活性炭萃取-高效液相色谱法测定水中丙烯酰胺

黄建飞，方 羽，古 佩，张华静，常 艳，张文飞

(1.湖北省生态环境厅荆门生态环境监测中心，湖北 荆门 448000；2.湖北省沙洋生态环境监测站，湖北 沙洋 448200；3.湖北省荆门市核与辐射和固体废物环境安全防护技术中心，湖北 荆门 448000)

1 引言

聚丙烯酰胺是一种水溶性高分子聚合物，主要用作水净化的絮凝剂，丙烯酰胺是其单体。虽然聚丙烯酰胺是无毒的，但丙烯酰胺已被国家癌症中心(IARC)列为Ⅳ类致癌物，其具有神经毒性、生殖和发育毒性，可导致遗传物质的改变和癌症的发生[1]。《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)[2]和《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)[3]中均规定丙烯酰胺的限值为0.0005 mg/L。

目前检测丙烯酰胺的方法主要有气相色谱法[4，5]、高效液相色谱-质谱联用法[6～8]、高效液相色谱法[9～11]。《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)和《水质 丙烯酰胺的测定 气相色谱法》(HJ 697-2014)均是采用新生溴加成衍生-气相色谱法来分析。由于丙烯酰胺的水溶性较高，液液萃取回收率低，分析中需将丙烯酰胺与新生溴加成，生成α,β-二溴丙酰胺，用乙酸乙酯多次萃取后，净化浓缩，由ECD检测器分析。根据分析步骤，单个样品分析下来都在5 h左右，乙酸乙酯用量在100 mL左右，衍生化效率、萃取效率 、试剂和溶剂污染等问题都较多。高效液相色谱-质谱联用法虽然步骤简单，检出限低，但仪器成本高。高效液相色谱法虽然也有不少相关研究，但多采用商品化的活性炭固相萃取柱进行处理，并未对活性炭的粒径、填装量等进行优化，且有些最低检出浓度不能满足地表水和饮用水的标准限值要求。本文选用自制活性炭对丙烯酰胺进行富集，用甲醇洗脱，二极管阵列检测器进行分析，成本低，方法简单，并且具有很好的检测效果。

2 实验部分

2.1 仪器、试剂及材料

高效液相色谱仪，二极管阵列检测器(岛津LC-20A)；固相萃取仪(Agela SPE-24)；旋转蒸发仪(IKA RV10)；ODS-SP色谱柱 (4.6 mm×250 mm，5 μm)；20目、60目、80目、100目尼龙筛。

甲醇中丙烯酰胺(1000 mg/L)；色谱纯甲醇；色谱纯二氯甲烷；色谱纯丙酮；活性炭；C18固相萃取柱(500 mg，6 mL)；HLB固相萃取柱(1000 mg，6 mL)；MCX固相萃取柱(500 mg，6 mL)；固相萃取空柱(6 mL)及筛板；0.45 μm PTFE微孔滤头；5 mL注射器；超纯水。

2.2 样品的采集与保存

样品采集于棕色玻璃瓶中。采样前用待测水样将样品瓶清洗两次。水样充满样品瓶加盖密封，4 ℃低温保存。

2.3 样品前处理

取水样100 mL，用活性炭固相萃取柱萃取。萃取条件：先用5 mL甲醇，5 mL水对活性炭固相萃取柱活化，再用5 mL水浸泡活性炭固相萃取柱10 min，抽取100 mL样品过柱富集，干抽30 min除水，用10 mL甲醇洗脱，经0.45 μm PTFE微孔滤头过滤，用旋转蒸发仪浓缩至1.0 mL，待测。

2.4 仪器条件

柱温40 ℃；流速0.8 mL/min；流动相：甲醇/水=20/80；色谱柱为ODS-SP 柱(4.6 mm×250 mm，5 μm)；波长190～300 nm。

2.5 样品测定

取20 μL待测试样注入高效液相色谱仪，以保留时间定性，峰面积定量。

3 结果与结论

3.1 固相萃取条件的优化

3.1.1 固相萃取柱类型的优化

分别取C18固相萃取柱(500 mg，6 mL)、HLB固相萃取柱(1000 mg，6 mL)、MCX固相萃取柱(500 mg，6 mL)和500 mg活性炭(大于100目)固相萃取柱富集加标水样(加标量10 μg)，用10 mL二氯甲烷和10 mL甲醇分别洗脱，经0.45 μm PTFE微孔滤头过滤，测定回收率，由测定结果看，活性炭固相萃取柱用甲醇洗脱回收率为90.1%，其余3种萃取柱分别用甲醇和二氯甲烷洗脱，回收率均小于1%，因此选择活性炭固相萃取柱进行前处理。

