毛細(xì)管氣相色譜法同時(shí)測定三氯乙烯及其脫氯產(chǎn)物

岳俊杰，石召紅，王玉婷，馮　炘，王　薇

（1.天津理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與安全工程學(xué)院，天津300384；2.南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津300071；3.南開大學(xué)環(huán)境污染過程與基準(zhǔn)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300071）

工程實(shí)例

毛細(xì)管氣相色譜法同時(shí)測定三氯乙烯及其脫氯產(chǎn)物

岳俊杰1，石召紅1，王玉婷1，馮炘1，王薇2，3

（1.天津理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與安全工程學(xué)院，天津300384；2.南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津300071；3.南開大學(xué)環(huán)境污染過程與基準(zhǔn)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300071）

建立了一種同時(shí)測定水中三氯乙烯及其脫氯產(chǎn)物的氣相色譜檢測方法。采用頂空進(jìn)樣，毛細(xì)管柱分離，氫火焰離子化檢測器檢測，保留時(shí)間定性，峰面積定量。以三因子三水平正交試驗(yàn)法確定了最佳檢測條件，各組分線性良好（R2＞0.998），相對標(biāo)準(zhǔn)偏差3.79%～9.14%，平均加標(biāo)回收率97.68%～119.18%。對氯代烯烴而言，靈敏度雖較電子捕獲檢測器低，但新方法操作簡便、快速、干擾少、準(zhǔn)確度也較高，能滿足三氯乙烯污染修復(fù)中反應(yīng)物及中間產(chǎn)物的檢測要求。

三氯乙烯；氣相色譜；毛細(xì)管柱；氫火焰離子化檢測器

三氯乙烯（TCE）作為“水中優(yōu)先控制污染物”之一，對人體健康具有很大危害，國內(nèi)外專家學(xué)者為此開展了很多關(guān)于水體中TCE修復(fù)的研究工作。在近30年的研究中，無論是實(shí)驗(yàn)室還是現(xiàn)場試驗(yàn)均表明，TCE經(jīng)過包括順式1，2-二氯乙烯（cDCE）、1，1'-二氯乙烯（1，1'-DCE）、反式1，2-二氯乙烯（tDCE）、氯乙烯（VC）和乙烯等一系列的降解中間產(chǎn)物，最終能被無害降解〔1〕。這些脫氯過程需要適宜的微生物進(jìn)行必要的生物調(diào)節(jié)才能實(shí)現(xiàn)，地下水中有很多微生物在厭氧條件下能將TCE脫氯轉(zhuǎn)化為cDCE，而將cDCE轉(zhuǎn)化為VC并最終轉(zhuǎn)化為乙烯的脫氯菌則僅限于產(chǎn)乙烯脫鹵擬球菌（Dehalococcoides）〔2〕。利用產(chǎn)乙烯脫鹵擬球菌對TCE進(jìn)行脫氯降解過程與其他脫氯過程一樣，其中間產(chǎn)物1，1'-DCE和tDCE極為少見〔1〕，cDCE、VC和乙烯作為主要的脫氯產(chǎn)物與TCE一起需要定量檢測，為實(shí)現(xiàn)簡便、快速且同時(shí)檢測這幾種烯烴的目的，建立了一種以毛細(xì)管柱分離，氫火焰離子化檢測器檢測的氣相色譜法。該法區(qū)別于以往采用填充柱或者毛細(xì)管柱分離，電子捕獲檢測器（ECD）檢測的氣相色譜法〔3-4〕，其檢測靈敏度較ECD檢測器雖不占顯著優(yōu)勢，但也能得到較為滿意的效果，能滿足科研檢測要求。

1　材料與方法

1.1儀器與設(shè)備

氣相色譜儀配有：島津GC-2010 Plus FID檢測器，日本島津；SHA-BA型水浴恒溫振蕩器，金壇市杰瑞爾電器有限公司；250、1 000 μL氣密式進(jìn)樣針，澳大利亞SGE公司；100 mL血清瓶，上海蘇陽玻璃器皿；旋塞側(cè)向閥接口氣體采樣袋，大連海得科技有限公司。

1.2試劑

甲醇：色譜純，德國Merck；三氯乙烯：98%，Sigma；順式1，2-二氯乙烯和氯乙烯：1×10-4g/mL溶于甲醇，中國百靈威科技；乙烯標(biāo)準(zhǔn)氣：99.99%，上海偉創(chuàng)公司；超純水：實(shí)驗(yàn)室純水器制備，18.2MΩ·cm。

