固相萃取技術(shù)富集水中萘的影響因素探討

李洪鑫，唐 琨，郭震宇

(泰達(dá)水業(yè)有限公司水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心 天津300457)

萘是一種稠環(huán)芳香烴有機(jī)化合物，無色，有毒，從煉焦的副產(chǎn)品煤焦油和石油蒸餾中大量產(chǎn)生，早期被用于家庭衣物防蛀、農(nóng)業(yè)殺蟲、防腐劑等。由于萘的揮發(fā)性較強(qiáng)，受環(huán)境影響較大，在許多針對(duì)多環(huán)芳烴的研究中，已不對(duì)其進(jìn)行討論，其檢測(cè)方法也鮮有報(bào)道。后經(jīng)研究表明，萘具有一定毒性和致癌、致畸性[1-3]，并且隨著石化工業(yè)的發(fā)展，萘的需求量顯著增多，在相關(guān)行業(yè)的廢水中，甚至湖泊、河流等地表水，乃至地下水中均有萘的檢出[4]。因此，建立可靠的萘檢測(cè)方法十分必要。

萘水溶性較低，水體中的濃度一般在10-9數(shù)量級(jí)甚至更低，樣品必須經(jīng)富集濃縮后再進(jìn)行檢測(cè)，因此萃取技術(shù)是整個(gè)檢測(cè)環(huán)節(jié)的重中之重。相較液液萃取，固相萃取具有方法檢出限低、操作簡便、不乳化、易于自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)[5]。本研究通過樣品改性劑、SPE小柱預(yù)處理、洗脫濃縮 3方面進(jìn)行試驗(yàn)，探討能否通過優(yōu)化SPE條件，有效提高萘的回收率，進(jìn)而提高樣品檢測(cè)準(zhǔn)確性。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)及試劑

萘，購于中國計(jì)量科學(xué)研究院；乙腈(色譜純)；二氯甲烷(色譜純)；甲醇(色譜純)；異丙醇(色譜純)；去離子水(電阻率大于 18.0MΩ·cm)；硫代硫酸鈉溶液(100g/L)。

1.1.2 儀器耗材

美國Waters公司ACQUITY UPLC超高效液相色譜儀，配 TUV檢測(cè)器；色譜柱 Waters PAH C18 5μm 4.6×250mm Column；固相萃取柱Waters HLB 60mg，3mL；0.22μm 纖維濾膜。

1.2 儀器條件

柱溫 30℃；流動(dòng)相 A 泵(40%)高純水，B泵(60%)乙腈，等度洗脫；流速 1.20mL/min；檢測(cè)波長225nm。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)品的制備

萘在空氣中和水中會(huì)發(fā)生不同程度的光氧化和光解作用，因此在配制萘標(biāo)準(zhǔn)溶液時(shí)應(yīng)在盡量暗的條件下進(jìn)行。標(biāo)準(zhǔn)溶液用色譜純乙腈稀釋制得，標(biāo)準(zhǔn)曲線濃度：2.00、4.00、6.00、7.00、8.00、10.00mg/L。

1.4 樣品的采集和保存

由于去離子水背景低、干擾小，本研究先采用去離子水為樣品進(jìn)行基礎(chǔ)研究，后用實(shí)際天然水樣品和飲用水樣品進(jìn)行驗(yàn)證。采集水樣時(shí)，水樣應(yīng)完全注滿，不留空氣。采集水源水水樣時(shí)，應(yīng)將水樣瓶(棕色瓶)放入水面下再進(jìn)行采樣，以防表層水的污染。生活飲用水水樣，應(yīng)在水龍頭消毒之前采集，在每升水樣中加入 0.5mL濃度為 100g/L硫代硫酸鈉溶液并混勻，以除去游離余氯。試樣應(yīng)放置于暗處并盡快在采樣后24h內(nèi)萃取，若不能立即進(jìn)行預(yù)處理，在每升水中加入適量樣品穩(wěn)定劑和基體改性劑。

