氣相色譜-負(fù)化學(xué)源質(zhì)譜法測定船舶壓載水中4種三鹵甲烷

胡國紳, 王 紅, 余可垚, 沈偉健*, 侯 燕, 季美泉, 朱一鳴, 田 雯, 李錫東

(1.南京海關(guān)動植物與食品檢測中心,江蘇 南京 210019;2.江陰海關(guān)綜合技術(shù)服務(wù)中心,江蘇 江陰 214440)

船舶壓載水是指控制船舶橫傾、縱傾和吃水的一種水,能夠保證船舶在航行過程中的平衡與穩(wěn)定,對船舶的安全航行有著至關(guān)重要的作用[1,2]。船舶通常需要在港口水域或者海水水域,將壓載水壓入或排出船艙。當(dāng)船舶壓入壓載水后,水中含有的浮游動植物、微生物、有機污染物以及無機污染物也隨之進入壓載艙中[2]。當(dāng)船艙內(nèi)的壓載水被排出時,這些有害物質(zhì)也隨之排放至異地海域,若處理不當(dāng),將對排放海域的生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重影響[3]。

統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示[4],每年約有30～50億立方米的船舶壓載水被排放至近?；騼?nèi)陸水域,對排放地的生態(tài)影響不容小覷。國際組織高度重視壓載水對生態(tài)環(huán)境的影響,2004年國際海事組織(IMO)通過了《國際船舶壓載水和沉積物控制與管理公約》[1],于2017年9月8日正式生效。我國在2018年10月22日正式加入《國際船舶壓載水和沉積物控制與管理公約》,該公約于2019年1月22日起對我國正式生效。各航運國也紛紛開展了對船舶壓載水處理和分析技術(shù)的研究。

電解法是一種處理壓載水的方法之一,是將海水引入電解裝置,電解產(chǎn)生高濃度的次氯酸鈉溶液,其能夠有效殺滅經(jīng)過濾后殘余的浮游生物、病原體及其幼蟲或孢子等。目前電解法技術(shù)已經(jīng)很成熟,在工業(yè)用水、生活用水以及廢水處理上被廣泛運用,但是電解可能產(chǎn)生副產(chǎn)物,例如三鹵甲烷[2]。

三鹵甲烷包括三氯甲烷(CHCl3)、二氯一溴甲烷(CHCl2Br)、一氯二溴甲烷(CHClBr2)和三溴甲烷(CHBr3)。壓載水被電解后產(chǎn)生的三鹵甲烷,其形成原理與飲用水消毒時三鹵甲烷的生成原理類似,都是由氯及其化合物與水中的天然有機物反應(yīng)而生成[5]。三鹵甲烷具有細(xì)胞毒性和生物毒性,對人體有一定的健康風(fēng)險。有研究表明,三鹵甲烷會導(dǎo)致胎兒生長遲緩、自然流產(chǎn)和死亡等不良后果,同時飲用水中的三鹵甲烷濃度與膀胱癌死亡風(fēng)險有著密切關(guān)系[6,7]。因此世界各國都對飲用水中三鹵甲烷的含量做了嚴(yán)格規(guī)定,我國頒布了GB 5749-2016《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》,規(guī)定了飲用水中三氯甲烷、二氯一溴甲烷、一氯二溴甲烷和三溴甲烷的限量分別為60、100、60、100 μg/L[8]。我國CJ/T 206-2005《城市供水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》也規(guī)定了三鹵甲烷總量的限量(100 μg/L)[9]。美國環(huán)保署(USEPA)也規(guī)定了飲用水中的三鹵甲烷總和不得超過80 μg/L[9]。目前尚無船舶壓載水中三鹵甲烷的標(biāo)準(zhǔn)限量規(guī)定。

