地表水中四乙基鉛分析方法及樣品保存

王玲玲，梁　晶，靳朝喜，高　勇，滕恩江

1.河南省環(huán)境監(jiān)測中心，河南 鄭州 450004

2.洛陽環(huán)境監(jiān)測站，河南 洛陽 471000

3.中國環(huán)境監(jiān)測總站國家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

四乙基鉛一度廣泛作為添加劑在汽油中使用，為了保護(hù)環(huán)境，國家技術(shù)監(jiān)督局于1999年12月28日發(fā)布了《車用無鉛汽油》強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)，并于2000年1月1日開始實(shí)施[1]?？芍两駷橹?，仍能從一些環(huán)境水體、土壤及人體血液中檢測出四乙基鉛[2-4]，對環(huán)境造成一定危害。四乙基鉛是《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》80項(xiàng)特定項(xiàng)目中的一種金屬有機(jī)物，目前采用《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法 金屬指標(biāo)》(GB/T 5750.6—2006)-雙硫腙分光法檢測，光度法比較經(jīng)典，但也存在操作繁雜、影響因素較多、測定結(jié)果不穩(wěn)定等問題。文獻(xiàn)中有對雙硫腙光度法測定水中鉛的方法改進(jìn)[5]，但未見用于四乙基鉛。近幾年，隨著地表水109項(xiàng)監(jiān)測工作的開展，國內(nèi)文獻(xiàn)中出現(xiàn)了關(guān)于四乙基鉛原子吸收光譜[6-7]、液液萃取-液相色譜法[8]、氣相色譜-質(zhì)譜法[9]、頂空固相微萃取-氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法[10-11]的研究。光譜和光度法均為間接測定方法，一般最終測定的是有機(jī)鉛的總和，只有加入形態(tài)分離的步驟才能保證定性結(jié)果的準(zhǔn)確，色譜法具有直接準(zhǔn)確定性的優(yōu)勢，但文獻(xiàn)很少有對每種前處理和不同方法對比以及樣品保存技術(shù)的研究。基于此，筆者對直接法和間接法的關(guān)鍵技術(shù)及樣品保存進(jìn)行探討和研究。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)儀器

安捷倫7890氣相色譜儀，安捷倫5975氣相色譜-質(zhì)譜儀，島津LC10A高效液相色譜儀、安捷倫7500等離子體發(fā)射光譜-質(zhì)譜儀，TEKMAR 3100吹掃捕集裝置，723分光光度儀，自動頂空儀(HS 86.50，意大利)，氮吹濃縮儀等。氣相色譜柱DB-INNOWAX(30 m×0.32 mm×0.25 μm)，液相色譜柱Zorbax 5 μm ODS，柱長250 mm，內(nèi)徑4.6 mm或同等規(guī)格。分液漏斗、三角瓶、精密玻璃移液管和微量注射器、500 μL氣密注射器等其他實(shí)驗(yàn)室常用器皿。

1.2實(shí)驗(yàn)材料

四乙基鉛標(biāo)準(zhǔn)貯備液(200 mg/L，美國)；鉛標(biāo)準(zhǔn)溶液購于國家標(biāo)物所；重蒸餾后的優(yōu)級純硝酸；農(nóng)殘級甲醇；色譜級三氯甲烷、四氯化碳、正己烷、二氯甲烷；優(yōu)級純無水硫酸鈉、氯化鈉；分析純檸檬酸氫二銨、氰化鉀、鹽酸羥胺、雙硫腙和鹽酸；超純水。

2　結(jié)果與討論

2.1儀器和校準(zhǔn)方法

通過實(shí)驗(yàn)確定了液液萃取-液相色譜法、液液萃取-氣相色譜-質(zhì)譜法、頂空-FID-氣相色譜法、萃取-消解-ICP-MS法等方法的儀器條件、校準(zhǔn)曲線和儀器靈敏度。

2.1.1液相色譜-紫外檢測器

通過紫外光譜儀掃描，發(fā)現(xiàn)四乙基鉛在波長為200～260 nm有較為顯著的吸收，200～220 nm吸收最大(圖1)。進(jìn)一步根據(jù)液相色譜二極管陣列檢測器在紫外區(qū)響應(yīng)情況，觀察其吸收和干擾情況(圖2)，確定吸收波長為210 nm，流動相為95％甲醇+5％水。配置四乙基鉛的標(biāo)準(zhǔn)曲線，0.05～50 μg/mL，進(jìn)樣量為10 μL，線性相關(guān)系數(shù)大于0.999 9。通過依次配置較低濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液，當(dāng)信號值為噪音的3倍時(shí)確定為液相色譜儀器檢出限，不同儀器的檢出限不同，該研究液相色譜儀四乙基鉛的檢出限為0.03μg/mL。最佳曲線范圍為0.1～100 μg/mL。

