新型固相微萃取萃取头的制备和在水样中痕量苯系物分析中的应用

摘要：通过溶胶凝胶法制备了新型固相微萃取（SPME）萃取头，并应用于水样中痕量苯系物含量的测定。探讨了固相微萃取试验方法中萃取头制备用量以及萃取条件对实验结果的影响。实验表明，萃取头最佳制备用量为：含氢硅油为50μL、羟基硅油为300μL、甲基三乙基硅烷为300μL、三氟乙酸为75μL;最佳萃取条件为：加入与水质量比为25 %的氯化钠，于转数400 r/min、温度40 ℃下萃取5min，解析1.5min。在优化萃取条件下，四种苯系物的质量浓度均在0.1～10 μg/mL范围内与其峰面积呈线性关系，方法检出限在0.4-2.0 μg/L 之间。方法用于三种环境水样的分析，加标回收率在61.3%～111.4% 之间。

关键词：固相微萃取;苯系物;气相色谱;测定

中图分类号：X830 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2019）10-0-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2019.10.105

Abstract： A new solid phase microextraction （SPME） extraction fiber was prepared by sol-gel method and applied to the determination of Trace BTEX in water samples. The effects of the amount of extraction fiber and extraction conditions of SPME were discussed. The experimental results show that the optimized preparing dosage of fiber was obtained with Hydrogen silicone oil of 50 μL， Hydroxy silicone oil of 300 μL， methyltriethylsilane of 300 μL， Trifluoroacetic acid of 75 μL. The optimum extraction conditions were as follows： adding 25%NaCl， extracting for 5 minutes at 400 r/min and 40℃， and desorption for 1.5 minutes.Under the optimized conditions， the mass concentration of BTEX in the range of 0.1～10 ug/mL is linearly related to peak area. The detection limits were in a range of 0.4～2.0μg/L.The proposed method was applied to the analysis of three kinds environmental water samples. The recoverieswere 61.3%～111.4%.

Keywords： SPME; BTEX; GC; Determination

目前，隨着工业生产的发展，苯系物尤其苯、甲苯、二甲苯被广泛用作油脂、橡胶、树脂、油漆等的溶剂和基本化工原料，这样就造成石油化工、农药、有机化工、炼焦化工等行业的排放废水中含有较多的苯系物，成为河流、空气和地下饮用水等有机污染物的重要来源。苯、甲苯、乙苯、对二甲苯、间二甲苯、邻二甲苯6种苯系物均为GB8978-1996 《污水综合排放标准》 中规定的第二类污染物质，其中苯和甲苯的一、二级排放浓度分别为0.1和0.2 mg/L，乙苯和二甲苯的一、二级排放标准分别为0.4和0.6 mg/L。其中苯为致癌物，其他几种化合物也对人体和动植物有不同程度的毒性[1-2]。苯、甲苯、乙苯、邻二甲苯、间二甲苯、对二甲苯六种苯系物被列入我国水体中优先控制污染物黑名单[3]，我国生活饮用水卫生标准也将其列入了优先控制污染物监测范围[4]，苯系污染物已经被世界卫生组织确定为强烈致癌物质。因此对它的分析检测非常重要。