目前,水中三鹵甲烷的測定多采用氣相色譜法(配備電子俘獲檢測器(ECD))[10,11]和氣相色譜-質(zhì)譜法[12,13],前處理方法多是根據(jù)三鹵甲烷沸點較低的特點而采用頂空進樣技術(shù)[14,15]和吹掃捕集法[12,13]。頂空進樣技術(shù)操作簡單,穩(wěn)定性好,吹掃捕集較頂空技術(shù)相比,具有取樣量小和富集效果好的特點,但儀器設(shè)備成本遠高于頂空進樣技術(shù)[14,16]。氣相色譜儀(配備ECD)對具有電負(fù)性的化合物會產(chǎn)生信號,且化合物的電負(fù)性越強,響應(yīng)就越大,適用于含有鹵素元素的三鹵甲烷[17]。但氣相色譜儀的定性能力較差,對于壓載水這類復(fù)雜的基質(zhì)往往會因為基質(zhì)干擾的問題造成假陽性。而質(zhì)譜技術(shù)因其定性能力強的特點,已被廣泛運用。根據(jù)已有文獻[12,13],水中的三鹵甲烷在采用氣相色譜-質(zhì)譜法測定時,大多使用電子轟擊(EI)離子化技術(shù),但該技術(shù)容易受到復(fù)雜的基質(zhì)成分以及色譜柱流失的干擾造成定量不準(zhǔn)確。從三鹵甲烷的分子結(jié)構(gòu)來看,這類化合物均含有氯原子及溴原子,因而可以采用負(fù)化學(xué)源(NCI)作為電離方式。因為NCI作為一種軟電離技術(shù)僅對具有電負(fù)性元素或基團的化合物有響應(yīng),且隨著電負(fù)性的增加,其響應(yīng)也顯著增強,但對基質(zhì)成分和柱流失幾乎沒有響應(yīng),具有較強的抗干擾能力[18],適用于壓載水中三鹵甲烷的測定。本研究采用頂空進樣與NCI-GC-MS在線聯(lián)用檢測技術(shù),建立了測定壓載水中4種三鹵甲烷的分析測定方法。

1 實驗部分

1.1 儀器、試劑與材料

6890N-5973C氣相色譜-質(zhì)譜儀(配有NCI),7697A頂空進樣器,頂空進樣瓶及帶聚四氟乙烯襯墊螺口瓶蓋,均購自美國Agilent Technologies公司。

4種三鹵甲烷混合標(biāo)準(zhǔn)溶液(100 μg/mL,壇墨質(zhì)檢科技股份有限公司),甲醇(色譜純,美國HoneyWell公司),氯化鈉(分析純,國藥集團化學(xué)試劑有限公司)于使用前400 ℃烘烤4 h。

船舶電解壓載水樣品來源于江陰海關(guān)綜合技術(shù)服務(wù)中心,取樣自國內(nèi)港口。樣品取樣完成后均在實驗前密封避光,4 ℃冷藏儲存。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

標(biāo)準(zhǔn)儲備液:準(zhǔn)確吸取1 mL 100 μg/mL的4種三鹵甲烷混合標(biāo)準(zhǔn)溶液于10 mL棕色容量瓶中,用甲醇定容至刻度線,配制成質(zhì)量濃度為10 μg/mL的混合標(biāo)準(zhǔn)儲備液,4 ℃條件下避光保存,有效期為3個月。

標(biāo)準(zhǔn)中間溶液:準(zhǔn)確移取上述4種三鹵甲烷標(biāo)準(zhǔn)儲備液1.0 mL于10 mL棕色容量瓶中,用甲醇定容至刻度線,配制成質(zhì)量濃度為1 μg/mL的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液,4 ℃條件下避光保存,有效期為3個月。

系列標(biāo)準(zhǔn)工作液:分別準(zhǔn)確吸取適量混合標(biāo)準(zhǔn)中間液,用蒸餾水稀釋配制成0.2、0.5、2、5、10、50 μg/L系列標(biāo)準(zhǔn)工作液,需現(xiàn)用現(xiàn)配。

1.3 樣品采集及前處理

采樣時,先加入0.3 g抗壞血酸于150 mL棕色采樣瓶中,取水樣至滿瓶,加蓋密封,4 ℃條件下避光保存,7 天內(nèi)完成測定。

準(zhǔn)確量取10 mL樣品于頂空瓶中,并加入3 g氯化鈉固體后,迅速蓋上頂空瓶蓋,待分析。若分析結(jié)果超出線性范圍,則使用蒸餾水適當(dāng)稀釋后,再按照上述步驟進行前處理后,待儀器分析。

