顶空气相色谱法测定水中苯系物的影响因素探讨

赵玉敏

(盐城市大丰生态环境监测站，江苏 盐城 224100)

1 引言

苯系物通常包括苯，甲苯，乙苯，邻、间、对位的二甲苯，异丙苯和苯乙烯八种化合物[1]。苯系物可被用作生产原料和有机溶剂，在有机化工、医药、农药及油漆等行业有着广泛的应用，这些行业排放的废水中也含有较高含量的苯系物，是苯系物污染的重要来源。大多数苯系物均为易挥发性物质，不仅会对大气环境造成污染，还可通过呼吸或接触进入人体和其他生物体。高浓度的苯系物气体可麻痹人中枢神经系统，严重时会导致呼吸循环衰竭而死亡；而长期暴露于低浓度苯系物中，也会引起细胞遗传学改变，对造血、神经、生殖等系统造成重大危害[2]。因而对水中苯系物的检测十分有必要。目前对水中苯系物的测定主要采用色谱法，有顶空/气相色谱法[3]、吹扫捕集/气相色谱-质谱法[4]和高效液相色谱法[5]等。顶空气相色谱法采用液上气体直接进样的方式，基体干扰小，同时具有前处理简单、对设备和环境的污染较小、灵敏度高等优点，因而被广泛应用于水中苯系物的测定[6]。文章将对顶空气相色谱法测定水中苯系物的影响因素进行一些探讨。

2 样品的采集与保存

苯系物水样的采集与保存是影响测定结果的重要因素。采样时应选取具聚四氟乙烯衬的硅橡胶垫的棕色螺口玻璃瓶或其他同类材质的采样瓶。塑料材质采样瓶由于表面易吸附有机物，会干扰苯系物的测定，不可选用。

水样采集前需测定样品的pH值，根据测定结果，在水样中加入适量盐酸溶液和抗坏血酸调节水样pH值，使采样后样品的 pH≤2[3]。为防止水样中的苯系物向气相逸散而导致水样中的苯系物含量降低，采样时应使样品在采样瓶中溢流，不留液上空间，并加盖密封。

鉴于苯系物的易挥发性，水样采集后应在 4 ℃以下冷藏运输和保存，尽快分析。为防止受到其他挥发性有机物的污染，样品应存放于无机区域。谭丽等[7]研究了pH值、固定剂的添加以及保存时间对苯系物地表水样品保存的影响，结果表明调节pH≤2、向有余氯的水样中加入固定剂抗坏血酸或硫代硫酸钠均能可减少目标物的损失率；保存时间越短，目标物的损失越少。

3 实验用水、试剂与气体纯度

实验用水中应不含目标化合物和干扰目标化合物测定的物质。因而实验用水在使用前需经空白试验进行确认。涉及到的化学试剂应根据方法标准的要求进行选择。若试剂纯度不能满足测定要求则可能会引入干扰目标化合物测定的杂质，从而影响测定结果。使用前需进行预处理的试剂，则需经适当处理，达到测定要求后才能使用。如作为盐析剂的氯化钠，使用前应进行高温处理，去除其表面吸附的有机物。载气、燃气和助燃气杂质会对色谱分析造成很大影响，如会降低色谱柱的的使用寿命和分离效率、使检测器的灵敏度下降、使微量组分测定不准确等[8]。当选择FID检测器时，就要求使用气体中烃类化合物必须很低。因此，要根据分析的要求、色谱柱的种类和检测器对载气进行净化或选择能满足分析要求的载气。

