固相膜萃取-超声洗脱衍生法 分析水中酚类化合物

张 莉，张永涛，张辰凌，李晓亚，桂建业

(中国地质科学院水文地质环境地质研究所监测中心，河北 正定 050803)

随着科技的发展和人民生活水平的提高，环境污染成为人们关注的首要问题。环境污染的特征之一是有机污染，而酚类是有机污染物的一大类，对一切生物都有危害。酚类化合物含有羟基官能团，直接用液相色谱或气相色谱法进行分析的检出限较高。利用化学反应将酚类转化为弱极性化合物，可以增大该类化合物的挥发性，提高其在色谱上的分辨率，从而实现该类化合物的气相色谱高灵敏度分析。在目前标准方法或文献中[1-5]，该类化合物最成熟的预处理手段是液液萃取或固相小柱萃取，分析流程基本是萃取—浓缩—测定或衍生后测定的模式，而繁杂的预处理过程必然造成目标物损失。因此有必要探索新的预处理途径，以保证分析的准确度和精密度。超声技术[6-9]以萃取速度快、溶剂用量少而被广泛应用于有机分析的预处理工作中，但仅适用于固体样品的分析，若在水分析中应用该技术，必须要进行液固转换。液液萃取不能实现液固转换，固相柱萃取可以达到这一目的，但利用超声技术解吸化合物的难度较大，固相膜萃取为这一技术的实现提供了可能。在文献[10]中，以硅胶为吸附剂的C18膜片对水中多环芳烃进行分析；在文献[11]中，用C8膜片对水中的有机氯农药、羧酸类有机物进行了超声萃取。但未见对酚类化合物研究的报道。以苯乙烯/二乙烯苯聚合物为吸附剂的SDB-XC固相萃取膜适合保留含有亲水基团的疏水性酚类化合物，因其具有比表面积大、路径短、不易堵塞、高选择吸附等特点，能够快速地将液体样品转化为固体样品，更容易将样品无损转移到合适的器皿中，从而实现超声洗脱衍生分析。

本研究拟采用SDB-XC膜萃取酚类化合物，结合超声技术使用最少的溶剂、最短的时间对膜片上的化合物同时洗脱衍生，并减少溶剂浓缩、转移等过程，以达到提高分析效率、增加准确度、减少环境次生污染、为同类有机物的分析提供技术思路的目的。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

TRACE DSQ气相色谱-质谱联用仪：美国Thermo公司产品；KQ-700DV数控超声波清洗器：昆山市超声仪有限公司产品；SBEQ-CP0100膜片式固相萃取仪：德国CNW公司产品；SDB-XC萃取膜(47 mm)：美国3M公司产品；衍生瓶(10 mL)：美国 Supelco公司产品。

二氯甲烷、丙酮和正己烷(农残级)：德国Merck公司产品；五氟苄基溴(纯度为95%)：美国Thermo Fisher公司产品；K2CO3、磷酸：均为优级纯，北京化学试剂厂产品；2-甲酚、4-甲酚、2,4-二甲基苯酚、2-氯苯酚、4-氯-3-甲基苯酚、2,4-二氯苯酚、2,4,6-三氯苯酚、2,3,4,6-四氯苯酚、五氯酚标准物质：德国Dr.Ehrenstorfer公司产品。

1.2 实验条件

HP-5MS色谱柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)；程序升温：初始温度90 ℃，以30 ℃/min升至200 ℃，再以10 ℃/min升至300 ℃，保持2 min；进样口温度230 ℃；不分流进样，进样体积1 μL。

反应气：甲烷；电离能量：70 eV；负化学电离源(NCI)温度：200 ℃；连接杆温度：220 ℃；选择离子扫描(selected ion monitoring)模式。主要参数列于表1。

表1 衍生产物定性定量主要参数Table 1 Main qualitative and quantitative parameters of derivative products

