硫酸二甲酯衍生化-頂空氣相色譜法測(cè)定環(huán)境水樣中3 種氯酚

王孝生 盧嘉 孫軍勇

（1. 馬鞍山市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，安徽馬鞍山 243001；2. 安徽師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，安徽蕪湖 241000）

1 引言

氯酚類化合物廣泛用于造紙、印刷、印染、皮革、涂料、制藥中間體等行業(yè)產(chǎn)品的原料及防腐消毒［1］，成為環(huán)境中典型的有機(jī)鹵代污染物，具有致畸、致癌、致突變的“三致”作用和環(huán)境持久性［2］。歐洲環(huán)境署將氯酚列為優(yōu)先控制污染物，美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)總署對(duì)美國(guó)地表水中的氯酚類進(jìn)行了限值規(guī)定［3］。此外，2，4-二氯酚、2，4，6-三氯酚和五氯酚已被我國(guó)列入水中優(yōu)先控制污染物名單。《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）中也將2，4-二氯酚、2，4，6-三氯酚和五氯酚列為生活飲用水地表水源地特定項(xiàng)目，標(biāo)準(zhǔn)限值分別為0.093，0.2，0.009 mg/L。

目前，水中氯酚類化合物的測(cè)定方法主要有分光光度法［4］、氣相色譜法［5］、高效液相色譜法［6］。前處理方法主要包括液液萃?。?］、固相萃?。?］、微萃?。?-10］、頂空［11］等。液液萃取和固相萃取均涉及有機(jī)溶劑，有機(jī)溶劑的使用增加了污染環(huán)境和危害分析人員健康的風(fēng)險(xiǎn)。微萃取技術(shù)成本高昂，操作復(fù)雜且重復(fù)性無(wú)法保證。由于氯酚類含有羥基，在氫鍵的作用下沸點(diǎn)高，揮發(fā)性低，而且能與水形成共沸物，直接頂空氣相色譜法會(huì)使大量水汽進(jìn)入色譜柱，影響色譜柱壽命，方法靈敏度也相對(duì)較低。有報(bào)道采用乙酸酐為衍生化試劑將氯酚類轉(zhuǎn)化為酯類化合物［12］，再通過吹掃捕集-氣相色譜-質(zhì)譜法測(cè)定水中氯酚類，但乙酸酐會(huì)跟水反應(yīng)產(chǎn)生乙酸，加入的堿也與乙酸酐反應(yīng)，需嚴(yán)格控制操作條件，同時(shí)，該方法不適用于五氯酚的檢測(cè)。因此，建立一種簡(jiǎn)單、通用且具有溫和分析條件的環(huán)境水樣中氯酚的氣相色譜分析法在當(dāng)前環(huán)境監(jiān)測(cè)中是十分必要的。

本文采用硫酸二甲酯為衍生化劑，在堿性條件下，將2，4-二氯酚、2，4，6-三氯酚和五氯酚轉(zhuǎn)化為更易揮發(fā)的醚類化合物，經(jīng)頂空前處理后用帶有電子捕獲檢測(cè)器的氣相色譜儀測(cè)定，建立了3 種方便快速、操作性強(qiáng)、靈敏度高和分析條件更溫和的環(huán)境水質(zhì)氯酚檢測(cè)方法。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 儀器與試劑

7890B 氣相色譜儀（美國(guó)安捷倫），配備電子捕獲檢測(cè)器；7697A 頂空自動(dòng)進(jìn)樣系統(tǒng)（美國(guó)安捷倫）；氫氧化鈉（98%～100.5%，阿拉?。?；硫酸二甲酯（99%，羅恩試劑）；2，4-二氯酚標(biāo)準(zhǔn)品（1.04 mg/mL中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院）；2，4，6-三氯酚標(biāo)準(zhǔn)品（1.03 mg/mL，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院）；五氯酚（0.973 mg/mL，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院）；甲醇（色譜純，中國(guó)國(guó)藥集團(tuán)）；22 mL 頂空瓶，使用前在120 ℃下烘烤2 h。

