水体中氯酚类化合物测定方法的研究进展

付正伟,霍宗利,杨 红*

(1.东南大学 公共卫生学院,南京 210009;2.江苏省疾病预防控制中心,南京 210009)

氯酚类化合物(CPs)是氯原子取代苯酚苯环上的氢原子形成的一类化合物的总称。水体中CPs主要来源于炼油、造纸、化工等行业中工业废水的不合理排放[1-2],生活中杀虫剂、除草剂和木材防腐剂的广泛使用[3],水体中腐殖酸氯化的产生[4],以及饮用水消毒处理和城市乡镇长距离供水网二次加氯[5]过程中酚类化合物与无机氯发生的酶促卤代反应[6]等。

CPs虽然在水体中的含量为痕量级和超痕量级[7],但因其难降解、脂溶性强而具有高生物富集性[8],会导致持久性有机物污染。生活中长期饮用含有CPs的水会引起头晕、瘙痒、贫血等症状,使机体发生氧化损伤[9]、内分泌干扰[10]、生殖系统损伤[11]等,且部分CPs已被证实具有致畸、致癌、致突变效应。美国环境保护署(EPA)将包括2-氯苯酚(2-CP)、2,4-二氯苯酚(2,4-DCP)、2,4,6-三氯苯酚(2,4,6-TCP)和五氯苯酚(PCP)在内的11种苯酚类和甲酚类化合物列为优先污染物,我国也将2,4-DCP、2,4,6-TCP、PCP 列为水中优先控制污染物,国家标准GB 5749－2006《生活饮用水卫生标准》规定了2,4,6-TCP、PCP的限值分别为0.2,0.009 mg·L－1。随着人们对CPs危害认知的不断加深,建立CPs的检测方法不仅可以对水体中CPs进行快速准确测定,也有助于对水体中CPs消解和转归机制进行研究。因此,本工作从分光光度法、色谱法及质谱法、毛细管电泳法等方面综述了近几年CPs分析方法的研究进展,以期为后续检测方法的优化和研发提供借鉴。

1 分光光度法

分光光度法应用于CPs 的检测已有三十多年[12-13],该方法快速、简便、易行,仪器设备要求不高,适用范围广,预处理蒸馏也可适用于多种水体基质的测定,但也存在显色剂纯度不高、保存时易氧化变质、样品测定不迅速导致结果偏低等问题。另外,CPs是多种结构相似的物质,并不都为挥发酚(沸点230 ℃以下为挥发酚),其中2,3,4,5-四氯苯酚(2,3,4,5-TeCP)、2,3,4,6-四氯苯酚(2,3,4,6-TeCP)、2,3,5,6-四氯苯酚、PCP、三氯生等为不挥发酚,即此方法只能检测出水体中部分CPs含量。

目前蒸馏后4-氨基安替比林分光光度法是测定水中挥发酚较常用的方法。刘志明[14]在pH(10.0±0.2)的氨水-氯化铵缓冲液中,以低毒的体积比为1∶9的乙醇-乙醚混合溶液提纯后的4-氨基安替比林为显色剂,以过硫酸铵溶液代替铁氰化钾溶液作为氧化剂,用三氯甲烷萃取,可有效降低空白测定管的吸光度,改进后方法更加环保高效,且精密度、回收率高,能适用于饮用水中CPs总量的检测。TABARAKI等[15]首次用盐析辅助液液萃取与分散液液微萃取相结合的方法提取浓缩苯酚、4-氯苯酚(4-CP)和2,4-DCP,并采用紫外-可见分光光度法测定,该方法分析快速,成本低,提取效率高。李晓霞[16]通过溶胶-凝胶聚合法制成一种特异性的碳点-分子印迹复合材料,根据2,3,4,6-TeCP 的荧光增强作用,建立一种能快速高效、特异性识别2,3,4,6-TeCP的方法,但碳点的合成表征和分子印迹聚合物的制备复杂,不适用于常规检测。流动注射分光光度法[17-18]则更适用于大批量样品的测定,可自动连续分析、在线富集转化、使用有机溶剂少且省时省力。

