便攜式GC-MS測(cè)定水中酚類化合物的方法研究

解光武，楊強(qiáng)強(qiáng)，趙華勇，王煥香，劉雷璐

(1. 廣東省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，廣州 510308;2. 杭州譜育科技發(fā)展有限公司，杭州 310006)

前 言

突發(fā)環(huán)境事件起因主要有交通運(yùn)輸事故、安全生產(chǎn)事故、自然災(zāi)害次生引發(fā)以及企事業(yè)單位違法排污(非法傾倒或填埋)等[1]，但交通運(yùn)輸事故引發(fā)的突發(fā)環(huán)境事件數(shù)量占比較高。2020年4月及11月，在廣東省揭陽市和新疆發(fā)生的交通事故中，分別有約29t苯酚和31.9t鄰苯甲酚泄漏，對(duì)水環(huán)境安全造成了較大影響。這兩起事故均選擇實(shí)驗(yàn)室分析方法進(jìn)行檢測(cè)，樣品運(yùn)輸花費(fèi)了大量的時(shí)間，一定程度上影響了應(yīng)急處置工作。目前，我國便攜式氣質(zhì)聯(lián)用儀保有量大，省級(jí)生態(tài)監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)基本都配有便攜式氣質(zhì)聯(lián)用儀，一半以上地市生態(tài)監(jiān)測(cè)站配置了該儀器。同時(shí)，便攜式氣質(zhì)聯(lián)用儀已多次應(yīng)用于突發(fā)事故的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，如天津?yàn)I海新區(qū)爆炸事故、江蘇鹽城響水大爆炸等，為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處置提供了技術(shù)支撐。

目前，水中酚類化合物標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法主要有4-氨基安替比林分光光度法[2]、流動(dòng)注射-4-氨基安替比林分光光度法[3]、氣相色譜-質(zhì)譜法[4]等，這些分析方法通常需要實(shí)驗(yàn)室臺(tái)式儀器，機(jī)動(dòng)性差，適用于常規(guī)監(jiān)測(cè)，對(duì)于突發(fā)事故的快速檢測(cè)具有一定的局限性。近年來，便攜式氣質(zhì)聯(lián)用儀的快速檢測(cè)方法研究發(fā)展較為快速。段煉等[5]建立了水中2-甲基異莰醇(2-MIB)和土臭素(GSM)的SPME-便攜式GC-MS法，檢出限、回收率等指標(biāo)均達(dá)到國標(biāo)方法水平。陳歡等[6]采用便攜式GC-MS法分析水中6種有機(jī)磷農(nóng)藥，在12min內(nèi)可完成樣品的分離，與實(shí)驗(yàn)室GC法定量相比最大偏差僅為1.6 μg/L，而且該方法操作更加方便、快捷，適于現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)。為更好地完成應(yīng)急監(jiān)測(cè)工作，加強(qiáng)水中酚類化合物的快速檢測(cè)能力，本工作將以苯酚、鄰-甲苯酚、間-甲苯酚、對(duì)-甲苯酚及2-氯苯酚作為目標(biāo)組分進(jìn)行研究。利用固相微萃取柱吸附性能好，質(zhì)譜能夠快速定性、定量，便攜設(shè)備可以在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施檢測(cè)等優(yōu)勢(shì)，開展方法學(xué)研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器和試劑

便攜式固相微萃取儀-氣相色譜/質(zhì)譜儀(杭州譜育科技發(fā)展有限公司)；DB-1色譜柱(5 m×0.1mm×0.4 μm )、DB-5色譜柱(5m×0.1mm×0.4μm)、DB-624 色譜柱(10 m ×0.1mm×0.4 μm )；PA、PDMS、PDMS/DVB型萃取纖維柱(美國Supelco公司)；20 mL頂空瓶(上海安譜實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司)；100mg/L苯酚、鄰-甲苯酚、間-甲苯酚、對(duì)-甲苯酚、2-氯苯酚標(biāo)準(zhǔn)溶液(甲醇作溶劑，上海安譜實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司)；氯化鈉(AR,浙江漢諾化工科技有限公司)；甲醇(HPLC，默克股份)；鹽酸(GR，國藥集團(tuán))。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 儀器條件

