排放污水中痕量有机化合物检测方案(液相色谱仪)

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作者 Shimin Wu、 Mauricius Marques dos Santos、 Kevin Daniels 和 Shane Snyder 化学与环境工程系 BI05 研究院 亚利桑那大学 Tucson，AZ， USA Tarun Anumol 安捷伦科技公司 在 Agilent 6490 三重四极杆LC/MS系统上使用快速直接进样的LC/MS/MS方法鉴定排放污水中的一组20种指示物 应用简报 环境 摘要 使用一种检测污水中痕量有机化合物的快速 LC/MS/MS 方法，采用80pL进样量的水样直接进样方式，鉴定排放污水中一组20种指示物的存在情况。分析周期小于14分钟，多数指示物的方法报告限(MRL) 为 3-39 ng/L。多数指示物的基质效应均小于30%，20种指示物中有19种的日内和日间变异系数<5%。 世界各地也放的污水中含有多种痕量有机化合物(TOrC)，包括药物、农药、工业化合物和个人护理用品。实施水循环再利用方案时会涉及处理过的污水，期间有可能将TOrC 排入饮用水源，形成污染途径。这种污染已由美国的几项研究得到证实[1]。随着淡水资源的减少，这一问题只会更加恶化，每天都有几千种新的化学物质引入环境中。 虽然已知一些 TOrC 对野生动物和人类的健康有不良影响，但长期接触饮用水中这些化合物的低浓度混合物会有何种风险，尚属未知。不过，在水源中考虑到 TOrC 的数量庞大并且还在不断增加，监测其中的每一种 TOrC是不现实的。我们需要的是一个能够标志饮用水中污水污染物存在情况的指示物列表。可以根据存在频率、风险评估、对环境条件的影响和污水处理效果等因素对潜在的指示物进行评价。 本应用简报总结了一项已发表的研究，依据关于美国排放污水检测频率和存在浓度的文献综述，确定一个可行指示物列表[1]，然后对四家污水处理厂进行监测研究，以验证该列表的实用性。 常规TOrC 分析通常需要进行费时费力的提取和浓缩步骤，这会延长分析周期时间并降低重现性。本研究使用的方法，是在高效液相色谱/串联质谱(HPLC/MS/MS)系统上进行直接大体积进样，免去提取步骤，从而优化重现性并缩短分析时间。所需的样品体积仍然很小，无需采集大体积样品，也减少了同位素标记替代标准品的用量(与成本)。具有快速极性切换和动态 MRM 的 Agilent 6490三重四极杆 LC/MS 系统可以同时使用正负电离，能够快速优化全部20种化合物的采集参数，并将分析周期缩短至13分钟。 这种方法能够鉴定20种TOrC， 其中所有化合物都在四家污水处理厂中的至少三家检出一次以上。有一些化合物存在于所有待分析样品中，并且浓度足够高，稀释后仍然可以在饮用水中检测到。 实验部分 试剂与标准品 所有试剂和标准品均按文献[1]所述方式获得。使用同位素标记替代标准品 (ILSS) 确定基质效应。 仪器 使用配备100pL 进样针定量环的 Agilent 1260 Infinity HPLC泵进行分析。将色谱柱 (Agilent Pursuit XRs C-8，100×2.0 mm， 3 pm) 与 Agilent 6490 三重四极杆 LC/MS系统联用。使用 Agilent Source Optimizer 功能对系统运行条件进行优化，如表1所示。 样品采集与前处理 在一年的四个不同时期，随机采集来自四家不同污水处理厂的排放污水样品。所有样品品在上午8时时10时之间采集，以避免昼夜变化带来的影响。分别加入抗坏血酸和叠氮化钠作为淬灭剂和微生物生长抑制剂。每个样品取1mL， 加入 2 pg/L ILSS 混合物，经安捷伦0.2 pm 聚醚砜 (PES) 针头过滤器注入自动进样器样品瓶进行分析。 