柱凈化—分散液液微萃取用于純化富集油田水域中10種多環(huán)芳烴污染物

李悅 崔旭 李占超 李美璇 孫爽 汪子明

摘 要 采用柱凈化與分散液液微萃取相結(jié)合的樣品前處理方法，在去除油田水域中直鏈烷烴等干擾物的同時(shí)，對(duì)多環(huán)芳烴類污染物（PAHs）進(jìn)行純化富集，并利用氣相色譜/質(zhì)譜進(jìn)行分析。分別考察了柱填料的種類、柱填料與上液量的質(zhì)量比、柱流速、萃取劑種類及體積、分散劑種類及體積等對(duì)萃取效率的影響，最終選擇12 g H103大孔樹脂為柱填料，以柱填料/樣品質(zhì)量比為12：5上樣，在4倍體積/小時(shí)（BV/h）柱流速下過柱吸附干擾物，洗脫液加入1.00 mL丙酮（分散劑）和15 μL四氯化碳（萃取劑）后進(jìn)行分散液液微萃取2 min。在最優(yōu)條件下，PAHs的富集倍數(shù)為730～1579，檢出限（S/N=3）為1.1～5.3 ng/L，線性范圍為0.01～50 μg/L，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（n=5）為0.6%～3.4%，回收率為82.6%～104.6%。本方法最大程度地降低了基質(zhì)中干擾物對(duì)分析結(jié)果的影響，提高了方法的準(zhǔn)確性，操作簡單方便，尤其適用于受污染油田水體的快速分析。

關(guān)鍵詞 柱凈化； 分散液液微萃??； 氣相色譜/質(zhì)譜； 多環(huán)芳烴

1 引 言

多環(huán)芳烴（Polycyclic aromatic hydrocarbons， PAHs）是一種強(qiáng)致癌、致畸、致突變的環(huán)境污染物， 主要來源于煤、石油、汽車尾氣等含碳有機(jī)物的不完全燃燒[1～4]，廣泛存在于大氣和水體中，對(duì)人和動(dòng)物的生命健康造成了嚴(yán)重威脅，因此大多數(shù)國家對(duì)其含量進(jìn)行了限制規(guī)定。由于大氣和水中的PAHs含量很少，基質(zhì)又比較復(fù)雜，不便于對(duì)其直接進(jìn)行測(cè)定，因此建立一種簡單、準(zhǔn)確、快速的樣品前處理方法顯得極為重要[5～7]。

近年發(fā)展起來的樣品前處理技術(shù)有基質(zhì)固相分散萃?。∕atrix solid phase dispersive extraction，MSPD）、超聲輔助萃取（Ultrasonic assisted extraction，UAE）、攪拌棒吸附萃?。⊿tir bar sorptive extraction，SBSE）、半透膜萃取（Semipermeable membrane device，SPMD）、固相萃?。⊿olid phase extraction，SPE）、固相微萃?。⊿olid phase microextraction，SPME）、分子印跡技術(shù)（Molecular imprinting technique，MIT）、QuEChERS（Quick， easy， cheap， effective， rugged， safe）技術(shù)、單滴微萃?。⊿ingle drop microextraction，SDME）、分散液液微萃?。―ispersive liquid-liquid microextraction，DLLME）等。其中DLLME操作簡單、用時(shí)短、成本低、富集效率高、環(huán)境友好 [8～10]，是由Mohammad等[11]于2006年首次提出， 并將其首先應(yīng)用于水中PAHs的檢測(cè)，后又將此方法應(yīng)用于環(huán)境水樣中有機(jī)磷農(nóng)藥的檢測(cè)[12]。Sabrina等[13]將電磁攪拌輔助（Magnetic stirring assisted，MSA）-分散液液微萃取與全自動(dòng)在線注射結(jié)合衍生氣相色譜-質(zhì)譜（GC-MS）聯(lián)用技術(shù)成功應(yīng)用于環(huán)境水樣中的硅烷化試劑的測(cè)定，提高了檢測(cè)的靈敏度和準(zhǔn)確度，并大大縮短了操作時(shí)間，進(jìn)一步發(fā)展了DLLME技術(shù)。Yu等[14]利用PAHs降解菌株研究了大港油田水域中每種降解菌株對(duì)PAHs的去除效率，并用高效液相色譜法測(cè)定了PAHs的降解動(dòng)力學(xué)，研究了微生物利用多環(huán)芳烴作為生長基質(zhì)的能力。目前，DLLME技術(shù)在油田水質(zhì)監(jiān)測(cè)方面的研究還未見報(bào)道。

