固相微萃取技术在苯胺等突发性水环境污染事故中的应用

曹方方，李红莉，金玲仁，臧 鲲

1.山东省环境监测中心站，山东 济南 250101 2.陕西师范大学化学与化工学院，陕西 西安 710100

固相微萃取技术在苯胺等突发性水环境污染事故中的应用

曹方方1，李红莉1，金玲仁1，臧 鲲2

1.山东省环境监测中心站，山东 济南 250101 2.陕西师范大学化学与化工学院，陕西 西安 710100

建立了固相微萃取与车载气相色谱-质谱联用技术现场快速定量分析突发性水环境污染事故中的硝基苯、苯酚、苯胺3种半挥发性有机物的方法。选用PA萃取纤维，调节水样pH为8.5，加入30%的氯化钠，45 ℃顶空萃取30 min可得最佳萃取效果。在最佳实验条件下，硝基苯、苯酚、苯胺的方法检出限分别为0.68、3.2、4.88 μg/L；平行测定7次的相对标准偏差分别为5.37%、8.31%、2.86%；3种化合物的相关性系数均大于0.99；对实际样品测定的加标回收率在61.1%～120%。

固相微萃取；车载气相色谱-质谱；苯胺、苯酚、硝基苯；突发性水环境污染事故

近年来，随着经济的飞速增长，中国突发性环境污染事故进入一个高发时期，环境安全问题日益突出。通过梳理近年来国内发生的突发性环境污染事故案例包括爆炸燃烧类、有毒有害物质泄漏类、交通运输污染事故类等，发现硝基苯、苯胺、苯酚3种物质的污染事故发生频率较高。如2006年，中石油兰州石油化工公司苯胺装置的酸罐爆炸引起的苯胺、硝基苯污染事故；同年，发生在徐州的硝基苯泄漏事故、京沈高速盘锦段的苯酚泄漏事故、连云港市蔷薇河酚污染事故等[1]。在此类突发性环境污染事故中，要求环境监测人员能够快速准确报出污染物的性质、污染物浓度水平、污染范围，为环境决策部门提供科学依据。

车载5975T气质联用仪是一种采用与带有加热器和温度传感器部件的熔融石英毛细管结合在一起的LTM色谱柱模块的分析仪器，该仪器具有升降温速度快、抗震效果好、可移动性强的特点，适用于突发性污染事故的现场应急监测。现场监测减少了样品从采集到实验室分析所需要的运输时间差，同时也极大降低了样品在运输途中发生各种物理化学变化的可能，不仅可以提供实时监测数据，而且可较为准确反应污染事故现场污染物的真实情况。根据国家标准分析方法，分析硝基苯、苯胺、苯酚这3种物质的前处理过程繁琐，如酚类化合物的分析需先采用液液萃取(LLE)处理[2]，硝基苯类化合物需液液萃取或固相萃取(SPE)[3]，耗时繁琐且使用大量有机溶剂，无法满足现场快速分析的要求。

固相微萃取(SPME)是一种相对较新的萃取前处理技术，由Pawlisizyn在1989年提出。与传统有机物样品的前处理技术相比,该技术简便、快速、易于实现自动化、便于携带且成本低廉，无大量有机溶剂使用，集采样、萃取、富集、进样于一体，是一种环境友好型前处理技术[4]。经过多年发展，已作为一种常用的样品前处理手段，SPME与气相色谱法(GC)[5]、气相色谱质谱法(GC/MS)[6]、高效液相色谱法(HPLC)[7]联用成功应用于食品分析[8]、环境样品分析[9]、生物样品分析[10]等方面。特别是环境领域，固相微萃取技术已经发展成为一门非常成熟的技术且被广泛应用于空气、水、土壤等方面，但作为一种在环境应用方面最有前途的样品前处理技术还未见在环境污染事故现场应急监测方面应用的报道。

本文建立了固相微萃取-车载气相色谱/质谱法，主要应用于突发性环境污染事故中苯胺、苯酚、硝基苯的现场监测方法。该方法与传统国标方法相比较，无有机溶剂使用、简化了繁琐的样品前处理过程，快速准确，能够达到30 min内完成一个批次分析的目的。其综合了SPME的简便、快捷、易于携带的特点，与车载GC/MS联合应用于突发性污染事故的现场监测中，可快速定性污染物的种类，准确定量污染物浓度水平，能够满足应急监测现场准确快速监测的要求。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

5975T车载气相色谱/质谱仪(美国)；DB-624 LTM毛细管柱(20 m×180 μm×1 μm)；固相微萃取手柄、磁力搅拌器、小磁子及3种萃取纤维：聚丙烯酸酯(PA，85 μm)、聚二甲基硅氧烷(PDMS, 100 μm)、聚二甲基硅氧烷/聚苯乙烯(PDMS/DVB，65 μm)、萃取瓶分别为5、10 ml带PTFE涂层硅橡胶垫片的旋口玻璃瓶(美国)。

