郭春焕,张向杰,刘丽颖
(华北有色(三河)燕郊中心实验室有限公司,河北 廊坊 065200)
近几年来,国家对生态环境的保护和修复尤为重视,环境问题也成为了人们口中的热门话题。其中,土壤污染就是目前人类面临的一个极为重要的环境问题之一。土壤污染主要包括有机污染物、无机污染物和微生物污染物,这些污染物对人类生存的环境产生了巨大的胁迫。苯胺就是土壤中常见的有机污染物。苯胺,化学式C6H7N,又称阿尼林、阿尼林油、氨基苯,是无色油状液体,易溶于乙醇、乙醚等有机溶剂,具有可燃性,其蒸气与空气混合,能形成爆炸性混合物。苯胺为第6.1类毒害品,毒性分级为高毒,接触过多会引起高铁血红蛋白白血症,以及对肝、肾、皮肤的损害,并且它还被认为对人体有很强的致癌性[1]。苯胺是最重要的胺类化合物之一,常用作染料中间体、农药、橡胶助剂及其他有机合成的原料。环境中的苯胺主要来源于橡胶、印染、制药、塑料、陶器上釉等的生产过程[2]。环境中苯胺的残余量早已引起了全球各国的关注,并被美国、日本等国家列入为主要监测项目或优先监测的污染物[3]。
目前,环境中苯胺的监测方法主要有光度法和色谱法[4]。其中,国家标准推荐测定苯胺的方法是萘乙二胺偶氮分光光度法,但标准法测定过程中存在许多不足[5]。刘洪涛等[6]对该标准方法进行了进一步优化;杨晓梅等[7]对该标准方法中出现的亚硝酸盐、重氮化合物、2-萘胺-1-磺酸对苯胺测定的干扰进行了研究;李玉萍等[8]解决了共存离子干扰的问题;方淑琴等[9]通过改用硫酸(1+10)调节pH值的方法,使该方法适用于大批样品的分析;陈海祥等[10]对苯胺标准液配制的方法,提高了标准配制精度,减少了试剂的消耗量。上述方法常被用于水质监测苯胺的项目,然而,土壤中苯胺的测定方法并没有一个明确的现行标准。虽然国家环保局所编的《水和土壤监测分析方法》一书中是采用“萘乙二胺偶氮光度法”也适用于土壤,也具有简便、精密度和准确度好的优点,但是该方法却只能分析总的苯胺类化合物,而不能单独分析苯胺的含量[11]。2019年,国家环保局关于“请教土壤中苯胺的检测方法”回复中说道:实验室可按《合格评定化学分析方法确认和验证指南》(GB/T 27417-2017)、《环境监测分析方法标准制修订技术导则》(HJ 168-2010)和《土壤和沉积物半挥发性有机物的测定气相色谱-质谱法》(HJ 834-2017)相关要求做好方法验证、确保方法检出限、测定下限、选择性、线性范围、测量范围、基体效应影响、准确度、精密度和测量不确定度等满足GB 36600-2018苯胺风险筛选值和管制值要求的基础上,可以使用HJ 834-2017开展土壤中苯胺的监测工作。虽然按照HJ 834-2017标准检测土壤中的苯胺是可行的,但是苯胺的加标回收率仅有60%~70%。为了提高苯胺检测的回收率,减少苯胺在前处理过程的损失,我们对HJ 834-2017中的前处理过程进行了不断的优化,最终找到了一个适合苯胺检测的最优前处理方案。通过前处理优化,土壤中苯胺的回收率均能达到85%以上。
1)气相色谱质谱联用仪(GCMS):具备电子轰击(EI)电离源,美国Agilent气相色谱质谱联用仪,型号:8890-5977B。2)提取装置:加速流体萃取仪,美国赛默飞世尔科公司,型号:ASE350。3)浓缩装置:氮吹仪,上海安谱实验科技股份有限公司,型号:EFAA-DC24。
