弱堿性萃取/氣相色譜質(zhì)譜法測定土壤中的苯胺

郭春煥，張向杰，劉麗穎

(華北有色(三河)燕郊中心實(shí)驗(yàn)室有限公司，河北 廊坊 065200)

近幾年來，國家對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和修復(fù)尤為重視，環(huán)境問題也成為了人們口中的熱門話題。其中，土壤污染就是目前人類面臨的一個極為重要的環(huán)境問題之一。土壤污染主要包括有機(jī)污染物、無機(jī)污染物和微生物污染物，這些污染物對人類生存的環(huán)境產(chǎn)生了巨大的脅迫。苯胺就是土壤中常見的有機(jī)污染物。苯胺，化學(xué)式C6H7N，又稱阿尼林、阿尼林油、氨基苯，是無色油狀液體，易溶于乙醇、乙醚等有機(jī)溶劑，具有可燃性，其蒸氣與空氣混合，能形成爆炸性混合物。苯胺為第6.1類毒害品，毒性分級為高毒，接觸過多會引起高鐵血紅蛋白白血癥，以及對肝、腎、皮膚的損害，并且它還被認(rèn)為對人體有很強(qiáng)的致癌性[1]。苯胺是最重要的胺類化合物之一，常用作染料中間體、農(nóng)藥、橡膠助劑及其他有機(jī)合成的原料。環(huán)境中的苯胺主要來源于橡膠、印染、制藥、塑料、陶器上釉等的生產(chǎn)過程[2]。環(huán)境中苯胺的殘余量早已引起了全球各國的關(guān)注，并被美國、日本等國家列入為主要監(jiān)測項(xiàng)目或優(yōu)先監(jiān)測的污染物[3]。

目前，環(huán)境中苯胺的監(jiān)測方法主要有光度法和色譜法[4]。其中，國家標(biāo)準(zhǔn)推薦測定苯胺的方法是萘乙二胺偶氮分光光度法，但標(biāo)準(zhǔn)法測定過程中存在許多不足[5]。劉洪濤等[6]對該標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化；楊曉梅等[7]對該標(biāo)準(zhǔn)方法中出現(xiàn)的亞硝酸鹽、重氮化合物、2-萘胺-1-磺酸對苯胺測定的干擾進(jìn)行了研究；李玉萍等[8]解決了共存離子干擾的問題；方淑琴等[9]通過改用硫酸(1+10)調(diào)節(jié)pH值的方法，使該方法適用于大批樣品的分析；陳海祥等[10]對苯胺標(biāo)準(zhǔn)液配制的方法，提高了標(biāo)準(zhǔn)配制精度，減少了試劑的消耗量。上述方法常被用于水質(zhì)監(jiān)測苯胺的項(xiàng)目，然而，土壤中苯胺的測定方法并沒有一個明確的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)。雖然國家環(huán)保局所編的《水和土壤監(jiān)測分析方法》一書中是采用“萘乙二胺偶氮光度法”也適用于土壤，也具有簡便、精密度和準(zhǔn)確度好的優(yōu)點(diǎn)，但是該方法卻只能分析總的苯胺類化合物，而不能單獨(dú)分析苯胺的含量[11]。2019年，國家環(huán)保局關(guān)于“請教土壤中苯胺的檢測方法”回復(fù)中說道：實(shí)驗(yàn)室可按《合格評定化學(xué)分析方法確認(rèn)和驗(yàn)證指南》(GB/T 27417-2017)、《環(huán)境監(jiān)測分析方法標(biāo)準(zhǔn)制修訂技術(shù)導(dǎo)則》(HJ 168-2010)和《土壤和沉積物半揮發(fā)性有機(jī)物的測定氣相色譜-質(zhì)譜法》(HJ 834-2017)相關(guān)要求做好方法驗(yàn)證、確保方法檢出限、測定下限、選擇性、線性范圍、測量范圍、基體效應(yīng)影響、準(zhǔn)確度、精密度和測量不確定度等滿足GB 36600-2018苯胺風(fēng)險篩選值和管制值要求的基礎(chǔ)上，可以使用HJ 834-2017開展土壤中苯胺的監(jiān)測工作。雖然按照HJ 834-2017標(biāo)準(zhǔn)檢測土壤中的苯胺是可行的，但是苯胺的加標(biāo)回收率僅有60%～70%。為了提高苯胺檢測的回收率，減少苯胺在前處理過程的損失，我們對HJ 834-2017中的前處理過程進(jìn)行了不斷的優(yōu)化，最終找到了一個適合苯胺檢測的最優(yōu)前處理方案。通過前處理優(yōu)化，土壤中苯胺的回收率均能達(dá)到85%以上。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器

1)氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(GCMS)：具備電子轟擊(EI)電離源，美國Agilent氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀，型號：8890-5977B。2)提取裝置：加速流體萃取儀，美國賽默飛世爾科公司，型號：ASE350。3)濃縮裝置：氮吹儀，上海安譜實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司，型號：EFAA-DC24。

