芳香族硝基化合物定量分析技術(shù)的研究

袁雯雯,沈健

(南京師范大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院,江蘇省生物醫(yī)學(xué)功能材料協(xié)同創(chuàng)新中心江蘇省生物功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210023)

芳香族硝基化合物作為初始原料廣泛用于農(nóng)藥、醫(yī)藥、染料、造紙等工業(yè)領(lǐng)域[1-4]。另外，由于芳香族硝基化合物因種類復(fù)雜、難降解、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，同時(shí)，化合物中—NO2的存在，使得該類化合物具有較高的毒性，被世界各國(guó)列為優(yōu)先監(jiān)測(cè)和嚴(yán)格要求排放的污染物之一[5]。因此,加強(qiáng)水體環(huán)境中芳香族硝基化合物的檢測(cè)與分析是了解該類廢水水質(zhì)和尋求經(jīng)濟(jì)、高效的處理方法的重要舉措，對(duì)預(yù)防和控制環(huán)境污染至關(guān)重要。本文介紹了國(guó)內(nèi)外芳香族硝基化合物檢測(cè)分析方法研究的新進(jìn)展。目前，大多從色譜分析法、光學(xué)分析法、電化學(xué)分析法以及其他分析方法對(duì)芳香族硝基化合物進(jìn)行定量分析。

1 色譜分析法

色譜法因其高靈敏度、高分離性能以及快速分析等特點(diǎn)常被應(yīng)用于芳香族硝基化合物的分析，其中運(yùn)用氣相色譜法(GC)和高效液相色譜法(HPLC)技術(shù)檢測(cè)該類物質(zhì)較為廣泛[6-8]。GC技術(shù)作為一種功能強(qiáng)大的分離檢測(cè)工具，以毛細(xì)管柱和氣體作為色譜柱和流動(dòng)相，常與各種檢測(cè)器聯(lián)合使用，如電離檢測(cè)器(PID)、電子俘獲檢測(cè)器(ECD)、熱導(dǎo)檢測(cè)器(TCD)、火焰離子化檢測(cè)器(FID)等。將待測(cè)樣品加熱氣化，然后通過氣體的方式隨流動(dòng)相進(jìn)入色譜柱，根據(jù)固定相與待測(cè)物分子作用力不同分離各組分[9]。HPLC開始階段稱為經(jīng)典液相色譜法，通常在常壓和室溫下，采用大直徑的玻璃管柱作為色譜柱，利用液位差輸送流動(dòng)相。此方法因精密度低、分析時(shí)間長(zhǎng)、柱效低而限制其發(fā)展。后期的HPLC技術(shù)是在經(jīng)典液相色譜的基礎(chǔ)上，改變進(jìn)樣方式，擴(kuò)大色譜柱選擇范圍而逐漸發(fā)展起來的高效分離技術(shù)。利用高壓泵輸送流動(dòng)相，其色譜柱填料顆粒均勻、柱效高，顯著提高了分析速度和精度。