1)苯胺标准贮备液:ρ=1000 mg/L,市售有证标准溶液,购于上海安谱实验科技股份有限公司。2)内标1贮备液:ρ=2000 mg/L。内标物为苯胺-d5,市售有证标准溶液,购于上海安谱实验科技股份有限公司。3)替代物贮备液:ρ=1000 mg/L。替代物为硝基苯- d5,市售有证标准溶液,购于上海安谱实验科技股份有限公司。4)内标2贮备液:ρ=1000 mg/L。内标物为1,4-二氯苯-d4,可购买市售有证标准溶液,购于上海安谱实验科技股份有限公司。5)丙酮、正己烷和二氯甲烷,农残级。6)五水合硫代硫酸钠(Na2S2O3·5H2O),优级纯。7)氨水(NH3·H2O),分析纯。8)粒状硅藻土(60~20目),置于马弗炉中 400 ℃ 烘烤 4 h,冷却后装入磨口玻璃瓶中密封,于干燥器中保存。9)无水硫酸钠,优级纯。置于马弗炉中 400 ℃ 烘 4 h,冷却后装入磨口玻璃瓶中密封,于干燥器中保存。10)市售硅酸镁净化小柱,购于上海安谱实验科技股份有限公司。11)正己烷-丙酮混合溶剂:1+1。用正己烷和丙酮按1∶1体积比混合。12)二氯甲烷-丙酮混合溶剂:1+1。用二氯甲烷和丙酮按1∶1体积比混合。13)二氯甲烷-丙酮混合溶剂:2+1。用二氯甲烷和丙酮按2∶1体积比混合。
1.3.1 样品准备
将所采土壤样品放于搪瓷或玻璃托盘中,除去枝棒、叶片、石子等异物,充分混匀。称取 10 g,加入适量粒状硅藻土,搅拌均匀。
1.3.2 加压流体提取
将上述混匀的样品通过专用漏斗小心转移至萃取池,移去漏斗,加入 2.0 μg 内标1、2.0 μg 替代物和 1.0 mL 氨水,拧紧顶盖。将其竖直平稳放入加压流体萃取装置样品盘中。参考以下萃取条件:加热温度,60 ℃;萃取池压力,1.034 kPa(1500 psi);预加热平衡,5 min;萃取剂,正己烷-丙酮(1+1)混合溶剂;静态萃取时间,10 min;溶剂淋洗体积,60%池体积;氮气吹扫时间,60 s;静态萃取次数,2次。条件设置后,启动程序,仪器自动完成萃取。萃取结束后,依次取下接收瓶,对萃取液进行脱水,待下一步的浓缩。
1.3.3 首次浓缩
将干燥后的提取液,转移至氮吹管中;保持氮气的适当压力,浓缩至约 1 mL,待净化。
1.3.4 净化
先将硅酸镁净化小柱固定好,用二氯甲烷-丙酮(2+1)混合溶剂冲洗两遍,再将浓缩后的提取液转移至小柱中。用 1 mL 正己烷分两次洗涤浓缩器皿,洗液全部转入小柱中。缓慢打开控制阀,在填料暴露于空气之前关闭控制阀,加入 10 mL 二氯甲烷-丙酮(2+1)混合溶剂,浸润 1 min。缓慢打开控制阀,保持约 2 mL/min 流速,收集全部洗脱液。
1.3.5 二次浓缩
将净化后的净化液转移至氮吹管中,保持氮气的适当压力,浓缩至不少于 0.9 mL,再用正己烷-丙酮(1+1)混合溶剂定容至 1.0 mL,转入 2 mL 棕色样品瓶,待测定。
气相色谱条件:进样口温度,190 ℃,不分流;进样量,1.0 μL;柱流量,1.0 mL/min;质谱条件,电子轰击源(EI);离子源温度,230 ℃;四级杆温度,150 ℃;质量扫描范围,35 ~450 amu;数据采集方式,全扫描(Scan)模式。
准确配制苯胺、替代物的溶液,质量浓度分别为0.5、1.0、2.0、4.0、8.0、10.0 μg/mL。内标质量浓度为 2.0 μg/mL 的曲线系列点,以苯胺与内标化合物浓度的比值为横坐标,以苯胺与内标化合物定量离子响应值的比值为纵坐标,绘制校准曲线。曲线拟合见表1。