2.2 色譜條件

色譜柱：HP-5 毛細(xì)管柱（30 m×0.320 mm×0.5 μm）。初始溫度60 ℃，保持2 min，以10 ℃/min的速率升至220 ℃，再以20 ℃/min 的速率升至280 ℃，保持1 min，進(jìn)樣量為1 mL。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

低濃度標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制：將3 種氯酚類標(biāo)準(zhǔn)品用甲醇配制成混合標(biāo)準(zhǔn)溶液Ⅰ（2，4-二氯酚、2，4，6-三氯酚和五氯酚濃度分別為10.4，0.258，0.486 μg/mL），分別于裝有10 mL 純水的頂空瓶中，加入2，10，20，50，100 μL 的3 種氯酚類混合標(biāo)準(zhǔn)溶液Ⅰ；高濃度標(biāo)準(zhǔn)溶液配制：將3 種氯酚類標(biāo)準(zhǔn)品用甲醇配制成混合標(biāo)準(zhǔn)溶液Ⅱ（2，4-二氯酚、2，4，6-三氯酚和五氯酚濃度分別為104，2.58，4.86 μg/mL），分別于裝有10 mL純水的頂空瓶中，加入2，10，20，50，100 μL 的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液Ⅱ。在上述的溶液中加入0.5 mL 氫氧化鈉溶液（1.5 mol/mL）和100 μL 硫酸二甲酯，迅速加蓋密封并振搖使之混合均勻，在80 ℃下振蕩平衡30 min后頂空進(jìn)樣分析。

另取若干份10 mL 純水分別移入頂空瓶中，再分別加入100 μL 的3 種氯酚類混合標(biāo)準(zhǔn)溶液Ⅱ，用于調(diào)節(jié)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。

2.4 衍生化方法

準(zhǔn)確吸取10 mL 水樣移入頂空瓶中，加入0.5 mL氫氧化鈉溶液（1.5 mol/mL）和100 μL 硫酸二甲酯，迅速加蓋密封并振搖使之混合均勻，在80 ℃下振蕩平衡反應(yīng)30 min，反應(yīng)原理見圖1，然后頂空進(jìn)樣分析。

圖1 氯酚的衍生化反應(yīng)原理

3 結(jié)果與討論

氯酚類的羥基與水分子中的氫相互作用產(chǎn)生氫鍵，因此，氯酚類在水中難以通過頂空進(jìn)行測(cè)定。有實(shí)驗(yàn)通過加入磷酸減弱酚類與水之間的氫鍵作用［11］，通過頂空測(cè)定，但靈敏度有限。有文獻(xiàn)顯示，酚類與硫酸二甲酯在氫氧化鈉水溶液中能生成醚類［13］，羥基轉(zhuǎn)化為甲氧基，可以消除酚類羥基之間的氫鍵作用力，同時(shí)甲氧基分子量小，有助于降低產(chǎn)物的沸點(diǎn)，具體見表1。有機(jī)物在水中的揮發(fā)性不僅與有機(jī)物的沸點(diǎn)有關(guān)，還與其和水之間相互作用力的大小有關(guān)，作用力越大揮發(fā)性越弱，反之，揮發(fā)性越強(qiáng)，酚類的羥基與水之間的氫鍵作用力很強(qiáng)，能夠與水形成共沸效應(yīng)，醚類就沒有這方面的影響。因此，通過3 種氯酚與硫酸二甲酯的衍生化，大大提高了目標(biāo)產(chǎn)物的揮發(fā)性，再通過頂空氣相色譜法測(cè)定衍生物的含量，減少水汽進(jìn)入色譜柱，提高方法的靈敏度，同時(shí)較大程度上提高了色譜柱的使用壽命。

表1 氯酚類及其對(duì)應(yīng)的甲基氯苯醚的沸點(diǎn)比較 ℃

3.1 3 種氯酚衍生物定性確認(rèn)

