花生殼活性炭固相萃取/超高效液相色譜法測定河水中的18種多環芳烴

項小燕，林錫煌，何立芳，胡志彪 ，林金清

(1.龍巖學院 化學與材料工程學院，福建 龍巖 364000;2.華僑大學 材料科學與工程學院，福建 廈門 361021;3.國家海洋局第三海洋研究所，福建 廈門 361005 )

花生殼活性炭固相萃取/超高效液相色譜法測定河水中的18種多環芳烴

項小燕1,2，林錫煌3，何立芳1，胡志彪1，林金清2*

(1.龍巖學院 化學與材料工程學院，福建 龍巖 364000;2.華僑大學 材料科學與工程學院，福建 廈門 361021;3.國家海洋局第三海洋研究所，福建 廈門 361005 )

建立了固相萃取/超高效液相色譜-二極管陣列檢測(SPE/UPLC-PDA) 聯用技術測定河水中18種痕量多環芳烴(PAHs) 的快速分析方法。通過優化固相萃取條件、流動相體系、色譜條件等因素，7 min內實現了18種多環芳烴的高效分離。在0.05～50 mg/L濃度范圍內，18種多環芳烴的濃度與對應峰面積呈良好線性關系，相關系數為0.999 1～0.999 9，檢出限為0.08～2.03 ng/L，樣品加標回收率為74.5%～103.6%，相對標準偏差(RSD,n=6)為0.5%～2.3%。將該方法應用于九龍江流域龍巖段周邊水樣的檢測，結果可靠。該方法簡單環保、靈敏準確、操作快速，可顯著提高河水中痕量PAHs的分析效率。

花生殼活性炭；固相萃取；多環芳烴;超高效液相色譜法

多環芳烴(PAHs)是一類持久性有機污染物，由兩個或兩個以上結合的芳香環組成。PAHs具有極強的致癌性和致突變性，且在代謝過程中具有生物累積性，目前已成為環境優先控制污染物[1]。因此開發快速、靈敏的PAHs分析技術具有重要意義，也是目前各國環境學者密切關注的問題[2-4]。

由于PAHs在水體樣品中處于痕量級水平，且各組成性質相近，要準確確定目標組分含量必須經過有效的富集、分離過程。固相萃取技術(SPE)具有比表面積大、富集能力強、溶劑使用量小和操作簡單等優點，近年來廣泛應用于環境分析、食品分析、生物分析等樣品前處理過程[5-8]。將該技術結合液相色譜(LC)、氣相色譜(GC)等檢測手段[9-11]，可實現復雜樣品中痕量污染物的定性定量分析。

近年來，PAHs的分析檢測技術也不斷發展，廣泛采用的方法以高效液相色譜(HPLC)、氣相色譜-質譜(GC-MS)為主。相對于GC和HPLC技術，新發展的超高效液相色譜(UPLC)不僅能更好地測定低揮發性的有機物，其快速、高效、高分辨的特點也大大地提高了分析效率[12]。利用花生殼活性炭作為載體，通過SPE/UPLC聯用技術檢測環境水樣中18種PAHs的研究尚未見報道。本文采用自制花生殼活性炭固相萃取柱，通過優化色譜條件，建立了SPE/UPLC-PDA法測定河水中痕量多環芳烴的新技術，在7 min內可完成18種多環芳烴的分離分析。該方法綠色環保、操作成本低、快速簡便，可實現河水中PAHs快速高效的在線檢測。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Acquity UPLC H-Class超高效液相色譜儀，配二極管陣列檢測器系統(美國Waters公司)；津騰溶劑過濾器(天津市津騰實驗設備有限公司);Milli-Q 超純水儀(美國Millipore公司)；SHB-3循環水多用真空泵(鄭州杜甫儀器廠)；Quadrasorb SI 全自動比表面積及空隙分析儀(美國康塔儀器公司)；S-3400N掃描電鏡(日本株式會社日立高新技術那珂事業所)；E-1045離子濺射裝置(日本株式會社日立高新技術那珂事業所);DX+2700 X射線衍射儀(丹東方圓儀器有限公司)；BAS124S電子天平(賽多利斯科學儀器有限公司)；氮吹儀(北京康林科技公司)；微量移液管(德國El-ma公司)；KQ-300E超聲清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)；自制花生殼活性炭固相萃取小柱。

