固相微萃取-氣相色譜-質(zhì)譜法測定地表水中10種痕量苯系物

王 聰,董雪瑞,謝 磊,張利果,高 瑩,張浩杰,王宇翔

(杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 生態(tài)健康學(xué)院,杭州 310018)

地表水生態(tài)系統(tǒng)是一個交互系統(tǒng),具有水力特征、化學(xué)特征和與水生及底棲生物相關(guān)的特征等,污染物在地表水中進(jìn)行遷移轉(zhuǎn)化。地表水中苯系物主要來源于工業(yè)污染,如染料、制藥等。該類物質(zhì)不僅造成環(huán)境污染,還會對人體皮膚、結(jié)膜和呼吸器官產(chǎn)生刺激,并在人體內(nèi)富集,能抑制中樞神經(jīng),嚴(yán)重時會引起肝臟和腎臟的損害[1],是現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)CJ/T 51－2018《城鎮(zhèn)污水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法》中必檢的項(xiàng)目[2]。苯系物的常用測定方法為靜態(tài)頂空-氣相色譜法[3]和二硫化碳萃取-氣相色譜法[4]。但樣品前處理采用靜態(tài)頂空時,需要特定的頂空設(shè)備,頂空瓶只能使用一次,且平衡時間較長(40 min);采用二硫化碳萃取時,對人體健康危害較大,且容易造成二次污染。

固相微萃取是一種分析樣品需求量少、無需有機(jī)溶劑或有機(jī)溶劑用量較少及微型化的高效萃取方式,可將采樣、萃取、濃縮及進(jìn)樣一體化[5],其研究熱點(diǎn)集中在氣味分析、環(huán)境分析和生物分析等領(lǐng)域的應(yīng)用[6-9]。多壁碳納米管(MWCNTs)因比表面積大、吸附性能好等優(yōu)點(diǎn)而受到研究者的關(guān)注,并被應(yīng)用于環(huán)境檢測領(lǐng)域[10-12]。美國Millipore 公司在20世紀(jì)80年代中期首先應(yīng)用聚偏氟乙烯作為膜材質(zhì)開發(fā)出Durepore型微孔膜并推向市場,聚偏氟乙烯是疏水性聚合物材料,具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性,在室溫下不被酸、強(qiáng)氧化劑和鹵素所腐蝕,對芳香烴、醇等有機(jī)溶劑也很穩(wěn)定[13-14]。鑒于此,本工作采用多孔聚偏氟乙烯膜包裹MWCNTs自制固相微萃取裝置,制備的包膜經(jīng)洗滌、活化、干燥后,在地表水中吸附富集痕量苯系物,再經(jīng)甲醇解吸、濃縮制得樣品,結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜法對環(huán)境中ng級的苯系物進(jìn)行痕量分析。應(yīng)用自制的固相微萃取裝置富集和解吸樣品,可有效去除體系的基質(zhì)干擾且能反復(fù)使用,環(huán)境友好。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Agilent 7890A-5975C 型氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀;GC-2014C型氣相色譜儀;ZNCL-BS型智能數(shù)顯磁力攪拌器;Ohaus EX125ZH 型準(zhǔn)微量天平;BKQ-3200B型超聲波清洗器;SGK-5LB 型低噪聲空氣泵;QL-300型氫氣發(fā)生器;F 型聚偏氟乙烯微孔濾膜,孔徑0.45μm;MWCNTs,碳純度為97%,管徑3～5μm,管長15～30μm;2.5 mL 樣品瓶;10 mL頂空瓶;5μL微量進(jìn)樣針。

苯系物混合標(biāo)準(zhǔn)溶液:100.0 mg·L－1,準(zhǔn)確稱取氯苯、乙苯、對二甲苯、鄰二甲苯、異丙苯、間二氯苯、鄰二氯苯、1,2,3,4-四氫萘、二苯甲烷、丙苯各10 mg,用甲醇溶解,并定容至100 mL,充分混勻。

