固相萃取技術富集水中萘的影響因素探討

李洪鑫，唐 琨，郭震宇

(泰達水業有限公司水質監測中心 天津300457)

萘是一種稠環芳香烴有機化合物，無色，有毒，從煉焦的副產品煤焦油和石油蒸餾中大量產生，早期被用于家庭衣物防蛀、農業殺蟲、防腐劑等。由于萘的揮發性較強，受環境影響較大，在許多針對多環芳烴的研究中，已不對其進行討論，其檢測方法也鮮有報道。后經研究表明，萘具有一定毒性和致癌、致畸性[1-3]，并且隨著石化工業的發展，萘的需求量顯著增多，在相關行業的廢水中，甚至湖泊、河流等地表水，乃至地下水中均有萘的檢出[4]。因此，建立可靠的萘檢測方法十分必要。

萘水溶性較低，水體中的濃度一般在10-9數量級甚至更低，樣品必須經富集濃縮后再進行檢測，因此萃取技術是整個檢測環節的重中之重。相較液液萃取，固相萃取具有方法檢出限低、操作簡便、不乳化、易于自動化等優點[5]。本研究通過樣品改性劑、SPE小柱預處理、洗脫濃縮 3方面進行試驗，探討能否通過優化SPE條件，有效提高萘的回收率，進而提高樣品檢測準確性。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

1.1.1 標準物質及試劑

萘，購于中國計量科學研究院；乙腈(色譜純)；二氯甲烷(色譜純)；甲醇(色譜純)；異丙醇(色譜純)；去離子水(電阻率大于 18.0MΩ·cm)；硫代硫酸鈉溶液(100g/L)。

1.1.2 儀器耗材

美國Waters公司ACQUITY UPLC超高效液相色譜儀，配 TUV檢測器；色譜柱 Waters PAH C18 5μm 4.6×250mm Column；固相萃取柱Waters HLB 60mg，3mL；0.22μm 纖維濾膜。

1.2 儀器條件

柱溫 30℃；流動相 A 泵(40%)高純水，B泵(60%)乙腈，等度洗脫；流速 1.20mL/min；檢測波長225nm。

1.3 標準品的制備

萘在空氣中和水中會發生不同程度的光氧化和光解作用，因此在配制萘標準溶液時應在盡量暗的條件下進行。標準溶液用色譜純乙腈稀釋制得，標準曲線濃度：2.00、4.00、6.00、7.00、8.00、10.00mg/L。

1.4 樣品的采集和保存

由于去離子水背景低、干擾小，本研究先采用去離子水為樣品進行基礎研究，后用實際天然水樣品和飲用水樣品進行驗證。采集水樣時，水樣應完全注滿，不留空氣。采集水源水水樣時，應將水樣瓶(棕色瓶)放入水面下再進行采樣，以防表層水的污染。生活飲用水水樣，應在水龍頭消毒之前采集，在每升水樣中加入 0.5mL濃度為 100g/L硫代硫酸鈉溶液并混勻，以除去游離余氯。試樣應放置于暗處并盡快在采樣后24h內萃取，若不能立即進行預處理，在每升水中加入適量樣品穩定劑和基體改性劑。

1.5 準確度評價

以實際樣品的加標回收率來評價分析方法和測量系統的準確度。

1.6 改性劑試驗

量取 24份去離子水樣品，每份樣品 1000mL。分為A、B、C各兩組，A組選用異丙醇作為基體改性劑，B組選用甲醇作為基體改性劑，C組為空白對照。每組設置a、b、c、d 4個處理量，每個處理量設置平行試驗，以改性劑加入量為主要考察對象，詳見表 1。

表1 改性劑試驗Tab.1 Modifier test

待基體改性劑與樣品充分混勻后，向每份樣品中加入 100μL濃度為 10.00mg/L的萘標準溶液，充分攪拌均勻后進行樣品富集。SPE柱的活化與條件化、上樣、淋洗、洗脫、濃縮等試驗條件和步驟按照CJ/T 141—2018[6]的規定進行，各環節盡量保持一致。富集完成后，收集各樣品洗脫液，做好標記，依次上機檢測。樣品加標回收率見表2。