1.5 準(zhǔn)確度評(píng)價(jià)

以實(shí)際樣品的加標(biāo)回收率來評(píng)價(jià)分析方法和測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。

1.6 改性劑試驗(yàn)

量取 24份去離子水樣品，每份樣品 1000mL。分為A、B、C各兩組，A組選用異丙醇作為基體改性劑，B組選用甲醇作為基體改性劑，C組為空白對(duì)照。每組設(shè)置a、b、c、d 4個(gè)處理量，每個(gè)處理量設(shè)置平行試驗(yàn)，以改性劑加入量為主要考察對(duì)象，詳見表 1。

表1 改性劑試驗(yàn)Tab.1 Modifier test

待基體改性劑與樣品充分混勻后，向每份樣品中加入 100μL濃度為 10.00mg/L的萘標(biāo)準(zhǔn)溶液，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝筮M(jìn)行樣品富集。SPE柱的活化與條件化、上樣、淋洗、洗脫、濃縮等試驗(yàn)條件和步驟按照CJ/T 141—2018[6]的規(guī)定進(jìn)行，各環(huán)節(jié)盡量保持一致。富集完成后，收集各樣品洗脫液，做好標(biāo)記，依次上機(jī)檢測(cè)。樣品加標(biāo)回收率見表2。

表2 改性劑試驗(yàn)樣品加標(biāo)回收率Tab.2 Spiked recovery rate of modifier test samples

由表 2結(jié)果可見，A組回收率普遍低于 B組，C組基本沒有回收；A組和B組內(nèi)，a、b處理回收率相近，且明顯高于c、d處理；各處理平行性良好。

1.7 SPE小柱預(yù)處理試驗(yàn)

本研究所用 Waters HLB 60mg，3mL固相萃取小柱，試驗(yàn)前分別采用不同的活化劑和 pH條件對(duì)其進(jìn)行活化。

1.7.1 活化劑試驗(yàn)

取 4支 SPE小柱，分為 A、B 2組，每組設(shè)置平行試驗(yàn)。A組依次使用 10mL二氯甲烷，10mL甲醇，10mL濃度為 20%異丙醇水溶液過柱，B組使用10mL甲醇，10mL濃度為 20%異丙醇水溶液過柱。樣品的采集與保存、上樣、淋洗、洗脫、濃縮等試驗(yàn)條件和步驟按照CJ/T 141 6.30[6]進(jìn)行，各環(huán)節(jié)盡量保持一致。富集完成后，收集各份樣品洗脫液，做好標(biāo)記，依次上機(jī)檢測(cè)，計(jì)算樣品加標(biāo)回收率。A組樣品回收率為 34.2%、32.5%，B組樣品回收率為 41.0%、44.6%。使用甲醇和 20%異丙醇水溶液進(jìn)行活化、條件化的小柱，樣品回收率更高。

1.7.2 pH試驗(yàn)

取6支SPE小柱，分為A、B、C 3組，每組設(shè)置平行試驗(yàn)，以活化劑的 pH為主要考察對(duì)象進(jìn)行試驗(yàn)?；谏鲜龌罨瘎┰囼?yàn)，SPE小柱使用甲醇和20%異丙醇水溶液進(jìn)行活化、條件化，結(jié)果見表3。

表3 SPE小柱活化的不同pH處理Tab.3 Different pH treatments for SPE column activation

其他步驟按照CJ/T 141—2018[6]的規(guī)定進(jìn)行，各環(huán)節(jié)盡量保持一致。富集完成后，收集各份樣品洗脫液，做好標(biāo)記，依次上機(jī)檢測(cè)，計(jì)算樣品加標(biāo)回收率，結(jié)果見表4。

表4 pH試驗(yàn)樣品加標(biāo)回收率Tab.4 Spiked recovery rate of pH test samples

表4顯示A、B、C 3組檢測(cè)結(jié)果無顯著差異。

1.8 洗脫、濃縮試驗(yàn)

