液相色譜-離子色譜聯(lián)用體系同時(shí)測定環(huán)境基質(zhì)中的6種硝基芳烴類化合物和3種陰離子

雷佳誠, 鄭黃榮, 劉 璐, 李巍霞*

(1. 中國計(jì)量大學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)院, 浙江 杭州 310018; 2. 中國標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì), 北京 100037)

硝基芳烴類化合物(NACs)是具有一個(gè)或多個(gè)硝基基團(tuán)的芳香族化合物,包括硝基苯(NB)、2,4-二硝基甲苯(DNT)、2,4,6-三硝基苯酚(TNP)等,作為染料、農(nóng)藥、香料、藥品、炸藥等產(chǎn)品的原料或中間體被廣泛應(yīng)用[1-3]。各種軍事活動(dòng)中殘留的爆炸物會(huì)隨著雨水沖刷進(jìn)入環(huán)境水體,造成污染。此外,生活污水排放、藥廠廢水排放、石油開采等行為同樣會(huì)造成硝基芳烴類化合物環(huán)境污染。環(huán)境中殘留的硝基芳烴類化合物對(duì)人體健康有巨大威脅,長期暴露在低濃度硝基芳烴類化合物污染的環(huán)境中會(huì)造成人體器官受損、貧血和致癌等疾病[4]。我國的強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)規(guī)定集中式生活飲用水地表水源地中硝基苯含量必須低于0.017 mg/L[5]。實(shí)時(shí)監(jiān)測并有效消除環(huán)境水體中的硝基芳烴類化合物對(duì)實(shí)現(xiàn)用水安全意義重大。

Fenton氧化法、自然生物修復(fù)工藝是常見的環(huán)境水體中硝基芳烴類化合物消除辦法[6,7]。Fenton氧化法對(duì)環(huán)境水體中硝基芳烴類化合物的消除效果好,但操作麻煩,費(fèi)用較高。自然生物修復(fù)工藝?yán)梦⑸飳?duì)污染土壤中的硝基芳烴類化合物進(jìn)行降解,是目前常用的硝基芳烴類化合物的綠色消除方法。但是研究表明環(huán)境基質(zhì)中的氯離子、亞硝酸根離子、硝酸根離子等無機(jī)陰離子的存在對(duì)硝基芳烴類化合物的生物降解具有一定的抑制作用[8,9]。另外,硝酸鹽如果在飲用水中含量過高會(huì)誘發(fā)水體產(chǎn)生亞硝胺類致癌物質(zhì),GB 3838-2002規(guī)定水體中硝酸鹽類離子的含量應(yīng)低于10 mg/L[10]。因此,同時(shí)測定環(huán)境土壤和水體基質(zhì)中的硝基芳烴類化合物、氯離子、亞硝酸根離子和硝酸根離子對(duì)選擇合適的硝基芳烴類化合物降解方法和實(shí)現(xiàn)地表水質(zhì)量監(jiān)測具有重要意義。

環(huán)境基質(zhì)中的硝基芳烴類化合物通常通過氣相色譜、高效液相色譜(HPLC)、熒光探針、電化學(xué)等方法進(jìn)行檢測[11-15],而其中的無機(jī)陰離子則采用離子色譜(IC)進(jìn)行檢測[16,17]。傳統(tǒng)的檢測方法需要進(jìn)行兩次樣品前處理、兩次儀器分析才能實(shí)現(xiàn)環(huán)境基質(zhì)中硝基芳烴類化合物和無機(jī)陰離子的測定,耗時(shí)費(fèi)力,且容易引入誤差。因此,本論文通過串聯(lián)HPLC和IC構(gòu)建二維色譜體系,實(shí)現(xiàn)了環(huán)境基質(zhì)中有機(jī)物和陰離子的同時(shí)測定。該方法無需復(fù)雜的樣品前處理,通過大體積進(jìn)樣-富集柱收集的方法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)化合物的富集,具有簡單高效、檢出限低、重復(fù)性高等優(yōu)點(diǎn),在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用潛力。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器

本實(shí)驗(yàn)所搭建的聯(lián)用系統(tǒng)包含一個(gè)HPLC系統(tǒng)和一個(gè)IC系統(tǒng)。通過兩個(gè)六通閥和一根富集柱聯(lián)接兩臺(tái)儀器,具體如圖1所示。UltiMate 3000 UHPLC超高效液相色譜(美國Thermo Fisher公司),配有四元梯度泵、自動(dòng)進(jìn)樣器、柱溫箱和紫外檢測器。ICS-2100離子色譜儀(美國Thermo Fisher公司),配備淋洗液發(fā)生器、六通閥、柱溫箱、抑制器和DS6電導(dǎo)檢測器。儀器控制和數(shù)據(jù)采集采用Chromeleon 6.8色譜工作站。

