城市污水處理廠污泥中鹵代甲基磺酸的液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜分析方法研究

劉 凱，史亞利，蔡亞岐 ，何緒文*

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心 環(huán)境化學(xué)與生態(tài)毒理學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085)

消毒副產(chǎn)物(Disinfection by-products,DBPs)是指消毒劑對(duì)水體進(jìn)行消毒時(shí)與水體中有機(jī)物反應(yīng)生成的一系列副產(chǎn)物，其種類繁多，其中得到確認(rèn)的有600多種[1]，這些DBPs大致可分成三鹵甲烷[2](Trihalomethanes，THMs)、鹵乙酸[3](Haloacetic acids，HAAs)、鹵乙腈[4](Haloacetonitriles，HANs)和致誘變化合物[5]4類。它們對(duì)人體有不同程度的傷害，目前，流行病學(xué)研究和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，THMs具有致突變和致癌性[6]；HANs在水中的質(zhì)量濃度雖僅有ng·L-1至μg·L-1的水平，但其毒性比含碳DBPs更強(qiáng)[7]；HAAs具有生殖[8]和發(fā)育毒性[9]，其中二氯乙酸具有明顯的神經(jīng)毒性,可引起心臟畸形[10]。與飲用水相比，城市污水中有機(jī)物種類更多，數(shù)量更大[11]，經(jīng)消毒處理后的消毒副產(chǎn)物變化也更加復(fù)雜[12]，而且污水中的有機(jī)物易于吸附在活性污泥中[13]。目前對(duì)污泥中的消毒副產(chǎn)物研究的報(bào)道極少，污水處理廠污泥再利用也常被認(rèn)為是有關(guān)環(huán)境中有機(jī)污染物的來源之一。因此，研究污泥中消毒副產(chǎn)物的污染情況具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

鹵代甲基磺酸(HMSAs)是新近報(bào)道的一類新型污染物，目前證實(shí)主要在城市自來水廠對(duì)飲用水進(jìn)行消毒處理時(shí)產(chǎn)生，因此被認(rèn)為是一類新型消毒副產(chǎn)物[14]。HMSAs和HAAs的分子結(jié)構(gòu)十分相似，推測HMSAs很可能對(duì)人體有一定程度的傷害，但是目前對(duì)該類新型污染物的研究極少，只在歐洲部分國家和地區(qū)的飲用水中有少量檢出的報(bào)道[15]，關(guān)于其分析方法及污染水平等的研究處于空白狀態(tài)，我國目前尚無相關(guān)研究報(bào)道，因此從環(huán)境科學(xué)角度給予HMSAs以高度關(guān)注具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

靈敏、準(zhǔn)確、高效的分析方法是開展HMSAs環(huán)境科學(xué)研究的前提，但目前尚缺乏污泥樣品中HMSAs的分析方法。本文致力于研究適用于污泥中HMSAs的萃取和凈化方法，并與高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜檢測技術(shù)結(jié)合，建立了適用于實(shí)際污泥樣品中HMSAs分析的有效方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

UltiMate 3000液相色譜儀，配有二元高壓泵、自動(dòng)進(jìn)樣器、柱溫箱和Chromeleon軟件(Themofisher Scientific Co.)，分析柱為Acclaim HILIC-10(3 μm，120 ?，3.0 mm×150 mm)。API3200三重四極桿串聯(lián)質(zhì)譜系統(tǒng)，配有電噴霧離子化源和Analyst 1.4.1工作站(美國應(yīng)用系統(tǒng)生物公司)。DT5-2B型低速臺(tái)式離心機(jī)(北京時(shí)代北利離心機(jī)有限公司)；KQ-500DE型數(shù)控超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)；KS4000i控溫?fù)u床(德國IKA公司)；LGJ-12B型冷凍干燥機(jī)(北京松源華興科技發(fā)展有限公司)；Milli-Q超純水儀(美國Millipore公司)。

甲酸銨、氨水、二氯甲烷(色譜純，AlfarAesar公司)；甲醇、乙腈(色譜純，F(xiàn)isher Scientific公司)；甲酸(色譜純)、三氟甲基磺酸(>99%)和一溴甲基磺酸(>95%)均購自Sigma-Aldrich公司；一氯甲基磺酸(>98.5%)、二氯甲基磺酸(>95%)、三氯甲基磺酸(>98.5%)均委托上海孜嵐醫(yī)藥科技有限公司定制合成；Oasis WAX 6cc(150 mg)前處理柱(Waters公司)。

1.2 色譜與質(zhì)譜條件

色譜條件：色譜柱為Acclaim HILIC-10(3 μm，3.0 mm×150 mm)，流動(dòng)相為乙腈-100 mmol·L-1甲酸銨溶液(體積比95∶5，pH 6.5)，流速為0.3 mL/min，進(jìn)樣體積為20 μL，樣品分析時(shí)間為10 min。

