1. 前言
上世纪 50 年代，医学界就发现亚硝胺是一类广泛存在于食物、香烟及酒等中，且毒性强烈的致癌物质，其会引起口腔癌、食道癌、鼻癌、气管癌、肺癌、肝癌及胰腺癌等。由于具有高致癌性及高检出率，在 20 世纪末饮用水中的亚硝胺类物质得到了国内外研究人员的关注。一般认为，其是在氯胺消毒等工艺过程中产生的消毒副产物。相关专家表示，在已经鉴别出的 700 多种消毒副产物中，亚硝胺是健康风险最大的消毒副产物类别之一，特别是 N-亚硝基二甲胺（NDMA）。
清华大学陈超老师在我国饮用水系统中亚硝胺类消毒副产物的普查中，从全国 23 个省、44 个大中小城市和城镇、共 155 个点位采集了 164 个水样，包括出厂水、用户龙头水和水源水。测试了当前已知的全部 9 种亚硝胺类消毒副产物，其中 NDMA 的浓度最高。在已检测的全部水样中，出厂水和龙头水中的 NDMA 平均浓度分别为 11 ng/L 和 13 ng/L，水源水中的 NDMA 生成潜能平均为 66 ng/L。长江三角洲地区的近 10 个供水系统中，出厂水和龙头水中的 NDMA 平均浓度分别为 27 ng/L和 28.5 ng/L，水源水中的 NDMA 生成潜能为 204 ng/L。与美国环保局在 2012 年公开的一项大规模普查数据相比，出厂水和龙头水中的检出率是美国的 3.6 倍，西欧国家的饮用水亚硝胺浓度比美国还低。
2004 年，美国 EPA 521 给出了水体中包括 NDMA 在内 7种亚硝胺物质的检测方法。方法采用 SPE 技术对样品进行预处理，NDMA-d6 作为内标，将洗脱液经大体积进样器（LVI）导入气相色谱 - 化学电离源 - 串联质谱仪（GCCI-MS/MS）进行定性和定量分析，该方法的检出限为0.26～0.66 ng/L。该方法灵敏度高，但大体积进样及化学源的配置相当复杂，给实验人员带来一定的操作难度，尤其是 CI 源的反应气为乙腈或甲醇，在国内较难购买和使用。安大略省环境部（OME）公布的饮用水中 NDMA 测定方法，采用 Ambersorb 572 作为固相吸附剂，二氯甲烷为洗脱剂，利用气相色谱（GC）与高分辨质谱（MS）结合的技术对目标物进行分离和定量 , 方法检出限为 0.4 ng/L。据报道，该方法存在回收率较低，检测周期较长，操作复杂等问题。
本实验分别采用三重四极杆气质联用 TSQ 8000 Evo 及气质超高分辨质谱 Exactive GC 进行水中亚硝胺的分析。在目标物定量分析（Target Quan）方面，两者均体现出优异的灵敏度和稳定性，无需借助大体积进样来提高方法灵敏度。其中，Exactive GC 能够实现高分辨（R=60000，FWHM at 200 m/z）、高质量精度及高灵敏度的全扫描分析，因此，在定量分析的同时，也可进行非目标物的定性分析（Unknown Screening）。
2. 实验部分
2.1 仪器和试剂
质谱仪：TSQ 8000 Evo 质谱仪（赛默飞世尔科技，美国）；Exactive GC 质谱仪（赛默飞世尔科技，美国）；
气相色谱仪：Trace1310 气相色谱配 AI 1310 自动进样器（赛默飞世尔科技，美国）；色谱柱：TG-1701MS 30 m*0.25mm*0.25 µm 毛细管色谱柱。
2.2 仪器方法
2.2.1 色谱方法
柱 温 箱：35 ℃（1 min）_25 ℃ /min_130 ℃ _125 ℃ /min_230 ℃（6min）；
进样口：不分流进样（1min），进样口温度 250 ℃；
载气流速：1.2 mL/min（恒流）
进样体积：1.0 µL（TSQ 8000 Evo）；2.0 µL（Exactive GC）；
2.2.2 质谱方法
传输线温度：250 ℃；离子源温度：230 ℃
扫描方式：定时扫描 -SRM 模式（Timed -SRM）
3. 实验结果及分析
3.1 TSQ 8000 Evo
应用特有的 AutoSRM 功能，快速优化离子对参数，结果如下：
表 1 亚硝胺化合物离子对
稀释配置浓度分别为 0.5 ppb、1 ppb、5 ppb、10 ppb、20 ppb、50 ppb 及 100 ppb 溶剂混标，应用上述条件进行分析，其中 0.5 ppb 混标连续进样 8 针，计算 RSD 及IDL 值。以 NDMA 为例，计算结果如下：
表 2 0.5ppb 混标结果
图1 NDMA 的标准曲线
图 2 0.5 ppb NDMA 色谱图
