一种测定水中痕量含氮消毒副产物二甲基亚硝胺的方法

摘要

本发明属于环境保护和水处理技术领域，公开了一种测定水中痕量含氮消毒副产物二甲基亚硝胺的方法，该方法包括以下步骤：1)水样酸化预处理；2)固相萃取材料的酸化、干燥与装填；3)控制固相萃取过程、洗脱及净化洗脱液；4)样品的自然挥发与定容控制；5)应用液相色谱质谱技术分析二甲基亚硝胺，取得测定结果。本发明方法与国际上现有的测试方法相比，该方法具有快速、简便，有毒有害有机溶剂使用量很少，分析准确等特点。

说明书

技术领域

本发明属于环境保护和水处理技术领域，涉及一种测定水中痕量含氮消毒副产物二甲基 亚硝胺(NDMA)的方法。

背景技术

二甲基亚硝胺(NDMA)是近来在美国和加拿大等地的饮用水中广泛检出的一种新的氯化 消毒副产物。水中NDMA最早是1989年在加拿大Ontario省Ohsweken区的一座采用氯胺消毒的 自来水厂中被发现，接着在其它几座采用相同消毒工艺的水厂中也检测到了NDMA。目前在 美国、加拿大、欧洲等水厂都有NDMA检出的报导。调查发现，采用化合氯消毒的水厂，甚至采 用离子交换工艺的水厂中也检测出了该物质[Choi J，Valentine R L.Formation of  N-nitrosodimethylamine(NDMA)from reaction of monochloramine：a new disinfection  by-product[J].WaterRes，2002，36(4)，817-824.]。美国EPA将其列为200种致癌物质之一[USEPA. Integrated Risk Information Service[R].USA：United States Environmental Protection Agency， Office of Research and Development，National Center for Environmental Assessment，1991.]，其致 癌等级为2级，在暴露浓度仅为0.7ng/L的条件下，理论致癌风险系数可达到10^-6。

通常饮用水中NDMA的浓度均在ng/L的水平，常规检测方法普遍通过液液萃取或固相 萃取进行水样浓缩，然后再由色谱-质谱联用仪进行分离和定量[Charrois J W A，Arend M W， Froese K L，Hrudey S E.Detecting N-nitrosamines in drinking water at nonogram per litre levels  using ammonia positive chemical ionization[J].Environ Sci Technol，2004，38(21)：4835-4841.]。 2004年，美国环保局(USEPA)公布了饮用水中亚硝胺类物质的检测方法[EPA/600/R-05/054， Determination of Nitrosamines in Drinking Water by Solid Phase Extraction and Capillary Column  Gas Chromatographywith Large Volume Injection and Chemical Ionization Tandem Mass  Spectrometry(MS/MS)[S].]固相萃取/毛细管气相色谱/化学电离源质谱法。该方法采用Lichrolut  EN和Ambersorb 572作为固相萃取吸附剂，NDMA-d6为内标物，其分析检测限(DL)为0.28 ng/L，报告检测限(RDL)为1.6ng/L。安大略省环境部(OME)于同一年公布了检测饮用水中 NDMA测定方法[OME.The Determination of N-nitrosodimethylamine(NDMA)in Water bv Gas  Chromatography high Resolution Mass Spectrometry(GC-HRMS)[R].Canada：On-tarioMinistry  of Environment，2004.]，固相萃取采用Ambersorb 572作为吸附剂，用二氯甲烷进行洗提，通过 气相色谱和高分辨质谱法完成分离和定量，其检测限(DL)为0.4ng/L，报告检测限(RDL)为1.0 ng/L。据报道，这些方法存在回收率低、测量精度稳定性不好、检测周期较长、操作步骤复 杂等问题[Cheng R C.AlternativeMethods for the Analysis of NDMA and Other Nitrosamines in  Water and Wastewater，ReportWRF-01-001[R].Long Beach，California：Water Reuse Foundation， 2006.]。

发明内容

针对目前常规检测方法回收率低、检测周期较长、操作步骤复杂等问题，本发明的目的 是提供一种测定水中痕量含氮消毒副产物二甲基亚硝胺(NDMA)的方法；该方法操作简单、 测量精度高、可有效降低检测周期。

本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种测定水中痕量含氮消毒副产物二甲基亚硝胺的方法，该方法包括以下 步骤：1)水样酸化预处理；2)固相萃取材料的酸化、干燥与装填；3)控制固相萃取过程、 洗脱及净化洗脱液；4)样品的自然挥发与定容控制；5)应用液相色谱质谱技术分析二甲基 亚硝胺，取得测定结果。