1.1 氣相色譜

氣相色譜技術(shù)作為一種操作簡(jiǎn)便、精密度高的分析技術(shù)，已經(jīng)被報(bào)道應(yīng)用于芳香族硝基化合物定量分析和結(jié)構(gòu)鑒定，如宋冰冰等[10]采用FID檢測(cè)器，選擇二氯甲烷作為萃取劑，利用液液萃取前處理技術(shù)分析測(cè)定芳香族硝基化合物。結(jié)果顯示，在15 min內(nèi)10種芳香族硝基化合物分離完全，無相互干擾。其精密度實(shí)驗(yàn)顯示，檢測(cè)限低，加標(biāo)回收率在83.1%～106.2%。李利榮等[11]以保留時(shí)間定性，外標(biāo)法定量。使用Oasis HLB 固相萃取柱，丙酮/正己烷混合溶劑為洗脫溶劑，測(cè)試芳香族硝基化合物濃度。其結(jié)果顯示，在較寬的濃度范圍內(nèi)測(cè)定混合物，各物質(zhì)無相互干擾，線性關(guān)系良好，檢出限較低，精密度較高。雖然氣相色譜表現(xiàn)出較強(qiáng)的測(cè)試功能，但并非所有待測(cè)物都有一定的熱穩(wěn)定性，可能高溫導(dǎo)致待測(cè)物分解。所以在常規(guī)的氣相色譜技術(shù)基礎(chǔ)上，對(duì)待測(cè)物進(jìn)行衍生化反應(yīng)，可增加其熱穩(wěn)定性[12]。除此之外，水體中復(fù)雜的環(huán)境和組成成分也是影響測(cè)試的因素。因此，有研究者為克服成分復(fù)雜對(duì)結(jié)果的影響，將氣相色譜技術(shù)與質(zhì)譜技術(shù)聯(lián)用，充分發(fā)揮了氣相色譜技術(shù)高效分離作用和質(zhì)譜的高度鑒別能力，可表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗干擾性能和穩(wěn)定性。如任衍燕等[13]利用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(GC-MS) 對(duì)水中硝基苯等10 種芳香族硝基化合物進(jìn)行分析并準(zhǔn)確定量。結(jié)果可知，在12 min內(nèi)，所有待測(cè)物分離完全，其定量準(zhǔn)確，檢測(cè)限低，線性范圍廣。

1.2 液相色譜

氣相色譜雖然為芳香族化合物提供方便、快捷的分離和檢測(cè)手段，但對(duì)于部分熱穩(wěn)定性差或熔沸點(diǎn)高的化合物，因加熱氣化，使得待測(cè)物結(jié)構(gòu)與性質(zhì)發(fā)生變化或則因氣化溫度低難以達(dá)到要求等問題而限制其分離檢測(cè)[14-16]。對(duì)該類性質(zhì)樣品，高效液相色譜(HPLC)技術(shù)表現(xiàn)出克服此類問題的優(yōu)越性。由于待測(cè)樣品在相對(duì)低溫度下測(cè)試，無需加熱汽化待測(cè)物。因此，HPLC測(cè)試不受試樣穩(wěn)定性與揮發(fā)性等問題的限制，同樣適用于相對(duì)分子質(zhì)量大、熱穩(wěn)定性差、不易氣化、沸點(diǎn)高的有機(jī)物分析測(cè)定。劉敬東等[17]選擇合適的色譜柱，探究了最佳條件下，運(yùn)用反相高效液相色譜(RP-HPLC)法測(cè)定水中微量硝基苯，得出在檢測(cè)波長(zhǎng)262 nm，柱溫30 ℃，流動(dòng)相為甲醇∶水∶乙酸= 70∶29∶1，流速1.00 mL/min時(shí)，此方法分析迅速、準(zhǔn)確度高，檢出限低至0.000 5 mg/L。在此基礎(chǔ)上，為提高分析通量和色譜峰容量，超高效液相色譜(UPLC)技術(shù)運(yùn)用而生。有研究人員分別以熒光和紫外為檢測(cè)器，建立的UPLC技術(shù)測(cè)定了廢水中苯胺和硝基苯的含量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法比傳統(tǒng)分析方法線性范圍更廣、回收率高、檢測(cè)限低和相對(duì)偏差小的結(jié)論，表現(xiàn)出樣品前處理簡(jiǎn)單、效率高、適用各種水質(zhì)環(huán)境的特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，與UPLC聯(lián)用檢測(cè)芳香族硝基化合物技術(shù)不斷發(fā)展。如 Gudlawar等[18]介紹了一種利用常壓化學(xué)電離負(fù)模式下的取代反應(yīng)進(jìn)行超高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析測(cè)定1-氯-2-硝基苯的新方法[APCI(-)]。取代反應(yīng)[M-X+O](-)可用于不易發(fā)生脫質(zhì)子的化合物。通過使用毒理學(xué)關(guān)注閾值(TTC)，根據(jù)藥物的最大日劑量計(jì)算出1.63 mg/L的限值。結(jié)果表明，該方法在50.0 ～ 2 000.0 μg/L之間具有良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為>0.99。該方法的LOD和LOQ極低，分別為20.0,50.0 μg/L。該方法的準(zhǔn)確度在85%～105%之間。該方法是富馬酸喹硫平中1-氯-2-硝基苯低濃度定量的一種良好的質(zhì)量控制手段。液相色譜技術(shù)是對(duì)氣相色譜技術(shù)進(jìn)一步補(bǔ)充，已成為一個(gè)快速、簡(jiǎn)單、可靠的分析檢測(cè)手段。另外豐富的檢測(cè)器種類，也擴(kuò)寬了液相色譜的檢測(cè)范圍和應(yīng)用領(lǐng)域。