表2 改性劑試驗樣品加標回收率Tab.2 Spiked recovery rate of modifier test samples

由表 2結果可見，A組回收率普遍低于 B組，C組基本沒有回收；A組和B組內，a、b處理回收率相近，且明顯高于c、d處理；各處理平行性良好。

1.7 SPE小柱預處理試驗

本研究所用 Waters HLB 60mg，3mL固相萃取小柱，試驗前分別采用不同的活化劑和 pH條件對其進行活化。

1.7.1 活化劑試驗

取 4支 SPE小柱，分為 A、B 2組，每組設置平行試驗。A組依次使用 10mL二氯甲烷，10mL甲醇，10mL濃度為 20%異丙醇水溶液過柱，B組使用10mL甲醇，10mL濃度為 20%異丙醇水溶液過柱。樣品的采集與保存、上樣、淋洗、洗脫、濃縮等試驗條件和步驟按照CJ/T 141 6.30[6]進行，各環節盡量保持一致。富集完成后，收集各份樣品洗脫液，做好標記，依次上機檢測，計算樣品加標回收率。A組樣品回收率為 34.2%、32.5%，B組樣品回收率為 41.0%、44.6%。使用甲醇和 20%異丙醇水溶液進行活化、條件化的小柱，樣品回收率更高。

1.7.2 pH試驗

取6支SPE小柱，分為A、B、C 3組，每組設置平行試驗，以活化劑的 pH為主要考察對象進行試驗。基于上述活化劑試驗，SPE小柱使用甲醇和20%異丙醇水溶液進行活化、條件化，結果見表3。

表3 SPE小柱活化的不同pH處理Tab.3 Different pH treatments for SPE column activation

其他步驟按照CJ/T 141—2018[6]的規定進行，各環節盡量保持一致。富集完成后，收集各份樣品洗脫液，做好標記，依次上機檢測，計算樣品加標回收率，結果見表4。

表4 pH試驗樣品加標回收率Tab.4 Spiked recovery rate of pH test samples

表4顯示A、B、C 3組檢測結果無顯著差異。

1.8 洗脫、濃縮試驗

試驗分為 A、B、C 3組，分別選用不同有機溶劑進行洗脫和定容，每組設置 a、b、c 3個處理，每個處理設置平行試驗，詳見表5。

其他步驟按照CJ/T 141—2018[6]的規定進行，富集完成后收集洗脫液，做好標記并上機檢測，計算樣品加標回收率，結果見表6。

由表6結果可得以下結論：

①A、B 2組回收率無顯著差異，且均明顯低于C組。

②在 A、B、C 各組中，c處理的回收率在 a、b、c 3個處理中均表現為最高。

③a、b處理在3組試驗中均未表現出明顯差異。

2 討 論

2.1 有機改性劑對回收率的影響

由“1.6改性劑試驗”可知，不加入改性劑的試驗組，回收率在 7%以下，萘幾乎沒有回收。這是由于萘是稠環芳烴，具有較強憎水性，向水樣品中加入一定量的有機溶劑后，使得 C18柱鍵合表面形成了一層有機薄層，從而改善了其鍵合表面和水介質間的憎水作用，當樣品通過柱床時能夠更好地被吸附保留，這一結論與趙利容等[7]的研究結果一致；同時，有機溶劑的加入增加了萘在水溶液中的溶解度，本次試驗的供試標準品介質為甲醇，這可能是加入甲醇比加入異丙醇作為改性劑回收率更好的原因。

此外，加入5%和10%改性劑的試驗組回收率相近，且高于加入20%和30%改性劑的試驗組。這是由于溶劑間存在著競爭吸附作用，改性劑加入量越多，在柱床上的吸附量也越多，與目標組分萘在一定程度上形成了的競爭吸附作用。因此，降低有機溶劑的含量可以有效減小競爭吸附作用，使得目標組分更好地的被吸附在柱床上，提高回收率。

2.2 SPE小柱預處理對回收率的影響

2.2.1 活化劑

“1.7.1活化劑試驗”結果顯示，使用甲醇和20%異丙醇水溶液進行活化、條件化的小柱，樣品回收率更高，經過二氯甲烷活化的小柱，樣品回收率降低。C18柱本身存在一定背景，二氯甲烷的引入進一步增大了背景干擾，導致背景空白升高，使得目標化合物相對響應降低，影響檢測準確性。