1.2 試劑和樣品

HPLC級(jí)甲醇、1,3,5,7-四硝基-1,3,5,7-四氮雜環(huán)辛烷(HMX)、環(huán)三亞甲基三硝胺(RDX)、1,3,5-三硝基甲苯(TNB)、1,3-二硝基苯、2,4,6-三硝基甲苯(TNT)、2,4-二硝基甲苯均購自上海阿拉丁化工有限公司。氯化鈉、亞硝酸鈉和硝酸鈉購自成都科龍化學(xué)試劑廠。實(shí)驗(yàn)用水均為二次去離子水。

標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液:將氯化鈉、亞硝酸鈉和硝酸鈉使用前置于馬弗爐中于105 ℃下干燥3 h除去水分。準(zhǔn)確稱取氯化鈉、亞硝酸鈉、硝酸鈉和各硝基芳烴類化合物,用超純水定容至100 mL,得到含量均為1 000 mg/L的混合標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液,混勻,超聲脫氣,儲(chǔ)存于4 ℃冰箱內(nèi)。實(shí)驗(yàn)所用的標(biāo)準(zhǔn)工作溶液均由儲(chǔ)備液根據(jù)需要用水稀釋而成。

1.3 樣品前處理?xiàng)l件

收集5份土壤樣品,烘干,并用研缽碾碎,以孔徑為20目的篩進(jìn)行篩選[18]。取過篩的土壤樣品10.0 g置于燒杯中,加入30.0 mL甲醇/水(50∶50, v/v)混合溶液,超聲浸提20 min后,以4 000 r/min的速度離心10 min,取上清液2.0 mL,過0.22 μm濾膜后進(jìn)樣分析。收集5份環(huán)境水樣,反復(fù)過0.22 μm濾膜3次后進(jìn)樣分析。

1.4 儀器分析

將HPLC儀和IC儀按圖1A所示方法進(jìn)行連接,此過程中應(yīng)盡量縮短流路以減少死體積。液相色譜柱為Acclaim Explosives E1(250 mm×4.6 mm, 5 μm,美國Thermo Fisher公司),柱溫設(shè)定為32 ℃;流動(dòng)相組成為磷酸鉀緩沖液(pH 7.0)-乙腈(60∶40, v/v),等度淋洗,流速1.0 mL/min;進(jìn)樣量500 μL;紫外檢測波長為223 nm。離子色譜柱為IonPac AG11-HC預(yù)處理柱(50 mm×4 mm, 5 μm,美國Thermo Fisher公司)和IonPac AS11-HC柱(250 mm×4 mm, 5 μm,美國Thermo Fisher公司),柱溫箱溫度為40 ℃;等度淋洗,流動(dòng)相為20 mmol/LNaOH溶液,抑制器的電流設(shè)置為50 mA。在此聯(lián)用系統(tǒng)中,AG20-HC預(yù)處理柱(50 mm×4 mm, 5 μm,美國Thermo Fisher公司)作為富集柱,被安裝在六通閥上。

圖1為HPLC-IC聯(lián)用體系柱切換的示意圖,表1為兩個(gè)六通閥的狀態(tài)。整個(gè)聯(lián)用系統(tǒng)的具體操作步驟如下:(A)樣品裝載到定量環(huán):將待測樣品注入定量環(huán),多余樣品進(jìn)入廢液缸。(B)分離有機(jī)物和無機(jī)陰離子:使用HPLC流動(dòng)相沖洗定量環(huán),將定量環(huán)中的待測樣品注入C18柱中,進(jìn)行第一次分離;硝基芳烴類化合物在C18柱中保留能力強(qiáng),保留在C18色譜柱中;陰離子在C18柱中保留能力弱,隨流動(dòng)相流出。(C)AG20柱富集陰離子:流出的陰離子進(jìn)入AG20富集柱富集。(D)HPLC和IC分別測定6種硝基芳烴類化合物和3種陰離子:硝基芳烴類化合物在C18色譜柱中分離,然后進(jìn)入紫外檢測器定量分析;IC流動(dòng)相沖洗AG20富集柱,陰離子從AG20富集柱中流出后在IC柱中分離,然后通過抑制器進(jìn)入電導(dǎo)檢測器中定量分析。

表1 HPLC-IC聯(lián)用體系兩個(gè)六通閥的切換狀態(tài)

圖 1 HPLC-IC聯(lián)用體系4個(gè)階段的液體流路示意圖Fig. 1 Schematic diagrams of the liquid flow paths in the four stages of the HPLC-IC system

2 結(jié)果與討論

2.1 柱切換時(shí)間優(yōu)化

為了避免陰離子流失,對(duì)六通閥的切換時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化。如圖2A所示,將C18柱直接與DS6電導(dǎo)檢測器相連,對(duì)陰離子的收集行為進(jìn)行觀察。以10 mg/L的陰離子混合標(biāo)準(zhǔn)溶液為樣品,進(jìn)樣后,離子經(jīng)過C18色譜柱直接流入DS6電導(dǎo)檢測器,得到圖2B所示的非抑制電導(dǎo)IC圖。1.5 min時(shí),DS6電導(dǎo)檢測器開始檢測出離子,可認(rèn)為1.5 min時(shí),離子開始從C18柱中流出,因此HPLC-IC聯(lián)用系統(tǒng)由圖1B轉(zhuǎn)變至圖1C的時(shí)間節(jié)點(diǎn)定為1.5 min。

