固相膜萃取-超聲洗脫衍生法 分析水中酚類化合物

張 莉，張永濤，張辰凌，李曉亞，桂建業(yè)

(中國地質(zhì)科學院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所監(jiān)測中心，河北 正定 050803)

隨著科技的發(fā)展和人民生活水平的提高，環(huán)境污染成為人們關注的首要問題。環(huán)境污染的特征之一是有機污染，而酚類是有機污染物的一大類，對一切生物都有危害。酚類化合物含有羥基官能團，直接用液相色譜或氣相色譜法進行分析的檢出限較高。利用化學反應將酚類轉(zhuǎn)化為弱極性化合物，可以增大該類化合物的揮發(fā)性，提高其在色譜上的分辨率，從而實現(xiàn)該類化合物的氣相色譜高靈敏度分析。在目前標準方法或文獻中[1-5]，該類化合物最成熟的預處理手段是液液萃取或固相小柱萃取，分析流程基本是萃取—濃縮—測定或衍生后測定的模式，而繁雜的預處理過程必然造成目標物損失。因此有必要探索新的預處理途徑，以保證分析的準確度和精密度。超聲技術(shù)[6-9]以萃取速度快、溶劑用量少而被廣泛應用于有機分析的預處理工作中，但僅適用于固體樣品的分析，若在水分析中應用該技術(shù)，必須要進行液固轉(zhuǎn)換。液液萃取不能實現(xiàn)液固轉(zhuǎn)換，固相柱萃取可以達到這一目的，但利用超聲技術(shù)解吸化合物的難度較大，固相膜萃取為這一技術(shù)的實現(xiàn)提供了可能。在文獻[10]中，以硅膠為吸附劑的C18膜片對水中多環(huán)芳烴進行分析；在文獻[11]中，用C8膜片對水中的有機氯農(nóng)藥、羧酸類有機物進行了超聲萃取。但未見對酚類化合物研究的報道。以苯乙烯/二乙烯苯聚合物為吸附劑的SDB-XC固相萃取膜適合保留含有親水基團的疏水性酚類化合物，因其具有比表面積大、路徑短、不易堵塞、高選擇吸附等特點，能夠快速地將液體樣品轉(zhuǎn)化為固體樣品，更容易將樣品無損轉(zhuǎn)移到合適的器皿中，從而實現(xiàn)超聲洗脫衍生分析。

本研究擬采用SDB-XC膜萃取酚類化合物，結(jié)合超聲技術(shù)使用最少的溶劑、最短的時間對膜片上的化合物同時洗脫衍生，并減少溶劑濃縮、轉(zhuǎn)移等過程，以達到提高分析效率、增加準確度、減少環(huán)境次生污染、為同類有機物的分析提供技術(shù)思路的目的。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

TRACE DSQ氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀：美國Thermo公司產(chǎn)品；KQ-700DV數(shù)控超聲波清洗器：昆山市超聲儀有限公司產(chǎn)品；SBEQ-CP0100膜片式固相萃取儀：德國CNW公司產(chǎn)品；SDB-XC萃取膜(47 mm)：美國3M公司產(chǎn)品；衍生瓶(10 mL)：美國 Supelco公司產(chǎn)品。

二氯甲烷、丙酮和正己烷(農(nóng)殘級)：德國Merck公司產(chǎn)品；五氟芐基溴(純度為95%)：美國Thermo Fisher公司產(chǎn)品；K2CO3、磷酸：均為優(yōu)級純，北京化學試劑廠產(chǎn)品；2-甲酚、4-甲酚、2,4-二甲基苯酚、2-氯苯酚、4-氯-3-甲基苯酚、2,4-二氯苯酚、2,4,6-三氯苯酚、2,3,4,6-四氯苯酚、五氯酚標準物質(zhì)：德國Dr.Ehrenstorfer公司產(chǎn)品。

1.2 實驗條件

HP-5MS色譜柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)；程序升溫：初始溫度90 ℃，以30 ℃/min升至200 ℃，再以10 ℃/min升至300 ℃，保持2 min；進樣口溫度230 ℃；不分流進樣，進樣體積1 μL。

反應氣：甲烷；電離能量：70 eV；負化學電離源(NCI)溫度：200 ℃；連接桿溫度：220 ℃；選擇離子掃描(selected ion monitoring)模式。主要參數(shù)列于表1。

表1 衍生產(chǎn)物定性定量主要參數(shù)Table 1 Main qualitative and quantitative parameters of derivative products

