原位衍生化-分散液液微萃取-氣相色譜法測定環境水樣中酚類物質的含量

陳敏兒

(福建省漳州市東山縣環保局,福建漳州 363400)

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原位衍生化-分散液液微萃取-氣相色譜法測定環境水樣中酚類物質的含量

陳敏兒

(福建省漳州市東山縣環保局,福建漳州 363400)

本研究建立了原位衍生化-分散液液微萃取-氣相色譜測定水樣中酚類化合物含量的方法,并考察了衍生化反應過程以及萃取過程的相關因素對實驗結果的影響。實驗結果表明最佳條件為:在5 mL 分析水樣中(pH=7.00),加入800 μL衍生劑乙酸酐,置于50 ℃水浴中加熱30 min,猝冷至室溫后,以200 μL二氯甲烷為萃取劑,以10 μL甲醇為分散劑,密封后振蕩后離心5 min,取1.00 μL萃取液進行分析。本法線性范圍為0.02～4.00 μg/mL,相關系數R2≥0.9951,方法檢出限為1.98 μg/L。實際水樣測定的相對標準偏差≤6.90%,回收率為59.6%～119.2%。

衍生化,分散液液微萃取,氣相色譜法,酚類化合物

在人類的生產生活當中,排放至水體中的多種污染物質均會對水體的水質造成損害,其中酚類物質屬于常見的水體污染物之一[1-2]。酚類物質屬于高毒性的化學物質,對一切生物個體都有毒害作用,它可通過皮膚及黏膜的接觸而吸入或經口腔浸入生物體內,與細胞原漿中的蛋白質接觸后形成不溶性蛋白質而使細胞失去活性,如果人長期飲用含酚類物質的水源,便會出現貧血、瘙癢、頭昏、出疹以及神經系統障礙等多種慢性中毒癥狀[3-5]。

目前,多種技術被用于測定水樣中的酚類化合物的含量,包括氣相色譜法[6]、分光光度法[7]、比色法[8]、薄層色譜法[9]和液相色譜法[10],其中氣相色譜法,是較為常用的方法。應用氣相色譜法分析樣品物質的含量時,樣品前處理技術是關鍵,分散液液微萃取技術(Dispersive Liquid-liquid Microextraction,DLLME)是由Y.Assadi等[11]于2006年提出的一種新型樣品前處理技術,具有操作簡單、快速、成本低、富集效率高且環保等特點。另外,使用氣相色譜測定酚類化合物時,有兩方面的問題需要解決:一是改善酚類化合物的色譜行為,二是提高測定方法的靈敏度。由于酚類物質極性強,水溶性好,在水樣中形成離子狀態,不利于萃取,故一般檢出限較高。為了提高測定方法的靈敏度,許多學者采用提高溶液的酸度以減小酚類化合物的電離性,或者增大樣液的離子強度降低酚類化合物在水中的溶解度,改善萃取效果,但這兩種方法的效果不顯著,且酚羥基在色譜柱中的拖尾現象并未得到改善。衍生化技術通過衍生試劑與酚類物質發生衍生化反應并轉化為更適合氣相色譜分析的衍生物解決上述水溶性和分析困難等問題。鑒于衍生化技術和DLLME萃取技術的優點,本文建立了原位乙酰化-分散液液微萃取-氣相色譜測定水樣中酚類物質的方法,探討和優化了測定的最佳條件。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

標準溶液1 mg/mL 酚類化合物(苯酚,鄰苯二酚,間苯二酚,對苯二酚,鄰硝基苯酚,間硝基苯酚,對硝基苯酚)的乙醇儲備液置于0 ℃冷藏,使用時配制成一定濃度的混合標準溶液;實驗用水超純水;其他試劑均為色譜純。

Shimadzu 14C氣相色譜儀FID檢測器,日本島津公司;Rtx-50 毛細管色譜柱 30 m×0.25 mm×0.25 μm美國Rtstek公司;80-2型離心機上海手術器械廠;Mili-Q超純水系統美國Milipore公司。

1.2色譜參數

載氣和尾吹氣:N2(99. 999%);進樣口溫度300 ℃,柱前壓200 kPa;色譜柱升溫程序:40 ℃(4.0 min)→20 ℃/min→280 ℃(4.0 min);FID溫度:300 ℃;Air壓力50 kPa,H2壓力60 kPa;采用無分流進樣(4 min),進樣體積:1.00 μL。

1.3實驗步驟

1.3.1衍生化反應準確移取5 mL濃度為0.1 mol/L的Na2HPO4水溶液(pH=7.00)于離心管中,用微量進樣器加入5.00 μL 1.00 mg/mL酚類混合標準乙醇溶液,混勻,得1.00 μg/mL的混合標準水溶液,后加入800 μL乙酸酐,密封后振蕩1 min,于50 ℃水浴中加熱30 min。

1.3.2分散液液微萃取猝冷至室溫后,往離心管中加入200 μL二氯甲烷作為萃取劑,10 μL甲醇作為分散劑,密封后劇烈振蕩1 min,使之形成乳濁液體系,離心5 min,使萃取劑二氯甲烷與水相完全分層,取1.00 μL二氯甲烷進行GC分析,所得譜圖如圖1所示。

