高效毛細(xì)管電泳分離測定水中的乙酸和氯代乙酸

朱金花,陳興國,劉繡華

(1.河南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,河南開封 475004; 2.蘭州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,甘肅蘭州 730000）

高效毛細(xì)管電泳分離測定水中的乙酸和氯代乙酸

朱金花1,2,陳興國2,劉繡華1

(1.河南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,河南開封 475004; 2.蘭州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,甘肅蘭州 730000）

用鄰苯二甲酸氫鉀(p H=5.4)緩沖液作為電泳的背景電解質(zhì),以十六烷基三甲基溴化銨作為電滲流抑制劑,用甲基叔丁基醚作為萃取劑處理水樣,建立了一種測定水中的乙酸和氯代乙酸的簡單靈敏的毛細(xì)管區(qū)帶電泳(紫外檢測)法.測定結(jié)果表明,分析物的遷移時(shí)間和峰面積的日內(nèi)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別低于0.33%和4.45%,日間相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別低于0.87%和9.67%.

乙酸;氯代乙酸;毛細(xì)管電泳;分離;測定

Abstract:A simple and sensitive capillary zone electrophoresis method has been established to determine acetic acid and chloroacetic acid in water by using potassium hydrogen phthalate(p H=5.4)as the background electrolyte,hexadecyltrimethylammonium bromide as electroosmotic flowing inhibitor,and methyl tert-butyl ether as the extractant to treat water sample.It was found that acetic acid and chloroacetic acid in water could be determined with relative standard deviation of migration time and corrected peak area below 0.33%and 4.45%(intra-day),or below 0.87%and 9.67%(inter-day).

Keywords:acetic acid;chloroacetic acids;capillary electrophoresis;separation;determination

氯代乙酸是鹵代乙酸(HAAs)的一種.一氯乙酸(MCA)、二氯乙酸(DCA)和三氯乙酸(TCA)總稱氯代乙酸,是環(huán)境中分布廣泛的污染物[1].氯代乙酸是飲用水的源水在氯化消毒處理過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物[2-3].MCA通過呼吸道和裸露的皮膚被人體吸收,如果皮膚接觸的濃度較高,將導(dǎo)致皮膚和眼部的疾病.毒理學(xué)研究表明DCA和 TCA具有致癌性[4-6].由于 HAAs對(duì)環(huán)境和人類的影響,對(duì)它們的測定引起了廣泛的關(guān)注[7-8].美國國家環(huán)保局公布實(shí)施的飲用水第一階段控制法案[9]中規(guī)定五種 HAAs總的最高允許質(zhì)量濃度為60μg/L.研究表明,由于飲用水消毒副產(chǎn)物控制法案的提出,使得傳統(tǒng)的消毒方式發(fā)生改變.新的消毒方法雖然能使消毒副產(chǎn)物的總量有所下降,但 HAAs的濃度顯著增加,成為已確定的消毒副產(chǎn)物中含量較多的一種[10-11].在所測定的 HAAs中,DCA和 TCA的含量較高[10].

氯代乙酸的定量分析方法很多,其中主要有化學(xué)衍生后用氣相色譜(GC)分析[10,12-15].衍生測定法雖然具有靈敏、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn),但由于所用的衍生試劑有較強(qiáng)的毒性,使其應(yīng)用受到較大的限制.因此,人們相繼建立了測定氯代乙酸的反向離子對(duì)色譜法(RP-IPC)和高效液相色譜法法(HPLC)[1,16].但是這些分析方法的分離時(shí)間比較長,而且檢測限較高.

毛細(xì)管電泳(CE)是近年來發(fā)展起來的一種高效、快速的新型分離技術(shù),因其具有分離模式多、試劑消耗量少、分離時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn),而被廣泛應(yīng)用于分析化學(xué)和生物醫(yī)藥及環(huán)境科學(xué)中.由于氯代乙酸自身沒有紫外吸收,需要用間接紫外檢測的方法進(jìn)行測定.最常用的間接紫外法的背景吸收物質(zhì)是鄰苯二甲酸氫鉀.但是電泳法測定 HAAs時(shí),靈敏度較低,不能滿足環(huán)境中痕量測定的要求.Martínez等人分別用萃取和電遷移進(jìn)樣的方法對(duì)HAAs進(jìn)行了富集,極大地降低了檢測限[17-18].但其所用的間接紫外背景吸收物質(zhì)和固相微萃取柱價(jià)格昂貴,限制了其實(shí)際應(yīng)用.為進(jìn)一步降低電泳檢測氯代乙酸的檢測限,本文作者采用液液萃取(LL E)的方式對(duì)樣品中氯代乙酸進(jìn)行萃取,電遷移進(jìn)樣的方式對(duì)分析物進(jìn)行進(jìn)一步富集,建立了測定水中氯代乙酸的毛細(xì)管電泳新方法,極大地提高了氯代乙酸的檢測靈敏度.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器

