利用序贯萃取与梯度洗脱对消毒副产物进行非靶向分析

《ACS ES&T Water》：Nontarget Analysis of Disinfection Byproducts Using Sequential Extraction and Elution

　　

消毒过程中饮用水处理产生的消毒副产物(disinfection byproducts, DBPs)常具细胞毒性和基因毒性，并与膀胱癌等健康风险相关。含两个以上碳原子的高分子DBPs产量大、多样性高，对观测毒性贡献显著，但其组成和结构仍大多未知。虽有研究探索高分辨检测方法，本研究聚焦于对这些>2碳DBPs的萃取与洗脱程序优化，再采用负电喷雾电离(ESI?)及傅里叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR MS)检测。水样采自瑞典三座饮用水处理厂(DWTPs)，其中两座使用次氯酸钠、一座使用单氯胺消毒。反相SPE填料(Hyper Sep)与混合型碳填料(Carbon S)表现出高度互补性，Carbon S可捕获未被常用反相材料保留的一类极性饱和DBPs。使用极性渐变的溶剂进行分步洗脱降低了样品复杂度和离子抑制效应，并进一步拓展了检出的DBP多样性。对某DWTP在pH 8条件下萃取也可拓展DBP多样性但影响较小。反相填料上次氯酸消毒水样经经典甲醇一步洗脱会漏检相对更多DBPs，氯胺消毒水样尤为如此。

论文解读：《利用序贯萃取与梯度洗脱对消毒副产物进行非靶向分析》

一、研究背景与目的

消毒副产物(disinfection byproducts, DBPs)是饮用水氯化/氯胺化消毒的伴生产物，流行病学研究关联其暴露与膀胱癌等健康风险。传统受管控的DBPs多为含1–2个碳的三卤甲烷(trihalomethanes, THMs)和卤乙酸(haloacetic acids, HAAs)，属可吹扫挥发性组分，仅占总有机卤(total organic halogen, TOX)约30%。毒理学证据表明，不可吹扫(nonpurgeable)的非挥发性DBPs——尤其含>2个碳的大分子DBPs——对细胞毒性、氧化应激诱导及基因毒性贡献更显著，且该组分中仅极少比例为已知DBPs。现有非靶向研究多采用单一Bond Elut PPL反相SPE柱并以甲醇一步洗脱，存在填料选择性偏差及离子抑制问题，对极性高、>2碳未知DBPs的覆盖不足。因此，研究人员假设通过串联具互补吸附机制的SPE填料并结合按极性梯度的分步洗脱(stepwise elution)，可在实际规模饮用水处理厂水样中更全面富集和表征非挥发性未知DBPs（尤其>2碳DBPs），进而提升DBP暴露分析的完整性。该论文发表于《ACS ES&T Water》。

二、主要关键技术方法

研究人员采集瑞典三座全规模饮用水处理厂(DWTPs：R?berga、Bergg?rden使用次氯酸钠NaOCl消毒，Borg使用单氯胺NH₂Cl消毒)消毒前后出水样，大部分样品调至pH 2.5后上样。采用序贯固相萃取(sequential SPE)：上位柱为具弱阳离子交换功能的混合模式反相Hyper Sep Retain CX，下位柱为石墨碳/PSA混合型Bond Elut Carbon S（捕获穿透反相柱的极性DBPs）；对照为常用Bond Elut PPL+Cellulose序列。吸附后分别以水/甲醇(50:50, v/v)、甲醇(MeOH)、乙腈(ACN)、甲醇/正戊烷(50:50, v/v)、含1 mM KOH的MeOH（洗脱Hyper Sep阳离子交换位点）及含1% NH₄OH的MeOH（洗脱Carbon S阴离子交换位点）进行梯度分步洗脱。各馏分稀释后以12 T FT-ICR MS在负电喷雾电离(ESI^?)模式下检测(m/z 147.4–1000)，内标校准(<0.2 ppm)。分子式由自建软件解析，限定元素范围C_0–100H_0–∞O_0–80N_0–3S_0–2Cl_0–5Br_0–5I_0–5，卤代DBPs经³⁷Cl/⁸¹Br同位素峰验证，扣除消毒前本底峰及方法空白，仅保留新生成的卤代DBPs（CHOCl/Br/I类）。经van Krevelen图、双键当量(double bond equivalent, DBE)、改性芳香性指数(modified aromaticity index, AI_mod)、碳平均氧化态(average oxidation state of carbon, C_OS)等进行化学特征表征，并用UpSet图分析各馏分DBP分子式重叠情况。Borg厂另在原始pH 8条件下平行萃取比较pH效应。

