毛细管气相色谱法同时测定三氯乙烯及其脱氯产物

岳俊杰，石召红，王玉婷，冯　炘，王　薇

（1.天津理工大学环境科学与安全工程学院，天津300384；2.南开大学环境科学与工程学院，天津300071；3.南开大学环境污染过程与基准教育部重点实验室，天津300071）

工程实例

毛细管气相色谱法同时测定三氯乙烯及其脱氯产物

岳俊杰1，石召红1，王玉婷1，冯炘1，王薇2，3

（1.天津理工大学环境科学与安全工程学院，天津300384；2.南开大学环境科学与工程学院，天津300071；3.南开大学环境污染过程与基准教育部重点实验室，天津300071）

建立了一种同时测定水中三氯乙烯及其脱氯产物的气相色谱检测方法。采用顶空进样，毛细管柱分离，氢火焰离子化检测器检测，保留时间定性，峰面积定量。以三因子三水平正交试验法确定了最佳检测条件，各组分线性良好（R2＞0.998），相对标准偏差3.79%～9.14%，平均加标回收率97.68%～119.18%。对氯代烯烃而言，灵敏度虽较电子捕获检测器低，但新方法操作简便、快速、干扰少、准确度也较高，能满足三氯乙烯污染修复中反应物及中间产物的检测要求。

三氯乙烯；气相色谱；毛细管柱；氢火焰离子化检测器

三氯乙烯（TCE）作为“水中优先控制污染物”之一，对人体健康具有很大危害，国内外专家学者为此开展了很多关于水体中TCE修复的研究工作。在近30年的研究中，无论是实验室还是现场试验均表明，TCE经过包括顺式1，2-二氯乙烯（cDCE）、1，1'-二氯乙烯（1，1'-DCE）、反式1，2-二氯乙烯（tDCE）、氯乙烯（VC）和乙烯等一系列的降解中间产物，最终能被无害降解〔1〕。这些脱氯过程需要适宜的微生物进行必要的生物调节才能实现，地下水中有很多微生物在厌氧条件下能将TCE脱氯转化为cDCE，而将cDCE转化为VC并最终转化为乙烯的脱氯菌则仅限于产乙烯脱卤拟球菌（Dehalococcoides）〔2〕。利用产乙烯脱卤拟球菌对TCE进行脱氯降解过程与其他脱氯过程一样，其中间产物1，1'-DCE和tDCE极为少见〔1〕，cDCE、VC和乙烯作为主要的脱氯产物与TCE一起需要定量检测，为实现简便、快速且同时检测这几种烯烃的目的，建立了一种以毛细管柱分离，氢火焰离子化检测器检测的气相色谱法。该法区别于以往采用填充柱或者毛细管柱分离，电子捕获检测器（ECD）检测的气相色谱法〔3-4〕，其检测灵敏度较ECD检测器虽不占显著优势，但也能得到较为满意的效果，能满足科研检测要求。

1　材料与方法

1.1仪器与设备

气相色谱仪配有：岛津GC-2010 Plus FID检测器，日本岛津；SHA-BA型水浴恒温振荡器，金坛市杰瑞尔电器有限公司；250、1 000 μL气密式进样针，澳大利亚SGE公司；100 mL血清瓶，上海苏阳玻璃器皿；旋塞侧向阀接口气体采样袋，大连海得科技有限公司。

1.2试剂

甲醇：色谱纯，德国Merck；三氯乙烯：98%，Sigma；顺式1，2-二氯乙烯和氯乙烯：1×10-4g/mL溶于甲醇，中国百灵威科技；乙烯标准气：99.99%，上海伟创公司；超纯水：实验室纯水器制备，18.2MΩ·cm。

1.3实验方法

1.3.1原理

在一定的温度条件下，经过一定时间的平衡后，被置于密封顶空瓶水样中的挥发性卤代烯烃逸到上部空间，且在气相和液相之间达到动态平衡。根据亨利定律，此时挥发性卤代烯烃在气相中的浓度与其在液相中的浓度成正比关系。通过带有氢火焰离子化检测器的气相色谱仪测定气相中挥发性卤代烯烃的浓度，可以计算出其在水中的浓度。

乙烯在常温下呈气态，不溶于水，对其浓度的测定与挥发性卤代烯烃原理不同。且因测定的环境与理想状态有差异，必会引起测定结果与真实值背离，因此需要对气体的密度进行必要的换算校正。天津地区的海拔很低，实验室大气压接近于标准大气压，降解实验进行的温度为室温25℃，实验室配制标准气体时的工作温度也保持在25℃。因此根据理想气体状态方程PV=nRT和乙烯在标准状况下的密度值，将取自气体采集袋中一定量（用V1表示）的标准气体可以换算成实验室工作条件下的密度值，依据的换算公式为：