Waters Quanta 4000毛細(xì)管電泳儀(Milford,MA,USA).紫外檢測波長為254 nm.使用Maxima 820 Chromatograph Workstation進(jìn)行數(shù)據(jù)采集.石英毛細(xì)管為40.0 cm ×75μm(河北永年光導(dǎo)纖維廠),有效長度為32.4 cm.陰極進(jìn)樣.實(shí)驗(yàn)溫度為20.0±0.5℃.緩沖液的p H值用0.2 mol/L NaOH或0.2 mol/L HCl調(diào)節(jié),由p HS-3B型酸度計(jì)(上海精密科學(xué)儀器廠)測定.毛細(xì)管第一次使用前依次用0.1 mol/L NaOH沖洗10 min、蒸餾水沖洗10 min、緩沖溶液沖洗10 min.兩次運(yùn)行之間毛細(xì)管用緩沖溶液沖洗3 min.

1.2 試劑

MCA、甲基叔丁基醚(MTBE)、丙酮和乙酸(HAc)購自天津化學(xué)試劑廠,DCA購于 Sigma-Aldrich公司,TCA和十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)購自上?；瘜W(xué)試劑公司,鄰苯二甲酸氫鉀購自西安化學(xué)試劑公司.所用試劑均為分析純,所有實(shí)驗(yàn)用水均為超純水.

1.3 標(biāo)準(zhǔn)品溶液和緩沖溶液的配制

標(biāo)準(zhǔn)品的儲(chǔ)備液用超純水制備,質(zhì)量濃度分別為200 mg/L.使用時(shí)用超純水稀釋至所需濃度.背景電解質(zhì)溶液由0.1 mol/L鄰苯二甲酸氫鉀、5 mmol/L CTAB和水按不同體積混合而成.所有溶液使用前均用0.45μm的濾膜(上海新亞凈化器件廠)過濾.

1.4 樣品預(yù)處理

液液萃取過程參考文獻(xiàn)[19]進(jìn)行.將50 mL自來水或者游泳池水的p H值用2 mol/L的NaOH調(diào)到11.5,將溶液轉(zhuǎn)移到分液漏斗中,加入7.5 mL MTBE,振蕩5 min,靜置分層.棄去有機(jī)相,將水相的p H值用濃硫酸調(diào)至0.5,加入10 g氯化鈉,振蕩至全部溶解.再加入2.5 mL MTBE,繼續(xù)振蕩5 min.分層后,收集有機(jī)相.重復(fù)上述萃取過程兩次,合并有機(jī)相.通氮?dú)馐褂袡C(jī)相揮發(fā)完全后,加入300μL超純水溶解萃取后的氯代乙酸,用0.45μm濾膜過濾后直接進(jìn)樣分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 分離條件的優(yōu)化

在氯代乙酸質(zhì)量濃度為10 mg/L、乙酸質(zhì)量濃度為2 mg/L、重力進(jìn)樣(10 cm,20 s)條件下,考察了緩沖溶液p H值、分離電壓、鄰苯二甲酸氫鉀和CTAB的濃度對(duì)分離效果的影響.結(jié)果表明,緩沖溶液p H值小于5.0時(shí),HAc和 TCA很難分開,并且 HAc的峰和系統(tǒng)峰部分重疊;當(dāng)緩沖p H值大于6.0時(shí),MCA和DCA的峰重疊,因此選擇p H值5.0～6.0為緩沖p H值的優(yōu)化區(qū)間.考慮分離度、待測物的峰形和峰面積,選擇5.4作為緩沖液的最佳p H值.還考察了分離電壓在-5 kV～-15 kV變化時(shí)對(duì)分離行為的影響.結(jié)果表明,分離電壓升高,分析物的遷移時(shí)間縮短,體系電流增大,綜合考慮遷移時(shí)間和電流選擇-10 kV作為最佳分離電壓.實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明,鄰苯二甲酸氫鉀和CTAB的濃度對(duì)待測物的分離行為影響不大,綜合考慮峰形和靈敏度,確定鄰苯二甲酸氫鉀和CTAB的最佳濃度分別為12.5 mmol/L和0.5 mmol/L.綜合考慮,最佳的分離條件為:12.5 mmol/L鄰苯二甲酸氫鉀,0.5 mmol/L CTAB,p H值5.4,分離電壓-10 kV.最佳分離條件下標(biāo)準(zhǔn)品混合液的電泳譜圖如圖1A所示.

