花生殼活性炭固相萃取/超高效液相色譜法測定河水中的18種多環(huán)芳烴

項(xiàng)小燕，林錫煌，何立芳，胡志彪 ，林金清

(1.龍巖學(xué)院 化學(xué)與材料工程學(xué)院，福建 龍巖 364000;2.華僑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門 361021;3.國家海洋局第三海洋研究所，福建 廈門 361005 )

花生殼活性炭固相萃取/超高效液相色譜法測定河水中的18種多環(huán)芳烴

項(xiàng)小燕1,2，林錫煌3，何立芳1，胡志彪1，林金清2*

(1.龍巖學(xué)院 化學(xué)與材料工程學(xué)院，福建 龍巖 364000;2.華僑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門 361021;3.國家海洋局第三海洋研究所，福建 廈門 361005 )

建立了固相萃取/超高效液相色譜-二極管陣列檢測(SPE/UPLC-PDA) 聯(lián)用技術(shù)測定河水中18種痕量多環(huán)芳烴(PAHs) 的快速分析方法。通過優(yōu)化固相萃取條件、流動(dòng)相體系、色譜條件等因素，7 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)了18種多環(huán)芳烴的高效分離。在0.05～50 mg/L濃度范圍內(nèi)，18種多環(huán)芳烴的濃度與對(duì)應(yīng)峰面積呈良好線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.999 1～0.999 9，檢出限為0.08～2.03 ng/L，樣品加標(biāo)回收率為74.5%～103.6%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD,n=6)為0.5%～2.3%。將該方法應(yīng)用于九龍江流域龍巖段周邊水樣的檢測，結(jié)果可靠。該方法簡單環(huán)保、靈敏準(zhǔn)確、操作快速，可顯著提高河水中痕量PAHs的分析效率。

花生殼活性炭；固相萃??；多環(huán)芳烴;超高效液相色譜法

多環(huán)芳烴(PAHs)是一類持久性有機(jī)污染物，由兩個(gè)或兩個(gè)以上結(jié)合的芳香環(huán)組成。PAHs具有極強(qiáng)的致癌性和致突變性，且在代謝過程中具有生物累積性，目前已成為環(huán)境優(yōu)先控制污染物[1]。因此開發(fā)快速、靈敏的PAHs分析技術(shù)具有重要意義，也是目前各國環(huán)境學(xué)者密切關(guān)注的問題[2-4]。

由于PAHs在水體樣品中處于痕量級(jí)水平，且各組成性質(zhì)相近，要準(zhǔn)確確定目標(biāo)組分含量必須經(jīng)過有效的富集、分離過程。固相萃取技術(shù)(SPE)具有比表面積大、富集能力強(qiáng)、溶劑使用量小和操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，近年來廣泛應(yīng)用于環(huán)境分析、食品分析、生物分析等樣品前處理過程[5-8]。將該技術(shù)結(jié)合液相色譜(LC)、氣相色譜(GC)等檢測手段[9-11]，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜樣品中痕量污染物的定性定量分析。

近年來，PAHs的分析檢測技術(shù)也不斷發(fā)展，廣泛采用的方法以高效液相色譜(HPLC)、氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)為主。相對(duì)于GC和HPLC技術(shù)，新發(fā)展的超高效液相色譜(UPLC)不僅能更好地測定低揮發(fā)性的有機(jī)物，其快速、高效、高分辨的特點(diǎn)也大大地提高了分析效率[12]。利用花生殼活性炭作為載體，通過SPE/UPLC聯(lián)用技術(shù)檢測環(huán)境水樣中18種PAHs的研究尚未見報(bào)道。本文采用自制花生殼活性炭固相萃取柱，通過優(yōu)化色譜條件，建立了SPE/UPLC-PDA法測定河水中痕量多環(huán)芳烴的新技術(shù)，在7 min內(nèi)可完成18種多環(huán)芳烴的分離分析。該方法綠色環(huán)保、操作成本低、快速簡便，可實(shí)現(xiàn)河水中PAHs快速高效的在線檢測。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Acquity UPLC H-Class超高效液相色譜儀，配二極管陣列檢測器系統(tǒng)(美國Waters公司)；津騰溶劑過濾器(天津市津騰實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司);Milli-Q 超純水儀(美國Millipore公司)；SHB-3循環(huán)水多用真空泵(鄭州杜甫儀器廠)；Quadrasorb SI 全自動(dòng)比表面積及空隙分析儀(美國康塔儀器公司)；S-3400N掃描電鏡(日本株式會(huì)社日立高新技術(shù)那珂事業(yè)所)；E-1045離子濺射裝置(日本株式會(huì)社日立高新技術(shù)那珂事業(yè)所);DX+2700 X射線衍射儀(丹東方圓儀器有限公司)；BAS124S電子天平(賽多利斯科學(xué)儀器有限公司)；氮吹儀(北京康林科技公司)；微量移液管(德國El-ma公司)；KQ-300E超聲清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)；自制花生殼活性炭固相萃取小柱。