分光光度法可用于实际样品中CPs的预富集和快速测定。随着各种检测技术的不断发展以及检测方向的不断细化,分光光度法逐渐应用于现场水样中CPs的应急检测。

2 色谱法及质谱法

2.1 气相色谱法

CPs大部分为极性物质,衍生化处理可以使CPs极性更低、挥发性更强,并可提升色谱的分离能力,但存在步骤繁琐、易造成二次污染等问题。气相色谱法中常用的衍生化方法有硅烷化[19]、酰化[20]、酯化、烷基化等,其中乙酸酐是较常用的衍生剂,毒性小,耗时短且操作简单。

张鸣珊等[21]以体积比2∶1 的二氯甲烷-正己烷混合液净化水样,用二氯甲烷和乙酸乙酯混合液进行萃取,氮吹富集浓缩后采用氢火焰离子化检测器-气相色谱法分析,外标法定量。试验中液液萃取对设备和操作要求较为简单,萃取率、回收率高,但步骤繁琐,不利于大批量样品的处理,常用萃取溶剂如二氯甲烷、三氯甲烷、正己烷都是高挥发性有毒可燃性的物质,对人体有害并容易造成二次污染。崔君等[22]采用体积比为8∶1的二氯甲烷-乙酸乙酯混合液萃取水样后,五氟苄基溴衍生,优化色谱参数后有较好的测定效果。但液液萃取步骤繁琐,不利于大批量样品的处理,常用萃取溶剂都是高挥发性有毒可燃性的物质。

TOBISZEWSKI等[23]以碳酸二乙酯分散液液微萃取2,4-DCP、2,6-二氯苯酚(2,6-DCP)、2,4,6-TCP、2,3,4-三氯苯酚(2,3,4-TCP)、2,3,4,5-TeCP、2,3,4,6-TeCP和PCP,乙酸酐衍生化,采用电子捕获检测器-气相色谱法检测,结果显示,方法满足水体中CPs的检测,同时使用无毒绿色的有机溶剂作为萃取溶剂,符合绿色分析化学的理念。随着绿色分析化学的理念被不断倡导,研究无毒、可再生、可回收降解的绿色萃取溶剂将是液液萃取的发展方向,开发单滴微萃取(SDME)[24]、室温离子液体萃取(RTILE)、浊点萃取(CPE)[25]、分散液相微萃取(DLPME)[23]等新型萃取技术是未来液液萃取发展的趋势。

张权等[26]采用顶空固相微萃取-气相色谱法测定生活饮用水中的4 种CPs(2-CP、2,4-DCP、2,4,6-TCP、PCP)含量,整个试验过程不使用有机溶剂,步骤简单易于操作,适用于基层单位监测生活饮用水中CPs的需要。王孝生等[27]采用硫酸二甲酯衍生化-顶空气相色谱法测定环境水样3种CPs,优化色谱条件后能够有效降低柱温并减少水汽进入。与液液萃取相比,固相微萃取更加简单,易于操作,省时省力,缺点是遇到基质背景复杂的待测水体需要挑选特定适合涂层材料的萃取头。因此,制造出具有定向选择性、高效耐用成本低的涂层纤维将是未来固相微萃取发展的方向。新型多孔材料的研究,如有序介孔碳[28]、共轭微孔聚合物[29]、金属有机骨架[30]、分子印迹聚合物[31]等,为固相微萃取提供了更加广泛的应用前景。

