固相微萃取技術在苯胺等突發性水環境污染事故中的應用

曹方方，李紅莉，金玲仁，臧 鯤

1.山東省環境監測中心站，山東 濟南 250101 2.陜西師范大學化學與化工學院，陜西 西安 710100

固相微萃取技術在苯胺等突發性水環境污染事故中的應用

曹方方1，李紅莉1，金玲仁1，臧 鯤2

1.山東省環境監測中心站，山東 濟南 250101 2.陜西師范大學化學與化工學院，陜西 西安 710100

建立了固相微萃取與車載氣相色譜-質譜聯用技術現場快速定量分析突發性水環境污染事故中的硝基苯、苯酚、苯胺3種半揮發性有機物的方法。選用PA萃取纖維，調節水樣pH為8.5，加入30%的氯化鈉，45 ℃頂空萃取30 min可得最佳萃取效果。在最佳實驗條件下，硝基苯、苯酚、苯胺的方法檢出限分別為0.68、3.2、4.88 μg/L；平行測定7次的相對標準偏差分別為5.37%、8.31%、2.86%；3種化合物的相關性系數均大于0.99；對實際樣品測定的加標回收率在61.1%～120%。

固相微萃取；車載氣相色譜-質譜；苯胺、苯酚、硝基苯；突發性水環境污染事故

近年來，隨著經濟的飛速增長，中國突發性環境污染事故進入一個高發時期，環境安全問題日益突出。通過梳理近年來國內發生的突發性環境污染事故案例包括爆炸燃燒類、有毒有害物質泄漏類、交通運輸污染事故類等，發現硝基苯、苯胺、苯酚3種物質的污染事故發生頻率較高。如2006年，中石油蘭州石油化工公司苯胺裝置的酸罐爆炸引起的苯胺、硝基苯污染事故；同年，發生在徐州的硝基苯泄漏事故、京沈高速盤錦段的苯酚泄漏事故、連云港市薔薇河酚污染事故等[1]。在此類突發性環境污染事故中，要求環境監測人員能夠快速準確報出污染物的性質、污染物濃度水平、污染范圍，為環境決策部門提供科學依據。

車載5975T氣質聯用儀是一種采用與帶有加熱器和溫度傳感器部件的熔融石英毛細管結合在一起的LTM色譜柱模塊的分析儀器，該儀器具有升降溫速度快、抗震效果好、可移動性強的特點，適用于突發性污染事故的現場應急監測。現場監測減少了樣品從采集到實驗室分析所需要的運輸時間差，同時也極大降低了樣品在運輸途中發生各種物理化學變化的可能，不僅可以提供實時監測數據，而且可較為準確反應污染事故現場污染物的真實情況。根據國家標準分析方法，分析硝基苯、苯胺、苯酚這3種物質的前處理過程繁瑣，如酚類化合物的分析需先采用液液萃取(LLE)處理[2]，硝基苯類化合物需液液萃取或固相萃取(SPE)[3]，耗時繁瑣且使用大量有機溶劑，無法滿足現場快速分析的要求。

固相微萃取(SPME)是一種相對較新的萃取前處理技術，由Pawlisizyn在1989年提出。與傳統有機物樣品的前處理技術相比,該技術簡便、快速、易于實現自動化、便于攜帶且成本低廉，無大量有機溶劑使用，集采樣、萃取、富集、進樣于一體，是一種環境友好型前處理技術[4]。經過多年發展，已作為一種常用的樣品前處理手段，SPME與氣相色譜法(GC)[5]、氣相色譜質譜法(GC/MS)[6]、高效液相色譜法(HPLC)[7]聯用成功應用于食品分析[8]、環境樣品分析[9]、生物樣品分析[10]等方面。特別是環境領域，固相微萃取技術已經發展成為一門非常成熟的技術且被廣泛應用于空氣、水、土壤等方面，但作為一種在環境應用方面最有前途的樣品前處理技術還未見在環境污染事故現場應急監測方面應用的報道。

本文建立了固相微萃取-車載氣相色譜/質譜法，主要應用于突發性環境污染事故中苯胺、苯酚、硝基苯的現場監測方法。該方法與傳統國標方法相比較，無有機溶劑使用、簡化了繁瑣的樣品前處理過程，快速準確，能夠達到30 min內完成一個批次分析的目的。其綜合了SPME的簡便、快捷、易于攜帶的特點，與車載GC/MS聯合應用于突發性污染事故的現場監測中，可快速定性污染物的種類，準確定量污染物濃度水平，能夠滿足應急監測現場準確快速監測的要求。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

