预蒸馏-液相色谱-三重四极杆质谱法测定土壤中苯胺的含量

王艳丽,陈 晨,刘殿甲,张 静,关玉春

(天津市生态环境监测中心,天津 300191)

苯胺,又名氨基苯,是一种重要的化工原料,在工业生产过程中被广泛使用。研究表明,苯胺经呼吸道、消化道、皮肤等途径对人体造成伤害,表现为血液系统损害,中毒性肝损伤,神经系统损害以及致畸、致癌、致突变等[1]。苯胺被世界卫生组织国际癌症研究机构列为第3类致癌物,并被列入我国规定的优先控制污染物[2]。各类不同环境标准规定了苯胺类化合物的限制要求。GB 3838－2002«地表水环境质量标准»中规定苯胺限值为0.1 mg•L－1。GB 36600－2018«土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准»规定了一类地和二类地中苯胺的筛选值和管制值。同时,苯胺成为土壤调查、土壤风险评估、土壤修复等各类土壤监测工作中的重点指标,土壤中苯胺的监测受到广泛关注。

土壤中苯胺的前处理过程一般需经过提取、浓缩和净化环节,样品的提取过程视为分析方法的瓶颈[3]。目前提取苯胺的方法主要有振荡法、索氏提取、微波辅助提取、超声辅助提取和加速溶剂提取等[4-8]。土壤主要由有机质、金属氧化物和黏土矿物组成。苯胺属于疏水性有机物,土壤中有机质含量越高,土壤对苯胺的吸附能力越强[9]。土壤中苯胺在浓缩提取液过程中会有较多的损失,净化过程也会引起一定的损失。研究表明,随着浓缩倍数的增加,苯胺回收率降低[8]。

土壤中苯胺的仪器分析方法主要有气相色谱法[10]、气相色谱-质谱法[11-14]、液相色谱法[5,15]及液相色谱-质谱法[16]。国内环保行业中关于土壤中苯胺的标准分析方法为HJ 1210－2021«土壤和沉积物13种苯胺类和2种联苯胺类化合物的测定 液相色谱-三重四极杆质谱法»,该标准中采用提取-净化-浓缩等前处理方法,同时充分利用液相色谱-三重四极杆质谱法灵敏度高、检出限低的特点。

预蒸馏提取法利用混合液体或液-固体系中各组分沸点不同,使低沸点组分蒸发,再冷凝以分离整个组分的单元操作过程,不需使用系统组分以外的其他液体,具有操作简便,无需有机溶剂、无需净化的优点。在碱性条件下,从土壤中直接蒸馏提取苯胺[17],再采用比色法测定,得到较满意的结果,但比色法灵敏度低,易存在假阳性。本工作采用预蒸馏法提取土壤样品中的苯胺,收集馏出液后直接进样,利用液相色谱-三重四极杆质谱法测定苯胺,省去净化和浓缩环节,避免在此过程苯胺的损失。方法操作简便、回收率高、环境污染小,可为土壤中痕量苯胺的测定提供参考。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

Agilent 1290/6460型液相色谱-三重四极杆质谱仪;STEHDB-106-3型智能一体化蒸馏仪。

苯胺标准溶液:100 mg•L－1。

内标溶液:苯胺-d5标准溶液,100 mg•L－1。

甲醇、甲酸为农残纯;试验用水为超纯水。

1.2 仪器工作条件

1.2.1 蒸馏条件

加热模式为电加热,加热电压220 V;加热温度120 ℃。

1.2.2 色谱条件

Zobrax Eclipse Plus C18色谱柱(100 mm×2.1 mm,1.8μm);进样量10μL;柱温40 ℃;流量0.2 mL•min－1;流动相A 为0.005%(体积分数)甲酸溶液,B为甲醇。梯度洗脱程序:0～0.5 min时,B为5%;0.5～10.0 min时,B 由5%升至90%,保持2.0 min;12.0～12.1 min时,B由90%跳转至5%。