1.3.3實驗條件優化本實驗固定其他條件不變,采取單因素選優法,考察了衍生化試劑乙酸酐添加量分別為400～900 μL,反應溫度40～90 ℃,反應時間30～60 min 時酚類的衍生化效果。并且考察了不同萃取劑種類(二氯甲烷、氯仿、四氯化碳、氯苯)、不同種類的分散劑(甲醇、乙醇、丙酮、乙腈)、萃取劑用量為200～400 μL、分散劑用量分別為0～15 μL及鹽度為0～20%的萃取效率。

2　結果與討論

2.1酚類混標乙酰化后DLLME的色譜圖

根據步驟1.2的色譜參數設定和步驟1.3所描述的實驗方法,所得譜圖如圖1所示。可見其萃取效果十分良好,色譜分離效果也符合分析檢測要求。

圖1　1.00 μg/mL酚類化合物混標乙酰化后DLLME的色譜圖Fig.1　Chromatograms of GC obtained by derivatization-DDSME with 1.00 μg/mL aqueous mixture of Phenols注：1-苯酚，2-鄰苯二酚，3-鄰硝基苯酚，4-間苯二酚， 5-對苯二酚， 6-間硝基苯酚，7-對硝基苯酚。

2.2衍生化效果

本實驗分別在同一濃度下對比了酚類物質在酸化前后與衍生化前后的萃取效果和在氣相色譜分析中的分離行為。

苯酚類化合物酸化前后的實驗結果如圖2所示。對比曲線a、b可知,相同濃度下,取1 μL 100 μg/mL混標水溶液直接進樣分析,氣相色譜未檢測出以上七種酚類物質,而水樣經過DLLME萃取后,苯酚和硝基酚的三種異構體得到了一定的檢出,但檢出水平很低;對比曲線b、曲線c可知,酸化(pH=2)前后,酚類物質的響應值與酸化前變化不大;對比曲線b、c、d可知,水樣若只是經過酸化技術處理后進行DLLME萃取分析,檢出能力十分低下。

圖2　酚類化合物DLLME處理前后及酸化前后的色譜圖Fig.2　Chromatograms of GC obtained by non-or DLLME and non-or acidification process注：a)100 μg/mL混標水溶液直接進樣的色譜圖；b)100 μg/mL混標水溶液經過DLLME技術處理后進樣的色譜圖；c)100 μg/mL混標水溶液經過酸化(pH=2)和DLLME技術處理后進樣的色譜圖；d)1.00 mg/mL混標乙醇溶液直接進樣的色譜圖。其中，1-苯酚，2-鄰硝基苯酚，3-鄰苯二酚，4-間苯二酚，5-對苯二酚，6-間硝基苯酚，7-對硝基苯酚。

苯酚類化合物衍生化前后的實驗結果如圖2所示。對比曲線a、b可知,衍生化前后,生成的酯類化合物與原來的酚類化合物保留時間不同,衍生化后,除鄰硝基苯酚的響應值變化略有降低外,其他酚類化合物的響應值都大大提高,并且能夠檢測的苯二酚的三種異構體,此外,酚類化合物衍生化后拖尾現象明顯改善。

圖3　50 μg/mL酚類混標水溶液衍生化前后 DLLME的進樣色譜圖Fig.3　Chromatograms of GC obtained by non-or derivatization DDSME with 50 μg/mL aqueous mixture of Phenols注：a)無衍生化DLLME；b)衍生化后DLLME； 其中，1-苯酚，2-鄰苯二酚，3-鄰硝基苯酚，4-間苯二酚， 5-對苯二酚， 6-間硝基苯酚，7-對硝基苯酚。

2.3衍生化DLLME條件的優化

2.3.1衍生化試劑用量的選擇酚類與乙酸酐在堿性條件下發生乙酰化反應生成酯類,若乙酸酐的用量過少,則不能使酚類化合物充分衍生化,導致方法的靈敏性降低。此外,由于衍生化試劑乙酸酐在堿性條件可發生水解,同時降低堿度,因此一般實際衍生化試劑的用量遠大于理論用量。若乙酸酐的用量過量,將影響溶液的pH,且過量的乙酸酐會損壞色譜柱。其中,酚類物質在乙酸酐用量為800 μL時,衍生化后色譜響應值最大。故本實驗選擇乙酸酐用量為800 μL。

表1　原位乙酰化-分散液液微萃取法測定水樣中酚類化合物的相關性能參數Table 1　The linear equation,correlation coefficients,linear range and LOD of the method

注：*:方程中濃度x的單位為μg/mL,y為色譜峰面積。

2.3.2衍生化反應溫度的優化反應溫度將影響衍生化反應過程,體系溫度應保證易揮發性物質如苯酚等在溶液中仍有較大的溶解度。本實驗衍生化的最佳溫度為50 ℃。

2.3.3衍生化反應時間的優化衍生化反應時間應保證體系內的酚類化合物與乙酸酐充分反應,當反應時間達到一定條件后,進一步的延長衍生化時間后峰面積的增加將不明顯,也可能因為酯的水解,峰面積反而降低。衍生化反應效果和反應時間呈非線性變化,當衍生化反應時間為30 min時,酚類物質的衍生化效果較好。

