自動頂空氣相色譜法測定生活飲用水中的三氯甲烷和四氯化碳

賀春霞 朱韓武 雷飏 陳賢柏 周亮

三氯甲烷和四氯化碳是我國現(xiàn)行的生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中重要的常規(guī)檢測指標(biāo)[1]。三氯甲烷通常認(rèn)為主要是氯化消毒過程中氯與水中天然存在的有機(jī)物前體（如腐殖質(zhì)）等反應(yīng)產(chǎn)生的，從飲用水中檢出的四氯化碳很可能是由于液氯被四氯化碳污染造成的[2]。研究表明，高劑量的三氯甲烷和四氯化碳具有致畸作用，長期飲用這樣的水會對人體的肝臟、腎臟產(chǎn)生毒害作用，進(jìn)而產(chǎn)生神經(jīng)毒性，乃至致癌[3-8]。2020年以來，環(huán)境又進(jìn)行了大量的消毒，水體中的消毒副產(chǎn)物也隨之增加。由于三氯甲烷和四氯化碳在自然環(huán)境中難以進(jìn)行光化學(xué)降解和微生物降解，檢測和控制其在水體中的濃度具有重要的實際意義。生活飲用水中三氯甲烷和四氯化碳的檢測方法有頂空氣相色譜法[9-13]、吹掃捕集氣相色譜法[14]、吹掃捕集氣相色譜/質(zhì)譜法[15]或固相微萃取-氣相色譜/質(zhì)譜法。吹掃捕集雖然效率高，但儀器設(shè)備比較昂貴；頂空氣相色譜法[16]具有靈敏度高、操作簡單等優(yōu)點。傳統(tǒng)的手動頂空分析，加熱時間長，需要手動進(jìn)樣，分析時間長。本文引用了自動分析頂空儀[17-19]，實現(xiàn)樣品的連續(xù)進(jìn)樣，節(jié)省實驗操作者的在線操作時間，提高工作效率，使方法更容易在基層實驗室推廣使用，現(xiàn)報道如下。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 儀器設(shè)備 7890A 型氣相色譜儀[ 帶電子捕獲檢測器（ECD），美國Agilent 公司]；7694E 頂空進(jìn)樣器（美國Agilent 公司）；20 mL 頂空瓶（帶聚四氟乙烯墊片帽，美國Agilent 公司）；HP-5 弱極性石英毛細(xì)管色譜柱（30 m×0.32 mm×0.25μm，美國Agilent 公司）；MilliQ 超純水儀（貝徠美生物科技有限公司）。

1.1.2 試劑 甲醇（色譜純，賽默飛世爾科技有限公司）、三氯甲烷（色譜純，天津市化學(xué)試劑研究所，純度大于99.5%）、四氯化碳（色譜純，天津市化學(xué)試劑研究所，純度大于99.5%）、二次純水。

1.2 方法

1.2.1 色譜條件 氣相條件：汽化室溫度：200℃，分流比∶5：1；HP-5 高彈性石英毛細(xì)管色譜柱（30 m×0.32 mm×0.25 μm），采用恒溫模式，柱溫70℃，保持4 min；載氣（氮氣）流量：1.5 mL/min ；檢測室溫度：280℃。

自動頂空進(jìn)樣條件：頂空瓶內(nèi)溫度：70 ℃；定量環(huán)溫度：80 ℃；傳輸線溫度：90 ℃；氣相循環(huán)時間：10 min；頂空瓶加熱時間：20 min；頂空瓶加壓時間：0.2 min ；定量環(huán)充滿時間：0.2 min ；定量環(huán)平衡時間：0.05 min ；進(jìn)樣時間：1 min ；載氣壓強(qiáng)：11.7 psi ；瓶內(nèi)壓強(qiáng)：10.3 psi。

