新型固相微萃取萃取頭的制備和在水樣中痕量苯系物分析中的應(yīng)用

摘要：通過(guò)溶膠凝膠法制備了新型固相微萃取（SPME）萃取頭，并應(yīng)用于水樣中痕量苯系物含量的測(cè)定。探討了固相微萃取試驗(yàn)方法中萃取頭制備用量以及萃取條件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。實(shí)驗(yàn)表明，萃取頭最佳制備用量為：含氫硅油為50μL、羥基硅油為300μL、甲基三乙基硅烷為300μL、三氟乙酸為75μL;最佳萃取條件為：加入與水質(zhì)量比為25 %的氯化鈉，于轉(zhuǎn)數(shù)400 r/min、溫度40 ℃下萃取5min，解析1.5min。在優(yōu)化萃取條件下，四種苯系物的質(zhì)量濃度均在0.1～10 μg/mL范圍內(nèi)與其峰面積呈線性關(guān)系，方法檢出限在0.4-2.0 μg/L 之間。方法用于三種環(huán)境水樣的分析，加標(biāo)回收率在61.3%～111.4% 之間。

關(guān)鍵詞：固相微萃取;苯系物;氣相色譜;測(cè)定

中圖分類號(hào)：X830 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2019）10-0-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2019.10.105

Abstract： A new solid phase microextraction （SPME） extraction fiber was prepared by sol-gel method and applied to the determination of Trace BTEX in water samples. The effects of the amount of extraction fiber and extraction conditions of SPME were discussed. The experimental results show that the optimized preparing dosage of fiber was obtained with Hydrogen silicone oil of 50 μL， Hydroxy silicone oil of 300 μL， methyltriethylsilane of 300 μL， Trifluoroacetic acid of 75 μL. The optimum extraction conditions were as follows： adding 25%NaCl， extracting for 5 minutes at 400 r/min and 40℃， and desorption for 1.5 minutes.Under the optimized conditions， the mass concentration of BTEX in the range of 0.1～10 ug/mL is linearly related to peak area. The detection limits were in a range of 0.4～2.0μg/L.The proposed method was applied to the analysis of three kinds environmental water samples. The recoverieswere 61.3%～111.4%.

Keywords： SPME; BTEX; GC; Determination

目前，隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，苯系物尤其苯、甲苯、二甲苯被廣泛用作油脂、橡膠、樹脂、油漆等的溶劑和基本化工原料，這樣就造成石油化工、農(nóng)藥、有機(jī)化工、煉焦化工等行業(yè)的排放廢水中含有較多的苯系物，成為河流、空氣和地下飲用水等有機(jī)污染物的重要來(lái)源。苯、甲苯、乙苯、對(duì)二甲苯、間二甲苯、鄰二甲苯6種苯系物均為GB8978-1996 《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》 中規(guī)定的第二類污染物質(zhì)，其中苯和甲苯的一、二級(jí)排放濃度分別為0.1和0.2 mg/L，乙苯和二甲苯的一、二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)分別為0.4和0.6 mg/L。其中苯為致癌物，其他幾種化合物也對(duì)人體和動(dòng)植物有不同程度的毒性[1-2]。苯、甲苯、乙苯、鄰二甲苯、間二甲苯、對(duì)二甲苯六種苯系物被列入我國(guó)水體中優(yōu)先控制污染物黑名單[3]，我國(guó)生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)也將其列入了優(yōu)先控制污染物監(jiān)測(cè)范圍[4]，苯系污染物已經(jīng)被世界衛(wèi)生組織確定為強(qiáng)烈致癌物質(zhì)。因此對(duì)它的分析檢測(cè)非常重要。

