涡旋提取-衍生-气相色谱质谱法测定中低温煤焦油中18种酚类化合物

刘 念，周润泽，刘 洋，王燕燕

(江西省核工业地质局测试研究中心，江西 南昌 330002)

煤焦油是我国重要的重质碳资源，煤焦油是从煤炭的热解中获得的液体油品[1]。中低温煤焦油在常温下呈黑色粘绸状的液体，具有产量高、结构复杂以及不可再生等特点[2]。近年来，中低温煤焦油越来越受到重视，其主要原因是中低温煤焦油富含大量的酚类物质，酚类化合物具有广泛的应用。其中苯酚和甲酚是中低温煤焦油中的代表，苯酚主要用于生产酚醛树脂、己二酸、苯胺和水杨酸等，在合成纤维、合成橡胶、塑料、医药、染料和涂料等方面有着广泛的应用。甲酚主要用于生产塑料、增塑剂、防腐剂、高级染料、橡胶防老化剂、炸药、医药及人造香料等[3，4]。酚类是煤焦油中的高附加值产品，高效准确地测定中低温煤焦油中酚类化合物含量，有助于选择合适的加工方法，提高中低温煤焦油的利用价值[5]。

目前煤焦油中酚类化合物的检测方法还未制定成国家标准。固体废物中的酚类化合物的检测主要依据HJ 714-2014《固体废物 酚类化合物的测定 气相色谱法》。该方法采用先提取或浸出，再转移到水溶液中萃取，存在萃取时间长，中低温煤焦油组分复杂，基体干扰较大，气相色谱检测器响应度低，测试结果易出现假阳性，不利于定量分析[6]。常见的衍生化方法有硅烷基化衍生、酰化衍生、烷基化衍生[7-9]。结合HJ 834-2017《土壤和沉积物 半挥发性有机物的测定 气相色谱-质谱法》附录B.2硅胶净化酚类化合物，选用五氟苄基溴作为衍生化试剂。针对中低温煤焦油基体复杂、干扰因素较多、前处理困难等特点，对中低温煤焦油中酚类化合物的提取和净化方法进行了优化。

拟采用涡旋振荡提取-无水硫酸钠柱-五氟苄基溴衍生化-硅胶柱-气相色谱-质谱联用技术对中低温煤焦油中酚类化合物含量进行测定，是一种快速简便、正确度高、精密度高，可以满足中低温煤焦油中酚类化合物的检测要求的测试方法。

1 实验部分

1.1 仪器与主要试剂

仪器：Clarus 680—SQ 8T型气相色谱-质谱仪(PerkinElmer公司)；全自动涡旋振荡器；氮气吹扫仪；固相萃取装置。

酚类化合物混合标准溶液：浓度为1000 mg·L-1。苯酚标准样品。

衍生试剂：5%五氟苄基溴(C7H2BrF5)，称取0.5 g五氟苄基溴，溶于丙酮，并定容在10.0 mL容量瓶中。

层析硅胶(粒径100 μm～150 μm)：置于烘箱中130 ℃活化16 h。

无水硫酸钠：置于马弗炉中，450 ℃烘4 h，冷却后装入干燥器保存。

二氯甲烷、丙酮、正己烷为色谱纯。

1.2 试验方法

在通风橱里，将盛装煤焦油的样品瓶置于60 ℃水浴锅中，使煤焦油样品恢复为黑色粘绸状的液体。准确称取2.00 g煤焦油样品于30 mL玻璃瓶中，加入正己烷10 mL，置入涡旋振荡器提取5 min后制得待测目标物提取液。重复上述提取两次，合并提取液，过无水硫酸钠柱。将提取液转入25 mL比色管中，氮吹浓缩至1 mL～2 mL，待衍生化。

五氟苄基溴衍生化：将浓缩液用丙酮定容至5 mL，加入1 mL 5%五氟苄基溴和100 μL碳酸钾溶液(ρ=0.1 g·L-1)，补加4 mL丙酮，混匀。置于60 ℃水浴中，保持60 min，反应结束后，冷却至室温。继续氮吹将衍生液浓缩至1 mL，加入3 mL正己烷转换溶剂体系，并浓缩定容至1 mL，待净化。