1.3實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1原理

在一定的溫度條件下，經(jīng)過一定時(shí)間的平衡后，被置于密封頂空瓶水樣中的揮發(fā)性鹵代烯烴逸到上部空間，且在氣相和液相之間達(dá)到動態(tài)平衡。根據(jù)亨利定律，此時(shí)揮發(fā)性鹵代烯烴在氣相中的濃度與其在液相中的濃度成正比關(guān)系。通過帶有氫火焰離子化檢測器的氣相色譜儀測定氣相中揮發(fā)性鹵代烯烴的濃度，可以計(jì)算出其在水中的濃度。

乙烯在常溫下呈氣態(tài)，不溶于水，對其濃度的測定與揮發(fā)性鹵代烯烴原理不同。且因測定的環(huán)境與理想狀態(tài)有差異，必會引起測定結(jié)果與真實(shí)值背離，因此需要對氣體的密度進(jìn)行必要的換算校正。天津地區(qū)的海拔很低，實(shí)驗(yàn)室大氣壓接近于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，降解實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的溫度為室溫25℃，實(shí)驗(yàn)室配制標(biāo)準(zhǔn)氣體時(shí)的工作溫度也保持在25℃。因此根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT和乙烯在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的密度值，將取自氣體采集袋中一定量（用V1表示）的標(biāo)準(zhǔn)氣體可以換算成實(shí)驗(yàn)室工作條件下的密度值，依據(jù)的換算公式為：

式中：ρ1——實(shí)驗(yàn)室工作條件下的氣體密度，g/L；

ρ0——?dú)怏w在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的密度，g/L；

P0——標(biāo)準(zhǔn)狀況下大氣壓，101.3 kPa；

T0——標(biāo)準(zhǔn)狀況下的熱力學(xué)溫度，273 K；

P1——地區(qū)春季的大氣壓強(qiáng)，接近于標(biāo)準(zhǔn)狀況

下大氣壓P0，kPa；

T1——實(shí)驗(yàn)室條件下的熱力學(xué)溫度，298 K。

同體積氣體的質(zhì)量會隨著氣體密度的改變而改變，因此對于氣體的質(zhì)量也需要進(jìn)行必要的換算。即將上述所取體積為V1的氣體注入一個(gè)封口的注射器中，當(dāng)進(jìn)樣量為V3時(shí)，所配制的氣體質(zhì)量可以根據(jù)公式：

式中：V2——封口注射器的量程，mL。

1.3.2色譜柱與色譜條件

方法采用Rtx-1通用型石英毛細(xì)管柱（30 m× 0.32 mm×0.25 μm），固定相為100%甲基聚硅氧烷；手動進(jìn)樣，進(jìn)樣量為100μL；載氣為高純氮?dú)?，載氣流量1.50 mL/min；分流比39∶1，尾吹氣流量30 mL/min；根據(jù)3種揮發(fā)性鹵代烯烴和乙烯的理化參數(shù)，初步確定：進(jìn)樣口溫度為200℃，檢測器溫度為220℃；柱溫采用程序升溫：初始溫度為60℃，保持6 min，以50℃/min升溫至220℃，保持2 min。

1.3.3色譜條件優(yōu)化

色譜條件的優(yōu)化選擇采用正交試驗(yàn)法，以氣相色譜的分離度、分離效率（分析速度）和靈敏度這3項(xiàng)指標(biāo)對正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行量化評價(jià)。著重對柱流量、柱溫和分流比這3個(gè)最有代表性的影響因子，以質(zhì)量濃度為10 mg/L的3種揮發(fā)性鹵代烯烴混合溶液和0.02 mg的乙烯進(jìn)行三因子三水平的正交試驗(yàn)。其中分離度以3種揮發(fā)性鹵代烯烴和乙烯與其相隔最近的雜質(zhì)峰來衡量；分離效率以保留時(shí)間衡量；靈敏度以峰面積衡量。

1.3.4標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作

因TCE的易揮發(fā)性，在配制溶液之前需要以適量色譜級甲醇助溶。取5個(gè)100 mL血漿瓶，在每個(gè)瓶中加入含有不同量的TCE、cDCE和VC的甲醇溶液，準(zhǔn)確量取相應(yīng)量的純水，分別配制成3種烯烴質(zhì)量濃度分別為2.0、4.0、8.0、16.0、32.0 mg/L的50 mL溶液，迅速加蓋密封搖勻，于25℃恒溫水浴振蕩器中平衡1 h后，取溶液上部空間的氣體進(jìn)行檢測。

