1. 引言
人类的身体健康离不开安全的饮用水。在新冠肺炎疫情期间，为杀灭病毒，保障人民生命安全，居民区、医院、公共设施、污水处理厂等地方使用了大量的含氯消毒剂，2020年仅武汉市含氯消毒剂的使用量就超过了5000 t [1] 。含氯消毒剂(例如氯气、二氧化氯、次氯酸盐等)在环境中经过复杂的物理化学反应，会形成各种复杂有毒的含氯消毒副产物(以下中文简称消毒副产物，英文名Disinfection by-products，缩写为DBPs)，可能通过地表径流等渠道进入饮用水源地，从而威胁公众健康 [2] ，全国饮用水源地水中余氯的检出达到147次 [3] 。目前，已经被鉴别出的消毒副产物至少有700种，其中较为常见的消毒副产物主要包括三卤甲烷、卤乙酸、卤乙腈这三类 [4] 。毒理学研究表明，长久处于DBPs环境下，对人体具有明显的致癌、致畸性、致突变效应，严重危害人类身体健康 [5] 。
三卤甲烷主要包括三溴甲烷(Tribromomethane, TBM)、二溴一氯甲烷(Dibromomonochloromethane, DBCM)、一溴二氯甲烷(Monobromodichloromethane, BDCM)、三氯甲烷(Trichloromethane, TCM)。我国《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2022)规定了生活饮用水中三卤甲烷的浓度限值，其中TBM应小于100 µg/L，DBCM应小于60 µg/L，BDCM应小于100 µg/L，TCM应小于60 µg/L，而且还规定各类化合物的实测浓度与其各自限值的比值之和不超过1 [6] 。常见的卤乙酸包括二氯乙酸(Dichloroacetic acid, DCAA)、三氯乙酸(trichloroacetic acid，TCAA)，其中我国饮用水对DCAA的浓度限值为50 µg/L、TCAA的限值为100 µg/L。饮用水中常见的卤乙腈主要有一氯乙腈(Chloroacetonitrile, DCAN)、二氯乙腈(Dichloroacetonitrile, DCAN)和三氯乙腈(trichloroacetonitrile, TCAN)。目前世界卫生组织建议DCAN的浓度限值为20 µg/L，TCAN的浓度限值为70 µg/L [7] 。中国《城市供水水质标准》(CJ/T206-2005)中规定出水厂水样中有三卤甲烷和卤乙酸等有害物质的出现，则每月检测不得少于一次 [8] 。疫情前，潘峰等在武汉市主城区出厂水中共检出5种DBPs，但均未超过标准限值 [9] 。疫情下，张坤锋等人在武汉市26处饮用水源地中发现有16处检出余氯，共检出24种DBPs，总浓度由2016年的5.23 µg/L上升到418.8 µg/L，部分水源地中余氯等物质含量超过国家地表水标准限值 [10] 。含氯消毒剂大量使用可能导致饮用水源地中消毒副产物的组分和含量波动，从而影响自来水厂出水水质。因此为了保障公众用水安全，需要定期检测饮用水源地水中消毒副产物的种类和浓度。
消毒副产物的检测步骤主要为预处理和仪器分析，通过不同的预处理方法，使得后续仪器分析更便捷准确。目前主要的预处理方法有液液萃取、固相萃取、固相微萃取、分散萃取法 [11] 。仪器分析主要有气相色谱法、液相色谱法、离子色谱法和色谱质谱联用法 [12] 。三卤甲烷是最先在饮用水中发现的卤代消毒副产物，国内外主要采用顶空或吹扫捕集结合气相色谱法、气相色谱–质谱(GC-MS)或气相色谱–电子捕获检测器(GC-ECD)法检测三卤甲烷 [13] [14] 。卤乙酸的检测一般为先预处理萃取后再加入酸化醇类进行衍生化，将其转化成酯，最后通过GC-MS或GC-ECD检测或采用高效液相色谱(HPLC)、离子色谱(IC)等方法检测 [14] [15] 。卤乙腈则是通过液液萃取、固相萃取、固相微萃取、顶空萃取、膜萃取、衍生化法等方法萃取后再进行色谱检测 [16] 。