苯系物混合標(biāo)準(zhǔn)溶液系列:用水逐級稀釋苯系物混合標(biāo)準(zhǔn)溶液,配制成質(zhì)量濃度為1.000,5.000,10.00,50.00,100.0,1 000 ng·L－1的苯系物混合標(biāo)準(zhǔn)溶液系列。

高純氦氣、高純氮?dú)獾募兌染鶠?9.99%;對二甲苯的純度為99.8%;氯苯、乙苯、異丙苯、間二氯苯、1,2,3,4-四氫萘的純度均為99.5%;鄰二甲苯、鄰二氯苯、二苯甲烷、丙苯的純度均為99%;甲醇為色譜級;試驗(yàn)用水為超純水(電阻率為18.2 MΩ·cm)。

1.2 儀器工作條件

1.2.1 色譜條件

DB-5MS色譜柱(30 m×0.25 mm,0.25μm);進(jìn)樣口溫度280 ℃;氫火焰離子化檢測器(FID),溫度250 ℃;載氣為高純氮?dú)?高純氦氣;流量1.0 mL·min－1,分流比50∶1;進(jìn)樣量1μL。柱升溫程序:初始溫度40℃,保持8 min;以速率10 ℃·min－1升溫至220 ℃,保持4 min。

1.2.2 質(zhì)譜條件

電子轟擊離子(EI)源,電離能量70 e V,離子源溫度230 ℃;四極桿溫度150 ℃;掃描范圍 質(zhì)荷比(m/z)40～500;傳輸線溫度280 ℃。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 多孔膜保護(hù)固相微萃取裝置的制備及活化

采用多孔聚偏氟乙烯薄膜包裹MWCNTs制備固相微萃取裝置,制備流程圖見圖1。取一張多孔聚偏氟乙烯膜,在距離邊緣0.5 cm 處對折,將重疊部分的邊緣用加熱的剪刀封口,之后將封口完成的這部分裁下,剪成0.8 cm 長的多個小段。每段有兩個開口,將其中一個封口,用玻璃吸管和玻璃漏斗將10 mg MWCNTs(吸附劑)加至每個小段,然后封口,微萃取裝置制作完畢。將制作好的薄膜微萃取裝置經(jīng)水超聲處理5 min,洗滌表面雜質(zhì);再經(jīng)甲醇超聲處理5 min,將其放置于干燥皿中干燥。

圖1 多孔膜保護(hù)固相微萃取裝置的制備流程圖Fig.1 Preparation flow chart of porous membrane protected solid phase microextraction device

多孔膜保護(hù)固相微萃取基本原理是分析物通過界面層從樣品基質(zhì)擴(kuò)散到萃取相,并達(dá)到相平衡過程。這種平衡萃取方法與傳統(tǒng)樣品前處理方法比較,優(yōu)勢為較小的萃取相體積,在最小化基質(zhì)干擾的同時有效地增加凈化效果。另外,該技術(shù)是一種以敞開體系為萃取相的樣品前處理方法,這種體系應(yīng)用于大體積樣品萃取時,避免了由于突破體積限制造成的萃取效率降低的問題,同時在該敞開體系下直接進(jìn)行樣品前處理,避免了對基體的污染及堵塞[15-16]。

1.3.2 痕量苯系物的富集和測定

將多孔膜保護(hù)固相微萃取裝置放入1 L 樣品中,以500 r·min－1的速率攪拌30 min,多孔聚偏氟乙烯包膜在溶液中自由翻轉(zhuǎn),充分接觸溶液,使痕量苯系物富集至包膜中。取出包膜用水沖洗,放入干燥皿中干燥,然后用鑷子夾住包膜放入裝有1 mL甲醇的頂空瓶中,開啟超聲波清洗器,在功率150 W、工作頻率40 Hz的條件下超聲5 min,得到濃縮樣品。取1μL濃縮樣品按儀器工作條件測定。多孔聚偏氟乙烯包膜用甲醇沖洗后可重復(fù)使用。

2 結(jié)果與討論

2.1 色譜行為及定性分析

痕量苯系物經(jīng)多孔膜保護(hù)固相微萃取富集后,在甲醇中解吸后濃縮至1 mL,注射器抽取樣品1μL,經(jīng)進(jìn)樣口導(dǎo)入至色譜柱,經(jīng)氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀分析檢測,總離子流色譜圖如圖2所示。