苯胺(200 mg/L)、苯酚(500 mg/L)、硝基苯(200 mg/L)均购自环境保护部标准物质研究院。氢氧化钠、优级纯，均购自天津市广成化学试剂有限公司；Milli-Q高纯水。

1.2 分析条件

1.2.1 固相微萃取条件

调节样品酸度为8.5左右，PA萃取纤维头顶空萃取，萃取温度45 ℃，萃取30 min。

1.2.2 气相色谱质谱条件

DB-624(20 m×180 μm×1 μm)LTM柱，进样口温度250 ℃,柱流速1.0 ml/min，恒流模式；进样方式：分流进样，分流比为10∶1；升温程序：40 ℃保持4 min，以15 ℃/mim的速度升温至220 ℃，保持0 min，进样热解析时间3 min。所有组分10 min均完全出峰，延长程序升温时间是为了定性检测污染事故中有无其他有机物。接口温度280 ℃；离子源：230 ℃,四级杆：150 ℃；EI电压：70 eV，溶剂延迟：2 min，扫描模式：SCAN，扫描范围29～260 aum。

1.3 固相微萃取方法

先将样品酸度调节到8.5左右，取10 ml萃取瓶，放入一个磁子和1.5 g氯化钠，加入5 ml水样后立即用带PTFE涂层硅橡胶垫的瓶盖密封。然后将此萃取瓶放入45 ℃的恒温水浴中，使固相微萃取手柄的不锈钢针头刺入垫片，轻轻推出萃取头，使萃取头暴露在样品的顶空部位。调节微型磁子的转速，避免样品飞溅到萃取头上，计时。

1.4 质量保证与质量控制

到达应急监测现场，需先对仪器进行调谐并做一次连续校准，连续校准偏差应小于20%，否则应重新绘制曲线或根据样品情况采用单点校准；新的萃取纤维头在使用前按照说明书在250 ℃老化0.5 h,已经老化过的纤维头在使用前需净化,确保无目标分析物检出后方可使用；不同萃取纤维头的吸附解析性能也不同，每次使用新的纤维头时则需重新绘制曲线或采用单点校正进行样品分析。

2 结果与讨论

2.1 固相微萃取条件优化

2.1.1 酸度的影响

研究了酸度对3种化合物萃取效果的影响。研究表明酸度对硝基苯影响不大；在pH≤8.5时，酸度对苯酚的影响不大，当pH>8.5时苯酚的相应信号开始降低；苯胺在pH≤7.0时无响应信号，随着pH增大响应信号开始逐渐增强。综合考虑，优化酸度条件为pH 8.5。突发性水污染事故中，水体的pH变化会很大，因此在事故现场分析3种物质时，应根据样品实际情况采用稀硫酸或稀氢氧化钠溶液将调节pH 8.5左右后进行分析。

2.1.2 萃取纤维头的选择

商品化的纤维头涂层主要有聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚丙烯酸酯(PA)、聚乙二醇(PEG)及一些复合涂层如PDMS/DVB、CRA/PDMS。研究了PDMS(100 μm)、PA(85 μm)、PDMS/DVB(65 μm)3种萃取纤维头对硝基苯、苯酚、苯胺3种化合物萃取效果的影响。结果表明，PDMS对苯酚、苯胺无吸附作用，对硝基苯有微弱吸附；PDMS/DVB对3种化合物有萃取能力但萃取效果均不及PA；采用PA作为萃取头，3种化合物均可获得较好的萃取效果，因此研究选择PA作为萃取纤维头。

2.1.3 萃取方式的选择

SPME主要有顶空固相微萃取、浸入式固相微萃取两种方式，研究了这两种萃取方式对3种化合物萃取效果的影响。实验结果表明，硝基苯、苯酚、苯胺3种化合物采用顶空固相微萃取可得较好的萃取效果，且所需平衡时间短又能消除背景和复杂基质的干扰。因此，实验采取顶空固相微萃取方式测定。

2.1.4 萃取时间的影响

研究了萃取时间对硝基苯、苯酚、苯胺3种化合物萃取效率的影响(图1)。结果表明，随着萃取时间的增加，3种化合物的峰面积不断增强，当萃取30 min时，苯酚的峰面积测定值开始降低，硝基苯的峰面积信号响应值还在增强；苯胺在萃取20 min后基本达到萃取平衡。在应急监测中，较短时间内能满足分析要求即可。因此，实验最佳萃取时间为30 min。