PAHs單標(biāo)(德國Dr.Ehrenstorfer公司)，CDGG-110064-01-1 mL PAHs混標(biāo)(美國o2si試劑公司)，用100%乙腈稀釋至1 mg/L，作稀釋標(biāo)樣。二氯甲烷(DCM)、正己烷、甲醇(MT)、乙腈(色譜純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)。實(shí)驗(yàn)用水為Milli-Q超純水。

1.2 花生殼活性炭固相萃取柱的制備

將干燥粉碎的花生殼置于磷酸中浸泡24 h，抽濾，用去離子水多次清洗去除孔道中的可溶性灰分，然后置于微波爐中微波加熱使其碳化活化，將所得的活性炭洗至中性，在120 ℃真空干燥箱干燥12 h，稱重，研磨，儲(chǔ)存于干燥器中備用。

固相萃取柱制備時(shí)，將花生殼活性炭磨碎，篩取212～325 μm的活性炭顆粒，烘干至恒重，以商品化的聚丙烯固相萃取柱管(Supelco，500 mg/6 mL)裝填。稱取100 mg 花生殼活性炭萃取劑填充裝柱，填充高度約為2.0 cm，兩端用篩板封住，即得花生殼活性炭固相萃取柱。

1.3 固相材料的表征

花生殼活性炭的表觀性質(zhì)采用全自動(dòng)比表面積及孔隙分析儀測定，測試前在300 ℃下脫氣2 h；樣品的微晶結(jié)構(gòu)通過X射線衍射儀測定，步長0.02°，掃描速度10(°)·min-1，掃描范圍5°～80°，Cu靶，管電壓40 kV，管電流100 mA；樣品的表面形態(tài)經(jīng)鍍膜制樣后通過掃描電鏡測試。

1.4 樣品處理

依次用二氯甲烷、甲醇、水各5 mL，充分活化和平衡固相萃取柱。于1 L水樣中加入10 mL MT，混勻，經(jīng)0.45 μm 濾膜過濾后上樣。調(diào)節(jié)泵真空度，使水樣流速在5～8 mL/min左右連續(xù)通過固相萃取柱。結(jié)束后，用5 mL水洗滌，繼續(xù)抽氣干燥30 min。用12 mL混合溶劑(VDCM∶VMT=9∶1)分3次(5 mL+4 mL+3 mL)自然洗脫柱子，收集洗脫液，旋轉(zhuǎn)濃縮至約1 mL，轉(zhuǎn)移至1 mL定量玻璃管中，用柔和N2吹至約0.5 mL，流動(dòng)相定容至1 mL，過0.2 μm有機(jī)濾膜，轉(zhuǎn)移至自動(dòng)進(jìn)樣器小瓶中待測。

1.5 色譜條件

色譜柱：Waters Acquity UPLC CSH C18柱(1.7 μm，2.1 mm×100 mm)，柱溫：35 ℃，進(jìn)樣體積：5 μL，流速：0.4 mL/min，流動(dòng)相：三元流動(dòng)相體系，A為100%乙腈，B為超純水，C為100%甲醇。洗脫程序?yàn)椋?～0.1 min,55%A;0.1～3.0 min,55%～58%A;3.0～5.0 min,58%A;5.0～7.5 min,58%～62%A;7.5～7.6 min,62%～55%A;7.6～8.0 min,55%A;B相始終保持為13%。檢測時(shí)間：0～8 min，檢測波長：225，254，285 nm，PDA波長掃描范圍：200～400 nm。

圖1 花生殼活性炭的表面微觀結(jié)構(gòu)Fig.1 Surface microstructure of peanut shell activated carbon