目前最常用，也最適用的檢測(cè)儀器是氣相色譜儀。由于苯系物在飲用水或地表水中的濃度一般較低，在痕量分析之前必須要對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理方法的選擇和操作是最關(guān)鍵的步驟，直接影響檢測(cè)方法的靈敏度和檢出限，需要利用樣品前處理技術(shù)對(duì)目標(biāo)組分進(jìn)行預(yù)分離、預(yù)富集后再進(jìn)行檢測(cè)。一般來(lái)說(shuō)，樣品的前處理過(guò)程耗時(shí)占整個(gè)分析過(guò)程的60%以上 ，樣品前處理是痕量分析的重點(diǎn)[5]。樣品前處理方法起著濃縮痕量組分，去除對(duì)分析系統(tǒng)有害物質(zhì)的作用。目前主要采用頂空法、吹掃-捕集法、液-液萃取法等測(cè)定水體中的苯系物[6]。但它們普遍存在使用大量有機(jī)溶劑、處理時(shí)間長(zhǎng)、操作步驟繁瑣、容易使易揮發(fā)組分丟失，產(chǎn)生較大誤差等缺點(diǎn)。使用有機(jī)溶劑還會(huì)造成環(huán)境的污染。固相微萃取技術(shù)（Solid Phase Microextraction，SPME）是20世紀(jì)90年代初由加拿大學(xué)者Paw Liszyn提出的一種新型的樣品前處理方法[7-8]。其主要優(yōu)點(diǎn)是：在無(wú)溶劑條件下可一步完成取樣、萃取和濃縮，對(duì)環(huán)境友好，節(jié)省了樣品預(yù)處理時(shí)間;與氣相色譜聯(lián)用，可快速有效地分析樣品中痕量有機(jī)物;樣品用量少，操作簡(jiǎn)便，對(duì)待測(cè)物的選擇性高，檢出限達(dá)到μg/L，線性范圍可3～5個(gè)數(shù)量級(jí)以上;在痕量分析領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[9-10]。SPME的原理是待分析物在涂層和樣品之間的分配平衡，主要是物理吸附，遵循相似相溶原理。萃取平衡時(shí)，涂層中的分析物吸附量與樣品中分析物濃度線性相關(guān)，可以進(jìn)行定量分析[11]。在固相微萃取測(cè)定苯系物時(shí)，主要有兩方面問(wèn)題要解決：一是萃取頭的制備，二是提高測(cè)定方法的靈敏度。本文利用固相微萃取-氣相色譜法對(duì)水體中的4種苯系物進(jìn)行了方法測(cè)定試驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器和試劑

Shimadzu 14C氣相色譜儀（FID檢測(cè)器，日本島津公司）;Rtx-50 毛細(xì)管色譜柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm，美國(guó)Rtstek公司）;油性聚甲基三乙氧基硅烷（Poly-methyltriethoxysilane，濟(jì)南國(guó)邦化工有限公司） ;羥基硅油（Hydroxy silicone oil，濟(jì)南國(guó)邦化工有限公司）;含氫硅油（Hydrogen silicone oil，濟(jì)南國(guó)邦化工有限公司）;三氟乙酸（Trifluoroacetic acid，濟(jì)南國(guó)邦化工有限公司）;氯化鈉（Sodium chloride，溫州市化學(xué)用料廠）;丙酮（Acetone，汕頭市達(dá)濠精細(xì)化學(xué)品有限公司）;Mili-Q超純水系統(tǒng)（美國(guó)Milipore公司）;磁力攪拌器（上海勒頓實(shí)業(yè)有限公司）;超聲清洗儀（寧波新枝生物科技有限公司）;1 mg/mL四種苯系物儲(chǔ)備液置于0 ℃冷藏，使用時(shí)用超純水配置成一定濃度的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液; 實(shí)驗(yàn)用水均為超純水;其他試劑均為分析純。

1.2 色譜參數(shù)

載氣和尾吹氣：N2（99. 999%）;進(jìn)樣口溫度300 ℃，柱前壓200 KPa;色譜柱升溫程序：40 ℃（1.0 min） → 5 ℃/min → 80 ℃（3.0 min）;FID溫度：300 ℃;Air 壓力50 KPa，H2 壓力60 KPa;采用無(wú)分流進(jìn)樣（1 min）。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1SPME萃取頭的制備

（1）將SPME進(jìn)樣器的不銹鋼纖維用砂紙打磨表面至光亮，依次用純水、甲醇、丙酮超聲清洗3 min，室溫晾干，得潔凈粗糙的支載不銹鋼纖維;（2）準(zhǔn)確移取含氫硅油50 μL、羥基硅油300 μL、甲基三乙氧基硅烷300 μL和三氟乙酸75 μL于塑料小試管中，振蕩混勻;（3）將不銹鋼纖維浸沒上次聚合溶液10 min，后緩慢提拉，室溫晾干，重復(fù)（2）、（3）步驟5次;（4）將萃取頭置于GC進(jìn)樣口中150 ℃老化1 h，后300 ℃老化3 h，備用。