大孔吸附樹脂是一類不含交換基團(tuán)且有大孔結(jié)構(gòu)的高分子吸附樹脂，具有良好的大孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和很大的比表面積，可以通過物理作用有選擇地吸附水溶液中的有機(jī)物。其吸附性是依靠分子間范德華力和氫鍵作用，篩選性則是依靠其本身的多孔性結(jié)構(gòu)。它是一種應(yīng)用比較廣泛的吸附分離介質(zhì)，具有穩(wěn)定性高、吸附選擇性獨(dú)特、富集效果好、解吸條件溫和、不受無機(jī)物影響、再生簡便、使用周期長等優(yōu)點(diǎn)[15]，廣泛應(yīng)用于工業(yè)脫色[16，17]、抗生素的分離提取[18]、環(huán)境保護(hù)[19]、中草藥的分離純化[20]、廢水處理[21]等領(lǐng)域，是一類良好的柱凈化填充材料。目前，大孔吸附樹脂在油田水體吸附處理方面報(bào)道較少，因此本研究利用大孔吸附樹脂對(duì)分析物及干擾物的吸附選擇性，將大孔吸附樹脂作為柱凈化填充材料， 與DLLME技術(shù)相結(jié)合，建立一種新的樣品前處理技術(shù)。

本研究基于DLLME技術(shù)的檢測(cè)優(yōu)越性，研究了吉林省松原油田附近的油田水中PAHs污染物，發(fā)現(xiàn)主要含有烷烴類、醛類、酚類、酯類、多環(huán)芳烴類等有機(jī)污染物，且以直鏈烷烴污染物的種類和數(shù)量居多。通過GC-MS分析發(fā)現(xiàn)，由于該環(huán)境水樣基質(zhì)復(fù)雜，如直接利用DLLME萃取水中PAHs污染物時(shí)，水中大部分有機(jī)物也一同被萃取，在利用GC-MS測(cè)定時(shí)，嚴(yán)重影響PAHs分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。本研究將柱凈化（Column clean up，CCU）與DLLME相結(jié)合，先利用大孔吸附樹脂去除水中大部分干擾物，再利用DLLME萃取PAHs污染物，所得萃取液直接進(jìn)行GC-MS分析。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 儀器與試劑

GCMS-QP2010 Plus氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀、GC-2014氣相色譜儀（FID檢測(cè)器）（日本島津公司）；SPH-300A氫氣發(fā)生器、SPB-3全自動(dòng)空氣源、SPN-300氮?dú)獍l(fā)生器（北京中惠普分析技術(shù)研究所）；LDZ4-1.2臺(tái)式低速離心機(jī)（北京京立離心機(jī)有限公司）；KQ2200E型數(shù)控超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）；DZF-6020型真空干燥箱（上海一恒科技有限公司）；SXT-06型索式提取器（上海洪紀(jì)儀器設(shè)備有限公司）；DDS-11A數(shù)顯電導(dǎo)率儀（上海雷磁新涇儀器有限公司）；BZ19/26凈化柱（25 cm × 2.2 cm I.D.，天玻儀器有限公司）。