1.4 分析條件

1.4.1氣相色譜

色譜柱:Agilent DB-5MS UI石英毛細(xì)管色譜柱(30 m×0.25 mm×1.0 μm);進樣口溫度:230 ℃;柱流速:1.0 mL/min;進樣方式:脈沖分流進樣,分流比25∶1;載氣:高純氦氣(純度≥99.999%);程序升溫條件:35 ℃保持3 min,30 ℃/min升至125 ℃保持1 min,40 ℃/min升至230 ℃保持5 min;傳輸線溫度:250 ℃。

1.4.2頂空進樣

平衡溫度:60 ℃;定量環(huán)溫度:70 ℃;傳輸線溫度:80 ℃;加熱時間:30 min;進樣量:800 μL。

1.4.3質(zhì)譜

離子源:負(fù)化學(xué)源;離子源溫度:150 ℃;四極桿溫度:150 ℃;反應(yīng)氣:甲烷(>99.9%),流量2 mL/min;離子化電壓由自動調(diào)諧后得到;采集方式:選擇離子監(jiān)測(SIM)模式,具體參數(shù)見表1。

表1 4種三鹵甲烷的保留時間、定量離子和定性離子Table 1 Retention times,quantitative ions,and qualitative ions of the four trihalomethanes (THMs)

2 結(jié)果與討論

2.1 儀器方法的選擇

目前未見采用GC-NCI-MS測定三鹵甲烷的相關(guān)文獻。根據(jù)三鹵甲烷的分子結(jié)構(gòu),采用負(fù)化學(xué)源測定時,其抗干擾能力和靈敏度會優(yōu)于氣相色譜-質(zhì)譜法(EI源)和氣相色譜法(配備ECD)[18]。本研究采用1.4.2節(jié)頂空進樣參數(shù)處理壓載水加標(biāo)樣品,采用GC-NCI-MS技術(shù)進行分析,得到的總離子流色譜圖見圖1。4種三鹵甲烷不僅得到了較好的分離,而且在0.2 μg/L水平下依舊能夠得到較高的響應(yīng)。

圖1 船舶壓載水加標(biāo)樣品(0.2 μg/L)中4種三鹵甲烷的總離子流色譜圖Fig.1 TIC chromatogram of the four THMs in ship ballast water spiked with mixed standard solution (0.2 μg/L)

2.2 前處理條件的優(yōu)化

2.2.1氯化鈉的加入量

在壓載水樣品中加入適量的氯化鈉,能夠減少水相中三鹵甲烷的溶解度,提高氣相中三鹵甲烷的濃度,從而提高分析的靈敏度。本研究分別在10 mL壓載水加標(biāo)樣品中加入0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 g的氯化鈉,GC-NCI-MS分析后記錄每個樣品的峰面積,氯化鈉加入量和峰面積關(guān)系見圖2?？梢园l(fā)現(xiàn),當(dāng)氯化鈉加入量由0.5 g不斷增加時,4種三鹵甲烷的峰面積起初均明顯增加,當(dāng)氯化鈉的加入量為3.0 g時,樣品中的氯化鈉處于飽和狀態(tài),此時4種三鹵甲烷的峰面積趨于穩(wěn)定,繼續(xù)增加氯化鈉的加入量后,4種三鹵甲烷的峰面積不再明顯增加,故選取3.0 g的加入量最為合適。

圖2 4種三鹵甲烷峰面積與氯化鈉加入量的關(guān)系Fig.2 Relationship between peak areas of the four THMs and sodium chloride addition amount

2.2.2保存方式對三鹵甲烷的影響

所有船舶壓載水樣品均在采樣時加入了適量的抗壞血酸,并置于棕色玻璃瓶中,冷藏避光保存。本研究考察了船舶壓載水中三鹵甲烷含量與放置天數(shù)的關(guān)系,分別于第1、2、3、4、5、6、7天測定了船舶壓載水中三鹵甲烷含量,實驗結(jié)果見表2?？梢钥闯?在前4天三鹵甲烷的測定值較為穩(wěn)定,第5天后三鹵甲烷的測定值發(fā)生較明顯的變化,但變化不大,變化的差值與第一天數(shù)值相比小于10%。由此可以看出,船舶壓載水中三鹵甲烷在7天內(nèi)檢測是可以的,在前4天檢測測定值最為穩(wěn)定。

表2 4種三鹵甲烷含量與放置天數(shù)的關(guān)系Table 2 Relationship between contents of four THMs and storage period