2.2.2 pH

由“1.7.2 pH試驗”結果可知，對SPE小柱采用不同 pH處理，對樣品回收率無顯著影響，不再對其進行討論。

2.3 洗脫、濃縮對回收率的影響

由上述洗脫、濃縮試驗結果分析可知，使用 1∶1二氯甲烷-甲醇溶液進行洗脫，能夠得到較好的回收率。對于反相色譜而言，極性溶劑甲醇是弱洗脫劑，不能將 k值較大的萘淋洗下來。二氯甲烷極性較小，理論上應能夠達到良好的洗脫效果，但這種理論效果需建立在 C18柱完全干燥的條件下。而實際操作過程中，C18柱的干燥程度難以判斷和控制，干燥時間過長會導致 SPE柱床產生裂隙，影響洗脫效果[7]；干燥時間不夠，水分殘留在柱床上，具有強憎水性的二氯甲烷不能有效發揮作用。采用充分混合的 1∶1二氯甲烷-甲醇溶液作為洗脫劑，有效解決了上述問題，提高了回收率。此外，前文已經提到，萘揮發性強，所以經過氮吹處理的樣品回收率普遍偏低。關于洗脫劑的用量對回收率產生的影響，許多學者研究表明[8-9]，適當增大洗脫劑體積對提高回收率有所幫助，但當洗脫體積超過 2mL/次后，對回收率的影響就不明顯了。本試驗中，采用 5mL+5mL與 2mL+2mL進行洗脫，回收率無明顯差異，這一結果與上述研究結論相吻合。

3 驗證試驗

3.1 預處理條件

基于以上各組試驗結論，擬定以下預處理參數和步驟：采用5%甲醇作為樣品改性劑(試驗表明5%與10%效果相當，從成本和環保角度考慮，最終選擇5%)，加入樣品，充分混勻；同時，SPE柱使用甲醇和5%甲醇水溶液(與樣品保持一致)進行活化、條件化(注意此時柱床不可抽干)；以4～5mL/min的流速使樣品完全通過 SPE柱后，加入 5%甲醇水溶液 5mL去除水溶性干擾物，抽氣干燥柱床 10～15min，用充分混合的 1∶1二氯甲烷-甲醇溶液作為洗脫劑，600μL+600μL分 2次進行洗脫，收集洗脫液于10mL帶刻度尖底試管中，用1∶1二氯甲烷-甲醇溶液定容至1mL刻度線，混勻待測。

3.2 樣品制備

分別取9份地表水樣品和9份管網水樣品，每份樣品 1000mL。每份管網水樣品加入 0.5mL硫代硫酸鈉溶液(100g/L)脫氯，加入改性劑，其中 7份樣品加入濃度為 10.00mg/L的標準溶液 100μL；地表水樣品加入改性劑，其中 7份加入濃度為 10.00mg/L的標準溶液100μL，所有樣品逐份經0.22μm纖維膜過濾。

制備好的樣品按照“3.1預處理條件”設定的參數和步驟進行固相萃取。

3.3 檢測結果

表7 實際樣品加標回收率Tab.7 Spiked recovery rate of actual samples

經計算，全部樣品回收率均在 70%以上，且精密度良好。

4 結 論

本研究通過樣品改性劑、SPE小柱預處理、洗脫濃縮3方面試驗，驗證了優化樣品預處理條件能夠有效提高萘的回收率。試驗結果表明，樣品改性劑選用5%～10%甲醇，SPE柱的活化無需二氯甲烷的引入，洗脫劑由原來的純二氯甲烷優化為 1∶1二氯甲烷-甲醇溶液，濃縮不經氮吹處理，這些都使萘的回收率得到有效提高且重現性良好，提高了樣品檢測的準確性和穩定性。另一方面，優化后的方法縮短了檢測時間，減少了氮氣和有機溶劑的使用，在節約成本的同時，降低了有機試劑對操作人員健康的傷害，減少了污染物的形成與排放。