城市污水处理厂污泥中卤代甲基磺酸的液相色谱-串联质谱分析方法研究

2018-10-25史亚利蔡亚岐何绪文

分析测试学报 2018年10期

刘凯，史亚利，蔡亚岐，何绪文*

(1.中国矿业大学(北京) 化学与环境工程学院，北京 100083；2.中国科学院生态环境研究中心环境化学与生态毒理学国家重点实验室，北京 100085)

消毒副产物(Disinfection by-products,DBPs)是指消毒剂对水体进行消毒时与水体中有机物反应生成的一系列副产物，其种类繁多，其中得到确认的有600多种[1]，这些DBPs大致可分成三卤甲烷[2](Trihalomethanes，THMs)、卤乙酸[3](Haloacetic acids，HAAs)、卤乙腈[4](Haloacetonitriles，HANs)和致诱变化合物[5]4类。它们对人体有不同程度的伤害，目前，流行病学研究和动物实验表明，THMs具有致突变和致癌性[6]；HANs在水中的质量浓度虽仅有ng·L-1至μg·L-1的水平，但其毒性比含碳DBPs更强[7]；HAAs具有生殖[8]和发育毒性[9]，其中二氯乙酸具有明显的神经毒性,可引起心脏畸形[10]。与饮用水相比，城市污水中有机物种类更多，数量更大[11]，经消毒处理后的消毒副产物变化也更加复杂[12]，而且污水中的有机物易于吸附在活性污泥中[13]。目前对污泥中的消毒副产物研究的报道极少，污水处理厂污泥再利用也常被认为是有关环境中有机污染物的来源之一。因此，研究污泥中消毒副产物的污染情况具有重要的现实意义。

卤代甲基磺酸(HMSAs)是新近报道的一类新型污染物，目前证实主要在城市自来水厂对饮用水进行消毒处理时产生，因此被认为是一类新型消毒副产物[14]。HMSAs和HAAs的分子结构十分相似，推测HMSAs很可能对人体有一定程度的伤害，但是目前对该类新型污染物的研究极少，只在欧洲部分国家和地区的饮用水中有少量检出的报道[15]，关于其分析方法及污染水平等的研究处于空白状态，我国目前尚无相关研究报道，因此从环境科学角度给予HMSAs以高度关注具有重要的现实意义。

灵敏、准确、高效的分析方法是开展HMSAs环境科学研究的前提，但目前尚缺乏污泥样品中HMSAs的分析方法。本文致力于研究适用于污泥中HMSAs的萃取和净化方法，并与高效液相色谱-串联质谱检测技术结合，建立了适用于实际污泥样品中HMSAs分析的有效方法。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

UltiMate 3000液相色谱仪，配有二元高压泵、自动进样器、柱温箱和Chromeleon软件(Themofisher Scientific Co.)，分析柱为Acclaim HILIC-10(3 μm，120 Å，3.0 mm×150 mm)。API3200三重四极杆串联质谱系统，配有电喷雾离子化源和Analyst 1.4.1工作站(美国应用系统生物公司)。DT5-2B型低速台式离心机(北京时代北利离心机有限公司)；KQ-500DE型数控超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司)；KS4000i控温摇床(德国IKA公司)；LGJ-12B型冷冻干燥机(北京松源华兴科技发展有限公司)；Milli-Q超纯水仪(美国Millipore公司)。

甲酸铵、氨水、二氯甲烷(色谱纯，AlfarAesar公司)；甲醇、乙腈(色谱纯，Fisher Scientific公司)；甲酸(色谱纯)、三氟甲基磺酸(>99%)和一溴甲基磺酸(>95%)均购自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%)均委托上海孜岚医药科技有限公司定制合成；Oasis WAX 6cc(150 mg)前处理柱(Waters公司)。

1.2 色谱与质谱条件

色谱条件：色谱柱为Acclaim HILIC-10(3 μm，3.0 mm×150 mm)，流动相为乙腈-100 mmol·L-1甲酸铵溶液(体积比95∶5，pH 6.5)，流速为0.3 mL/min，进样体积为20 μL，样品分析时间为10 min。

质谱条件：目标物以ESI负离子扫描，采用多反应监测(MRM)模式对HMSAs进行检测，离子源温度为500 ℃，喷雾电压为-4 500 V，雾化气和辅助雾化气均为3.45×105Pa，碰撞气和气帘气为0.28×105Pa，解簇电压(Declustering potential，DP)、碰撞能量(Collision energy，CE)等优化后的质谱相关参数如表1所示。

1.3 样品前处理

污水处理厂活性污泥冷冻干燥后，研磨过筛(50目)。准确称取1 g污泥样品置于15 mL聚丙烯离心管中，加入萃取剂，摇床振荡，离心(4 000 r/min)后收集上清液，氮吹至1 mL。取上清液用超纯水稀释至50 mL，使用WAX固相萃取小柱对其进行净化处理：WAX固相萃取柱先分别用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(均为体积分数)进行活化，再用3 mL超纯水转化成上样状态，样品上样速度为每秒1～2滴，上样后抽干1 h，吸附于柱上的待测物分别用2 mL 5%氨水甲醇溶液、2 mL 2%甲酸甲醇溶液和2 mL 20%二氯甲烷甲醇溶液进行解析，合并解析溶液，氮吹后再用乙腈定容至1 mL进样分析。

表1 HMSAs的质谱检测条件Table 1 The experimental conditions of mass spectrometry for HMSAs

*quantitative ion

进行加标回收实验时，1 g污泥样品中加入100 μL 50 μg·L-1的混合标准溶液(Cl-MSA、Cl2-MSA、Cl3-MSA、Br-MSA和F3-MSA)，充分涡旋混匀，室温老化2 h后，按照污泥样品萃取方法进行处理。