2 光學(xué)分析法

光學(xué)分析法是主要根據(jù)物質(zhì)吸收、發(fā)射電磁輻射以及物質(zhì)與電磁輻射的相互作用來分析目標(biāo)物的一類重要分析法，比如利用物質(zhì)光學(xué)性質(zhì)的光譜分析和非光譜分析。雖然光學(xué)分析法表現(xiàn)出較高的靈敏度，但是基于常見水體分析物的復(fù)雜性以及欠缺光學(xué)檢測(cè)技術(shù)對(duì)區(qū)分特定目標(biāo)物選擇性，其在實(shí)際應(yīng)用上存在一定的局限性。下面將介紹幾種常見的運(yùn)用光學(xué)分析方法測(cè)定芳香族硝基化合物的光學(xué)技術(shù)。

2.1 熒光分析法

由于待測(cè)物分子受到光的照射會(huì)吸收光的部分能量，致使待測(cè)分子能量增加由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)，隨后待測(cè)分子釋放能量由激發(fā)態(tài)返回至基態(tài)，然后根據(jù)釋放能量產(chǎn)生的輻射光強(qiáng)度與溶液濃度關(guān)系定量分析待測(cè)物的方法稱為熒光分析法。因其極高的靈敏度常被用于痕量物質(zhì)的分析，在環(huán)境檢測(cè)方面發(fā)揮重要作用。Li等[19]利用一次性塑料微芯片和低成本激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)儀，快速高效的電泳分離測(cè)定5種環(huán)境樣品和生活用品中禁用的微量芳香族胺。在選定的條件下，使用含2%(w/v)羥丙基纖維素的10 mmol/L硼酸鹽緩沖液，可在90 s內(nèi)分離出5種熒光素異硫氰酸鹽標(biāo)記的芳香胺。該方法重復(fù)性好，峰面積的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差(n=5)和偏移時(shí)間分別不超過4.6%,0.9%，加標(biāo)回收率為85%～110%。該方法已成功地應(yīng)用于廢水和紡織品中禁用的芳香族胺的定量分析。然而并非任何物質(zhì)在吸收激發(fā)光后都具有熒光響應(yīng)，對(duì)于無信號(hào)響應(yīng)或信號(hào)較弱的物質(zhì)測(cè)定可通過相應(yīng)改性增強(qiáng)熒光響應(yīng)。通常含有共軛雙鍵體系的芳環(huán)或芳雜環(huán)有機(jī)物分子，往往具有高熒光特性，因此可在待測(cè)物中引入更多的芳香環(huán)結(jié)構(gòu)。Gao 等[20]首先通過在二氧化硅納米粒子耦聯(lián)反應(yīng)，再將芳香族氨基化合物進(jìn)行硅烷化與熒光染料分子相互作用形成共價(jià)結(jié)合鍵。同時(shí)，熒光染料分子發(fā)射光能夠被特異性結(jié)合生成的復(fù)合物(APTS-TNT)強(qiáng)烈的吸收，從而引發(fā)信號(hào)增強(qiáng)。此外，熒光團(tuán)還可作為傳感器用于室溫下芳香族硝基化合物蒸汽的檢測(cè)。氣相傳感實(shí)驗(yàn)表明，該傳感過程重復(fù)性好，對(duì)硝基芳香族化合物具有很強(qiáng)的選擇性[21]。

