固相微萃取-气相色谱-质谱法测定地表水中10种痕量苯系物

王 聪,董雪瑞,谢 磊,张利果,高 莹,张浩杰,王宇翔

(杭州职业技术学院 生态健康学院,杭州 310018)

地表水生态系统是一个交互系统,具有水力特征、化学特征和与水生及底栖生物相关的特征等,污染物在地表水中进行迁移转化。地表水中苯系物主要来源于工业污染,如染料、制药等。该类物质不仅造成环境污染,还会对人体皮肤、结膜和呼吸器官产生刺激,并在人体内富集,能抑制中枢神经,严重时会引起肝脏和肾脏的损害[1],是现行国家标准CJ/T 51－2018《城镇污水水质标准检验方法》中必检的项目[2]。苯系物的常用测定方法为静态顶空-气相色谱法[3]和二硫化碳萃取-气相色谱法[4]。但样品前处理采用静态顶空时,需要特定的顶空设备,顶空瓶只能使用一次,且平衡时间较长(40 min);采用二硫化碳萃取时,对人体健康危害较大,且容易造成二次污染。

固相微萃取是一种分析样品需求量少、无需有机溶剂或有机溶剂用量较少及微型化的高效萃取方式,可将采样、萃取、浓缩及进样一体化[5],其研究热点集中在气味分析、环境分析和生物分析等领域的应用[6-9]。多壁碳纳米管(MWCNTs)因比表面积大、吸附性能好等优点而受到研究者的关注,并被应用于环境检测领域[10-12]。美国Millipore 公司在20世纪80年代中期首先应用聚偏氟乙烯作为膜材质开发出Durepore型微孔膜并推向市场,聚偏氟乙烯是疏水性聚合物材料,具有良好的化学稳定性,在室温下不被酸、强氧化剂和卤素所腐蚀,对芳香烃、醇等有机溶剂也很稳定[13-14]。鉴于此,本工作采用多孔聚偏氟乙烯膜包裹MWCNTs自制固相微萃取装置,制备的包膜经洗涤、活化、干燥后,在地表水中吸附富集痕量苯系物,再经甲醇解吸、浓缩制得样品,结合气相色谱-质谱法对环境中ng级的苯系物进行痕量分析。应用自制的固相微萃取装置富集和解吸样品,可有效去除体系的基质干扰且能反复使用,环境友好。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

Agilent 7890A-5975C 型气相色谱-质谱联用仪;GC-2014C型气相色谱仪;ZNCL-BS型智能数显磁力搅拌器;Ohaus EX125ZH 型准微量天平;BKQ-3200B型超声波清洗器;SGK-5LB 型低噪声空气泵;QL-300型氢气发生器;F 型聚偏氟乙烯微孔滤膜,孔径0.45μm;MWCNTs,碳纯度为97%,管径3～5μm,管长15～30μm;2.5 mL 样品瓶;10 mL顶空瓶;5μL微量进样针。

苯系物混合标准溶液:100.0 mg·L－1,准确称取氯苯、乙苯、对二甲苯、邻二甲苯、异丙苯、间二氯苯、邻二氯苯、1,2,3,4-四氢萘、二苯甲烷、丙苯各10 mg,用甲醇溶解,并定容至100 mL,充分混匀。

苯系物混合标准溶液系列:用水逐级稀释苯系物混合标准溶液,配制成质量浓度为1.000,5.000,10.00,50.00,100.0,1 000 ng·L－1的苯系物混合标准溶液系列。

高纯氦气、高纯氮气的纯度均为99.99%;对二甲苯的纯度为99.8%;氯苯、乙苯、异丙苯、间二氯苯、1,2,3,4-四氢萘的纯度均为99.5%;邻二甲苯、邻二氯苯、二苯甲烷、丙苯的纯度均为99%;甲醇为色谱级;试验用水为超纯水(电阻率为18.2 MΩ·cm)。

1.2 仪器工作条件

1.2.1 色谱条件

DB-5MS色谱柱(30 m×0.25 mm,0.25μm);进样口温度280 ℃;氢火焰离子化检测器(FID),温度250 ℃;载气为高纯氮气/高纯氦气;流量1.0 mL·min－1,分流比50∶1;进样量1μL。柱升温程序:初始温度40℃,保持8 min;以速率10 ℃·min－1升温至220 ℃,保持4 min。

1.2.2 质谱条件

电子轰击离子(EI)源,电离能量70 e V,离子源温度230 ℃;四极杆温度150 ℃;扫描范围 质荷比(m/z)40～500;传输线温度280 ℃。

1.3 试验方法

1.3.1 多孔膜保护固相微萃取装置的制备及活化

采用多孔聚偏氟乙烯薄膜包裹MWCNTs制备固相微萃取装置,制备流程图见图1。取一张多孔聚偏氟乙烯膜,在距离边缘0.5 cm 处对折,将重叠部分的边缘用加热的剪刀封口,之后将封口完成的这部分裁下,剪成0.8 cm 长的多个小段。每段有两个开口,将其中一个封口,用玻璃吸管和玻璃漏斗将10 mg MWCNTs(吸附剂)加至每个小段,然后封口,微萃取装置制作完毕。将制作好的薄膜微萃取装置经水超声处理5 min,洗涤表面杂质;再经甲醇超声处理5 min,将其放置于干燥皿中干燥。