5975T車載氣相色譜/質譜儀(美國)；DB-624 LTM毛細管柱(20 m×180 μm×1 μm)；固相微萃取手柄、磁力攪拌器、小磁子及3種萃取纖維：聚丙烯酸酯(PA，85 μm)、聚二甲基硅氧烷(PDMS, 100 μm)、聚二甲基硅氧烷/聚苯乙烯(PDMS/DVB，65 μm)、萃取瓶分別為5、10 ml帶PTFE涂層硅橡膠墊片的旋口玻璃瓶(美國)。

苯胺(200 mg/L)、苯酚(500 mg/L)、硝基苯(200 mg/L)均購自環境保護部標準物質研究院。氫氧化鈉、優級純，均購自天津市廣成化學試劑有限公司；Milli-Q高純水。

1.2 分析條件

1.2.1 固相微萃取條件

調節樣品酸度為8.5左右，PA萃取纖維頭頂空萃取，萃取溫度45 ℃，萃取30 min。

1.2.2 氣相色譜質譜條件

DB-624(20 m×180 μm×1 μm)LTM柱，進樣口溫度250 ℃,柱流速1.0 ml/min，恒流模式；進樣方式：分流進樣，分流比為10∶1；升溫程序：40 ℃保持4 min，以15 ℃/mim的速度升溫至220 ℃，保持0 min，進樣熱解析時間3 min。所有組分10 min均完全出峰，延長程序升溫時間是為了定性檢測污染事故中有無其他有機物。接口溫度280 ℃；離子源：230 ℃,四級桿：150 ℃；EI電壓：70 eV，溶劑延遲：2 min，掃描模式：SCAN，掃描范圍29～260 aum。

1.3 固相微萃取方法

先將樣品酸度調節到8.5左右，取10 ml萃取瓶，放入一個磁子和1.5 g氯化鈉，加入5 ml水樣后立即用帶PTFE涂層硅橡膠墊的瓶蓋密封。然后將此萃取瓶放入45 ℃的恒溫水浴中，使固相微萃取手柄的不銹鋼針頭刺入墊片，輕輕推出萃取頭，使萃取頭暴露在樣品的頂空部位。調節微型磁子的轉速，避免樣品飛濺到萃取頭上，計時。

1.4 質量保證與質量控制

到達應急監測現場，需先對儀器進行調諧并做一次連續校準，連續校準偏差應小于20%，否則應重新繪制曲線或根據樣品情況采用單點校準；新的萃取纖維頭在使用前按照說明書在250 ℃老化0.5 h,已經老化過的纖維頭在使用前需凈化,確保無目標分析物檢出后方可使用；不同萃取纖維頭的吸附解析性能也不同，每次使用新的纖維頭時則需重新繪制曲線或采用單點校正進行樣品分析。

2 結果與討論

2.1 固相微萃取條件優化

2.1.1 酸度的影響

研究了酸度對3種化合物萃取效果的影響。研究表明酸度對硝基苯影響不大；在pH≤8.5時，酸度對苯酚的影響不大，當pH>8.5時苯酚的相應信號開始降低；苯胺在pH≤7.0時無響應信號，隨著pH增大響應信號開始逐漸增強。綜合考慮，優化酸度條件為pH 8.5。突發性水污染事故中，水體的pH變化會很大，因此在事故現場分析3種物質時，應根據樣品實際情況采用稀硫酸或稀氫氧化鈉溶液將調節pH 8.5左右后進行分析。

2.1.2 萃取纖維頭的選擇

商品化的纖維頭涂層主要有聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚丙烯酸酯(PA)、聚乙二醇(PEG)及一些復合涂層如PDMS/DVB、CRA/PDMS。研究了PDMS(100 μm)、PA(85 μm)、PDMS/DVB(65 μm)3種萃取纖維頭對硝基苯、苯酚、苯胺3種化合物萃取效果的影響。結果表明，PDMS對苯酚、苯胺無吸附作用，對硝基苯有微弱吸附；PDMS/DVB對3種化合物有萃取能力但萃取效果均不及PA；采用PA作為萃取頭，3種化合物均可獲得較好的萃取效果，因此研究選擇PA作為萃取纖維頭。

2.1.3 萃取方式的選擇

SPME主要有頂空固相微萃取、浸入式固相微萃取兩種方式，研究了這兩種萃取方式對3種化合物萃取效果的影響。實驗結果表明，硝基苯、苯酚、苯胺3種化合物采用頂空固相微萃取可得較好的萃取效果，且所需平衡時間短又能消除背景和復雜基質的干擾。因此，實驗采取頂空固相微萃取方式測定。

2.1.4 萃取時間的影響

研究了萃取時間對硝基苯、苯酚、苯胺3種化合物萃取效率的影響(圖1)。結果表明，隨著萃取時間的增加，3種化合物的峰面積不斷增強，當萃取30 min時，苯酚的峰面積測定值開始降低，硝基苯的峰面積信號響應值還在增強；苯胺在萃取20 min后基本達到萃取平衡。在應急監測中，較短時間內能滿足分析要求即可。因此，實驗最佳萃取時間為30 min。