图1 萃取时间萃富集效果的影响

2.1.5 萃取温度的选择

萃取温度对萃取平衡时间和萃取效率均有影响：升高温度可提高待测物的扩散速率，有利于分析物挥发进入气相，但同时温度升高会降低分配系数，不利于分析物在萃取纤维头上的吸附。有文献报道，苯胺的萃取效果随温度变化不大[11]，因此实验研究了不同温度对硝基苯、苯酚2种化合物萃取效果的影响(图2)。由图2可以看出，硝基苯、苯酚2种化合物随萃取温度的升高，峰面积响应不断增大，45 ℃时2种化合物的峰面积值达到最大，随着温度继续升高，峰面积值下降，因此确定最佳萃取温度为45 ℃。

图2 温度对富集效果的影响

2.1.6 盐度的影响

考察了氯化钠(NaCl)加入量对3种待测物萃取效率的影响(图3)。由图3可以看出，随着溶液离子强度增加，3种化合物的峰面积不断增大，当溶液达到饱和后，峰面积响应值趋于稳定。这是由于随着溶液中NaCl加入量的增加，溶液盐析作用增强，降低了有机物在水中的溶解度；当溶液达到过饱和后，析出的NaCl晶体则对有机物产生了吸附作用。因此，研究选择30%的NaCl加入量。

图3 盐含量对待分析物萃取效果的影响

3 方法评价

在最佳实验条件下配制5、10、20、50、100 μg/L的硝基苯系列浓度，12.5、25、50、100、250 μg/L的苯酚系列浓度，50、100、150、200、250 μg/L的苯胺系列浓度做3种化合物的标准曲线，3种化合物线性响应方程分别为y=6.17×104x-5.318×105，y=3.056×104x-1.202×105，y=5.737×103x-9.803×104；相关性系数分别为0.993、0.994、0.993。

平行做7组标准曲线最低点同浓度的样品，根据公式(1)计算其方法检出限(MDL),硝基苯、苯酚、苯胺3种化合物的检出限分别为0.68，3.23、4.88 μg/L，均满足《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)[12]的标准限值要求；平行做8组100 μg/L的样品浓度计算相对标准偏差(RSD)以检验方法精密度，硝基苯、苯酚、苯胺3种化合物的RSD分别为5.37%、8.31%、2.86%。

MDL=t(n-1,0.99)×S

(1)

4 样品分析

应用本方法对1份山东境内河流断面水样品、1份某化工区污水、1份实验室自来水样品，3份样品加标回收实验检验方法的可靠性。3份实际样品分析结果及加标回收率情况见表1。从表1可知，不同水体样品中加标回收率为61.1%～120%。

表 1 实际样品分析及加标回收率

注：ND表示未检出；“—”表示未添加标准样品。

5 结论

建立了顶空固相微萃取-车载气相色谱质谱联用的方法，定量分析硝基苯、苯酚、苯胺等3种有机物的方法。该方法所用仪器设备便于携带且成本低，操作简便、快速、易于实现自动化，方法检出限低、精密度好，完全满足《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)要求。适合用于突发性水污染事故的现场应急监测。

[1] 李国刚，付强，吕怡兵，等.突发性环境污染事故应急监测案例[M].北京：中国环境科学出版社，2010.

[2] 环境保护部.水质 酚类化合物的测定 气相色谱-质谱法：HJ 744—2015[S].北京：中国环境科学出版社，2015：3-4.

[3] 环境保护部.水质 硝基苯类化合物的测定 气相色谱法-质谱法：HJ 716—2014[S].北京：中国环境科学出版社，2014：3-4.

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[12] 环境保护部.地表水环境质量标准：GB 3838—2002[S].北京：中国环境科学出版社，2002：2-3.

Application of Solid Phase Micro-Extraction Technology Applied in Emergent Water Pollution Accidents Such as Anline

CAO Fangfang1，LI Hongli1，JIN Lingren1，ZANG Kun2

1.Shandong Environmental Monitoring Centre, Jinan 250101，China 2.Shanxi Normal University, School of Chemistry and Chemical Engineering, Xi’an 710100, China

A simple method coupling headspace solid-phase microextraction with vehicle GC/MS was developed to rapidly quantitative analyze nitrobenzene,phenol and anline in emergent water pollution accidents on the spot. Results showed that adjust pH to 8.5, using PA coated fiber, addition of 30% NaCl, headspace extracted 30 min under the temperature of 45 ℃ can get the optimum extraction conditions. Under the optimum conditions, the detection limitats of the method of nitrobenzene, phenol and anline were 0.68,3.2,4.88 μg/L respectively, and the relative standard deviation were 5.37%,8.31% and 2.86% (n=7) respectively; the correlation coefficient of these three compounds were>0.99; the recovery of these three compounds were 61.1%-120% in real samples analysis.

solid phase micro-extraction；vehicle GC/MS；nitrobenzene,phenol and anline；emergent water pollution accidents

2015-09-20；

2015-10-22

曹方方(1988-)，女，硕士，助理工程师。

X830.2

A

1002-6002(2016)06- 0107- 05

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.06.17