所述的水样选自地表水、地下水或饮用水。

所述的步骤1)中水样酸化预处理前进一步包括颗粒物去除步骤。

所述的水样中颗粒物去除方法为：用孔径≤0.45μm的膜过滤，除去颗粒性杂质，滤膜的 材质选用醋酸纤维膜或聚醚砜膜。

所述的步骤1)中酸化预处理方法为：收集过滤后水样至500mL或1000mL，然后加入 硫酸或氢氧化钠调节PH值至6～8，然后将水样放置于棕色瓶内并采用避光措施。

所述的步骤2)中，固相萃取材料采用木质粉末活性炭，其平均粒经≤40μm。

所述的步骤2)中固相萃取材料的酸化是采用pH为2.3的硫酸酸性水酸化。

所述的步骤2)中固相萃取材料的干燥是将酸化后固相萃取材料在烘箱中105℃烘干。

所述的步骤2)中固相萃取材料的装填方法为：用天平称取1g烘干后的固相萃取材料， 装填入6mL的高分子聚乙烯的固相萃取(SPE)空柱中，筛板采用超高分子量聚乙烯材质， 填紧并压实。

所述的步骤3)中控制固相萃取过程的方法为：调节SPE装置的真空度，使得水样的滤 速为2～5mL/min，通过装填好的SPE空柱；水样过滤过程中应避免出现断流现象。

所述的步骤3)中洗脱的方法为：采用2ml乙腈，两次-2ml甲醇，两次-2ml丙酮，两次 洗脱，抽干前溶剂在柱内浸泡3～4min，确保每次加入溶剂前柱子彻底抽干。

所述的步骤3)中净化洗脱液的方法为：在萃取小柱下添加florisil柱(弗洛里硅土小柱)， 规格为0.5g×3mL，使得溶剂在流经florisil柱时，溶剂中可能含有的杂质得以去除。

所述的步骤4)中样品的自然挥发与定容控制方法为：采用带刻度锥形管盛装洗脱液， 并放在35～40℃沙浴中，避光自然挥发至1mL，准确记录最终体积。

所述的步骤5)中液相色谱质谱技术采用ESI源三重四级杆液相色谱质谱联用仪，色谱 柱为C8和C18分离柱，流动相采用为甲醇+2mmol/L醋酸铵，流速为150μL/min，进样体 积为50μL，总分析时间为10min；质谱的离子喷射电压为4500kv，离子源温度为350℃， NDMA的监测离子定量结果为m/z 75-43和定性结果为m/z 75-58，内标物NDMA-d6的监 测离子为m/z 81-46。

所述的步骤5)中，仪器测定值为本测定方法通过浓缩得到的水样中二甲基亚硝胺的浓度， 实际水样二甲基亚硝胺浓度为仪器测定值除以浓缩倍数。

本发明同现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

1、通过本发明的测定方法，可有效提高水中痕量NDMA的萃取效率，同时大大降低液 质分析过程中的基质干扰，保证测试的精确性和准确度；

2、本发明方法与国际上现有的测试方法相比，本方法具有快速、简便，有毒有害有机溶 剂使用量很少，分析准确等特点。

3、本发明大大提高了NDMA检测的准确性和分析精度，检测限可达到2ng/L，有效克 服了常规检测方法NDMA检测限高，液液萃取回收率低等难题，同时有毒溶剂使用量少。

4、本发明的方法整个测定过程易于操作、成本较低，可广泛应用于地表和地下水监测、 大、中和小型水厂的监测和分析。

5、本发明的检测方法步骤较少，操作简单，检测周期较短；由于流动相采用甲醇和 2mmol/L醋酸铵并设置梯度，二甲基亚硝胺可在LC-MS-MS检测方法中有效分离并出峰，同 时选用对NDMA有较高吸附能力的木质粉末活性炭为固相萃取吸附剂，因而可获得较高 NDMA回收率，测量精度稳定性好。

附图说明

图1为本发明实施例的操作流程图。

图2为本发明实施例中水样不同pH对测定结果图。

图3为本发明实施例中不同洗脱方式对测定结果图。

图4为本发明实施例中应用本方法测定净水工艺中NDMA浓度变化图。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

水样为Mill-Q水(超纯水)。在12组体积均为500mLMill-Q水(超纯水)中投加NDMA 标准品，使得NDMA浓度为1μg/L，由于该水样无悬浮物和颗粒杂质，因而无需过滤。

酸化预处理方法：将水样使用氢氧化钠或者硫酸调节12组待测水样的pH值为1、2、3、 4、5、6、7、8、9、10、11、12，将水样放置于棕色瓶内并采用避光措施保存。