1.3 样品处理

将SDB-XC固相萃取膜装在膜片式固相萃取装置上，依次用5 mL二氯甲烷、5 mL丙酮和10 mL纯水进行活化，保持膜片上有3～5 mm高度的纯水。在500 mL水样中(预先除去沉淀物和悬浮物)，加入磷酸溶液(1∶1，V∶V)调节水样pH 3～4，以约100 mL/min的流速流经萃取膜。萃取完成后，继续抽真空约2 min。将膜片折叠放入衍生瓶中，加入2 mL丙酮、200 μL 10%五氟苄基溴溶液和10 μL 30%K2CO3溶液，盖好瓶盖，置于数控超声波清洗器中。

设置水浴温度40 ℃，功率40%，动态萃取衍生20 min后，取出衍生瓶，放至室温后，取出1.0 mL溶液于浓缩瓶中，用微弱的氮气流吹至近干，以正己烷定容至1 mL，待气相色谱-负化学源质谱检测。

1.4 溶剂及标准溶液的制备

10%五氟苄基溴：称取1 g五氟苄基溴溶于10 mL丙酮溶剂中，低温保存。

30%K2CO3溶液：称取3 g K2CO3溶于10 mL纯水中。

称取适量酚类标准物质于丙酮溶剂中，再逐级稀释成1.0 mg/L的标准使用溶液。用此溶液制备成溶剂为丙酮、体积为2 mL、浓度范围为10～200 μg/L的标准系列溶液，按照1.3节衍生、超声条件进行处理。

2 结果与讨论

2.1 固相膜与水样酸度的优化

图1 两种膜片的回收率对比Fig.1 Comparison of recoveries between two disks

以硅胶为吸附剂的C8固相萃取膜在最佳酸性条件(pH<2)下对酚类化合物是选择性吸附，吸附对象主要是分子质量较大、溶解度较小的多氯酚，回收率可达70%以上，对小分子的2-甲酚、4-甲酚等回收率只有10%左右。SDB-XC固相萃取膜的吸附剂是苯乙烯/二乙烯苯聚合物，适合保留含有亲水基团的疏水性酚类化合物，但其吸附效果与水样pH值有很大关系。理论上，当水样pH<2时，酚类化合物不带电荷，能够很好地保留在SDB-XC膜上，但实际结果并非如此。逐渐增大水溶液的pH值，当pH 3～4时，膜片对其有较好的吸附保留，回收率在78%～103%之间。因此，使用SDB-XC膜片，优化溶液pH值非常关键。两种萃取膜片的萃取回收率对比图示于图1，不同水样酸度对回收率的影响示于图2。分析还发现，水样流速在80～100 mL/min范围内的回收率不受影响，均在70%以上，这与膜片比表面积(450 m2/g)较大、水流路径(膜片厚度0.5 mm)较短、水样与膜片接触时间(5 min)短有很大关系。因此，本方法确定流速为100 mL/min。

图2 水样酸度对回收率的影响Fig.2 Effect of water pH on recoveries

2.2 超声衍生条件优化

在酚类与衍生试剂的反应中，溶剂提供衍生环境，K2CO3溶液提供碱性环境，因此，所选择的溶剂要与K2CO3溶液互溶才能达到较好的衍生效果。经验证，在与之互溶的甲醇、丙酮中衍生回收率均在70%以上，本实验选择丙酮为溶剂。为达到较好的洗脱和衍生效果，并避免分析过程中溶剂的浓缩，对洗脱溶剂的加入量进行了控制。经观察验证，在10 mL衍生瓶中加入2 mL溶剂能够将膜片完全浸没，衍生完毕后能够定量取出1 mL溶剂完成后续的分析检测。本实验以五氟苄基溴为衍生试剂对酚类化合物进行衍生。当10%五氟苄基溴的加入量分别为25、50、100、200 μL时，衍生效率逐渐增大，如继续加大五氟苄基溴的用量，衍生效率则无明显变化，因此，本方法确定的衍生试剂加入量为200 μL。逐渐改变30%K2CO3溶液的加入量，当加入量为10 μL时有较好的衍生效果，衍生效率均在70%以上。

定量取出1 mL溶剂进行后续分析，衍生过程中为避免丙酮(沸点56 ℃)的挥发，最终确定超声温度为40 ℃；膜片在大功率超声下会有微量溶出，造成萃取液的轻度浑浊，因此确定超声功率为40%。在此基础上优化了衍生时间，发现超声衍生20 min的衍生效率能够达到最大值。

