超高效液相色谱串联质谱快速测定饮用水中9种N亚硝胺的新方法罗茜

中国科学:化学2011年第41卷第1期:82~90SCIENTIASINICAChimica《中国科学》杂志社SCIENCECHINAPRESS论文超高效液相色谱串联质谱快速测定饮用水中9种N-亚硝胺的新方法罗茜,王东红,王炳一,张子秋,王子健*环境水质学国家重点实验室;中国科学院生态环境研究中心,北京100085*通讯作者,E-mail:[e-mail]收稿日期:2010-02-03;接受日期:2010-03-26;网络版发布日期:2010-09-14doi:10.1360/032010-90摘要N-亚硝胺是潜在的人类致癌物,是近年来关注的一类饮用水消毒副产物,同时也是环境分析研究的热点.本文建立了超高效液相色谱(UPLC)串联质谱快速测定饮用水中9种N-亚硝胺的新方法,讨论了色谱柱和流动相对分离9种N-亚硝胺的影响,优化了多级反应质谱(MRM,MS/MS)条件.二甲基亚硝胺-d6为贮存和回收率内标,亚硝基二丙胺-d14为定量内标,UPLC-MS/MS能够直接快速检测饮用水中热稳定和热不稳定的9种N-亚硝胺.UPLC-MS/MS直接进样方法对二甲基亚硝胺(NDMA)定性和定量检测限分别为0.1和1.0ng/L,亚硝基二丙胺为2.5和10ng/L,其他7种N-亚硝胺的定性和定量检测限均为0.5和2.0ng/L,本方法中N-亚硝胺的检测限低于美国环保局规定水中的最大容许浓度.应用此方法测定了某使用氯胺消毒自来水厂不同工艺段(进水、沉淀和出水)水中N-亚硝胺的浓度和分布.数据表明在自来水厂处理后出厂水中3种具有高致癌风险亚硝胺化合物中NDMA的浓度为3.5ng/L,NMEA和NDEA均未检出,因而目前该城市饮用水中N-亚硝胺的浓度对城市居民的健康没有风险.关键词超高效液相色谱串联质谱饮用水N-亚硝胺二甲基亚硝胺健康风险1引言N-亚硝胺(N-nitrosamines)是有潜在致癌性的一类化合物,主要包括亚硝基二甲胺(N-nitrosodimethylamine,NDMA),亚硝基乙胺(N-nitrosomethylethylamine,NMEA),亚硝基二乙胺(N-nitrosodiethylamine,NDEA),亚硝基酰胺(N-nitrosodi-n-butylamide,NDBA),亚硝基二丙胺(N-nitrosodi-n-propylamine,NDPA)和亚硝基二苯胺(N-nitrosodiphenylamine,NDPhA)等.近年来在水环境中这类化合物的高检出率引起了人们的广泛关注.前体化合物如亚硝酸盐和有机氮在水中进行亚硝化或氧化反应可以形成N-亚硝胺[1].Lee等[2]发现臭氧消毒后饮用水中含有较高浓度的NDMA.在1989和1998年,加拿大安大略省和美国加利福尼州饮用水中分别第一次检测出消毒副产物中含有NDMA[3,4].进一步研究发现氯化后饮用水中NDMA的浓度一般低于10ng/L,但是氯化处理后的污水中NDMA的浓度会超过100ng/L[5].然而,在加拿大饮用水管网水中N-亚硝胺的浓度达到了180ng/L,超过了水处理工厂检测到的67ng/L[6].毒性研究表明当饮用水中NDMA浓度超过7ng/L时,其致癌风险值为10−5即对人类存在健康风险[7].在2005年,美国环保局(USEPA)综合风险信息系统(IRIS)把6种具有遗传毒性的N-亚硝胺,主要包括NDMA,NMEA,NDEA,NDBA,NDPA,和NDPhA中国科学:化学2011年第41卷第1期83列为饮用水中需要检测的非限定污染物,同时把他们归为对人体健康的危害属于B2级,即可疑致癌物[8].USEPA规定NDMA,NMEA和NDEA在水中最大容许浓度分别为7、20和2ng/L[9].安大略省制定的水质标准中规定NDMA含量为9ng/L,加利福尼亚的健康服务部规定饮用水中NDMA浓度应低于10ng/L[4].