便携式GC-MS测定水中酚类化合物的方法研究

2022-10-28解光武杨强强赵华勇王焕香刘雷璐

四川环境 2022年5期

解光武，杨强强，赵华勇，王焕香，刘雷璐

(1. 广东省生态环境监测中心，广州 510308;2. 杭州谱育科技发展有限公司，杭州 310006)

前言

突发环境事件起因主要有交通运输事故、安全生产事故、自然灾害次生引发以及企事业单位违法排污(非法倾倒或填埋)等[1]，但交通运输事故引发的突发环境事件数量占比较高。2020年4月及11月，在广东省揭阳市和新疆发生的交通事故中，分别有约29t苯酚和31.9t邻苯甲酚泄漏，对水环境安全造成了较大影响。这两起事故均选择实验室分析方法进行检测，样品运输花费了大量的时间，一定程度上影响了应急处置工作。目前，我国便携式气质联用仪保有量大，省级生态监测机构基本都配有便携式气质联用仪，一半以上地市生态监测站配置了该仪器。同时，便携式气质联用仪已多次应用于突发事故的现场检测，如天津滨海新区爆炸事故、江苏盐城响水大爆炸等，为现场应急处置提供了技术支撑。

目前，水中酚类化合物标准检测方法主要有4-氨基安替比林分光光度法[2]、流动注射-4-氨基安替比林分光光度法[3]、气相色谱-质谱法[4]等，这些分析方法通常需要实验室台式仪器，机动性差，适用于常规监测，对于突发事故的快速检测具有一定的局限性。近年来，便携式气质联用仪的快速检测方法研究发展较为快速。段炼等[5]建立了水中2-甲基异莰醇(2-MIB)和土臭素(GSM)的SPME-便携式GC-MS法，检出限、回收率等指标均达到国标方法水平。陈欢等[6]采用便携式GC-MS法分析水中6种有机磷农药，在12min内可完成样品的分离，与实验室GC法定量相比最大偏差仅为1.6 μg/L，而且该方法操作更加方便、快捷，适于现场快速检测。为更好地完成应急监测工作，加强水中酚类化合物的快速检测能力，本工作将以苯酚、邻-甲苯酚、间-甲苯酚、对-甲苯酚及2-氯苯酚作为目标组分进行研究。利用固相微萃取柱吸附性能好，质谱能够快速定性、定量，便携设备可以在现场实施检测等优势，开展方法学研究。

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

便携式固相微萃取仪-气相色谱/质谱仪(杭州谱育科技发展有限公司)；DB-1色谱柱(5 m×0.1mm×0.4 μm )、DB-5色谱柱(5m×0.1mm×0.4μm)、DB-624 色谱柱(10 m ×0.1mm×0.4 μm )；PA、PDMS、PDMS/DVB型萃取纤维柱(美国Supelco公司)；20 mL顶空瓶(上海安谱实验科技股份有限公司)；100mg/L苯酚、邻-甲苯酚、间-甲苯酚、对-甲苯酚、2-氯苯酚标准溶液(甲醇作溶剂，上海安谱实验科技股份有限公司)；氯化钠(AR,浙江汉诺化工科技有限公司)；甲醇(HPLC，默克股份)；盐酸(GR，国药集团)。

1.2 实验方法

1.2.1 仪器条件

色谱条件：进样口温度为220℃；载气为高纯氦气，流量为0.2 mL/min，分流比为30∶1。

采用程序升温，60℃保持1 min，以20 ℃/min的速率升至130 ℃，再以15℃/min升至280℃。质谱条件：离子阱温度为150℃，EI源，离子化能量70 eV，扫描质荷比范围为41 ～ 300，扫描方式为全扫描。固相微萃取仪条件：加热平衡温度为70℃，加热平衡时间5 min，顶空萃取时间40 min，搅拌磁子转速为1000 r/min。

1.2.2 样品采集与分析准备

使用棕色玻璃瓶采集样品，使样品充满样品瓶，样品采集后尽快检测。如检测目标化合物浓度超过工作曲线最高点浓度时，则需对样品稀释后重新进行测定。使用移液枪移取10.0mL样品于20mL顶空瓶中，立即密封样品瓶，萃取后分析。将标准溶液用空白试剂水稀释，配制成目标化合物质量浓度为20.0μg/L的标准溶液，每次实验控制单一变量进行对比研究，选择最优条件进行实验。将标准溶液用空白试剂水稀释，配制成目标化合物质量浓度为50.0μg/L的标准溶液，按照仪器参考条件进行分析，得出每个目标化合物的保留时间和标准质谱图。

2 结果与讨论

2.1 色谱柱的选择

为了确认最佳色谱柱，本方法选择了目前市场上应用较为广泛且具有不同极性的色谱柱作为研究对象，色谱柱型号分别为 DB-1 5m × 0.1mm × 0.4μm (非极性)；DB-5 5 m×0.1 mm × 0.4μm (弱极性)；DB-624 10m × 0.1mm × 0.4μm (中极性)。

1.苯酚；2.2-氯苯酚；3、4.间，对-二甲苯酚； 5.邻-甲苯酚图1 5种酚类经DB-5色谱柱分离的TIC图Fig.1 TIC diagram of DB-5 column for separation of 5 phenols