1.3.2 SPME萃取實(shí)驗(yàn)

移取30 mL純水置于進(jìn)樣瓶中，加入300 μL濃度為1 mg/mL的四種苯系物儲(chǔ)備液，振搖均勻，得10 μg/mL四種苯系物水溶液。置入轉(zhuǎn)子，將SPME進(jìn)樣器插入瓶中，推出萃取頭浸入溶液中，并置于磁力攪拌器上攪拌5 min。后收回萃取頭，拔出進(jìn)樣器，置于GC進(jìn)樣口脫附1.5 min，分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 固相微萃取分離苯系物的出峰順序

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)方法，分析苯系物，分析結(jié)果色譜圖見圖1。圖中出峰順序分別為：1-溶劑峰;2-苯;3-甲苯;4-乙苯;5-鄰間二甲苯;6-對(duì)二甲苯。二甲苯以總量計(jì)，峰面積以5、6之和計(jì)算。

2.2 萃取頭制備探討

本實(shí)驗(yàn)中，制備萃取頭涂層時(shí)，對(duì)涂層物質(zhì)三氟乙酸的用量進(jìn)行了優(yōu)化選擇，優(yōu)化結(jié)果如表1所示：

由表1可看出：當(dāng)三氟乙酸的用量大于100 μL 時(shí)，混合液凝聚時(shí)間小于20 min，凝聚時(shí)間太短，萃取頭表層出現(xiàn)大量不均勻顆粒物，涂層制作無(wú)法完成;當(dāng)三氟乙酸的用量為50 μL 時(shí)，混合液凝聚需50 min，凝聚時(shí)間太長(zhǎng)，萃取頭涂層太薄，將直接導(dǎo)致萃取頭萃取效果不高;基于以上兩點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)使用三氟乙酸的用量為 75 μL，凝聚時(shí)間為27 min。故在萃取頭制備過(guò)程中，用于涂層的各物質(zhì)的用量分別為：含氫硅油為50 μL、羥基硅油為300 μL、甲基三乙基硅烷為300 μL、三氟乙酸為75 μL。

2.3 萃取條件的優(yōu)化

2.3.1 萃取時(shí)間的選擇

萃取時(shí)間影響萃取平衡狀態(tài)，隨著萃取時(shí)間的增加，萃取逐漸達(dá)到平衡。移取30 mL純水、300 μL四種苯系物儲(chǔ)備液，在溫度為30 ℃、轉(zhuǎn)數(shù)為300 r/min、脫附時(shí)間為1 min下分別對(duì)苯系物進(jìn)行萃取0.5、1、5、10、15、20、30 min，研究萃取時(shí)間對(duì)萃取效果的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，1～5 min，萃取量隨著萃取時(shí)間的增加而增大，5 min 后，隨著萃取時(shí)間的增加，萃取量已基本保持穩(wěn)定，因此，苯系物的最佳萃取時(shí)間確定為5 min。

2.3.2 萃取溫度的選擇

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中萃取效果受萃取溫度的影響，移取30 mL純水、300 μL四種苯系物儲(chǔ)備液，在轉(zhuǎn)數(shù)為300 r/min、萃取時(shí)間為5 min、脫附時(shí)間為1 min的條件下，考察25～90 ℃范圍內(nèi)四種苯系物的萃取效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。由圖3所示，不同的溫度條件下苯系物的萃取效率存在較大差異，溫度為40 ℃時(shí)苯系物的萃取效率最高。隨著萃取溫度的升高，萃取效率呈下降趨勢(shì)。因此，本實(shí)驗(yàn)的最佳萃取溫度確定為40 ℃。

2.3.3 攪拌速度的選擇

攪拌是影響SPME萃取效率的重要因素，固定其他條件不變，測(cè)定攪拌速度分別為100、200、300、400、450、500 r/min時(shí)四種苯系物的萃取效果。圖4是SPME在不同攪拌速度下的試驗(yàn)結(jié)果。

