柱净化—分散液液微萃取用于纯化富集油田水域中10种多环芳烃污染物

李悦 崔旭 李占超 李美璇 孙爽 汪子明

摘 要 采用柱净化与分散液液微萃取相结合的样品前处理方法，在去除油田水域中直链烷烃等干扰物的同时，对多环芳烃类污染物（PAHs）进行纯化富集，并利用气相色谱/质谱进行分析。分别考察了柱填料的种类、柱填料与上液量的质量比、柱流速、萃取剂种类及体积、分散剂种类及体积等对萃取效率的影响，最终选择12 g H103大孔树脂为柱填料，以柱填料/样品质量比为12：5上样，在4倍体积/小时（BV/h）柱流速下过柱吸附干扰物，洗脱液加入1.00 mL丙酮（分散剂）和15 μL四氯化碳（萃取剂）后进行分散液液微萃取2 min。在最优条件下，PAHs的富集倍数为730～1579，检出限（S/N=3）为1.1～5.3 ng/L，线性范围为0.01～50 μg/L，相对标准偏差（n=5）为0.6%～3.4%，回收率为82.6%～104.6%。本方法最大程度地降低了基质中干扰物对分析结果的影响，提高了方法的准确性，操作简单方便，尤其适用于受污染油田水体的快速分析。

关键词 柱净化； 分散液液微萃取； 气相色谱/质谱； 多环芳烃

1 引 言

多环芳烃（Polycyclic aromatic hydrocarbons， PAHs）是一种强致癌、致畸、致突变的环境污染物， 主要来源于煤、石油、汽车尾气等含碳有机物的不完全燃烧[1～4]，广泛存在于大气和水体中，对人和动物的生命健康造成了严重威胁，因此大多数国家对其含量进行了限制规定。由于大气和水中的PAHs含量很少，基质又比较复杂，不便于对其直接进行测定，因此建立一种简单、准确、快速的样品前处理方法显得极为重要[5～7]。

近年发展起来的样品前处理技术有基质固相分散萃取（Matrix solid phase dispersive extraction，MSPD）、超声辅助萃取（Ultrasonic assisted extraction，UAE）、搅拌棒吸附萃取（Stir bar sorptive extraction，SBSE）、半透膜萃取（Semipermeable membrane device，SPMD）、固相萃取（Solid phase extraction，SPE）、固相微萃取（Solid phase microextraction，SPME）、分子印迹技术（Molecular imprinting technique，MIT）、QuEChERS（Quick， easy， cheap， effective， rugged， safe）技术、单滴微萃取（Single drop microextraction，SDME）、分散液液微萃取（Dispersive liquid-liquid microextraction，DLLME）等。其中DLLME操作简单、用时短、成本低、富集效率高、环境友好 [8～10]，是由Mohammad等[11]于2006年首次提出， 并将其首先应用于水中PAHs的检测，后又将此方法应用于环境水样中有机磷农药的检测[12]。Sabrina等[13]将电磁搅拌辅助（Magnetic stirring assisted，MSA）-分散液液微萃取与全自动在线注射结合衍生气相色谱-质谱（GC-MS）联用技术成功应用于环境水样中的硅烷化试剂的测定，提高了检测的灵敏度和准确度，并大大缩短了操作时间，进一步发展了DLLME技术。Yu等[14]利用PAHs降解菌株研究了大港油田水域中每种降解菌株对PAHs的去除效率，并用高效液相色谱法测定了PAHs的降解动力学，研究了微生物利用多环芳烃作为生长基质的能力。目前，DLLME技术在油田水质监测方面的研究还未见报道。

大孔吸附树脂是一类不含交换基团且有大孔结构的高分子吸附树脂，具有良好的大孔网状结构和很大的比表面积，可以通过物理作用有选择地吸附水溶液中的有机物。其吸附性是依靠分子间范德华力和氢键作用，筛选性则是依靠其本身的多孔性结构。它是一种应用比较广泛的吸附分离介质，具有稳定性高、吸附选择性独特、富集效果好、解吸条件温和、不受无机物影响、再生简便、使用周期长等优点[15]，广泛应用于工业脱色[16，17]、抗生素的分离提取[18]、环境保护[19]、中草药的分离纯化[20]、废水处理[21]等领域，是一类良好的柱净化填充材料。目前，大孔吸附树脂在油田水体吸附处理方面报道较少，因此本研究利用大孔吸附树脂对分析物及干扰物的吸附选择性，将大孔吸附树脂作为柱净化填充材料， 与DLLME技术相结合，建立一种新的样品前处理技术。