圖1　濃度為10 μg/mL的紫外掃描圖

圖2　10 μg/mL二極管陣列紫外吸收譜圖和液相色譜圖

2.1.2氣相色譜-質(zhì)譜法

氣相色譜-質(zhì)譜條件：進(jìn)樣口溫度230 ℃，分流比2∶1；程序升溫80 ℃開始，每分鐘升15 ℃直至200 ℃；SCAN/SIM同時(shí)掃描，選擇離子208、235、236、237、295 amu，定量離子237 amu。配置校準(zhǔn)曲線0.1～50 μg/mL，進(jìn)樣量1 μL SIM定量，線性相關(guān)系數(shù)大于0.999；質(zhì)譜按照信噪比50作為檢出限，該研究儀器檢出限為0.05 μg/mL，不同儀器的檢出限不同。濃度為2 μg/mL的SIM譜圖見圖3。

圖3　濃度為2μg/mL的SIM譜圖

2.1.3頂空-氣相色譜法

根據(jù)四乙基鉛的揮發(fā)性，建立自動頂空-FID-氣相色譜方法，通過條件優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，確定頂空振蕩平衡時(shí)間為30 min，溫度為60 ℃。氣相條件為進(jìn)樣口溫度210 ℃(不分流)，柱溫箱溫度60 ℃(保持5 min)，以5 ℃/min升至90 ℃(保持1 min)，再以10 ℃/min升至150 ℃(保持1 min)；氮?dú)? mL/min，氫氣45 mL/min，空氣450 mL/min；檢測器溫度250 ℃；進(jìn)樣量1 mL。當(dāng)儀器檢出限以3倍信噪比記時(shí)，F(xiàn)ID對四乙基鉛的檢出限為0.01 μg/mL。由于該方法的前處理和儀器分析為自動連續(xù)發(fā)生，四乙基鉛直接從水相進(jìn)入氣相然后進(jìn)入儀器，因此校準(zhǔn)曲線和檢出限均是從頂空開始，20 mL頂空瓶，曲線范圍0.5～80 μg/L，按照HJ 168—2010[12]進(jìn)行方法檢出限、精密度及回收率實(shí)驗(yàn)。

2.1.4等離子體發(fā)射光譜-質(zhì)譜法

等離子體發(fā)射光譜-質(zhì)譜法測定四乙基鉛可以采用2種校準(zhǔn)方法：一是無機(jī)鉛，二是從消解開始配置四乙基鉛曲線。儀器對鉛的檢出限決定于校準(zhǔn)空白的波動和儀器的靈敏度，該研究儀器檢出限為0.02 μg/L。

2.1.5雙硫腙分光光度法

通過大量實(shí)驗(yàn)證明，按照《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法 金屬指標(biāo)》(GB/T 5750.6—2006)配置鉛曲線時(shí)，線性相關(guān)系數(shù)很難達(dá)到0.999，影響因素除了試劑、器皿、脫脂棉中鉛本底帶來的干擾外，主要是滴加氨水觀察百里酚藍(lán)指示確定pH帶來的波動。鉛本底的干擾消除可以采用酸清洗器皿和雙硫腙清洗試劑的方法，為提高顯色前反應(yīng)體系pH的一致性，參考文獻(xiàn)[5]將原方法中氨水、檸檬酸銨等試劑分別配置改成配置檸檬酸銨-氨水緩沖pH溶液，相應(yīng)操作方法也進(jìn)行了改進(jìn)。

改進(jìn)后方法為先配置檸檬酸銨-氨水緩沖溶液，稱取50 g檸檬酸銨,加純水使之溶解,并稀釋至100 mL,用濃氨水調(diào)節(jié)pH至8.6～9.0(如果水樣加了酸可將緩沖溶液的pH調(diào)至8.6～8.8)。顯色前，依次加入5.0 mL的上述緩沖溶液，再加入1.0 mL鹽酸羥胺和2.0 mL的氰化鉀，再加入10 mL雙硫腙，振蕩5 min放置分層后測定雙硫腙層。不再使用原方法的操作及pH調(diào)配方法。改進(jìn)后方法的曲線線性和pH穩(wěn)定性大為改善，詳見表1。

表1　改進(jìn)后方法和國標(biāo)方法對鉛標(biāo)準(zhǔn)曲線線性和pH的影響比較

2.2前處理方法

除頂空外，光度法、色譜法分析四乙基鉛還涉及萃取-濃縮和萃取-消解等前處理方法，研究對每個環(huán)節(jié)的回收率和精密度進(jìn)行了驗(yàn)證。

