超声萃取–气相色谱–质谱法测定土壤中13 种苯胺类化合物

2021-05-07陈加伟方绍敏宋洲陈玉娇刘田周顺超董静

化学分析计量 2021年4期

陈加伟，方绍敏，宋洲，陈玉娇，刘田，周顺超，董静

（1.湖北华祥地质环境检测科技有限公司，武汉 430000； 2.湖北省地质实验测试中心，武汉 430034；3.资源与生态环境地质湖北省重点实验室，武汉 430022）

苯胺类化合物系指苯胺分子中的氢原子被其它官能团取代后形成的一类化合物，是合成药物、染料、杀虫剂、高分子材料、炸药等的重要原料之一，在化工、印染、制药等领域应用广泛，经废水排放、降水渗透等途径会导致土壤污染［1］。苯胺类物质具有致畸、致癌和致突变作用等［2–3］，已被美国、日本及我国等列入环境优先控制污染物黑名单，在我国土壤环境质量标准（GB 36600–2018）［4］中将苯胺和3，3'-二氯联苯胺分别列为基本项目和其它项目进行监测。因此，建立土壤中苯胺类化合物的检测方法具有重要的意义。

传统的索氏提取在处理土壤中苯胺类化合物样品时，存在提取时间长（16～18 h）、溶剂消耗大（100 mL）的不足［5］，相比而言，快速溶剂萃取速度快、溶剂用量少且效率高［6–7］，已被我国纳入环境保护标准（HJ 782–2016）［8］。尽管如此，该法依然存在设备投入成本高，土壤样品批量处理时萃取池维护频繁，不仅增加成本而且限制了其处理能力的进一步提升。超声萃取作为一种简单方便、快速有效的前处理方式，亦被纳入我国环境保护标准（HJ 911–2017）［9］，已在土壤有机物前处理中得到广泛应用［10–12］。袁艳丽等［13］采用超声提取土壤中苯胺和硝基苯，20 min 时二者平均回收率均在80%以上；赵前龙等［14］针对超声提取土壤中苯胺时五水合硫代硫酸钠和氨水投加量进行了优化，优化后超声提取30 min 苯胺的加标回收率高于90%；但是上述研究仅选取了苯胺，其它苯胺类化合物并未涉及。基于此，笔者拟采用超声萃取，气相色谱分离质谱法检测土壤中13 种苯胺类化合物，通过前处理条件的优化，实现目标化合物的快速提取测定。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

气相色谱质谱联用仪：Thermo Scientific Trace 1300 型气相色谱仪，ISQ 7000 型质谱仪，美国Thermo Scientific 公司。

全自动氮吹浓缩仪：TurboVapII 型，环境温度为15～30 ℃，瑞典Biotage 公司。

数控超声波清洗器：KQ–500 DE 型，昆山市超声波仪器有限公司。

电热恒温鼓风干燥箱：DGG–9140B 型，上海森信实验仪器有限公司。

台式高速冷冻离心机：3K15 型，德国Sigma 公司。

固相萃取装置：CNW 24 位固相萃取真空装置，德国CNW Technologies GmbH 公司。

超纯水机：Milli-Q Direct 8 型，美国密理博公司。

13 种苯胺类化合物混合标准溶液：3-硝基苯胺质量浓度为100 mg／L，苯胺、4-甲基苯胺、3-甲基苯胺、2-甲基苯胺、2，4-二甲基苯胺、2-甲氧基苯胺、4-氯苯胺、3-氯苯胺、2-萘胺、4-硝基苯胺、N-亚硝基二苯胺、3，3'-二氯联苯胺均为50 mg／L，甲醇为介质，上海安谱实验科技股份有限公司。

5 种多环芳烃氘代内标混合溶液：萘-D8、苊-D10、菲-D10、䓛-D12、苝-D12 浓度均为2 000 mg／L，二氯甲烷为介质，上海安谱实验科技股份有限公司。

替代物2-氟联苯、对三联苯-D14 溶液：均为2 000 mg／L，上海安谱实验科技股份有限公司。

正己烷、丙酮、二氯甲烷：色谱纯，美国Fisher公司。

高纯氦气：纯度大于99.999%，武汉华星工业技术有限公司。

无水硫酸钠：分析纯，650 ℃灼烧4 h，国药集团化学试剂有限公司。

五水合硫代硫酸钠、氨水：分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

固相萃取小柱：氟罗里硅土柱，1 g／(6 mL)，上海安谱实验科技股份有限公司。

实验用水均为Milli-Q 超纯水。

1.2 仪器工作条件

毛细管色谱柱：DB–5MS 型（30 m×0.25 mm，0.25 μm）；进样口温度：260 ℃；传输线温度：280℃；程序升温：40℃保持2 min，以10 ℃／min 速率升至100 ℃，保持2 min，再以25 ℃／min 速率升至300 ℃，保持10 min；载气：高纯氦气；载气流量：1.0 mL／min；进样方式：脉冲不分流进样；进样体积：1 μL；电子轰击离子源（EI）；四极杆温度：150 ℃，离子源温度：300 ℃；溶剂延迟：5 min；选择离子监测（SIM）模式；各组分质谱参数见表1。