目前最常用，也最适用的检测仪器是气相色谱仪。由于苯系物在饮用水或地表水中的浓度一般较低，在痕量分析之前必须要对样品进行预处理，预处理方法的选择和操作是最关键的步骤，直接影响检测方法的灵敏度和检出限，需要利用样品前处理技术对目标组分进行预分离、预富集后再进行检测。一般来说，样品的前处理过程耗时占整个分析过程的60%以上 ，样品前处理是痕量分析的重点[5]。样品前处理方法起着浓缩痕量组分，去除对分析系统有害物质的作用。目前主要采用顶空法、吹扫-捕集法、液-液萃取法等测定水体中的苯系物[6]。但它们普遍存在使用大量有机溶剂、处理时间长、操作步骤繁琐、容易使易挥发组分丢失，产生较大误差等缺点。使用有机溶剂还会造成环境的污染。固相微萃取技术（Solid Phase Microextraction，SPME）是20世纪90年代初由加拿大学者Paw Liszyn提出的一种新型的样品前处理方法[7-8]。其主要优点是：在无溶剂条件下可一步完成取样、萃取和浓缩，对环境友好，节省了样品预处理时间;与气相色谱联用，可快速有效地分析样品中痕量有机物;样品用量少，操作简便，对待测物的选择性高，检出限达到μg/L，线性范围可3～5个数量级以上;在痕量分析领域具有广泛的应用前景[9-10]。SPME的原理是待分析物在涂层和样品之间的分配平衡，主要是物理吸附，遵循相似相溶原理。萃取平衡时，涂层中的分析物吸附量与样品中分析物浓度线性相关，可以进行定量分析[11]。在固相微萃取测定苯系物时，主要有两方面问题要解决：一是萃取头的制备，二是提高测定方法的灵敏度。本文利用固相微萃取-气相色谱法对水体中的4种苯系物进行了方法测定试验研究。

1 实验部分

1.1 主要仪器和试剂

Shimadzu 14C气相色谱仪（FID检测器，日本岛津公司）;Rtx-50 毛细管色谱柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm，美国Rtstek公司）;油性聚甲基三乙氧基硅烷（Poly-methyltriethoxysilane，济南国邦化工有限公司） ;羟基硅油（Hydroxy silicone oil，济南国邦化工有限公司）;含氢硅油（Hydrogen silicone oil，济南国邦化工有限公司）;三氟乙酸（Trifluoroacetic acid，济南国邦化工有限公司）;氯化钠（Sodium chloride，温州市化学用料厂）;丙酮（Acetone，汕头市达濠精细化学品有限公司）;Mili-Q超纯水系统（美国Milipore公司）;磁力搅拌器（上海勒顿实业有限公司）;超声清洗仪（宁波新枝生物科技有限公司）;1 mg/mL四种苯系物储备液置于0 ℃冷藏，使用时用超纯水配置成一定浓度的混合标准溶液; 实验用水均为超纯水;其他试剂均为分析纯。

1.2 色谱参数

载气和尾吹气：N2（99. 999%）;进样口温度300 ℃，柱前压200 KPa;色谱柱升温程序：40 ℃（1.0 min） → 5 ℃/min → 80 ℃（3.0 min）;FID温度：300 ℃;Air 压力50 KPa，H2 压力60 KPa;采用无分流进样（1 min）。

1.3 实验方法

1.3.1SPME萃取头的制备

（1）将SPME进样器的不锈钢纤维用砂纸打磨表面至光亮，依次用纯水、甲醇、丙酮超声清洗3 min，室温晾干，得洁净粗糙的支载不锈钢纤维;（2）准确移取含氢硅油50 μL、羟基硅油300 μL、甲基三乙氧基硅烷300 μL和三氟乙酸75 μL于塑料小试管中，振荡混匀;（3）将不锈钢纤维浸没上次聚合溶液10 min，后缓慢提拉，室温晾干，重复（2）、（3）步骤5次;（4）将萃取头置于GC进样口中150 ℃老化1 h，后300 ℃老化3 h，备用。

1.3.2 SPME萃取实验

移取30 mL纯水置于进样瓶中，加入300 μL浓度为1 mg/mL的四种苯系物储备液，振摇均匀，得10 μg/mL四种苯系物水溶液。置入转子，将SPME进样器插入瓶中，推出萃取头浸入溶液中，并置于磁力搅拌器上搅拌5 min。后收回萃取头，拔出进样器，置于GC进样口脱附1.5 min，分析。