2.2 拉曼光譜分析法

利用光線的拉曼散射效應(yīng)獲取待測(cè)物分子轉(zhuǎn)動(dòng)與振動(dòng)信息，確定分子結(jié)構(gòu)的一種方法稱為拉曼光譜。與其他光學(xué)分析方法相比，其存在高靈敏度、無復(fù)雜前處理、抗熒光干擾和監(jiān)測(cè)范圍廣等顯著特點(diǎn)。Liu等[22]成功制備了由十六烷基二甲基乙基溴化銨(EHDAB)包裹的金納米顆粒作為基底材料，運(yùn)用于TNT的分析檢測(cè)。結(jié)果表明，該基底上表現(xiàn)出相當(dāng)大的拉曼信號(hào)增強(qiáng)效應(yīng)，檢測(cè)限達(dá)到10-9mol/L。隨后，研究者進(jìn)一步發(fā)展拉曼技術(shù)，Bian等[23]將固相微萃取與SERS技術(shù)結(jié)合，通過電偶自由位移反應(yīng)將金納米粒子沉積在多孔的銀表面形成均勻膜。一方面提高了基底材料的硬度和耐高溫氧化能力；另一方面可顯著提高芳香族化合物增強(qiáng)因子(1.3×106)，其檢測(cè)線(LOD)可低至5.1 μg/L。此外，Hu等[24]運(yùn)用自組裝技術(shù)合成MIL-101納米復(fù)合材料，并結(jié)合了金納米粒子局部表面等離子體的共振性能，有效地富集分析物來提高苯二胺的靈敏度。結(jié)果表明，該SERS基底具有較高的靈敏度，并對(duì)多種不同的目標(biāo)分析物有親和力，對(duì)苯二胺的測(cè)定線性范圍在1.0～100.0 ng/mL之間，相關(guān)系數(shù)大于0.995 0，回收率為79.3%～107.3%。

2.3 表面等離子體共振分析法

運(yùn)用金屬表面電子的相互作用與特定電磁波產(chǎn)生共振而形成的光學(xué)性質(zhì)稱為表面等離子體共振(SPR)，可以通過實(shí)現(xiàn)生物或化學(xué)轉(zhuǎn)化量與待測(cè)濃度的關(guān)系定量測(cè)量。該技術(shù)在芳香族硝基化合物的檢測(cè)中發(fā)揮重要作用。Mizuta等[25]介紹了高靈敏度SPR檢測(cè)TNT技術(shù)。利用芳香族烷二硫醇自組裝單分子膜(SAMs)和低聚乙二醇(OEG)的鍵合作用，通過OEG鏈將TNT類似物固定在金屬傳感器表面上，以TNP-甘氨酸、DNP-甘氨酸和DNP-乙酸3種TNT類似物為固定化配體。采用間接競(jìng)爭(zhēng)法對(duì)所制備的傳感器表面進(jìn)行了高靈敏度TNT檢測(cè)，其LOD可達(dá)到50 ng/L左右。傳感器表面經(jīng)過100多次重復(fù)使用，信號(hào)無明顯衰減，化學(xué)性穩(wěn)定。He等[26]基于4-氨基硫酚(4-ATP)功能化ZnO-Ag雜化納米花基底，采用綠色高效的方法制備了新型低成本的SPR光譜傳感器。這種傳感器對(duì)芳香族硝基化合物在10-12mol/L的低濃度下表現(xiàn)出較高的靈敏度，增強(qiáng)因子達(dá)到4.12×106以上。此外，由于這種傳感器中p-供體-p-受體相互作用能有效地誘導(dǎo)并產(chǎn)生可有效識(shí)別的共振信號(hào)。因此可以檢測(cè)到低至5×10-9mol/L的TNT濃度。

