衍生化—氣相色譜—質(zhì)譜法測定飲用水中的二甲胺*

石夢琦 李翠梅 朱君妍 張紹廣 孫 雯

(蘇州科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009)

亞硝胺類化合物是一種新興的飲用水消毒副產(chǎn)物(DBPs)，已被美國環(huán)境保護署(USEPA)列為可能的人類致癌物[1-3]。學(xué)者對我國飲用水系統(tǒng)中含氮消毒副產(chǎn)物(N-DBPs)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，水中的亞硝胺前體物濃度較高，此結(jié)果引起了國內(nèi)各界的關(guān)注[4]。這類DBPs是由含氮物質(zhì)通過亞硝化或氧化反應(yīng)生成的[5]，其中檢出最多、濃度最高的是N-亞硝基二甲胺 (NDMA)[6]，要控制這些DBPs形成，最有效的方法是盡量減少其來自水源的前體物[7-8]。研究表明，二甲胺(DMA)和DMA官能團的叔胺是N-DBPs的直接前體物[9-10]，其中DMA可與水中的氯、氯胺以及臭氧反應(yīng)生成NDMA[11-13]。目前，DMA常痕量存在于工業(yè)廢水、生活污水中，對環(huán)境和人類的健康帶來了威脅[14]。

DMA屬于有機胺中的脂肪胺，具有極性強、分子量低、親水性強等特點[15-17]，DMA常溫狀態(tài)下易揮發(fā)，若直接進樣檢測效果不理想，因此預(yù)處理需采用衍生化法將DMA與苯磺酰氯(BSC)反應(yīng)生成化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的二甲基苯磺酰胺(BSA)。目前，針對于DMA的檢測方法有分光光度法、液相色譜法和氣相色譜—質(zhì)譜(GC—MS)法等；其中分光光度法易受金屬離子等因素的干擾；液相色譜法基質(zhì)雜峰較多，分離效果不佳；GC—MS法靈敏度高、定量準確，適用于飲用水中痕量二級胺類物質(zhì)的檢測。但大部分研究檢出限為微克或毫克級別，本實驗采用衍生化—GC—MS法測定水中DMA的含量，對衍生化溫度、pH、反應(yīng)時間以及萃取劑用量進行了優(yōu)化選擇，通過減少實驗藥劑的使用量，增加萃取次數(shù)使預(yù)處理時間縮短，萃取更完全。在優(yōu)化檢測條件的基礎(chǔ)上，提高了檢測方法的精密度及回收率等，使檢出限突破了以往的微克級別，可以更加準確地檢測飲用水中DMA等二級胺類物質(zhì)含量。

1 材料與方法

1.1 主要材料

DMA溶液(質(zhì)量分數(shù)為33%)，二氯甲烷(DCM)、BSC、無水Na2SO4、NaHCO3、NaOH均為分析純。

1.2 主要儀器

7890型GC—MS儀，HH-6型磁力攪拌恒溫水浴鍋，Sartorius BT25S型微量天平，LDO-9240A型烘箱，SX751型便攜式多參數(shù)測量儀，HPS-3C型精密pH計，ZRXQ0150型純水/超純水裝置。

1.3 實驗條件

采用GC—MS檢測，其中色譜柱選用安捷倫HP-5系列的彈性石英毛細管柱，規(guī)格為30.0 m×0.25 mm×0.25 μm；色譜柱箱升溫過程：40 ℃保持5 min，以20 ℃/min的速率升溫至120 ℃(保持2 min)，然后再升溫至220 ℃，最后以10 ℃/min的速率升溫至300 ℃(保持1 min)。進樣口溫度280 ℃；柱前壓力80.3 kPa；載氣氮氣、氦氣的流量為1 mL/min；色譜檢測器電離電位為70 eV；質(zhì)譜檢測采用離子選擇模式(SIM)，由圖1可知特征離子質(zhì)荷比為77.1、141.0、185.0。

圖1 保留時間為10.345 min時衍生物BSA的定性離子圖Fig.1 Qualitative ion diagram of derivative BSA at a retention time of 10.345 min

1.4 實驗方法

本實驗使用BSC衍生化法[18]作為預(yù)處理方法，其原理是DMA與BSC發(fā)生衍生化反應(yīng)并生成BSA。實驗步驟為：(1)在250 mL錐形瓶中加入100 mL 2.00 ng/L的DMA標準溶液，再依次加入1 mL BSC和4 mL 400 g/L的NaOH，將密封好的錐形瓶在低溫(7 ℃)下攪拌30 min。(2)為了完全水解多余的BSC，需在充分反應(yīng)后加入5 mL 400 g/L的NaOH，在高溫狀態(tài)(80 ℃)下繼續(xù)攪拌30 min。當溶液冷卻至室溫后，調(diào)節(jié)pH為5.0～5.5。(3)依次加入20 mL DCM萃取2次，以去除多余的BSC，萃取后的有機相加入15 mL 4.2 g/L的NaHCO3溶液進行反萃取。(4)所得的有機相經(jīng)無水Na2SO4干燥后直接進樣，使用GC—MS儀進行檢測分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 最佳條件