2 结果与讨论

2.1 固相微萃取分离苯系物的出峰顺序

根据上述实验方法，分析苯系物，分析结果色谱图见图1。图中出峰顺序分别为：1-溶剂峰;2-苯;3-甲苯;4-乙苯;5-邻间二甲苯;6-对二甲苯。二甲苯以总量计，峰面积以5、6之和计算。

2.2 萃取头制备探讨

本实验中，制备萃取头涂层时，对涂层物质三氟乙酸的用量进行了优化选择，优化结果如表1所示：

由表1可看出：当三氟乙酸的用量大于100 μL 时，混合液凝聚时间小于20 min，凝聚时间太短，萃取头表层出现大量不均匀颗粒物，涂层制作无法完成;当三氟乙酸的用量为50 μL 时，混合液凝聚需50 min，凝聚时间太长，萃取头涂层太薄，将直接导致萃取头萃取效果不高;基于以上两点，本实验使用三氟乙酸的用量为 75 μL，凝聚时间为27 min。故在萃取头制备过程中，用于涂层的各物质的用量分别为：含氢硅油为50 μL、羟基硅油为300 μL、甲基三乙基硅烷为300 μL、三氟乙酸为75 μL。

2.3 萃取条件的优化

2.3.1 萃取时间的选择

萃取时间影响萃取平衡状态，随着萃取时间的增加，萃取逐渐达到平衡。移取30 mL纯水、300 μL四种苯系物储备液，在温度为30 ℃、转数为300 r/min、脱附时间为1 min下分别对苯系物进行萃取0.5、1、5、10、15、20、30 min，研究萃取时间对萃取效果的影响，实验结果见图2。

由实验结果可见，1～5 min，萃取量随着萃取时间的增加而增大，5 min 后，随着萃取时间的增加，萃取量已基本保持稳定，因此，苯系物的最佳萃取时间确定为5 min。

2.3.2 萃取温度的选择

实验过程中萃取效果受萃取温度的影响，移取30 mL纯水、300 μL四种苯系物储备液，在转数为300 r/min、萃取时间为5 min、脱附时间为1 min的条件下，考察25～90 ℃范围内四种苯系物的萃取效果，实验结果见图3。由图3所示，不同的温度条件下苯系物的萃取效率存在较大差异，温度为40 ℃时苯系物的萃取效率最高。随着萃取温度的升高，萃取效率呈下降趋势。因此，本实验的最佳萃取温度确定为40 ℃。

2.3.3 搅拌速度的选择

搅拌是影响SPME萃取效率的重要因素，固定其他条件不变，测定搅拌速度分别为100、200、300、400、450、500 r/min时四种苯系物的萃取效果。图4是SPME在不同搅拌速度下的试验结果。

试验结果表明：萃取效率随搅拌速度的变化而变化，搅拌速度在100～400 r/min之间时，四种苯系物的萃取效率随着搅拌速度的增加而增加;当搅拌速度为400 r/min时，乙苯和二甲苯的萃取效果达到最高值，苯和甲苯的萃取效果趋于平稳。因此，本实验的最佳搅拌速度为400 r/min。

2.3.4 脱附时间的选择

在温度为40 ℃、转数为400 r/min、鹽度为25 %、萃取时间为5 min的条件下，萃取浓度为1 mg/L的四种苯系物溶液。试验脱附时间分别为0.1、0.3、0.5、1.0、1.5、2.0 min试验四种苯系物的萃取效率，试验结果如图5所示。试验结果表明：脱附时间由0.1～1.5 min时，四种苯系物的峰面积略为增加，1.5 min 后基本保持不变，表明1.5 min 脱附已经完全，故本实验选1.5 min 为脱附时间。

2.3.5 盐度的影响

研究水样中氯化钠浓度对四种苯系物萃取效率的影响，分别选择浓度为0、5、10、15、20、25 % 时离子强度对萃取效率的影响。设定萃取温度为40 ℃，萃取时间为5 min，搅拌速度为400 r/min，脱附时间为1.5 min。实验结果如图6所示。

