硫酸二甲酯衍生化-顶空气相色谱法测定环境水样中3 种氯酚

王孝生 卢嘉 孙军勇

（1. 马鞍山市环境监测中心站，安徽马鞍山 243001；2. 安徽师范大学化学与材料科学学院，安徽芜湖 241000）

1 引言

氯酚类化合物广泛用于造纸、印刷、印染、皮革、涂料、制药中间体等行业产品的原料及防腐消毒［1］，成为环境中典型的有机卤代污染物，具有致畸、致癌、致突变的“三致”作用和环境持久性［2］。欧洲环境署将氯酚列为优先控制污染物，美国国家环境保护总署对美国地表水中的氯酚类进行了限值规定［3］。此外，2，4-二氯酚、2，4，6-三氯酚和五氯酚已被我国列入水中优先控制污染物名单。《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）中也将2，4-二氯酚、2，4，6-三氯酚和五氯酚列为生活饮用水地表水源地特定项目，标准限值分别为0.093，0.2，0.009 mg/L。

目前，水中氯酚类化合物的测定方法主要有分光光度法［4］、气相色谱法［5］、高效液相色谱法［6］。前处理方法主要包括液液萃取［7］、固相萃取［8］、微萃取［9-10］、顶空［11］等。液液萃取和固相萃取均涉及有机溶剂，有机溶剂的使用增加了污染环境和危害分析人员健康的风险。微萃取技术成本高昂，操作复杂且重复性无法保证。由于氯酚类含有羟基，在氢键的作用下沸点高，挥发性低，而且能与水形成共沸物，直接顶空气相色谱法会使大量水汽进入色谱柱，影响色谱柱寿命，方法灵敏度也相对较低。有报道采用乙酸酐为衍生化试剂将氯酚类转化为酯类化合物［12］，再通过吹扫捕集-气相色谱-质谱法测定水中氯酚类，但乙酸酐会跟水反应产生乙酸，加入的碱也与乙酸酐反应，需严格控制操作条件，同时，该方法不适用于五氯酚的检测。因此，建立一种简单、通用且具有温和分析条件的环境水样中氯酚的气相色谱分析法在当前环境监测中是十分必要的。

本文采用硫酸二甲酯为衍生化剂，在碱性条件下，将2，4-二氯酚、2，4，6-三氯酚和五氯酚转化为更易挥发的醚类化合物，经顶空前处理后用带有电子捕获检测器的气相色谱仪测定，建立了3 种方便快速、操作性强、灵敏度高和分析条件更温和的环境水质氯酚检测方法。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

7890B 气相色谱仪（美国安捷伦），配备电子捕获检测器；7697A 顶空自动进样系统（美国安捷伦）；氢氧化钠（98%～100.5%，阿拉丁）；硫酸二甲酯（99%，罗恩试剂）；2，4-二氯酚标准品（1.04 mg/mL中国计量科学研究院）；2，4，6-三氯酚标准品（1.03 mg/mL，中国计量科学研究院）；五氯酚（0.973 mg/mL，中国计量科学研究院）；甲醇（色谱纯，中国国药集团）；22 mL 顶空瓶，使用前在120 ℃下烘烤2 h。

2.2 色谱条件

色谱柱：HP-5 毛细管柱（30 m×0.320 mm×0.5 μm）。初始温度60 ℃，保持2 min，以10 ℃/min的速率升至220 ℃，再以20 ℃/min 的速率升至280 ℃，保持1 min，进样量为1 mL。

2.3 标准溶液的配制

低浓度标准溶液的配制：将3 种氯酚类标准品用甲醇配制成混合标准溶液Ⅰ（2，4-二氯酚、2，4，6-三氯酚和五氯酚浓度分别为10.4，0.258，0.486 μg/mL），分别于装有10 mL 纯水的顶空瓶中，加入2，10，20，50，100 μL 的3 种氯酚类混合标准溶液Ⅰ；高浓度标准溶液配制：将3 种氯酚类标准品用甲醇配制成混合标准溶液Ⅱ（2，4-二氯酚、2，4，6-三氯酚和五氯酚浓度分别为104，2.58，4.86 μg/mL），分别于装有10 mL纯水的顶空瓶中，加入2，10，20，50，100 μL 的混合标准溶液Ⅱ。在上述的溶液中加入0.5 mL 氢氧化钠溶液（1.5 mol/mL）和100 μL 硫酸二甲酯，迅速加盖密封并振摇使之混合均匀，在80 ℃下振荡平衡30 min后顶空进样分析。