表1 13 种苯胺类化合物的质谱参数

1.3 样品采集与保存

根据《土壤环境监测技术规范》（HJ／T 166–2004）［15］采集土壤样品，密封避光0～4 ℃冷藏保存运输，10 天内完成萃取。

1.4 样品前处理方法

称取10 g（精确至0.01 g）鲜样，加入1.0 g 五水合硫代硫酸钠和适量无水硫酸钠，研磨至流沙状后转移至50 mL 离心管中，依次加入100 μL 氨水、替代物和40 mL 正己烷–丙酮混合液（体积比为1∶1），密封后手动摇匀，于超声波清洗器中提取20 min（功率300 W，水槽中放置冰袋，确保水浴温度始终低于25 ℃），离心后转移上清液，继续用正己烷润洗离心管，溶液一并转入氮吹管中，在40 ℃、41.37～55.16 kPa（6～8 psi）下浓缩至5 mL，待净化。

将氟罗里硅土柱预先用10 mL 正己烷活化，然后将上述浓缩液转移至小柱上，用15 mL 正己烷–二氯甲烷混合液（体积比为1∶1）进行洗脱，将洗脱液接收至氮吹管中浓缩至5 mL，取1 mL 浓缩液加入内标后上机测试。

2 结果与讨论

2.1 样品前处理方法的选择

2.1.1 超声萃取条件

影响超声萃取效率的因素主要包括萃取溶剂、超声功率和时间等因素，根据赵前龙等［14］和陶云峰等［7］的研究可知，正己烷–丙酮混合液（体积比为1∶1）作为萃取溶剂，不仅能实现苯胺的有效提取，而且能够满足其它12 种苯胺类化合物的萃取需求。因此选择正己烷–丙酮混合液（体积比为1∶1）作为超声萃取溶剂。为了筛选出合适的超声功率和时间，分别对超声功率250、300、350 W，超声时间20、30、40 min 进行了试验，结果见图1。

图1 超声功率和时间对13 种苯胺类回收率的影响

由图1 可知，在超声功率分别为250、300、350 W 的条件下，其对应的最优超声时间分别为40、20、30 min。因此从能量消耗和萃取时间综合考虑，选择超声功率为300 W，超声时间为20 min 作为超声萃取条件，13 种苯胺类化合物的平均加标回收率为90.9%～126%。

2.1.2 氮吹浓缩条件

一般通过调节氮吹浓缩设备的水浴温度和氮气压力来实现目标物的快速高效浓缩，对氮吹浓缩条件进行了试验，结果见图2。

图2 氮吹浓缩条件对13 种苯胺类化合物回收率的影响

由图2 可知，过低或过高的水浴温度和氮气压力，13 种苯胺类化合物的回收率均有所降低，这主要是由于在上述条件下浓缩过程过长或过短，均会使得苯胺类组分随溶剂挥发的损失增加。因此选择氮吹水浴温度为40 ℃，氮气压力为41.37～55.16 kPa（6～8 psi），此时13 种苯胺类化合物的平均加标回收率均可控制在80.0%以上。

2.2 样品测试条件的选择

苯胺类化合物具有一定的热不稳定性，在气相色谱进样口会存在一定程度的降解。因此重点考察了气相色谱进样口参数的优化。分别设定进样口温度为240、260、280 ℃进行试验，发现在260 ℃下苯胺类化合物响应占优，这主要是由于进样口温度过低苯胺类化合物气化不完全，过高苯胺类化合物热分解所致，故最终设定进样口温度为260 ℃。同时对比了不分流和脉冲不分流下进样的效果，结果发现脉冲的引入，不仅可以改善苯胺峰拖尾的问题，而且可以提高4-甲基苯胺、3-氯苯胺、3-硝基苯胺等的响应，这主要是由于样品气化后进入色谱柱更快，在衬管中驻留时间缩短所致，故最终选定脉冲不分流的进样方式。

2.3 基质效应

为了进一步评价土壤基质对于苯胺类化合物测定的影响，参照钱卓真等［16］的研究分别配制基质标准溶液和溶剂标准溶液，按照1.2 的条件进行测试后计算基质效应，结果见图3。由图3 可知，除3，3’-二氯联苯胺存在基质抑制作用外，其它苯胺类化合物均存在基质增强效应；除4-氯苯胺以外，基质效应均处于–20%～20%范围内，表明基质效应较弱。这表明本实验优化的前处理方法可有效消除土壤中的基质干扰物。