表1.1HPLC 和MS仪器条件 HPLC 条件 MS 条件 分析参数 表2显示由指示物列表选出的20种化合物及其替代内标的多反应监测(MRM) 离子对。 表 2. MRM ESI分析参数 保留时间 母离子 子离子 碎裂电压 碰撞能量 化合物 (min) (m/z) (m/z) (V) (V) ESI模式 安赛蜜 5.2 162 82.1 380 13 负 安赛蜜-d 5.2 166.1 86.1 10 负 阿替洛尔 4.2 267.1 190.1 145 380 阿替洛尔-d 4.2 274 190.1 15 正 咖啡因 5.4 195.1 138 110.1 咖啡因-13C， 5.4 198.1 140 16 正 卡马西平 8.0 237 380 380 卡马西平-d 8.0 247 204 380 15 正 避蚊胺 (DEET) 8.8 192 119 380 91 380 DEET-d 8.8 198 119 380 15 正 双氯芬酸 10.3 294 250 380 4 214 380 16 苯海拉明 6.5 256.2 167.1 380 4 165.1 380 44 苯海拉明-d 6.5 261.2 172.1 380 4 正 结果与讨论 指示物选择 根据对美国研究的文献检索，使用优先评分系统 (PSS)对48 种 TorC 的潜在指示物列表进行了组合和评估。评分的依据是研究中的检出频率(DF)、平均浓度(存在浓度)以及在排放污水中检出化合物的相关研究数量：((研究数量)。三项标准每项最高得分为3分，这样化合物能够得到的最高 PSS为9分。仅在得分>6的化合物中选择， 选出20种候选指示物，如图3所示。 表3.3.从美国研究文献综述中选出的20种指示物 化合物 DF* 存在浓度t 研究数量* 合计 安赛蜜 3 3 1 7 阿替洛尔 3 3 2 8 咖啡因 1 3 3 7 卡马西平 3 1 3 7 DEET 3 3 3 9 双氯芬酸 2 2 3 7 苯海拉明 3 3 1 7 吉非罗齐 2 2 3 7 氢氯噻嗪 3 3 1 7 碘海醇 3 3 1 7 碘普罗胺 3 2 2 7 眠尔通 3 2 2 7 扑米酮 3 2 2 7 三氯蔗糖 3 3 2 8 磺胺甲恶唑 3 3 3 9 TCEP 3 2 2 7 TCPP 3 3 2 8 三氯卡班 3 2 2 7 三氯生 3 3 7 甲氧苄啶 3 7 *美国研究中的 DF (检出频率)：1(51%-70%)， 2(71%-85%)，3(>85%) 存在浓度得分(基于平均浓度)：1(51-200 ng /L)， ( 2(201-500 ng /L)， 3 (> 5 00 ng/L) ) ( *研究得分(基 于 研究数量)：1(2-4 ) ， 2(5-9)，3(>9) ) 方法性能 按照文献[1]所述方式确定每种分析物的方法报告限(MRL)和仪器定量限 (L0Q)， 如表4所示。除三氯蔗糖外，20种化合物的MRL 分布在 3-37 ng/L的范围之间(表4)。虽然三氯蔗糖的 MRL 相对较高 (302ng/L)，但排放污水中检测到的含量也高出数倍。20种化合物中大多数的LOQ<20 ng/L， 范围在 2-100 ng/L之间(表4)。 表4.20 种指示物的MRL 和 LOQ 安赛蜜 4 5 阿替洛尔 37 20 咖啡因 8 5 卡马西平 2 DEET 34* 10 双氯芬酸 14 10 苯海拉明 7 5 吉非罗齐 23 50 氢氯噻嗪 15 10 碘海醇 13 10 碘普罗胺 39 20 眠尔通 8 10 扑米酮 9 10 三氯蔗糖 302 100 磺胺甲恶唑 5 5 TCEP 20 20 TCPP 22* 10 三氯卡班 14 10 三氯生 15 10 甲氧苄啶 11 5 本研究测定了两家污水处理厂 (WWTP) 的排放污水中所有20种指示物在1000 ng/L 和 5000 ng/L浓度下的加标回收率。