1.3 樣品處理

將SDB-XC固相萃取膜裝在膜片式固相萃取裝置上，依次用5 mL二氯甲烷、5 mL丙酮和10 mL純水進行活化，保持膜片上有3～5 mm高度的純水。在500 mL水樣中(預先除去沉淀物和懸浮物)，加入磷酸溶液(1∶1，V∶V)調(diào)節(jié)水樣pH 3～4，以約100 mL/min的流速流經(jīng)萃取膜。萃取完成后，繼續(xù)抽真空約2 min。將膜片折疊放入衍生瓶中，加入2 mL丙酮、200 μL 10%五氟芐基溴溶液和10 μL 30%K2CO3溶液，蓋好瓶蓋，置于數(shù)控超聲波清洗器中。

設置水浴溫度40 ℃，功率40%，動態(tài)萃取衍生20 min后，取出衍生瓶，放至室溫后，取出1.0 mL溶液于濃縮瓶中，用微弱的氮氣流吹至近干，以正己烷定容至1 mL，待氣相色譜-負化學源質(zhì)譜檢測。

1.4 溶劑及標準溶液的制備

10%五氟芐基溴：稱取1 g五氟芐基溴溶于10 mL丙酮溶劑中，低溫保存。

30%K2CO3溶液：稱取3 g K2CO3溶于10 mL純水中。

稱取適量酚類標準物質(zhì)于丙酮溶劑中，再逐級稀釋成1.0 mg/L的標準使用溶液。用此溶液制備成溶劑為丙酮、體積為2 mL、濃度范圍為10～200 μg/L的標準系列溶液，按照1.3節(jié)衍生、超聲條件進行處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 固相膜與水樣酸度的優(yōu)化

圖1 兩種膜片的回收率對比Fig.1 Comparison of recoveries between two disks

以硅膠為吸附劑的C8固相萃取膜在最佳酸性條件(pH<2)下對酚類化合物是選擇性吸附，吸附對象主要是分子質(zhì)量較大、溶解度較小的多氯酚，回收率可達70%以上，對小分子的2-甲酚、4-甲酚等回收率只有10%左右。SDB-XC固相萃取膜的吸附劑是苯乙烯/二乙烯苯聚合物，適合保留含有親水基團的疏水性酚類化合物，但其吸附效果與水樣pH值有很大關系。理論上，當水樣pH<2時，酚類化合物不帶電荷，能夠很好地保留在SDB-XC膜上，但實際結(jié)果并非如此。逐漸增大水溶液的pH值，當pH 3～4時，膜片對其有較好的吸附保留，回收率在78%～103%之間。因此，使用SDB-XC膜片，優(yōu)化溶液pH值非常關鍵。兩種萃取膜片的萃取回收率對比圖示于圖1，不同水樣酸度對回收率的影響示于圖2。分析還發(fā)現(xiàn)，水樣流速在80～100 mL/min范圍內(nèi)的回收率不受影響，均在70%以上，這與膜片比表面積(450 m2/g)較大、水流路徑(膜片厚度0.5 mm)較短、水樣與膜片接觸時間(5 min)短有很大關系。因此，本方法確定流速為100 mL/min。

圖2 水樣酸度對回收率的影響Fig.2 Effect of water pH on recoveries

2.2 超聲衍生條件優(yōu)化

在酚類與衍生試劑的反應中，溶劑提供衍生環(huán)境，K2CO3溶液提供堿性環(huán)境，因此，所選擇的溶劑要與K2CO3溶液互溶才能達到較好的衍生效果。經(jīng)驗證，在與之互溶的甲醇、丙酮中衍生回收率均在70%以上，本實驗選擇丙酮為溶劑。為達到較好的洗脫和衍生效果，并避免分析過程中溶劑的濃縮，對洗脫溶劑的加入量進行了控制。經(jīng)觀察驗證，在10 mL衍生瓶中加入2 mL溶劑能夠?qū)⒛て耆]，衍生完畢后能夠定量取出1 mL溶劑完成后續(xù)的分析檢測。本實驗以五氟芐基溴為衍生試劑對酚類化合物進行衍生。當10%五氟芐基溴的加入量分別為25、50、100、200 μL時，衍生效率逐漸增大，如繼續(xù)加大五氟芐基溴的用量，衍生效率則無明顯變化，因此，本方法確定的衍生試劑加入量為200 μL。逐漸改變30%K2CO3溶液的加入量，當加入量為10 μL時有較好的衍生效果，衍生效率均在70%以上。

定量取出1 mL溶劑進行后續(xù)分析，衍生過程中為避免丙酮(沸點56 ℃)的揮發(fā)，最終確定超聲溫度為40 ℃；膜片在大功率超聲下會有微量溶出，造成萃取液的輕度渾濁，因此確定超聲功率為40%。在此基礎上優(yōu)化了衍生時間，發(fā)現(xiàn)超聲衍生20 min的衍生效率能夠達到最大值。

