全蒸發(fā)頂空氣相色譜法測(cè)定水中三氯甲烷和四氯化碳

王海萍

（安慶市疾病預(yù)防控制中心，安徽 安慶 246002）

三氯甲烷和四氯化碳具有致癌、致畸、致突變作用，長(zhǎng)期接觸將對(duì)人體健康產(chǎn)生嚴(yán)重危害[1-5]。因?yàn)樯铒嬘盟屑勇认究僧a(chǎn)生新的有機(jī)鹵代物，主要成分就包含三氯甲烷和四氯化碳[6]，所以飲用水污染對(duì)人體的危害越來(lái)越受到關(guān)注[7]。為此，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 5749—2006）[8]規(guī)定生活飲用水中三氯甲烷限值為0.06 mg/L，四氯化碳限值為0.002 mg/L。三氯甲烷和四氯化碳現(xiàn)行的檢測(cè)是依據(jù)國(guó)標(biāo)《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法有機(jī)物指標(biāo)》（GB/T 5750.8—2006）中推薦的兩種方法[9]，分別為填充柱氣相色譜法和毛細(xì)管柱氣相色譜法，這兩種方法均使用手動(dòng)靜態(tài)頂空氣相色譜法，試樣恒溫時(shí)間長(zhǎng)，操作復(fù)雜，不利于快速檢測(cè)。全蒸發(fā)技術(shù)由美國(guó)ACS實(shí)驗(yàn)室的Markelov和克利夫蘭英國(guó)石油研究與環(huán)境中心的Guzowski 于1993 年提出[10]，其核心內(nèi)容是將微量液體試樣（小于100 μL，絕大部分為溶劑）定量轉(zhuǎn)移到頂空瓶中，然后將其在高溫下短時(shí)間完全蒸發(fā)，揮發(fā)性和半揮發(fā)性的溶質(zhì)快速達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，樣品基質(zhì)則附著在瓶底，不會(huì)對(duì)溶質(zhì)檢測(cè)產(chǎn)生干擾。因此，本文引入全蒸發(fā)頂空氣相色譜法實(shí)現(xiàn)對(duì)三氯甲烷和四氯化碳的快速檢測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器、試劑與材料

檢測(cè)用7890A氣相色譜儀配有電子捕獲檢測(cè)器（ECD）、DB-5色譜柱（30 m×0.32 mm×0.25 μm石英毛細(xì)管柱）、7694E自動(dòng)頂空進(jìn)樣器（美國(guó)安捷倫科技有限公司）、頂空進(jìn)樣器定量環(huán)（1 mL）、頂空瓶（20 mL）。甲醇、三氯甲烷、四氯化碳均為色譜純，水為國(guó)標(biāo)《分析實(shí)驗(yàn)室用水規(guī)格和試驗(yàn)方法》（GB/T 6682）規(guī)定的一級(jí)水。

程序升溫：40°C保持2 min，以120°C/min 升至70°C，保持2.75 min；氮?dú)廨d氣，恒流，2 mL/min；進(jìn)樣口溫度，200°C；分流比，10∶1；檢測(cè)器ECD溫度，300°C；尾吹流量，60 mL/min。

頂空條件：平衡溫度130°C，平衡時(shí)間1 min；瓶壓24.5 psi，載氣壓力比進(jìn)樣口壓力高2 psi；定量環(huán)溫度，140°C；傳輸線(xiàn)溫度150°C；加壓時(shí)間10 s；進(jìn)樣時(shí)間20 s。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

準(zhǔn)確稱(chēng)取0.8 g 三氯甲烷、0.4 g 四氯化碳于同一棕色容量瓶（100 mL）中，用甲醇定容，配制成混合溶質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液，并用水逐級(jí)稀釋成如表1所示的5個(gè)混合標(biāo)準(zhǔn)工作溶液。每種溶液取90 μL 于高純氮?dú)獯祾哌^(guò)的頂空瓶中，加蓋密封，測(cè)定。最后以峰面積為縱坐標(biāo)，濃度為橫坐標(biāo)繪制工作曲線(xiàn)。