1.2 試劑

1)苯胺標(biāo)準(zhǔn)貯備液：ρ=1000 mg/L，市售有證標(biāo)準(zhǔn)溶液，購于上海安譜實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司。2)內(nèi)標(biāo)1貯備液：ρ=2000 mg/L。內(nèi)標(biāo)物為苯胺-d5，市售有證標(biāo)準(zhǔn)溶液，購于上海安譜實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司。3)替代物貯備液：ρ=1000 mg/L。替代物為硝基苯- d5，市售有證標(biāo)準(zhǔn)溶液，購于上海安譜實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司。4)內(nèi)標(biāo)2貯備液：ρ=1000 mg/L。內(nèi)標(biāo)物為1,4-二氯苯-d4，可購買市售有證標(biāo)準(zhǔn)溶液，購于上海安譜實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司。5)丙酮、正己烷和二氯甲烷，農(nóng)殘級。6)五水合硫代硫酸鈉(Na2S2O3·5H2O)，優(yōu)級純。7)氨水(NH3·H2O)，分析純。8)粒狀硅藻土(60～20目)，置于馬弗爐中 400 ℃ 烘烤 4 h，冷卻后裝入磨口玻璃瓶中密封，于干燥器中保存。9)無水硫酸鈉，優(yōu)級純。置于馬弗爐中 400 ℃ 烘 4 h，冷卻后裝入磨口玻璃瓶中密封，于干燥器中保存。10)市售硅酸鎂凈化小柱，購于上海安譜實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司。11)正己烷-丙酮混合溶劑：1+1。用正己烷和丙酮按1∶1體積比混合。12)二氯甲烷-丙酮混合溶劑：1+1。用二氯甲烷和丙酮按1∶1體積比混合。13)二氯甲烷-丙酮混合溶劑：2+1。用二氯甲烷和丙酮按2∶1體積比混合。

1.3 樣品的制備

1.3.1 樣品準(zhǔn)備

將所采土壤樣品放于搪瓷或玻璃托盤中，除去枝棒、葉片、石子等異物，充分混勻。稱取 10 g，加入適量粒狀硅藻土，攪拌均勻。

1.3.2 加壓流體提取

將上述混勻的樣品通過專用漏斗小心轉(zhuǎn)移至萃取池，移去漏斗，加入 2.0 μg 內(nèi)標(biāo)1、2.0 μg 替代物和 1.0 mL 氨水，擰緊頂蓋。將其豎直平穩(wěn)放入加壓流體萃取裝置樣品盤中。參考以下萃取條件：加熱溫度，60 ℃；萃取池壓力，1.034 kPa(1500 psi)；預(yù)加熱平衡，5 min；萃取劑，正己烷-丙酮(1+1)混合溶劑；靜態(tài)萃取時間，10 min；溶劑淋洗體積，60%池體積；氮?dú)獯祾邥r間，60 s；靜態(tài)萃取次數(shù)，2次。條件設(shè)置后，啟動程序，儀器自動完成萃取。萃取結(jié)束后，依次取下接收瓶，對萃取液進(jìn)行脫水，待下一步的濃縮。

1.3.3 首次濃縮

將干燥后的提取液,轉(zhuǎn)移至氮吹管中;保持氮?dú)獾倪m當(dāng)壓力，濃縮至約 1 mL，待凈化。

1.3.4 凈化

先將硅酸鎂凈化小柱固定好，用二氯甲烷-丙酮(2+1)混合溶劑沖洗兩遍,再將濃縮后的提取液轉(zhuǎn)移至小柱中。用 1 mL 正己烷分兩次洗滌濃縮器皿，洗液全部轉(zhuǎn)入小柱中。緩慢打開控制閥，在填料暴露于空氣之前關(guān)閉控制閥，加入 10 mL 二氯甲烷-丙酮(2+1)混合溶劑，浸潤 1 min。緩慢打開控制閥，保持約 2 mL/min 流速，收集全部洗脫液。

1.3.5 二次濃縮

將凈化后的凈化液轉(zhuǎn)移至氮吹管中，保持氮?dú)獾倪m當(dāng)壓力，濃縮至不少于 0.9 mL，再用正己烷-丙酮(1+1)混合溶劑定容至 1.0 mL，轉(zhuǎn)入 2 mL 棕色樣品瓶，待測定。

1.4 儀器檢測條件

氣相色譜條件：進(jìn)樣口溫度，190 ℃，不分流；進(jìn)樣量，1.0 μL；柱流量，1.0 mL/min；質(zhì)譜條件，電子轟擊源(EI)；離子源溫度，230 ℃；四級桿溫度，150 ℃；質(zhì)量掃描范圍，35 ～450 amu；數(shù)據(jù)采集方式，全掃描(Scan)模式。

1.5 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

準(zhǔn)確配制苯胺、替代物的溶液，質(zhì)量濃度分別為0.5、1.0、2.0、4.0、8.0、10.0 μg/mL。內(nèi)標(biāo)質(zhì)量濃度為 2.0 μg/mL 的曲線系列點(diǎn)，以苯胺與內(nèi)標(biāo)化合物濃度的比值為橫坐標(biāo)，以苯胺與內(nèi)標(biāo)化合物定量離子響應(yīng)值的比值為縱坐標(biāo)，繪制校準(zhǔn)曲線。曲線擬合見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)曲線線性(Response=a*Amt+b)

