芳香族硝基化合物定量分析技术的研究

袁雯雯,沈健

(南京师范大学 化学与材料科学学院,江苏省生物医学功能材料协同创新中心江苏省生物功能材料重点实验室,江苏 南京 210023)

芳香族硝基化合物作为初始原料广泛用于农药、医药、染料、造纸等工业领域[1-4]。另外，由于芳香族硝基化合物因种类复杂、难降解、结构稳定，同时，化合物中—NO2的存在，使得该类化合物具有较高的毒性，被世界各国列为优先监测和严格要求排放的污染物之一[5]。因此,加强水体环境中芳香族硝基化合物的检测与分析是了解该类废水水质和寻求经济、高效的处理方法的重要举措，对预防和控制环境污染至关重要。本文介绍了国内外芳香族硝基化合物检测分析方法研究的新进展。目前，大多从色谱分析法、光学分析法、电化学分析法以及其他分析方法对芳香族硝基化合物进行定量分析。

1 色谱分析法

色谱法因其高灵敏度、高分离性能以及快速分析等特点常被应用于芳香族硝基化合物的分析，其中运用气相色谱法(GC)和高效液相色谱法(HPLC)技术检测该类物质较为广泛[6-8]。GC技术作为一种功能强大的分离检测工具，以毛细管柱和气体作为色谱柱和流动相，常与各种检测器联合使用，如电离检测器(PID)、电子俘获检测器(ECD)、热导检测器(TCD)、火焰离子化检测器(FID)等。将待测样品加热气化，然后通过气体的方式随流动相进入色谱柱，根据固定相与待测物分子作用力不同分离各组分[9]。HPLC开始阶段称为经典液相色谱法，通常在常压和室温下，采用大直径的玻璃管柱作为色谱柱，利用液位差输送流动相。此方法因精密度低、分析时间长、柱效低而限制其发展。后期的HPLC技术是在经典液相色谱的基础上，改变进样方式，扩大色谱柱选择范围而逐渐发展起来的高效分离技术。利用高压泵输送流动相，其色谱柱填料颗粒均匀、柱效高，显著提高了分析速度和精度。

1.1 气相色谱

气相色谱技术作为一种操作简便、精密度高的分析技术，已经被报道应用于芳香族硝基化合物定量分析和结构鉴定，如宋冰冰等[10]采用FID检测器，选择二氯甲烷作为萃取剂，利用液液萃取前处理技术分析测定芳香族硝基化合物。结果显示，在15 min内10种芳香族硝基化合物分离完全，无相互干扰。其精密度实验显示，检测限低，加标回收率在83.1%～106.2%。李利荣等[11]以保留时间定性，外标法定量。使用Oasis HLB 固相萃取柱，丙酮/正己烷混合溶剂为洗脱溶剂，测试芳香族硝基化合物浓度。其结果显示，在较宽的浓度范围内测定混合物，各物质无相互干扰，线性关系良好，检出限较低，精密度较高。虽然气相色谱表现出较强的测试功能，但并非所有待测物都有一定的热稳定性，可能高温导致待测物分解。所以在常规的气相色谱技术基础上，对待测物进行衍生化反应，可增加其热稳定性[12]。除此之外，水体中复杂的环境和组成成分也是影响测试的因素。因此，有研究者为克服成分复杂对结果的影响，将气相色谱技术与质谱技术联用，充分发挥了气相色谱技术高效分离作用和质谱的高度鉴别能力，可表现出较强的抗干扰性能和稳定性。如任衍燕等[13]利用气相色谱-质谱联用技术(GC-MS) 对水中硝基苯等10 种芳香族硝基化合物进行分析并准确定量。结果可知，在12 min内，所有待测物分离完全，其定量准确，检测限低，线性范围广。