然而，在这些消毒副产物的检测方法与前处理技术中，顶空气相色谱法存在检测灵敏度较低和分析效率较慢(检测前开机的稳定时间需要2~3 h，检测时水样需要密封，平衡时长达到1 h) [17] [18] ，气相色谱法中氢火焰离子化检测器(FID)检测器与ECD检测器相比检测范围更广，但对痕量物质检测的能力较弱，而ECD仅对电负性高的物质检测灵敏度更高。冉珊珊等人发现吹扫补集技术在操作中水蒸气干扰和泡沫问题严重，检测后样品易受到交叉污染 [19] 。液液萃取和固相萃取等方法存在样品反应时间长(液液萃取卤乙酸时需要在50℃水浴中加入酸化甲醇，酯化时间长达1 h)、投资成本高(检测柱使用寿命有限，大量检测时需要频繁更换)、有机溶剂毒性大(前处理中浓硫酸、甲醇、MTBE等有毒有害物质使用量较大)、萃取柱易折断、堵塞和交叉污染等问题 [20] [21] [22] 。因此，为提高检测效率，节约经济成本，需要优化消毒副产物的检测方法。
气相色谱法对挥发性DBPs的检测效果较好，三卤甲烷与卤乙腈均为挥发性消毒副产物 [23] [24] ，同时检测这两类物质并优化其检测方法将减少实验时间。卤乙酸的极性较大、酸性强、沸点较高，直接使用气相色谱法检测对色谱柱的损害大，整体检出时间延长，利用气相色谱法检测前一般需将其衍生化，其中三氯乙酸需要较长的衍生化时间，不同的人操作后重复性差，且衍生化后的三氯乙酸甲酯与三溴甲烷沸点接近，同时使用气相色谱法检测时难以分离卤甲烷与卤乙酸。通过去掉衍生化步骤简化检测步骤、缩短检出时间，有助于提高分析效率。
因此，本研究拟在典型的三类消毒副产物中选择常见的三氯甲烷、三溴甲烷、二氯乙腈和三氯乙酸为研究对象，结合国内外现有的检测方法，优化前处理及萃取方法，建立一种更简单、分析效率高、易于推广的气相色谱法用于同步检测三氯甲烷、三溴甲烷、二氯乙腈和液相色谱法检测三氯乙酸，为后续饮用水源地消毒副产物的检测提供技术支持。
2. 材料与方法
2.1. 实验试剂
三溴甲烷、二氯乙腈、三氯乙酸(均为色谱纯)购于阿拉丁公司，三氯甲烷(色谱纯)、二氯甲烷、磷酸二氢铵、盐酸均为国药集团分析纯试剂，抗坏血酸为天津大茂化学试剂厂分析纯试剂。实验检测水来自武汉汉江宗关水源地、长江军山水源地、梁子湖水源地(棕色玻璃瓶、4℃保存)。
2.2. 实验仪器
Agilent 7890B型气相色谱仪，配置氢火焰离子检测器(FID)；岛津LC2030液相色谱仪；振荡培养箱(ZQZY-70BS，上海知楚仪器)。
2.3. 标准溶液配置
三氯甲烷不易溶于水，故配制时选择更易溶解、有一定沸点差距的二氯甲烷作为溶剂。分别精确称取三氯甲烷、三溴甲烷、二氯乙腈分析纯标样50.02 mg、50.06 mg、49.96 mg，使用二氯甲烷将其定容于50 mL的棕色容量瓶中作为标准储备溶液。量取标准储备溶液0.5、1.0、2.0、4.0、8.0 mL，用溶剂二氯甲烷稀释至100 mL作为标准溶液，密封避光保存。
精确称量三氯乙酸标准品50.04 mg，使用超纯水稀释定容在50 mL容量瓶中作为标准储备液，再分别量取标准储备液0.5、1.0、2.0、4.0、8.0 mL，用超纯水将其都稀释至100 mL作为标准溶液。密封避光保存。三氯甲烷、三溴甲烷、二氯乙腈和三氯乙酸最终的标准溶液梯度为：5、10、20、40、80 µg/mL。
2.4. 样品预处理
按照GB/T5750.2-2006《生活饮用水标准检验方法》相关消毒副产物检测的预处理方法处理水样。在水面下15 cm处取水样，向水样中加入过量的抗坏血酸(1 g/L，10 mL)防止消毒副产物的生成，将水样保存在充满冰块的泡沫盒中，低温条件运输回实验室，然后将其保存到4℃冰箱。
利用液液萃取法分离与富集DBPs，即取10 mL水样至20 mL规格的离心管中，加入5 mL的二氯甲烷(分析纯)，加盖后在恒温摇床100 rpm萃取摇匀5 min后，静置5 min，用进样针分别吸取底层液体1 µL用于气相色谱、10 µL用于液相色谱检测。