圖2 DCM/MT混合溶劑對(duì)PAHs的回收率Fig.2 Recoveries of PAHs in DCM/MT solvent

2 結(jié)果與討論

2.1 活性炭的表征

2.1.1 表面結(jié)構(gòu)分析XRD分析表明花生殼活性炭屬于無定形炭結(jié)構(gòu)，在2θ為15°，23°，24°和27°附近分別出現(xiàn)了明顯的衍射峰(圖1)。這說明活性炭在活化過程中形成一定的微晶結(jié)構(gòu)，微晶間產(chǎn)生了形狀不同、大小不一的孔隙，孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化使花生殼活性炭類石墨微晶結(jié)構(gòu)趨于亂層化，形成無定形炭類石墨微晶結(jié)構(gòu)。SEM觀察結(jié)果(圖1插圖)進(jìn)一步驗(yàn)證了在活性炭的表面，不規(guī)則地密布著大量微孔，形成了發(fā)達(dá)的、類似蜂窩狀、孔徑大小不一的孔隙結(jié)構(gòu)，預(yù)示著花生殼活性炭有較高的吸附能力。2.1.2 孔隙結(jié)構(gòu)分析在一定條件下，活性炭的吸附性能由其比表面積和孔容量決定。經(jīng)測定，所制得花生殼活性炭的比表面積SBET為1 251 m2/g，總孔容Vt為0.905 cm3/g，微孔孔容Vm為0.167 cm3/g，中孔孔容VH為0.682 cm3/g，其中中孔孔容占75.4%，平均孔徑Dp為5.86 nm，屬于介孔結(jié)構(gòu)，有利于PAHs大分子的吸附。

2.2 固相萃取條件的優(yōu)化

為了克服采用單一溶劑的缺陷，實(shí)驗(yàn)選取二氯甲烷-甲醇混合溶劑進(jìn)行洗脫，考察了不同比例(100%，90%，60%，50%，40%)二氯甲烷對(duì)幾種典型PAHs洗脫回收效率的影響。結(jié)果表明，純二氯甲烷不能將PAHs從吸附劑表面完全洗脫，混合溶劑的組成為90%二氯甲烷時(shí)可以獲得較高的回收率，PAHs的回收率達(dá)到75%以上。此外，洗脫劑用量也是影響萃取效率的重要因素，經(jīng)富集1 L水樣的固相柱，12 mL混合溶劑足以獲得滿意的回收率，繼續(xù)增大洗脫液體積對(duì)萃取結(jié)果影響不大。

2.3 色譜條件的優(yōu)化

圖3 18種PAHs混合標(biāo)準(zhǔn)溶液的UPLC色譜圖Fig.3 Chromatogram of mixed 18 PAHs standard solution

影響色譜分離測定的因素很多，如流動(dòng)相及其配比、色譜柱、柱溫、流速等均會(huì)不同程度地影響色譜峰的分離[13]。要保證18種PAHs在短時(shí)間內(nèi)有足夠的分離度，流動(dòng)相的選擇及洗脫程序尤其重要，目前研究報(bào)道大多采用乙腈-水或甲醇-水體系。本實(shí)驗(yàn)分別采用甲醇和乙腈為流動(dòng)相，在柱溫35 ℃，流速0.4 mL/min梯度洗脫，以二極管陣列檢測器檢測，考察了PAHs在254 nm處的色譜峰形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，甲醇體系的出峰時(shí)間偏長，有幾組組分的峰形重疊，分離不完全。將流速降低至0.4 mL/min，峰重疊現(xiàn)象仍無明顯改善。選用乙腈-水體系為流動(dòng)相體系也無法滿足分離要求。而改用初始體積比為55∶13∶32的乙腈-甲醇-水三元流動(dòng)相體系在0～8 min進(jìn)行梯度洗脫時(shí)分離效果較好，18種PAHs的出峰時(shí)間、峰形及靈敏度較適宜，且可在7 min內(nèi)完成各PAHs組分的有效分離，較文獻(xiàn)[4]報(bào)道時(shí)間縮短了一半。進(jìn)一步比較了柱溫為25，35 ℃時(shí)各組分的分離效果，發(fā)現(xiàn)組分分離效果的變化不大，說明溫度的影響不大，為保證短時(shí)間內(nèi)快速分離，選擇柱溫為35 ℃。優(yōu)化條件下，標(biāo)準(zhǔn)溶液的色譜圖見圖3。

