QuEChERS-GC-MS法快速同时测定水质中12种硝基酚类化合物

武建强 赵中敬 洪 霞 何海宁 袁彩霞

(1. 甘肃中商食品质量检验检测有限公司，甘肃 兰州 730010；2. 甘肃省商业科技研究所有限公司，甘肃 兰州 730010)

近年来，水质中芳香烃有机污染物由于其难降解的持久性和富集效应给环境和生物体带来越来越严重的影响，因此，加强对这些污染物的严格监控和快速检测显得非常重要[1-2]。硝基酚类化合物常见于一些工业排放的污水中，如金属铸造和造纸业等排放的污水[3-4]，具有高毒性，致癌和免疫抑制的作用，许多酚类化合物已被列为危险污染物[5-6]。目前已有多种方法被用于硝基酚类化合物快速检测中，如荧光分光光度法[7]、色谱法[8]和电化学方法[9-10]。但这些检测方法存在样品前处理操作复杂，基质干扰大，回收率低，大量使用有机试剂会造成二次污染[11-12]。

据报道，在硝基酚类化合物分析中，样品的前处理技术对分析结果的准确性具有较大影响[13-14]，对于基质复杂的工业废水中硝基酚类化合物检测样品前处理技术需要结合实际条件选取[15-16]。现有HJ 1150—2020方法中的样品前处理技术为液—液萃取、弗洛硅土柱净化浓缩定容后测定，此操作过程存在浓缩易挥发、有机试剂用量大，易对环境造成二次污染，提取效率低等缺点，已满足不了现代分析技术高效、快速、环保的发展趋势[17-18]。因此，开发简便、快速、高效、环保的样品前处理技术是现代分析技术发展的一个重要方向[19-20]。功能化碳纳米复合材料由于具有独特的比表面积大、稳定性好、吸附性能强、选择性好等优势而被广泛应用于食品、环境、中药材等样品中有毒有害物质快速检测样品前处理中[21]。

虽然作为碳纳米材料及金属纳米粒子合成纳米复合材料，国内外已在农药残留检测、兽药残留检测、食品添加剂检测等方面做了大量研究，但应用于基质复杂的硝基酚类化合物快速检测样品前处理文献报道很少[22]。试验拟以碳纳米管复合材料作为一种混合净化剂，基于QuEChERS技术结合气相色谱—质谱联用仪建立一种快速同时检测水质中12种硝基酚类化合物的方法。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 仪器与耗材

电子天平：XS 225A-SCS型，安徽首衡称重科技有限公司；

涡旋振荡仪：GENIUS3型，无锡沃信科技有限公司；

台式高速离心机：CF16RXⅡ型，盐城市安信实验仪器有限公司；

超声波清洗机：SB-100B型，无锡沃信科技有限公司；

气相色谱仪：Agilent 7890/5975C型，安捷伦(上海)科技有限公司。

1.1.2 试剂

多壁碳纳米管：纯度97.8%，外径20～30 nm，内径5～10 nm，长度10～30 μm，比表面积>110 m2/g，深圳市纳米港有限公司；

N-丙基乙二胺(PSA)：纯度97%，深圳市纳米港有限公司；

十八烷基硅烷键合硅胶(C18)：纯度99.6%，深圳市纳米港有限公司；

丙酮：色谱纯，纯度99.6%，西安市永红化工原料公司；

正己烷：色谱纯，纯度99.6%，深圳市时得佳科技有限公司；

乙腈：色谱纯，纯度99.8%，高碑店市隆年达商贸有限公司；

NH3·H2O、二价铁盐(FeCl2·4H2O)和三价铁盐(FeCl3·6H2O)：纯度99.6%，北京振翔科技有限公司；

十八烷胺：纯度98.8%，高碑店市隆年达商贸有限公司；

高锰酸钾：纯度99.1%，北京振翔科技有限公司；

乙醇：纯度98.9%，北京振翔科技有限公司；

试验用水：二次蒸馏水，自制；

12种硝基酚标准物质(2-硝基酚、3-甲基-2-硝基酚、4-甲基-2-硝基酚、5-甲基-2-硝基酚、2,5-二硝基酚、3-硝基酚、2,4-二硝基酚、4-硝基酚、2,6-二硝基酚、3-甲基-4-硝基酚、6-甲基-2,4-二硝基酚、2,6-二甲基-4-硝基酚)：纯度>99%，北京海岸鸿蒙标准物质技术有限责任公司；

