固相萃取技术富集水中萘的影响因素探讨

李洪鑫，唐 琨，郭震宇

(泰达水业有限公司水质监测中心 天津300457)

萘是一种稠环芳香烃有机化合物，无色，有毒，从炼焦的副产品煤焦油和石油蒸馏中大量产生，早期被用于家庭衣物防蛀、农业杀虫、防腐剂等。由于萘的挥发性较强，受环境影响较大，在许多针对多环芳烃的研究中，已不对其进行讨论，其检测方法也鲜有报道。后经研究表明，萘具有一定毒性和致癌、致畸性[1-3]，并且随着石化工业的发展，萘的需求量显著增多，在相关行业的废水中，甚至湖泊、河流等地表水，乃至地下水中均有萘的检出[4]。因此，建立可靠的萘检测方法十分必要。

萘水溶性较低，水体中的浓度一般在10-9数量级甚至更低，样品必须经富集浓缩后再进行检测，因此萃取技术是整个检测环节的重中之重。相较液液萃取，固相萃取具有方法检出限低、操作简便、不乳化、易于自动化等优点[5]。本研究通过样品改性剂、SPE小柱预处理、洗脱浓缩 3方面进行试验，探讨能否通过优化SPE条件，有效提高萘的回收率，进而提高样品检测准确性。

1 试验部分

1.1 试验材料

1.1.1 标准物质及试剂

萘，购于中国计量科学研究院；乙腈(色谱纯)；二氯甲烷(色谱纯)；甲醇(色谱纯)；异丙醇(色谱纯)；去离子水(电阻率大于 18.0MΩ·cm)；硫代硫酸钠溶液(100g/L)。

1.1.2 仪器耗材

美国Waters公司ACQUITY UPLC超高效液相色谱仪，配 TUV检测器；色谱柱 Waters PAH C18 5µm 4.6×250mm Column；固相萃取柱Waters HLB 60mg，3mL；0.22µm 纤维滤膜。

1.2 仪器条件

柱温 30℃；流动相 A 泵(40%)高纯水，B泵(60%)乙腈，等度洗脱；流速 1.20mL/min；检测波长225nm。

1.3 标准品的制备

萘在空气中和水中会发生不同程度的光氧化和光解作用，因此在配制萘标准溶液时应在尽量暗的条件下进行。标准溶液用色谱纯乙腈稀释制得，标准曲线浓度：2.00、4.00、6.00、7.00、8.00、10.00mg/L。

1.4 样品的采集和保存

由于去离子水背景低、干扰小，本研究先采用去离子水为样品进行基础研究，后用实际天然水样品和饮用水样品进行验证。采集水样时，水样应完全注满，不留空气。采集水源水水样时，应将水样瓶(棕色瓶)放入水面下再进行采样，以防表层水的污染。生活饮用水水样，应在水龙头消毒之前采集，在每升水样中加入 0.5mL浓度为 100g/L硫代硫酸钠溶液并混匀，以除去游离余氯。试样应放置于暗处并尽快在采样后24h内萃取，若不能立即进行预处理，在每升水中加入适量样品稳定剂和基体改性剂。

1.5 准确度评价

以实际样品的加标回收率来评价分析方法和测量系统的准确度。

1.6 改性剂试验

量取 24份去离子水样品，每份样品 1000mL。分为A、B、C各两组，A组选用异丙醇作为基体改性剂，B组选用甲醇作为基体改性剂，C组为空白对照。每组设置a、b、c、d 4个处理量，每个处理量设置平行试验，以改性剂加入量为主要考察对象，详见表 1。

表1 改性剂试验Tab.1 Modifier test

待基体改性剂与样品充分混匀后，向每份样品中加入 100µL浓度为 10.00mg/L的萘标准溶液，充分搅拌均匀后进行样品富集。SPE柱的活化与条件化、上样、淋洗、洗脱、浓缩等试验条件和步骤按照CJ/T 141—2018[6]的规定进行，各环节尽量保持一致。富集完成后，收集各样品洗脱液，做好标记，依次上机检测。样品加标回收率见表2。