多環(huán)芳烴（混合標(biāo)準(zhǔn)品，含萘（Nap）、二氫苊（Ace）、芴（Flu）、菲（Phe）、熒蒽（Flt）、芘（Pyr）、苯并[a]蒽（BaA）的、苯并[k]熒蒽（BkF）、苯并[a]芘（BaP）、茚并[1，2，3-c，d]芘（InP），均購自Sigma-Aldrich公司。四氯化碳、二氯甲烷、乙腈（天津天泰精細(xì)化學(xué)品有限公司）；氯仿、丙酮、甲醇、無水乙醇（北京化工廠）；1，1，2，2-四氯乙烷（天津光復(fù)精細(xì)化工有限公司）；正己烷（色譜純，天津科密歐化學(xué)試劑有限公司），其余試劑均為分析純；97號(hào)汽油；AB-8大孔吸附樹脂、D4020大孔吸附樹脂、H103大孔吸附樹脂和D751大孔苯乙烯系螯合型離子交換樹脂（天津南開大學(xué)樹脂有限公司），實(shí)驗(yàn)用水均為純凈水（電導(dǎo)率為26.6 μS/cm）。

500 mg/L PAHs儲(chǔ)備液：由PAHs混合標(biāo)準(zhǔn)品以正己烷溶解并稀釋得到，于4℃保存。10 mg/L PAHs工作液：由 PAHs儲(chǔ)備液以正己烷稀釋得到，于4℃保存。

汽油稀釋液：由97號(hào)汽油與丙酮以1∶1000的體積比稀釋得到，密封保存。

實(shí)際水樣取自吉林省松原油田附近水域的上游水和下游水，用0.45 μm濾膜（水系）過濾后， 放置在玻璃瓶中，于4℃儲(chǔ)存?zhèn)溆谩?/p>

2.2 氣相色譜-質(zhì)譜條件

2.2.1 氣相色譜條件 DB-5 MS彈性石英毛細(xì)管柱（30 m×0.25 mm， 0.25 μm，J&W; Scientific公司），進(jìn)樣口溫度290℃，檢測(cè)器溫度280℃，色譜柱初始溫度60℃，保持3 min，然后以10℃/min升至160℃，再以4℃/min升至275℃，并保持10 min，分流進(jìn)樣，載氣為氮?dú)猓至鞅?0∶1，色譜柱流量1.20 mL/min， 吹掃流量3.0 mL/min，進(jìn)樣量1 μL。

2.2.2 質(zhì)譜條件 EI電離方式，電離能70 eV，接口溫度280℃，電子倍增器電壓0.8 kV，離子源溫度200℃，全掃描測(cè)定方式的掃描范圍m/z 40～500。

2.3 柱凈化-分散液液微萃取

本方法選擇加入汽油稀釋液作為干擾物。移取5.00 mL純凈水于10 mL離心管中，加入20 μL稀釋后的汽油，20 μL 10 mg/L PAHs，混合均勻后，使溶液以4 BV/h的流速經(jīng)過裝有12 g H103大孔樹脂的凈化柱，向洗脫液中加入1.00 mL丙酮分散劑和15 μL四氯化碳萃取劑，超聲振蕩2 min后，以4000 r/min離心5 min，得到沉積相的體積（5.0 ± 0.3） μL。用微量進(jìn)樣器移取1 μL沉積相，進(jìn)行GC-MS分析，平行測(cè)定3次。

3 結(jié)果與討論

3.1 柱凈化條件優(yōu)化

樹脂的空間結(jié)構(gòu)（如孔容、孔徑、粒度、比表面積等）、化合物分子的結(jié)構(gòu)特征（如分子極性、分子體積等）是影響吸附效果的重要參數(shù)。直鏈烷烴是非極性分子，分子間作用力主要表現(xiàn)為色散力，這種作用力很弱且作用范圍很小，僅在分子的表面間發(fā)生作用，并且分子越大，分子間作用力越弱。多環(huán)芳烴是弱極性分子，分子間作用力表現(xiàn)為π-π相互作用，也是弱分子間作用力。因此。可利用分析物和干擾物之間微小的極性差異進(jìn)行分離，通過優(yōu)化并選擇適宜的動(dòng)態(tài)吸附洗脫條件降低樹脂對(duì)目標(biāo)物的吸附，從而提高回收率及分析的準(zhǔn)確度。