試驗(yàn)結(jié)果表明：萃取效率隨攪拌速度的變化而變化，攪拌速度在100～400 r/min之間時(shí)，四種苯系物的萃取效率隨著攪拌速度的增加而增加;當(dāng)攪拌速度為400 r/min時(shí)，乙苯和二甲苯的萃取效果達(dá)到最高值，苯和甲苯的萃取效果趨于平穩(wěn)。因此，本實(shí)驗(yàn)的最佳攪拌速度為400 r/min。

2.3.4 脫附時(shí)間的選擇

在溫度為40 ℃、轉(zhuǎn)數(shù)為400 r/min、鹽度為25 %、萃取時(shí)間為5 min的條件下，萃取濃度為1 mg/L的四種苯系物溶液。試驗(yàn)脫附時(shí)間分別為0.1、0.3、0.5、1.0、1.5、2.0 min試驗(yàn)四種苯系物的萃取效率，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：脫附時(shí)間由0.1～1.5 min時(shí)，四種苯系物的峰面積略為增加，1.5 min 后基本保持不變，表明1.5 min 脫附已經(jīng)完全，故本實(shí)驗(yàn)選1.5 min 為脫附時(shí)間。

2.3.5 鹽度的影響

研究水樣中氯化鈉濃度對(duì)四種苯系物萃取效率的影響，分別選擇濃度為0、5、10、15、20、25 % 時(shí)離子強(qiáng)度對(duì)萃取效率的影響。設(shè)定萃取溫度為40 ℃，萃取時(shí)間為5 min，攪拌速度為400 r/min，脫附時(shí)間為1.5 min。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隨著鹽度的增大，萃取量也不斷增大，這是由于提高溶液離子強(qiáng)度，降低了四種苯系物在水中的溶解度，從而提高萃取頭對(duì)四種苯系物的萃取率。但鹽度25 % 以后已基本趨于飽和，故選擇鹽度25 % 為本實(shí)驗(yàn)最佳鹽度。

2.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

準(zhǔn)確配制一系列濃度的混合標(biāo)液，固定上述最佳實(shí)驗(yàn)條件，按上述實(shí)驗(yàn)操作方法，每個(gè)樣品平行測(cè)定3～5次，得出其線性回歸方程、相關(guān)系數(shù)、檢出限（以3倍S/N計(jì)）如表2所示：

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，四種苯系物回歸方程的相關(guān)系數(shù)大于0.9834;檢出限為0.4～2.0 μg/L。表明該方法具有較高的穩(wěn)定性和靈敏度。

2.5 水樣測(cè)定分析

實(shí)測(cè)水樣分別取自漳州市一水廠、池塘水、二水廠。將三種水樣分別用0.45 μm濾膜過(guò)濾后，取30 mL 于進(jìn)樣瓶中，進(jìn)行萃取。加標(biāo)回收率的實(shí)驗(yàn)將分別加入一定體積的四種苯系物儲(chǔ)備液，振搖混勻，得加標(biāo)量1.0 μg/mL和10.0 μg/mL的水溶液，后進(jìn)行萃取。分析結(jié)果如表3所示，結(jié)果表明：三種水樣中均未測(cè)出四種苯系物物質(zhì)，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD≤16.9%，回收率為61.3%～111.4%。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)優(yōu)化萃取頭制備條件：氫硅油為50 μL、羥基硅油為300 μL、甲基三乙基硅烷為300 μL、三氟乙酸為75 μL，及最佳萃取條件：萃取時(shí)間為5 min，萃取溫度為40 ℃，攪拌速度為400 r/min，脫附時(shí)間為1.5 min，鹽度25 %。四種苯系物的質(zhì)量濃度均在0.1～10 μg/mL范圍內(nèi)與其峰面積呈線性關(guān)系，方法檢出限在0.4～2.0μg/L 之間。該法具有操作簡(jiǎn)單，靈敏度、準(zhǔn)確度均能滿足分析要求，且不受水中其他有機(jī)物的干擾及無(wú)有機(jī)溶劑再污染等特點(diǎn)。可用于生活飲用水中苯系物的測(cè)定。

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收稿日期：2019-07-24

作者簡(jiǎn)介：汪春燕（1984-），女，工程師，研究方向?yàn)楹Ｑ笪廴疚锓治觥?/p>