1.2.3 质谱条件

电喷雾离子(ESI)源,正离子(ESI＋)模式;干燥气流量10 L•min－1,温度300 ℃;毛细管电压4 000 V;多反应监测(MRM)方式;其他质谱参数见表1。

表1 质谱参数Tab.1 MS parameters

1.3 试验方法

称取10 g 土壤样品,转移到蒸馏瓶中,加入50 mL水和数粒玻璃珠,用0.01 mol•L－1氢氧化钠溶液调节蒸馏液酸度为弱碱性,在蒸馏仪上于100 ℃加热,用10 mL 0.1 mol•L－1硫酸溶液收集馏出液。待吸收液接近50 mL时停止蒸馏,用水定容至50 mL。准确移取1.0 mL 吸收液至2 mL 棕色进样瓶中,加入内标,使内标的质量浓度为20.0μg•L－1,混匀,按照仪器工作条件测定,根据保留时间和特征离子定性,内标法定量。

2 结果与讨论

2.1 色谱行为

提取MRM 数据,得到苯胺、内标的总离子流色谱图和提取离子色谱图,见图1和图2。

图1 苯胺和苯胺-d5 的总离子流色谱图Fig.1 Total ion chromatograms of aniline and aniline-d5

图2 苯胺和苯胺-d5 的提取离子色谱图Fig.2 Extracted ion chromatograms of aniline and aniline-d5

2.2 前处理条件的选择

2.2.1 蒸馏液酸度

以100μg•kg－1空白加标样品为研究对象,按照试验方法向蒸馏瓶中加入100 mL 水,分别调节酸度为酸性、中性和弱碱性,考察了蒸馏液酸度对苯胺回收率的影响。结果表明:蒸馏液呈酸性时,由于苯胺显弱碱性,在酸性条件下形成苯胺盐,其回收率较低,仅27.6%;蒸馏液呈中性时,苯胺回收率为78.3%;蒸馏液呈弱碱性时,苯胺主要以游离态形式存在,回收率较高,达到96.5%。因此,试验选择将蒸馏液酸度调节为弱碱性。

2.2.2 蒸馏用水体积

以100μg•kg－1空白加标样品为研究对象,按照试验方法向蒸馏瓶中加入20,50,100 mL 水,调节酸度为弱碱性,考察了蒸馏用水体积对苯胺回收率的影响。结果表明:蒸馏用水体积为20 mL 时,土壤样品为鲜样,加入20 mL 水后,可对土壤样品进行稀释,且蒸馏液体积较小,蒸馏时间过短,蒸馏过程不完全,导致苯胺回收率较低(70.6%);蒸馏用水体积为50,100 mL 时,苯胺的回收率分别为98.3%,96.5%。为提高检测的灵敏度,试验选择蒸馏用水的体积为50 mL。

2.2.3 蒸馏前浸泡时间

以100μg•kg－1空白加标样品为研究对象,按照试验方法向蒸馏瓶中加入50 mL水,调节蒸馏液酸度为弱碱性,保持溶液浸没土壤样品,在室温下分别浸泡0,6,12,18,24 h后再进行蒸馏及后续试验,考察了浸泡时间对苯胺回收率的影响。结果表明,苯胺的回收率分别为96.5%,98.3%,97.6%,95.4%,95.6%,说明在蒸馏前对土壤样品进行浸泡不影响苯胺的回收率,土壤中的苯胺在弱碱性水环境中能保持相对稳定。因此,确定本方法蒸馏前无需浸泡。