1.2 液相色谱

气相色谱虽然为芳香族化合物提供方便、快捷的分离和检测手段，但对于部分热稳定性差或熔沸点高的化合物，因加热气化，使得待测物结构与性质发生变化或则因气化温度低难以达到要求等问题而限制其分离检测[14-16]。对该类性质样品，高效液相色谱(HPLC)技术表现出克服此类问题的优越性。由于待测样品在相对低温度下测试，无需加热汽化待测物。因此，HPLC测试不受试样稳定性与挥发性等问题的限制，同样适用于相对分子质量大、热稳定性差、不易气化、沸点高的有机物分析测定。刘敬东等[17]选择合适的色谱柱，探究了最佳条件下，运用反相高效液相色谱(RP-HPLC)法测定水中微量硝基苯，得出在检测波长262 nm，柱温30 ℃，流动相为甲醇∶水∶乙酸= 70∶29∶1，流速1.00 mL/min时，此方法分析迅速、准确度高，检出限低至0.000 5 mg/L。在此基础上，为提高分析通量和色谱峰容量，超高效液相色谱(UPLC)技术运用而生。有研究人员分别以荧光和紫外为检测器，建立的UPLC技术测定了废水中苯胺和硝基苯的含量，实验结果验证了该方法比传统分析方法线性范围更广、回收率高、检测限低和相对偏差小的结论，表现出样品前处理简单、效率高、适用各种水质环境的特点。在此基础上，与UPLC联用检测芳香族硝基化合物技术不断发展。如 Gudlawar等[18]介绍了一种利用常压化学电离负模式下的取代反应进行超高效液相色谱-质谱联用分析测定1-氯-2-硝基苯的新方法[APCI(-)]。取代反应[M-X+O](-)可用于不易发生脱质子的化合物。通过使用毒理学关注阈值(TTC)，根据药物的最大日剂量计算出1.63 mg/L的限值。结果表明，该方法在50.0 ～ 2 000.0 μg/L之间具有良好的线性关系，相关系数为>0.99。该方法的LOD和LOQ极低，分别为20.0,50.0 μg/L。该方法的准确度在85%～105%之间。该方法是富马酸喹硫平中1-氯-2-硝基苯低浓度定量的一种良好的质量控制手段。液相色谱技术是对气相色谱技术进一步补充，已成为一个快速、简单、可靠的分析检测手段。另外丰富的检测器种类，也扩宽了液相色谱的检测范围和应用领域。

2 光学分析法

光学分析法是主要根据物质吸收、发射电磁辐射以及物质与电磁辐射的相互作用来分析目标物的一类重要分析法，比如利用物质光学性质的光谱分析和非光谱分析。虽然光学分析法表现出较高的灵敏度，但是基于常见水体分析物的复杂性以及欠缺光学检测技术对区分特定目标物选择性，其在实际应用上存在一定的局限性。下面将介绍几种常见的运用光学分析方法测定芳香族硝基化合物的光学技术。

2.1 荧光分析法

由于待测物分子受到光的照射会吸收光的部分能量，致使待测分子能量增加由基态跃迁至激发态，随后待测分子释放能量由激发态返回至基态，然后根据释放能量产生的辐射光强度与溶液浓度关系定量分析待测物的方法称为荧光分析法。因其极高的灵敏度常被用于痕量物质的分析，在环境检测方面发挥重要作用。Li等[19]利用一次性塑料微芯片和低成本激光诱导荧光检测仪，快速高效的电泳分离测定5种环境样品和生活用品中禁用的微量芳香族胺。在选定的条件下，使用含2%(w/v)羟丙基纤维素的10 mmol/L硼酸盐缓冲液，可在90 s内分离出5种荧光素异硫氰酸盐标记的芳香胺。该方法重复性好，峰面积的相对标准差(n=5)和偏移时间分别不超过4.6%,0.9%，加标回收率为85%～110%。该方法已成功地应用于废水和纺织品中禁用的芳香族胺的定量分析。然而并非任何物质在吸收激发光后都具有荧光响应，对于无信号响应或信号较弱的物质测定可通过相应改性增强荧光响应。通常含有共轭双键体系的芳环或芳杂环有机物分子，往往具有高荧光特性，因此可在待测物中引入更多的芳香环结构。Gao 等[20]首先通过在二氧化硅纳米粒子耦联反应，再将芳香族氨基化合物进行硅烷化与荧光染料分子相互作用形成共价结合键。同时，荧光染料分子发射光能够被特异性结合生成的复合物(APTS-TNT)强烈的吸收，从而引发信号增强。此外，荧光团还可作为传感器用于室温下芳香族硝基化合物蒸汽的检测。气相传感实验表明，该传感过程重复性好，对硝基芳香族化合物具有很强的选择性[21]。