另取若干份10 mL 纯水分别移入顶空瓶中，再分别加入100 μL 的3 种氯酚类混合标准溶液Ⅱ，用于调节优化实验。

2.4 衍生化方法

准确吸取10 mL 水样移入顶空瓶中，加入0.5 mL氢氧化钠溶液（1.5 mol/mL）和100 μL 硫酸二甲酯，迅速加盖密封并振摇使之混合均匀，在80 ℃下振荡平衡反应30 min，反应原理见图1，然后顶空进样分析。

图1 氯酚的衍生化反应原理

3 结果与讨论

氯酚类的羟基与水分子中的氢相互作用产生氢键，因此，氯酚类在水中难以通过顶空进行测定。有实验通过加入磷酸减弱酚类与水之间的氢键作用［11］，通过顶空测定，但灵敏度有限。有文献显示，酚类与硫酸二甲酯在氢氧化钠水溶液中能生成醚类［13］，羟基转化为甲氧基，可以消除酚类羟基之间的氢键作用力，同时甲氧基分子量小，有助于降低产物的沸点，具体见表1。有机物在水中的挥发性不仅与有机物的沸点有关，还与其和水之间相互作用力的大小有关，作用力越大挥发性越弱，反之，挥发性越强，酚类的羟基与水之间的氢键作用力很强，能够与水形成共沸效应，醚类就没有这方面的影响。因此，通过3 种氯酚与硫酸二甲酯的衍生化，大大提高了目标产物的挥发性，再通过顶空气相色谱法测定衍生物的含量，减少水汽进入色谱柱，提高方法的灵敏度，同时较大程度上提高了色谱柱的使用寿命。

表1 氯酚类及其对应的甲基氯苯醚的沸点比较 ℃

3.1 3 种氯酚衍生物定性确认

在上述衍生化条件下，2，4-二氯酚、2，4，6-三氯酚和五氯酚3 种氯酚（水样浓度分别为1.04，1.03，0.973 μg/mL）与硫酸二甲酯反应，其衍生物采用气相色谱-质谱法进行定性确认，图2 为其总离子流图。

图2 3 种氯酚衍生物气相色谱-质谱总离子流图

图3 为其质谱图。由图3 可知，3 种氯酚的衍生化产物分别为2，4-二氯苯甲醚、2，4，6-三氯苯甲醚和五氯苯甲醚，主要定性离子质荷比（m/z）分别约为176，195，265，辅助定性离子质荷比分别约为161，210，280。

图3 3 种氯酚衍生物质谱图

3.2 色谱分析

将10mL 纯水分别移入顶空瓶中，分别加入100μL的3 种氯酚混合标准溶液Ⅱ，加入0.5 mL 氢氧化钠溶液（1.5 mol/mL）和100 μL 硫酸二甲酯，迅速加盖密封并振摇使之混合均匀，在80 ℃下振荡平衡40 min后顶空进样，按2.2 的色谱条件分析，色谱图见图4。

图4 3 种氯酚衍生物色谱图

3.3 衍生化反应的优化

3.3.1 衍生化剂加入量的影响

在含有3 种氯酚混合标准溶液的顶空瓶中，加入0.5 mL 1.0 mol/L 氢氧化钠溶液，衍生化剂硫酸二甲酯加入的体积由50 μL 增至200 μL，衍生化剂加入量对峰面积的影响见图5。由图5 可以看出，3 种氯酚衍生物峰面积在硫酸二甲酯加入50～100 μL 范围内不断增加，随后变化不大。硫酸二甲酯加入100 μL 左右时，响应值基本维持稳定。实验结果表明，硫酸二甲酯加入100 μL 时，3 种氯酚的衍生化效果已经达到最佳。

