无衍生化两步萃取法用于痕量卤乙酸检测的原理和性能介绍

作者：马威、陈白杨

卤乙酸（HAAs）是饮用水加氯消毒过程中产生的第二大类消毒副产物，因其具备致癌风险目前已被中国和美国等国家限制，因此有必要进行及时准确的测量。而目前中国和美国环境保护署（US EPA）颁布的基于气相色谱（GC）原理的系列检测方法均需采用酯化衍生化操作，其操作过程繁琐，容易引入误差，因此有必要进行改进或寻找替代方法。离子色谱（IC）法能够实现HAAs的直接检测而无需衍生化操作，但是其检出限较高且水中常见共存阴离子会给痕量HAAs的分析造成干扰。

为解决上述IC检测方法的问题，在本研究中我们巧妙设计了一种全新的多步萃取方法，即在富集HAAs的同时显著能去除共存阴离子，从而突破了现有IC方法测试HAAs的两个局限。该方法基于一个基本水化学原理（见下）：即将pH降至小于其酸解离常数（pKa）时，水中HAAs会被质子化呈中性分子并具有较强的亲油性（即logK_ow>0）从而可被溶剂萃取富集；而当pH > pKa时，HAAs则脱质子呈离子态具有很强的亲水性（即logK_ow<0）。所以，我们可以利用这种HAAs在不同pH条件下的物种和性质差异来实现它的两次富集。具体而言，我们先在酸性条件下将HAAs萃取富集到有机溶剂甲基叔丁基醚（MTBE）中，再取MTBE放入中性水中将其中HAAs反萃取回水中，从而实现了HAAs第二次富集。而水中常见阴离子以离子形式存在无法在第一步被MTBE萃取，所以它们会几乎被完全去除，从而实现了HAAs与常见阴离子的高效分离。以下内容即展示了该多步萃取方法的性能细节及内在原理。

  原理图 

一、富集卤乙酸和去除共存阴离子的性能

首先我们考察了该方法富集HAAs的性能。图1a 显示HAA₅富集倍数（E_F）的平均值为11.4。在固定水样体积条件下，HAAs的富集倍数取决于其pKa值和logK_ow值。以TCAA为例，虽然其logK_ow值是HAA₅中最高的（即1.44），但是其较低的pKa值（即0.09）限制了其被质子化的程度。所以，TCAA的富集倍数反而低于DCAA和DBAA。其次我们考察了该方法去除常见阴离子的性能，图1b显示7种阴离子的去除率均高于90%，而F⁻的去除率较低（在50% ~ 56%）。这是因为HF的pKa值为3.17，其在第一步能形成logK_ow值为正(即0.23)的HF，而HF具有亲油性可被萃取到MTBE中。

图1. （a）：卤乙酸的富集效果；（b）：8种阴离子的去除效果 

图2的谱图直观地展示了在预处理后HAA₅被富集、同时7种阴离子被有效去除（除了F⁻，去除率均大于99%）的效果。得益于该方法，在色谱图中原本被共存阴离子干扰的HAAs在更干净的基线上脱颖而出。与2022年新修订的GB/T 5750.10 《生活饮用水标准检验方法第10部分：消毒副产物指标》中推荐的离子色谱法相比，该方法较好地解决了水中常见阴离子（如：Cl⁻和SO₄²⁻）对HAAs的干扰问题，无需通过Ba/Ag/H柱等装置进行预处理。

图2. 预处理前（a）和预处理后（b）的离子色谱图 

二、卤乙酸富集倍数的影响因素优化

首先，我们探究了样品体积对HAAs富集效果的影响。由图3a可以看出，HAA₅的E_F随着样品体积的增加而显著增大。然而，由于大体积的样品需水量较大，且MTBE可能会部分溶解于水中增加了MTBE的回收难度，所以，我们在证明了该方法进一步提高E_F的可能性后，最终仍然选择了30.0 mL的水体积进行后续的实验。