因而,检测水中低浓度水平的N-亚硝胺是目前环境分析研究的热点和难点.使用气相色谱(GC)联用电子捕获检测器[10]和氮磷检测器[11,12]检测过程中样本含有的极性和非极性干扰物质会影响分析结果.GC联用火焰离子化检测器则缺少灵敏度和选择性[13].GC联用热能分析仪只对对热稳定和易于挥发的N-亚硝胺化合物有较高的灵敏度和选择性[14].目前一般检测N-亚硝胺化合物大都使用GC联用带有电离源和化学源(EI和CI)质谱(MS)方法[6,15,16].美国EPA521方法中使用GC/MS检测饮用水中的最低浓度水平为ng/L的NDMA等6种N-亚硝胺,但是不能检测其他热不稳定的亚硝胺类化合物,也不能提供足够的结构信息[9].最新的研究表明使用高效液相色谱(HPLC/MS/MS)可以检测饮用水和污水中的单一化合物NDMA[17].液相色谱(LC)和多极质谱(MS/MS)联用已经被应用于检测烟草中的几种特殊的亚硝胺化合物[18,19],对饮用水方面的研究也开始进行.Charrois等人初次检测到使用氯胺消毒工艺2个城市的饮用水中发现亚硝基吡咯(N-nitrosopyrrolidine,NPir)和亚硝基吗啉(N-nitrosomorpholine,NMor)浓度水平分别为2~4ng/L和1ng/L[6].但是,由于N-亚硝胺化合物在环境中的存在浓度普遍较低,大部分检测需要使用固相萃取柱(SPE)从水中富集,有机溶剂洗脱,仪器定性或定量检测分析[15~18].使用SPE-GC/MS方法分析NDMA,回收率在40%~75%之间,方法检测限为0.4~1.6ng/L[6].Mari[17]等人使用SPE-UPLC-MS/MS分析日本自来水厂的原水、出厂水和河水中单一化合物NDMA,回收率为55%~64%,其浓度水平为2.6~10ng/L.然而,目前没有研究报告使用直接进样的方式同时快速检测饮用水中的低浓度水平(ng/L)的9种亚硝胺化合物.在本研究中我们优化了UPLC的色谱条件和多极反应监测方式直接快速同时测定水中的9种亚硝胺化合物包括NDMA、NMEA、NDEA、NDPA、NMor、NPyr、亚硝基哌啶(N-nitrosopiperidine,NPip)、NDBA和NDPhA.应用UPLC-MS/MS直接进样方法测定了某城市使用氯胺消毒自来水厂不同工艺段水中的不同种类N-亚硝胺的浓度和分布.2实验部分2.1试剂含有9种亚硝胺化合物标样(NDMA,NMEA,NPyr,NPip,NMor,NDEA,NDPA,NDBA,andNDPhA)购自Supelco公司(Oakville,ON,Canada).2种H同位素内标化合物的[6-H2]N-nitrosodimethylamine,NDMA-d6和[14-H2]N-nitrosodi-n-propylamine,NDPA-d14(98%)购自CambridgeIsotopeLaboratories(Andover,MA).甲醇、二氯甲烷和乙腈(HPLC级)购自FisherScientific(Nepean,ON,Canada).醋酸胺(ACS级)和冰醋酸(分析级)购自Sigma-Aldrich(Oakville,ON,Canada).实验中配制流动相、溶液稀释和实验空白的用水均为阻值为18.22MΩMillipore的超纯水(MilliporeCorporation,MA,USA).0.45μm滤膜及抽滤器(Millpore),13mm×0.2μmPSFGHP膜针头式过滤器(PallCorporation,EastHills,USA).警告:N-亚硝胺化合物对人类和动物是潜在的致癌物.使用这类化合物时必须要严格按照标准程序进行操作.2.2标准溶液含有9种亚硝胺化合物的甲醇贮存溶液浓度为1000ng/L.