由实验结果可知，随着盐度的增大，萃取量也不断增大，这是由于提高溶液离子强度，降低了四种苯系物在水中的溶解度，从而提高萃取头对四种苯系物的萃取率。但盐度25 % 以后已基本趋于饱和，故选择盐度25 % 为本实验最佳盐度。

2.4 标准曲线的绘制

准确配制一系列浓度的混合标液，固定上述最佳实验条件，按上述实验操作方法，每个样品平行测定3～5次，得出其线性回归方程、相关系数、检出限（以3倍S/N计）如表2所示：

由实验结果可见，四种苯系物回归方程的相关系数大于0.9834;检出限为0.4～2.0 μg/L。表明该方法具有较高的稳定性和灵敏度。

2.5 水样测定分析

实测水样分别取自漳州市一水厂、池塘水、二水厂。将三种水样分别用0.45 μm滤膜过滤后，取30 mL 于进样瓶中，进行萃取。加标回收率的实验将分别加入一定体积的四种苯系物储备液，振摇混匀，得加标量1.0 μg/mL和10.0 μg/mL的水溶液，后进行萃取。分析结果如表3所示，结果表明：三种水样中均未测出四种苯系物物质，相对标准偏差RSD≤16.9%，回收率为61.3%～111.4%。

3 结语

本文通过优化萃取头制备条件：氢硅油为50 μL、羟基硅油为300 μL、甲基三乙基硅烷为300 μL、三氟乙酸为75 μL，及最佳萃取条件：萃取时间为5 min，萃取温度为40 ℃，搅拌速度为400 r/min，脱附时间为1.5 min，盐度25 %。四种苯系物的质量浓度均在0.1～10 μg/mL范围内与其峰面积呈线性关系，方法检出限在0.4～2.0μg/L 之间。该法具有操作简单，灵敏度、准确度均能满足分析要求，且不受水中其他有机物的干扰及无有机溶剂再污染等特点。可用于生活饮用水中苯系物的测定。

参考文献

[1]《水和废水监测分析方法》编辑委员会. 水和废水监测分析方法第四版增补版[M].北京：中国环境科学出版社，2002：575.

[2]郭春华，李晓波，蔡万园，赵开云.顶空气相色谱法测定水中苯系物实验研究[J].环境科学与技术，2013，36（6）：262-264.

[3]周文敏，佛得黔，孙宗光.水中优先污染物黑名单[J].中国环境监测，1990，6（4）：1-3.

[4] GB5749-2006，生活饮用水卫生标准[S].

[5]魏黎明，李菊白，欧庆瑜，梁冰.固相微萃取法在环境监测中的应用[J].分析化学（FENXIHUAXUE）评述与进展，2004，32（12）：1667-1672.

[6]贾金平，何翊，黄骏雄.固相微萃取技术与环境样品前处理[J].化学进展，1998，10（1）：74-84.

[7]ArthrC I，Paw liszyn J. Solid-phase Microextraction with Thermal Desorption Using Fused Silica Optical Fibers[J].Anal

Chem，1990，62（19）：2145-2148.

[8]赵国有，等.固相微萃取（SPME）技术及其发展[J].中国卫生检验杂志，1999，9（4）：76-80.

[9]刘俊亭.新一代萃取分离技术-固相微萃取[J].色谱，1997，15（2）：118-119.

[10]李振，周家斌，王霞，赵汝松.以ZIF-8 为固相微萃取涂层分析环境水样中痕量多溴联苯醚[J].分析测试学报，2018，37（08）：871-878.

[11]栾天罡，張展霞.固相微萃取-衍生化技术及其在环境和生物分析中的应用[J].分析化学（FENXIHUAXUE）评述与进展，2003，31（4）：496-500.

收稿日期：2019-07-24

作者简介：汪春燕（1984-），女，工程师，研究方向为海洋污染物分析。