表2 改性剂试验样品加标回收率Tab.2 Spiked recovery rate of modifier test samples

由表 2结果可见，A组回收率普遍低于 B组，C组基本没有回收；A组和B组内，a、b处理回收率相近，且明显高于c、d处理；各处理平行性良好。

1.7 SPE小柱预处理试验

本研究所用 Waters HLB 60mg，3mL固相萃取小柱，试验前分别采用不同的活化剂和 pH条件对其进行活化。

1.7.1 活化剂试验

取 4支 SPE小柱，分为 A、B 2组，每组设置平行试验。A组依次使用 10mL二氯甲烷，10mL甲醇，10mL浓度为 20%异丙醇水溶液过柱，B组使用10mL甲醇，10mL浓度为 20%异丙醇水溶液过柱。样品的采集与保存、上样、淋洗、洗脱、浓缩等试验条件和步骤按照CJ/T 141 6.30[6]进行，各环节尽量保持一致。富集完成后，收集各份样品洗脱液，做好标记，依次上机检测，计算样品加标回收率。A组样品回收率为 34.2%、32.5%，B组样品回收率为 41.0%、44.6%。使用甲醇和 20%异丙醇水溶液进行活化、条件化的小柱，样品回收率更高。

1.7.2 pH试验

取6支SPE小柱，分为A、B、C 3组，每组设置平行试验，以活化剂的 pH为主要考察对象进行试验。基于上述活化剂试验，SPE小柱使用甲醇和20%异丙醇水溶液进行活化、条件化，结果见表3。

表3 SPE小柱活化的不同pH处理Tab.3 Different pH treatments for SPE column activation

其他步骤按照CJ/T 141—2018[6]的规定进行，各环节尽量保持一致。富集完成后，收集各份样品洗脱液，做好标记，依次上机检测，计算样品加标回收率，结果见表4。

表4 pH试验样品加标回收率Tab.4 Spiked recovery rate of pH test samples

表4显示A、B、C 3组检测结果无显著差异。

1.8 洗脱、浓缩试验

试验分为 A、B、C 3组，分别选用不同有机溶剂进行洗脱和定容，每组设置 a、b、c 3个处理，每个处理设置平行试验，详见表5。

其他步骤按照CJ/T 141—2018[6]的规定进行，富集完成后收集洗脱液，做好标记并上机检测，计算样品加标回收率，结果见表6。

由表6结果可得以下结论：

①A、B 2组回收率无显著差异，且均明显低于C组。

②在 A、B、C 各组中，c处理的回收率在 a、b、c 3个处理中均表现为最高。

③a、b处理在3组试验中均未表现出明显差异。

2 讨 论

2.1 有机改性剂对回收率的影响

由“1.6改性剂试验”可知，不加入改性剂的试验组，回收率在 7%以下，萘几乎没有回收。这是由于萘是稠环芳烃，具有较强憎水性，向水样品中加入一定量的有机溶剂后，使得 C18柱键合表面形成了一层有机薄层，从而改善了其键合表面和水介质间的憎水作用，当样品通过柱床时能够更好地被吸附保留，这一结论与赵利容等[7]的研究结果一致；同时，有机溶剂的加入增加了萘在水溶液中的溶解度，本次试验的供试标准品介质为甲醇，这可能是加入甲醇比加入异丙醇作为改性剂回收率更好的原因。

此外，加入5%和10%改性剂的试验组回收率相近，且高于加入20%和30%改性剂的试验组。这是由于溶剂间存在着竞争吸附作用，改性剂加入量越多，在柱床上的吸附量也越多，与目标组分萘在一定程度上形成了的竞争吸附作用。因此，降低有机溶剂的含量可以有效减小竞争吸附作用，使得目标组分更好地的被吸附在柱床上，提高回收率。

2.2 SPE小柱预处理对回收率的影响

2.2.1 活化剂

“1.7.1活化剂试验”结果显示，使用甲醇和20%异丙醇水溶液进行活化、条件化的小柱，样品回收率更高，经过二氯甲烷活化的小柱，样品回收率降低。C18柱本身存在一定背景，二氯甲烷的引入进一步增大了背景干扰，导致背景空白升高，使得目标化合物相对响应降低，影响检测准确性。

