovery of 7 kinds of haloacetonitriles

2.2.2 pH

pH會影響鹵代乙腈的穩(wěn)定性，大多數(shù)鹵代乙腈在弱酸性條件下最為穩(wěn)定[13]。在添加4 g無水硫酸鈉、攪拌器轉(zhuǎn)速600 r/min、攪拌時間3 min的實(shí)驗(yàn)條件下，分別考察pH為5、6、7、8條件下的萃取情況。如圖5所示，三氯乙腈的回收率隨pH的增加逐漸降低，其余6種鹵代乙腈的回收率均隨著pH的變化先增加后減小，在pH=6時回收效果最好。最終選擇pH=6作為萃取鹵代乙腈的最佳pH。

圖5 pH對7種鹵代乙腈回收率的影響Fig.5 Influence of pH on the recoveryrate of haloacetonitriles

2.2.3 攪拌器轉(zhuǎn)速和攪拌時間

在pH=6、添加4 g無水硫酸鈉、攪拌時間3 min的實(shí)驗(yàn)條件下，實(shí)驗(yàn)分別以300、450、600、750 r/min轉(zhuǎn)速進(jìn)行萃取效率實(shí)驗(yàn)。如圖6所示，300 r/min時鹵代乙腈萃取效果略差，而450、600、750 r/min的萃取結(jié)果相近。同時，在pH=6、添加4 g無水硫酸鈉、攪拌器轉(zhuǎn)速600 r/min的實(shí)驗(yàn)條件下，考察了萃取時間3、5、8、10 min時的萃取效率，結(jié)果如圖7所示。從圖7可知，在3 min時即可達(dá)到最佳萃取結(jié)果。為確保樣品能被完全萃取，最終選擇攪拌器轉(zhuǎn)速為600 r/min，攪拌時間3 min。

圖6 轉(zhuǎn)速對萃取效率的影響Fig.6 Influence of stirrer speed on therecovery rate of haloacetonitriles

圖7 萃取時間對萃取效率的影響Fig.7 Influence of stirrer time on therecovery rate of haloacetonitriles

2.3 方法評價(jià)與驗(yàn)證

配制系列質(zhì)量濃度(10～100 μg/L)的7種鹵代乙腈物質(zhì)甲基叔丁基醚溶液進(jìn)行GC-MS測定，用外標(biāo)法定量，以鹵代乙腈質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，峰面積為縱坐標(biāo)，建立標(biāo)準(zhǔn)曲線，并根據(jù)3倍信噪比，確定7種鹵代乙腈的方法檢測下限。7種鹵代乙腈標(biāo)準(zhǔn)曲線方程及檢出限見表2。

表2 7種鹵代乙腈標(biāo)準(zhǔn)曲線及檢出限Table 2 Standard curves and detection limits of 7 haloacetonitriles

2.4 方法精密度和準(zhǔn)確度

按照上述實(shí)驗(yàn)條件對7種鹵代乙腈進(jìn)行純水及實(shí)際管網(wǎng)水樣加標(biāo)(實(shí)際水樣中二氯乙腈和溴氯乙腈的本底值分別為2.5 μg/L和3.8 μg/L，其余5種鹵代乙腈均未檢出)，加標(biāo)量分別為50 μg/L和5 μg/L，每個加標(biāo)水樣進(jìn)行6個平行樣測定,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。從表3可見：加標(biāo)量為50 μg/L時，純水和管網(wǎng)水的回收率分別為72.0%～91.4%和69.8%～92.9%，精密度為1.8%～3.9%和5.0%～8.7%；加標(biāo)量為5 μg/L時，純水和管網(wǎng)水的回收率分別為62.3%～87.6%和63.7～108.8%，精密度為2.0%～9.3%和3.8%～12.3%。

表3 7種鹵代乙腈在線液液萃取純水和管網(wǎng)水加標(biāo)結(jié)果Table 3 Standard addition results of 7 kinds of haloacetonitriles online liquid-liquid extraction pure water and pipe network water %

2.5 方法對比

為驗(yàn)證在線液液萃取的適用性，使用EPA551.1中的手動液液萃取方法進(jìn)行了純水和實(shí)際水樣加標(biāo)實(shí)驗(yàn)，加標(biāo)量分別為50 μg/L和5 μg/L，并設(shè)置6個平行樣，萃取后的樣品使用第1.2節(jié)中的GC-MS方法進(jìn)行分析，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果同在線液液萃取進(jìn)行比較。結(jié)果顯示，自動化液液萃取的精密度和回收率均要優(yōu)于手動液液萃取的檢測方法。具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 7種鹵代乙腈手動液液萃取純水、管網(wǎng)水加標(biāo)結(jié)果Table 4 Standard addition results of 7 kinds of haloacetonitriles manual liquid-liquid extraction pure water and pipe network water %

2.6 實(shí)際樣品測定

為研究本方法的適用性，對長江(上游、中游、下游)、珠江、黑龍江4個流域5個飲用水廠出廠水中鹵代乙腈濃度進(jìn)行了檢測，檢測結(jié)果表明：部分樣品檢測出二氯乙腈，質(zhì)量濃度為長江上游0.03 μg/L、長江中游未檢出、長江下游1.46 μg/L、珠江0.34 μg/L、黑龍江2.13 μg/L，其余6種鹵代乙腈均未檢出。這與其他人的調(diào)查結(jié)果相似，YU[5]等對中國東部農(nóng)村地區(qū)14個飲用水廠中出廠水的DBPs含量進(jìn)行了調(diào)查，結(jié)果顯示最常檢出的鹵代乙腈為二氯乙腈(DCAN)和溴氯乙腈(BCAN)，其質(zhì)量濃度分別為0.16～6.10 μg/L和0.19～4.20 μg/L；寶露爾等[16]對長江、黃河、太湖、海河和遼河流域14個飲用水廠出廠水中HANs生產(chǎn)情況進(jìn)行了調(diào)查，結(jié)果顯示，14個飲用水廠出廠水中HANs的質(zhì)量濃度為未檢出至3.29 μg/L。表明本方法適用于飲用水中消毒副產(chǎn)物鹵代乙腈的檢測。

3 結(jié)論

本文建立了一種測定水中7種鹵代乙腈的在線液液萃取-氣相色譜-質(zhì)譜法，在添加4 g Na2SO4、pH為6、攪拌器轉(zhuǎn)速600 r/min、攪拌時間3 min條件下，鹵代乙腈的萃取效率最高。方法對7種鹵代乙腈都有較好的檢測靈敏度，方法檢測下限為0.1～0.8 μg/L。加標(biāo)量為50 μg/L時，純水和管網(wǎng)水的回收率分別為72.0%～91.4%和69.8%～92.9%，精密度為1.8%～3.9%和5.0%～8.7%；加標(biāo)量為5 μg/L時，純水和管網(wǎng)水的回收率分別為62.3%～87.6%和63.7～108.8%，精密度為2.0%～9.3%和3.8%～12.3%。該方法適用于對實(shí)際水樣中鹵代乙腈的檢測。使用該方法對長江(上游、中游、下游)、珠江、黑龍江4個流域5個飲用水廠出廠水中鹵代乙腈濃度進(jìn)行了檢測，部分樣品檢測出二氯乙腈，質(zhì)量濃度為0.03～2.13 μg/L，其余6種鹵代乙腈均未檢出。