3.1.1 柱填料種類的選擇 處理廢水常見的吸附材料有無機(jī)吸附材料（如沸石、蛭石、硅藻土、膨潤土、硅膠、活性氧化鋁、分子篩等）、有機(jī)吸附材料（如纖維類吸附劑、樹脂類吸附劑、殼聚糖類吸附劑等）和碳質(zhì)吸附材料（如活性炭、木炭、草木灰等）。吸附材料的吸附特性取決于其表面的化學(xué)性質(zhì)、孔容、比表面積等參數(shù)。由于大孔吸附樹脂的合成基質(zhì)是高分子化合物，因此可以根據(jù)需要選擇合適的單體、交聯(lián)劑和制孔劑，對(duì)樹脂的孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)制，以達(dá)到實(shí)際需要。目前， 樹脂品種較多，性能較其它吸附材料更為優(yōu)異，在廢水處理方面應(yīng)用廣泛，可長期再生利用。 因此， 本研究選擇處理廢水常用的大孔吸附樹脂作為柱凈化的填充材料。

柱填料的種類主要影響水中雜質(zhì)的去除效果和對(duì)多環(huán)芳烴的吸附率?？疾炝薍103大孔樹脂、D4020大孔樹脂、AB-8大孔樹脂、D751大孔苯乙烯系螯合型離子交換樹脂對(duì)實(shí)際水樣（上游、下游）中直鏈烷烴等有機(jī)污染物的去除效果。鑒于實(shí)際水樣中含有大量直鏈烷烴，而汽油是烷烴混合物，因此本研究選用汽油稀釋液模擬水中的直鏈烷烴干擾物。以上游水樣為例，在5.00 mL上游水樣中加入20 μL 10 mg/L PAHs，經(jīng)過H103大孔樹脂凈化柱前后的總離子流圖如圖1所示，未經(jīng)過柱凈化前，雜質(zhì)干擾嚴(yán)重，尤其在圖中標(biāo)記的3、6、9、10號(hào)峰周圍，雜質(zhì)峰較多，未達(dá)到基線分離；在合適的動(dòng)態(tài)洗脫條件（溶液以4 BV/h的流速經(jīng)過裝有12 g H103大孔樹脂的凈化柱）下， 經(jīng)過柱凈化后，干擾物基本去除，通過DLLME對(duì)PAHs進(jìn)行富集，富集倍數(shù)達(dá)到730～1579倍。由此可知，H103大孔樹脂對(duì)水中的有機(jī)污染物有明顯的吸附作用，而對(duì)PAHs吸附作用很弱，因此H103大孔樹脂可以很好地去除干擾物對(duì)PAHs分析測(cè)定的影響；而其它大孔樹脂對(duì)水中的有機(jī)污染物的吸附效果不及H103大孔樹脂。表1中加標(biāo)40 μg/L PAHs的上游水樣經(jīng)過不同樹脂的回收率結(jié)果表明，H103大孔樹脂對(duì)干擾物有較好的吸附，而對(duì)PAHs的吸附較小，這是由H103大孔樹脂本身結(jié)構(gòu)決定的。雖然D4020大孔樹脂的吸附性能也較好，但相比之下，本實(shí)驗(yàn)選擇了H103大孔樹脂作為柱凈化的填料。

3.1.2 柱填料與上液量質(zhì)量比的選擇 柱填料用量與上液量的質(zhì)量比主要影響水中干擾物的去除效果。當(dāng)上液量一定時(shí)，隨著柱填料用量的增加，對(duì)干擾物的吸附效果越好，當(dāng)柱填料達(dá)到一定量時(shí)，對(duì)干擾物的吸附不再有明顯效果?？疾炝松弦毫繛? mL（含20 μL稀釋后的汽油和20 μL 10 mg/L PAHs），H103大孔樹脂用量分別為6、8、10、12、14、16、18、20和22 g，即H103大孔樹脂與上液量的質(zhì)量比分別為6∶5、8∶5、10∶5、12∶5、14∶5、16∶5、18∶5、20∶5和22∶5時(shí)柱凈化的吸附效果，結(jié)果如圖2所示。隨著柱填料增加，對(duì)干擾物的吸附作用越來越好，當(dāng)柱填料與上液量的質(zhì)量比達(dá)到12∶5時(shí)，樹脂已能去除大部分干擾物，凈化效果較好，故最終選擇柱填料與上液量的質(zhì)量比為12∶5。