基于阀切换离子色谱-真空浓缩技术实现氯硝酰胺阴离子的高纯度、高浓度制备

图文摘要

成果简介

近日，哈尔滨工业大学（深圳）陈白杨教授团队在Water Research上发表了题为“Purification and enrichment of chloronitramide anion in water”的研究论文。该研究针对新发现的消毒副产物——氯硝酰胺阴离子（Cl–N–NO₂⁻）缺乏高纯度、高浓度标准品这一瓶颈问题，首次开发了基于自动阀切换离子色谱（IC）联合真空浓缩的纯化与富集策略。通过程序化阀切换实现目标物与干扰离子的高效分离，并结合热稳定性验证后的真空浓缩步骤，成功获得了浓度高达~24 mM、摩尔纯度>99%（除水外）的Cl–N–NO₂⁻样品，为目前文献报道的最高浓度与纯度。研究还系统鉴定了该产物的紫外吸收光谱、元素组成及质谱裂解特征，并证实其在95 ^oC下具有良好的热稳定性。该工作为Cl–N–NO₂⁻的毒性评估、环境归趋及形成机理等后续研究提供了关键物质基础。

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氯硝酰胺阴离子（Cl–N–NO₂⁻）是2024年《Science》期刊报道的一种新型无机氯胺分解产物，在美国多地供水系统中检出浓度中位数达23 µg/L，超过多数现行管控的消毒副产物。然而，由于该物质无商业标准品，且合成母液中伴随大量氯胺、氯离子、硝酸根等干扰物，导致其高纯度、高浓度样品制备极为困难，严重制约了其毒性、物化性质及环境行为的研究。本研究创新性地将阀切换离子色谱（OPCS-IC）的在线分离能力与真空浓缩技术相结合——前者通过反复阀切换实现目标物的自动捕集与杂质去除，后者利用Cl–N–NO₂⁻优异的热稳定性（95 °C下无显著降解）实现高效浓缩。最终获得的样品浓度（~24 mM）和除水外纯度（>99%）均显著优于现有方法。该策略为离子型强亲水性未知物的制备纯化提供了全新思路，也为Cl–N–NO₂⁻的毒性测试、健康风险评估及水处理工艺调控奠定了基础。

引言

氯硝酰胺阴离子（Cl–N–NO₂⁻）作为氯胺消毒过程中新确认的分解产物，其酸解离常数（pK_a）、辛醇-水分配系数（K_ow）、毒性等关键物化参数至今尚未被测定，根本原因在于缺乏高浓度、高纯度的样品。然而，现有合成方法（如一氯胺缓慢分解、二氯胺pH循环、一氯胺-亚硝酸盐反应等）均不可避免地产生大量共存离子（Cl⁻、NO₂⁻、NO₃⁻、PO₄³⁻等），且Cl–N–NO₂⁻本身为强亲水性阴离子，常规固相萃取或液液萃取难以实现有效富集。针对这一挑战，本研究采用自动阀切换离子色谱作为制备型分离工具，实现目标物的在线捕集与基质去除，再辅以真空浓缩，在不引入额外杂质的条件下大幅提升样品浓度。

图文导读

纯化与富集流程

Fig. 1. Chromatographic instrument configuration for the isolation and enrichment of Cl–N–NO₂⁻.

本研究开发的纯化-富集一体化流程如下：首先，合成含Cl–N–NO₂⁻的母液；随后，利用阀切换离子色谱（OPCS-IC）系统，以KOH为淋洗液，通过程序控制六通阀切换，将Cl–N–NO₂⁻选择性保留在浓缩柱上，同时排弃大量干扰离子；重复该阀切换循环实现初步富集；最后，将纯化后的样品转移至真空浓缩仪（80 mbar，95 °C）中蒸发溶剂，最终获得高浓度目标物。

阀切换离子色谱的分离与富集效果

Fig. 2. Conductivity and UV (210 and 243 nm) chromatograms of Cl–N–NO₂⁻ before (a) and after (b) valve-switching isolation.

研究对比了阀切换处理前后样品的色谱图（Fig. 2）。原始母液中存在大量Cl⁻、NO₂⁻、NO₃⁻等干扰峰，而经过一次阀切换分离后，目标物Cl–N–NO₂⁻在11.2–12.9 min窗口内被选择性收集，电导与UV（243 nm）色谱图均呈现单一峰，杂质基本去除。

Fig. 3. Variation of enrichment factor (EF) of Cl–N–NO2− as a function of valve-switching cycles (n) for three concentrating columns (SuperIC-AZ, SuperIC-AP, and IonPac AG19) at two initial concentrations (300 μM and 1 μM).

进一步考察了三种不同浓缩柱在多次阀切换循环下的富集性能（Fig. 3）。在初始浓度300 μM条件下，SuperIC-AZ、SuperIC-AP和IonPac AG19三种浓缩柱经5次循环后实测富集倍数分别为3.06、3.37和2.39，10次循环后分别达到4.72、4.41和2.39。富集倍数随循环次数增加而趋缓，主要受限于浓缩柱的离子交换容量。

热稳定性与真空浓缩效率

Fig. 4. (a) Temporal variation in the concentrations of Cl–N–NO₂⁻, SO₄²⁻ (internal standard), and the normalized concentration of Cl–N–NO₂⁻ at (a) 60 ^oC, (b) 80 ^oC, and (c) 95 ^oC. (d) Variation of E_F and volume ratio (V₀/Vt) during the enrichment of Cl–N–NO₂⁻ by vacuum-concentration process.