試驗(yàn)分為 A、B、C 3組，分別選用不同有機(jī)溶劑進(jìn)行洗脫和定容，每組設(shè)置 a、b、c 3個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)置平行試驗(yàn)，詳見表5。

其他步驟按照CJ/T 141—2018[6]的規(guī)定進(jìn)行，富集完成后收集洗脫液，做好標(biāo)記并上機(jī)檢測(cè)，計(jì)算樣品加標(biāo)回收率，結(jié)果見表6。

由表6結(jié)果可得以下結(jié)論：

①A、B 2組回收率無顯著差異，且均明顯低于C組。

②在 A、B、C 各組中，c處理的回收率在 a、b、c 3個(gè)處理中均表現(xiàn)為最高。

③a、b處理在3組試驗(yàn)中均未表現(xiàn)出明顯差異。

2 討 論

2.1 有機(jī)改性劑對(duì)回收率的影響

由“1.6改性劑試驗(yàn)”可知，不加入改性劑的試驗(yàn)組，回收率在 7%以下，萘幾乎沒有回收。這是由于萘是稠環(huán)芳烴，具有較強(qiáng)憎水性，向水樣品中加入一定量的有機(jī)溶劑后，使得 C18柱鍵合表面形成了一層有機(jī)薄層，從而改善了其鍵合表面和水介質(zhì)間的憎水作用，當(dāng)樣品通過柱床時(shí)能夠更好地被吸附保留，這一結(jié)論與趙利容等[7]的研究結(jié)果一致；同時(shí)，有機(jī)溶劑的加入增加了萘在水溶液中的溶解度，本次試驗(yàn)的供試標(biāo)準(zhǔn)品介質(zhì)為甲醇，這可能是加入甲醇比加入異丙醇作為改性劑回收率更好的原因。

此外，加入5%和10%改性劑的試驗(yàn)組回收率相近，且高于加入20%和30%改性劑的試驗(yàn)組。這是由于溶劑間存在著競爭吸附作用，改性劑加入量越多，在柱床上的吸附量也越多，與目標(biāo)組分萘在一定程度上形成了的競爭吸附作用。因此，降低有機(jī)溶劑的含量可以有效減小競爭吸附作用，使得目標(biāo)組分更好地的被吸附在柱床上，提高回收率。

2.2 SPE小柱預(yù)處理對(duì)回收率的影響

2.2.1 活化劑

“1.7.1活化劑試驗(yàn)”結(jié)果顯示，使用甲醇和20%異丙醇水溶液進(jìn)行活化、條件化的小柱，樣品回收率更高，經(jīng)過二氯甲烷活化的小柱，樣品回收率降低。C18柱本身存在一定背景，二氯甲烷的引入進(jìn)一步增大了背景干擾，導(dǎo)致背景空白升高，使得目標(biāo)化合物相對(duì)響應(yīng)降低，影響檢測(cè)準(zhǔn)確性。

2.2.2 pH

由“1.7.2 pH試驗(yàn)”結(jié)果可知，對(duì)SPE小柱采用不同 pH處理，對(duì)樣品回收率無顯著影響，不再對(duì)其進(jìn)行討論。