2.4 分光光度法

分光光度法利用芳香族硝基化合物對(duì)光在特定波長(zhǎng)或波長(zhǎng)范圍的吸收，然后根據(jù)朗伯-比耳定律根據(jù)吸光度值大小準(zhǔn)確定量。此法便攜性高、分析快速，可適合于現(xiàn)場(chǎng)快速分析?；诙趸螂宓倪€原特性[27]，陳穎等[28]采用在堿性環(huán)境中，利用二氧化硫脲產(chǎn)生強(qiáng)還原性的次硫酸，將硝基苯還原成苯胺，然后通過顯色反應(yīng)準(zhǔn)確的測(cè)定了硝基苯的含量；同樣，Gao等[29]利用二次波長(zhǎng)分光光度法改進(jìn)了廢水中硝基苯類化合物的測(cè)定。結(jié)果顯示，在酸性溶液中，硝基苯在硫酸肼和亞硝酸鹽存在下與N-(1-萘基)-乙二胺二鹽酸鹽(NEDA)反應(yīng)生成紅色偶氮化合物。改進(jìn)后的方法比普通分光光度法具有更高的精密度和靈敏度，且計(jì)算模型穩(wěn)定。結(jié)果表明，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于2.1%，硝基苯的回收率在96%～104%，硝基苯的檢出限為0.008 mg/L。若對(duì)于響應(yīng)信號(hào)不強(qiáng)的待測(cè)物，可通過氨基還原法間接測(cè)定。如郭金全等[30]采取萃取分離富集手段，首先在酸性環(huán)境中加入金屬無機(jī)鹽將硝基還原成氨基，測(cè)定重氮化生成的紫色反應(yīng)間接測(cè)定水體中硝基苯濃度。為提高分光光度法測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，可利用數(shù)學(xué)分析方法加以優(yōu)化。邵明武等[31]發(fā)現(xiàn)，對(duì)于芳香族硝基化合類混合體系不適合采用多元線性回歸法進(jìn)行分析，通過嶺回歸和多元逐步回歸可滿足分析要求，克服了很多測(cè)試過程中的不利因素，能夠得到更加精確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3 電化學(xué)分析法

電化學(xué)分析法是一類利用物質(zhì)的電學(xué)響應(yīng)與電化學(xué)轉(zhuǎn)換關(guān)系的方法。與其他分析法相比，電化學(xué)分析法不僅具有適用性強(qiáng)、儀器簡(jiǎn)單、快速、可實(shí)時(shí)檢測(cè)等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還具備高靈敏度和準(zhǔn)確度等特點(diǎn)。張麗君等[32]運(yùn)用伏安法測(cè)定硝基苯，通過優(yōu)化測(cè)試條件，探究了線性范圍、檢測(cè)限、重現(xiàn)性等與傳統(tǒng)分析方法的差異，結(jié)果顯示該方法更加優(yōu)異。在眾多電化學(xué)分析方法中，玻碳電極(GC)表面構(gòu)建復(fù)合材料分析硝基苯類物質(zhì)是研究的熱點(diǎn)之一，如劉艷等[33]采用殼聚糖-石墨烯修飾循環(huán)伏安法的玻碳電極檢測(cè)水溶液中的硝基苯，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，硝基苯還原峰電流與濃度呈良好線性關(guān)系。由于分析過程中測(cè)定的是電信號(hào)數(shù)據(jù)，因此還能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化連續(xù)分析。Adhikari K等[34]采用自組裝技術(shù)制備了單壁碳納米管(SWCNT)，利用雙鏈DNA與SWCNT反應(yīng)達(dá)到修飾玻碳電極的目的。結(jié)果表明，修飾后的電極檢測(cè)芳香族化合物在響應(yīng)速度、靈敏度等方面性能明顯提高，整個(gè)分析測(cè)定過程控制在15 s以內(nèi)，并達(dá)到了連續(xù)測(cè)定的要求。在實(shí)際測(cè)量中，電化學(xué)技術(shù)常常容易受到各種干擾離子或目標(biāo)分子結(jié)構(gòu)類似物的影響，從而產(chǎn)生分析時(shí)間延長(zhǎng)、測(cè)量誤差等問題。因此，對(duì)于抗干擾弱體系而言，消除該類影響至關(guān)重要。有研究者為增強(qiáng)電極信號(hào)富集性能和有效克服非目標(biāo)粒子干擾等因素，將分子印跡等特異性識(shí)別技術(shù)引入修飾電極中，Alizadeh等[35]分別以甲基丙烯酸和EDMA為單體和交聯(lián)劑，制備出以TNT為模板分子印跡聚合物(MIP) 修飾的碳糊電極(CP) 電化學(xué)傳感器。結(jié)果顯示，分子印跡修飾電極檢測(cè)性能相對(duì)于非印跡電極有明顯的提高。另外，Ahmar等[36]提出了一種測(cè)定水樣中對(duì)硝基苯甲醛的新方法。該方法基于可切換溶劑基液-液微萃取(SS-LLME)，然后在多壁碳納米管修飾玻碳電極上用差示脈沖伏安法進(jìn)行測(cè)定。在優(yōu)化條件下，在1.0 mg/L和350 mg/L濃度范圍內(nèi)，校準(zhǔn)曲線呈線性。定量和檢測(cè)限分別為1.0 μg/L和0.3 μg/L[37]。