色譜條件：進(jìn)樣口溫度為220℃；載氣為高純氦氣，流量為0.2 mL/min，分流比為30∶1。

采用程序升溫，60℃保持1 min，以20 ℃/min的速率升至130 ℃，再以15℃/min升至280℃。質(zhì)譜條件：離子阱溫度為150℃，EI源，離子化能量70 eV，掃描質(zhì)荷比范圍為41 ～ 300，掃描方式為全掃描。固相微萃取儀條件：加熱平衡溫度為70℃，加熱平衡時(shí)間5 min，頂空萃取時(shí)間40 min，攪拌磁子轉(zhuǎn)速為1000 r/min。

1.2.2 樣品采集與分析準(zhǔn)備

使用棕色玻璃瓶采集樣品，使樣品充滿樣品瓶，樣品采集后盡快檢測(cè)。如檢測(cè)目標(biāo)化合物濃度超過工作曲線最高點(diǎn)濃度時(shí)，則需對(duì)樣品稀釋后重新進(jìn)行測(cè)定。使用移液槍移取10.0mL樣品于20mL頂空瓶中，立即密封樣品瓶，萃取后分析。將標(biāo)準(zhǔn)溶液用空白試劑水稀釋，配制成目標(biāo)化合物質(zhì)量濃度為20.0μg/L的標(biāo)準(zhǔn)溶液，每次實(shí)驗(yàn)控制單一變量進(jìn)行對(duì)比研究，選擇最優(yōu)條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。將標(biāo)準(zhǔn)溶液用空白試劑水稀釋，配制成目標(biāo)化合物質(zhì)量濃度為50.0μg/L的標(biāo)準(zhǔn)溶液，按照儀器參考條件進(jìn)行分析，得出每個(gè)目標(biāo)化合物的保留時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 色譜柱的選擇

為了確認(rèn)最佳色譜柱，本方法選擇了目前市場(chǎng)上應(yīng)用較為廣泛且具有不同極性的色譜柱作為研究對(duì)象，色譜柱型號(hào)分別為 DB-1 5m × 0.1mm × 0.4μm (非極性)；DB-5 5 m×0.1 mm × 0.4μm (弱極性)；DB-624 10m × 0.1mm × 0.4μm (中極性)。

1.苯酚；2.2-氯苯酚；3、4.間，對(duì)-二甲苯酚； 5.鄰-甲苯酚圖1 5種酚類經(jīng)DB-5色譜柱分離的TIC圖Fig.1 TIC diagram of DB-5 column for separation of 5 phenols

配制含5種酚類物質(zhì)濃度均為50μg/L的標(biāo)準(zhǔn)混合溶液，考察各目標(biāo)組分的分離效果，經(jīng)試驗(yàn)可知，采用DB-1色譜柱時(shí)5種酚類物質(zhì)能夠在3.5 min內(nèi)出峰，苯酚與2-氯苯酚有小部分重疊，其它物質(zhì)分離良好；采用DB-5色譜柱時(shí)，樣品能夠在4.7 min內(nèi)出峰，苯酚與2-氯苯酚完全分離，色譜柱分離情況見圖1；采用DB-624時(shí)，苯酚的響應(yīng)低于檢出限，其它酚類有明顯的拖尾現(xiàn)象。綜合峰形與分離效果，最終選擇DB-5色譜柱作為分離柱。

