頂空氣相色譜法測(cè)定水中苯系物的影響因素探討

趙玉敏

(鹽城市大豐生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，江蘇 鹽城 224100)

1 引言

苯系物通常包括苯，甲苯，乙苯，鄰、間、對(duì)位的二甲苯，異丙苯和苯乙烯八種化合物[1]。苯系物可被用作生產(chǎn)原料和有機(jī)溶劑，在有機(jī)化工、醫(yī)藥、農(nóng)藥及油漆等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，這些行業(yè)排放的廢水中也含有較高含量的苯系物，是苯系物污染的重要來(lái)源。大多數(shù)苯系物均為易揮發(fā)性物質(zhì)，不僅會(huì)對(duì)大氣環(huán)境造成污染，還可通過(guò)呼吸或接觸進(jìn)入人體和其他生物體。高濃度的苯系物氣體可麻痹人中樞神經(jīng)系統(tǒng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致呼吸循環(huán)衰竭而死亡；而長(zhǎng)期暴露于低濃度苯系物中，也會(huì)引起細(xì)胞遺傳學(xué)改變，對(duì)造血、神經(jīng)、生殖等系統(tǒng)造成重大危害[2]。因而對(duì)水中苯系物的檢測(cè)十分有必要。目前對(duì)水中苯系物的測(cè)定主要采用色譜法，有頂空/氣相色譜法[3]、吹掃捕集/氣相色譜-質(zhì)譜法[4]和高效液相色譜法[5]等。頂空氣相色譜法采用液上氣體直接進(jìn)樣的方式，基體干擾小，同時(shí)具有前處理簡(jiǎn)單、對(duì)設(shè)備和環(huán)境的污染較小、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于水中苯系物的測(cè)定[6]。文章將對(duì)頂空氣相色譜法測(cè)定水中苯系物的影響因素進(jìn)行一些探討。

2 樣品的采集與保存

苯系物水樣的采集與保存是影響測(cè)定結(jié)果的重要因素。采樣時(shí)應(yīng)選取具聚四氟乙烯襯的硅橡膠墊的棕色螺口玻璃瓶或其他同類材質(zhì)的采樣瓶。塑料材質(zhì)采樣瓶由于表面易吸附有機(jī)物，會(huì)干擾苯系物的測(cè)定，不可選用。

水樣采集前需測(cè)定樣品的pH值，根據(jù)測(cè)定結(jié)果，在水樣中加入適量鹽酸溶液和抗壞血酸調(diào)節(jié)水樣pH值，使采樣后樣品的 pH≤2[3]。為防止水樣中的苯系物向氣相逸散而導(dǎo)致水樣中的苯系物含量降低，采樣時(shí)應(yīng)使樣品在采樣瓶中溢流，不留液上空間，并加蓋密封。

鑒于苯系物的易揮發(fā)性，水樣采集后應(yīng)在 4 ℃以下冷藏運(yùn)輸和保存，盡快分析。為防止受到其他揮發(fā)性有機(jī)物的污染，樣品應(yīng)存放于無(wú)機(jī)區(qū)域。譚麗等[7]研究了pH值、固定劑的添加以及保存時(shí)間對(duì)苯系物地表水樣品保存的影響，結(jié)果表明調(diào)節(jié)pH≤2、向有余氯的水樣中加入固定劑抗壞血酸或硫代硫酸鈉均能可減少目標(biāo)物的損失率；保存時(shí)間越短，目標(biāo)物的損失越少。

3 實(shí)驗(yàn)用水、試劑與氣體純度

實(shí)驗(yàn)用水中應(yīng)不含目標(biāo)化合物和干擾目標(biāo)化合物測(cè)定的物質(zhì)。因而實(shí)驗(yàn)用水在使用前需經(jīng)空白試驗(yàn)進(jìn)行確認(rèn)。涉及到的化學(xué)試劑應(yīng)根據(jù)方法標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行選擇。若試劑純度不能滿足測(cè)定要求則可能會(huì)引入干擾目標(biāo)化合物測(cè)定的雜質(zhì)，從而影響測(cè)定結(jié)果。使用前需進(jìn)行預(yù)處理的試劑，則需經(jīng)適當(dāng)處理，達(dá)到測(cè)定要求后才能使用。如作為鹽析劑的氯化鈉，使用前應(yīng)進(jìn)行高溫處理，去除其表面吸附的有機(jī)物。載氣、燃?xì)夂椭細(xì)怆s質(zhì)會(huì)對(duì)色譜分析造成很大影響，如會(huì)降低色譜柱的的使用壽命和分離效率、使檢測(cè)器的靈敏度下降、使微量組分測(cè)定不準(zhǔn)確等[8]。當(dāng)選擇FID檢測(cè)器時(shí)，就要求使用氣體中烴類化合物必須很低。因此，要根據(jù)分析的要求、色譜柱的種類和檢測(cè)器對(duì)載氣進(jìn)行凈化或選擇能滿足分析要求的載氣。