PAHs單標(德國Dr.Ehrenstorfer公司)，CDGG-110064-01-1 mL PAHs混標(美國o2si試劑公司)，用100%乙腈稀釋至1 mg/L，作稀釋標樣。二氯甲烷(DCM)、正己烷、甲醇(MT)、乙腈(色譜純，國藥集團化學試劑有限公司)。實驗用水為Milli-Q超純水。

1.2 花生殼活性炭固相萃取柱的制備

將干燥粉碎的花生殼置于磷酸中浸泡24 h，抽濾，用去離子水多次清洗去除孔道中的可溶性灰分，然后置于微波爐中微波加熱使其碳化活化，將所得的活性炭洗至中性，在120 ℃真空干燥箱干燥12 h，稱重，研磨，儲存于干燥器中備用。

固相萃取柱制備時，將花生殼活性炭磨碎，篩取212～325 μm的活性炭顆粒，烘干至恒重，以商品化的聚丙烯固相萃取柱管(Supelco，500 mg/6 mL)裝填。稱取100 mg 花生殼活性炭萃取劑填充裝柱，填充高度約為2.0 cm，兩端用篩板封住，即得花生殼活性炭固相萃取柱。

1.3 固相材料的表征

花生殼活性炭的表觀性質采用全自動比表面積及孔隙分析儀測定，測試前在300 ℃下脫氣2 h；樣品的微晶結構通過X射線衍射儀測定，步長0.02°，掃描速度10(°)·min-1，掃描范圍5°～80°，Cu靶，管電壓40 kV，管電流100 mA；樣品的表面形態經鍍膜制樣后通過掃描電鏡測試。

1.4 樣品處理

依次用二氯甲烷、甲醇、水各5 mL，充分活化和平衡固相萃取柱。于1 L水樣中加入10 mL MT，混勻，經0.45 μm 濾膜過濾后上樣。調節泵真空度，使水樣流速在5～8 mL/min左右連續通過固相萃取柱。結束后，用5 mL水洗滌，繼續抽氣干燥30 min。用12 mL混合溶劑(VDCM∶VMT=9∶1)分3次(5 mL+4 mL+3 mL)自然洗脫柱子，收集洗脫液，旋轉濃縮至約1 mL，轉移至1 mL定量玻璃管中，用柔和N2吹至約0.5 mL，流動相定容至1 mL，過0.2 μm有機濾膜，轉移至自動進樣器小瓶中待測。

1.5 色譜條件

色譜柱：Waters Acquity UPLC CSH C18柱(1.7 μm，2.1 mm×100 mm)，柱溫：35 ℃，進樣體積：5 μL，流速：0.4 mL/min，流動相：三元流動相體系，A為100%乙腈，B為超純水，C為100%甲醇。洗脫程序為：0～0.1 min,55%A;0.1～3.0 min,55%～58%A;3.0～5.0 min,58%A;5.0～7.5 min,58%～62%A;7.5～7.6 min,62%～55%A;7.6～8.0 min,55%A;B相始終保持為13%。檢測時間：0～8 min，檢測波長：225，254，285 nm，PDA波長掃描范圍：200～400 nm。