在上述衍生化條件下，2，4-二氯酚、2，4，6-三氯酚和五氯酚3 種氯酚（水樣濃度分別為1.04，1.03，0.973 μg/mL）與硫酸二甲酯反應(yīng)，其衍生物采用氣相色譜-質(zhì)譜法進(jìn)行定性確認(rèn)，圖2 為其總離子流圖。

圖2 3 種氯酚衍生物氣相色譜-質(zhì)譜總離子流圖

圖3 為其質(zhì)譜圖。由圖3 可知，3 種氯酚的衍生化產(chǎn)物分別為2，4-二氯苯甲醚、2，4，6-三氯苯甲醚和五氯苯甲醚，主要定性離子質(zhì)荷比（m/z）分別約為176，195，265，輔助定性離子質(zhì)荷比分別約為161，210，280。

圖3 3 種氯酚衍生物質(zhì)譜圖

3.2 色譜分析

將10mL 純水分別移入頂空瓶中，分別加入100μL的3 種氯酚混合標(biāo)準(zhǔn)溶液Ⅱ，加入0.5 mL 氫氧化鈉溶液（1.5 mol/mL）和100 μL 硫酸二甲酯，迅速加蓋密封并振搖使之混合均勻，在80 ℃下振蕩平衡40 min后頂空進(jìn)樣，按2.2 的色譜條件分析，色譜圖見圖4。

圖4 3 種氯酚衍生物色譜圖

3.3 衍生化反應(yīng)的優(yōu)化

3.3.1 衍生化劑加入量的影響

在含有3 種氯酚混合標(biāo)準(zhǔn)溶液的頂空瓶中，加入0.5 mL 1.0 mol/L 氫氧化鈉溶液，衍生化劑硫酸二甲酯加入的體積由50 μL 增至200 μL，衍生化劑加入量對(duì)峰面積的影響見圖5。由圖5 可以看出，3 種氯酚衍生物峰面積在硫酸二甲酯加入50～100 μL 范圍內(nèi)不斷增加，隨后變化不大。硫酸二甲酯加入100 μL 左右時(shí)，響應(yīng)值基本維持穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，硫酸二甲酯加入100 μL 時(shí)，3 種氯酚的衍生化效果已經(jīng)達(dá)到最佳。

圖5 硫酸二甲酯用量對(duì)衍生化效率的影響

3.3.2 堿加入量的影響

在堿性水溶液中，3 種氯酚與硫酸二甲酯生成穩(wěn)定和揮發(fā)性較好的醚類化合物。在含有3 種氯酚混合標(biāo)準(zhǔn)溶液的頂空瓶中，各加入0.5 mL 氫氧化鈉溶液，濃度由1.0 mol/L 增加至3.0 mol/L。氫氧化鈉的濃度對(duì)衍生物的峰面積的影響情況見圖6。由圖6可知，氫氧化鈉的濃度升至1.5 mol/L 時(shí)，衍生物的峰面積幾乎都達(dá)到了頂峰。氫氧化鈉的濃度增加到2.0 mol/L 時(shí)，3 種氯酚類衍生物的峰面積有所變化，但變化不大。當(dāng)氫氧化鈉的濃度增加到3.0 mol/L時(shí)，3 種氯酚衍生物的峰面積會(huì)急劇變小，若加大硫酸二甲酯的用量至200 μL，3 種氯酚衍生物的峰面積又會(huì)升高，可能的原因是高濃度的氫氧化鈉抑制硫酸二甲酯的衍生化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，硫酸二甲酯加入100 μL，氫氧化鈉加入1.5 mol/L 時(shí)，效果最佳。