圖1 萃取時間萃富集效果的影響

2.1.5 萃取溫度的選擇

萃取溫度對萃取平衡時間和萃取效率均有影響：升高溫度可提高待測物的擴散速率，有利于分析物揮發進入氣相，但同時溫度升高會降低分配系數，不利于分析物在萃取纖維頭上的吸附。有文獻報道，苯胺的萃取效果隨溫度變化不大[11]，因此實驗研究了不同溫度對硝基苯、苯酚2種化合物萃取效果的影響(圖2)。由圖2可以看出，硝基苯、苯酚2種化合物隨萃取溫度的升高，峰面積響應不斷增大，45 ℃時2種化合物的峰面積值達到最大，隨著溫度繼續升高，峰面積值下降，因此確定最佳萃取溫度為45 ℃。

圖2 溫度對富集效果的影響

2.1.6 鹽度的影響

考察了氯化鈉(NaCl)加入量對3種待測物萃取效率的影響(圖3)。由圖3可以看出，隨著溶液離子強度增加，3種化合物的峰面積不斷增大，當溶液達到飽和后，峰面積響應值趨于穩定。這是由于隨著溶液中NaCl加入量的增加，溶液鹽析作用增強，降低了有機物在水中的溶解度；當溶液達到過飽和后，析出的NaCl晶體則對有機物產生了吸附作用。因此，研究選擇30%的NaCl加入量。

圖3 鹽含量對待分析物萃取效果的影響

3 方法評價

在最佳實驗條件下配制5、10、20、50、100 μg/L的硝基苯系列濃度，12.5、25、50、100、250 μg/L的苯酚系列濃度，50、100、150、200、250 μg/L的苯胺系列濃度做3種化合物的標準曲線，3種化合物線性響應方程分別為y=6.17×104x-5.318×105，y=3.056×104x-1.202×105，y=5.737×103x-9.803×104；相關性系數分別為0.993、0.994、0.993。

平行做7組標準曲線最低點同濃度的樣品，根據公式(1)計算其方法檢出限(MDL),硝基苯、苯酚、苯胺3種化合物的檢出限分別為0.68，3.23、4.88 μg/L，均滿足《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)[12]的標準限值要求；平行做8組100 μg/L的樣品濃度計算相對標準偏差(RSD)以檢驗方法精密度，硝基苯、苯酚、苯胺3種化合物的RSD分別為5.37%、8.31%、2.86%。

MDL=t(n-1,0.99)×S

(1)

4 樣品分析

應用本方法對1份山東境內河流斷面水樣品、1份某化工區污水、1份實驗室自來水樣品，3份樣品加標回收實驗檢驗方法的可靠性。3份實際樣品分析結果及加標回收率情況見表1。從表1可知，不同水體樣品中加標回收率為61.1%～120%。

表 1 實際樣品分析及加標回收率

注：ND表示未檢出；“—”表示未添加標準樣品。

5 結論

建立了頂空固相微萃取-車載氣相色譜質譜聯用的方法，定量分析硝基苯、苯酚、苯胺等3種有機物的方法。該方法所用儀器設備便于攜帶且成本低，操作簡便、快速、易于實現自動化，方法檢出限低、精密度好，完全滿足《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)要求。適合用于突發性水污染事故的現場應急監測。

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Application of Solid Phase Micro-Extraction Technology Applied in Emergent Water Pollution Accidents Such as Anline

CAO Fangfang1，LI Hongli1，JIN Lingren1，ZANG Kun2

1.Shandong Environmental Monitoring Centre, Jinan 250101，China 2.Shanxi Normal University, School of Chemistry and Chemical Engineering, Xi’an 710100, China

A simple method coupling headspace solid-phase microextraction with vehicle GC/MS was developed to rapidly quantitative analyze nitrobenzene,phenol and anline in emergent water pollution accidents on the spot. Results showed that adjust pH to 8.5, using PA coated fiber, addition of 30% NaCl, headspace extracted 30 min under the temperature of 45 ℃ can get the optimum extraction conditions. Under the optimum conditions, the detection limitats of the method of nitrobenzene, phenol and anline were 0.68,3.2,4.88 μg/L respectively, and the relative standard deviation were 5.37%,8.31% and 2.86% (n=7) respectively; the correlation coefficient of these three compounds were>0.99; the recovery of these three compounds were 61.1%-120% in real samples analysis.

solid phase micro-extraction；vehicle GC/MS；nitrobenzene,phenol and anline；emergent water pollution accidents

2015-09-20；

2015-10-22

曹方方(1988-)，女，碩士，助理工程師。

X830.2

A

1002-6002(2016)06- 0107- 05

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.06.17