固相微萃取技術(shù)在苯胺等突發(fā)性水環(huán)境污染事故中的應(yīng)用

曹方方，李紅莉，金玲仁，臧 鯤

1.山東省環(huán)境監(jiān)測中心站，山東 濟(jì)南 250101 2.陜西師范大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 西安 710100

固相微萃取技術(shù)在苯胺等突發(fā)性水環(huán)境污染事故中的應(yīng)用

曹方方1，李紅莉1，金玲仁1，臧 鯤2

1.山東省環(huán)境監(jiān)測中心站，山東 濟(jì)南 250101 2.陜西師范大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 西安 710100

建立了固相微萃取與車載氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)現(xiàn)場快速定量分析突發(fā)性水環(huán)境污染事故中的硝基苯、苯酚、苯胺3種半揮發(fā)性有機(jī)物的方法。選用PA萃取纖維，調(diào)節(jié)水樣pH為8.5，加入30%的氯化鈉，45 ℃頂空萃取30 min可得最佳萃取效果。在最佳實(shí)驗條件下，硝基苯、苯酚、苯胺的方法檢出限分別為0.68、3.2、4.88 μg/L；平行測定7次的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為5.37%、8.31%、2.86%；3種化合物的相關(guān)性系數(shù)均大于0.99；對實(shí)際樣品測定的加標(biāo)回收率在61.1%～120%。

固相微萃??；車載氣相色譜-質(zhì)譜；苯胺、苯酚、硝基苯；突發(fā)性水環(huán)境污染事故

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的飛速增長，中國突發(fā)性環(huán)境污染事故進(jìn)入一個高發(fā)時期，環(huán)境安全問題日益突出。通過梳理近年來國內(nèi)發(fā)生的突發(fā)性環(huán)境污染事故案例包括爆炸燃燒類、有毒有害物質(zhì)泄漏類、交通運(yùn)輸污染事故類等，發(fā)現(xiàn)硝基苯、苯胺、苯酚3種物質(zhì)的污染事故發(fā)生頻率較高。如2006年，中石油蘭州石油化工公司苯胺裝置的酸罐爆炸引起的苯胺、硝基苯污染事故；同年，發(fā)生在徐州的硝基苯泄漏事故、京沈高速盤錦段的苯酚泄漏事故、連云港市薔薇河酚污染事故等[1]。在此類突發(fā)性環(huán)境污染事故中，要求環(huán)境監(jiān)測人員能夠快速準(zhǔn)確報出污染物的性質(zhì)、污染物濃度水平、污染范圍，為環(huán)境決策部門提供科學(xué)依據(jù)。

車載5975T氣質(zhì)聯(lián)用儀是一種采用與帶有加熱器和溫度傳感器部件的熔融石英毛細(xì)管結(jié)合在一起的LTM色譜柱模塊的分析儀器，該儀器具有升降溫速度快、抗震效果好、可移動性強(qiáng)的特點(diǎn)，適用于突發(fā)性污染事故的現(xiàn)場應(yīng)急監(jiān)測?，F(xiàn)場監(jiān)測減少了樣品從采集到實(shí)驗室分析所需要的運(yùn)輸時間差，同時也極大降低了樣品在運(yùn)輸途中發(fā)生各種物理化學(xué)變化的可能，不僅可以提供實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)，而且可較為準(zhǔn)確反應(yīng)污染事故現(xiàn)場污染物的真實(shí)情況。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)分析方法，分析硝基苯、苯胺、苯酚這3種物質(zhì)的前處理過程繁瑣，如酚類化合物的分析需先采用液液萃取(LLE)處理[2]，硝基苯類化合物需液液萃取或固相萃取(SPE)[3]，耗時繁瑣且使用大量有機(jī)溶劑，無法滿足現(xiàn)場快速分析的要求。