2.4 檢測條件的優(yōu)化

利用PAHs的光學(xué)效應(yīng)，通過UPLC-PDA檢測器采集圖譜數(shù)據(jù)(掃描范圍為200～400 nm)，得到18種PAHs的三維全息色譜圖，確定各組分的最大紫外吸收波長。利用單組分PAHs的紫外特征光譜圖及其在洗脫過程中的保留時(shí)間來校正并確定混合PAHs在UPLC-PDA圖譜中各組成的出峰順序。通過逐級(jí)稀釋標(biāo)準(zhǔn)溶液母液，得到濃度為0.05～50 mg/L的一系列標(biāo)準(zhǔn)溶液，每組平行進(jìn)樣3次，以各化合物峰面積對(duì)其質(zhì)量濃度進(jìn)行線性回歸，得到各組成的線性方程、相關(guān)系數(shù)(見表1)。所有目標(biāo)物在測定范圍內(nèi)均具有良好的線性關(guān)系，其線性相關(guān)系數(shù)為0.999 1～0.999 9。

根據(jù)HJ478-2009標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[14]：固相萃取法適用于清潔水樣中PAHs的測定，當(dāng)富集樣品體積為1 L時(shí)，濃縮樣品至1 mL，以3倍信噪比計(jì)算得到方法的檢出限為0.08～2.03 ng/L。上述結(jié)果表明，本方法具有良好的精密度和準(zhǔn)確性，可滿足環(huán)境水樣中痕量PAHs的定量分析要求。

表1 PAHs的保留時(shí)間、線性關(guān)系及檢出限

2.5 方法的精密度與回收率

將各組成濃度均為10 mg/L的PAHs混標(biāo)溶液1 mL，經(jīng)超純水稀釋至1 L，得到含PAHs 10 μg/L 的待測水樣，經(jīng)固相富集濃縮，重復(fù)測定6次，計(jì)算各組成的平均回收率和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)，結(jié)果見表2。方法的平均加標(biāo)回收率為74.5%～103.6%，RSD(n=6)為0.5%～2.3%，方法的重復(fù)性良好，準(zhǔn)確可靠，可滿足水體中痕量PAHs 的分析需求。

表2 方法的精密度與準(zhǔn)確度(n=6)

表3 實(shí)際水樣的測試結(jié)果(ng/L)

*:no detected

2.6 實(shí)際樣品的檢測

運(yùn)用優(yōu)化的富集及色譜分離條件，對(duì)九龍江龍巖段流域3個(gè)采樣點(diǎn)水質(zhì)進(jìn)行檢測，共檢出 8種目標(biāo)PAHs(見表4)，其中三元環(huán)PAHs包括:FLO，ANT，PHE，四元環(huán)PAHs包括：FLA，PYR，CHR，五元環(huán)PAHs包括：BbF，BaP。檢出物中主要以3，4元環(huán)為主，五元環(huán)含量偏低，未檢出六元環(huán)PAHs。3個(gè)站點(diǎn)水樣PAHs的總量分別為94.60，145.80，114.67 ng/L，說明龍巖段流域存在PAHs輕度污染，但總PAHs檢測結(jié)果在國家生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)[15]。

2.7 與其它方法的比較

將建立的SPE/UPLC法與標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行比較(見表4)。結(jié)果表明，本方法具有更低的檢出限，更寬的線性范圍，分析時(shí)間大大縮短，且采用花生殼活性炭的制備成本低，方法綠色環(huán)保。

表4 PAHs檢測方法結(jié)果比較

上述研究表明，采用SPE/UPLC-PDA聯(lián)用技術(shù)可快速測定河水中痕量PAHs，且方法檢出限低，加標(biāo)回收率高，制備成本低，分析時(shí)間短，結(jié)果可靠，本方法的建立對(duì)于水質(zhì)中復(fù)雜PAHs組分的快速分析監(jiān)測具有重要意義。

[1] Bogusz M J，El Hajj S A,Ehaideb Z,Hassan H,Al-Tufail M.J.Chromatogr.A，2004，1026(1/2):1-7.

[2] Jan F A,Khan S,Ishaq M,Naeem M,Ahmad I,Hussain S.Arab.J.Geosci.，2014，7(1):13-19.

[3] Liaud C，Millet M，Calvé S L.Talanta，2015，131(1):386-394.

[4] Yuan P Y，Chen Z，Yang C G，Yang Q X.Environ.Sci.Technol.(袁培耘，陳卓，楊成閣，楊慶雄.環(huán)境科學(xué)與技術(shù))，2015，38(2):89-93.

[5] Yin J，Yu Q W，Zhao Q，Lu Q,Feng Y Q.ChinaOils&Fats(尹佳，余瓊衛(wèi)，趙琴，盧倩，馮鈺锜.中國油脂)，2015，40(3):52-56.