式中：ρ1——实验室工作条件下的气体密度，g/L；

ρ0——气体在标准状况下的密度，g/L；

P0——标准状况下大气压，101.3 kPa；

T0——标准状况下的热力学温度，273 K；

P1——地区春季的大气压强，接近于标准状况

下大气压P0，kPa；

T1——实验室条件下的热力学温度，298 K。

同体积气体的质量会随着气体密度的改变而改变，因此对于气体的质量也需要进行必要的换算。即将上述所取体积为V1的气体注入一个封口的注射器中，当进样量为V3时，所配制的气体质量可以根据公式：

式中：V2——封口注射器的量程，mL。

1.3.2色谱柱与色谱条件

方法采用Rtx-1通用型石英毛细管柱（30 m× 0.32 mm×0.25 μm），固定相为100%甲基聚硅氧烷；手动进样，进样量为100μL；载气为高纯氮气，载气流量1.50 mL/min；分流比39∶1，尾吹气流量30 mL/min；根据3种挥发性卤代烯烃和乙烯的理化参数，初步确定：进样口温度为200℃，检测器温度为220℃；柱温采用程序升温：初始温度为60℃，保持6 min，以50℃/min升温至220℃，保持2 min。

1.3.3色谱条件优化

色谱条件的优化选择采用正交试验法，以气相色谱的分离度、分离效率（分析速度）和灵敏度这3项指标对正交试验结果进行量化评价。着重对柱流量、柱温和分流比这3个最有代表性的影响因子，以质量浓度为10 mg/L的3种挥发性卤代烯烃混合溶液和0.02 mg的乙烯进行三因子三水平的正交试验。其中分离度以3种挥发性卤代烯烃和乙烯与其相隔最近的杂质峰来衡量；分离效率以保留时间衡量；灵敏度以峰面积衡量。

1.3.4标准曲线的制作

因TCE的易挥发性，在配制溶液之前需要以适量色谱级甲醇助溶。取5个100 mL血浆瓶，在每个瓶中加入含有不同量的TCE、cDCE和VC的甲醇溶液，准确量取相应量的纯水，分别配制成3种烯烃质量浓度分别为2.0、4.0、8.0、16.0、32.0 mg/L的50 mL溶液，迅速加盖密封摇匀，于25℃恒温水浴振荡器中平衡1 h后，取溶液上部空间的气体进行检测。

对于乙烯组分而言，实验以高纯氮气作为稀释气，先以注射器取氮气至其满量程，再以250 μL或者1 000 μL的气密式进样针取欲配制浓度气体所对应体积的乙烯标准气体，即可为乙烯分别为0.2、0.4、0.8、1.6、2.0 mg/L的5点标准曲线制备出相应浓度的气体标样。

以上各浓度梯度的标准溶液及标准气体，进样量均为100μL，采用同一色谱条件进行检测。以峰面积为纵坐标，各组分浓度为横坐标，分别绘制标准曲线。

1.3.5样品测定

以与标准曲线制作所采用的色谱条件测定反应体系及空白对照中TCE及其脱氯产物，以组分的保留时间定性，反应体系样品峰面积扣除空白对照峰面积后，由标准曲线得到反应体系中各个组分的浓度。

2　结果与讨论

2.1色谱条件优化结果

以三因子三水平正交试验法对色谱条件进行了优化选择，通过定量评价分离度、分离效率和灵敏度，柱流量、柱温和分流比这三因子对试验结果的影响表现为：（1）柱流量主要对保留时间产生影响。保留时间会随着柱流量的增大而减小；分离度会随着流量增大而降低；灵敏度受柱流量的影响相对较小，但总体也呈随柱流量增大而降低的趋势。（2）柱温主要对分离度和灵敏度产生较大影响。柱温越高分离度和灵敏度越低；保留时间随柱温的升高有所减小。（3）分流比主要对分离度和灵敏度影响较大。随着分流比的增大，分离度和灵敏度均有所降低；保留时间受分流比的影响无明显规律。

根据三因子三水平正交试验结果，并对柱温等因素做进一步的优化，确定TCE及其脱氯产物的优化测定条件为：柱流量1.00 mL/min，柱温初始温度为45℃，保持6 min后以50℃/min的速率升温至220℃，保持2 min。分流比为35∶1。在该色谱条件下对反应体系中TCE及其脱氯产物进行同时检测时的色谱图如图1所示。

图1　　三氯乙烯及其脱氯产物气相色谱

由图1可见，各组分峰形好、干扰少、明显优于试样经萃取前处理后以液体方式进样的效果。

2.2标准曲线

在优化的色谱条件下，TCE等3种挥发性卤代烯烃和乙烯的5点标准曲线，线性良好，R2＞0.998 5，其线性回归方程如表1所示。

表1　　各组分的工作曲线

2.3方法的最低检出限

将TCE、VC、cDCE和乙烯标准曲线的浓度最低点重复进样10次，将所得的3倍标准偏差代入线性方程，计算所得作为方法检出限。TCE、VC、cDCE和乙烯的检出限分别为0.05、1.72、0.15 mg/L和5.92× 10-4mg/L。