2.2.1萃取實(shí)驗(yàn)

對文獻(xiàn)中用到的二氯甲烷、三氯甲烷和正己烷3種溶劑進(jìn)行萃取回收率實(shí)驗(yàn)。在500 mL水樣中分別取10 mL進(jìn)行2次萃取實(shí)驗(yàn)，合并萃取液，6次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明：三氯甲烷和正己烷的回收率分別為88％～95％和82％～113％，精密度為8％和12％；二氯甲烷在萃取過程中稍不小心即會在開始振蕩時(shí)使樣品溢出，6次重復(fù)實(shí)驗(yàn)回收率為30％～87％。分次萃取實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，第1次萃取回收率在80％以上，2次萃取基本完全，增大第1次萃取體積可提高回收率。

2.2.2濃縮實(shí)驗(yàn)

直接在20 mL二氯甲烷、三氯甲烷和正己烷中加入2 μg四乙基鉛進(jìn)行微量氣流的氮吹實(shí)驗(yàn)，每種溶劑重復(fù)2次，每次4個平行樣品。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：二氯甲烷-四乙基鉛回收率為20％～50％，三氯甲烷-四乙基鉛回收率為75％～85％，正己烷-四乙基鉛回收率為44％～80％；精密度方面，三氯甲烷較穩(wěn)定，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為5％，正己烷和二氯甲烷較不穩(wěn)定，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差大于20％。由于三氯甲烷一般使用國產(chǎn)色譜純很難獲得較高純度，其濃縮后譜圖含有較多雜質(zhì)，二氯甲烷和正己烷一般為進(jìn)口農(nóng)殘級，濃縮后譜圖雜質(zhì)較少。

2.2.3 萃取-濃縮實(shí)驗(yàn)

分別對500 mL水樣加標(biāo)2 μg四乙基鉛，每次用10 mL正己烷、二氯甲烷和三氯甲烷萃取，各進(jìn)行2次，合并萃取液進(jìn)行微量氮?dú)鉂饪s，每種溶劑進(jìn)行6個樣品平行實(shí)驗(yàn)，因?yàn)槎燃淄閾]發(fā)性較強(qiáng)，因此適當(dāng)增加其萃取體積。結(jié)果表明，萃取濃縮是一個需要精密操作的過程，二氯甲烷體系回收率較差，三氯甲烷好于正己烷，但精密度和回收率均低于分步結(jié)果。因此，液液萃取的溶劑可選擇三氯甲烷和正己烷，正己烷的比重比水小，在上層，三氯甲烷的比重比水大，在下層，便于多次萃取，綜合考慮操作的方便程度，選擇三氯甲烷較好。詳見表2。

表2　不同溶劑萃取-濃縮回收率實(shí)驗(yàn)結(jié)果(n=6)

2.2.4萃取-消解

按照《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法 金屬指標(biāo)》(GB/T 5750.6—2006)四乙基鉛的雙硫腙方法，三氯甲烷萃取之后將試樣放在電熱板上加入溴水溴化，再加入濃硝酸消解至近干，將萃取消解后試樣中的鉛用ICP-MS測定，用無機(jī)鉛校準(zhǔn)曲線。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，加入溴水消解的空白中鉛較高，如果改用直接加入硝酸消解空白大大降低，回收率有所提高。4次重復(fù)萃取-消解-ICP-MS全程序測定曲線線性相關(guān)系數(shù)均大于0.999，空白加標(biāo)回收率為85％～95％?？梢?，直接加硝酸消解可降低空白，提高回收率。詳見表3、表4。

表3　ICP-MS測定不同消解方法的線性比較

表4　ICP-MS測定不同消解方法對結(jié)果的影響比較

各種前處理方法中，三氯甲烷萃取-轉(zhuǎn)移有機(jī)相-加硝酸消解四乙基鉛轉(zhuǎn)化成無機(jī)鉛，此操作過程的損失較低、穩(wěn)定性較好(控制器皿和硝酸的空白)；液液萃取-濃縮回收率較低，使測定結(jié)果偏低；頂空無需轉(zhuǎn)化和萃取，損失最少。

2.3全程序分析方法性能比較

對改進(jìn)后雙硫腙光度法、液液萃取-液相色譜法、液液萃取-氣相色譜-質(zhì)譜法、萃取-消解-ICP-MS法和頂空-氣相色譜法進(jìn)行全程序方法性能比對實(shí)驗(yàn)研究。光度和光譜法均采用四乙基鉛的工作曲線，測試4組實(shí)際樣品均未檢出，光度法加標(biāo)后濃度為20 μg/L、光譜法等其他加標(biāo)后濃度為4 μg/L。取500 mL水樣時(shí)，光度法和光譜法檢出限均按照HJ 168—2010中關(guān)于空白中檢出目標(biāo)物的方法，重復(fù)7次全程序空白實(shí)驗(yàn)。色譜法按照HJ 168—2010中添加低濃度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的方法。精密度采用4次平行實(shí)驗(yàn)加標(biāo)測定結(jié)果的精密度。結(jié)果見表5。

