QuEChERS-GC-MS法快速同時測定水質中12種硝基酚類化合物

武建強 趙中敬 洪 霞 何海寧 袁彩霞

(1. 甘肅中商食品質量檢驗檢測有限公司，甘肅 蘭州 730010；2. 甘肅省商業科技研究所有限公司，甘肅 蘭州 730010)

近年來，水質中芳香烴有機污染物由于其難降解的持久性和富集效應給環境和生物體帶來越來越嚴重的影響，因此，加強對這些污染物的嚴格監控和快速檢測顯得非常重要[1-2]。硝基酚類化合物常見于一些工業排放的污水中，如金屬鑄造和造紙業等排放的污水[3-4]，具有高毒性，致癌和免疫抑制的作用，許多酚類化合物已被列為危險污染物[5-6]。目前已有多種方法被用于硝基酚類化合物快速檢測中，如熒光分光光度法[7]、色譜法[8]和電化學方法[9-10]。但這些檢測方法存在樣品前處理操作復雜，基質干擾大，回收率低，大量使用有機試劑會造成二次污染[11-12]。

據報道，在硝基酚類化合物分析中，樣品的前處理技術對分析結果的準確性具有較大影響[13-14]，對于基質復雜的工業廢水中硝基酚類化合物檢測樣品前處理技術需要結合實際條件選取[15-16]。現有HJ 1150—2020方法中的樣品前處理技術為液—液萃取、弗洛硅土柱凈化濃縮定容后測定，此操作過程存在濃縮易揮發、有機試劑用量大，易對環境造成二次污染，提取效率低等缺點，已滿足不了現代分析技術高效、快速、環保的發展趨勢[17-18]。因此，開發簡便、快速、高效、環保的樣品前處理技術是現代分析技術發展的一個重要方向[19-20]。功能化碳納米復合材料由于具有獨特的比表面積大、穩定性好、吸附性能強、選擇性好等優勢而被廣泛應用于食品、環境、中藥材等樣品中有毒有害物質快速檢測樣品前處理中[21]。

雖然作為碳納米材料及金屬納米粒子合成納米復合材料，國內外已在農藥殘留檢測、獸藥殘留檢測、食品添加劑檢測等方面做了大量研究，但應用于基質復雜的硝基酚類化合物快速檢測樣品前處理文獻報道很少[22]。試驗擬以碳納米管復合材料作為一種混合凈化劑，基于QuEChERS技術結合氣相色譜—質譜聯用儀建立一種快速同時檢測水質中12種硝基酚類化合物的方法。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 儀器與耗材

電子天平：XS 225A-SCS型，安徽首衡稱重科技有限公司；

渦旋振蕩儀：GENIUS3型，無錫沃信科技有限公司；

臺式高速離心機：CF16RXⅡ型，鹽城市安信實驗儀器有限公司；

超聲波清洗機：SB-100B型，無錫沃信科技有限公司；

氣相色譜儀：Agilent 7890/5975C型，安捷倫(上海)科技有限公司。

1.1.2 試劑

多壁碳納米管：純度97.8%，外徑20～30 nm，內徑5～10 nm，長度10～30 μm，比表面積>110 m2/g，深圳市納米港有限公司；

N-丙基乙二胺(PSA)：純度97%，深圳市納米港有限公司；

十八烷基硅烷鍵合硅膠(C18)：純度99.6%，深圳市納米港有限公司；

丙酮：色譜純，純度99.6%，西安市永紅化工原料公司；

正己烷：色譜純，純度99.6%，深圳市時得佳科技有限公司；

乙腈：色譜純，純度99.8%，高碑店市隆年達商貿有限公司；

NH3·H2O、二價鐵鹽(FeCl2·4H2O)和三價鐵鹽(FeCl3·6H2O)：純度99.6%，北京振翔科技有限公司；

十八烷胺：純度98.8%，高碑店市隆年達商貿有限公司；

高錳酸鉀：純度99.1%，北京振翔科技有限公司；

乙醇：純度98.9%，北京振翔科技有限公司；

試驗用水：二次蒸餾水，自制；

12種硝基酚標準物質(2-硝基酚、3-甲基-2-硝基酚、4-甲基-2-硝基酚、5-甲基-2-硝基酚、2,5-二硝基酚、3-硝基酚、2,4-二硝基酚、4-硝基酚、2,6-二硝基酚、3-甲基-4-硝基酚、6-甲基-2,4-二硝基酚、2,6-二甲基-4-硝基酚)：純度>99%，北京海岸鴻蒙標準物質技術有限責任公司；