2.2.4 吸收剂

考虑到实际土壤样品中苯胺含量可能会较高,吸收剂的酸度较低影响其吸收能力,需保证适量的酸度。以100μg•kg－1空白加标样品为研究对象,按照试验方法进行蒸馏,分别用10 mL 水、10 mL 0.1 mol•L－1硫酸溶液、10 mL 0.1 mol•L－1盐酸溶液收集馏出液,考察了吸收剂对苯胺回收率的影响。结果显示:苯胺的回收率分别为96.5%,103%,98.6%。可知,用水为吸收剂时苯胺回收率略低于硫酸和盐酸,这是由于苯胺分子中的氮原子存在孤对电子,属于路易斯碱,与酸吸收剂中的氢离子更易结合;两种酸为吸收液时苯胺回收效率基本一致,但是硫酸作为二元酸,在相同浓度下能够提供更多的氢离子,对苯胺的吸收能力更强,当待测样品中存在高浓度水平目标物时不易饱和,而且相比于盐酸,硫酸更为稳定。因此,试验选择0.1 mol•L－1硫酸溶液为吸收剂。

2.2.5 吸收液保存条件

以100μg•kg－1空白加标样品为研究对象,按照试验方法收集馏出液,定容至50 mL。将此吸收液存放在无有机物干扰区域,分别于4 ℃和常温下保存0,1,3,7,8,10 d后进行测定,考察了吸收液保存条件对苯胺回收率的影响,结果见图3。

图3 保存条件对苯胺回收率的影响Fig.3 Effect of preservation condition on aniline recovery

由图3可知:常温下吸收液中苯胺回收率随保存时间的延长持续下降,在4 ℃下苯胺回收率下降较慢;在4 ℃下保存8 d时苯胺的回收率降低超过10%,10 d时降低超过20%。因此,试验确定吸收液在4 ℃保存时间不应超过7 d。

2.3 标准曲线、检出限和测定下限

精确移取适量的苯胺标准溶液于10.00 mL 容量瓶中,用水稀释并定容,混匀,配制成质量浓度分别为1.00,5.00,10.0,20.0,50.0,100μg•L－1的苯胺标准溶液系列。移取1.0 mL 苯胺标准溶液系列于棕色进样瓶中,加入适量内标溶液,使内标质量浓度达到20.0μg•L－1,按照仪器工作条件测定。以目标物质量浓度与内标质量浓度的比值为横坐标,以其对应的响应比值为纵坐标绘制标准曲线。结果表明,苯胺标准曲线的线性范围为1.00～100μg•L－1,线性回归方程为y＝1.420x－0.174 0,相关系数为0.999 5。

重复测定7份空白加标样品,加标浓度水平为2.5μg•kg－1,按照HJ 168－2020«环境监测分析方法标准制定技术导则»附录A 计算苯胺的方法检出限,结果为0.6μg•kg－1,小于标准方法HJ 1210－2021的检出限(2μg•kg－1)。按照4倍检出限计算测定下限,结果为2.4μg•kg－1。

2.4 精密度与回收试验

对6个空白土壤样品进行3个浓度水平的加标回收试验,按照试验方法测定,计算回收率和测定值的相对标准偏差(RSD),结果见表2。

表2 精密度和回收试验结果(n＝6)Tab.2 Results of tests for precision and recovery(n＝6)

由表2可知,苯胺的回收率为96.0%～110%,测定值的RSD 为1.9%～4.2%,说明方法的准确度和精密度良好。

2.5 方法比对

按照试验方法对某修复地土壤中苯胺进行测定,并与加速溶剂提取-气相色谱-质谱法(ASE-GCMS)[18]所得测定结果进行对比,结果见表3。

表3 方法比对结果Tab.3 Results of method comparison

由表3可知,本方法的检出限更低,在低浓度水平实际样品苯胺的测定中更为灵敏,在中高浓度水平实际样品苯胺的测定结果较ASE-GC-MS测定结果更高。说明在使用高灵敏度仪器的前提下,减少前处理步骤后,苯胺的测定损失极大地降低。

本工作采用预蒸馏-液相色谱-三重四极杆质谱法测定土壤中苯胺的含量,方法前处理操作简便,不使用有机溶剂,可以直接去除土壤中其他杂质的干扰;利用液相色谱-三重四极杆质谱法的高灵敏度,得到的方法线性范围宽、检出限低、回收率高,广泛适用于土壤中不同浓度水平苯胺的分析测定。