表1 5種混合標(biāo)準(zhǔn)工作溶液的濃度

2 結(jié)果與討論

2.1 氣相色譜儀條件優(yōu)化

設(shè)置實(shí)驗(yàn)條件為初始柱溫40°C并保持2 min，以120°C/min 升至70°C，保持2.75 min，使三氯甲烷和四氯化碳從色譜柱中快速洗脫，完成試樣分析，分析時(shí)間5 min。圖1為標(biāo)準(zhǔn)樣品全蒸發(fā)頂空氣相色譜圖，可知三氯甲烷的保留時(shí)間為2.34 min，四氯化碳為3.99 min。按國(guó)標(biāo)GB/T 5750.8推薦的色譜條件進(jìn)行檢測(cè)，設(shè)置柱溫為60°C，恒溫5 min，得到圖2的紅色色譜圖，小圖是保留時(shí)間為（1.5～2.5）min色譜圖放大信號(hào)。圖中1為三氯甲烷，3為四氯化碳。從圖2小圖中紅色色譜圖可知空氣中氧氣和其他雜質(zhì)會(huì)干擾三氯甲烷的色譜峰。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)樣品的全蒸發(fā)頂空氣相色譜圖

圖2 柱溫40°C和60°C時(shí)樣品全蒸發(fā)頂空氣相色譜圖

將柱溫設(shè)置為40°C，恒溫7 min，得到圖2的藍(lán)色色譜圖。圖中2為三氯甲烷，4為四氯化碳。從圖2小圖中藍(lán)色色譜圖可知空氣中氧氣和其他干擾組分，以及三氯甲烷能夠被很好地分離，但四氯化碳需要6 min左右才能從色譜柱中流出，且三氯甲烷和四氯化碳的保留時(shí)間相差約3.5 min，不利于試樣的快速檢測(cè)。因此，設(shè)置初始柱溫40°C，待干擾組分流出色譜柱后（約2 min），以較快的升溫速率將柱溫升至70°C，從而將三氯甲烷和四氯化碳從色譜柱中洗脫出來(lái)，并完成檢測(cè)分析。

2.2 頂空進(jìn)樣條件優(yōu)化

2.2.1 試樣平衡溫度的選擇

全蒸發(fā)技術(shù)是使微量的液體試樣（小于100 μL）在高溫下短時(shí)間完全蒸發(fā)。本方法的試樣溶劑為水，取90 μL的20°C水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，試樣的平衡溫度設(shè)置為200°C，假定完全蒸發(fā)的水蒸氣為理想氣體，頂空瓶體積為20 mL。以下為理想氣體狀態(tài)方程：

其中，p為水蒸氣在溫度200°C、體積20 mL時(shí)的壓強(qiáng)；ρ為20°C的水密度，為0.998 2 g/cm3；M為水的摩爾質(zhì)量，取18.015 2 g/mol；n為水蒸氣的摩爾數(shù)；R為標(biāo)準(zhǔn)氣體常數(shù)8.314 J/Kmol。依據(jù)式（1）計(jì)算得到p為980 844 Pa，再加上頂空瓶?jī)?nèi)原有的空氣壓強(qiáng)（101 325 Pa），則瓶?jī)?nèi)總壓強(qiáng)為1 082 169 Pa。該狀態(tài)下水的沸點(diǎn)可依據(jù)以下克勞修斯-克拉貝龍方程[11]計(jì)算，

其中，ΔvapHm為水摩爾蒸發(fā)熱（40.67 kJ/mol）；p1為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（101 325 Pa）；T1為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水的沸點(diǎn)（373.15 K），T2為上述狀態(tài)下水的沸點(diǎn)。依據(jù)式（2）計(jì)算出的水沸點(diǎn)為182.28°C。表2為依據(jù)式（2）計(jì)算的不同平衡溫度下水的沸點(diǎn)，可知90 μL水要完全蒸發(fā)，平衡溫度需達(dá)180°C以上。