三、研究结果

3.1. DBP Characterization of Different Fractions（不同洗脱馏分中DBPs的特征）

Hyper Sep柱吸附的DBPs主要检出在水/甲醇(50:50, 50W50M)和甲醇(M)馏分(占72–86%)，代表中–高极性物种；氯胺消毒厂(Borg)在乙腈(ACN)馏分检出比例更高，表明消毒剂型影响DBP极性分布。50W50M馏分DBPs具较高O/C比、氧原子数及极性，M馏分DBPs具略高AI_mod（较低极性、略高不饱和度），符合洗脱极性梯度规律。ACN馏分DBPs分子量偏低且多样性较少；甲醇/正戊烷(50M50P)及M-KOH馏分DBPs极少。Carbon S柱主要捕获50W50M、M及M-NH₄OH馏分中DBPs，整体比Hyper Sep柱DBPs分子量大、H/C高、AI_mod低（更饱和、更极性），说明其为未保留于反相填料的极性饱和DBPs。溴代DBPs多见于Hyper Sep柱M馏分，碘代及Cl-Br混合卤代DBPs主要为Carbon S柱50W50M馏分所捕集。

3.2. DBP Overlap between Fractions and DWTPs（馏分间及水厂间DBPs重叠分析）

Hyper Sep柱各馏分中59–75%的DBP分子式仅见于单一馏分，最多独特DBPs来自M馏分，其次50W50M；氯胺消毒厂Borg在ACN馏分有较多独特DBPs。Carbon S柱各馏分独特DBP比例更高(76–98%)。Hyper Sep与Carbon S柱共有DBPs仅2–15%，证实两填料具强互补性。三水厂间比对显示Carbon S提取物中特有DBPs比例(74%)高于Hyper Sep(40%)。50M50P馏分虽DBP少，但含少数低极性溴代DBPs为其他馏分未见；M-KOH洗脱未明显增加ESI^?模式下DBP多样性。

3.3. Sample pH（样品pH影响）

Borg出厂水在原始pH 8萃取较pH 2.5检出DBP总数少，但分别有44%(Hyper Sep)和65%(Carbon S)的DBPs仅见于pH 8条件，为pH 2.5未检出的饱和、低含氧DBPs（Carbon S中该类多出现于ACN馏分）。总体看pH 8萃取对拓展化学多样性贡献有限（Hyper Sep中占14%，Carbon S中占7%），主要价值在于补全部分极性饱和DBPs图谱。

3.4. Comparison between Hyper Sep, Carbon S, and PPL（与常用PPL填料对比）

PPL与Hyper Sep的DBP重叠率(32–42%)远高于PPL与Carbon S(2–11%)。单独PPL萃取独有DBPs占10–19%，而序贯Hyper Sep+Carbon S萃取独有DBPs占51–58%，证明多填料串联大幅拓宽可检测DBPs的化学空间。PPL捕获DBPs平均含氧量/O/C及C_OS略高，体现其反相填料对极性基团的选择性差异。

3.5. Ways Forward（展望）

研究人员建议优化梯度洗脱可引入介于ACN与戊烷极性间的溶剂（如庚烷、甲苯）；ESI^?模式下M-KOH洗脱对DBP多样性无增益可省略（正模式ESI⁺下或有价值）；Carbon S柱简化至50W50M+M+ M-NH₄OH即可；pH调节分离贡献有限；Carbon S具捕集碘代DBPs潜力可用碘碎片离子或同系物网络分析进一步验证。未来可结合MS/MS、离子淌度谱(ion mobility spectrometry, IMS)辅助结构解析。

四、结论总结（翻译Conclusions）

将反相与碳基填料的互补吸附能力、按极性梯度的分步洗脱，以及基质削减对离子化效率的整体改善三者结合，可大幅拓展对非挥发性DBPs检出化学多样性的覆盖范围。该方法具备推广潜力，可用于全氟/多氟烷基物质(per- and polyfluoroalkyl substances, PFAS)等诸多新兴关注污染物的分析窗口拓展，并成为识别饮用水中DBPs或其他污染物整体暴露中关键组分或致毒馏分的重要手段。

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