表1 标准曲线线性(Response=a*Amt+b)
首先,把干净的土壤置于马弗炉中,400 ℃ 下,烘 4 h;冷却后装入棕色磨口玻璃瓶中密封保存,作为试验的基体。根据HJ 834-2017和HJ 738-2016标准,先按照实验室常规前处理条件,对基体加标样品进行萃取、浓缩、净化,苯胺的回收率在61%~73%(详见表2中的序号1)。在前处理条件优化中,首先对土壤的酸碱性进行筛选。苯胺呈弱碱性,在弱碱性的土壤中比较稳定,而在弱酸性的条件下很容易发生反应,使苯胺进行转化。基于这个思路,进行了对比实验,结果表明,苯胺在碱性条件性回收率提高了20%以上(见表2中的序号3),而在弱酸性的条件下却下降了许多(见表2中的序号2)。接着,对常规的萃取剂进行了筛选,结果表明,萃取剂为二氯甲烷-丙酮的混合液时苯胺的回收率最高,正己烷-丙酮的稍逊之(见表2中的序号3、4、5、6)。但考虑到二氯甲烷极易挥发,且毒性比正己烷较大,故选择正己烷-丙酮混合液为提取剂。随后,对加速流体萃取仪的萃取温度进行了优化,结果表明,对苯胺而言,并不是萃取温度越高越好(见表2中的序号3、7、8、9、10)。考虑到节能、仪器成本,最佳萃取温度定为 60 ℃。最后,对萃取次数进行了筛选,结果表明,萃取3次和萃取2次,苯胺的回收率相差很小(见表2中的序号10、11、12)。通过以上优化,土壤中苯胺检测的前处理条件定为:在弱碱性的条件下,以正己烷-丙酮的混合溶液为萃取剂,萃取温度 60 ℃,萃取2次。
表2 土壤中苯胺检测的前处理条件优化对比表
2.2.1 检出限
称取 10 g 高温处理过的空白土壤,加入硅藻土,将土壤搅拌成流沙状。加入 1.5 μg 苯胺标准物、2.0 μg 苯胺-d5标准物和 2.0 μg 硝基苯-d5标准物。用加速流体萃取仪进行萃取。干燥萃取液后,用氮吹仪将萃取液浓缩至 1 mL 以下。加入 2.0 μg 1,4-二氯苯-d4标准物,用正己烷-丙酮(1+1)混合溶剂定容至 1 mL,苯胺理论质量分数为 0.15 mg/kg。设7个样品,上机分析,按下列公式计算方法检出限(为 0.01 mg/kg,见表3)。
表3 测试7次的检出限
MDL=t×Sb
式中:MDL为方法检出限;t为平行测定7个样品时,t=3.143;Sb为7次平行测定的标准偏差。
2.2.2 精密度和准确度
以高温处理过的干净土壤代替样品,分别对质量分数为 0.20 mg/kg、1.00 mg/kg 和 2.00 mg/kg 的三组加标样品进行测定,每组测定6个样品,苯胺的相对标准偏差RSD在1.73% ~ 4.1%,苯胺的加标回收率为95.0% ~ 98.0%,详见表4。
表4 实验精密度和准确度
根据实验室对来样样品的检测流程和质量控制要求,用本次实验所得的前处理优化条件对实际样品进行了处理,检测结果为:空白实验和样品均未检出苯胺,样品加标中苯胺的回收率为91.5%,替代物回收率为87.3%。
对土壤中苯胺污染物的检测来说,样品的采集、前处理以及仪器的分析,都客观直接的影响着检测结果的准确性。在这个工作中,我们仅对土壤中苯胺污染物的前处理监测过程进行了合理严谨的探究。探究表明: 针对土壤中苯胺污染物的前处理监测过程,实验室选择在弱碱性的条件下,以正己烷-丙酮混合溶液为萃取剂,萃取温度 60 ℃,萃取2次等实验条件为宜。在这个条件下进行的样品处理,回收率均能达到85%以上,保证了监测数据的准确性、客观性,为后续部门的工作提供了有力保障。