表2 不同平衡溫度下水的沸點(diǎn)

水蒸氣并非理想氣體，在一個(gè)密閉瓶?jī)?nèi)即使環(huán)境溫度高于其沸點(diǎn)，水溶劑也不能達(dá)到絕對(duì)完全蒸發(fā)，但對(duì)小于100 μL的試樣在一定條件下可近乎完全蒸發(fā)。取90 μL的標(biāo)樣3，分別測(cè)試90°C、100°C、110°C、120°C、130°C、140°C、150°C、160°C、170°C、180°C、190°C、200°C系列平衡溫度條件下的三氯甲烷和四氯化碳色譜峰面積，結(jié)果如圖3所示，黑色方點(diǎn)曲線(xiàn)為三氯甲烷，紅色圓點(diǎn)曲線(xiàn)為四氯化碳。由圖3（a）可知，平衡溫度在（90～130）°C間的色譜峰面積變化不大，但隨著溫度升高，色譜峰面積不斷減小，特別是130°C以上的峰面積急劇下降，因此，設(shè)置試樣平衡溫度為130°C。

2.2.2 全蒸發(fā)試樣量的選擇

保持100°C的平衡溫度不變。分別取50 μL、60 μL、70 μL、80 μL、90 μL、100 μL的標(biāo)樣3，測(cè)定三氯甲烷和四氯化碳的色譜峰面積，結(jié)果如圖3（b）所示，黑色方點(diǎn)曲線(xiàn)為三氯甲烷，紅色圓點(diǎn)曲線(xiàn)為四氯化碳。由圖3（b）可知，在90 μL試樣量以下時(shí)，隨著進(jìn)樣體積增加，三氯甲烷和四氯化碳的色譜峰面積呈直線(xiàn)增加，但是在90 μL后出現(xiàn)拐點(diǎn)，因此，選取90 μL為全蒸發(fā)試樣量。

圖3 （a）不同平衡溫度和（b）不同全蒸發(fā)試樣量的三氯甲烷和四氯化碳色譜峰面積

2.2.3 試樣平衡時(shí)間的選擇

分別測(cè)定1 min、2 min、3 min、4 min、5 min 等平衡時(shí)間下的三氯甲烷和四氯化碳色譜峰面積，結(jié)果如圖4所示，黑色方點(diǎn)曲線(xiàn)為三氯甲烷，紅色圓點(diǎn)曲線(xiàn)為四氯化碳。由圖可知，平衡時(shí)間為1 min時(shí)的峰面積最大，且隨著平衡時(shí)間增加，峰面積有減小的趨勢(shì)，因此，試樣平衡時(shí)間取1 min。

圖4 不同平衡時(shí)間的三氯甲烷和四氯化碳色譜峰面積

2.3 混合標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)的建立

將三氯甲烷和四氯化碳的5 個(gè)混合標(biāo)準(zhǔn)工作溶液按上述優(yōu)化的色譜條件進(jìn)樣測(cè)定，結(jié)果如表3 所示。研究表明三氯甲烷在（10～160）μg·L-1濃度范圍內(nèi)，四氯化碳在（5～80）μg·L-1濃度范圍內(nèi)均與色譜峰面積具有良好的線(xiàn)性關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)R2分別為0.999 72和0.999 87。

表3 三氯甲烷和四氯化碳的標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)及其相關(guān)系數(shù)

2.4 精密度及檢出限實(shí)驗(yàn)