4 頂空條件的影響

4.1 平衡溫度和平衡時(shí)間

提高平衡溫度可以使更多的苯系物從液相進(jìn)入氣相，增大氣相中苯系物的濃度，使苯系物的響應(yīng)值增大，提高檢測(cè)的靈敏度。而過(guò)高的溫度又會(huì)產(chǎn)生大量的水蒸氣，水蒸氣的增多不僅會(huì)降低氣相中目標(biāo)化合物的相對(duì)濃度，使其響應(yīng)值降低，還會(huì)干擾目標(biāo)化合物的色譜峰形，影響測(cè)定結(jié)果。此外，進(jìn)入色譜系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)的水蒸氣還會(huì)對(duì)色譜柱和檢測(cè)器造成損害[9]。因而平衡溫度的選擇應(yīng)既能滿足分析要求又不會(huì)對(duì)儀器部件造成損害。苯系物在氣液兩相達(dá)到平衡需要一定的時(shí)間，時(shí)間的長(zhǎng)短取決于苯系物在兩相間的擴(kuò)散速度，擴(kuò)散速度越快，平衡時(shí)間越短。擴(kuò)散速度與溫度有關(guān)，溫度越高擴(kuò)散速度越快，平衡時(shí)間也越短。一般說(shuō)來(lái)，當(dāng)平衡溫度一定時(shí)，平衡時(shí)間越長(zhǎng)，苯系物在氣液兩相間的平衡越趨于完全，氣相中的苯系物濃度就越高，響應(yīng)值也越大，有利于靈敏度的提高。但考慮到實(shí)際的分析效率，一般不會(huì)也沒必要等到苯系物在氣液兩相達(dá)到完全平衡時(shí)再進(jìn)行樣品分析?！端|(zhì) 苯系物的測(cè)定 頂空/氣相色譜法》(HJ 1067-2019)中提供了60 ℃、30 min的參考平衡溫度和平衡時(shí)間，但在實(shí)際的樣品分析中可根據(jù)具體情況和分析要求進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。如張卓等[10]通過(guò)固定其他變量，以苯為例，考察了不同平衡溫度下水樣中苯的響應(yīng)值的變化情況，結(jié)果表明在75 ℃、15 min的平衡條件下可獲得理想的響應(yīng)值。

4.2 氯化鈉的加入量

在水樣中加入氯化鈉可以增加水相的極性，降低苯系物在水中的溶解度，改變苯系物在氣液兩相的分配系數(shù)，提高氣相中苯系物濃度，使響應(yīng)值增大，從而提高靈敏度。在一定范圍內(nèi)，隨著水樣中氯化鈉濃度的增加，目標(biāo)化合物的響應(yīng)值也在增大，而當(dāng)水樣中溶解的氯化鈉達(dá)到或接近飽和時(shí)，目標(biāo)化合物的響應(yīng)值將不再增大。此時(shí)若加入過(guò)量的氯化鈉，不僅造成浪費(fèi)，還會(huì)影響頂空瓶中的氣液體積比，導(dǎo)致響應(yīng)值的降低[11]。鑒于常溫下氯化鈉在水中的溶解度為36.0 g，常考慮向每10 mL水樣中加入3.0 g左右的氯化鈉。而氯化鈉的溶解度與溫度成正比，不同的平衡溫度下氯化鈉的溶解度不同，實(shí)際分析中為獲得更高的響應(yīng)值，加入水樣中的氯化鈉的量也會(huì)有差別[11～13]，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件和測(cè)試要求進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

4.3 氣液體積比

當(dāng)頂空瓶體積和其他平衡條件固定不變時(shí)，氣相中苯系物的濃度隨液相體積的增大而增大，響應(yīng)值也相應(yīng)隨之增高。取樣體積太小則響應(yīng)值太小，靈敏度不高，而由于頂空法是抽取氣相樣品進(jìn)行分析，為避免進(jìn)樣針針頭觸及液面，取樣體積又不能太大，一般氣、液體積比以1∶1為宜[14，15]。在確定取樣體積時(shí)，還會(huì)兼顧操作和計(jì)算的便捷性[16]，如當(dāng)頂空瓶體積為20 mL、22 mL時(shí)，都取10 mL的水樣進(jìn)行分析。

5 色譜條件的影響

5.1 色譜柱的選擇

色譜柱是色譜分析的核心部分。氣相色譜法測(cè)定苯系物時(shí)，苯系物在色譜柱上的分離取決于色譜柱固定相的極性和選擇性。某些非極性色譜柱，如HP-5，可以分離絕大多數(shù)苯系物，但難以分離間二甲苯和對(duì)二甲苯這兩種沸點(diǎn)較為接近的苯系物。鑒于苯系物極性較強(qiáng)的特性，中等極性和弱極性色譜柱會(huì)造成色譜峰拖尾，同樣難以實(shí)現(xiàn)上述兩種物質(zhì)的分離。HJ 1067-2019中推薦了兩種極性毛細(xì)管柱，也有研究者[16～18]選用不同的極性色譜柱實(shí)現(xiàn)了對(duì)苯系物較為理想的分離。因此，要針對(duì)目標(biāo)化合物，根據(jù)分析需要選擇能滿足要求的色譜柱。