質(zhì)譜條件：目標(biāo)物以ESI負(fù)離子掃描，采用多反應(yīng)監(jiān)測(MRM)模式對(duì)HMSAs進(jìn)行檢測，離子源溫度為500 ℃，噴霧電壓為-4 500 V，霧化氣和輔助霧化氣均為3.45×105Pa，碰撞氣和氣簾氣為0.28×105Pa，解簇電壓(Declustering potential，DP)、碰撞能量(Collision energy，CE)等優(yōu)化后的質(zhì)譜相關(guān)參數(shù)如表1所示。

1.3 樣品前處理

污水處理廠活性污泥冷凍干燥后，研磨過篩(50目)。準(zhǔn)確稱取1 g污泥樣品置于15 mL聚丙烯離心管中，加入萃取劑，搖床振蕩，離心(4 000 r/min)后收集上清液，氮吹至1 mL。取上清液用超純水稀釋至50 mL，使用WAX固相萃取小柱對(duì)其進(jìn)行凈化處理：WAX固相萃取柱先分別用1 mL 5%氨水甲醇溶液、1 mL 2%甲酸甲醇溶液和1 mL 20%二氯甲烷甲醇溶液(均為體積分?jǐn)?shù))進(jìn)行活化，再用3 mL超純水轉(zhuǎn)化成上樣狀態(tài)，樣品上樣速度為每秒1～2滴，上樣后抽干1 h，吸附于柱上的待測物分別用2 mL 5%氨水甲醇溶液、2 mL 2%甲酸甲醇溶液和2 mL 20%二氯甲烷甲醇溶液進(jìn)行解析，合并解析溶液，氮吹后再用乙腈定容至1 mL進(jìn)樣分析。

表1 HMSAs的質(zhì)譜檢測條件Table 1 The experimental conditions of mass spectrometry for HMSAs

*quantitative ion

進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)時(shí)，1 g污泥樣品中加入100 μL 50 μg·L-1的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液(Cl-MSA、Cl2-MSA、Cl3-MSA、Br-MSA和F3-MSA)，充分渦旋混勻，室溫老化2 h后，按照污泥樣品萃取方法進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 萃取劑及其pH值的選擇

2.1.1萃取劑的選擇鹵代甲基磺酸為水溶性強(qiáng)的有機(jī)污染物，常選用極性強(qiáng)的溶劑(甲醇、乙腈等)或其與水的混合溶液為萃取溶劑，本文考察了甲醇、乙腈、水、甲醇-水、乙腈-水、乙腈-甲醇(混合溶劑體積比均為1∶1) 6種溶劑對(duì)鹵代甲基磺酸的萃取效率。萃取劑每組做3個(gè)平行樣，按“1.3”萃取和凈化步驟對(duì)樣品進(jìn)行處理。

圖1 不同萃取劑對(duì)HMSAs的萃取效果Fig.1 Influence of different extractants on extraction efficiencies of HMSAs

6種萃取溶劑對(duì)鹵代甲基磺酸的萃取效率見圖1，以純甲醇、乙腈或甲醇-乙腈混合溶液為萃取劑時(shí)，萃取效率較差，平均萃取效率約為20%，不滿足檢測要求。萃取劑加水后萃取效率顯著提高，其中以甲醇-水(1∶1)的萃取效果最好，其對(duì)Cl-MSA、Cl2-MSA、Cl3-MSA、Br-MSA和F3-MSA的萃取效率分別為(48.4±2.8)%、(68.3±0.9)%、(81.0±4.8)%、(38.0±1.1)%和(99.1±1.2)%，其次是乙腈-水，其萃取效率為(31.7±1.2)%～(80.2±2.3)%，原因可能是甲醇的極性強(qiáng)于乙腈，鹵代甲基磺酸為強(qiáng)極性物質(zhì)，根據(jù)相似相溶原則，甲醇的提取效率優(yōu)于乙腈。若僅以水為萃取劑時(shí)，萃取效果較差，對(duì)三氯甲基磺酸的萃取效率低至(32.6±1.3)%。因此最終選取甲醇-水(1∶1)混合溶液為最佳萃取劑。

2.1.2萃取劑pH值的優(yōu)化以甲醇-水(1∶1)為萃取劑，考察了其pH值分別為3.0、5.0、7.0時(shí)對(duì)萃取效率的影響，結(jié)果表明pH值的改變對(duì)萃取效率影響微弱，但以pH值為中性時(shí)萃取效率更好，且不需調(diào)節(jié)pH值，操作簡單方便，故萃取劑的pH值選擇為中性。