將標(biāo)樣3重復(fù)進(jìn)樣6次，測(cè)定三氯甲烷和四氯化碳的色譜峰面積、峰高以及噪聲峰高，結(jié)果如表4所見(jiàn)。利用公式DL=3Nw/h計(jì)算方法檢出限（DL為方法檢出限，N為噪聲峰高，w為標(biāo)樣的濃度，h為標(biāo)樣的色譜峰峰高）?？芍燃淄楹退穆然嫉南鄬?duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD值）均小于1.00%，表明測(cè)量結(jié)果精密度好、準(zhǔn)確度高，且檢出限小于2 μg·L-1。

表4 精密度及檢出限實(shí)驗(yàn)結(jié)果（n=6）

2.5 回收率測(cè)定

用不含三氯甲烷和四氯化碳的空白試樣將標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液稀釋為含三氯甲烷（10.00 μg·L-1）和四氯化碳（5.00 μg·L-1）的回收測(cè)試溶液，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5 所示。可知，三氯甲烷和四氯化碳的回收率分別為99.4%和106.0%。

表5 回收率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.6 環(huán)境對(duì)試樣的影響

三氯甲烷和四氯化碳的沸點(diǎn)很低且極不溶于水，而且配制成的標(biāo)準(zhǔn)溶液也很容易揮發(fā)到環(huán)境空氣中。當(dāng)采用頂空法測(cè)定時(shí)，揮發(fā)到環(huán)境空氣中的三氯甲烷和四氯化碳還會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確度，極易造成測(cè)試結(jié)果的假陽(yáng)性。為了避免環(huán)境空氣的影響，在將試樣注入頂空瓶前，先用500 mL/min流量的高純氮?dú)獯祾唔斂掌? min。采用高純氮?dú)獯祾吆筒淮祾叩目瞻自嚇訙y(cè)定結(jié)果如圖5所示，黑色曲線(xiàn)為未吹掃的空白試樣氣相色譜圖，紅色曲線(xiàn)為吹掃的氣相色譜圖，其中，1為O2，2為CHCl3、3為CCl4。研究發(fā)現(xiàn)，采用高純氮?dú)獯祾卟粌H有效減小了三氯甲烷和四氯化碳的基線(xiàn)噪聲，還極大降低了環(huán)境空氣中其他物質(zhì)的干擾。

圖5 采用高純氮?dú)獯祾吆臀创祾唔斂掌康目瞻自嚇託庀嗌V圖

2.7 實(shí)際樣品分析

采用本方法對(duì)安慶市近3年的100多組各類(lèi)飲用水進(jìn)行分析。按國(guó)標(biāo)方法采集回來(lái)的試樣無(wú)需前處理，混勻后取90 μL直接測(cè)定，圖6為環(huán)境實(shí)際樣品的氣相色譜圖。所有樣品均未檢出三氯甲烷和四氯化碳，與國(guó)標(biāo)GB/T 5750.8—2006方法檢測(cè)的結(jié)果一致。

圖6 環(huán)境實(shí)際樣品的氣相色譜圖

3 結(jié)論

綜上所述，本文構(gòu)建了飲用水中三氯甲烷和四氯化碳的全蒸發(fā)頂空氣相色譜法分析技術(shù)。將90 μL試樣注入用高純氮?dú)獯祾叩捻斂掌績(jī)?nèi)，于130°C、1 min內(nèi)近乎完全蒸發(fā)，然后將蒸氣導(dǎo)入色譜條件優(yōu)化好的氣相色譜儀中，并在5 min內(nèi)完成分析。全蒸發(fā)頂空技術(shù)簡(jiǎn)單快速，使試樣分析時(shí)間大大減少。同時(shí)，采用高純氮?dú)獯祾唔斂掌靠梢杂行Ы档腿燃淄楹退穆然嫉幕€(xiàn)噪聲，也極大減小了環(huán)境空氣中的其他干擾以及試樣結(jié)果的假陽(yáng)性。本方法操作簡(jiǎn)便、快速、準(zhǔn)確且成本低，符合當(dāng)前檢測(cè)技術(shù)快速、環(huán)保的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)水環(huán)境有機(jī)物快速檢測(cè)技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用具有較好的參考價(jià)值。