2.2 拉曼光谱分析法

利用光线的拉曼散射效应获取待测物分子转动与振动信息，确定分子结构的一种方法称为拉曼光谱。与其他光学分析方法相比，其存在高灵敏度、无复杂前处理、抗荧光干扰和监测范围广等显著特点。Liu等[22]成功制备了由十六烷基二甲基乙基溴化铵(EHDAB)包裹的金纳米颗粒作为基底材料，运用于TNT的分析检测。结果表明，该基底上表现出相当大的拉曼信号增强效应，检测限达到10-9mol/L。随后，研究者进一步发展拉曼技术，Bian等[23]将固相微萃取与SERS技术结合，通过电偶自由位移反应将金纳米粒子沉积在多孔的银表面形成均匀膜。一方面提高了基底材料的硬度和耐高温氧化能力；另一方面可显著提高芳香族化合物增强因子(1.3×106)，其检测线(LOD)可低至5.1 μg/L。此外，Hu等[24]运用自组装技术合成MIL-101纳米复合材料，并结合了金纳米粒子局部表面等离子体的共振性能，有效地富集分析物来提高苯二胺的灵敏度。结果表明，该SERS基底具有较高的灵敏度，并对多种不同的目标分析物有亲和力，对苯二胺的测定线性范围在1.0～100.0 ng/mL之间，相关系数大于0.995 0，回收率为79.3%～107.3%。

2.3 表面等离子体共振分析法

运用金属表面电子的相互作用与特定电磁波产生共振而形成的光学性质称为表面等离子体共振(SPR)，可以通过实现生物或化学转化量与待测浓度的关系定量测量。该技术在芳香族硝基化合物的检测中发挥重要作用。Mizuta等[25]介绍了高灵敏度SPR检测TNT技术。利用芳香族烷二硫醇自组装单分子膜(SAMs)和低聚乙二醇(OEG)的键合作用，通过OEG链将TNT类似物固定在金属传感器表面上，以TNP-甘氨酸、DNP-甘氨酸和DNP-乙酸3种TNT类似物为固定化配体。采用间接竞争法对所制备的传感器表面进行了高灵敏度TNT检测，其LOD可达到50 ng/L左右。传感器表面经过100多次重复使用，信号无明显衰减，化学性稳定。He等[26]基于4-氨基硫酚(4-ATP)功能化ZnO-Ag杂化纳米花基底，采用绿色高效的方法制备了新型低成本的SPR光谱传感器。这种传感器对芳香族硝基化合物在10-12mol/L的低浓度下表现出较高的灵敏度，增强因子达到4.12×106以上。此外，由于这种传感器中p-供体-p-受体相互作用能有效地诱导并产生可有效识别的共振信号。因此可以检测到低至5×10-9mol/L的TNT浓度。

2.4 分光光度法

分光光度法利用芳香族硝基化合物对光在特定波长或波长范围的吸收，然后根据朗伯-比耳定律根据吸光度值大小准确定量。此法便携性高、分析快速，可适合于现场快速分析。基于二氧化硫脲的还原特性[27]，陈颖等[28]采用在碱性环境中，利用二氧化硫脲产生强还原性的次硫酸，将硝基苯还原成苯胺，然后通过显色反应准确的测定了硝基苯的含量；同样，Gao等[29]利用二次波长分光光度法改进了废水中硝基苯类化合物的测定。结果显示，在酸性溶液中，硝基苯在硫酸肼和亚硝酸盐存在下与N-(1-萘基)-乙二胺二盐酸盐(NEDA)反应生成红色偶氮化合物。改进后的方法比普通分光光度法具有更高的精密度和灵敏度，且计算模型稳定。结果表明，相对标准偏差小于2.1%，硝基苯的回收率在96%～104%，硝基苯的检出限为0.008 mg/L。若对于响应信号不强的待测物，可通过氨基还原法间接测定。如郭金全等[30]采取萃取分离富集手段，首先在酸性环境中加入金属无机盐将硝基还原成氨基，测定重氮化生成的紫色反应间接测定水体中硝基苯浓度。为提高分光光度法测试数据准确性，可利用数学分析方法加以优化。邵明武等[31]发现，对于芳香族硝基化合类混合体系不适合采用多元线性回归法进行分析，通过岭回归和多元逐步回归可满足分析要求，克服了很多测试过程中的不利因素，能够得到更加精确的实验结果。