4 顶空条件的影响

4.1 平衡温度和平衡时间

提高平衡温度可以使更多的苯系物从液相进入气相，增大气相中苯系物的浓度，使苯系物的响应值增大，提高检测的灵敏度。而过高的温度又会产生大量的水蒸气，水蒸气的增多不仅会降低气相中目标化合物的相对浓度，使其响应值降低，还会干扰目标化合物的色谱峰形，影响测定结果。此外，进入色谱系统和检测系统的水蒸气还会对色谱柱和检测器造成损害[9]。因而平衡温度的选择应既能满足分析要求又不会对仪器部件造成损害。苯系物在气液两相达到平衡需要一定的时间，时间的长短取决于苯系物在两相间的扩散速度，扩散速度越快，平衡时间越短。扩散速度与温度有关，温度越高扩散速度越快，平衡时间也越短。一般说来，当平衡温度一定时，平衡时间越长，苯系物在气液两相间的平衡越趋于完全，气相中的苯系物浓度就越高，响应值也越大，有利于灵敏度的提高。但考虑到实际的分析效率，一般不会也没必要等到苯系物在气液两相达到完全平衡时再进行样品分析。《水质 苯系物的测定 顶空/气相色谱法》(HJ 1067-2019)中提供了60 ℃、30 min的参考平衡温度和平衡时间，但在实际的样品分析中可根据具体情况和分析要求进行适当调整。如张卓等[10]通过固定其他变量，以苯为例，考察了不同平衡温度下水样中苯的响应值的变化情况，结果表明在75 ℃、15 min的平衡条件下可获得理想的响应值。

4.2 氯化钠的加入量

在水样中加入氯化钠可以增加水相的极性，降低苯系物在水中的溶解度，改变苯系物在气液两相的分配系数，提高气相中苯系物浓度，使响应值增大，从而提高灵敏度。在一定范围内，随着水样中氯化钠浓度的增加，目标化合物的响应值也在增大，而当水样中溶解的氯化钠达到或接近饱和时，目标化合物的响应值将不再增大。此时若加入过量的氯化钠，不仅造成浪费，还会影响顶空瓶中的气液体积比，导致响应值的降低[11]。鉴于常温下氯化钠在水中的溶解度为36.0 g，常考虑向每10 mL水样中加入3.0 g左右的氯化钠。而氯化钠的溶解度与温度成正比，不同的平衡温度下氯化钠的溶解度不同，实际分析中为获得更高的响应值，加入水样中的氯化钠的量也会有差别[11～13]，可根据实验条件和测试要求进行适当的调整。

4.3 气液体积比

当顶空瓶体积和其他平衡条件固定不变时，气相中苯系物的浓度随液相体积的增大而增大，响应值也相应随之增高。取样体积太小则响应值太小，灵敏度不高，而由于顶空法是抽取气相样品进行分析，为避免进样针针头触及液面，取样体积又不能太大，一般气、液体积比以1∶1为宜[14，15]。在确定取样体积时，还会兼顾操作和计算的便捷性[16]，如当顶空瓶体积为20 mL、22 mL时，都取10 mL的水样进行分析。

5 色谱条件的影响

5.1 色谱柱的选择

色谱柱是色谱分析的核心部分。气相色谱法测定苯系物时，苯系物在色谱柱上的分离取决于色谱柱固定相的极性和选择性。某些非极性色谱柱，如HP-5，可以分离绝大多数苯系物，但难以分离间二甲苯和对二甲苯这两种沸点较为接近的苯系物。鉴于苯系物极性较强的特性，中等极性和弱极性色谱柱会造成色谱峰拖尾，同样难以实现上述两种物质的分离。HJ 1067-2019中推荐了两种极性毛细管柱，也有研究者[16～18]选用不同的极性色谱柱实现了对苯系物较为理想的分离。因此，要针对目标化合物，根据分析需要选择能满足要求的色谱柱。

5.2 柱温

柱温是影响苯系物分析的一个重要因素。当改变柱温时，目标组分的保留时间也会随之发生变化，因而不宜随意改变柱温，否则会影响对目标组分的定性判断。柱温过高时出峰变快，半峰宽会变窄，峰高变高，但分离度会降低；柱温过低时出峰较慢，峰形较宽，传质速率降低，柱效能下降，分析时间也会变长，因而应综合考虑目标化合物的分离效果、色谱峰峰形和分析时间等因素确定柱温[16]。此外，若目标化合物的沸点范围较宽，用等温分析方法难以完成分离任务，此时就要采用程序升温的方法，升温速度及保持时间依目标化合物而定。通过程序升温，不仅可以改善宽沸程混合物的分离度，还可以缩短分析时间[18]。