除三氯蔗糖(WWTP 1在 5000 ng/L下67%)和碘海醇 (WWTP1在1000 ng/L 下46%)外，两家WWTP在两种加标浓度下的回收率均在 83%-138% 之间。 WWTP1排放污水中三氯蔗糖和碘海醇的浓度比低加标浓度高20倍，这可能是它们回收率较低的原因。加标回收率测量结果的精密度良好，20种化合物中的大多数在每种加标浓度下和每家 WWTP 污水中的相对标准偏差(RSD)均<5%。 利用排放污水中加标同位素标记替代标准品 (ILSS)的峰面积与超纯水中加标相同 ILSS 的峰面积之比确定排放污水 中的基质效应。虽然结果表明碘化X射线造影剂碘海醇、碘帕醇和碘普罗胺的抑制效应较高(最高达到60%)，但20种指示物中的大多数在污水中基基效应<30%(图1)。污水基质会增强安赛蜜和三氯蔗糖的信号，而对其他18种化合物则表现出基质抑制作用。 提取刚过每种化合物的 MRL 值并延伸至 10 pg/L的校准曲线，20种指示物中有15种的相关系数(R2)>0.995， 而所有指示物的R²值均>0.99(表5)。使用每种化合物的标准品测定 2 pg/L浓度下的定量精密度，日内测定的相对标准偏差 (RSD) 均<5%(表5)。在20种化合物中，有14种化合物的日间 RSD<5%， 除磷酸三(2-氯乙基)酯(TCEP， 14%)和三氯蔗糖(12%)外，所有化合物的日间RSD 均<10%。 图1.：排放污水对同位素标记替代标准品(ILSS)的基质效应(n=5) 表5.20种指示物的校准精密度和线性 化合物 (%) (R2) 安赛蜜 0.35 0.9987 阿替洛尔 7.7 1.3 0.9964 咖啡因 0.69 3.8 0.9967 卡马西平 6.2 1.5 0.9989 DEET 0.47 4.6 0.9951 双氯芬酸 2.0 1.0 0.9982 苯海拉明 2.7 2.1 0.9904 吉非罗齐 3.3 3.8 0.9974 氢氯噻嗪 1.0 2.5 0.9983 碘海醇 0.48 1.9 0.9988 碘普罗胺 2.2 1.8 0.9975 眠尔通 1.2 1.5 0.9975 扑米酮 0.12 2.7 0.9963 三氯蔗糖 12 0.55 0.9970 磺胺甲恶唑 0.30 2.2 0.9971 TCEP 14 0.84 0.9974 TCPP 5.6 2.4 0.9924 三氯卡班 9.9 2.3 0.9929 三氯生 1.1 1.0 0.9927 甲氧苄啶 0.97 2.8 0.9941 污水排放分析 在四家污水处理厂进行了排水采样和分析，一年内在每家工厂共抽取四个样品。所有 20 种 TOrC 指示物都在四家污水处理厂中的至少三家检出一次以上。氢氯噻嗪、安赛蜜、三氯蔗糖、磷酸三(2-氯丙基)酯 (TCPP)和碘海醇等指示物在所有样品中的检出浓度均足够高，理论上可以在稀释进饮用水源后检出。这些都是作为污水污染物通用指示物的良好候选者。 其他指示物的浓度通常高于其 MRL， 因此可用作污水处理厂处理工艺效能、使用率和消耗模式以及季节变化的指标。这些指示物包括三氯生、磺胺甲恶唑、咖啡因、卡马西平和 DEET。这20种指示物的集合可分为几组同类或类似化学品以提供冗余度，另外可用于监测排放污水化合物组成的季节和地理差异。可靠的指示物列表(如本研究中确定的列表)对于研究 TOrC 的归宿和衰减及其对水循环再利用的影响至关重要。 结论 使用直接进样 LC/MS/MS 为评价一组排放污水潜在指示物提供了一种快速且可靠的方法。样品用量仅80pL，去除了可能会延长分析时间、降低通量、降低方法准确性和精密度的繁琐提取步骤。20种指示物中除三氯蔗糖(302 ng/L)外，其余指示物的 MRL 均为 3-37 ng/L。大多数化合物的日内和日间精密度<5%(变异系数)。多数化合物的基质效应均得到明确表征，其信号变化限制在30%以内。这种方法能够使用一组指示物检测饮用水源中的污水污染物，并监测废水处理厂的工艺效率以及季节和地理差异。 