3. 色谱条件
3.1. 气相色谱条件
采用安捷伦7890B气相色谱(GC)检测三氯甲烷、三溴甲烷和二氯乙腈。取1 µL液样到气相色谱，该气相色谱配备氢火焰离子检测器(FID)，所用的毛细管柱是安捷伦科学(30 m × 0.25 mm，0.25 µm，5%甲基苯基硅氧烷)，N2作为载气，流速保持在1 mL/min，进样模式为不分流模式，柱压为9.08 Psi，进样器和检测器的温度分别为260℃和150℃。柱温箱程序为：60℃保持1 min，以12℃/min的速度升高到200℃，保持1 min，以5℃/min的速度升高到325℃，保持1 min。结果表明，在11 min内三氯甲烷、三溴甲烷、二氯乙腈完全分离，结果如图1(a)，图1(b)和图1(c)所示。
Figure 1. Chromatogram ((a), (b) and (c) are the gas chromatograms of chloroform, tribromomethane and dichloroacetonitrile, respectively; (d) is the liquid chromatograms of trichloroacetic acid)
图1. 色谱图((a)、(b)、(c)分别三氯甲烷，二氯乙腈，三溴甲烷的气相色谱图；(d)为三氯乙酸的液相色谱图)
3.2. 液相色谱条件
三氯乙酸采用岛津岛津LC2030液相色谱仪(HPLC)检测，取10 µL液样到液相色谱，色谱柱选择Waters Xbridge C18色谱柱(250 mm × 4.6 mm，5 µm)，柱箱温度设置为40℃，流动相为0.1 mol/L的磷酸二氢铵溶液作为流动相A和乙腈作为流动相B进行梯度洗脱，将pH调节至3.0，流速1.2 mL/min，流动相脱洗条件为持续进行脱洗20 min (刚开始流动相A为80%，流动相B为20%；到15 min时流动相A为10%，流动相B为90%；15~20 min时流动相A为80%，流动相B为20%)。紫外检测器检测，检测波长为210 nm。三氯乙酸在5 min内出峰，结果如图1(d)所示。所有物质的出峰时间如表1所示。
Table 1. Peak time of chloroform, tribromomethane, dichloroacetonitrile and trichloroacetic acid
表1. 三氯甲烷、三溴甲烷、二氯乙腈、三氯乙酸出峰时间
4. 结果与讨论
4.1. 检测范围及线性关系
准确吸取1 µL不同浓度梯度的标准溶液分别上机检测。以各物质的浓度和峰面积绘制标准曲线，检测结果如图2所示。三氯甲烷、三溴甲烷、三氯乙酸、二氯乙腈的线性关系良好，相关系数在0.99932~0.99991之间，拟合度R2均大于0.999。张静、杨小瑞等人采用国标法对其检测，相关系数在0.999~0.9998之间，与本方法接近 [25] [26] 。以信噪比等于10为定量限，三氯甲烷、三氯乙酸、二氯乙腈、三溴甲烷的定量检测下限分别在42 µg/L、34 µg/L、51 µg/L、75 µg/L。兰为环等 [27] 采用顶空毛细管气相色谱法检测，三氯甲烷的出峰时间在6.8 min，定量限为1.78 µg/mL，李添娣 [28] 等采用自动顶空气相色谱法检测，三氯乙酸在加热脱羧150 min后转化为三氯甲烷，三氯甲烷的出峰时间在3.2 min，最低检出浓度为20 µg/L，张丰 [29] 等采用气相色谱法检测，二氯乙腈的出峰时间在9.9 min，定量限在2 µg/L，李小娟 [30] 等使用气相色谱测定三溴甲烷时，出峰时间在7.9 min，检出限为170 µg/L。本方法拥有较低的定量限，满足后续实际及实验检测需求。