固相微萃取(SPME)是一種相對較新的萃取前處理技術(shù)，由Pawlisizyn在1989年提出。與傳統(tǒng)有機(jī)物樣品的前處理技術(shù)相比,該技術(shù)簡便、快速、易于實(shí)現(xiàn)自動化、便于攜帶且成本低廉，無大量有機(jī)溶劑使用，集采樣、萃取、富集、進(jìn)樣于一體，是一種環(huán)境友好型前處理技術(shù)[4]。經(jīng)過多年發(fā)展，已作為一種常用的樣品前處理手段，SPME與氣相色譜法(GC)[5]、氣相色譜質(zhì)譜法(GC/MS)[6]、高效液相色譜法(HPLC)[7]聯(lián)用成功應(yīng)用于食品分析[8]、環(huán)境樣品分析[9]、生物樣品分析[10]等方面。特別是環(huán)境領(lǐng)域，固相微萃取技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一門非常成熟的技術(shù)且被廣泛應(yīng)用于空氣、水、土壤等方面，但作為一種在環(huán)境應(yīng)用方面最有前途的樣品前處理技術(shù)還未見在環(huán)境污染事故現(xiàn)場應(yīng)急監(jiān)測方面應(yīng)用的報道。

本文建立了固相微萃取-車載氣相色譜/質(zhì)譜法，主要應(yīng)用于突發(fā)性環(huán)境污染事故中苯胺、苯酚、硝基苯的現(xiàn)場監(jiān)測方法。該方法與傳統(tǒng)國標(biāo)方法相比較，無有機(jī)溶劑使用、簡化了繁瑣的樣品前處理過程，快速準(zhǔn)確，能夠達(dá)到30 min內(nèi)完成一個批次分析的目的。其綜合了SPME的簡便、快捷、易于攜帶的特點(diǎn)，與車載GC/MS聯(lián)合應(yīng)用于突發(fā)性污染事故的現(xiàn)場監(jiān)測中，可快速定性污染物的種類，準(zhǔn)確定量污染物濃度水平，能夠滿足應(yīng)急監(jiān)測現(xiàn)場準(zhǔn)確快速監(jiān)測的要求。

1 實(shí)驗部分

1.1 儀器與試劑

5975T車載氣相色譜/質(zhì)譜儀(美國)；DB-624 LTM毛細(xì)管柱(20 m×180 μm×1 μm)；固相微萃取手柄、磁力攪拌器、小磁子及3種萃取纖維：聚丙烯酸酯(PA，85 μm)、聚二甲基硅氧烷(PDMS, 100 μm)、聚二甲基硅氧烷/聚苯乙烯(PDMS/DVB，65 μm)、萃取瓶分別為5、10 ml帶PTFE涂層硅橡膠墊片的旋口玻璃瓶(美國)。

苯胺(200 mg/L)、苯酚(500 mg/L)、硝基苯(200 mg/L)均購自環(huán)境保護(hù)部標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究院。氫氧化鈉、優(yōu)級純，均購自天津市廣成化學(xué)試劑有限公司；Milli-Q高純水。

1.2 分析條件

1.2.1 固相微萃取條件

調(diào)節(jié)樣品酸度為8.5左右，PA萃取纖維頭頂空萃取，萃取溫度45 ℃，萃取30 min。

1.2.2 氣相色譜質(zhì)譜條件

DB-624(20 m×180 μm×1 μm)LTM柱，進(jìn)樣口溫度250 ℃,柱流速1.0 ml/min，恒流模式；進(jìn)樣方式：分流進(jìn)樣，分流比為10∶1；升溫程序：40 ℃保持4 min，以15 ℃/mim的速度升溫至220 ℃，保持0 min，進(jìn)樣熱解析時間3 min。所有組分10 min均完全出峰，延長程序升溫時間是為了定性檢測污染事故中有無其他有機(jī)物。接口溫度280 ℃；離子源：230 ℃,四級桿：150 ℃；EI電壓：70 eV，溶劑延遲：2 min，掃描模式：SCAN，掃描范圍29～260 aum。

1.3 固相微萃取方法

先將樣品酸度調(diào)節(jié)到8.5左右，取10 ml萃取瓶，放入一個磁子和1.5 g氯化鈉，加入5 ml水樣后立即用帶PTFE涂層硅橡膠墊的瓶蓋密封。然后將此萃取瓶放入45 ℃的恒溫水浴中，使固相微萃取手柄的不銹鋼針頭刺入墊片，輕輕推出萃取頭，使萃取頭暴露在樣品的頂空部位。調(diào)節(jié)微型磁子的轉(zhuǎn)速，避免樣品飛濺到萃取頭上，計時。