2.3 洗脫、濃縮對(duì)回收率的影響

由上述洗脫、濃縮試驗(yàn)結(jié)果分析可知，使用 1∶1二氯甲烷-甲醇溶液進(jìn)行洗脫，能夠得到較好的回收率。對(duì)于反相色譜而言，極性溶劑甲醇是弱洗脫劑，不能將 k值較大的萘淋洗下來。二氯甲烷極性較小，理論上應(yīng)能夠達(dá)到良好的洗脫效果，但這種理論效果需建立在 C18柱完全干燥的條件下。而實(shí)際操作過程中，C18柱的干燥程度難以判斷和控制，干燥時(shí)間過長會(huì)導(dǎo)致 SPE柱床產(chǎn)生裂隙，影響洗脫效果[7]；干燥時(shí)間不夠，水分殘留在柱床上，具有強(qiáng)憎水性的二氯甲烷不能有效發(fā)揮作用。采用充分混合的 1∶1二氯甲烷-甲醇溶液作為洗脫劑，有效解決了上述問題，提高了回收率。此外，前文已經(jīng)提到，萘揮發(fā)性強(qiáng)，所以經(jīng)過氮吹處理的樣品回收率普遍偏低。關(guān)于洗脫劑的用量對(duì)回收率產(chǎn)生的影響，許多學(xué)者研究表明[8-9]，適當(dāng)增大洗脫劑體積對(duì)提高回收率有所幫助，但當(dāng)洗脫體積超過 2mL/次后，對(duì)回收率的影響就不明顯了。本試驗(yàn)中，采用 5mL+5mL與 2mL+2mL進(jìn)行洗脫，回收率無明顯差異，這一結(jié)果與上述研究結(jié)論相吻合。

3 驗(yàn)證試驗(yàn)

3.1 預(yù)處理?xiàng)l件

基于以上各組試驗(yàn)結(jié)論，擬定以下預(yù)處理參數(shù)和步驟：采用5%甲醇作為樣品改性劑(試驗(yàn)表明5%與10%效果相當(dāng)，從成本和環(huán)保角度考慮，最終選擇5%)，加入樣品，充分混勻；同時(shí)，SPE柱使用甲醇和5%甲醇水溶液(與樣品保持一致)進(jìn)行活化、條件化(注意此時(shí)柱床不可抽干)；以4～5mL/min的流速使樣品完全通過 SPE柱后，加入 5%甲醇水溶液 5mL去除水溶性干擾物，抽氣干燥柱床 10～15min，用充分混合的 1∶1二氯甲烷-甲醇溶液作為洗脫劑，600μL+600μL分 2次進(jìn)行洗脫，收集洗脫液于10mL帶刻度尖底試管中，用1∶1二氯甲烷-甲醇溶液定容至1mL刻度線，混勻待測(cè)。

3.2 樣品制備

分別取9份地表水樣品和9份管網(wǎng)水樣品，每份樣品 1000mL。每份管網(wǎng)水樣品加入 0.5mL硫代硫酸鈉溶液(100g/L)脫氯，加入改性劑，其中 7份樣品加入濃度為 10.00mg/L的標(biāo)準(zhǔn)溶液 100μL；地表水樣品加入改性劑，其中 7份加入濃度為 10.00mg/L的標(biāo)準(zhǔn)溶液100μL，所有樣品逐份經(jīng)0.22μm纖維膜過濾。

制備好的樣品按照“3.1預(yù)處理?xiàng)l件”設(shè)定的參數(shù)和步驟進(jìn)行固相萃取。

3.3 檢測(cè)結(jié)果

表7 實(shí)際樣品加標(biāo)回收率Tab.7 Spiked recovery rate of actual samples

經(jīng)計(jì)算，全部樣品回收率均在 70%以上，且精密度良好。

4 結(jié) 論

本研究通過樣品改性劑、SPE小柱預(yù)處理、洗脫濃縮3方面試驗(yàn)，驗(yàn)證了優(yōu)化樣品預(yù)處理?xiàng)l件能夠有效提高萘的回收率。試驗(yàn)結(jié)果表明，樣品改性劑選用5%～10%甲醇，SPE柱的活化無需二氯甲烷的引入，洗脫劑由原來的純二氯甲烷優(yōu)化為 1∶1二氯甲烷-甲醇溶液，濃縮不經(jīng)氮吹處理，這些都使萘的回收率得到有效提高且重現(xiàn)性良好，提高了樣品檢測(cè)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。另一方面，優(yōu)化后的方法縮短了檢測(cè)時(shí)間，減少了氮?dú)夂陀袡C(jī)溶劑的使用，在節(jié)約成本的同時(shí)，降低了有機(jī)試劑對(duì)操作人員健康的傷害，減少了污染物的形成與排放。