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)系列配制與檢測 分別稱取0.2 g 三氯甲烷和0.1 g 四氯化碳標(biāo)準(zhǔn)品于100 mL 容量瓶中，按照GB/T 5750.8-2006 方法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制，三氯甲烷的質(zhì)量濃度為0.2、1.0、2.0、4.0、10.0、20.0、40.0 μg/L，四氯化碳的質(zhì)量濃度為0.1、0.5、1.0、2.0、5.0、10.0、20.0 μg/L。制得的系列標(biāo)準(zhǔn)工作濃度置于頂空進(jìn)樣器內(nèi)進(jìn)行分析。頂空進(jìn)樣器進(jìn)樣1 mL 氣體到氣相色譜儀進(jìn)行分析，以峰面積值對三氯甲烷和四氯化碳的質(zhì)量濃度繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.2.3 樣品采集、運輸和保存 頂空瓶在不含有三氯甲烷和四氯化碳的實驗室中于120℃烘烤2 h 后，加入抗壞血酸，滿瓶采水。同時制作樣品空白。采樣后，靜置頂空瓶，置清潔容器內(nèi)運輸和保存。立即送往實驗室，待檢。

1.2.4 樣品處理及測定 吸取10.0 mL 水樣于頂空瓶內(nèi)，置于頂空進(jìn)樣器內(nèi)進(jìn)行分析。頂空進(jìn)樣器進(jìn)樣1 mL 氣體到氣相，完成色譜分析。

1.3 統(tǒng)計學(xué)方法

本文主要使用SPSS 25.0 統(tǒng)計處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。2020年筆者采集了市城區(qū)豐水期和枯水期水樣（出廠水、二次供水、末梢水）257 份，進(jìn)行豐水期和枯水期組間的統(tǒng)計分析。組間的誤差比較檢驗方法一般采用誤差χ2檢驗，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 標(biāo)準(zhǔn)色譜圖

在上述色譜條件下，三氯甲烷和四氯化碳得到了很好的分離，分離色譜圖見圖1。

圖1 三氯甲烷和四氯化碳化合物標(biāo)準(zhǔn)色譜圖

2.2 方法的線性范圍、檢出限和定量下限

在本法選定的色譜條件下，標(biāo)準(zhǔn)液中三氯甲烷的質(zhì)量濃度在0.2～40 μg/L 內(nèi)呈良好線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)r為0.999 0；四氯化碳的質(zhì)量濃度在0.1～20 μg/L 內(nèi)呈良好線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)r為0.999 5。以3 倍信噪比（S/N=3）響應(yīng)值對應(yīng)的質(zhì)量濃度作為檢出限（LOD），10 倍信噪比（S/N=10）作為定量下限（LOQ）。見表1。

表1 三氯甲烷和四氯化碳的標(biāo)準(zhǔn)曲線及相關(guān)系數(shù)

2.3 方法的精密度試驗

實驗選取了低、中、高3 個不同濃度的加標(biāo)水樣，按照1.2.4樣品處理，進(jìn)行色譜分析。平行測定6 次，進(jìn)行精密度考察。見表2。

表2 三氯甲烷和四氯化碳的精密度試驗結(jié)果

2.4 方法的準(zhǔn)確度試驗

實驗選取了空白水樣，添加低、中、高3 個不同濃度的加標(biāo)量，按照1.2.4 樣品處理，進(jìn)行色譜分析。平行測定6 次，進(jìn)行回收率考察。見表3。

表3 三氯甲烷和四氯化碳的準(zhǔn)確度試驗結(jié)果

2.5 實際樣品檢測

2020年筆者采集了市城區(qū)豐水期和枯水期水樣（出廠水、二次供水、末梢水）257 份，檢出三氯甲烷214 份，質(zhì)量濃度范圍1.09～29.11μg/L，枯水期三氯甲烷平均濃度與豐水期平均濃度相當(dāng)，檢出率為85.3%（110/129），與豐水期檢出率81.3%（104/128）差異無統(tǒng)計學(xué)意義（χ2=0.75，P＞0.05），四氯化碳均未檢出。這表明疫情以來，城區(qū)生活飲用水消毒技術(shù)是規(guī)范的：三氯甲烷作為消毒副產(chǎn)物普遍都有檢出，但含量都在可控范圍之內(nèi)；而四氯化碳作為有機(jī)雜質(zhì)卻沒有被引入。