2.3.4萃取劑種類的選擇實驗結果表明,二氯甲烷對被分析的七種酚類化合物所生成的酯類有較好的萃取、富集效果。

2.3.5分散劑種類的選擇實驗結果表明,甲醇作為分散劑時萃取效果最佳,故本實驗選擇甲醇作為分散劑。

2.3.6萃取劑用量的選擇實驗表明,萃取效率隨著萃取劑量的增大而降低,由于當萃取劑用量小于200 μL時,萃取劑體積太小,不利于取液進樣,所以本實驗的萃取劑用量選擇200 μL。

2.3.7分散劑體積的選擇實驗結果表明,當甲醇用量小于10 μL時,隨著分散劑的用量的增大,萃取劑形成微球分散于水樣中,萃取劑的表面積增大,萃取效果顯著提高;但甲醇的用量大于10 μL時,目標待測物過多地溶于水相,富集效果較差,且萃取劑也會部分分散于水樣中,導致離心后,有機相的體積太小不利于取樣分析。所以本實驗的分散劑用量選擇10 μL。

2.3.8鹽度的影響結果表明,沉積相體積隨氯化鈉溶液質量濃度增加而增大,但富集倍數降低,且萃取效率也降低,故該實驗選擇不加鹽。

2.4工作曲線的繪制

準確配制一系列濃度的混合標液,固定上述最佳實驗條件,按上述實驗操作方法,每個樣品平行測定5次,得出其線性回歸方程、相關系數、檢出限(以3倍S/N計)如表1所示。

2.5實際水樣分析

實際水樣分別取自漳州市九龍江水樣、東山縣某飲用水庫水樣、東山縣自來水水樣。將三種水樣分別用0.45 μm濾頭過濾得潔凈濾液,并按該法進行測定分析,加標回收實驗的加標量為1.00 μg/mL,結果如表2所示,其中,漳州九龍江水樣的色譜圖如圖4所示。

表2　實際水樣測定結果分析(n=6)Table 2　Determination results of Phenols in real samples(n=6)

圖4　漳州九龍江水樣原位乙酰化-DLLME進樣色譜圖Fig.4　Chromatograms of Phenols in the water sample of Jiulong river of Zhangzhou and spiked with 1.00 μg·mL-1 of PAEs mixed standard solution注：a:空白水樣；b:加標量為1.00 μg/mL的加標樣； 其中，1-苯酚，2-鄰苯二酚，3-鄰硝基苯酚， 4-間苯二酚，5-對苯二酚， 6-間硝基苯酚，7-對硝基苯酚。

注：*:ND-小于方法檢出限。

3　結論

本文建立了原位乙酰化-分散液液微萃取-氣相色譜測定水樣中酚類物質的方法,探討和優化了測定的最佳條件。實驗證明,通過衍生化技術處理,苯酚類化合物在水樣中易離子化和在色譜上嚴重拖尾的現象得到顯著改善,方法的檢出限降低,使定性及定量分析更加精確化。衍生化技術與分散液液微萃取(DLLME)技術相結合用于測定水樣中酚類物質是一種高效、簡便、快速和低成本的分析測定方法。

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Determination of phenols in water samples using simultaneous derivatization and dispersive liquid-liquid microextraction followed by gas chromatography

CHEN Min-er

(Dongshan Environmental Protection Bureau,Zhangzhou 363400,China)

A simple,rapid and sensitive derivatization and microextraction technique for the determination of Phenols in water samples was developed using simultaneous derivatization and dispersive liquid-liquid microextraction followed by gas chromatography-flame ionization detection(GC-FID). In this method,800 μL acetic anhydride(derivatization agent)was injected rapidly into 5 mL water samples(pH=7.00)in a test tube with conical bottom and derivatized 30 min under the temperature of 50 ℃. Then,200 μL dichoromethane(extraction solvent)and 10 μL methanol(disperser solvent)was injected into the solution and the mixture was gently shaken. After centrifugation of the cloudy solution,the derivatized analytes in the sedimented phase were determined by GC-FID. Under optimized conditions,the approach was applied to the determination of Phenols in water samples with a linearity range of 0.02～4.00 μg/mL. Correspondingly,the determination limit at an S/N of 3 were 1.98 μg/L.The recoveries of real samples at different spiked levels of Phenols ranged from 59.6% to 119.2% and the relative standard deviations less than 6.90%.

derivatization;dispersive liquid-liquid microextraction;gas chromatography;phenols

2016-02-22

陳敏兒(1969-),女,中專,助理工程師,研究方向:環境水質分析,E-mail:Zhangmsh704@163.com。

福建省自然科學基金(2013J01062)。

TS207

A

1002-0306(2016)15-0300-04

10.13386/j.issn1002-0306.2016.15.049