2.2 气相色谱-质谱联用法

近年来气相色谱-质谱联用技术的应用越来越广泛,质谱仪弥补了通用型检测器定性不够准确的缺点,且灵敏度更高,并可以提供化合物的结构信息。

POKRYSHKIN 等[32]采用十八烷基吸附剂固相萃取、乙酰化衍生和气相色谱-电子电离质谱联用技术,测定海水中8 种CPs,回收率为85.0%～107.0%,检出限为0.06～0.26 ng·L－1。LI等[33]利用氨基功能化有序介孔聚合物(OMP-NH2)制备的纤维涂层进行顶空固相微萃取,采用QP2010 Plus型气相色谱-质谱联用仪检测,方法检出限低、线性范围宽、富集因子高。自制的OMP-NH2材料萃取效率大大高于工业涂层,且纤维稳定性高,可延长使用寿命。TAFAZOLI等[34]将实验室自制的碳纳米管/磁铁矿/聚苯胺纳米复合材料涂层用于顶空固相微萃取,经气相色谱-质谱联用法检测,苯酚、4-CP、2,6-DCP、2,4,6-TCP的检出限为0.008～0.07μg·L－1,动态线性范围为0.01～500μg·L－1,相对标准偏差(RSD)为1.7%～7.2%。以上这些新型材料的开发目的是提升对目标分析物或特定种类化合物的选择性和灵敏度,以及找到不易破碎、更稳定的载体。

2.3 液相色谱法

液相色谱法是目前检测水体中CPs的常见方法[35-39],无需衍生化,适用于测定沸点高、热稳定性差、极性高的CPs。液相色谱法通过改善色谱条件等能够达到CPs的同时分离测定,与不同检测器的结合也为液相色谱法提供了更多更好的选择。

黄喜寿等[40]采用紫外检测器-高效液相色谱法测定水样中的2-CP、4-CP、2,4,6-三溴酚等酚类化合物,各组分能在18 min内完全分离且色谱峰峰形良好。该方法不需要前处理,各组分损失小,操作简单快速,适用于水体中CPs的痕量分析。

冷俊等[41]通过固相萃取将1 L 水样富集至1 mL,并用二极管阵列检测器-高效液相色谱法测定水中7种CPs的含量,该方法中固相萃取效果较好,直接进样,无需复杂的前处理过程,检出限低,适用水体中CPs的检测。CHONG 等[42]采用电化学辅助固相微萃取-微柱高效液相色谱(紫外检测器)法测定CPs,用生物可降解的琼脂糖凝胶盘作为微量萃取溶剂的固定器,该方法能在较短的时间内测定水样中的CPs,快速且环保。SEEBUNRUENG等[43]采用超分子溶剂微萃取-高效液相色谱(二极管阵列检测器)法测定水中苯酚、2-CP、2,4-DCP和2,4,6-TCP等7种酚类化合物的含量,试验用十二烷基硫酸钠阴离子胶束结合反离子和电解质盐作为脱水剂,在温和条件下进行微萃取,所有酚类可以在14 min内完全分离,并且整个试验过程不需要加热,无需有机溶剂,满足绿色、可持续分析化学的要求。

2.4 液相色谱-质谱联用法

液相色谱与质谱联用技术无需繁琐的前处理过程,一般可直接进样,操作简单,定性准确、灵敏度高。

陈晓红等[44]采用实验室自制的两亲性聚离子液体进行CPs的微萃取,结合液相色谱-串联质谱法测定水中4-CP、2,4-DCP、2,4,5-三氯苯酚(2,4,5-TCP)、2,3,4,6-TeCP和PCP 等5种CPs的含量,检出限为0.33～5.4 ng·L－1,加标回收率为86.4%～99.1%,日内RSD和日间RSD分别为0.8%～8.2%和1.7%～8.7%。质谱定性能力强,结合液相色谱高效的分离能力,对测定水体中微量有机物具有很好的应用前景。CAI等[45]合成了一种平面石墨烯氧化物的磁性离子液体纳米复合材料(PGO-MILN)用于高效磁固相萃取,结合液相色谱-串联质谱法测定水体中2-CP、2,4-DCP、2,4,6-TCP、2,3,4,6-TeCP和PCP等5种CPs的含量,线性范围为10～500 ng·L－1,相关系数大于0.9994,检出限和测定下限分别为0.2～2.6 ng·L－1和0.6～8.7 ng·L－1,日内RSD 和日间RSD 分别为0.6%～7.4%和0.7%～8.4%。庄立等[46]采用超声辅助固相微萃取-超快速液相色谱串联质谱法测定尿液中PCP的含量,方法简便易行,样品干扰少,适用于尿液等复杂基质中PCP的检测。WU 等[47]采用二极管阵列检测器-高效液相色谱法对苯酚、对苯醌、邻苯二酚和对氯苯酚的含量进行了测定,并用在线分析电喷雾电离质谱(EESI-MS)分析研究Fe(Ⅵ)对高氯水体中苯酚的降解机制。试验中苯酚、对苯醌、邻苯二酚和对氯苯酚可以在9.7 min内完全分离,检出限分别为0.05,0.05,0.1,0.08 mg·L－1,在线质谱技术实时监测反应物和中间体,并且不受到其他物质的干扰,是未来监测CPs消减机制的重要发展方向。