1.4 質(zhì)量保證與質(zhì)量控制

到達(dá)應(yīng)急監(jiān)測現(xiàn)場，需先對儀器進(jìn)行調(diào)諧并做一次連續(xù)校準(zhǔn)，連續(xù)校準(zhǔn)偏差應(yīng)小于20%，否則應(yīng)重新繪制曲線或根據(jù)樣品情況采用單點(diǎn)校準(zhǔn)；新的萃取纖維頭在使用前按照說明書在250 ℃老化0.5 h,已經(jīng)老化過的纖維頭在使用前需凈化,確保無目標(biāo)分析物檢出后方可使用；不同萃取纖維頭的吸附解析性能也不同，每次使用新的纖維頭時則需重新繪制曲線或采用單點(diǎn)校正進(jìn)行樣品分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 固相微萃取條件優(yōu)化

2.1.1 酸度的影響

研究了酸度對3種化合物萃取效果的影響。研究表明酸度對硝基苯影響不大；在pH≤8.5時，酸度對苯酚的影響不大，當(dāng)pH>8.5時苯酚的相應(yīng)信號開始降低；苯胺在pH≤7.0時無響應(yīng)信號，隨著pH增大響應(yīng)信號開始逐漸增強(qiáng)。綜合考慮，優(yōu)化酸度條件為pH 8.5。突發(fā)性水污染事故中，水體的pH變化會很大，因此在事故現(xiàn)場分析3種物質(zhì)時，應(yīng)根據(jù)樣品實(shí)際情況采用稀硫酸或稀氫氧化鈉溶液將調(diào)節(jié)pH 8.5左右后進(jìn)行分析。

2.1.2 萃取纖維頭的選擇

商品化的纖維頭涂層主要有聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚丙烯酸酯(PA)、聚乙二醇(PEG)及一些復(fù)合涂層如PDMS/DVB、CRA/PDMS。研究了PDMS(100 μm)、PA(85 μm)、PDMS/DVB(65 μm)3種萃取纖維頭對硝基苯、苯酚、苯胺3種化合物萃取效果的影響。結(jié)果表明，PDMS對苯酚、苯胺無吸附作用，對硝基苯有微弱吸附；PDMS/DVB對3種化合物有萃取能力但萃取效果均不及PA；采用PA作為萃取頭，3種化合物均可獲得較好的萃取效果，因此研究選擇PA作為萃取纖維頭。

2.1.3 萃取方式的選擇

SPME主要有頂空固相微萃取、浸入式固相微萃取兩種方式，研究了這兩種萃取方式對3種化合物萃取效果的影響。實(shí)驗結(jié)果表明，硝基苯、苯酚、苯胺3種化合物采用頂空固相微萃取可得較好的萃取效果，且所需平衡時間短又能消除背景和復(fù)雜基質(zhì)的干擾。因此，實(shí)驗采取頂空固相微萃取方式測定。

2.1.4 萃取時間的影響

研究了萃取時間對硝基苯、苯酚、苯胺3種化合物萃取效率的影響(圖1)。結(jié)果表明，隨著萃取時間的增加，3種化合物的峰面積不斷增強(qiáng)，當(dāng)萃取30 min時，苯酚的峰面積測定值開始降低，硝基苯的峰面積信號響應(yīng)值還在增強(qiáng)；苯胺在萃取20 min后基本達(dá)到萃取平衡。在應(yīng)急監(jiān)測中，較短時間內(nèi)能滿足分析要求即可。因此，實(shí)驗最佳萃取時間為30 min。

圖1 萃取時間萃富集效果的影響

2.1.5 萃取溫度的選擇

萃取溫度對萃取平衡時間和萃取效率均有影響：升高溫度可提高待測物的擴(kuò)散速率，有利于分析物揮發(fā)進(jìn)入氣相，但同時溫度升高會降低分配系數(shù)，不利于分析物在萃取纖維頭上的吸附。有文獻(xiàn)報道，苯胺的萃取效果隨溫度變化不大[11]，因此實(shí)驗研究了不同溫度對硝基苯、苯酚2種化合物萃取效果的影響(圖2)。由圖2可以看出，硝基苯、苯酚2種化合物隨萃取溫度的升高，峰面積響應(yīng)不斷增大，45 ℃時2種化合物的峰面積值達(dá)到最大，隨著溫度繼續(xù)升高，峰面積值下降，因此確定最佳萃取溫度為45 ℃。