2.3 方法學(xué)驗證

2.3.1標(biāo)準(zhǔn)曲線、檢出限和定量限

采用外標(biāo)法定量,以定量離子的峰面積為縱坐標(biāo)(y),工作溶液的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)(x),建立線性回歸方程,回歸方程與相關(guān)系數(shù)見表3,結(jié)果顯示,r為0.995 6～0.999 8,表明4種THMs在0.2～50 μg/L范圍內(nèi)線性關(guān)系良好。以信噪比(S/N)=3確定檢出限,S/N=10確定定量限,得到儀器的檢出限為0.02～0.06 μg/L,定量限為0.1～0.2 μg/L,見表3。GB/T 5750.8-2006《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗方法有機物指標(biāo)》中三鹵甲烷的定量限為0.3～6.0 μg/L,由此看出本研究大大降低了三鹵甲烷的定量限,有著更好的靈敏度。

表3 4種三鹵甲烷的回歸方程、相關(guān)系數(shù)、檢出限和定量限Table 3 Regression equations,correlation coefficients (r),LODs,and LOQs of the four THMs

2.3.2加標(biāo)回收率與精密度

選取船舶壓載水陰性樣品進行加標(biāo)回收試驗。分別添加混合標(biāo)準(zhǔn)溶液,添加水平為0.2、0.5、2.0 μg/L,每個添加水平做6個平行樣品。按照1.3節(jié)前處理條件處理后,采用GC-NCI-MS技術(shù)測定。計算平均回收率與相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)。結(jié)果顯示,船舶壓載水中4種THMs的平均回收率為90.3%～106.8%,RSD為1.4%～6.2%,見表4。

表4 船舶壓載水中4種三鹵甲烷在3個水平下的加標(biāo)回收率和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(n=6)Table 4 Recoveries and RSDs of the four THMs in ship ballast water at three spiked levels (n=6)

2.4 實際樣品分析

本研究按照已建立的分析方法,對36個壓載水樣品(電解水)進行測定,結(jié)果顯示三溴甲烷的檢出率最高,為83.3%,測定值為34.25～221.5 μg/L,其次是二溴一氯甲烷,檢出率為69.4%,測定值為3.52～41.87 μg/L,一溴二氯甲烷與三氯甲烷的檢出率相對較低,分別為22.2%和19.4%,測定值為1.52～8.56 μg/L和0.02～5.46 μg/L。從結(jié)果來看,三溴甲烷的檢出率和檢出值大于二溴一氯甲烷、一溴二氯甲烷、三氯甲烷。目前尚未有針對海水電解后三鹵甲烷生成機理的深入研究。根據(jù)已有文獻可以發(fā)現(xiàn)[19-21],影響三鹵甲烷生成的因素包括三鹵甲烷前體的類型和濃度、氯的含量、溫度、pH、溴化物濃度、反應(yīng)時間以及光照條件等。同時,不同的研究者都根據(jù)自己的實驗結(jié)果,建立了三鹵甲烷生成機理的一元或多元的數(shù)學(xué)模型。這些數(shù)學(xué)模型反應(yīng)機理并不完全一致,但都能解釋一定的實驗現(xiàn)象。若要解釋電解后的海水中三鹵甲烷的生成機理,還需要進一步研究。

3 結(jié)論

本研究采用頂空進樣技術(shù)進行前處理,利用氣相色譜-負(fù)化學(xué)源質(zhì)譜技術(shù)測定船舶壓載水(電解水)中4種三鹵甲烷的含量,同時也能夠滿足飲用水中三鹵甲烷的測定要求。因負(fù)化學(xué)源僅對壓載水中含有電負(fù)性較強的氯原子或溴原子的三鹵甲烷有專屬響應(yīng),氣相色譜-負(fù)化學(xué)源質(zhì)譜法體現(xiàn)出了高選擇性和高靈敏度。

通過分析多個船舶壓載水樣品(電解水),發(fā)現(xiàn)了三鹵甲烷中溴原子越多的化合物,在船舶壓載水中檢出率和檢出值就越大。相較于三氯甲烷,三溴甲烷的毒性更高,對生物的危害性更大。我國在加入《國際船舶壓載水和沉積物控制與管理公約》后,盡早建立靈敏度高、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高的分析方法,并制定出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī),才能走在各航運國的前列,也能夠為國內(nèi)壓載水處理商提供技術(shù)支持。