图5 硫酸二甲酯用量对衍生化效率的影响

3.3.2 碱加入量的影响

在碱性水溶液中，3 种氯酚与硫酸二甲酯生成稳定和挥发性较好的醚类化合物。在含有3 种氯酚混合标准溶液的顶空瓶中，各加入0.5 mL 氢氧化钠溶液，浓度由1.0 mol/L 增加至3.0 mol/L。氢氧化钠的浓度对衍生物的峰面积的影响情况见图6。由图6可知，氢氧化钠的浓度升至1.5 mol/L 时，衍生物的峰面积几乎都达到了顶峰。氢氧化钠的浓度增加到2.0 mol/L 时，3 种氯酚类衍生物的峰面积有所变化，但变化不大。当氢氧化钠的浓度增加到3.0 mol/L时，3 种氯酚衍生物的峰面积会急剧变小，若加大硫酸二甲酯的用量至200 μL，3 种氯酚衍生物的峰面积又会升高，可能的原因是高浓度的氢氧化钠抑制硫酸二甲酯的衍生化。实验结果表明，硫酸二甲酯加入100 μL，氢氧化钠加入1.5 mol/L 时，效果最佳。

图6 氢氧化钠用量对衍生化效率的影响

3.3.3 反应温度的影响

温度是确保3 种氯酚化合物衍生化成醚类化合物和在气液两相中快速达到平衡的关键因素。实验比较了不同平衡温度条件对3 种氯酚衍生物测定响应值的影响，结果见图7。从图7 可以看出，在一定范围内，随着平衡温度的升高，3 种氯酚衍生物的积分面积逐渐增大。但到80 ℃以后，随着平衡温度的升高，峰面积增大不明显且有下降趋势。实验结果表明，温度越高衍生化产物越容易蒸发出来。当达到一定程度时，对系统的气密性有影响。综合比较后，确定平衡温度为80 ℃。

图7 反应温度对衍生化效率的影响

3.3.4 反应时间的影响

顶空平衡时间的长短决定了衍生化进行的程度，也决定了样品的分析速度，实验考察了不同平衡时间对3 种氯酚类衍生物测定响应值的影响，结果见图8。从图8 可以看出，3 种氯酚类衍生物的积分面积在30 min 左右可达到平衡。

图8 反应时间对衍生化效率的影响

3.4 所建立方法的分析性能

3.4.1 标准曲线和检出限

按照2.3 节的方法配制各系列低浓度和高浓度的标准溶液，在优化的顶空条件下进行分析。保留时间定性，以峰面积对质量浓度绘制标准曲线。配制10 mL 低浓度的3 种氯酚类混合水溶液，平行测定7 次，以MDL＝S×t（n-1，0.99）计算方法检出限，其中，S为7 次测定结果的标准偏差，在99%的置信区间内t（n-1，0.99）＝3.143，结果见表2。

表2 标准曲线与检出限

3.4.2 精密度和加标回收率试验

在超纯水加入一定量的混合标准溶液Ⅰ和Ⅱ，配制不同质量浓度的加标样品，在优化的实验条件下，对不同质量浓度的加标样品分别分析6 次，考察其精密度和回收率情况，结果见表3。从表3 可知，2，4-二氯酚的加标回收率为96.0%～105.0%，相对标准偏差（RSD）为2.5%～4.7%；2，4，6-三氯酚的加标回收率为84.1%～101.0%，相对标准偏差为3.5%～4.7%；五氯酚的加标回收率为86.8%～107.0%，相对标准偏差为2.0%～4.9%。

表3 精密度和加标回收率试验结果

3.5 实际样品的测定

按照优化的前处理方法，对马鞍山市慈湖水厂的饮用水、得胜河的地表水水样和某化工企业废水进行测定及加标回收进行分析，结果见表4。从表4可以看出，实际水样中3 种氯酚类的加标回收率为97.1%～120.0%，表明方法可靠，能够满足实际水样的测定要求。

表4 实际样品测试结果

4 结论

建立了衍生化-顶空气相色谱法测定水中2，4-二氯酚、2，4，6-三氯酚和五氯酚3 种氯酚类的方法，衍生化生成的氯苯醚类物质沸点大幅降低且避免了与水之间的共沸效益，同时大幅降低柱温和减少水汽进入色谱柱，较大程度上提高了色谱柱的使用寿命。重点考察了水样中衍生化剂加入量、碱加入量、顶空平衡温度和顶空平衡时间对结果的影响，并验证了方法的可靠性与准确性。与已报道的方法相比，该方法灵敏度高，检出限更低，能够满足不同性质水质样品的测定需求。