圖2 溫度對富集效果的影響

2.1.6 鹽度的影響

考察了氯化鈉(NaCl)加入量對3種待測物萃取效率的影響(圖3)。由圖3可以看出，隨著溶液離子強(qiáng)度增加，3種化合物的峰面積不斷增大，當(dāng)溶液達(dá)到飽和后，峰面積響應(yīng)值趨于穩(wěn)定。這是由于隨著溶液中NaCl加入量的增加，溶液鹽析作用增強(qiáng)，降低了有機(jī)物在水中的溶解度；當(dāng)溶液達(dá)到過飽和后，析出的NaCl晶體則對有機(jī)物產(chǎn)生了吸附作用。因此，研究選擇30%的NaCl加入量。

圖3 鹽含量對待分析物萃取效果的影響

3 方法評價

在最佳實(shí)驗條件下配制5、10、20、50、100 μg/L的硝基苯系列濃度，12.5、25、50、100、250 μg/L的苯酚系列濃度，50、100、150、200、250 μg/L的苯胺系列濃度做3種化合物的標(biāo)準(zhǔn)曲線，3種化合物線性響應(yīng)方程分別為y=6.17×104x-5.318×105，y=3.056×104x-1.202×105，y=5.737×103x-9.803×104；相關(guān)性系數(shù)分別為0.993、0.994、0.993。

平行做7組標(biāo)準(zhǔn)曲線最低點(diǎn)同濃度的樣品，根據(jù)公式(1)計算其方法檢出限(MDL),硝基苯、苯酚、苯胺3種化合物的檢出限分別為0.68，3.23、4.88 μg/L，均滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)[12]的標(biāo)準(zhǔn)限值要求；平行做8組100 μg/L的樣品濃度計算相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)以檢驗方法精密度，硝基苯、苯酚、苯胺3種化合物的RSD分別為5.37%、8.31%、2.86%。

MDL=t(n-1,0.99)×S

(1)

4 樣品分析

應(yīng)用本方法對1份山東境內(nèi)河流斷面水樣品、1份某化工區(qū)污水、1份實(shí)驗室自來水樣品，3份樣品加標(biāo)回收實(shí)驗檢驗方法的可靠性。3份實(shí)際樣品分析結(jié)果及加標(biāo)回收率情況見表1。從表1可知，不同水體樣品中加標(biāo)回收率為61.1%～120%。

表 1 實(shí)際樣品分析及加標(biāo)回收率

注：ND表示未檢出；“—”表示未添加標(biāo)準(zhǔn)樣品。

5 結(jié)論

建立了頂空固相微萃取-車載氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用的方法，定量分析硝基苯、苯酚、苯胺等3種有機(jī)物的方法。該方法所用儀器設(shè)備便于攜帶且成本低，操作簡便、快速、易于實(shí)現(xiàn)自動化，方法檢出限低、精密度好，完全滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)要求。適合用于突發(fā)性水污染事故的現(xiàn)場應(yīng)急監(jiān)測。

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Application of Solid Phase Micro-Extraction Technology Applied in Emergent Water Pollution Accidents Such as Anline

CAO Fangfang1，LI Hongli1，JIN Lingren1，ZANG Kun2

1.Shandong Environmental Monitoring Centre, Jinan 250101，China 2.Shanxi Normal University, School of Chemistry and Chemical Engineering, Xi’an 710100, China

A simple method coupling headspace solid-phase microextraction with vehicle GC/MS was developed to rapidly quantitative analyze nitrobenzene,phenol and anline in emergent water pollution accidents on the spot. Results showed that adjust pH to 8.5, using PA coated fiber, addition of 30% NaCl, headspace extracted 30 min under the temperature of 45 ℃ can get the optimum extraction conditions. Under the optimum conditions, the detection limitats of the method of nitrobenzene, phenol and anline were 0.68,3.2,4.88 μg/L respectively, and the relative standard deviation were 5.37%,8.31% and 2.86% (n=7) respectively; the correlation coefficient of these three compounds were>0.99; the recovery of these three compounds were 61.1%-120% in real samples analysis.

solid phase micro-extraction；vehicle GC/MS；nitrobenzene,phenol and anline；emergent water pollution accidents

2015-09-20；

2015-10-22

曹方方(1988-)，女，碩士，助理工程師。

X830.2

A

1002-6002(2016)06- 0107- 05

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.06.17