水質樣品：采集蘭州市某化工廠廢水排出口。

1.2 試驗方法

1.2.1 磁性Fe3O4納米粒子的制備 采用化學共沉淀法制得磁性四氧化三鐵納米粒子[23]，具體試驗過程參照文獻[24]。

1.2.2 十八烷胺功能化碳納米管復合材料的合成 稱取100 mg純化碳納米管粉末于250 mL圓底燒瓶中(碳納米管純化過程參照文獻[25])，加入100 mL乙醇超聲30 min使其完全溶解，再加入400 mg十八烷胺，70 ℃下攪拌2 h，離心分離(6 000 r/min，5 min)，用二次蒸餾水洗滌兩次，真空干燥，備用。

1.2.3 磁性四氧化三鐵納米粒子擔載功能化多壁碳納米管磁性碳納米材料的合成 將10 mL質量濃度為10 mg/mL磁性納米粒子緩慢地加入功能化的碳納米管懸浮液中并不斷地攪拌，110 ℃油浴中攪拌8 h，將磁鐵放到燒瓶旁邊收集黑色產物，黑色產物通過二次蒸餾水洗滌3次后于80 ℃真空下烘4 h，即得到最終產物(MNPs/ODA-CNTs)。該復合材料的合成機理和凈化原理如圖1所示。

圖1 磁性四氧化三鐵納米粒子修飾功能化多壁碳納米管磁性復合納米材料的合成機理圖

1.2.4 水質中12種硝基酚類化合物的提取及凈化 量取一定體積水質樣品于三角瓶中，加入適量的磁性納米復合材料，震蕩5 min后，在外加磁場磁分離，取其上清液于另一個三角瓶，重復上述操作，合并兩次磁性固體材料用5 mL二氯甲烷分兩次洗脫，洗脫液過0.22 μm濾膜后直接進樣測定。

1.2.5 質譜條件 色譜柱：CP Sil 24 CB型，長30 m，內徑0.25 mm，膜厚為0.25 μm；柱溫150 ℃，柱溫箱可程序升溫；汽化溫度220 ℃；檢測溫度240 ℃；離子源溫度280 ℃；電子轟擊源(EI)70 eV；進樣方式：不分流進樣；進樣量1 μL。分別吸取混合標準液及樣品凈化液注入氣相色譜—質譜儀中，記錄色譜圖，以保留時間定性，以樣品和標準樣品的峰面積比定量。

1.2.6 標準溶液的配制 準確稱取適量標準品農藥，用丙酮稀釋成10 μg/mL標準儲備溶液。

2 結果與分析

2.1 磁性碳納米復合材料的表征

2.1.1 透射電子顯微鏡 在加速電壓為 200 kV下使用高分辨率透射電子顯微鏡(TEM)來觀察多壁碳納米管、磁性納米粒子及磁性碳納米復合材料的表面結構特征。如圖2所示，磁性四氧化三鐵納米粒子大約為10～20 nm，粒徑大小分布均勻無團聚現象；純化后的多壁碳納米管在N,N-二甲基乙酰胺分散液中溶解性很好，分布均勻；磁性納米復合材料分散液經攪拌震蕩后測定發現無游離磁性四氧化三鐵納米粒子，表明磁性四氧化三鐵納米粒子緊緊地依附在碳納米管表面，納米顆粒表現出很好的穩定性。

圖2 磁性碳納米復合材料的透射電鏡圖譜

2.1.2 X-衍射 利用X-衍射(XRD)測定了磁性納米粒子的晶體結構。如圖3所示，磁性碳納米復合材料的衍射圖譜與晶態磁鐵礦(Fe3O4)的標準衍射圖譜[26]非常接近。在2θ為30.10°，35.34°，43.32°，53.51°，57.19°，63.18°處出現磁性納米粒子的6個衍射峰，對應的晶體指數分別為(220)，(311)，(400)，(422)，(511)，(440)，在24.2°處出現了碳納米管對應的晶面(002)的衍射峰。

圖3 磁性碳納米復合材料的X-衍射圖譜圖

2.1.3 氮氣吸附—脫附 由圖4可知，吸附—脫附等溫線是在較低的相對壓力(P/P0>0.9)下進行的，說明該磁性碳納米復合材料是一種典型I吸附行為[27]。

圖4 磁性復合材料氮氣吸附—脫附圖譜圖

2.1.4 磁強計 如圖5所示，M-CNTs/ODA的最大比飽和磁化強度可達2.75 emu/g。測試結果表明，所制備的M-CNTs/ODA具有超順磁性，這是由于M-CNTs/ODA中的元素鐵和微量Fe3O4均在納米尺度上。文獻[28]報道，超順磁性與顆粒尺寸密切相關，當納米顆粒尺寸小于超順磁性極限尺寸時，顆粒表現出超順磁性。