2.2 富集條件的優(yōu)化

許多研究證明電遷移進(jìn)樣能對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)富集[20-22].由于電離,乙酸和氯代乙酸在p H值 5.4時(shí)帶負(fù)電荷,可以用電動(dòng)進(jìn)樣的方式對(duì)待測物進(jìn)行富集.富集效率與進(jìn)樣電場強(qiáng)度和分析物自身性質(zhì)有關(guān).這種富集方法的最大優(yōu)點(diǎn)是操作簡單,不需要對(duì)儀器進(jìn)行改動(dòng).在上述最佳的分離條件下,考察了進(jìn)樣電壓和進(jìn)樣時(shí)間對(duì)分析物富集效果的影響.結(jié)果表明分析物的峰高隨進(jìn)樣時(shí)間的增長而增高.當(dāng)進(jìn)樣時(shí)間超過10 s時(shí),分析物峰高不再增加,峰形變寬.因此,選擇10 s作為最佳的進(jìn)樣時(shí)間.實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明,進(jìn)樣電壓為-5 kV時(shí),富集效果最好,故選擇-5 kV為最佳進(jìn)樣電壓.在上述最佳富集條件下標(biāo)準(zhǔn)品混合物的電泳譜圖如圖1B所示.

圖1 重力進(jìn)樣模式和電遷移進(jìn)樣模式下標(biāo)準(zhǔn)品譜圖Fig.1 Eelectropherograms of the four acids

2.3 工作曲線、檢測限和重現(xiàn)性

在上述最佳條件下,各分析物的回歸方程和檢測限如表1所示.由表1可見,電遷移進(jìn)樣極大地降低了分析物的檢測限,可以滿足水中痕量氯代乙酸測定的要求.分析物峰面積和遷移時(shí)間的重現(xiàn)性見表2.連續(xù)5次運(yùn)行所獲得的遷移時(shí)間和峰面積的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)分別為:0.25%～0.33%和2.34%～4.45%(日內(nèi));0.64%～0.87%和7.22%～9.67%(日間).

表1 回歸方程和檢測限Table 1 The results of regression analysis on calibration curves and the detection limits

2.4 樣品分析

用電遷移進(jìn)樣模式對(duì)蘭海泳池水和實(shí)驗(yàn)室自來水進(jìn)行了分析.在對(duì)樣品進(jìn)行處理前直接進(jìn)樣,除了一個(gè)較大的干擾峰外,沒有檢測到待測物的峰.所以樣品需要進(jìn)一步濃縮并消除干擾峰.樣品按照1.4中所述方法進(jìn)行萃取后,直接進(jìn)樣分析,電泳譜圖如圖2所示.通過比較遷移時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)加入法對(duì)實(shí)際樣品電泳圖中各組分的峰進(jìn)行確認(rèn).各組分的含量及RSD如表3所示.由表3可見,水樣中DCA和 TCA的含量較其他兩種待測物的含量高,且游泳池水中氯代乙酸的含量比自來水中氯代乙酸含量高,可能是游泳池中的水加氯消毒所至,但是兩種水樣中氯代乙酸的總含量都沒有超過美國環(huán)保局規(guī)定所允許的最高質(zhì)量濃度(60μg/L).

表2 電遷移進(jìn)樣模式下分析物的重現(xiàn)性Table 2 Repeatability of analytes in CE

圖2 樣品的電泳譜圖Fig.2 Electropherogram of samples

表3 樣品中氯乙酸的含量Table 3 Contents of the four analytes in real samples

3 結(jié)論

作者所建立的方法可以用于同時(shí)分離測定水中的氯代乙酸,方法簡單、重現(xiàn)性好,對(duì)水中氯代乙酸的測定和水質(zhì)監(jiān)控具有一定的實(shí)用價(jià)值.

[1]LOOS R,BARCELO D.Determination of haloacetic acids in aqueous environments by solid-phase extraction followed by ion-pair liquid chromatography-electrospray ionization mass spectrometric detection[J].J Chromatogr A,2001,938(1/2):45-55.

[2]DOMINO M M,PEPICH B V,MUNCH D J,et al.Optimizing the determination of haloacetic acids in drinking waters[J].J Chromatogr A,2004,1035(1):9-16.

[3]AKHTAR P,TOO C O,WALLACE G G.Detection of haloacetic acids at conductive electroactive polymer-modified mi-croelectrodes[J].Anal Chim Acta,1997,341(2/3):141-153.