2.2 提取方式的影響

以甲醇-水(1∶1)為萃取劑，考察了超聲和搖床振蕩兩種提取方式對(duì)萃取效率的影響。樣品前處理過程同上。實(shí)驗(yàn)分為3組，每組3個(gè)平行。第1組超聲提取1 h；第2組以350 r/min速度搖床振蕩提取1 h；第3組先超聲0.5 h，再搖床振蕩提取0.5 h。結(jié)果顯示，3組萃取方式對(duì)F3-MSA的萃取影響不大，其萃取效率分別為(96.5±7.8)%、(99.1±1.2)%和(98.3±1.9)%，但振蕩提取對(duì)其它4種HMSAs的效果較好，Cl-MSA、Cl2-MSA、Cl3-MSA和Br-MSA的萃取效率分別為(48.4±2.8)%、(68.3±0.9)%、(81.0±4.8)%和(38.0±1.1)%；因此本文最終選擇搖床振蕩提取方式。

2.3 萃取次數(shù)的優(yōu)化

對(duì)于難萃取樣品，適當(dāng)重復(fù)萃取次數(shù)有助于獲得滿意的萃取結(jié)果。本研究考察了萃取次數(shù)對(duì)萃取效率的影響，發(fā)現(xiàn)隨著萃取次數(shù)的增加，鹵代甲基磺酸的萃取效率較接近，萃取1次、2次和3次的總萃取效率分別為(38.0±1.0)%～(99.1±1.2)%、(39.8±5.8)%～(95.4±8.1)%和(35.0±3.4)%～(97.2±4.5)%?？紤]到操作方便和節(jié)約時(shí)間，實(shí)驗(yàn)最終選擇萃取1次。

2.4 解析溶劑的優(yōu)化

被吸附于固相萃取劑上的分析物能否高效解析，對(duì)于獲得準(zhǔn)確的分析結(jié)果至關(guān)重要?？紤]到目標(biāo)分析物均為強(qiáng)極性的小分子有機(jī)酸，采用以強(qiáng)極性的甲醇為主要成分的洗脫劑，并適當(dāng)調(diào)節(jié)酸堿度以獲得最佳洗脫效果。結(jié)果表明，依次用2 mL 5%氨水甲醇溶液、2 mL 2%甲酸甲醇溶液和2 mL 20%二氯甲烷甲醇溶液進(jìn)行洗脫后合并洗脫液的方法，可以獲得最佳效果。

圖2 HMSAs的色譜圖Fig.2 Chromatogram of HMSAs

2.5 方法評(píng)價(jià)

2.5.1線性關(guān)系與檢出限選用不含HMSAs的土壤樣品為基質(zhì)，加入一定量的標(biāo)準(zhǔn)溶液，使土壤樣品中的濃度分別為0.05、0.1、0.2、0.5、1、2、5、10、20、50 μg·kg-1，用優(yōu)化的樣品處理方法對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行萃取凈化后進(jìn)樣分析，以分析物的峰面積(y)為縱坐標(biāo)，以對(duì)應(yīng)的濃度(x)為橫坐標(biāo)繪制工作曲線。結(jié)果顯示，該方法對(duì)5種HMSAs在0.05～50 μg·kg-1范圍內(nèi)具有良好線性關(guān)系(r>0.991)，方法的檢出限(LOD，S/N=3)為0.003～0.018 μg·kg-1(干重)，定量下限(LOQ，S/N=10)為0.010～0.059 μg·kg-1(表2)。圖2為土壤樣品加標(biāo)5 μg·kg-1HMSAs的色譜圖。

表2 HMSAs的線性方程、相關(guān)系數(shù)、線性范圍、檢出限及定量下限Table 2 Linear equations，correlation coefficients(r)，linear ranges，LODs and LOQs of HMSAs

2.5.2回收率與相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差以不含HMSAs的土壤基質(zhì)進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，加標(biāo)水平為0.50、5.00、50 μg·kg-1，每組5個(gè)平行樣，加標(biāo)回收率和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)結(jié)果見表3。該方法的回收率為90.8%～114%，RSD為2.1%～9.8%，可以滿足環(huán)境研究工作的實(shí)際需求。

表3 HMSAs的加標(biāo)回收率及相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(n=5)Table 3 Recoveries and relative standard deviation of HMSAs(n=5)

2.6 實(shí)際樣品的分析

應(yīng)用本方法測定了北京市某城市污水處理廠二沉池回流污泥中HMSAs的含量，并進(jìn)行了加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)。選取3個(gè)污泥樣品，每個(gè)樣品平行處理5份，測得污泥中HMSAs的含量為1.33～3.68 μg·kg-1，加標(biāo)5.00 μg·kg-1時(shí)5種HMSAs的回收率為73.8%～101%，RSD為2.3%～12.5%。

3 結(jié) 論

通過對(duì)萃取溶劑、萃取方式和萃取次數(shù)等樣品前處理?xiàng)l件的優(yōu)化，確定了污泥樣品的最優(yōu)萃取條件，并通過與高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜結(jié)合，建立了污泥樣品中5種HMSAs的分析方法。該方法用于實(shí)際污泥樣品的分析，結(jié)果滿意。