為提高離子的回收率,對(duì)陰離子進(jìn)行完全富集,進(jìn)一步優(yōu)化兩個(gè)六通閥的切換時(shí)間。選擇不同富集時(shí)間,即選擇在不同時(shí)間將聯(lián)用系統(tǒng)從圖1C狀態(tài)切換到圖1D狀態(tài)。通過對(duì)比不同切換時(shí)間下獲得的各離子峰面積可知,當(dāng)切換時(shí)間為3.0 min時(shí),氯離子、亞硝酸根離子和硝酸根離子的峰面積達(dá)到峰值(圖3)。當(dāng)時(shí)間大于3.0 min后,部分離子從富集柱中流失,離子的富集效果開始變差。因此系統(tǒng)從圖1C狀態(tài)切換到圖1D狀態(tài)的時(shí)間應(yīng)設(shè)置為3.0 min。

圖 3 不同柱切換時(shí)間下的陰離子峰面積Fig. 3 Anion peak areas under different column switching times

2.2 方法學(xué)驗(yàn)證

2.2.1線性關(guān)系和檢出限

用空白土壤為基質(zhì)制備加標(biāo)水平為0.01～50 mg/L的加標(biāo)樣品,在最優(yōu)色譜分析條件下進(jìn)行測定,每個(gè)水平平行測定5次,以待測物峰面積對(duì)質(zhì)量濃度繪制工作曲線,得到方法的線性范圍、線性回歸方程和相關(guān)系數(shù)(r2),結(jié)果見表2。r2均大于0.99,滿足測定要求。5次重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果表明,保留時(shí)間的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)≤0.28%,峰面積的RSD≤5.0%,表明該方法具有較高的重復(fù)性。

表2 線性參數(shù)、檢出限、定量限和重復(fù)性

在最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件下,以信噪比(S/N)為3作為檢出限(LOD),以S/N為10作為定量限(LOQ),對(duì)實(shí)際樣品逐級(jí)稀釋測定。陰離子的LOD為0.005～0.020 mg/L,硝基芳烴類化合物的LOD為0.043～0.150 mg/L?，F(xiàn)行地表飲用水規(guī)范的國標(biāo)方法中,硝酸鹽含量不得高于10 mg/L,二硝基苯和TNT含量不得高于0.5 mg/L,該方法能夠滿足地表水樣品中硝基芳烴類化合物和硝酸鹽的檢測需求。

2.2.2方法的回收率和精密度

選擇陰性土壤和環(huán)境水樣品,分別添加低、中、高3個(gè)不同水平的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液。按1.3節(jié)進(jìn)行前處理,每個(gè)水平重復(fù)測定6次,計(jì)算加標(biāo)回收率和RSD,結(jié)果見表3。三組不同加標(biāo)水平樣品的平均回收率為88.20%～105.38%,RSD為2.0%～11.5%,表明本方法具有較高的準(zhǔn)確度。

表3 6種硝基芳烴類化合物和3種陰離子的加標(biāo)回收率和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(n=6)

2.3 實(shí)際樣品測定

應(yīng)用本研究建立的方法對(duì)5份土壤樣品和5份環(huán)境水樣中的硝基芳烴類化合物和陰離子進(jìn)行檢測。將檢出的色譜峰保留時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)品色譜峰保留時(shí)間相比較,經(jīng)確證,硝基芳烴類化合物均未檢出,3種陰離子在地表水樣品中的檢出量為0.41～55.3 mg/L,在土壤樣品中的檢出量為0.56～30.2 mg/kg(見表4)。1號(hào)土壤樣品的HPLC圖和IC見圖4。

表4 5份地表水和5份土壤樣品的檢測結(jié)果

圖 4 標(biāo)準(zhǔn)樣品和1號(hào)土壤樣品的(a) HPLC和(b) IC圖Fig. 4 (a) HPLC and (b) IC chromatograms of a standard sample and soil sample No. 1 Peak identifications: 1. HMX; 2. RDX; 3. TNB; 4. 1,3-dinitrobenzene; 5. TNT; 6. 2,4-dinitrotoluene; 7. Cl-; 8.

3 結(jié)論

本文通過兩個(gè)六通閥和一根富集柱搭建了HPLC和IC的聯(lián)用體系,并建立了土壤和環(huán)境水體中硝基芳烴類有機(jī)物、氯離子、亞硝酸根離子和硝酸根離子同時(shí)測定的檢測方法。結(jié)果表明,該方法有良好的準(zhǔn)確度、重復(fù)性和較高的靈敏度,能為選擇合適的硝基芳烴類化合物降解方法和實(shí)現(xiàn)地表水水質(zhì)監(jiān)測提供重要的方法依據(jù)。