圖1 花生殼活性炭的表面微觀結構Fig.1 Surface microstructure of peanut shell activated carbon

圖2 DCM/MT混合溶劑對PAHs的回收率Fig.2 Recoveries of PAHs in DCM/MT solvent

2 結果與討論

2.1 活性炭的表征

2.1.1 表面結構分析XRD分析表明花生殼活性炭屬于無定形炭結構，在2θ為15°，23°，24°和27°附近分別出現了明顯的衍射峰(圖1)。這說明活性炭在活化過程中形成一定的微晶結構，微晶間產生了形狀不同、大小不一的孔隙，孔隙結構的復雜化使花生殼活性炭類石墨微晶結構趨于亂層化，形成無定形炭類石墨微晶結構。SEM觀察結果(圖1插圖)進一步驗證了在活性炭的表面，不規則地密布著大量微孔，形成了發達的、類似蜂窩狀、孔徑大小不一的孔隙結構，預示著花生殼活性炭有較高的吸附能力。2.1.2 孔隙結構分析在一定條件下，活性炭的吸附性能由其比表面積和孔容量決定。經測定，所制得花生殼活性炭的比表面積SBET為1 251 m2/g，總孔容Vt為0.905 cm3/g，微孔孔容Vm為0.167 cm3/g，中孔孔容VH為0.682 cm3/g，其中中孔孔容占75.4%，平均孔徑Dp為5.86 nm，屬于介孔結構，有利于PAHs大分子的吸附。

2.2 固相萃取條件的優化

為了克服采用單一溶劑的缺陷，實驗選取二氯甲烷-甲醇混合溶劑進行洗脫，考察了不同比例(100%，90%，60%，50%，40%)二氯甲烷對幾種典型PAHs洗脫回收效率的影響。結果表明，純二氯甲烷不能將PAHs從吸附劑表面完全洗脫，混合溶劑的組成為90%二氯甲烷時可以獲得較高的回收率，PAHs的回收率達到75%以上。此外，洗脫劑用量也是影響萃取效率的重要因素，經富集1 L水樣的固相柱，12 mL混合溶劑足以獲得滿意的回收率，繼續增大洗脫液體積對萃取結果影響不大。

2.3 色譜條件的優化

圖3 18種PAHs混合標準溶液的UPLC色譜圖Fig.3 Chromatogram of mixed 18 PAHs standard solution

影響色譜分離測定的因素很多，如流動相及其配比、色譜柱、柱溫、流速等均會不同程度地影響色譜峰的分離[13]。要保證18種PAHs在短時間內有足夠的分離度，流動相的選擇及洗脫程序尤其重要，目前研究報道大多采用乙腈-水或甲醇-水體系。本實驗分別采用甲醇和乙腈為流動相，在柱溫35 ℃，流速0.4 mL/min梯度洗脫，以二極管陣列檢測器檢測，考察了PAHs在254 nm處的色譜峰形。實驗結果顯示，甲醇體系的出峰時間偏長，有幾組組分的峰形重疊，分離不完全。將流速降低至0.4 mL/min，峰重疊現象仍無明顯改善。選用乙腈-水體系為流動相體系也無法滿足分離要求。而改用初始體積比為55∶13∶32的乙腈-甲醇-水三元流動相體系在0～8 min進行梯度洗脫時分離效果較好，18種PAHs的出峰時間、峰形及靈敏度較適宜，且可在7 min內完成各PAHs組分的有效分離，較文獻[4]報道時間縮短了一半。進一步比較了柱溫為25，35 ℃時各組分的分離效果，發現組分分離效果的變化不大，說明溫度的影響不大，為保證短時間內快速分離，選擇柱溫為35 ℃。優化條件下，標準溶液的色譜圖見圖3。

2.4 檢測條件的優化

利用PAHs的光學效應，通過UPLC-PDA檢測器采集圖譜數據(掃描范圍為200～400 nm)，得到18種PAHs的三維全息色譜圖，確定各組分的最大紫外吸收波長。利用單組分PAHs的紫外特征光譜圖及其在洗脫過程中的保留時間來校正并確定混合PAHs在UPLC-PDA圖譜中各組成的出峰順序。通過逐級稀釋標準溶液母液，得到濃度為0.05～50 mg/L的一系列標準溶液，每組平行進樣3次，以各化合物峰面積對其質量濃度進行線性回歸，得到各組成的線性方程、相關系數(見表1)。所有目標物在測定范圍內均具有良好的線性關系，其線性相關系數為0.999 1～0.999 9。

根據HJ478-2009標準規定[14]：固相萃取法適用于清潔水樣中PAHs的測定，當富集樣品體積為1 L時，濃縮樣品至1 mL，以3倍信噪比計算得到方法的檢出限為0.08～2.03 ng/L。上述結果表明，本方法具有良好的精密度和準確性，可滿足環境水樣中痕量PAHs的定量分析要求。