配制含5种酚类物质浓度均为50μg/L的标准混合溶液，考察各目标组分的分离效果，经试验可知，采用DB-1色谱柱时5种酚类物质能够在3.5 min内出峰，苯酚与2-氯苯酚有小部分重叠，其它物质分离良好；采用DB-5色谱柱时，样品能够在4.7 min内出峰，苯酚与2-氯苯酚完全分离，色谱柱分离情况见图1；采用DB-624时，苯酚的响应低于检出限，其它酚类有明显的拖尾现象。综合峰形与分离效果，最终选择DB-5色谱柱作为分离柱。

2.2 固相萃取柱的选择

根据“相似相溶”原理，不同涂层材质萃取纤维对同一物质的吸附能力有所差别。因此，研究了目前常用的100 μm PDMS、65 μm PDMS/DVB以及85 μm PA三种萃取纤维柱对苯酚类物质萃取的效果，结果如图2。结果表明，相同条件下PDMS/DVB萃取纤维柱对2-氯苯酚的萃取效率约是PA萃取纤维柱的2倍，对间，对-二甲苯酚与邻-甲苯酚的萃取效率约为PA的1.5倍，而对于苯酚二者的萃取效率基本相同；而PDMS萃取纤维柱对五种苯酚类物质基本没有萃取效果，因此选择PDMS/DVB作为萃取柱。

图2 萃取柱类型对萃取效果的影响Fig.2 Effect of the extraction column type on extraction efficiency

2.3 萃取温度的选择

苯酚类物质沸点多在180～200℃之间，通过加热混合物能够增加溶液上方蒸气压，加速其与萃取纤维之间的传质过程，缩短平衡时间。因此，在其他条件不变的情况下，使用PDMS/DVB萃取柱分别探究了萃取温度在40、50、60、70和80℃时，5种苯酚类化合物的萃取情况，结果如图3。由图可以看出，随着萃取温度的升高，各物质的萃取效果提升了1.5～3.1倍左右；最佳萃取温度为70℃，而在80℃时反而有所下降，这主要是由于萃取温度过高会降低挥发物在萃取柱上的分配系数，降低了萃取效率。

图3 温度对萃取效果的影响Fig.3 Effect of extraction temperature on extraction efficiency

2.4 萃取时间的选择

萃取时间对萃取效率有着直接的影响，因此考察了在萃取温度为70 ℃，搅拌子速为1 000r/min时，不同萃取时间时对五种酚类物质的响应情况。结果表明，在10～40 min范围内，随着萃取时间的延长，除苯酚外，其他四种物质的响应峰面积呈倍数式增长，在40 min后增长缓慢，结果如图4。在保证仪器灵敏度的前提下，同时为了满足现场应急快速检测的需求，故选择40 min作为最优的萃取时间。

图4 萃取时间对萃取效果的影响Fig.4 Effect of extraction time on extraction efficiency

2.5 无机盐的影响

有研究表明，盐度对水溶液中气-液两相分配常数有一定的影响[7]。取10mL浓度为 20.0μg/L的标准溶液，分别加入0 g、1.5 g、2.5 g以及3.5g NaCl，研究盐度对水中苯酚类物质测定的影响，结果见图5。从下图可以看出，随着NaCl投加量的增加，萃取效果逐渐增加，且当投加3.5 g NaCl时比未投加时效果提升了5.6～6.6倍，故选择0.35 g/mL作为最佳投加量。

图5 氯化钠的投加量对萃取效果的影响Fig.5 Effect of NaCl dosage on extraction efficiency

2.6 pH值的影响

酚类化合物属于弱酸性物质，在水中容易发生电离。因此，在酸性条件下能够抑制羟基的水解，使酚类化合物以分子的形式存在，增加其与萃取纤维的亲和力。考察了pH值在2.0～7.0范围内，五种苯酚类化合物的响应情况，如图6。结果显示，pH在3.0～6.0范围内，对五种酚类化合物均有较好的萃取效果，在pH等于7.0时，2-氯苯酚萃取效率降低50%左右，故pH在3.0～6.0范围内均具有较好的萃取效果。

图6 初始pH对苯酚类化合物萃取效果的影响Fig.6 Effect of initial pH on extraction of phenolic compounds

3 方法效能验证

3.1 线性方程、检出限和精密度

使用蒸馏水将标准溶液配置成2.0，5.0，10.0，20.0，50.0μg /L的混合标准水溶液系列，在最优条件下，经SPME前处理后，使用便携式气质联用仪进行测定。以质量浓度为横坐标，以对应的色谱峰面积为纵坐标，绘制标准曲线，结果见表1。

在最优条件下测定3μg /L的混合标样，平行测定7次，计算标准偏差S，按照MDL=S×t(n-1,0.99)(在99%的置信区间内，t6,0.99=3.143)计算方法检出限，结果表明五种酚类检出限为0.96～1.64 μg/L，低于地表水中相应的限值。用上述方法测定10.0 μg/L的5种酚类标准混合液，平行测定6组，计算RSD为6.58%～11.03%，说明该方法对苯酚的测定具有良好的精密度。

表1 标准曲线、方法检出限和精密度Tab.1 Standard curve, method detection limit and precision

3.2 实际样品分析

采用上述方法对某溪水进行现场测定，5种苯酚类化合物均未检出。对实际水样分别进行5 μg/L(低质量浓度)、40 μg/L(高质量浓度)加标回收实验，重复三次，计算平均值，低、高质量浓度回收率范围分别为69.4%～95.6%和91.5%～102.5%。结果表明实际水体的基质对本方法影响较小，可用于实际水中酚类物质的测定(表2)。