水质样品：采集兰州市某化工厂废水排出口。

1.2 试验方法

1.2.1 磁性Fe3O4纳米粒子的制备 采用化学共沉淀法制得磁性四氧化三铁纳米粒子[23]，具体试验过程参照文献[24]。

1.2.2 十八烷胺功能化碳纳米管复合材料的合成 称取100 mg纯化碳纳米管粉末于250 mL圆底烧瓶中(碳纳米管纯化过程参照文献[25])，加入100 mL乙醇超声30 min使其完全溶解，再加入400 mg十八烷胺，70 ℃下搅拌2 h，离心分离(6 000 r/min，5 min)，用二次蒸馏水洗涤两次，真空干燥，备用。

1.2.3 磁性四氧化三铁纳米粒子担载功能化多壁碳纳米管磁性碳纳米材料的合成 将10 mL质量浓度为10 mg/mL磁性纳米粒子缓慢地加入功能化的碳纳米管悬浮液中并不断地搅拌，110 ℃油浴中搅拌8 h，将磁铁放到烧瓶旁边收集黑色产物，黑色产物通过二次蒸馏水洗涤3次后于80 ℃真空下烘4 h，即得到最终产物(MNPs/ODA-CNTs)。该复合材料的合成机理和净化原理如图1所示。

图1 磁性四氧化三铁纳米粒子修饰功能化多壁碳纳米管磁性复合纳米材料的合成机理图

1.2.4 水质中12种硝基酚类化合物的提取及净化 量取一定体积水质样品于三角瓶中，加入适量的磁性纳米复合材料，震荡5 min后，在外加磁场磁分离，取其上清液于另一个三角瓶，重复上述操作，合并两次磁性固体材料用5 mL二氯甲烷分两次洗脱，洗脱液过0.22 μm滤膜后直接进样测定。

1.2.5 质谱条件 色谱柱：CP Sil 24 CB型，长30 m，内径0.25 mm，膜厚为0.25 μm；柱温150 ℃，柱温箱可程序升温；汽化温度220 ℃；检测温度240 ℃；离子源温度280 ℃；电子轰击源(EI)70 eV；进样方式：不分流进样；进样量1 μL。分别吸取混合标准液及样品净化液注入气相色谱—质谱仪中，记录色谱图，以保留时间定性，以样品和标准样品的峰面积比定量。

1.2.6 标准溶液的配制 准确称取适量标准品农药，用丙酮稀释成10 μg/mL标准储备溶液。

2 结果与分析

2.1 磁性碳纳米复合材料的表征

2.1.1 透射电子显微镜 在加速电压为 200 kV下使用高分辨率透射电子显微镜(TEM)来观察多壁碳纳米管、磁性纳米粒子及磁性碳纳米复合材料的表面结构特征。如图2所示，磁性四氧化三铁纳米粒子大约为10～20 nm，粒径大小分布均匀无团聚现象；纯化后的多壁碳纳米管在N,N-二甲基乙酰胺分散液中溶解性很好，分布均匀；磁性纳米复合材料分散液经搅拌震荡后测定发现无游离磁性四氧化三铁纳米粒子，表明磁性四氧化三铁纳米粒子紧紧地依附在碳纳米管表面，纳米颗粒表现出很好的稳定性。

图2 磁性碳纳米复合材料的透射电镜图谱

2.1.2 X-衍射 利用X-衍射(XRD)测定了磁性纳米粒子的晶体结构。如图3所示，磁性碳纳米复合材料的衍射图谱与晶态磁铁矿(Fe3O4)的标准衍射图谱[26]非常接近。在2θ为30.10°，35.34°，43.32°，53.51°，57.19°，63.18°处出现磁性纳米粒子的6个衍射峰，对应的晶体指数分别为(220)，(311)，(400)，(422)，(511)，(440)，在24.2°处出现了碳纳米管对应的晶面(002)的衍射峰。

图3 磁性碳纳米复合材料的X-衍射图谱图

2.1.3 氮气吸附—脱附 由图4可知，吸附—脱附等温线是在较低的相对压力(P/P0>0.9)下进行的，说明该磁性碳纳米复合材料是一种典型I吸附行为[27]。

图4 磁性复合材料氮气吸附—脱附图谱图

2.1.4 磁强计 如图5所示，M-CNTs/ODA的最大比饱和磁化强度可达2.75 emu/g。测试结果表明，所制备的M-CNTs/ODA具有超顺磁性，这是由于M-CNTs/ODA中的元素铁和微量Fe3O4均在纳米尺度上。文献[28]报道，超顺磁性与颗粒尺寸密切相关，当纳米颗粒尺寸小于超顺磁性极限尺寸时，颗粒表现出超顺磁性。