3 电化学分析法

电化学分析法是一类利用物质的电学响应与电化学转换关系的方法。与其他分析法相比，电化学分析法不仅具有适用性强、仪器简单、快速、可实时检测等优势，同时还具备高灵敏度和准确度等特点。张丽君等[32]运用伏安法测定硝基苯，通过优化测试条件，探究了线性范围、检测限、重现性等与传统分析方法的差异，结果显示该方法更加优异。在众多电化学分析方法中，玻碳电极(GC)表面构建复合材料分析硝基苯类物质是研究的热点之一，如刘艳等[33]采用壳聚糖-石墨烯修饰循环伏安法的玻碳电极检测水溶液中的硝基苯，实验结果显示，硝基苯还原峰电流与浓度呈良好线性关系。由于分析过程中测定的是电信号数据，因此还能实现自动化连续分析。Adhikari K等[34]采用自组装技术制备了单壁碳纳米管(SWCNT)，利用双链DNA与SWCNT反应达到修饰玻碳电极的目的。结果表明，修饰后的电极检测芳香族化合物在响应速度、灵敏度等方面性能明显提高，整个分析测定过程控制在15 s以内，并达到了连续测定的要求。在实际测量中，电化学技术常常容易受到各种干扰离子或目标分子结构类似物的影响，从而产生分析时间延长、测量误差等问题。因此，对于抗干扰弱体系而言，消除该类影响至关重要。有研究者为增强电极信号富集性能和有效克服非目标粒子干扰等因素，将分子印迹等特异性识别技术引入修饰电极中，Alizadeh等[35]分别以甲基丙烯酸和EDMA为单体和交联剂，制备出以TNT为模板分子印迹聚合物(MIP) 修饰的碳糊电极(CP) 电化学传感器。结果显示，分子印迹修饰电极检测性能相对于非印迹电极有明显的提高。另外，Ahmar等[36]提出了一种测定水样中对硝基苯甲醛的新方法。该方法基于可切换溶剂基液-液微萃取(SS-LLME)，然后在多壁碳纳米管修饰玻碳电极上用差示脉冲伏安法进行测定。在优化条件下，在1.0 mg/L和350 mg/L浓度范围内，校准曲线呈线性。定量和检测限分别为1.0 μg/L和0.3 μg/L[37]。

4 其他分析方法

除以上分析方法外，还存在着其他分析技术运用于芳香族硝基化合物的定量分析。如有以电场为驱动力的毛细管电泳法(CE)[37]，以及包括与毛细管电泳联用技术。毛细管电泳紫外检测法(CE-UV)分析待测液，可直接避免试剂和微量样品容易出错的问题，实现了检测操作半自动化，其表现出对1-乙基-2-硝基苯检测结果高重复性、良好线性和低检测限[38]。如以还原滴定为原理的碘滴定[39]和三氯化铁滴定技术[40]也逐渐形成。操作更加简便、特异性强的荧光偏振检测(FPIA)技术也得到了广泛应用。实际废水中往往物质组成复杂，干扰物质较多。因此，非目标分子或其他各种离子的干扰是影响检测范围和准确度的重要因素(如电化学分析、光学分析等)[41]。为克服该类问题，对于痕量物质分析，采用单一的方法检测已难满足环境保护提出的新的要求。Zhou等[42]采用高效液相色谱-电化学检测器(HPLC-ECD)联用技术，制备了便捷的聚合离子液体(PIL)-二苯硼酸(DPBA)填充毛细管柱，采用微透析采样法得到分析样本，通过HPLC-ECD法快速分离，选择性地提取多种物质，然后进行定量分析。HPLC-ECD 表现出高度的敏感性和选择性，具有分析时间短(8 min)、回收率高(91%～104.4%)和相对标准小(6.5%～7.7%)等优势。

5 发展前景与展望

随着人们对分析检测方法提出了更高的要求以及环保意识的不断增强,各类水体中芳香族硝基化合物的定量分析备受重视。值得指出的是,以简单、准确、快速的联用分析方法和技术将会在实际运用中不断涌现，但各种联用技术存在前处理技术复杂或因仪器的价格昂贵等因素也是将来分析方法和仪器发展的挑战之一。因此，在实际水体分析过程中，测试样品的组成、测试要求、仪器设备成本以及前处理等选择等因素是考虑经济、有效、合理的检测手段是必不可少的。同时，简化前处理过程、缩短分析时间、寻找易于自动化控制的新仪器和新方法将是今后分析工作者研究的重点。