用甲醇和水(体积比1:1)稀释的工作溶液浓度为0.1~500ng/L,每一浓度的工作溶液中包含回收率内标50μg/L的NDMA-d6和定量内标NDPA-d14.NDMA-d6的纯度和稳定性反复用测定浓度为50ng/L的NDMA-d6稀释的不含NDMA水样,这样可以保证实验室所使用的水样不含有NDMA.2.3样品处理实际样本从自来水处理厂采集后,避光低温保存至实验室.UPLC-MS/MS分析之前之间使用0.2μm的PSFGHP膜针头式过滤器过滤后直接分析.2.4UPLC-MS/MS分析实验使用沃特世ACQUITYUPLC/QuattroPremierXE液质联用仪.色谱柱:沃特世ACQUITY罗茜等:超高效液相色谱串联质谱快速测定饮用水中9种N-亚硝胺的新方法84UPLCHSST3;2.1mm×50mm;1.8µm;ACQUITYUPLCC182.1mm×50mm;1.8µm;ACQUITYUPLCC182.1mm×100mm;1.8µm;超高效液相色谱梯度:二元梯度.水相流动相为A:5mmol/L(或者10mmol/L)醋酸铵－醋酸缓冲液(pH2~7),有机流动相B:乙腈.流速:0.2µL/min,进样体积:10µL.梯度洗脱条件:0.5→5.0min,40%~90%(乙腈),5.0→5.5min,90%~100%(乙腈),5.5→6.0min,100%~50%(乙腈).质谱条件:电离模式:ESI+;毛细管电压:2.8kV;萃取电压:1.0kV;RF透镜:0.2;离子源温度:120℃;脱溶剂气温度:380℃;脱溶剂气流量:600L/h;锥孔气流量:50L/h;氩气流量:0.17mL/min,其他参数见表1.3结果和讨论3.1质谱条件的优化为了同时快速地检测饮用水中的9种N-亚硝胺,我们优化了每种N-亚硝胺的多级质谱检测(Multiplereactionmonitoring,MRM)方法以获得更大的灵敏度和选择性.在MRM方式中,我们需要获得在质谱响应上最大每种化合物的母离子(parention)和子离子(daughterion).在实验中,质谱的方式选择了ESI而不是APCI的原因在于ESI对9种N-亚硝胺均可产生特征的母离子和子离子,而APCI对热不稳定的化合物如NDPhA则不能产生母离子[20].特征母离子和子离子的产生对检测水中痕量浓度的N-亚硝胺是非常重要的.根据其电离特性,N-亚硝胺易于和流动相结合形成质子化的[M+H]+正离子,所以在质谱电离方式上我们选择ESI+.表1所示为设定的MS/MS调谐文件参数.由于N-亚硝胺化合物母离子和子离子的质量数均偏低(200a.m.u),在质谱的响应非常弱.因而,为了更准确地定量分析此类化合物,优化多级反应质谱条件就更加重要.在UPLC色谱进样之前,我们使用蠕动泵进样获得重要的质谱参数,包括母离子和子离子的选择,锥孔和碰撞电压等.样品直接进入质谱时,蠕动泵的流速对其在质谱上响应有较大的影响.考虑到实际样品分析时浓度,我们设定蠕动泵的流速为20mL/min,注射混合标样溶液的浓度分别为1和10µg/L.当质谱其他参数保持不变,改变毛细管锥孔电压(capillary)从2.5~3.5kV,结果发现锥孔电压变化对9种N-亚硝胺的影响很小,实验中毛细管电压设定为2.8kV.在实验中离子源和去溶剂气的温度分别为120◦C和380◦C时,N-亚硝胺能够获得较好的质谱(MS1)响应.锥孔电压和碰撞电压一般对离子在质谱上的响应影响比较大,我们固定表1N-亚硝胺化合物多级反应质谱参数FunctionAnalyzeFormulaStructurePrecursorion(m/z)Production(m/z)Cone(V)Collision(V)NDMAC2H6N2O75.0943.073010NDMA-d6C2H6N2O81.0946.073010NMorC4H8N2O2117.1387.003010NPyrC4H8N2O101.0755.003010NMEAC3H8N2O89.1061.064010NDEAC4H10N2O103.1075.083010I(0~1.8min)NPi