2.3 干扰和净化分析

标准溶液的配制使用丙酮作为溶剂，与样品衍生溶剂一致，避免了因溶剂不同产生分析误差。SDB-XC固相萃取膜具有高选择性，吸附酚类的同时可对水中干扰物进行部分净化，化合物的洗脱和衍生一体化，避免了溶剂的多次浓缩和转移，基本无干扰引入。因此，净化的主要对象是过量的五氟苄基溴和K2CO3。按照1.3节的氮吹处理可去除衍生试剂；氮吹近干时，K2CO3会结晶在浓缩瓶底部，不溶于正己烷溶剂，K2CO3的存在对检测无影响。在该条件下，SDB-XC会吸附部分羧酸类有机物，并衍生，但一般情况下，衍生产物的保留时间和定量离子不会与酚类化合物重叠，因此，对酚类化合物不产生影响。

2.4 仪器配套检测

用气相色谱(ECD检测器)检测时，化合物有较低的检出限，但对衍生产物的定性有一定困难。气相色谱-质谱(EI源)对净化要求较低，但检出限较高。气相色谱-负化学源质谱(NCI源)对含有卤素原子的化合物有非常灵敏的响应，而对基质中大多数杂质不响应，因此，其色谱图中杂质峰很少、本底低、信噪比更强，灵敏度比EI源提高了1～2个数量级，只需简单净化就可得到较低的检出限。各化合物的定量、定性离子列于表1。酚类化合物衍生物的总离子流图示于图3。

注：1.2-甲酚；2.4-甲酚；3.2,4-二甲基苯酚；4.2-氯苯酚； 5.4-氯-3-甲基苯酚；6.2,4-二氯苯酚； 7.2,4,6-三氯苯酚；8.2,3,4,6-四氯苯酚；9.五氯酚 图3 酚类化合物衍生物的总离子流图Fig.3 Total ion chromatogram of phenolic compound derivatives

2.5 方法评价

各化合物在10～200 μg/L浓度范围内，其线性相关系数(r2)均大于0.997。向空白水中加入酚类化合物标准溶液，以逐级降低浓度添加水平的方法来确定方法的检出限和定量限。当水样体积为500 mL，洗脱体积为2 mL(即样品浓缩倍数为250倍)时，检出限(S/N=3)、定量限(S/N=10)及相关参数列于表2。以TOC(总有机碳)<0.2 mg/L的纯水和TOC=4.9 mg/L的地下水为基体，添加样品浓度水平分别为0.1、0.2、0.5 μg/L，相应的仪器检测浓度值分别为25.0、50.0、125.0 μg/L。按照优化的条件进行分析，回收率为70%～107%，相对标准偏差为3.8%～10.4%。以TOC分别为18.4、32.4 mg/L的2个地表水为基体进行上述浓度的加标，部分样品的回收率降低，对此类样品可采用减少水样量的方法进行检测分析。说明该方法不适用于严重污染的地表水及其他工业废水。

表2 检出限、定量限及相关参数Table 2 Detection limits, quantitative limits and correlation coefficients

2.6 实际样品分析

采用本方法分析不同地域的水样，部分样品有检出，对其中3个TOC含量分别为0.78、1.39、3.14 mg/L的样品进行不同浓度的加标分析，其回收率在70%～108%之间，结果列于表3。表3中数据说明了酚类污染的广泛性及污染程度，基体加标分析结果验证了该方法的可行性。

表3 样品和基体加标分析结果Table 3 Detection and spiked results of real samples

续表3

3 结论

本研究利用超声技术的优势，将超声、衍生技术融为一体，避免了溶剂的多次浓缩和转移所造成的化合物损失，有较高的准确度和精密度，负化学源技术的使用降低了检出限。实验中，膜片活化溶剂使用量为10 mL，洗脱衍生溶剂使用量为2 mL，萃取时间为5 min，超声洗脱和衍生时间仅为20 min，远低于国家环境标准方法及相关文献[1-5]的时间和溶剂使用量，是一种低污染、高效率的分析技术，在实际检测分析中有很好的应用价值。