固相萃取材料的酸化、干燥与装填；将作为固相萃取用的木质粉末活性炭，其平均粒经 ≤40μm，使用pH为2.3的硫酸酸性水酸化，酸化后木质粉末活性炭在烘箱中105℃烘干； 用天平称取1g烘干后的木质粉末活性炭装填入6mL的高分子聚乙烯的固相萃取(SPE)空柱 中，筛板采用超高分子量聚乙烯材质，填紧并压实，将萃取小柱接入萃取装置。

控制固相萃取过程、洗脱及净化洗脱液；采用市售的SPE装置，调节SPE装置的真空度， 使得水样的滤速处于2mL/min，通过装填好的SPE柱；水样过滤过程中应避免出现断流现象， 一般吸附时间不多于24h。水样即将抽空时取下萃取小柱。

净化洗脱液的方法为：在萃取小柱下接入florisil柱(弗洛里硅土小柱，0.5g，3mL规格)， 接入洗脱装置。洗脱步骤为2ml乙腈(两次)-2ml甲醇(两次)-2ml丙酮(两次)洗脱，抽 干前溶剂在柱内浸泡4min，确保每次加入溶剂前柱子彻底抽干。洗脱过程中溶剂流经florisil 柱，使得溶剂中可能含有的杂质在florisil柱中得以去除。

样品的自然挥发与定容控制方法为：采用带刻度的锥形管盛装洗脱液，并放在40℃沙浴 中，避光自然挥发至1mL，准确记录最终体积。

应用液相色谱质谱技术分析NDMA，取得测定结果；液相色谱质谱技术采用ESI源三重四 级杆液相色谱质谱联用仪，色谱柱为C18分离柱，流动相采用为甲醇+2mmol/L醋酸铵，流速 为150μL/min，进样体积为50μL，总分析时间为10min；质谱的离子喷射电压为4500kv，离 子源温度为350℃，NDMA的监测离子定量结果为m/z 75-43和定性结果为m/z 75-58，内标 物NDMA-d6的监测离子为m/z 81-46。

仪器测定值为本测定方法通过浓缩得到的水样中NDMA的浓度，实际水样NDMA浓度为 仪器测定值除以浓缩倍数。将实际水样NDMA浓度除以1ug/L，得到不同水样pH值条件下回 收率变化趋势如图2所示，其中每种pH值做三组平行实验。

图2为实施例中水样不同pH对测定结果图。由图2可知，中性pH条件下NDMA回收 率较高，位于70％～90％，相对标准偏差位于1.70％～2.60％，具有较高稳定性。过酸和过碱 条件下回收率有所下降，尤其是pH为2时回收率降至40％左右，并且极端pH条件下回收率 不稳定，相对标准偏差高达6.40％，因此，检测样品时pH值的控制至关重要。

实施例2

水样为Mill-Q水(超纯水)。在5组体积均为500mLMill-Q水(超纯水)中投加NDMA 标准品，使得NDMA浓度为1μg/L，水样pH值为7，因此该水样无需过滤和调节pH。

酸化预处理方法：取水样500mL，将水样放置于棕色瓶内并采用避光措施保存。

固相萃取材料的酸化、干燥与装填；将作为固相萃取用的木质粉末活性炭，其平均粒经 ≤40μm，使用pH为2.3的硫酸酸性水酸化，酸化后木质粉末活性炭在烘箱中105℃烘干。 用天平称取1g烘干后的木质粉末活性炭装填入6mL的高分子聚乙烯的固相萃取(SPE)空柱 中，筛板采用超高分子量聚乙烯材质，填紧并压实，将萃取小柱接入萃取装置。

控制固相萃取过程、洗脱及净化洗脱液；采用市售的SPE装置，调节SPE装置的真空度， 使得水样的滤速处于2mL/min，通过装填好的SPE柱；水样过滤过程中应避免出现断流现象， 一般吸附时间不多于24h。水样即将抽空时取下萃取小柱。

净化洗脱液的方法为：在萃取小柱下接入florisil柱(弗洛里硅土小柱，0.5g，3mL规格)， 接入洗脱装置。五组水样分别采用表1中的五种洗脱方式，分别考察洗脱剂种类、洗脱顺序、 洗脱剂体积对回收率的影响。抽干前溶剂在柱内浸泡4min，确保每次加入溶剂前柱子彻底抽 干。洗脱过程中溶剂流经florisil柱，使得溶剂中可能含有的杂质在florisil柱中得以去除。