圖6 氫氧化鈉用量對(duì)衍生化效率的影響

3.3.3 反應(yīng)溫度的影響

溫度是確保3 種氯酚化合物衍生化成醚類化合物和在氣液兩相中快速達(dá)到平衡的關(guān)鍵因素。實(shí)驗(yàn)比較了不同平衡溫度條件對(duì)3 種氯酚衍生物測(cè)定響應(yīng)值的影響，結(jié)果見圖7。從圖7 可以看出，在一定范圍內(nèi)，隨著平衡溫度的升高，3 種氯酚衍生物的積分面積逐漸增大。但到80 ℃以后，隨著平衡溫度的升高，峰面積增大不明顯且有下降趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，溫度越高衍生化產(chǎn)物越容易蒸發(fā)出來(lái)。當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的氣密性有影響。綜合比較后，確定平衡溫度為80 ℃。

圖7 反應(yīng)溫度對(duì)衍生化效率的影響

3.3.4 反應(yīng)時(shí)間的影響

頂空平衡時(shí)間的長(zhǎng)短決定了衍生化進(jìn)行的程度，也決定了樣品的分析速度，實(shí)驗(yàn)考察了不同平衡時(shí)間對(duì)3 種氯酚類衍生物測(cè)定響應(yīng)值的影響，結(jié)果見圖8。從圖8 可以看出，3 種氯酚類衍生物的積分面積在30 min 左右可達(dá)到平衡。

圖8 反應(yīng)時(shí)間對(duì)衍生化效率的影響

3.4 所建立方法的分析性能

3.4.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線和檢出限

按照2.3 節(jié)的方法配制各系列低濃度和高濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液，在優(yōu)化的頂空條件下進(jìn)行分析。保留時(shí)間定性，以峰面積對(duì)質(zhì)量濃度繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。配制10 mL 低濃度的3 種氯酚類混合水溶液，平行測(cè)定7 次，以MDL＝S×t（n-1，0.99）計(jì)算方法檢出限，其中，S為7 次測(cè)定結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差，在99%的置信區(qū)間內(nèi)t（n-1，0.99）＝3.143，結(jié)果見表2。

表2 標(biāo)準(zhǔn)曲線與檢出限

3.4.2 精密度和加標(biāo)回收率試驗(yàn)

在超純水加入一定量的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液Ⅰ和Ⅱ，配制不同質(zhì)量濃度的加標(biāo)樣品，在優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)不同質(zhì)量濃度的加標(biāo)樣品分別分析6 次，考察其精密度和回收率情況，結(jié)果見表3。從表3 可知，2，4-二氯酚的加標(biāo)回收率為96.0%～105.0%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）為2.5%～4.7%；2，4，6-三氯酚的加標(biāo)回收率為84.1%～101.0%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.5%～4.7%；五氯酚的加標(biāo)回收率為86.8%～107.0%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.0%～4.9%。

表3 精密度和加標(biāo)回收率試驗(yàn)結(jié)果

3.5 實(shí)際樣品的測(cè)定

按照優(yōu)化的前處理方法，對(duì)馬鞍山市慈湖水廠的飲用水、得勝河的地表水水樣和某化工企業(yè)廢水進(jìn)行測(cè)定及加標(biāo)回收進(jìn)行分析，結(jié)果見表4。從表4可以看出，實(shí)際水樣中3 種氯酚類的加標(biāo)回收率為97.1%～120.0%，表明方法可靠，能夠滿足實(shí)際水樣的測(cè)定要求。

表4 實(shí)際樣品測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

建立了衍生化-頂空氣相色譜法測(cè)定水中2，4-二氯酚、2，4，6-三氯酚和五氯酚3 種氯酚類的方法，衍生化生成的氯苯醚類物質(zhì)沸點(diǎn)大幅降低且避免了與水之間的共沸效益，同時(shí)大幅降低柱溫和減少水汽進(jìn)入色譜柱，較大程度上提高了色譜柱的使用壽命。重點(diǎn)考察了水樣中衍生化劑加入量、堿加入量、頂空平衡溫度和頂空平衡時(shí)間對(duì)結(jié)果的影響，并驗(yàn)證了方法的可靠性與準(zhǔn)確性。與已報(bào)道的方法相比，該方法靈敏度高，檢出限更低，能夠滿足不同性質(zhì)水質(zhì)樣品的測(cè)定需求。