3 毛细管电泳法

毛细管电泳法分离效率高、分析快速、自动化程度高,但灵敏度较低,检测水体中痕量及超痕量CPs需要配合有效的富集净化技术。

MA 等[48]用离线分散液液微萃取耦合线上压力辅助电动注射技术富集水样中苯酚、2-CP、4-CP、2,4-DCP、2,6-DCP、2,4,6-TCP和PCP等7种酚类化合物,并用二极管阵列检测器-毛细管电泳法进行分离测定。该方法富集系数高,线性范围宽,适用于实际水样中痕量CPs的测定。GAO 等[49]基于场放大进样在线预浓缩策略,结合紫外检测器-毛细管区带电泳法测定水样中2-CP、4-CP、2,4-DCP、2,6-DCP、2,4,6-TCP等5种CPs,该方法操作简单,自动化程度高,富集性好,灵敏度高,场放大进样的预浓缩技术可以克服紫外检测器分析低含量样品时灵敏度不够的缺点。LU 等[50]以2,4,6-TCP为模板,采用沉淀聚合法制备分子印迹聚合物并用于分散固相萃取,二极管阵列检测器-毛细管电泳法测定水样中6种CPs的含量,该方法将分子印迹技术与毛细管电泳结合起来,可提高萃取效率,但制备表征分子印迹聚合物过程较为复杂。

4 检测方法数据汇总

本工作将上述具有代表性的检测方法数据进行汇总,包括样品基质、前处理方法、检出限、回收率等,如表1所示。

表1 (续)

5 总结与展望

随着饮水氯化消毒的普及,痕量消毒副产物对人体的危害不断被重视,人们对氯酚类化合物性质、危害机制的认识不断加深,正在努力探索更加快速、安全、污染小的测定方法,这也是预防、控制水体中污染物的迫切需要。

近些年CPs检测方法相较之前拥有了更低的检出限和更好的稳定性。紫外-可见分光光度法简便易行,流动注射分光光度法分析自动连续,适用于大批量样品的测定,缺点是不能分离待测组分,只能测定水体中总挥发酚的含量。随着检测技术不同方向发展的精细化,分光光度法逐渐向现场水样的便携性快检发展。气相色谱法虽然能够分离水体中的CPs,但是大多需要复杂的衍生化,前处理过程也存在提取净化不完全、操作繁琐、使用大量有机溶剂等问题,目前正在研发磁固相萃取、有机共价骨架薄膜萃取等更加简便、快速、绿色、高效的新型前处理技术。液相色谱也发展出特异性的C18柱、阴离子柱、混合柱等色谱柱,适用于检测复杂水体中痕量级和超痕量级多种CPs的同时分离测定。质谱定性准确,不同电离方式响应存在差异,正在开发更灵敏的电离方式和同分异构体分离的质谱检测器。毛细管电泳本身灵敏度低,需要富集等问题也在探索更优异的富集技术。随着多学科不断的融合发展,多种分析技术的联用,离子色谱法、分子印迹及生物分析法等检测技术的多样化,新型技术的开发将会给CPs的测定提供更多更好的选择。