2.2.2 pH

由“1.7.2 pH试验”结果可知，对SPE小柱采用不同 pH处理，对样品回收率无显著影响，不再对其进行讨论。

2.3 洗脱、浓缩对回收率的影响

由上述洗脱、浓缩试验结果分析可知，使用 1∶1二氯甲烷-甲醇溶液进行洗脱，能够得到较好的回收率。对于反相色谱而言，极性溶剂甲醇是弱洗脱剂，不能将 k值较大的萘淋洗下来。二氯甲烷极性较小，理论上应能够达到良好的洗脱效果，但这种理论效果需建立在 C18柱完全干燥的条件下。而实际操作过程中，C18柱的干燥程度难以判断和控制，干燥时间过长会导致 SPE柱床产生裂隙，影响洗脱效果[7]；干燥时间不够，水分残留在柱床上，具有强憎水性的二氯甲烷不能有效发挥作用。采用充分混合的 1∶1二氯甲烷-甲醇溶液作为洗脱剂，有效解决了上述问题，提高了回收率。此外，前文已经提到，萘挥发性强，所以经过氮吹处理的样品回收率普遍偏低。关于洗脱剂的用量对回收率产生的影响，许多学者研究表明[8-9]，适当增大洗脱剂体积对提高回收率有所帮助，但当洗脱体积超过 2mL/次后，对回收率的影响就不明显了。本试验中，采用 5mL+5mL与 2mL+2mL进行洗脱，回收率无明显差异，这一结果与上述研究结论相吻合。

3 验证试验

3.1 预处理条件

基于以上各组试验结论，拟定以下预处理参数和步骤：采用5%甲醇作为样品改性剂(试验表明5%与10%效果相当，从成本和环保角度考虑，最终选择5%)，加入样品，充分混匀；同时，SPE柱使用甲醇和5%甲醇水溶液(与样品保持一致)进行活化、条件化(注意此时柱床不可抽干)；以4～5mL/min的流速使样品完全通过 SPE柱后，加入 5%甲醇水溶液 5mL去除水溶性干扰物，抽气干燥柱床 10～15min，用充分混合的 1∶1二氯甲烷-甲醇溶液作为洗脱剂，600µL+600µL分 2次进行洗脱，收集洗脱液于10mL带刻度尖底试管中，用1∶1二氯甲烷-甲醇溶液定容至1mL刻度线，混匀待测。

3.2 样品制备

分别取9份地表水样品和9份管网水样品，每份样品 1000mL。每份管网水样品加入 0.5mL硫代硫酸钠溶液(100g/L)脱氯，加入改性剂，其中 7份样品加入浓度为 10.00mg/L的标准溶液 100µL；地表水样品加入改性剂，其中 7份加入浓度为 10.00mg/L的标准溶液100µL，所有样品逐份经0.22µm纤维膜过滤。

制备好的样品按照“3.1预处理条件”设定的参数和步骤进行固相萃取。

3.3 检测结果

表7 实际样品加标回收率Tab.7 Spiked recovery rate of actual samples

经计算，全部样品回收率均在 70%以上，且精密度良好。

4 结 论

本研究通过样品改性剂、SPE小柱预处理、洗脱浓缩3方面试验，验证了优化样品预处理条件能够有效提高萘的回收率。试验结果表明，样品改性剂选用5%～10%甲醇，SPE柱的活化无需二氯甲烷的引入，洗脱剂由原来的纯二氯甲烷优化为 1∶1二氯甲烷-甲醇溶液，浓缩不经氮吹处理，这些都使萘的回收率得到有效提高且重现性良好，提高了样品检测的准确性和稳定性。另一方面，优化后的方法缩短了检测时间，减少了氮气和有机溶剂的使用，在节约成本的同时，降低了有机试剂对操作人员健康的伤害，减少了污染物的形成与排放。