2 结果与讨论

2.1 萃取剂及其pH值的选择

2.1.1萃取剂的选择卤代甲基磺酸为水溶性强的有机污染物，常选用极性强的溶剂(甲醇、乙腈等)或其与水的混合溶液为萃取溶剂，本文考察了甲醇、乙腈、水、甲醇-水、乙腈-水、乙腈-甲醇(混合溶剂体积比均为1∶1) 6种溶剂对卤代甲基磺酸的萃取效率。萃取剂每组做3个平行样，按“1.3”萃取和净化步骤对样品进行处理。

图1 不同萃取剂对HMSAs的萃取效果Fig.1 Influence of different extractants on extraction efficiencies of HMSAs

6种萃取溶剂对卤代甲基磺酸的萃取效率见图1，以纯甲醇、乙腈或甲醇-乙腈混合溶液为萃取剂时，萃取效率较差，平均萃取效率约为20%，不满足检测要求。萃取剂加水后萃取效率显著提高，其中以甲醇-水(1∶1)的萃取效果最好，其对Cl-MSA、Cl2-MSA、Cl3-MSA、Br-MSA和F3-MSA的萃取效率分别为(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，其萃取效率为(31.7±1.2)%～(80.2±2.3)%，原因可能是甲醇的极性强于乙腈，卤代甲基磺酸为强极性物质，根据相似相溶原则，甲醇的提取效率优于乙腈。若仅以水为萃取剂时，萃取效果较差，对三氯甲基磺酸的萃取效率低至(32.6±1.3)%。因此最终选取甲醇-水(1∶1)混合溶液为最佳萃取剂。

2.1.2萃取剂pH值的优化以甲醇-水(1∶1)为萃取剂，考察了其pH值分别为3.0、5.0、7.0时对萃取效率的影响，结果表明pH值的改变对萃取效率影响微弱，但以pH值为中性时萃取效率更好，且不需调节pH值，操作简单方便，故萃取剂的pH值选择为中性。

2.2 提取方式的影响

以甲醇-水(1∶1)为萃取剂，考察了超声和摇床振荡两种提取方式对萃取效率的影响。样品前处理过程同上。实验分为3组，每组3个平行。第1组超声提取1 h；第2组以350 r/min速度摇床振荡提取1 h；第3组先超声0.5 h，再摇床振荡提取0.5 h。结果显示，3组萃取方式对F3-MSA的萃取影响不大，其萃取效率分别为(96.5±7.8)%、(99.1±1.2)%和(98.3±1.9)%，但振荡提取对其它4种HMSAs的效果较好，Cl-MSA、Cl2-MSA、Cl3-MSA和Br-MSA的萃取效率分别为(48.4±2.8)%、(68.3±0.9)%、(81.0±4.8)%和(38.0±1.1)%；因此本文最终选择摇床振荡提取方式。

2.3 萃取次数的优化

对于难萃取样品，适当重复萃取次数有助于获得满意的萃取结果。本研究考察了萃取次数对萃取效率的影响，发现随着萃取次数的增加，卤代甲基磺酸的萃取效率较接近，萃取1次、2次和3次的总萃取效率分别为(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)%。考虑到操作方便和节约时间，实验最终选择萃取1次。

2.4 解析溶剂的优化

被吸附于固相萃取剂上的分析物能否高效解析，对于获得准确的分析结果至关重要。考虑到目标分析物均为强极性的小分子有机酸，采用以强极性的甲醇为主要成分的洗脱剂，并适当调节酸碱度以获得最佳洗脱效果。结果表明，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%二氯甲烷甲醇溶液进行洗脱后合并洗脱液的方法，可以获得最佳效果。

图2 HMSAs的色谱图Fig.2 Chromatogram of HMSAs

2.5 方法评价

2.5.1线性关系与检出限选用不含HMSAs的土壤样品为基质，加入一定量的标准溶液，使土壤样品中的浓度分别为0.05、0.1、0.2、0.5、1、2、5、10、20、50 μg·kg-1，用优化的样品处理方法对目标物进行萃取净化后进样分析，以分析物的峰面积(y)为纵坐标，以对应的浓度(x)为横坐标绘制工作曲线。结果显示，该方法对5种HMSAs在0.05～50 μg·kg-1范围内具有良好线性关系(r>0.991)，方法的检出限(LOD，S/N=3)为0.003～0.018 μg·kg-1(干重)，定量下限(LOQ，S/N=10)为0.010～0.059 μg·kg-1(表2)。图2为土壤样品加标5 μg·kg-1HMSAs的色谱图。

表2 HMSAs的线性方程、相关系数、线性范围、检出限及定量下限Table 2 Linear equations，correlation coefficients(r)，linear ranges，LODs and LOQs of HMSAs

2.5.2回收率与相对标准偏差以不含HMSAs的土壤基质进行加标回收实验，加标水平为0.50、5.00、50 μg·kg-1，每组5个平行样，加标回收率和相对标准偏差(RSD)结果见表3。该方法的回收率为90.8%～114%，RSD为2.1%～9.8%，可以满足环境研究工作的实际需求。

表3 HMSAs的加标回收率及相对标准偏差(n=5)Table 3 Recoveries and relative standard deviation of HMSAs(n=5)

2.6 实际样品的分析

应用本方法测定了北京市某城市污水处理厂二沉池回流污泥中HMSAs的含量，并进行了加标回收实验。选取3个污泥样品，每个样品平行处理5份，测得污泥中HMSAs的含量为1.33～3.68 μg·kg-1，加标5.00 μg·kg-1时5种HMSAs的回收率为73.8%～101%，RSD为2.3%～12.5%。