對于乙烯組分而言，實(shí)驗(yàn)以高純氮?dú)庾鳛橄♂寶猓纫宰⑸淦魅〉獨(dú)庵疗錆M量程，再以250 μL或者1 000 μL的氣密式進(jìn)樣針取欲配制濃度氣體所對應(yīng)體積的乙烯標(biāo)準(zhǔn)氣體，即可為乙烯分別為0.2、0.4、0.8、1.6、2.0 mg/L的5點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)曲線制備出相應(yīng)濃度的氣體標(biāo)樣。

以上各濃度梯度的標(biāo)準(zhǔn)溶液及標(biāo)準(zhǔn)氣體，進(jìn)樣量均為100μL，采用同一色譜條件進(jìn)行檢測。以峰面積為縱坐標(biāo)，各組分濃度為橫坐標(biāo)，分別繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.3.5樣品測定

以與標(biāo)準(zhǔn)曲線制作所采用的色譜條件測定反應(yīng)體系及空白對照中TCE及其脫氯產(chǎn)物，以組分的保留時(shí)間定性，反應(yīng)體系樣品峰面積扣除空白對照峰面積后，由標(biāo)準(zhǔn)曲線得到反應(yīng)體系中各個(gè)組分的濃度。

2　結(jié)果與討論

2.1色譜條件優(yōu)化結(jié)果

以三因子三水平正交試驗(yàn)法對色譜條件進(jìn)行了優(yōu)化選擇，通過定量評價(jià)分離度、分離效率和靈敏度，柱流量、柱溫和分流比這三因子對試驗(yàn)結(jié)果的影響表現(xiàn)為：（1）柱流量主要對保留時(shí)間產(chǎn)生影響。保留時(shí)間會隨著柱流量的增大而減??；分離度會隨著流量增大而降低；靈敏度受柱流量的影響相對較小，但總體也呈隨柱流量增大而降低的趨勢。（2）柱溫主要對分離度和靈敏度產(chǎn)生較大影響。柱溫越高分離度和靈敏度越低；保留時(shí)間隨柱溫的升高有所減小。（3）分流比主要對分離度和靈敏度影響較大。隨著分流比的增大，分離度和靈敏度均有所降低；保留時(shí)間受分流比的影響無明顯規(guī)律。

根據(jù)三因子三水平正交試驗(yàn)結(jié)果，并對柱溫等因素做進(jìn)一步的優(yōu)化，確定TCE及其脫氯產(chǎn)物的優(yōu)化測定條件為：柱流量1.00 mL/min，柱溫初始溫度為45℃，保持6 min后以50℃/min的速率升溫至220℃，保持2 min。分流比為35∶1。在該色譜條件下對反應(yīng)體系中TCE及其脫氯產(chǎn)物進(jìn)行同時(shí)檢測時(shí)的色譜圖如圖1所示。

圖1　　三氯乙烯及其脫氯產(chǎn)物氣相色譜

由圖1可見，各組分峰形好、干擾少、明顯優(yōu)于試樣經(jīng)萃取前處理后以液體方式進(jìn)樣的效果。

2.2標(biāo)準(zhǔn)曲線

在優(yōu)化的色譜條件下，TCE等3種揮發(fā)性鹵代烯烴和乙烯的5點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)曲線，線性良好，R2＞0.998 5，其線性回歸方程如表1所示。

表1　　各組分的工作曲線

2.3方法的最低檢出限

將TCE、VC、cDCE和乙烯標(biāo)準(zhǔn)曲線的濃度最低點(diǎn)重復(fù)進(jìn)樣10次，將所得的3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差代入線性方程，計(jì)算所得作為方法檢出限。TCE、VC、cDCE和乙烯的檢出限分別為0.05、1.72、0.15 mg/L和5.92× 10-4mg/L。

2.4方法的精密度和準(zhǔn)確度

量取標(biāo)準(zhǔn)曲線線性第2點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)溶液上部空間的氣體100μL，連續(xù)6次頂空進(jìn)樣，計(jì)算得到TCE、VC、cDCE和乙烯峰面積的RSD分別為3.79%、5.94%、5.23%和9.14%。

采用標(biāo)準(zhǔn)曲線線性第2點(diǎn)溶液，按照加標(biāo)量50%的標(biāo)準(zhǔn)向溶液中添加不同量的氯代烯烴和乙烯，量取溶液上部空間的氣體100 μL，重復(fù)進(jìn)樣5次，取其峰面積的平均值帶入各物質(zhì)的線性方程，計(jì)算得到TCE、VC、cDCE和乙烯平均回收率分別為102.88%、101.26%、97.68%和119.18%。

