LC-MS/MS 法檢測水中的高氯酸鹽

摘要：本文的研究結果充分顯示了采用IC-PakTM 陰離子/HR（A/HR）化學品和Quattro microTM 大氣壓化學電離（API）質譜儀對環境水樣中的高氯酸鹽進行選擇性分析的可行性。選用聚甲基丙烯酸酯基質的IC-Pak A/HR色譜柱以及含有酸氫銨和乙腈（ACN）的流動相可以消除硫酸鹽等的干擾，因此在制備樣品時無需除去氯化物和硫酸鹽。

The Determination of Perchlorate in Water Using LC-MS/MS

Joseph Romano

Abstract：This work demonstrates the feasibility of using the IC-PakTM Anion/HR chemistry and the Quattro micro^TM API mass spectrometer for the selective analysis of perchlorate in environmental waters. Chromatographic selectivity of the polymethacrylate-based IC-Pak A/HR column using ammonium bicarbonate and ACN eliminates the interference from sulfate and the need for sample preparation to remove chloride and sulfate.

        在各種高氯酸鹽中既有天然存在的化學物質又有人工合成的無機離子。天然存在的高氯酸鹽在化肥中是一種污染物；人工合成的高氯酸鹽主要用于皮革的鞣制和精修及橡膠、油漆和搪瓷的生產，是潤滑油的添加劑和火箭固體推進劑的主要成分。

        由于使用和處理的不當，高水溶性的高氯酸鹽會透過含水土層和表層水，污染土壤、飲用水和灌溉水。

        目前已在美國35 個州的飲用水中檢測出高氯酸鹽濃度超標。這樣的水還被用來灌溉農作物。因此，關注水果、蔬菜和谷物等食物中的高氯酸鹽含量是十分必要的。在美國的西南部，人們還用這些食物喂養家畜。

        目前，馬里蘭州、馬薩諸塞州和新墨西哥州已將高氯酸鹽的處置界限設在1 ppb；加利福尼亞州和德克薩斯州設為4 ppb；而內華達州和亞利桑那州的要高一些。2005 年2 月，美國環保署（EPA）確立的官方高氯酸鹽參考劑量（RfD）為0.0007mg/kg/d。因此，亟需發展亞ppb 級濃度的高氯酸鹽的檢測方法。

1 實驗部分

        美國EPA 的314.1 方法即“離子色譜方法檢測飲用水中的高氯酸鹽”（2004）是目前公認的檢測飲用水中高氯酸鹽的方法。離子色譜可檢測到亞ppb 級的高氯酸鹽，但是樣品中氯化物和硫酸鹽的離子強度會降低高氯酸鹽的檢測限。其他常見陰離子（如硫代硫酸鹽、硫代氰酸鹽和碘化物）和高氯酸鹽的洗脫時間相同，因此欲實現高氯酸鹽的檢測，必須發展一種更簡單的替代方法。新方法的關鍵是能從中等ppm 級濃度的氯化物和硫酸鹽中檢測出小于0.5ppb 的高氯酸鹽。在方法314.1 中，主要干擾物是硫酸鹽。相對豐度為4.2% 的H³⁴SO-₄ 的二級質譜（MS/MS）信號與高氯酸鹽的相同。因此，在高氯酸鹽的分析中除去硫酸鹽或者將其與高氯酸鹽完全分開顯得尤為重要。

        本文所建立的方法結合了色譜的高分離性以及MS 的高選擇性和高靈敏度，可以從總濃度很高的總溶解固體（HTDS）中檢測到亞ppb 級的高氯酸鹽。HTDS 是一種用飲用水配制的含碳酸氫鹽、氯化物和硫酸鹽各1000mg/L 的溶液。

        基于液相色譜的原理，通過增加有機溶劑（因乙腈產生的背壓較低，故選用其為有機溶劑）的濃度，使得高氯酸鹽在氯化物之后和硫酸鹽之前出峰。使用碳酸氫銨作為洗脫劑，可在15 min（不包括樣品制備時間）內檢測出亞ppb 級的高氯酸鹽（見圖1）。

   碳酸氫銨是一種有利于MS 檢測的易揮發鹽。選用任何含有鈉或鉀的洗脫液在進行MS 檢測時都需要通過化學抑制的方法將NaOH 或KOH轉化成H₂O 。而當采用碳酸氫銨為洗脫液時，這種操作是不必要的。

        當進行亞ppb 級高氯酸鹽的定量分析時，無論根據信噪比（S/N）大于3 的原則還是美國EPA的規定，都要求方法的檢測限小于0.5 ppb。圖2給出的是0.5 ppb 高氯酸鹽分別溶解于試劑水、飲用水和HTDS 溶液中的LC-MS/MS 譜圖。以S/N 為3 定義方法的檢測限（LOD）約小于0.1ppb；以S /N 為10 定義方法的定量限（LOQ）為0.2 ppb。這種LC-MS/MS 方法可以滿足高氯酸鹽的分析要求。此外，還可以通過加大進樣量的方法進一步降低樣品的檢測限。

在對高氯酸鹽進行定量時，可采用多步反應監測（MRM）模式下的MS 來監控從高氯酸鹽到氯化物的轉化過程（質量數從99.1變為82.7，丟失一個氧），即以離子對99>83 為定量離子對。可以通過37Cl 同位素的二級質譜產生的另一對離子對101.1>84.7 以及同位素35Cl 及37Cl 的離子強度比例來判斷高氯酸鹽的存在。盡管H34SO-4 離子也能產生99>83 的響應信號，但它并不能產生相應比例的Cl 同位素的響應信號（圖3）。

  在0.25~100 ppb 的范圍內，采用10 ppb 的內標，通過進樣100 μL 可以確定該方法的線性范圍。研究結果表明，在該范圍內，標準曲線具有很好的線性關系（圖4）。將標準品配制在HTDS溶液和飲用水中做標準曲線，也可得到相近的數據。圖5 顯示了高氯酸鹽定量分析的LOD 和LOQ（LOD=0.02 ppb；LOQ=0.05 ppb）。

2 結論

        本文的研究結果充分顯示了采用IC-Pak^TM 陰離子/HR（A/HR）化學品和Quattro micro^TM API質譜儀對環境水樣中的高氯酸鹽進行選擇性分析的可行性。選用聚甲基丙烯酸酯基質的IC-Pak A/HR 色譜柱以及含有碳酸氫銨和乙腈的流動相可以消除硫酸鹽等的干擾，免去了除去氯化物和硫酸鹽的樣品前處理過程。

        LC-MS/MS 可以在15 min 內檢測出HTDS 水，如0.3% 微咸水或土壤浸出液中低于100 ppt 的高氯酸鹽，單次分析時間僅需15 min。該方法同時可以被用于土壤和工業垃圾中的高氯酸鹽檢測。

        使用含50% 乙腈的流動相能夠消除全水相洗脫液情況下中性總有機碳（TOC）沉積對柱效的影響。

        該色譜方法已顯示出測定高氯酸鹽的可行性，但還沒有被完全認可。在被真正用于進行定量分析前，該方法的用戶有責任展示其主要性能。盡管如此，美國EPA 的331.0 方法（2005）已采用相同的色譜柱和洗脫液，利用MS/MS 檢測了飲用水和廢水中高氯酸鹽的含量。