从结果看，应用 TSQ 8000 Evo 结合 EI 源进行亚硝胺分析，灵敏度符合 EPA 标准，且线性及 IDL 结果良好，完全满足水中亚硝胺的定量分析。
3.2 Exactive GC
使用全氟三丁胺 （perfluorotributylamine，PFTBA）进行仪器调谐和校正，可在 5 分钟内达到质量准确度 <0.5 ppm。为确保选择性足够高，数据采集使用 60，000 分辨率（m/z 200，FWHM）进行。在此条件下，能够确保每个色谱峰至少采集 12 个点，以便色谱峰积分结果稳定、可靠。为进一步评估全扫描下有可能受到的基质干扰时，既使用了溶剂标品也用了实际的饮用水（水龙头水）样品。
以 NDMA 为例，NDMA 分子离子（m/z 74.04747）的准确检测会受到背景离子的干扰。在所有实验中，仪器的分辨率都设为 60000（m/z 200，FWHM），相当于 m/z 74处的质量分辨率 >100000，足够在基质背景中实现 NDMA目标离子的选择性检测（图 3）。
图 3 饮用水样品中的 NDMA ，在 m/z 74.04747 下分辨率 R> 100000（FWHM）
图 4 0.1 µg/L 的校准溶剂标样（A）和 1.0 ng/L 的加标饮用水样品（B）
中的 NDMA（m/z 74.04747，XIC，EI 为 70 eV）的绝对柱上浓度
图 5 各浓度水平 NDMA 标样的绝对峰面积重现性（0.1，10 和 100 µg/L 样品 n=5，1.0 µg/L 样品 n=9）。每个水平的平均 %RSD 数据标示在每个数据柱上方
图 5 各浓度水平 NDMA 标样的绝对峰面积重现性（0.1，10 和 100 µg/L样品 n=5，1.0 µg/L 样品 n=9）。每个水平的平均 %RSD 数据标示在每个数据柱上方
图 6 NDMA 在 7 点线性范围（0.1-50 µg/L）内的工作曲线
Exactive GC 技术的一个显著优势在于它的高分辨全扫描采集模式使得分析人员可以通过对定量实验的原始数据进行进一步分析，从而在实验数据取得之后还能够筛查样品中是否还有其它可能有害的化学物质。
在本研究中，我们通过使用 TraceFinder 对饮用水样品的原始数据按照非靶向筛查工作流程进行处理来做演示。该工作流程会自动进行化合物去卷积并得到纯的质谱图，然后再进行谱库检索来进行化合物的鉴定。结果显示，饮用水样品中还包含 220 种并不存在于DCM 溶剂空白中的化合物。这些化合物的鉴定使用NIST 谱库（SI 阈值为 800）和一个高分辨过滤分数（HRF，阈值为 80）进行。HRF 使用精确质量数信息来解释 NIST（或类似）谱库匹配得到的碎片离子。4 饮用水样品中检测到的绝大部分污染物都是卤代有机化合物、药物（如：克林霉素、非氨酯等）、单帖烯类（D- 苧烯）和邻苯二甲酸盐等。图 7 给出了一些鉴定出的可信度很高的部分化合物，其中氯碘甲烷曾有文献报道为消毒剂副产物。此外，四氯乙烯是一种广泛使用的、在私人或公共饮用水中频繁检出的干洗剂，已知对人类健康有害。这两种化合物的谱库匹配结果均极佳（SI >890），总分 >95% 且分子离子的质量准确度 <0.5 ppm。
图 7 饮用水样品中检出的化学污染物实例 ( 图中显示 TraceFinder 去卷积浏览器中氯碘甲烷（a）和全氯乙烯（b）以及它们相应的去卷积之后的质谱图、鉴定结果可靠度总分、NIST 谱库匹配结果（SI）和每个被测离子的精确质量数 )
4 结论
饮用水的安全问题涉及到目标物定量和非目标物定性两个应用方向。在目标物定量方面，以文中亚硝胺类化合物为例，样品前处理包括一个对水样进行固相萃取（SPE）的步骤，最终样品浓缩 1000 倍。TSQ 8000 Evo 及 ExactiveGC 均符合相关法规要求，可以轻松在 1.0 ng/L 浓度水平实现该化合物的检测和准确定量。
其中，TSQ 8000 Evo 因仪器配置简单，操作便捷，更易于在常规分析检测中推广。在同样条件下，应用 Exactive GC 技术可对已采集的数据再次挖掘，进行溯源，使得对饮用水样品中的其它有害污染物的检测和鉴定成为可能。检测到的其它污染物主要是卤代有机化合物，这些化合物的出现可能主要跟一些加氯消毒法或氯胺消毒处理有关。总的来说，实验结果证明 TSQ 8000 Evo 及 Exactive GC系统在 NDMA 痕量分析方面具有极佳的表现。
Thermo Fisher Scientific
United States