参考文献 1. T. Anumol，et al."Rapid direct injection LC-MS/MSmethod for analysis of prioritized indicator compounds inwastewater effluent”Environ Sci： Water Res Technol DOI：10.1039/c5ew00080g (2015) 更多信息 这些数据仅代表典型的结果。有关我们的产品与服务的详细信息，请访问我们的网站 www.agilent.com。 查找当地的安捷伦客户中心： www.agilent.com/chem/contactus-cn 免费专线： 800-820-3278，400-820-3278(手机用户) 联系我们： LSCA-China_800@agilent.com 在线询价： www.agilent.com/chem/erfq-cn www.agilent.com 安捷伦对本资料可能存在的错误或由于提供、展示或使用本资料所造成的间接损失不承担任何责任。 本资料中的信息、说明和指标如有变更，恕不另行通知。 @安捷伦科技(中国)有限公司，2015 2015年10月1日，中国出版 5991-6114CHCN Agilent Technologies 摘要使用一种检测污水中痕量有机化合物的快速LC/MS/MS 方法，采用80 μL 进样量的水样直接进样方式，鉴定排放污水中一组20 种指示物的存在情况。分析周期小于14 分钟，多数指示物的方法报告限(MRL) 为3-39 ng/L。多数指示物的基质效应均小于30%，20 种指示物中有19 种的日内和日间变异系数< 5%。前言世界各地排放的污水中含有多种痕量有机化合物(TOrC)，包括药物、农药、工业化合物和个人护理用品。实施水循环再利用方案时会涉及处理过的污水，期间有可能将 TOrC 排入饮用水源，形成污染途径。这种污染已由美国的几项研究得到证实[1]。随着淡水资源的减少，这一问题只会更加恶化，每天都有几千种新的化学物质引入环境中。虽然已知一些TOrC 对野生动物和人类的健康有不良影响，但长期接触饮用水中这些化合物的低浓度混合物会有何种风险，尚属未知。不过，在水源中考虑到TOrC 的数量庞大并且还在不断增加，监测其中的每一种 TOrC 是不现实的。我们需要的是一个能够标志饮用水中污水污染物存在情况的指示物列表。可以根据存在频率、风险评估、对环境条件的影响和污水处理效果等因素对潜在的指示物进行评价。本应用简报总结了一项已发表的研究，依据关于美国排放污水检测频率和存在浓度的文献综述，确定一个可行指示物列表[1]，然后对四家污水处理厂进行监测研究，以验证该列表的实用性。常规TOrC 分析通常需要进行费时费力的提取和浓缩步骤，这会延长分析周期时间并降低重现性。本研究使用的方法，是在高效液相色谱/串联质谱(HPLC/MS/MS) 系统上进行直接大体积进样，免去提取步骤，从而优化重现性并缩短分析时间。所需的样品体积仍然很小，无需采集大体积样品，也减少了同位素标记替代标准品的用量（与成本）。具有快速极性切换和动态MRM的Agilent 6490 三重四极杆LC/MS 系统可以同时使用正负电离，能够快速优化全部20 种化合物的采集参数，并将分析周期缩短至13 分钟。结论使用直接进样LC/MS/MS 为评价一组排放污水潜在指示物提供了一种快速且可靠的方法。样品用量仅80 μL，去除了可能会延长分析时间、降低通量、降低方法准确性和精密度的繁琐提取步骤。20 种指示物中除三氯蔗糖 (302 ng/L) 外，其余指示物的MRL 均为3-37 ng/L。大多数化合物的日内和日间精密度< 5%（变异系数）。多数化合物的基质效应均得到明确表征，其信号变化限制在 30% 以内。这种方法能够使用一组指示物检测饮用水源中的污水污染物，并监测废水处理厂的工艺效率以及季节和地理差异。