[6] Liu F，Duan F K，Li H R，Ma Y L，He K B，Zhang Q.Chin.J.Anal.Chem.(劉斐，段鳳魁，李海蓉，馬永亮，賀克斌，張倩.分析化學(xué))，2015，43(4):540-546.

[7] Zou H M，Zhou C，Yu H J，Zhang Q，Zeng H Y，Li Y X.Chin.J.Anal.Chem.(鄒海民，周琛，余輝菊，張潛，曾紅燕，李永新.分析化學(xué))，2016,44(2):297-304.

[8] Zhong L L，Lei S R，Guo L A，Hu L，F(xiàn)u C P，Mao J F，Li X.Chin.J.Anal.Lab.(仲伶俐，雷紹榮，郭靈安,胡莉，付成平，毛建霏，李曦.分析試驗(yàn)室)，2016,(1):51-55.

[9] Wang Q，Wang Y，Wang L，Hang X Y，F(xiàn)eng X Q，Song X，Xu R.Phys.Test.Chem.Anal.:Chem.Anal.(王芹，汪怡，王露，杭學(xué)宇，馮曉青，宋鑫，徐瑞.理化檢驗(yàn)：化學(xué)分冊(cè)),2016，52(1):15-18.

[10] Lian L L，Guo T X，Wu Y Q，Jin L，Lou D W，Sun D Z.Chin.J.Anal.Chem.(連麗麗，郭亭秀，吳玉清，金麗，婁大偉，孫大志.分析化學(xué))，2015，43(12):1876-1881.

[11] Mahmoud M E，Ahmed S B，Osman M M，Abdel-Fattah T M.Fuel，2015，139：614-621.

[12] Huo Y M，Wang J，Duan W Z，Xue X，Wang Y L，Yu W J.J.Instrum.Anal.(霍艷敏，王駿，段文增，薛霞，王艷麗，于文江.分析測試學(xué)報(bào)),2016,(3):327-331.

[13] Xiao H，Cui Z J，Wang Z F,Li C H.J.Environ.Sci.Technol.(肖海，崔兆杰，王在峰，李春華.環(huán)境科學(xué)與技術(shù))，2013，36(10):126-131.

[14] HJ478-2009.Water Quality-Determination of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons Liquid-Liquid Extraction and Solid-phase Extraction Followed by High Performance Liquid Chromatographic Method(水質(zhì) 多環(huán)芳烴的測定 液液萃取和固相萃取 高效液相色譜法).

[15] GB 5749-2006.Standards for Drinking Water Quality(生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)).

Determination of Trace Polycyclic Aromatic Hydrocarbons by Solid Phase Extraction Coupled with Ultra-high Performance Liquid Chromatography

XIANG Xiao-yan1,2,LIN Xi-huang3,HE Li-fang1,HU Zhi-biao1,LIN Jin-qing2*

(1.Department of Chemistry and Materials Engineering,Longyan University,Longyan 364000,China;2.Department of Material Science and Engineering,Hua qiao University,Xiamen 361021,China;3.Third Institute of Oceanography,State Oceanic Administration,Xiamen 361005,China)

A novel method for the simultaneous determination of 18 PAHs in river was established by solid-phase extraction coupled with ultra-high performance liquid chromatography(SPE/UPLC).The effects of solid phase,elution system and gradient elution were optimized.Under the optimal conditions,18 PAHs could be separated in 7 min.The calibration curves of 18 PAHs showed good linearity between peak area and concentration in the range of 0.05-50 mg/L,with correlation coefficients of 0.999 1-0.999 9.The detection limits were between 0.08 ng/L and 2.03 ng/L,with relative standard deviations(RSDs) of 0.5%-2.3%.The spiked recoveries were in the range of 74.5%-103.6%.It provided a reliable method for the study of PAHs in the Longyan section of Nine Longjiang River Basin.The method is simple,sensitive,accurate and efficient,and could significantly improve the analysis efficiency of trace PAHs in rivers.

peanut shell activated carbon；solid phase extraction；polycyclic aromatic hydrocarbons；ultra-high performance liquid chromatography

10.3969/j.issn.1004-4957.2017.01.016

2016-06-20；

2016-09-15

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(21246008)；福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2016J01060)；福建省教育廳B類項(xiàng)目(JB14096)

*通訊作者：林金清, 博士, 教授，研究方向：綠色化學(xué)與水處理技術(shù)，Tel：0592-0592-6162225，E-mail：linlab@hqu.edu.cn

O657.72；O625.15

A

1004-4957(2017)01-0096-05