圖2 總離子流色譜圖Fig.2 Total ion chromatogram

結(jié)果表明:1～8 號色譜峰主要集中在9～15 min內(nèi),9號和10號峰距離其他峰稍遠(yuǎn),10個峰均達(dá)到基底分離,分離度較佳;色譜圖基線比較平穩(wěn),隨著程序升溫速率增大,基線略有升高,但不明顯。采用NIST 14譜庫比對定性,10種痕量苯系物的匹配度均達(dá)到90%及以上,說明結(jié)果可靠性良好,具體的定性分析結(jié)果見表1。同時,在相同的氣相色譜條件下,將同一組分連續(xù)進(jìn)樣5次,保留時間的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)控制在0.040%以內(nèi),以確定每種組分的保留時間。對比標(biāo)準(zhǔn)品、樣品的保留時間,雖然出峰時間略有差異,但因使用同一型號色譜柱,出峰順序一致,進(jìn)一步說明方法定性的可靠性。

表1 10種痕量苯系物的定性結(jié)果Tab.1 Qualitative results of 10 trace benzene series

2.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線和檢出限

按照儀器工作條件測定苯系物混合標(biāo)準(zhǔn)溶液系列,以苯系物的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo),對應(yīng)的峰面積為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。結(jié)果表明,10種苯系物的質(zhì)量濃度在1.000～1 000 ng·L－1內(nèi)與對應(yīng)的峰面積呈線性關(guān)系,線性回歸方程、相關(guān)系數(shù)見表2。

將產(chǎn)生3倍噪聲水平的信號所對應(yīng)的待測組分質(zhì)量濃度定義為檢出限,所得結(jié)果見表2。

表2 線性參數(shù)和檢出限Tab.2 Linearity parameters and detection limits

2.3 精密度和回收試驗(yàn)

在空白基質(zhì)(水)中加入含100,200倍檢出限的10種苯系物的標(biāo)準(zhǔn)溶液,按照試驗(yàn)方法進(jìn)行測定,每個濃度水平測定5 次,計算回收率及測定值的RSD,結(jié)果見表3。

由表3 可知,10 種苯系物的加標(biāo)回收率為97.5%～100%,測定值的RSD 為0.89%～1.5%。說明方法可靠,精密度和準(zhǔn)確度均較高。

表3 精密度和回收試驗(yàn)結(jié)果(n＝5)Tab.3 Results of tests for precision and recovery(n＝5)

2.4 樣品分析

按照試驗(yàn)方法測定12份采集水樣中的10種苯系物含量,結(jié)果表明,1 份樣品中氯苯檢出量為179.0 ng·L－1,1份樣品中對二甲苯檢出量為151.0 ng·L－1,其他水樣均未檢出苯系物?？梢?隨著工業(yè)的發(fā)展,水體中苯系物存在一定風(fēng)險,戶外水環(huán)境中苯系物的監(jiān)測應(yīng)引起重視。

本工作提出了固相微萃取-氣相色譜-質(zhì)譜法快速測定地表水中10種痕量苯系物的方法,采用多孔聚偏氟乙烯膜包裹MWCNTs制備成固相微萃取裝置,適用于復(fù)雜環(huán)境樣品的前處理。制備的包膜經(jīng)洗滌、活化、干燥后,在地表水中吸附富集痕量苯系物,再經(jīng)甲醇解吸、濃縮制得樣品,經(jīng)氣相色譜-質(zhì)譜分析,比對NIST 14譜庫并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)品的氣相色譜保留時間對實(shí)際樣品中苯系物進(jìn)行定性。方法簡單、快速、準(zhǔn)確,可以有效去除復(fù)雜體系的基質(zhì)干擾,縮短環(huán)境檢測預(yù)處理時間,實(shí)現(xiàn)水系精準(zhǔn)痕量分析。

致謝:感謝2021年度浙江省訪問工程師校企合作項(xiàng)目“杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院快速測定APG 中的殘醇”的資助。