Figure 2. Standard curve ((A) Standard curve of chloroform, tribromomethane and dichloroacetonitrile; (B) Standard curve of trichloroacetic acid)
图2. 标准曲线((A) 为三氯甲烷、三溴甲烷、二氯乙腈的标准曲线；(B) 为三氯乙酸的标准曲线)
4.2. 精密度及回收率
分别准确吸取1 µL的三氯甲烷、三溴甲烷、二氯乙腈标准混合溶液于气相色谱中，10 µL的三氯乙酸于液相色谱中，连续进样3次，记录各物质的最终出峰面积，四种物质多次检测的RSD值在0.53%~1.1%之间，处于正常的仪器误差要求内，其值均小于国际标准中的5%要求，符合精密度实验要求。冯小兵 [31] 等采用国标法检测时的RSD值在0.9%~3.8%之间，与本方法接近。准确量取已知含量的混合溶液，分别加入低、中、高三组水平的对照品，每组低、中、高三个浓度各做3个平行，共计12份。结果如表2所示，三氯甲烷、三溴甲烷、二氯乙腈、三氯乙酸的回收率分别在97.8%~101.4%、95.9%~101.44%、98.5%~101.6%、96.02%~102.65%之间，表明该方法具有良好的回收率。相比于国标法90.4%~107%的回收率，王丹 [32] 等采用国标法时92.7%~105.6%的回收率，本方法具有良好的准确度。
Table 2. Precision and spiked recovery of each substance
表2. 各物质的精密度及加标回收率
4.3. 实际水样检测
分别从三个不同区域的饮用水源地取水，加入15 mg/L的消毒剂(次氯酸钠)反应24 h后，使用本次构建的方法来检测水样中的四种消毒副产物，每组检测两份，检测结果如表3所示。部分实验水样中有少量三氯甲烷、三溴甲烷检出，所有水样中均检测出大量三氯乙酸，结合水样分析，推测能形成卤乙酸的前体物含量较高，也与水样的pH，时间有关，随着反应的进行，部分消毒副产物发生了转变。水源地实验水样中其他的消毒副产物如二氯乙腈未检出，结合当地相关部门及论文数据的检测结果分析，可能原因是环境中本底消毒副产物含量较少，仅存在纳克每升时设备很难检测出。但我国目前对消毒副产物的限量标准较低，最终测试结果整体能够满足实际检测需求及后续实验需求。
Table 3. Actual detection value of disinfection by-products of each water sample
表3. 各水样消毒副产物实际检测值
5. 结论
本文构建了一种针对饮用水源地水中典型消毒副产物的新方法，主要结论包括：
1) 采用气相色谱同步快速检测三氯甲烷、三溴甲烷、二氯乙腈，利用液相色谱快速检测三氯乙酸。在11 min内三氯甲烷、三溴甲烷、二氯乙腈完全分离；三氯乙酸在5 min内出峰。当浓度在5~80 µg/mL时峰面积与浓度呈现良好的线性关系，R2为0.99932~0.99991；加标回收率为95.9%~102.65%，精密度RSD为0.53%~1.1%，检测限为34~75 µg/L。检测结果良好，方法符合要求。
2) 本方法预处理均采用液液萃取法，二氯甲烷作为萃取剂，萃取时间10 min，液相色谱检测三氯乙酸去掉了国标法繁琐的衍生化步骤，提高了卤乙酸的检测效率。
该方法为饮用水源地水中消毒副产物污染研究提供了技术支持，也为需要大量检测此类物质，检测条件较为困难的地区提供了便利，为开辟其他方法快速检测三氯乙酸提供了新的思路。
致谢
本研究得到湖北省重点研发计划项目“重大疫情后微污染饮用水源的检测与深度净化技术研究”(400204001203004)和国家自然科学基金青年项目“基于类咕啉代谢的厌氧脱氯菌群高效还原脱氯机制研究”(22106041)的资助，谨此致谢。
NOTES
*通讯作者。