其次，我们探究了MTBE的使用体积对HAAs富集效果的影响。因为用于反萃取的MTBE体积（V₃）总是小于用于萃取的MTBE体积（V₂），意味着有一部分HAAs是无法回收的。从图3b可以看出，HAA₅的E_F随着V₃ / V₂比值的增加而提高，证明了该道理。

此外，我们考察了Na₂SO₄的用量对HAAs富集效果的影响。参考US EPA方法552.3，加入Na₂SO₄的目的是制造盐析效应来提高HAA₅的萃取效率。同时，添加Na₂SO₄还可以降低MTBE在水中的溶解度，这有利于取出更多的MTBE。经研究发现，加入10 g的Na₂SO₄的平均富集效果最好。

另外，我们研究了H₂SO₄用量对HAAs富集效果的影响。由图3d可以看出，未加入H₂SO₄的样品中检测不到HAAs，这说明酸化步骤是必要的。但过大量和太少量H₂SO₄的效果均不如加入1.0 mL H₂SO₄的富集效果。

图3.操作变量对HAAs富集倍数的影响；（a）样品体积；（b）反萃取用MTBE体积/萃取用MTBE体积；（c）Na₂SO₄用量；（d）H₂SO₄用量 

最后，为了尽可能减少该方法中残留溶剂MTBE不损害IC运行，我们又通过加热和氮吹的方式力求去除最终水样中的MTBE（即第三步）。另外MTBE和水的沸点显著差异，我们在90度温度下氮吹条件下， 将TOC值在4分钟内从28000 mg C/L降低到6.1 mg C/L，从而显著降低了水中溶剂对后续IC操作的影响。

三、方法的性能评价

我们证明，HAA₅的标准曲线在1 ~ 100 mg/L范围内具备良好的线性（相关系数R² > 0.99）。在超纯水和真实水样中加入5 mg/L的HAA₅时，该方法的回收率在70 ~ 110%内（相对标准偏差 < 9.9%）。新方法的方法检出限（MDLs，0.03 ~ 0.25 mg/L）与GC方法EPA552.3（0.012 ~ 0.17 mg/L）和其它IC方法EPA557（0.015 ~ 0.20 mg/L）的MDLs相当，但比2022年新颁布的GB/T 5750.10推荐的IC法（1.9 ~ 8.3 mg/L）低一个数量级。需要强调的是，该方法可以通过增加初始水样体积或者减少用于IC分析的样品体积来显著提高HAAs的富集倍数，从而进一步降低MDLs。这对检测浓度更低的卤乙酸（如ng/L级碘乙酸）非常有意义。

四、与US EPA标准方法552.3的比较

通过一系列配水自来水处理样，我们比较了新方法和传统552.3方法的检测效果。图4所示，这说明两种方法在检测HAAs方面具有良好的一致性。 

图4.本方法和US EPA 552.3方法的比较 

综上，本研究充分利用HAAs和阴离子在不同pH条件下以不同形式存在、且具有不同亲油亲水性质的特点，设计了一种操作简单、成本较低、集富集及分离一体的新型HAAs检测方法。与US EPA现行的552.3方法相比，该方法不需要复杂的酯化衍生化操作，对批次样品的预处理时间从2小时缩减到20分钟。与US EPA557方法相比，该方法不依赖于昂贵的机器设备，设备成本更低。与2022年新修订的GB/T 5750.10离子色谱法相比，该方法将MDLs降低了一个数量级并且显著消除了多数常见阴离子的干扰。理论上说，这种多步萃取方法也可以应用于其他离子态分析物的富集分离或用于其他分析检测仪器（如：液相色谱法，毛细管电泳法和分光光度法等），因此其可望开辟一个新的前处理方向。

该文于2022年5月发表在Journal of Hazardous Materials，论文题目为“Derivatization-free multi-step extraction for trace haloacetic acids analysis with ion chromatography: Performance and mechanisms”。对此文有兴趣的朋友们可于https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2022.129166下载，更多技术细节可联系哈尔滨工业大学（深圳）陈白杨老师了解（poplar_chen@hotmail.com）。欢迎各位同仁探讨和交流！