5.3 分流比和载气流速

分流比指放空的载气流量与进入色谱柱载气流量之比。分流比过小则进入色谱柱的样品过多，会使得色谱峰变宽，形成前伸峰[19]；分流比过大则进入色谱柱的样品太少，目标化合物的响应值就很小，从而降低检测的灵敏度。因而，应选择适当的分流比。样品分析时选择的分流比一般在10∶1～100∶1之间，具体的分流比可根据不同的实验条件，通过试验确定。载气流速是色谱分析的一个重要操作条件。流速大则出峰快，但过大的流速容易使色谱峰重叠，导致分峰困难；流速过小，出峰太慢，色谱峰较宽，同样会降低分离度，且会延长分析时间。采用毛细管色谱柱分析苯系物时，载气流速一般在1～2mL/min范围。

5.4 尾吹气

采用FID检测器对苯系物进行气相色谱分析时，为保证 FID检测器有合适的氮氢比，必须加尾吹气。适当地增加尾吹气可提高测定的灵敏度，但尾吹气流量过大时会引起基线不稳，甚至灭火；尾吹气流量太小时，不仅会造成色谱峰拖尾，还会降低毛细管色谱柱的柱效[19]。由于不同的 FID检测器的最佳氮氢比不同，所以尾吹气流量应结合载气流量、氢气流量以及FID检测器的型号进行优化调整[20]。

6 其他因素

(1)要保证取样和定量仪器的清洁度和准确度。不清洁的仪器会污染样品，定量仪器不准确，则会引入体积误差，都会影响测定结果。

(2)操作的规范性和娴熟度。不规范的操作，如用移液管移取溶液时移液管内存在气泡、读数时视线未与刻度线保持平行等，都会使测定结果产生偏差。由于苯系物为易挥发有机物，娴熟的操作可以减少待测物在转移和配制过程中的损失，确保测定结果的准确性。

(3)标准物质的选择和标准曲线的线性范围。标准物质的准确与否直接决定了测定结果的准确性，在选择标准物质时一定要选择具备计量溯源且纯度明确、在有效期内的试剂。标准曲线的线性区间应包含样品的浓度区间，否则可能会造成定量不准确。

(4)设备状态。设备状态良好是测定结果准确的前提。在样品分析前应检查设备状态，保证设备能正常稳定运行。

7 结论与展望

顶空气相色谱法测定水中苯系物的影响因素有样品采集和保存方式、实验用水、试剂与气体纯度、顶空条件、色谱条件等。为确保测定结果的准确性，可从以下方面进行控制。

(1)按照相关规范或参考方法标准的要求进行样品的采集、运输与保存，在样品保存期内开展样品分析。

(2)加强实验室分析过程的质量控制，确保实验用水、试剂和所用气体的纯度满足测定要求。

(3)正式样品分析前进行空白试验以排除干扰；结合具体的待测物、测定要求等因素进行探索试验，对顶空条件和色谱条件等进行优化调整。

(4)定期对定量仪器进行校准、对设备进行维护，确保仪器设备处于良好状态。

(5)加强培训，提高分析人员的技术水平，减少因操作不规范引入的系统误差。

顶空气相色谱法测定水中苯系物已在环境监测、食品检验等领域有了广泛应用，且将有更为广阔的应用前景。顶空气相色谱法测定水中苯系物受多种因素影响，本文仅论述了部分因素，还应进行更加深入、广泛地研究。随着科技的进步、检测分析技术的发展，顶空气相色谱法的仪器设备也应朝着更加快速便捷、灵敏度更高、选择性更强、自动化和智能化程度更高的方向发展，以期更大程度地提高分析效率和测定结果的准确性。