进行真空浓缩步骤的前提是目标物在加热条件下不分解。为此，研究以化学性质稳定的硫酸根为内标，考察了Cl–N–NO₂⁻在60、80、95 °C下加热1 h的行为（Fig. 4a–c）。结果显示，Cl–N–NO₂⁻的浓度随温度升高而增加，但经硫酸根浓度变化归一化处理后，其净变化仅为−0.91%、−1.25%和−0.73%，表明浓度的升高完全源于溶剂蒸发引起的体积收缩，而非物质富集，Cl–N–NO₂⁻本身未发生降解。

基于此，研究选择95 °C作为真空浓缩温度。如Fig. 4d所示，在4.6 h内，溶液体积从30 mL减少至1 mL（V₀/Vₜ从1增至30），实测富集倍数同步升至28.54，两者几乎重合，说明浓缩过程中Cl–N–NO₂⁻无损失。经此步骤，样品浓度从阀切换后的~0.8 mM提升至~24 mM。

纯度评估与全流程对比

Fig. 5. (a) Conductivity chromatograms and (b) UV chromatograms (at 243 nm) of Cl–N–NO₂⁻ in samples before and after purification and enrichment process at different stages: 1. raw solution containing high levels of impurities (diluted 50-fold for clear demonstration); 2. after single valve-switching isolation; 3. after five valve-switching isolation and enrichment cycles; and 4. after vacuum-concentration (diluted 24-fold for clear illustration).

Fig. 5展示了纯化-富集全流程中各个阶段的色谱图对比。原始母液中含有大量干扰离子，经单次阀切换后杂质基本消失，经5次循环后Cl–N–NO₂⁻峰面积从4.10 × 10³（~0.56 mM）增至6.18 × 10³（~0.84 mM），真空浓缩并24倍稀释后峰面积达7.58 × 10³（~1 mM），换算回原始浓度约为24 mM。最终检测到的残留Cl⁻和NO₃⁻浓度分别仅为~9.2 μM和~5.2 μM，经计算摩尔纯度>99%（除水外）。

产物鉴定：紫外光谱、元素分析

Fig. 6. (a) Quantification of chlorine (Cl) and nitrogen (N) contents in Cl–N–NO₂⁻ samples at two dosages (195.5 μM and 102.3 μM). (b) Comparison of molar absorption spectrum of Cl–N–NO₂⁻ and other potentially coexisting species.

Fig. 6a显示，经UV₂₅₄光解后，195.5 μM和102.3 μM的Cl–N–NO₂⁻分别生成188.5 μM和100.2 μM Cl⁻，氯回收率达96%和98%；总氮（TN）测定值分别为401.7 μM和194.3 μM，与理论氮含量高度一致。两者的Cl/N比值均接近理论值0.5，确证了产物的元素组成。

Fig. 6b显示了纯化后样品在200–300 nm范围内的摩尔吸收光谱，其特征吸收峰位于243 nm，ε₂₄₃ = 5397 ± 207 M⁻¹ cm⁻¹，与文献报道值（5310 ± 170 M⁻¹ cm⁻¹）偏差<2%，且与NH₂Cl、NO₂⁻、HOCl等共存物种的谱图显著不同，排除了误判可能。

Fig. 7. (a) Quantification of chlorine (Cl) and nitrogen (N) contents in Cl–N–NO₂⁻ samples at two dosages (195.5 μM and 102.3 μM). (b) Comparison of molar absorption spectrum of Cl–N–NO₂⁻ and other potentially coexisting species.

Fig. 7进一步展示了质谱鉴定结果。IC-ESI-MS提取离子流色谱图中，m/z 94.96（³⁵Cl–N–NO₂⁻）与m/z 96.96（³⁷Cl–N–NO₂⁻）的峰面积比约为3:1，匹配氯天然同位素丰度比。UPLC-ESI-tqMS的二级质谱（图7b插图）中，前体离子m/z 95碎裂产生m/z 35（Cl⁻）、46（NO₂⁻）、51（Cl–NH⁻）及60等特征碎片，进一步确证了纯化后Cl–N–NO₂⁻的化学结构。

小结

本研究成功解决了氯硝酰胺阴离子（Cl–N–NO₂⁻）高纯度、高浓度制备的难题。核心发现包括：（1）以OH⁻为淋洗液的阀切换IC可高效实现Cl–N–NO₂⁻与常见阴离子的分离，并通过多次循环实现自动化富集；（2）Cl–N–NO₂⁻具有优异的热稳定性，95 °C加热及真空浓缩过程中无显著降解；（3）最终获得的样品浓度~24 mM、纯度>99%，为目前报道的最高水平；（4）经紫外光谱、元素分析及多模式质谱联合验证，确证了产物结构。该策略不仅为Cl–N–NO₂⁻的后续毒性测试、环境归趋及形成机理研究提供了关键物质基础，也为其他离子型强极性未知物的制备纯化提供了可借鉴的方法学范式。希望未来致力于该物质研究的同仁欢迎联系洽谈合作(poplar_chen@hotmail.com)

参考文献：Yuheng Chen, Xiaoteng Yang, Lan Li, Xiao Li, Chao Wang, Mengting Yang, Baiyang Chen, Purification and enrichment of chloronitramide anion in water,Water Research,2026,126461.

文章链接: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S004313542601136X

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