[4]BERG M,MULL ER S R,MU HL EMANN J,et al.Concentrations and mass fluxes of chloroacetic acids and trifluoroacetic acid in rain and natural waters in Switzerland[J].Environ Sci Technol,2000,34(13):2675-2683.

[5]SCOTT B F,MACTAVISH D,SPENCER C,et al.Haloacetic acids in Canadian lake waters and precipitation[J].Environ Sci Technol,2000,34(20):4266-4272.

[6]RICHARD A M,HUNTER III E S.Quantitative structure-activity relationships for the developmental toxicity of haloacetic acids in mammalian whole embryo culture[J].Teratology,1996,53(6):352-360.

[7]SARZANINI C,BRUZZONITI M C,MENTASTI E.Preconcentration and separation of haloacetic acids by ion chromatography[J].J Chromatogr A,1999,850(1/2):197-211.

[8]MAGNUSON M L,KEL TY C A.Microextraction of nine haloacetic acids in drinking water at microgram per liter levels with electrospray-mass spectrometry of stable association complexes[J].Anal Chem,2000,72(6):2308-2312.

[9]US EPA.National primary drinking water regulation:Interim enhanced surface water treatment[S/OL].1998,63(241):69477-69521.[2010-12-01]http://water.epa.gov/lawsregs/rulesregs/sdwa/mdbp/ieswtrfr.cfm.

[10]WILLIAMS D T,L EBEL GL,BENOIT F M.Disinfection by-products in Canadian drinking water[J].Chemosphere,1997,34(2):299-316.

[11]SINGER P C,OBOL ENSKY A,GREINER A.DBPs in chlorinated North Carolina drinking waters[J].J Am Water Works Assoc,1995,87(10):83-92.

[12]COWMAN G A,SINGER P C.Effect of bromide ion on haloacetic acid speciation resulting from chlorination and chloramination of aquatic humic substances[J].Environ Sci Technol,1996,30(1):16-23.

[13]BENANOU D,ACOBAS F,SZTAJNBOK P.Analysis of haloacetic acids in water by a novel technique:simultaneous extraction derivatization[J].Water Res,1998,32(9):2798-2806.

[14]RICHARDSON S D,THRUSTON Jr A D,CAU GHRAN T V.Identification of new ozone disinfection byproducts in drinking water[J].Environ Sci Technol,1999,33(19):3368-3377.

[15]HUNTER E S,ROGERS E H,SCHMID J E,et al.Comparative effects of haloacetic acids in whole embryo culture[J].Teratology,1996,54(2):57-64.

[16]VICHOT R,FURTON K G.Variables influencing the direct determination of haloacetic acids in water by reversed-phase ion-pair chromatography with indirect UV detection[J].J Liq Chromatogr,1994,17(20):4405-4429.

[17]MARTINEZ D,FARRE J,BORRULL F,et al.Capillary zone electrophoresis with indirect UV detection of haloacetic acids in water[J].J Chromatogr A,1998,808(1/2):229-235.

[18]MARTíNEZ D,BORRULL F,CALULL M.Evaluation of different electrolyte systems and on-line preconcentrations for the analysis of haloacetic acids by capillary zone electrophoresis[J].J Chromatogr A,1999,835(1/2):187-196.

[19]DALVI A G I,A1-RASHEED R,JAVEED M A.Haloacetic acids(HAAs)formation in desalination processes from disinfectants[J].Desalination,2000,129(3):261-271.

[20]WESTON A,BROWN P R,JANDIK P,et al.Optimization of detection sensitivity in the analysis of inorganic cations by capillary ion electrophoresis using indirect photometric detection[J].J Chromatogr A,1992,608(1/2):395-402.

[21]J IMIDAR M,HARTMANN C,CONSEMENT N,et al.Determination of nitrate and nitrite in vegetables by capillary electrophoresis with indirect detection[J].J Chromatogr A,1995,706(1/2):479-492.

[22]GUAN Fu Yu,WU Hui Fang,LUO Yi.Sensitive and selective method for direct determination of nitrite and nitrate by high performance capillary electrophoresis[J].J Chromatogr A,1996,719(2):427-433.

Separation and determination of acetic acid and chloroacetic acid in water by efficient capillary electrophoresis

ZHU Jin-hua1,2,CHEN Xing-guo2,LIU Xiu-hua1

(1.College of Chemistry and Chemical Engineering,Henan University,Kaif eng475004,Henan,China;
2.College of Chemistry and Chemical Engineering,L anzhou University,L anzhou730000,Gansu,China)

O 675.8

A

1008-1011(2011)02-0056-05

2010-10-14.

朱金花(1982-),女,博士,從事色譜分離科學(xué)技術(shù)研究.