4 其他分析方法

除以上分析方法外，還存在著其他分析技術(shù)運(yùn)用于芳香族硝基化合物的定量分析。如有以電場(chǎng)為驅(qū)動(dòng)力的毛細(xì)管電泳法(CE)[37]，以及包括與毛細(xì)管電泳聯(lián)用技術(shù)。毛細(xì)管電泳紫外檢測(cè)法(CE-UV)分析待測(cè)液，可直接避免試劑和微量樣品容易出錯(cuò)的問題，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)操作半自動(dòng)化，其表現(xiàn)出對(duì)1-乙基-2-硝基苯檢測(cè)結(jié)果高重復(fù)性、良好線性和低檢測(cè)限[38]。如以還原滴定為原理的碘滴定[39]和三氯化鐵滴定技術(shù)[40]也逐漸形成。操作更加簡(jiǎn)便、特異性強(qiáng)的熒光偏振檢測(cè)(FPIA)技術(shù)也得到了廣泛應(yīng)用。實(shí)際廢水中往往物質(zhì)組成復(fù)雜，干擾物質(zhì)較多。因此，非目標(biāo)分子或其他各種離子的干擾是影響檢測(cè)范圍和準(zhǔn)確度的重要因素(如電化學(xué)分析、光學(xué)分析等)[41]。為克服該類問題，對(duì)于痕量物質(zhì)分析，采用單一的方法檢測(cè)已難滿足環(huán)境保護(hù)提出的新的要求。Zhou等[42]采用高效液相色譜-電化學(xué)檢測(cè)器(HPLC-ECD)聯(lián)用技術(shù)，制備了便捷的聚合離子液體(PIL)-二苯硼酸(DPBA)填充毛細(xì)管柱，采用微透析采樣法得到分析樣本，通過HPLC-ECD法快速分離，選擇性地提取多種物質(zhì)，然后進(jìn)行定量分析。HPLC-ECD 表現(xiàn)出高度的敏感性和選擇性，具有分析時(shí)間短(8 min)、回收率高(91%～104.4%)和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)小(6.5%～7.7%)等優(yōu)勢(shì)。

5 發(fā)展前景與展望

隨著人們對(duì)分析檢測(cè)方法提出了更高的要求以及環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng),各類水體中芳香族硝基化合物的定量分析備受重視。值得指出的是,以簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確、快速的聯(lián)用分析方法和技術(shù)將會(huì)在實(shí)際運(yùn)用中不斷涌現(xiàn)，但各種聯(lián)用技術(shù)存在前處理技術(shù)復(fù)雜或因儀器的價(jià)格昂貴等因素也是將來分析方法和儀器發(fā)展的挑戰(zhàn)之一。因此，在實(shí)際水體分析過程中，測(cè)試樣品的組成、測(cè)試要求、儀器設(shè)備成本以及前處理等選擇等因素是考慮經(jīng)濟(jì)、有效、合理的檢測(cè)手段是必不可少的。同時(shí)，簡(jiǎn)化前處理過程、縮短分析時(shí)間、尋找易于自動(dòng)化控制的新儀器和新方法將是今后分析工作者研究的重點(diǎn)。