表5　不同方法測定四乙基鉛性能比較

從表5可以看出，雙硫腙分光光度法檢出限相對較高，500 mL水樣達(dá)不到地表水控制標(biāo)準(zhǔn)(0.1 μg/L)，萃取-消解-ICP-MS檢出限最低，其他方法也均能滿足地表水質(zhì)量控制目標(biāo)的要求。

方法的精密度方面，自動頂空和ICP-MS較好，其他方法均在15％以內(nèi)，實(shí)際樣品加標(biāo)回收率萃取-消解-ICP-MS和頂空-GC-FID優(yōu)于雙硫腙光度法,均在88％～110％，液液萃取-GC-MS和液液萃取-HPLC回收率在80％以下。

2.4水樣保存

四乙基鉛有較強(qiáng)的揮發(fā)性，環(huán)境中的四乙基鉛經(jīng)光和熱的作用，逐步降解為三乙基鉛，再進(jìn)一步降解為無機(jī)鉛。樣品的保存時(shí)間和保存條件對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度起到重要作用。

2.4.1低溫冷藏保存

分別用超純水和實(shí)際地表水配置1、10 μg/L 2種濃度多組平行樣，水樣充滿40 mL VOC瓶，并在4 ℃避光冷藏，分別在配置后1 h～7 d內(nèi)進(jìn)行頂空-GC-FID測試，結(jié)果見表6。

表6　頂空法分析四乙基鉛樣品保存時(shí)間

由表6可見，不加保護(hù)劑低溫保存8 h四乙基鉛有86％～95.6％的保留，保存2 h時(shí)，有43.7％～71.6％的保留，3 d衰減一半以上，低濃度更容易衰減，實(shí)際樣品和空白水樣結(jié)果一致。

2.4.2不同保護(hù)劑保存

由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，樣品采集后很難立即進(jìn)行分析，往往需要送至實(shí)驗(yàn)室分析，因此需要在樣品中添加保護(hù)劑延長樣品保存時(shí)間。

根據(jù)四乙基鉛的特點(diǎn)，參考揮發(fā)性有機(jī)物保存方法[13]，選擇添加1 mL鹽酸(1∶1)控制微生物對有機(jī)鉛的降解；參考金屬樣品的保存方法[14]，選擇添加1 mL硝酸(1∶1)；參考有機(jī)物萃取方法[15]加入1 mL甲醇和10 g NaCl，利用“鹽析效應(yīng)”降低有機(jī)物和萃取溶劑在水溶液中的溶解度，提高萃取效果。對這3種方法進(jìn)行2種濃度多組平行樣品的保存時(shí)間實(shí)驗(yàn)，樣品低溫保存，測試方法同“2.1.3節(jié)”。結(jié)果見表7。

表7　不同保護(hù)劑對頂空法分析四乙基鉛樣品保存時(shí)間的影響

由表7可見，加入甲醇和NaCl可以保證樣品在3 d內(nèi)仍有80％以上的回收率，與不加保護(hù)劑低溫冷藏相比，延長了2 d，72 h后回收率為82％。3種保護(hù)劑對2種濃度實(shí)際水樣加標(biāo)樣品的變化趨勢和衰減情況基本一致，如果以第1天為100％，7 d的衰減率分別是29％～32％，但鹽酸和硝酸加入后1 h即變?yōu)?5％左右，因此可以肯定,加入稀硝酸和鹽酸保存試劑后不適合采用頂空方法分析四乙基鉛，但并不能完全說明不能起到保護(hù)四乙基鉛的作用，也許是加入酸降低了其揮發(fā)性或其他原因，需要采用其他分析方法進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

3　結(jié)論

測定水中四乙基鉛的光譜和色譜方法均有其適用的特點(diǎn)，可以滿足不同條件的實(shí)驗(yàn)室和水樣的分析。濃縮比消解和萃取更容易造成四乙基鉛的損失。色譜法更加適合準(zhǔn)確定性分析四乙基鉛，光度光譜法可以快速分析有機(jī)鉛總量。頂空法是損失最少的最佳前處理方式但檢出限有一定的限制。沒有保護(hù)劑的條件下四乙基鉛最好在8 h內(nèi)分析完畢，加入甲醇和NaCl可以使采用頂空分析的樣品保存3 d。其他不同保護(hù)劑的保存效果有待進(jìn)一步研究。

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