3.1.2 洗脱液类型的优化

用填装有500 mg活性炭(大于100目)的固相萃取柱富集加标水样(加标量10 μg)，分别用10 mL二氯甲烷，10 mL丙酮，10 mL甲醇洗脱，经0.45 μmPTFE微孔滤头过滤，测定回收率，由测定结果看，二氯甲烷回收率小于1%，丙酮为60.2%，甲醇为90.1%，因此选择甲醇作为洗脱液。

3.1.3 活性炭粒径的优化

用尼龙筛将活性炭筛分为20～60目、60～80目、80～100目、大于100目的不同规格，各取500 mg填装到空柱中，分别富集加标水样(加标量10 μg)，用10 mL甲醇洗脱，经0.45 μm PTFE微孔滤头过滤，测定回收率，测定结果分别为42.9%、75.2%、77.9%、84.0%，可见活性炭粒径越小，回收率越高，选择大于100目的活性炭进行萃取柱的填装。

3.1.4 活性炭填装量的优化

分别称取大于100目的活性炭0.2 g、0.4 g、0.6 g、0.8 g、1.0 g、1.5 g、2.0 g，填装到萃取柱中，分别富集加标水样(加标量10 μg)，用10 mL甲醇洗脱测定回收率，由分析结果看，当填装量在0.2 g至1.0 g之间，对10 ug的丙烯酰胺均有着良好的回收率，当填装量大于1.0 g后，回收率降低，可能原因是10 mL的甲醇洗脱液不能将1.0 g以上的活性炭洗脱完全。为了保证萃取柱有足够的吸附容量和良好的洗脱效率，选择活性炭填装量为0.6 g。分析结果见图1。

图1 活性炭填装量对回收率的影响

3.1.5 洗脱液用量的优化

填装大于100目的活性炭0.6 g于空萃取柱中，富集加标水样(加标量10 μg)，分别用4 mL、5 mL、6 mL、8 mL、10 mL、12 mL、14 mL甲醇进行洗脱，经0.45 μm PTFE微孔滤头过滤，测定回收率，由测定结果看，当甲醇量小于8 mL时，回收率较低，当甲醇量大于8 mL时，回收率较高且趋于稳定，因此当活性炭填装量为0.6 g时洗脱液体积选择10 mL。分析结果见图2。

图2 洗脱液量对回收率的影响

3.2 仪器分析条件优化

3.2.1 波长的优化

将波长从191 nm逐渐增加到210 nm，丙烯酰胺响应值先增大，再减少，在202 nm处峰面积最大，确定以202 nm作为测定丙烯酰胺的波长。分析结果见图3。

图3 丙烯酰胺在不同波长时的响应值

3.2.2 流动相的优化

流动相为甲醇/水溶液，当甲醇/水溶液比例大于50/50时，甲醇中有吸收峰与丙烯酰胺峰相互干扰，当甲醇/水溶液比例为20/80时，甲醇中的吸收峰与丙烯酰胺峰有很好的分离度，因此流动相选择甲醇/水=20/80。谱图见图4。

图4 不同比例流动相的出峰谱图比较

3.3 方法性能指标

3.3.1 标准曲线

取一定量甲醇中丙烯酰胺标准溶液，用甲醇稀释配制为0.1 mg/L，0.5 mg/L，1.0 mg/L，5.0 mg/L，10.0 mg/L，20.0 mg/L的标准曲线，进样量为20 μL，其标准曲线方程为y=266266x+2684，回归系数0.9999。

3.3.2 方法检出限及测定下限

将7份加标浓度为0.0002 mg/L的水样100 mL，分别用填装有0.6 g活性炭(大于100目)的固相萃取柱萃取，再用10 mL甲醇洗脱，经0.45 μm PTFE微孔滤头过滤，用旋转蒸发仪浓缩定容至1 mL，取20 μL进样分析，按《环境监测 分析方法标准制修订技术导则》(HJ 168-2010)附录A要求计算方法检出限(MDL)，以4倍检出限为测定下限，结果见表1。

表1 丙烯酰胺的方法检出限、测定下限

3.3.3 方法精密度和准确度

精密度和回收率采用实际样品加标的方法测定，实际样品为湖库饮用水样源样品，分取多份100 mL样品，分别制成低、中、高(1.0 μg/L、10 μg/L、100 μg/L)三种浓度的加标样品，每种浓度6份，分别按上述步骤进行分析，实际样品未检出丙烯酰胺，加标样品的精密度及回收率结果见表2。

表2 丙烯酰胺的精密度与回收率

4 结论

建立了自制活性炭固相萃取-高效液相色谱(HPLC)法测定水中丙烯酰胺的方法。经优化后的条件为：活性炭粒径为100目以上，填装量为0.6 g，洗脱液为10 mL甲醇，测试波长为202 nm，流动相为20/80的甲醇/水溶液。采用优化后的方法进行前处理和分析测试，操作简单，成本低，灵敏度高，准确度高，相对于传统的溴加成衍生化法，可以减少80%的溶剂用量，减少60%的分析时间。