净化：选择8 mL规格的固相萃取空柱，底部加入筛板，依次填充活化后的硅胶(6 cm)-无水硫酸钠(1 cm)，轻轻敲实。采用15 mL正己烷淋洗活化柱子，弃去淋洗液，在液面消失前，将1 mL衍生后的萃取液转移至净化柱中，用少量正己烷多次洗涤比色管，一起转移至净化柱。再用15 mL 20%正己烷-二氯甲烷洗脱硅胶柱，承接于比色管中，用氮吹仪浓缩洗脱液至1 mL以下，定容至1 mL进样瓶中，待测。

1.3 气相色谱-质谱联用仪工作条件

(1)色谱条件：毛细管色谱柱Elite-5MS，30 m×0.25 mm×0.25 μm。进样口温度；载气为氦气(纯度为99.999%)，流速为1 mL·min-1；分流比10/1，设置进样口不分流事件：-0.75 min SPL 2：Value =0，0.5 min SPL 2：Value=10。色谱柱程序升温：50 ℃保持1 min，以8 °C·min-1的速率升温至230 °C，保持6.5 min。

(2)质谱条件：电子轰击离子源(EI)；离子源温度280 ℃；传输线温度280 ℃；电子倍增器电压70 eV；选择性离子扫描模式(SIM)；其他质谱参数与特征离子见表1，GC-MS总离子流图如图1所示(其中 2，4，6-三氯苯酚和2，4，5-三氯苯酚，以及因无法分离而合并计算)。

表1 18种酚类化合物衍生物的质谱参数

图1 18种酚类化合物衍生物GC-MS总离子流图

2 结果与讨论

2.1 样品提取

2.1.1 样品涡旋提取时间

考察涡旋振荡时间对苯酚回收率的影响。称取煤焦油样品三份，分别加入适量的苯酚标准溶液，经涡旋振荡提取2、5、10 min后，对样品中苯酚含量进行测定。通过比较涡旋时间对苯酚回收率的影响，发现在2 min～10 min范围内回收率没有明显差异，与文献[10]结果相一致。为了方便操作，将后续涡旋振荡时间均定为5 min。

2.1.2 样品涡旋提取转速

研究涡旋振荡转速(800 r/min、1500 r/min、2500 r/min和3000 r/min)对苯酚回收率的影响。涡旋提取转速对苯酚回收率的测定结果如图2所示，从图中可知，涡旋转速从800 r/min增至2500 r/min时，苯酚的回收率从72.6%提升到96.4%，随着涡旋转速的增加，苯酚的回收率升高，重复性变好。当转速增加到3000 r/min时，苯酚的回收率降低，且稳定性变差，其原因是转速过高，瓶壁和瓶盖上残留较多所致。

图2 涡旋转速对苯酚回收率的影响

2.2 衍生化条件的优化

2.2.1 衍生化试剂

采用气相色谱-质谱联用直接测定酚类化合物，存在响应值较低、稳定性较差等问题。通过衍生化反应将酚类化合物转化为易挥发的非极性酚类衍生物，可有效提高灵敏度和稳定性。酚类化合物的衍生方法主要有酰化衍生、硅烷化衍生和烷基化衍生3种方法。采用不同衍生方法均有改善峰形，提高检测灵敏度和稳定性等优势，但也各有缺点。例如，酰化衍生法衍生试剂具有腐蚀性，过量的试剂和副产物易损坏密封垫和色谱柱；硅烷化衍生产物对水和酸不稳定，易分解，衍生体系的水分会降低衍生效果；烷基化衍生检测方法较为成熟，常用衍生试剂五氟苄基溴对人眼有刺激性。相比较而言，五氟苄基溴的缺点较易解决，操作时带上护目镜和手套，在通风橱内进行实验。因此，选择五氟苄基溴作为衍生化试剂。

2.2.3 衍生化时间

由于丙酮的沸点为56.53 ℃，衍生反应在水浴锅中进行，因此，控制衍生化温度在50 ℃～55 ℃之间即可。取六份10 mg/L的酚类混合标准溶液各1 mL，分别加入1 mL 5%五氟苄基溴，混匀。分别放入水浴锅中衍生10 min、20 min、30 min、40 min、50 min、60 min后进行测定，结果表明，衍生化反应时间超过50 min后，各衍生物的含量变化不大，因此，选择衍生化反应时间为60 min。

2.2.4 衍生化用量

对于五氟苄基溴和碳酸钾的加入量，主要是考虑到曲线的最高点和煤焦油样品能够快速完全反应。其中，碳酸钾的作用是消耗生成的副产物，加速衍生化反应的进行，因此，两种衍生试剂需要远远过量。因此选用1 mL 5%五氟苄基溴和100 μL碳酸钾溶液(ρ=0.1 g·L-1)。