本研究基于DLLME技术的检测优越性，研究了吉林省松原油田附近的油田水中PAHs污染物，发现主要含有烷烃类、醛类、酚类、酯类、多环芳烃类等有机污染物，且以直链烷烃污染物的种类和数量居多。通过GC-MS分析发现，由于该环境水样基质复杂，如直接利用DLLME萃取水中PAHs污染物时，水中大部分有机物也一同被萃取，在利用GC-MS测定时，严重影响PAHs分析结果的准确性。本研究将柱净化（Column clean up，CCU）与DLLME相结合，先利用大孔吸附树脂去除水中大部分干扰物，再利用DLLME萃取PAHs污染物，所得萃取液直接进行GC-MS分析。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

GCMS-QP2010 Plus气相色谱/质谱联用仪、GC-2014气相色谱仪（FID检测器）（日本岛津公司）；SPH-300A氢气发生器、SPB-3全自动空气源、SPN-300氮气发生器（北京中惠普分析技术研究所）；LDZ4-1.2台式低速离心机（北京京立离心机有限公司）；KQ2200E型数控超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司）；DZF-6020型真空干燥箱（上海一恒科技有限公司）；SXT-06型索式提取器（上海洪纪仪器设备有限公司）；DDS-11A数显电导率儀（上海雷磁新泾仪器有限公司）；BZ19/26净化柱（25 cm × 2.2 cm I.D.，天玻仪器有限公司）。

多环芳烃（混合标准品，含萘（Nap）、二氢苊（Ace）、芴（Flu）、菲（Phe）、荧蒽（Flt）、芘（Pyr）、苯并[a]蒽（BaA）的、苯并[k]荧蒽（BkF）、苯并[a]芘（BaP）、茚并[1，2，3-c，d]芘（InP），均购自Sigma-Aldrich公司。四氯化碳、二氯甲烷、乙腈（天津天泰精细化学品有限公司）；氯仿、丙酮、甲醇、无水乙醇（北京化工厂）；1，1，2，2-四氯乙烷（天津光复精细化工有限公司）；正己烷（色谱纯，天津科密欧化学试剂有限公司），其余试剂均为分析纯；97号汽油；AB-8大孔吸附树脂、D4020大孔吸附树脂、H103大孔吸附树脂和D751大孔苯乙烯系螯合型离子交换树脂（天津南开大学树脂有限公司），实验用水均为纯净水（电导率为26.6 μS/cm）。

500 mg/L PAHs储备液：由PAHs混合标准品以正己烷溶解并稀释得到，于4℃保存。10 mg/L PAHs工作液：由 PAHs储备液以正己烷稀释得到，于4℃保存。

汽油稀释液：由97号汽油与丙酮以1∶1000的体积比稀释得到，密封保存。

实际水样取自吉林省松原油田附近水域的上游水和下游水，用0.45 μm滤膜（水系）过滤后， 放置在玻璃瓶中，于4℃储存备用。

2.2 气相色谱-质谱条件

2.2.1 气相色谱条件 DB-5 MS弹性石英毛细管柱（30 m×0.25 mm， 0.25 μm，J&W; Scientific公司），进样口温度290℃，检测器温度280℃，色谱柱初始温度60℃，保持3 min，然后以10℃/min升至160℃，再以4℃/min升至275℃，并保持10 min，分流进样，载气为氮气，分流比10∶1，色谱柱流量1.20 mL/min， 吹扫流量3.0 mL/min，进样量1 μL。

2.2.2 质谱条件 EI电离方式，电离能70 eV，接口温度280℃，电子倍增器电压0.8 kV，离子源温度200℃，全扫描测定方式的扫描范围m/z 40～500。

2.3 柱净化-分散液液微萃取

本方法选择加入汽油稀释液作为干扰物。移取5.00 mL纯净水于10 mL离心管中，加入20 μL稀释后的汽油，20 μL 10 mg/L PAHs，混合均匀后，使溶液以4 BV/h的流速经过装有12 g H103大孔树脂的净化柱，向洗脱液中加入1.00 mL丙酮分散剂和15 μL四氯化碳萃取剂，超声振荡2 min后，以4000 r/min离心5 min，得到沉积相的体积（5.0 ± 0.3） μL。用微量进样器移取1 μL沉积相，进行GC-MS分析，平行测定3次。