2.5樣品測定

待測樣品取自產(chǎn)乙烯脫氯菌降解20 mg/L TCE的反應(yīng)體系（恒溫25℃）中。維持實(shí)驗(yàn)室溫度為25℃，于反應(yīng)進(jìn)行24 h時(shí)抽取反應(yīng)液上部空間氣體100 μL，在上文所述色譜條件下直接進(jìn)樣，所得譜圖中無其他雜峰，僅為TCE、VC、cDCE和乙烯峰，按照出峰先后順序，其保留時(shí)間分別為2.706 min（乙烯）、2.814 min（VC）、3.728 min（cDCE）和5.183 min （TCE），且峰形對稱、雜峰少、測定速度快。將其峰面積帶入各組分的線性方程，測得TCE此時(shí)降解完全，cDCE、VC、乙烯分別為3.93、4.01、4.14×10-3mg/L。

3　小結(jié)

建立了一種能同時(shí)測定水中三氯乙烯及其脫氯產(chǎn)物的氣相色譜檢測方法。采用Rtx-1通用型石英毛細(xì)管柱（30 m×0.32 mm×0.25 μm），固定相為100%甲基聚硅氧烷；頂空手動進(jìn)樣，進(jìn)樣量為100 μL；經(jīng)正交試驗(yàn)優(yōu)化所得色譜條件為：進(jìn)樣口溫度200℃，檢測器溫度220℃；柱流量1.00 mL/min，柱溫初始溫度為45℃，保持6 min后以50℃/min的速率升溫至220℃，保持2 min。分流比為35∶1。

筆者所用方法測定快速、簡便，峰形好、干擾少；各組分標(biāo)準(zhǔn)曲線線性良好（R2＞0.998），RSD為3.79%～9.14%，平均加標(biāo)回收率97.68%～119.18%；對于氯代烯烴組分而言，方法靈敏度雖較電子捕獲檢測器（ECD）要低，但能滿足TCE污染修復(fù)研究中對于各個(gè)組分的檢測要求。

［1］Freedman D L，Gossett J M.Biological reductive dechlorination of tetrachloroethylene and trichloroethylene to ethylene under methanogenicconditions［J］.AppliedandEnvironmentalMicrobiology，1989，55（9）：2144-2151.

［2］Gatell X M，Chien Y T，Gossett J M，et al.Isolation of a bacterium thatreductivelydechlorinatestetrachloroethenetoethene［J］.Science，1997，276（5318）：1568-1571.

［3］HJ620-2011水質(zhì)揮發(fā)性氯代烴的測定頂空氣相色譜法［S］.

［4］楊宏斌，童張法，金朝暉，等.正己烷萃取-氣相色譜法快速測定水中三氯乙烯［J］.中國環(huán)境監(jiān)測，2007，23（4）：37-39.

Simultaneous determination of trichloroethylene and its dechlorination products by capillary gas chromatography

Yue Junjie1，Shi Zhaohong1，Wang Yuting1，F(xiàn)eng Xin1，Wang Wei2，3
（1.School of Environmental Science and Safety Engineering，Tianjin University of Science&Technology，Tianjin 300384，China；2.College of Environmental Science and Engineering，Nankai University，Tianjin 300071，China；3.Key Laboratory of Pollution Processes and Environmental Criteria，Ministry of Education，Nankai University，Tianjin 300071，China）

A kind of capillary gas chromatography（GC）method for simultaneously determination of trichloroethylene（TCE）and its dechlorination products has been established.It is detected by headspace sampling，capillary column separation，and hydrogen flame ionization detector（FID）.Its qualitative analysis is done by retention time and quantitative analysis by peak area.The optimum detection conditions are ascertained by three-factor and three-level orthogonal tests.Under the optimized chromatographic conditions，every group has good linearity（R2＞0.998），relative standard deviation is 3.79%to 9.14%，and average standard recovery rate is from 97.68%to 119.18%.As far as vinyl chlorides is concerned，although its sensibility is relatively lower than that of the electron capture detector （LCD），the new method is characterized by easy and rapid operation，less interference and higher accuracy，and is capable to meet the requirements for the detection of reactant and intermediates in TCE pollution remediation.

trichloroethylene；gas chromatography；capillary column；hydrogen flame ionization detector（FID）

X703.1

A

1005-829X（2016）01-0086-04

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（31200396）；天津自然科學(xué)基金項(xiàng)目（14JCQNJC08500）

岳俊杰（1977—），博士，副教授。E-mail：yue_junjie@ 163.com。

2015-11-22（修改稿）