摘 要 近年來，N-亞硝胺因其致癌性在水處理中引起了廣泛關(guān)注，其為氯消毒或臭氧消毒產(chǎn)生的副產(chǎn)物。本試驗建立了固相萃取-氣相色譜串聯(lián)質(zhì)譜( SPE-GC-MS /MS) 方法檢測飲用水中 9 種亞硝胺類物質(zhì)。結(jié)果表明，在最佳萃取條件、最優(yōu)儀器參數(shù)下，9 種 N-亞硝胺含量在 1. 0 ～ 20 ng /L，采用內(nèi)標(biāo)法的線性相關(guān)系數(shù) R2 為 0. 992 ～ 0. 999，最低檢出限為 0. 3 ng /L。該檢測方法靈敏度高、最低檢出限低，適用于飲用水中的 N-亞硝胺的檢測。

　　關(guān)鍵詞 N-亞硝胺 固相萃取 氣相色譜串聯(lián)質(zhì)譜儀 飲用水

　　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。對于不同的進樣方式，采 用 LC 進 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)進行評價，為該水廠的工藝進一步優(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。

　　進樣口溫度為 240 ℃，采用不分流進樣。

　　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 作為色譜柱進行 9 種 N-亞硝胺類化合物色譜分離條件試驗。

　　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

　　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

　　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)。

　　參考文獻

　　[1] 楚文海，高乃云，DENG Y.飲用水新型 N-DBPs 類別及毒理學(xué)評價[J].現(xiàn)代化工，2009，29( 2) : 86-89.

　　[2] RICHARDSON S D. Water analysis: Emerging contaminants and current issues[J]. Analytical Chemistry，2009，81 ( 12 ) : 4645-4 677.

　　[3] TRAIF K，WEILAND S，BUNGERS M，et al. Exposure to hish concentrations of nitrosamines and cancer mortality among a cohort of rubber workers[J]. Occupation and Environmental Medicine， 2000，57( 3) : 180-187.

　　[4] CHOI J H，VALENTINE R L. Formation of N-nitrosodimethylamine ( NDMA) from reaction of monochloramine: A new disinfection by-product[J]. Water Research，2002，36 ( 4) : 817-824.

　　[5] SCHREIBER I M，MITCH W A. Nitrosamine formation pathway revisited: The importance of dichloramine and dissolved oxygen [J]. Environmental Science and Technology，2006，40 ( 19) : 6007-6014.

　　[6] ANDRZEJEWSKI P，KASPRZYK-HORDERN B，NAWROCKI J. N-nitrosodimethylamine ( NDMA) formation during ozonation of dimethylamine-containing waters[J]. Water Research，2008，42 ( 4-5) : 863-870.

　　[7] MARTI E J，PISARENKO A N，PELLER J R，et al. N-nitrosodimethylamine ( NDMA) formation from the ozonation of model compounds[J]. Water Research，2015，72( 4) : 262-270.

　　[8] BOUGEARD C M，GOSLAN E H，JEFFERSON B，et al. Comparison of the disinfection by-product formation potential of treated waters exposed to chlorine and monochloramine[J]. Water Research，2010，44( 3) : 729-740.

　　[9] NAWROCKI J，ANDRZEJEWSKI P. Nitrosamines and water[J]. Journal of Hazardous Materials，2011，189( 1-2) : 1-18.

　　[10] BEI E，SHU Y，LI S，et al. Occurrence of nitrosamines and their precursors in drinking water systems around mainland China. Water Research，2016，50( 1) : 168-175.

　　[11] RICHARDSON S D. Environmental mass spectrometry: Emerging contaminants and current issues[J]. Analytical Chemistry，2010， 82( 12) : 4742-4774.

　　[12] BARRETT S，HWANG C，CARRIE G Y，et al. Occurrence of NDMA in drinking water: A North American survey[C]. AWWA Annual Conference，2003.

　　[13] 陸蔭，黃維，付寧，等.氣相色譜法測定水中的亞硝胺[J].甘肅科技，2014，30( 23) : 71-74.

　　[14] 李婷，鮮啟鳴. GC-EI/MS 同時測定水中 9 種 N-亞硝胺[J].中國測試，2013，39( 4) : 40-44.

　　[15] 呂娟，李詠梅.NDMA 在水處理過程中產(chǎn)生與去除的研究進展[J].水資源與水工程學(xué)報，2011，22( 3) : 58-67.

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