图1 多孔膜保护固相微萃取装置的制备流程图Fig.1 Preparation flow chart of porous membrane protected solid phase microextraction device

多孔膜保护固相微萃取基本原理是分析物通过界面层从样品基质扩散到萃取相,并达到相平衡过程。这种平衡萃取方法与传统样品前处理方法比较,优势为较小的萃取相体积,在最小化基质干扰的同时有效地增加净化效果。另外,该技术是一种以敞开体系为萃取相的样品前处理方法,这种体系应用于大体积样品萃取时,避免了由于突破体积限制造成的萃取效率降低的问题,同时在该敞开体系下直接进行样品前处理,避免了对基体的污染及堵塞[15-16]。

1.3.2 痕量苯系物的富集和测定

将多孔膜保护固相微萃取装置放入1 L 样品中,以500 r·min－1的速率搅拌30 min,多孔聚偏氟乙烯包膜在溶液中自由翻转,充分接触溶液,使痕量苯系物富集至包膜中。取出包膜用水冲洗,放入干燥皿中干燥,然后用镊子夹住包膜放入装有1 mL甲醇的顶空瓶中,开启超声波清洗器,在功率150 W、工作频率40 Hz的条件下超声5 min,得到浓缩样品。取1μL浓缩样品按仪器工作条件测定。多孔聚偏氟乙烯包膜用甲醇冲洗后可重复使用。

2 结果与讨论

2.1 色谱行为及定性分析

痕量苯系物经多孔膜保护固相微萃取富集后,在甲醇中解吸后浓缩至1 mL,注射器抽取样品1μL,经进样口导入至色谱柱,经气相色谱-质谱联用仪分析检测,总离子流色谱图如图2所示。

图2 总离子流色谱图Fig.2 Total ion chromatogram

结果表明:1～8 号色谱峰主要集中在9～15 min内,9号和10号峰距离其他峰稍远,10个峰均达到基底分离,分离度较佳;色谱图基线比较平稳,随着程序升温速率增大,基线略有升高,但不明显。采用NIST 14谱库比对定性,10种痕量苯系物的匹配度均达到90%及以上,说明结果可靠性良好,具体的定性分析结果见表1。同时,在相同的气相色谱条件下,将同一组分连续进样5次,保留时间的相对标准偏差(RSD)控制在0.040%以内,以确定每种组分的保留时间。对比标准品、样品的保留时间,虽然出峰时间略有差异,但因使用同一型号色谱柱,出峰顺序一致,进一步说明方法定性的可靠性。

表1 10种痕量苯系物的定性结果Tab.1 Qualitative results of 10 trace benzene series

2.2 标准曲线和检出限

按照仪器工作条件测定苯系物混合标准溶液系列,以苯系物的质量浓度为横坐标,对应的峰面积为纵坐标绘制标准曲线。结果表明,10种苯系物的质量浓度在1.000～1 000 ng·L－1内与对应的峰面积呈线性关系,线性回归方程、相关系数见表2。

将产生3倍噪声水平的信号所对应的待测组分质量浓度定义为检出限,所得结果见表2。

表2 线性参数和检出限Tab.2 Linearity parameters and detection limits

2.3 精密度和回收试验

在空白基质(水)中加入含100,200倍检出限的10种苯系物的标准溶液,按照试验方法进行测定,每个浓度水平测定5 次,计算回收率及测定值的RSD,结果见表3。

由表3 可知,10 种苯系物的加标回收率为97.5%～100%,测定值的RSD 为0.89%～1.5%。说明方法可靠,精密度和准确度均较高。

表3 精密度和回收试验结果(n＝5)Tab.3 Results of tests for precision and recovery(n＝5)

2.4 样品分析

按照试验方法测定12份采集水样中的10种苯系物含量,结果表明,1 份样品中氯苯检出量为179.0 ng·L－1,1份样品中对二甲苯检出量为151.0 ng·L－1,其他水样均未检出苯系物。可见,随着工业的发展,水体中苯系物存在一定风险,户外水环境中苯系物的监测应引起重视。

本工作提出了固相微萃取-气相色谱-质谱法快速测定地表水中10种痕量苯系物的方法,采用多孔聚偏氟乙烯膜包裹MWCNTs制备成固相微萃取装置,适用于复杂环境样品的前处理。制备的包膜经洗涤、活化、干燥后,在地表水中吸附富集痕量苯系物,再经甲醇解吸、浓缩制得样品,经气相色谱-质谱分析,比对NIST 14谱库并结合标准品的气相色谱保留时间对实际样品中苯系物进行定性。方法简单、快速、准确,可以有效去除复杂体系的基质干扰,缩短环境检测预处理时间,实现水系精准痕量分析。

致谢:感谢2021年度浙江省访问工程师校企合作项目“杭州职业技术学院快速测定APG 中的残醇”的资助。