2 結(jié)果與討論

2.1 前處理?xiàng)l件的優(yōu)化

首先，把干凈的土壤置于馬弗爐中，400 ℃ 下，烘 4 h；冷卻后裝入棕色磨口玻璃瓶中密封保存，作為試驗(yàn)的基體。根據(jù)HJ 834-2017和HJ 738-2016標(biāo)準(zhǔn)，先按照實(shí)驗(yàn)室常規(guī)前處理?xiàng)l件，對基體加標(biāo)樣品進(jìn)行萃取、濃縮、凈化，苯胺的回收率在61%～73%(詳見表2中的序號1)。在前處理?xiàng)l件優(yōu)化中，首先對土壤的酸堿性進(jìn)行篩選。苯胺呈弱堿性，在弱堿性的土壤中比較穩(wěn)定，而在弱酸性的條件下很容易發(fā)生反應(yīng)，使苯胺進(jìn)行轉(zhuǎn)化?；谶@個思路，進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，苯胺在堿性條件性回收率提高了20%以上(見表2中的序號3)，而在弱酸性的條件下卻下降了許多(見表2中的序號2)。接著，對常規(guī)的萃取劑進(jìn)行了篩選，結(jié)果表明，萃取劑為二氯甲烷-丙酮的混合液時苯胺的回收率最高，正己烷-丙酮的稍遜之(見表2中的序號3、4、5、6)。但考慮到二氯甲烷極易揮發(fā)，且毒性比正己烷較大，故選擇正己烷-丙酮混合液為提取劑。隨后，對加速流體萃取儀的萃取溫度進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果表明，對苯胺而言，并不是萃取溫度越高越好(見表2中的序號3、7、8、9、10)?？紤]到節(jié)能、儀器成本，最佳萃取溫度定為 60 ℃。最后，對萃取次數(shù)進(jìn)行了篩選，結(jié)果表明，萃取3次和萃取2次，苯胺的回收率相差很小(見表2中的序號10、11、12)。通過以上優(yōu)化，土壤中苯胺檢測的前處理?xiàng)l件定為：在弱堿性的條件下，以正己烷-丙酮的混合溶液為萃取劑，萃取溫度 60 ℃，萃取2次。

表2 土壤中苯胺檢測的前處理?xiàng)l件優(yōu)化對比表

2.2 檢出限、精密度和準(zhǔn)確度

2.2.1 檢出限

稱取 10 g 高溫處理過的空白土壤，加入硅藻土,將土壤攪拌成流沙狀。加入 1.5 μg 苯胺標(biāo)準(zhǔn)物、2.0 μg 苯胺-d5標(biāo)準(zhǔn)物和 2.0 μg 硝基苯-d5標(biāo)準(zhǔn)物。用加速流體萃取儀進(jìn)行萃取。干燥萃取液后，用氮吹儀將萃取液濃縮至 1 mL 以下。加入 2.0 μg 1,4-二氯苯-d4標(biāo)準(zhǔn)物，用正己烷-丙酮(1+1)混合溶劑定容至 1 mL，苯胺理論質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.15 mg/kg。設(shè)7個樣品，上機(jī)分析，按下列公式計算方法檢出限(為 0.01 mg/kg，見表3)。

表3 測試7次的檢出限

MDL=t×Sb

式中：MDL為方法檢出限；t為平行測定7個樣品時，t=3.143；Sb為7次平行測定的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

2.2.2 精密度和準(zhǔn)確度

以高溫處理過的干凈土壤代替樣品，分別對質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.20 mg/kg、1.00 mg/kg 和 2.00 mg/kg 的三組加標(biāo)樣品進(jìn)行測定，每組測定6個樣品，苯胺的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD在1.73% ～ 4.1%，苯胺的加標(biāo)回收率為95.0% ～ 98.0%，詳見表4。

表4 實(shí)驗(yàn)精密度和準(zhǔn)確度

2.3 實(shí)際樣品測定

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室對來樣樣品的檢測流程和質(zhì)量控制要求，用本次實(shí)驗(yàn)所得的前處理優(yōu)化條件對實(shí)際樣品進(jìn)行了處理，檢測結(jié)果為：空白實(shí)驗(yàn)和樣品均未檢出苯胺，樣品加標(biāo)中苯胺的回收率為91.5%，替代物回收率為87.3%。

3 總結(jié)

對土壤中苯胺污染物的檢測來說，樣品的采集、前處理以及儀器的分析，都客觀直接的影響著檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。在這個工作中，我們僅對土壤中苯胺污染物的前處理監(jiān)測過程進(jìn)行了合理嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奶骄?。探究表? 針對土壤中苯胺污染物的前處理監(jiān)測過程，實(shí)驗(yàn)室選擇在弱堿性的條件下，以正己烷-丙酮混合溶液為萃取劑，萃取溫度 60 ℃，萃取2次等實(shí)驗(yàn)條件為宜。在這個條件下進(jìn)行的樣品處理，回收率均能達(dá)到85%以上，保證了監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、客觀性，為后續(xù)部門的工作提供了有力保障。