2.6 與其他兩種分析方法的比較

實驗比較了傳統(tǒng)的國標(biāo)方法和吹掃捕集- 氣質(zhì)色譜法。國標(biāo)方法采用150 mL 頂空瓶，取水100 mL，加熱30 min，進(jìn)樣30 μL 氣體。直接水浴加熱取樣量大，氣液平衡充分，進(jìn)樣穩(wěn)定，準(zhǔn)確度高；但需要采用手動進(jìn)樣，耗費大量人力和時間。吹掃捕集-氣質(zhì)色譜法采用自動吹掃捕集儀，可以富集分析多種有機(jī)化合物，進(jìn)樣氣相色譜質(zhì)譜儀，實現(xiàn)快速分析；但儀器成本高，維護(hù)費用昂貴。實驗對三氯甲烷同時進(jìn)行了3 種方法的比較，結(jié)果見表4。方法兩兩比較，結(jié)果差異無統(tǒng)計學(xué)意義（t1=0.87，t2=1.21，均＜t（0.05，10）=2.23）。所以，這也是自動頂空分析法被廣泛推廣的原因：方法簡單快速，準(zhǔn)確有效，且靈敏度高。

表4 3 種方法中三氯甲烷含量比較

3 討論

3.1 儀器條件和色譜條件

本方法分別進(jìn)行了頂空條件和色譜條件的優(yōu)化。頂空條件首先考察了氣液相體積比值；結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)頂空瓶取10 mL 水樣時，三氯甲烷和四氯化碳的響應(yīng)值最穩(wěn)定且靈敏度最佳，故方法選擇氣液相體積比為1 ∶1（頂空瓶體積為20 mL）。另外頂空還考察了平衡溫度和平衡時間對實驗的影響。平衡溫度升高，可使更多的三氯甲烷和四氯化碳從水相中揮發(fā)進(jìn)入氣相，提高待測物在氣相中的濃度，有利于提高分析方法的靈敏度。但若平衡溫度過高，也會導(dǎo)致大量水蒸氣的產(chǎn)生，目標(biāo)化合物的相對濃度會降低，同時色譜柱的使用壽命和檢測器的性能也會受到影響。本方法通過對溫度的優(yōu)化，最終采用的平衡溫度為70 ℃，在此條件下能滿足待測物的分析靈敏度，并且氣相中的水蒸氣對分析也沒有造成影響。平衡時間增加，待測物峰面積不斷增大，當(dāng)平衡時間為20 min 時，色譜峰的響應(yīng)值變化趨于平緩，峰面積接近最高值，氣-液兩相基本達(dá)到平衡。故選擇平衡時間為20 min。

氣相條件考察了進(jìn)樣口溫度、柱溫、柱流速等參數(shù)的影響。通過優(yōu)化，最終確定柱溫為70℃恒溫，柱流速為1.5 mL/min ；在此條件下，三氯甲烷和四氯化碳可以得到很好的分離。

3.2 空白實驗考察

本次實驗中，要盡可能減少空白對實驗造成的影響。首先要考察實驗室的本底環(huán)境，確保在沒有三氯甲烷和四氯化碳的實驗室進(jìn)行試驗。試驗前，容量瓶和頂空瓶應(yīng)進(jìn)行充分烘烤，以確保瓶中無殘留三氯甲烷和四氯化碳。在使用頂空儀進(jìn)行樣品分析時，要多運行幾針空白樣，確定儀器管道內(nèi)無殘留的三氯甲烷和四氯化碳后再進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)和樣品分析。如果遇到含量高的樣品，可穿插多進(jìn)幾針空白樣后再繼續(xù)進(jìn)樣，以降低空白對實驗造成的影響[20]。

3.3 干擾實驗考察

在本實驗中，通過頂空揮發(fā)進(jìn)入氣相色譜分析的揮發(fā)性化合物的種類較多，但出峰時間多在三氯甲烷和四氯化碳之后。本法通過標(biāo)準(zhǔn)比對可以排除干擾，但仍需關(guān)注其他的揮發(fā)性化合物對三氯甲烷和四氯化碳的分析可能存在的干擾。