2.3 干擾和凈化分析

標準溶液的配制使用丙酮作為溶劑，與樣品衍生溶劑一致，避免了因溶劑不同產(chǎn)生分析誤差。SDB-XC固相萃取膜具有高選擇性，吸附酚類的同時可對水中干擾物進行部分凈化，化合物的洗脫和衍生一體化，避免了溶劑的多次濃縮和轉(zhuǎn)移，基本無干擾引入。因此，凈化的主要對象是過量的五氟芐基溴和K2CO3。按照1.3節(jié)的氮吹處理可去除衍生試劑；氮吹近干時，K2CO3會結(jié)晶在濃縮瓶底部，不溶于正己烷溶劑，K2CO3的存在對檢測無影響。在該條件下，SDB-XC會吸附部分羧酸類有機物，并衍生，但一般情況下，衍生產(chǎn)物的保留時間和定量離子不會與酚類化合物重疊，因此，對酚類化合物不產(chǎn)生影響。

2.4 儀器配套檢測

用氣相色譜(ECD檢測器)檢測時，化合物有較低的檢出限，但對衍生產(chǎn)物的定性有一定困難。氣相色譜-質(zhì)譜(EI源)對凈化要求較低，但檢出限較高。氣相色譜-負化學源質(zhì)譜(NCI源)對含有鹵素原子的化合物有非常靈敏的響應，而對基質(zhì)中大多數(shù)雜質(zhì)不響應，因此，其色譜圖中雜質(zhì)峰很少、本底低、信噪比更強，靈敏度比EI源提高了1～2個數(shù)量級，只需簡單凈化就可得到較低的檢出限。各化合物的定量、定性離子列于表1。酚類化合物衍生物的總離子流圖示于圖3。

注：1.2-甲酚；2.4-甲酚；3.2,4-二甲基苯酚；4.2-氯苯酚； 5.4-氯-3-甲基苯酚；6.2,4-二氯苯酚； 7.2,4,6-三氯苯酚；8.2,3,4,6-四氯苯酚；9.五氯酚 圖3 酚類化合物衍生物的總離子流圖Fig.3 Total ion chromatogram of phenolic compound derivatives

2.5 方法評價

各化合物在10～200 μg/L濃度范圍內(nèi)，其線性相關系數(shù)(r2)均大于0.997。向空白水中加入酚類化合物標準溶液，以逐級降低濃度添加水平的方法來確定方法的檢出限和定量限。當水樣體積為500 mL，洗脫體積為2 mL(即樣品濃縮倍數(shù)為250倍)時，檢出限(S/N=3)、定量限(S/N=10)及相關參數(shù)列于表2。以TOC(總有機碳)<0.2 mg/L的純水和TOC=4.9 mg/L的地下水為基體，添加樣品濃度水平分別為0.1、0.2、0.5 μg/L，相應的儀器檢測濃度值分別為25.0、50.0、125.0 μg/L。按照優(yōu)化的條件進行分析，回收率為70%～107%，相對標準偏差為3.8%～10.4%。以TOC分別為18.4、32.4 mg/L的2個地表水為基體進行上述濃度的加標，部分樣品的回收率降低，對此類樣品可采用減少水樣量的方法進行檢測分析。說明該方法不適用于嚴重污染的地表水及其他工業(yè)廢水。

表2 檢出限、定量限及相關參數(shù)Table 2 Detection limits, quantitative limits and correlation coefficients

2.6 實際樣品分析

采用本方法分析不同地域的水樣，部分樣品有檢出，對其中3個TOC含量分別為0.78、1.39、3.14 mg/L的樣品進行不同濃度的加標分析，其回收率在70%～108%之間，結(jié)果列于表3。表3中數(shù)據(jù)說明了酚類污染的廣泛性及污染程度，基體加標分析結(jié)果驗證了該方法的可行性。

表3 樣品和基體加標分析結(jié)果Table 3 Detection and spiked results of real samples

續(xù)表3

3 結(jié)論

本研究利用超聲技術(shù)的優(yōu)勢，將超聲、衍生技術(shù)融為一體，避免了溶劑的多次濃縮和轉(zhuǎn)移所造成的化合物損失，有較高的準確度和精密度，負化學源技術(shù)的使用降低了檢出限。實驗中，膜片活化溶劑使用量為10 mL，洗脫衍生溶劑使用量為2 mL，萃取時間為5 min，超聲洗脫和衍生時間僅為20 min，遠低于國家環(huán)境標準方法及相關文獻[1-5]的時間和溶劑使用量，是一種低污染、高效率的分析技術(shù)，在實際檢測分析中有很好的應用價值。