表1

样品的自然挥发与定容控制方法为：采用带刻度的锥形管盛装洗脱液，并放在40℃沙浴 中，避光自然挥发至1mL，准确记录最终体积。

应用液相色谱质谱技术分析NDMA，取得测定结果；液相色谱质谱技术采用ESI源三重 四级杆液相色谱质谱联用仪，色谱柱为C8分离柱，流动相采用为甲醇+2mmol/L醋酸铵，流 速为150μL/min，进样体积为50μL，总分析时间为10min；质谱的离子喷射电压为4500kv， 离子源温度为350℃，NDMA的监测离子定量结果为m/z 75-43和定性结果为m/z 75-58， 内标物NDMA-d6的监测离子为m/z 81-46。

仪器测定值为本测定方法通过浓缩得到的水样中NDMA的浓度，实际水样NDMA浓度为 仪器测定值除以浓缩倍数。

图3为实施例中不同洗脱方式对测定结果图。由图3可知，洗脱方式B中没有丙酮，回 收率最低，因此丙酮可有效洗脱NDMA。洗脱方式A回收率最高，因此在考察其它因素对回 收率影响时，洗脱方式可确定为A，具体操作方式为：2mL乙腈(两次)-2mL甲醇(两次) -2mL丙酮(两次)。洗提前2mL溶剂在柱内浸泡3-4分钟。每次加入2mL溶剂前应使柱子 抽干。

实施例3

图1为本发明实施例的操作流程图。水样为地表水。萃取之前的准备过程：将净水工艺 流程各水样首先通过孔径小于等于0.45μm的醋酸纤维膜进行过滤，滤去悬浮物、颗粒杂质， 净水工艺流程各水样呈弱酸性。酸化预处理方法：取过滤后水样500mL，放置于棕色瓶内并 采用避光措施，使用氢氧化钠调节待测水样的pH值为7，并避光保存。

固相萃取材料的酸化、干燥与装填；将作为固相萃取用的木质粉末活性炭，其平均粒经 ≤40μm，使用pH为2.3的硫酸酸性水酸化，酸化后木质粉末活性炭在烘箱中105℃烘干。 用天平称取1g烘干后的木质粉末活性炭装填入6mL的高分子聚乙烯的固相萃取(SPE)空柱 中，筛板采用超高分子量聚乙烯材质，填紧并压实，将萃取小柱接入萃取装置。

控制固相萃取过程、洗脱及净化洗脱液；采用市售的SPE装置，调节SPE装置的真空度， 使得水样的滤速处于2mL/min，通过装填好的SPE柱；水样过滤过程中应避免出现断流现象， 一般吸附时间不多于24h。水样即将抽空时取下萃取小柱。

净化洗脱液的方法为：在萃取小柱下接入florisil柱(弗洛里硅土小柱，0.5g，3mL规格)， 接入洗脱装置。洗脱步骤为2ml乙腈(两次)-2ml甲醇(两次)-2ml丙酮(两次)洗脱，抽 干前溶剂在柱内浸泡3～4min，确保每次加入溶剂前柱子彻底抽干。洗脱过程中溶剂流经 florisil柱，使得溶剂中可能含有的杂质在florisil柱中得以去除。

样品的自然挥发与定容控制方法为：采用带刻度的锥形管盛装洗脱液，并放在40℃沙浴 中，避光自然挥发至1mL，准确记录最终体积。

应用液相色谱质谱技术分析NDMA，取得测定结果；液相色谱质谱技术采用ESI源三重 四级杆液相色谱质谱联用仪，色谱柱为C18分离柱，流动相采用为甲醇+2mmol/L醋酸铵， 流速为150μL/min，进样体积为50μL，总分析时间为10min；质谱的离子喷射电压为4500kv， 离子源温度为350℃，NDMA的监测离子定量结果为m/z 75-43和定性结果为m/z 75-58， 内标物NDMA-d6的监测离子为m/z 81-46。

仪器测定值为本测定方法通过浓缩得到的水样中NDMA的浓度，将测定的数值除以浓缩 倍数，从而得出原水样中NDMA的浓度。

图4为实施例中应用本方法测定净水工艺中NDMA浓度变化图。图中Raw＝原水，BP＝ 生物预处理，Sed＝沉淀，Fil＝过滤，PO＝后臭氧，BAC＝生物活性炭，Fin＝出水。

从图4可以看出，微污染原水中均未检出NDMA，经生物预处理、沉淀、过滤工艺中未 生成NDMA，后臭氧处理可直接生成一定浓度NDMA，其浓度可达到13.7ng/L。后续的生物 活性炭工艺对NDMA有一定的去除作用，能够吸附和降解部分水中的NDMA，其去除率可 以达到21.3％。出水中NDMA浓度为11.5ng/L。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉 本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应 用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技 术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范 围之内。