2.1.1 衍生化溫度的影響

取2.00 ng/L的DMA標準溶液，考察溫度(50、60、70、80、90 ℃)對衍生化反應(yīng)的影響，反應(yīng)時間為30 min。由圖2可知，當衍生化溫度為50～80 ℃時，衍生物BSA的峰面積呈上升趨勢，當衍生化溫度達到80 ℃時，衍生物BSA的峰面積最大，若衍生化溫度過高，會加速水分揮發(fā)，影響后續(xù)的解析測定，同時對檢測儀器與色譜柱造成不利影響。因此，最佳的衍生化溫度為80 ℃。

圖2 溫度對衍生物BSA峰面積的影響Fig.2 Effect of temperature on the peak area of derivative BSA

2.1.2 pH的影響

取2.00 ng/L的DMA標準溶液，考察pH(3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0)對衍生化反應(yīng)的影響。由圖3可知，當pH為3.0～5.5時，隨著pH的增加，衍生物峰面積增加；當pH為5.5～7.0時，隨著pH的增加，衍生物峰面積減少。pH為5.0～5.5時，衍生物的檢測峰面積較大，反應(yīng)趨于平衡。因此，最佳pH為5.0～5.5。

圖3 pH對衍生物BSA峰面積的影響Fig.3 Effect of pH on the peak area of derivative BSA

2.1.3 反應(yīng)時間的影響

在預(yù)處理過程中，由于DMA在常溫狀態(tài)下易揮發(fā)，故將衍生化過程分為兩個階段：低溫反應(yīng)和高溫反應(yīng)。低溫反應(yīng)可以盡可能保存溶液中的DMA，高溫反應(yīng)會影響到衍生化是否完全。設(shè)置低溫反應(yīng)時間為10～30 min；高溫反應(yīng)時間為10～30 min，對兩個階段的反應(yīng)時間分別進行優(yōu)化，探索其最優(yōu)的時間分配。

取2.00 ng/L的DMA標準溶液，考察兩個階段不同的反應(yīng)時間對衍生化反應(yīng)的影響。由表1可知，低溫反應(yīng)與高溫反應(yīng)均為30 min時，衍生物BSA的峰面積最大，此時的衍生化反應(yīng)比其他條件下更完全，無逆反應(yīng)。因此，最佳的反應(yīng)時間為低溫反應(yīng)30 min，高溫反應(yīng)30 min。

表1 反應(yīng)時間對衍生化反應(yīng)的影響

2.1.4 萃取劑用量的影響

在預(yù)處理過程中，萃取劑用量主要影響衍生物的萃取率和保留效果。由于BSC衍生化法需進行兩次萃取，故在實驗中設(shè)置兩次萃取劑用量，探索萃取劑用量的最優(yōu)組合。

取2.00 ng/L的DMA標準溶液，考察兩次萃取劑用量對衍生化反應(yīng)的影響。由表2可知，當兩次萃取劑用量均為20 mL時，衍生物BSA的峰面積最大，此時萃取最完全。因此，兩次萃取劑用量均取20 mL為最佳。

2.2 標準曲線

取低濃度(100、200、300、500、800、1 000 pg/L)和高濃度(1.00、5.00、10.00、50.00、80.00、100.00 ng/L)的DMA標準溶液，采用經(jīng)優(yōu)化的衍生化條件預(yù)處理后進行GC—MS分析，實驗得出DMA標準溶液質(zhì)量濃度為100～1 000 pg/L時，其標準曲線的線性回歸方程為Y=89.691x-4 551.6，R2=0.999 8。DMA標準溶液質(zhì)量濃度為1.00～100.00 ng/L時，其標準曲線的線性回歸方程為Y=63 688x-13 994，R2=0.999 8?？梢奃MA含量與檢測到的峰面積在兩個濃度范圍內(nèi)均具有較好的線性關(guān)系。

表2 萃取劑用量對衍生化反應(yīng)的影響

2.3 方法檢出限

在優(yōu)化條件下，對5.00 ng/L的DMA標準溶液重復(fù)測定7次，算出方法檢出限為0.01 ng/L。

2.4 重復(fù)性實驗

在優(yōu)化條件下，取DMA為0.50、2.00、20.00 ng/L的樣品進行實驗，每個濃度重復(fù)測定7次，考察分析方法的相對標準偏差(RSD)。

由表3可知，RSD≤9.29%，滿足痕量分析中RSD≤15%的要求，表明優(yōu)化后的方法重現(xiàn)性較好。

表3 RSD結(jié)果

2.5 加標回收率

在已知濃度的樣品(DMA為3.00 ng/L)中分別加入不同濃度的DMA標準溶液，在相同的實驗條件下，經(jīng)衍生化預(yù)處理后，得出加標回收率為98.0%～102.4%(見表4)。

表4 加標回收率

3 結(jié) 語

(1) 衍生化—GC—MS法最佳衍生化溫度為80 ℃，最佳pH為5.0～5.5，最佳反應(yīng)時間為低溫反應(yīng)和高溫反應(yīng)均選擇30 min，最佳的萃取劑用量為兩次萃取劑用量均取20 mL。

(2) 衍生化—GC—MS檢測DMA的線性關(guān)系良好，且方法的檢出限為0.01 ng/L，RSD≤9.29%，加標回收率為98.0%～102.4%。

(3) 優(yōu)化后的衍生化—GC—MS法線性關(guān)系好、檢出限低、精密度及樣品的回收率高，可用于飲用水中DMA含量的測定。