3 结果与讨论

3.1 柱净化条件优化

树脂的空间结构（如孔容、孔径、粒度、比表面积等）、化合物分子的结构特征（如分子极性、分子体积等）是影响吸附效果的重要参数。直链烷烃是非极性分子，分子间作用力主要表现为色散力，这种作用力很弱且作用范围很小，仅在分子的表面间发生作用，并且分子越大，分子间作用力越弱。多环芳烃是弱极性分子，分子间作用力表现为π-π相互作用，也是弱分子间作用力。因此。可利用分析物和干扰物之间微小的极性差异进行分离，通过优化并选择适宜的动态吸附洗脱条件降低树脂对目标物的吸附，从而提高回收率及分析的准确度。

3.1.1 柱填料种类的选择 处理废水常见的吸附材料有无机吸附材料（如沸石、蛭石、硅藻土、膨润土、硅胶、活性氧化铝、分子筛等）、有机吸附材料（如纤维类吸附剂、树脂类吸附剂、壳聚糖类吸附剂等）和碳质吸附材料（如活性炭、木炭、草木灰等）。吸附材料的吸附特性取决于其表面的化学性质、孔容、比表面积等参数。由于大孔吸附树脂的合成基质是高分子化合物，因此可以根据需要选择合适的单体、交联剂和制孔剂，对树脂的孔结构进行调制，以达到实际需要。目前， 树脂品种较多，性能较其它吸附材料更为优异，在废水处理方面应用广泛，可长期再生利用。 因此， 本研究选择处理废水常用的大孔吸附树脂作为柱净化的填充材料。

柱填料的种类主要影响水中杂质的去除效果和对多环芳烃的吸附率。考察了H103大孔树脂、D4020大孔树脂、AB-8大孔树脂、D751大孔苯乙烯系螯合型离子交换树脂对实际水样（上游、下游）中直链烷烃等有机污染物的去除效果。鉴于实际水样中含有大量直链烷烃，而汽油是烷烃混合物，因此本研究选用汽油稀释液模拟水中的直链烷烃干扰物。以上游水样为例，在5.00 mL上游水样中加入20 μL 10 mg/L PAHs，经过H103大孔树脂净化柱前后的总离子流图如图1所示，未经过柱净化前，杂质干扰严重，尤其在图中标记的3、6、9、10号峰周围，杂质峰较多，未达到基线分离；在合适的动态洗脱条件（溶液以4 BV/h的流速经过装有12 g H103大孔树脂的净化柱）下， 经过柱净化后，干扰物基本去除，通过DLLME对PAHs进行富集，富集倍数达到730～1579倍。由此可知，H103大孔树脂对水中的有机污染物有明显的吸附作用，而对PAHs吸附作用很弱，因此H103大孔树脂可以很好地去除干扰物对PAHs分析测定的影响；而其它大孔树脂对水中的有机污染物的吸附效果不及H103大孔树脂。表1中加标40 μg/L PAHs的上游水样经过不同树脂的回收率结果表明，H103大孔树脂对干扰物有较好的吸附，而对PAHs的吸附较小，这是由H103大孔树脂本身结构决定的。虽然D4020大孔树脂的吸附性能也较好，但相比之下，本实验选择了H103大孔树脂作为柱净化的填料。

3.1.2 柱填料与上液量质量比的选择 柱填料用量与上液量的质量比主要影响水中干扰物的去除效果。当上液量一定时，随着柱填料用量的增加，对干扰物的吸附效果越好，当柱填料达到一定量时，对干扰物的吸附不再有明显效果。考察了上液量为5 mL（含20 μL稀释后的汽油和20 μL 10 mg/L PAHs），H103大孔树脂用量分别为6、8、10、12、14、16、18、20和22 g，即H103大孔树脂与上液量的质量比分别为6∶5、8∶5、10∶5、12∶5、14∶5、16∶5、18∶5、20∶5和22∶5时柱净化的吸附效果，结果如图2所示。随着柱填料增加，对干扰物的吸附作用越来越好，當柱填料与上液量的质量比达到12∶5时，树脂已能去除大部分干扰物，净化效果较好，故最终选择柱填料与上液量的质量比为12∶5。