2.2 固相萃取柱的選擇

根據(jù)“相似相溶”原理，不同涂層材質(zhì)萃取纖維對(duì)同一物質(zhì)的吸附能力有所差別。因此，研究了目前常用的100 μm PDMS、65 μm PDMS/DVB以及85 μm PA三種萃取纖維柱對(duì)苯酚類物質(zhì)萃取的效果，結(jié)果如圖2。結(jié)果表明，相同條件下PDMS/DVB萃取纖維柱對(duì)2-氯苯酚的萃取效率約是PA萃取纖維柱的2倍，對(duì)間，對(duì)-二甲苯酚與鄰-甲苯酚的萃取效率約為PA的1.5倍，而對(duì)于苯酚二者的萃取效率基本相同；而PDMS萃取纖維柱對(duì)五種苯酚類物質(zhì)基本沒有萃取效果，因此選擇PDMS/DVB作為萃取柱。

圖2 萃取柱類型對(duì)萃取效果的影響Fig.2 Effect of the extraction column type on extraction efficiency

2.3 萃取溫度的選擇

苯酚類物質(zhì)沸點(diǎn)多在180～200℃之間，通過加熱混合物能夠增加溶液上方蒸氣壓，加速其與萃取纖維之間的傳質(zhì)過程，縮短平衡時(shí)間。因此，在其他條件不變的情況下，使用PDMS/DVB萃取柱分別探究了萃取溫度在40、50、60、70和80℃時(shí)，5種苯酚類化合物的萃取情況，結(jié)果如圖3。由圖可以看出，隨著萃取溫度的升高，各物質(zhì)的萃取效果提升了1.5～3.1倍左右；最佳萃取溫度為70℃，而在80℃時(shí)反而有所下降，這主要是由于萃取溫度過高會(huì)降低揮發(fā)物在萃取柱上的分配系數(shù)，降低了萃取效率。

圖3 溫度對(duì)萃取效果的影響Fig.3 Effect of extraction temperature on extraction efficiency

2.4 萃取時(shí)間的選擇

萃取時(shí)間對(duì)萃取效率有著直接的影響，因此考察了在萃取溫度為70 ℃，攪拌子速為1 000r/min時(shí)，不同萃取時(shí)間時(shí)對(duì)五種酚類物質(zhì)的響應(yīng)情況。結(jié)果表明，在10～40 min范圍內(nèi)，隨著萃取時(shí)間的延長，除苯酚外，其他四種物質(zhì)的響應(yīng)峰面積呈倍數(shù)式增長，在40 min后增長緩慢，結(jié)果如圖4。在保證儀器靈敏度的前提下，同時(shí)為了滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急快速檢測(cè)的需求，故選擇40 min作為最優(yōu)的萃取時(shí)間。

圖4 萃取時(shí)間對(duì)萃取效果的影響Fig.4 Effect of extraction time on extraction efficiency

2.5 無機(jī)鹽的影響

有研究表明，鹽度對(duì)水溶液中氣-液兩相分配常數(shù)有一定的影響[7]。取10mL濃度為 20.0μg/L的標(biāo)準(zhǔn)溶液，分別加入0 g、1.5 g、2.5 g以及3.5g NaCl，研究鹽度對(duì)水中苯酚類物質(zhì)測(cè)定的影響，結(jié)果見圖5。從下圖可以看出，隨著NaCl投加量的增加，萃取效果逐漸增加，且當(dāng)投加3.5 g NaCl時(shí)比未投加時(shí)效果提升了5.6～6.6倍，故選擇0.35 g/mL作為最佳投加量。

圖5 氯化鈉的投加量對(duì)萃取效果的影響Fig.5 Effect of NaCl dosage on extraction efficiency

2.6 pH值的影響

酚類化合物屬于弱酸性物質(zhì)，在水中容易發(fā)生電離。因此，在酸性條件下能夠抑制羥基的水解，使酚類化合物以分子的形式存在，增加其與萃取纖維的親和力。考察了pH值在2.0～7.0范圍內(nèi)，五種苯酚類化合物的響應(yīng)情況，如圖6。結(jié)果顯示，pH在3.0～6.0范圍內(nèi)，對(duì)五種酚類化合物均有較好的萃取效果，在pH等于7.0時(shí)，2-氯苯酚萃取效率降低50%左右，故pH在3.0～6.0范圍內(nèi)均具有較好的萃取效果。