图5 磁性纳米复合材料振动样品磁强计曲线图

2.2 QuEChERS处理条件优化

2.2.1 pH值的影响 通过用1 mol/L盐酸或氢氧化钠溶液调节样品溶液pH值，在2～12的pH范围内优化样品溶液，选用响应较好的2-硝基酚作为加标试验。如图6所示，在大约10～11的pH值下获得最大回收率，这是由于硝基酚类化合物在酸性环境容易发生酯化反应。因此，将样品溶液的pH值调整为10～11作为最佳条件。

图6 pH值的影响图

2.2.2 氯化钠质量浓度对硝基酚提取的影响 通过在水质样品中添加质量浓度分别为0.0，0.5，1.0，3.0，10.0，20.0，25.0 mg/mL的氯化钠，研究样品盐度对2-硝基酚提取回收率的影响，对每个水平进行3次重复提取和测定。如表1所示，氯化钠对分析物的萃取回收率的影响可以忽略不计，加入氯化钠主要是促进水相和有机相分层，对硝基酚存在形式影响不大。

表1 氯化钠质量浓度对2-硝基酚提取的影响

2.2.3 萃取时间的研究 准确量取100 mL水质样品5份于250 mL三角瓶中，编号依次为1、2、3、4、5号，分别加入质量浓度为10 μg/mL的2-硝基酚标准储备液200 μL混匀，再加入40 mg磁性纳米复合材料，5份样品依次震荡1，2，5，10，15 min，在外加磁场作用下分离，弃去上清液，固体物质分别用5 mL二氯甲烷洗脱，收集洗脱液过0.22 μm 滤膜后进样测定。如图7所示，当震荡时间为5 min时回收率达到最大值，当震荡时间再增加时，回收率不变，这是由于2-硝基酚在磁性复合物表面吸附已达到饱和状态，因此，选5 min为最佳萃取时间。

图7 萃取时间的研究

2.2.4 两种不同方法对比 通过对2-硝基酚加标回收试验对比了HJ 1150—2020处理方法和优化处理方法两种不同方法，如图8所示，该优化处理方法不仅在操作技术上优于国标方法，其回收率也远远高于国标方法，这是由于该优化方法省去了氮吹浓缩避免硝基酚类化合物挥发导致回收率偏低。

图8 两种不同方法对比

2.2.5 线性关系 配制标准溶液浓度系列0.05，0.07，0.10，0.15，0.20 μg/mL建立标准曲线，在优化的试验条件下，对每个水平进行6次重复测定，如表2所示，结果表明，在0.05～0.20 μg/mL质量浓度范围具有很好线性关系，最低检出质量浓度为0.009～0.010 μg/mL，相关系数为0.996 3～0.999 7。一方面由于十八烷胺分子中含有1个氨基和1个烷氧基，相当于传统的净化剂PSA和氨基柱组成的混合净化剂效果，另一方面功能化磁性碳纳米复合材料具有大的吸附容量和大比表面积，与传统净化柱相比，该净化剂通过涡旋能与样液充分接触，净化效果更好。

表2 线性关系和最低检出浓度

2.2.6 回收率和精密度 样品的添加量分别为0.03，0.05，0.10 μg/mL，每一添加水平的样品平行3次，样品处理按1.2.4方法进行。先测定样品中硝基酚的本底含量，再分别测定加标样品中硝基酚含量，扣除空白值后，计算平均加标回收率，加标样品的平均回收率及精密度结果见表3。由表3可知，平均添加回收率为82.2%～94.6%，相对标准偏差(RSD)<10%(n=3)。

表3 加标样品的回收率及精密度

3 结论

通过简单的水热法和共沉淀法合成磁性纳米粒子负载双官能团十八烷胺功能化碳纳米管纳米复合材料作为一种混合净化体系，基于QuEChERS技术联合气相色谱—质谱联用仪建立了一种同时测定水质中12种硝基酚类化合物快速检测样品前处理方法，与国家标准前处理方法相比，该方法操作简单，净化效果好，缩短前处理的时间。还有效地解决了现有标准HJ 1150—2020中水质中硝基酚类化合物检测过程提取浓缩时易挥发、回收率低、检测结果偏大等问题。由于十八烷胺分子中含有1个烷氧基和1个氨基，使得优化QuEChERS技术对水质中12种硝基酚类具有较好的净化效果和消除基质干扰能力，试验结果表明，在0.05～0.20 μg/mL质量浓度范围具有很好线性关系，最低检出质量浓度为0.009～0.010 μg/mL，回收率为82.2%～94.6%，相对标准偏差<10%，该技术可为水质中其他半挥发有机污染物快速检测提供技术支撑。