2.4方法的精密度和准确度

量取标准曲线线性第2点标准溶液上部空间的气体100μL，连续6次顶空进样，计算得到TCE、VC、cDCE和乙烯峰面积的RSD分别为3.79%、5.94%、5.23%和9.14%。

采用标准曲线线性第2点溶液，按照加标量50%的标准向溶液中添加不同量的氯代烯烃和乙烯，量取溶液上部空间的气体100 μL，重复进样5次，取其峰面积的平均值带入各物质的线性方程，计算得到TCE、VC、cDCE和乙烯平均回收率分别为102.88%、101.26%、97.68%和119.18%。

2.5样品测定

待测样品取自产乙烯脱氯菌降解20 mg/L TCE的反应体系（恒温25℃）中。维持实验室温度为25℃，于反应进行24 h时抽取反应液上部空间气体100 μL，在上文所述色谱条件下直接进样，所得谱图中无其他杂峰，仅为TCE、VC、cDCE和乙烯峰，按照出峰先后顺序，其保留时间分别为2.706 min（乙烯）、2.814 min（VC）、3.728 min（cDCE）和5.183 min （TCE），且峰形对称、杂峰少、测定速度快。将其峰面积带入各组分的线性方程，测得TCE此时降解完全，cDCE、VC、乙烯分别为3.93、4.01、4.14×10-3mg/L。

3　小结

建立了一种能同时测定水中三氯乙烯及其脱氯产物的气相色谱检测方法。采用Rtx-1通用型石英毛细管柱（30 m×0.32 mm×0.25 μm），固定相为100%甲基聚硅氧烷；顶空手动进样，进样量为100 μL；经正交试验优化所得色谱条件为：进样口温度200℃，检测器温度220℃；柱流量1.00 mL/min，柱温初始温度为45℃，保持6 min后以50℃/min的速率升温至220℃，保持2 min。分流比为35∶1。

笔者所用方法测定快速、简便，峰形好、干扰少；各组分标准曲线线性良好（R2＞0.998），RSD为3.79%～9.14%，平均加标回收率97.68%～119.18%；对于氯代烯烃组分而言，方法灵敏度虽较电子捕获检测器（ECD）要低，但能满足TCE污染修复研究中对于各个组分的检测要求。

［1］Freedman D L，Gossett J M.Biological reductive dechlorination of tetrachloroethylene and trichloroethylene to ethylene under methanogenicconditions［J］.AppliedandEnvironmentalMicrobiology，1989，55（9）：2144-2151.

［2］Gatell X M，Chien Y T，Gossett J M，et al.Isolation of a bacterium thatreductivelydechlorinatestetrachloroethenetoethene［J］.Science，1997，276（5318）：1568-1571.

［3］HJ620-2011水质挥发性氯代烃的测定顶空气相色谱法［S］.

［4］杨宏斌，童张法，金朝晖，等.正己烷萃取-气相色谱法快速测定水中三氯乙烯［J］.中国环境监测，2007，23（4）：37-39.

Simultaneous determination of trichloroethylene and its dechlorination products by capillary gas chromatography

Yue Junjie1，Shi Zhaohong1，Wang Yuting1，Feng Xin1，Wang Wei2，3
（1.School of Environmental Science and Safety Engineering，Tianjin University of Science&Technology，Tianjin 300384，China；2.College of Environmental Science and Engineering，Nankai University，Tianjin 300071，China；3.Key Laboratory of Pollution Processes and Environmental Criteria，Ministry of Education，Nankai University，Tianjin 300071，China）

A kind of capillary gas chromatography（GC）method for simultaneously determination of trichloroethylene（TCE）and its dechlorination products has been established.It is detected by headspace sampling，capillary column separation，and hydrogen flame ionization detector（FID）.Its qualitative analysis is done by retention time and quantitative analysis by peak area.The optimum detection conditions are ascertained by three-factor and three-level orthogonal tests.Under the optimized chromatographic conditions，every group has good linearity（R2＞0.998），relative standard deviation is 3.79%to 9.14%，and average standard recovery rate is from 97.68%to 119.18%.As far as vinyl chlorides is concerned，although its sensibility is relatively lower than that of the electron capture detector （LCD），the new method is characterized by easy and rapid operation，less interference and higher accuracy，and is capable to meet the requirements for the detection of reactant and intermediates in TCE pollution remediation.

trichloroethylene；gas chromatography；capillary column；hydrogen flame ionization detector（FID）

X703.1

A

1005-829X（2016）01-0086-04

国家自然科学基金资助项目（31200396）；天津自然科学基金项目（14JCQNJC08500）

岳俊杰（1977—），博士，副教授。E-mail：yue_junjie@ 163.com。

2015-11-22（修改稿）