2.3 净化中洗脱剂的选择

采用固相萃取净化酚类化合物，需将酚类化合物吸附到填充柱上，再用洗脱剂淋洗将其解吸至洗脱剂中。因此，选取不同洗脱剂对标准酚类化合物衍生物洗脱性能的影响至关重要。在固相萃取柱中填充一定量的层析硅胶，取衍生后的酚类化合物混合标准溶液(10 mg·L-1)100 μL过柱，分别以20 mL正己烷、20 mL 50%正己烷-二氯甲烷、20 mL 20%正己烷-二氯甲烷、20 mL二氯甲烷等不同洗脱剂淋洗固相萃取柱，接取洗脱液，并氮吹至1 mL，上机测定酚类化合物的含量。18种酚类化合物在不同洗脱溶剂中的洗脱性能如表2所示。测试结果表明，洗脱性能最佳的是20%正己烷-二氯甲烷，正己烷洗脱液中酚类化合物的含量低于检出限。

表2 酚类化合物在不同洗脱溶剂中的洗脱性能

为了进一步考察洗脱剂用量，采用正己烷活化层析硅胶柱，在液面消失前，取衍生液100 μL过柱，并以10 mL正己烷淋洗固相萃取柱，承接于比色管中，氮吹至1 mL，待测。其目的是为了除去硅胶未吸附的一些杂质。继续用20%正己烷-二氯甲烷洗脱目标化合物，流速控制在1 d·s-1，每加入3 mL 20%正己烷-二氯甲烷承接于比色管中一次，连续接取7次洗脱液，洗脱液氮吹至1 mL，待测。继续加入10 mL丙酮溶剂洗脱，流速控制在1 d·s-1，承接于比色管中，洗脱液氮吹至1 mL，上机测定所有洗脱液中酚类化合物含量。加丙酮洗脱的目的是判断硅胶中目标物的残留率。测试结果表明，正己烷洗脱液中酚类化合物的含量低于检出限，酚类化合物全部被吸附到硅胶上；由于丙酮的极性比二氯甲烷更强，丙酮洗脱液中其含量也低于检出限，表明层析硅胶柱在在20%正己烷-二氯甲烷溶剂洗脱5次后，硅胶中吸附的酚类化合物几乎完全被洗脱。因此，选择15 mL 20%正己烷-二氯甲烷溶剂作为净化的洗脱剂。

2.4 标准曲线和方法检出限

按试验方法对18种酚类化合物混合标准溶液进行测定，结果表明，18种酚类化合物衍生物在1.0 mg·L-1～100.0 mg·L-1范围内质量浓度与峰面积呈线性关系，标准曲线见表3。采用涡旋振荡及其衍生方法处理空白加标样品，重复7次测定酚类化合物衍生物含量，并依据HJ 168-2020《环境监测分析方法标准制修订技术导则》附录A中检出限部分，计算出方法检出限为0.02 mg·kg-1～0.07 mg·kg-1，方法检出限见表3。

表3 酚类化合物衍生物标准曲线和检出限

2.5 中低温煤焦油样品分析

按照优化后的涡旋提取方法和衍生净化条件对江西省某厂区采集的中低温煤焦油样品进行分析。参照样品处理的具体方法与测定条件，对煤焦油样品进行测定，测定结果见表4。重复样品的相对偏差(2.8%～9.2%)均小于20%，并且低浓度样品结果的稳定性较好，测试结果满足要求，表明该方法适用于中低温煤焦油中酚类化合物的分析检测。

表4 中低温煤焦油样品分析结果

3 结语

采用涡旋振荡提取中低温煤焦油样品中酚类化合物，通过优化涡旋提取时间与提取转速，选择合适的提取条件用以提取固体样品中的酚类化合物。比较酚类化合物的衍生的方法，选择较为稳定的五氟苄基溴作为衍生试剂，并优化衍生化反应的温度、时间和衍生试剂用量等条件参数。探究不同洗脱剂对酚类衍生物的洗脱性能，选取15 mL 20%正己烷-二氯甲烷溶剂作为净化的洗脱剂。该方法灵敏度高，准确度和精密度好，能满足中低温煤焦油中的酚类化合物的测定，具有广阔的应用前景，同时也为环境监测鉴别固体废物煤焦油中酚类化合物含量提供理论依据。