圖5 磁性納米復合材料振動樣品磁強計曲線圖

2.2 QuEChERS處理條件優化

2.2.1 pH值的影響 通過用1 mol/L鹽酸或氫氧化鈉溶液調節樣品溶液pH值，在2～12的pH范圍內優化樣品溶液，選用響應較好的2-硝基酚作為加標試驗。如圖6所示，在大約10～11的pH值下獲得最大回收率，這是由于硝基酚類化合物在酸性環境容易發生酯化反應。因此，將樣品溶液的pH值調整為10～11作為最佳條件。

圖6 pH值的影響圖

2.2.2 氯化鈉質量濃度對硝基酚提取的影響 通過在水質樣品中添加質量濃度分別為0.0，0.5，1.0，3.0，10.0，20.0，25.0 mg/mL的氯化鈉，研究樣品鹽度對2-硝基酚提取回收率的影響，對每個水平進行3次重復提取和測定。如表1所示，氯化鈉對分析物的萃取回收率的影響可以忽略不計，加入氯化鈉主要是促進水相和有機相分層，對硝基酚存在形式影響不大。

表1 氯化鈉質量濃度對2-硝基酚提取的影響

2.2.3 萃取時間的研究 準確量取100 mL水質樣品5份于250 mL三角瓶中，編號依次為1、2、3、4、5號，分別加入質量濃度為10 μg/mL的2-硝基酚標準儲備液200 μL混勻，再加入40 mg磁性納米復合材料，5份樣品依次震蕩1，2，5，10，15 min，在外加磁場作用下分離，棄去上清液，固體物質分別用5 mL二氯甲烷洗脫，收集洗脫液過0.22 μm 濾膜后進樣測定。如圖7所示，當震蕩時間為5 min時回收率達到最大值，當震蕩時間再增加時，回收率不變，這是由于2-硝基酚在磁性復合物表面吸附已達到飽和狀態，因此，選5 min為最佳萃取時間。

圖7 萃取時間的研究

2.2.4 兩種不同方法對比 通過對2-硝基酚加標回收試驗對比了HJ 1150—2020處理方法和優化處理方法兩種不同方法，如圖8所示，該優化處理方法不僅在操作技術上優于國標方法，其回收率也遠遠高于國標方法，這是由于該優化方法省去了氮吹濃縮避免硝基酚類化合物揮發導致回收率偏低。

圖8 兩種不同方法對比

2.2.5 線性關系 配制標準溶液濃度系列0.05，0.07，0.10，0.15，0.20 μg/mL建立標準曲線，在優化的試驗條件下，對每個水平進行6次重復測定，如表2所示，結果表明，在0.05～0.20 μg/mL質量濃度范圍具有很好線性關系，最低檢出質量濃度為0.009～0.010 μg/mL，相關系數為0.996 3～0.999 7。一方面由于十八烷胺分子中含有1個氨基和1個烷氧基，相當于傳統的凈化劑PSA和氨基柱組成的混合凈化劑效果，另一方面功能化磁性碳納米復合材料具有大的吸附容量和大比表面積，與傳統凈化柱相比，該凈化劑通過渦旋能與樣液充分接觸，凈化效果更好。

表2 線性關系和最低檢出濃度

2.2.6 回收率和精密度 樣品的添加量分別為0.03，0.05，0.10 μg/mL，每一添加水平的樣品平行3次，樣品處理按1.2.4方法進行。先測定樣品中硝基酚的本底含量，再分別測定加標樣品中硝基酚含量，扣除空白值后，計算平均加標回收率，加標樣品的平均回收率及精密度結果見表3。由表3可知，平均添加回收率為82.2%～94.6%，相對標準偏差(RSD)<10%(n=3)。

表3 加標樣品的回收率及精密度

3 結論

通過簡單的水熱法和共沉淀法合成磁性納米粒子負載雙官能團十八烷胺功能化碳納米管納米復合材料作為一種混合凈化體系，基于QuEChERS技術聯合氣相色譜—質譜聯用儀建立了一種同時測定水質中12種硝基酚類化合物快速檢測樣品前處理方法，與國家標準前處理方法相比，該方法操作簡單，凈化效果好，縮短前處理的時間。還有效地解決了現有標準HJ 1150—2020中水質中硝基酚類化合物檢測過程提取濃縮時易揮發、回收率低、檢測結果偏大等問題。由于十八烷胺分子中含有1個烷氧基和1個氨基，使得優化QuEChERS技術對水質中12種硝基酚類具有較好的凈化效果和消除基質干擾能力，試驗結果表明，在0.05～0.20 μg/mL質量濃度范圍具有很好線性關系，最低檢出質量濃度為0.009～0.010 μg/mL，回收率為82.2%～94.6%，相對標準偏差<10%，該技術可為水質中其他半揮發有機污染物快速檢測提供技術支撐。