表1 PAHs的保留時間、線性關系及檢出限

2.5 方法的精密度與回收率

將各組成濃度均為10 mg/L的PAHs混標溶液1 mL，經超純水稀釋至1 L，得到含PAHs 10 μg/L 的待測水樣，經固相富集濃縮，重復測定6次，計算各組成的平均回收率和相對標準偏差(RSD)，結果見表2。方法的平均加標回收率為74.5%～103.6%，RSD(n=6)為0.5%～2.3%，方法的重復性良好，準確可靠，可滿足水體中痕量PAHs 的分析需求。

表2 方法的精密度與準確度(n=6)

表3 實際水樣的測試結果(ng/L)

*:no detected

2.6 實際樣品的檢測

運用優化的富集及色譜分離條件，對九龍江龍巖段流域3個采樣點水質進行檢測，共檢出 8種目標PAHs(見表4)，其中三元環PAHs包括:FLO，ANT，PHE，四元環PAHs包括：FLA，PYR，CHR，五元環PAHs包括：BbF，BaP。檢出物中主要以3，4元環為主，五元環含量偏低，未檢出六元環PAHs。3個站點水樣PAHs的總量分別為94.60，145.80，114.67 ng/L，說明龍巖段流域存在PAHs輕度污染，但總PAHs檢測結果在國家生活飲用水水質標準以內[15]。

2.7 與其它方法的比較

將建立的SPE/UPLC法與標準方法進行比較(見表4)。結果表明，本方法具有更低的檢出限，更寬的線性范圍，分析時間大大縮短，且采用花生殼活性炭的制備成本低，方法綠色環保。

表4 PAHs檢測方法結果比較

上述研究表明，采用SPE/UPLC-PDA聯用技術可快速測定河水中痕量PAHs，且方法檢出限低，加標回收率高，制備成本低，分析時間短，結果可靠，本方法的建立對于水質中復雜PAHs組分的快速分析監測具有重要意義。

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Determination of Trace Polycyclic Aromatic Hydrocarbons by Solid Phase Extraction Coupled with Ultra-high Performance Liquid Chromatography

XIANG Xiao-yan1,2,LIN Xi-huang3,HE Li-fang1,HU Zhi-biao1,LIN Jin-qing2*

(1.Department of Chemistry and Materials Engineering,Longyan University,Longyan 364000,China;2.Department of Material Science and Engineering,Hua qiao University,Xiamen 361021,China;3.Third Institute of Oceanography,State Oceanic Administration,Xiamen 361005,China)

A novel method for the simultaneous determination of 18 PAHs in river was established by solid-phase extraction coupled with ultra-high performance liquid chromatography(SPE/UPLC).The effects of solid phase,elution system and gradient elution were optimized.Under the optimal conditions,18 PAHs could be separated in 7 min.The calibration curves of 18 PAHs showed good linearity between peak area and concentration in the range of 0.05-50 mg/L,with correlation coefficients of 0.999 1-0.999 9.The detection limits were between 0.08 ng/L and 2.03 ng/L,with relative standard deviations(RSDs) of 0.5%-2.3%.The spiked recoveries were in the range of 74.5%-103.6%.It provided a reliable method for the study of PAHs in the Longyan section of Nine Longjiang River Basin.The method is simple,sensitive,accurate and efficient,and could significantly improve the analysis efficiency of trace PAHs in rivers.

peanut shell activated carbon；solid phase extraction；polycyclic aromatic hydrocarbons；ultra-high performance liquid chromatography

10.3969/j.issn.1004-4957.2017.01.016

2016-06-20；

2016-09-15

國家自然科學基金資助項目(21246008)；福建省自然科學基金項目(2016J01060)；福建省教育廳B類項目(JB14096)

*通訊作者：林金清, 博士, 教授，研究方向：綠色化學與水處理技術，Tel：0592-0592-6162225，E-mail：linlab@hqu.edu.cn

O657.72；O625.15

A

1004-4957(2017)01-0096-05