圖6 初始pH對(duì)苯酚類化合物萃取效果的影響Fig.6 Effect of initial pH on extraction of phenolic compounds

3 方法效能驗(yàn)證

3.1 線性方程、檢出限和精密度

使用蒸餾水將標(biāo)準(zhǔn)溶液配置成2.0，5.0，10.0，20.0，50.0μg /L的混合標(biāo)準(zhǔn)水溶液系列，在最優(yōu)條件下，經(jīng)SPME前處理后，使用便攜式氣質(zhì)聯(lián)用儀進(jìn)行測(cè)定。以質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，以對(duì)應(yīng)的色譜峰面積為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，結(jié)果見表1。

在最優(yōu)條件下測(cè)定3μg /L的混合標(biāo)樣，平行測(cè)定7次，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差S，按照MDL=S×t(n-1,0.99)(在99%的置信區(qū)間內(nèi)，t6,0.99=3.143)計(jì)算方法檢出限，結(jié)果表明五種酚類檢出限為0.96～1.64 μg/L，低于地表水中相應(yīng)的限值。用上述方法測(cè)定10.0 μg/L的5種酚類標(biāo)準(zhǔn)混合液，平行測(cè)定6組，計(jì)算RSD為6.58%～11.03%，說明該方法對(duì)苯酚的測(cè)定具有良好的精密度。

表1 標(biāo)準(zhǔn)曲線、方法檢出限和精密度Tab.1 Standard curve, method detection limit and precision

3.2 實(shí)際樣品分析

采用上述方法對(duì)某溪水進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，5種苯酚類化合物均未檢出。對(duì)實(shí)際水樣分別進(jìn)行5 μg/L(低質(zhì)量濃度)、40 μg/L(高質(zhì)量濃度)加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，重復(fù)三次，計(jì)算平均值，低、高質(zhì)量濃度回收率范圍分別為69.4%～95.6%和91.5%～102.5%。結(jié)果表明實(shí)際水體的基質(zhì)對(duì)本方法影響較小，可用于實(shí)際水中酚類物質(zhì)的測(cè)定(表2)。

表2 某溪水中5種酚類化合物的回收率Tab.2 Recovery rate of five phenolic compounds in a stream

4 結(jié) 論

本文建立了一種便攜式固相微萃取-氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用測(cè)定水中5種酚類化合物的方法。研究了色譜柱極性、萃取柱類型、萃取溫度、萃取時(shí)間、水樣的pH及鹽度對(duì)目標(biāo)化合物分離及萃取效率和速度的影響。主要結(jié)論如下：

4.1 使用DB-5色譜柱，5種酚類化合物能夠在5min內(nèi)完成分離，且分離效果好。

4.2 型號(hào)為PDMS/DVB的萃取柱對(duì)2-氯苯酚的萃取效率約是PA萃取柱的2倍，對(duì)間(對(duì))-二甲苯酚與鄰-甲苯酚的萃取效率約為PA萃取柱的1.5倍，兩種萃取柱對(duì)于苯酚的萃取效率基本相同，而PDMS對(duì)五種苯酚類物質(zhì)基本沒有萃取效果。

4.3 使用PDMS/DVB萃取柱，萃取溫度為70℃、萃取時(shí)間為40 min，水樣的pH為3.0、NaCl濃度為0.35 g/mL時(shí)，目標(biāo)物在2.0～50.0 μg/L濃度范圍內(nèi)萃取效率高、萃取速度快且線性好。

4.4 該方法具有靈敏度高、定性定量準(zhǔn)確、操作方便快捷等優(yōu)點(diǎn)，可用于突發(fā)環(huán)境事件酚類化合物的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。