5.2 柱溫

柱溫是影響苯系物分析的一個(gè)重要因素。當(dāng)改變柱溫時(shí)，目標(biāo)組分的保留時(shí)間也會(huì)隨之發(fā)生變化，因而不宜隨意改變柱溫，否則會(huì)影響對(duì)目標(biāo)組分的定性判斷。柱溫過(guò)高時(shí)出峰變快，半峰寬會(huì)變窄，峰高變高，但分離度會(huì)降低；柱溫過(guò)低時(shí)出峰較慢，峰形較寬，傳質(zhì)速率降低，柱效能下降，分析時(shí)間也會(huì)變長(zhǎng)，因而應(yīng)綜合考慮目標(biāo)化合物的分離效果、色譜峰峰形和分析時(shí)間等因素確定柱溫[16]。此外，若目標(biāo)化合物的沸點(diǎn)范圍較寬，用等溫分析方法難以完成分離任務(wù)，此時(shí)就要采用程序升溫的方法，升溫速度及保持時(shí)間依目標(biāo)化合物而定。通過(guò)程序升溫，不僅可以改善寬沸程混合物的分離度，還可以縮短分析時(shí)間[18]。

5.3 分流比和載氣流速

分流比指放空的載氣流量與進(jìn)入色譜柱載氣流量之比。分流比過(guò)小則進(jìn)入色譜柱的樣品過(guò)多，會(huì)使得色譜峰變寬，形成前伸峰[19]；分流比過(guò)大則進(jìn)入色譜柱的樣品太少，目標(biāo)化合物的響應(yīng)值就很小，從而降低檢測(cè)的靈敏度。因而，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)姆至鞅取悠贩治鰰r(shí)選擇的分流比一般在10∶1～100∶1之間，具體的分流比可根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)條件，通過(guò)試驗(yàn)確定。載氣流速是色譜分析的一個(gè)重要操作條件。流速大則出峰快，但過(guò)大的流速容易使色譜峰重疊，導(dǎo)致分峰困難；流速過(guò)小，出峰太慢，色譜峰較寬，同樣會(huì)降低分離度，且會(huì)延長(zhǎng)分析時(shí)間。采用毛細(xì)管色譜柱分析苯系物時(shí)，載氣流速一般在1～2mL/min范圍。

5.4 尾吹氣

采用FID檢測(cè)器對(duì)苯系物進(jìn)行氣相色譜分析時(shí)，為保證 FID檢測(cè)器有合適的氮?dú)浔?，必須加尾吹氣。適當(dāng)?shù)卦黾游泊禋饪商岣邷y(cè)定的靈敏度，但尾吹氣流量過(guò)大時(shí)會(huì)引起基線不穩(wěn)，甚至滅火；尾吹氣流量太小時(shí)，不僅會(huì)造成色譜峰拖尾，還會(huì)降低毛細(xì)管色譜柱的柱效[19]。由于不同的 FID檢測(cè)器的最佳氮?dú)浔炔煌?，所以尾吹氣流量?yīng)結(jié)合載氣流量、氫氣流量以及FID檢測(cè)器的型號(hào)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整[20]。

6 其他因素

(1)要保證取樣和定量?jī)x器的清潔度和準(zhǔn)確度。不清潔的儀器會(huì)污染樣品，定量?jī)x器不準(zhǔn)確，則會(huì)引入體積誤差，都會(huì)影響測(cè)定結(jié)果。

(2)操作的規(guī)范性和嫻熟度。不規(guī)范的操作，如用移液管移取溶液時(shí)移液管內(nèi)存在氣泡、讀數(shù)時(shí)視線未與刻度線保持平行等，都會(huì)使測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生偏差。由于苯系物為易揮發(fā)有機(jī)物，嫻熟的操作可以減少待測(cè)物在轉(zhuǎn)移和配制過(guò)程中的損失，確保測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(3)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的選擇和標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性范圍。標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的準(zhǔn)確與否直接決定了測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性，在選擇標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)時(shí)一定要選擇具備計(jì)量溯源且純度明確、在有效期內(nèi)的試劑。標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性區(qū)間應(yīng)包含樣品的濃度區(qū)間，否則可能會(huì)造成定量不準(zhǔn)確。

(4)設(shè)備狀態(tài)。設(shè)備狀態(tài)良好是測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確的前提。在樣品分析前應(yīng)檢查設(shè)備狀態(tài)，保證設(shè)備能正常穩(wěn)定運(yùn)行。

7 結(jié)論與展望

頂空氣相色譜法測(cè)定水中苯系物的影響因素有樣品采集和保存方式、實(shí)驗(yàn)用水、試劑與氣體純度、頂空條件、色譜條件等。為確保測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性，可從以下方面進(jìn)行控制。

(1)按照相關(guān)規(guī)范或參考方法標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行樣品的采集、運(yùn)輸與保存，在樣品保存期內(nèi)開展樣品分析。

(2)加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室分析過(guò)程的質(zhì)量控制，確保實(shí)驗(yàn)用水、試劑和所用氣體的純度滿足測(cè)定要求。

(3)正式樣品分析前進(jìn)行空白試驗(yàn)以排除干擾；結(jié)合具體的待測(cè)物、測(cè)定要求等因素進(jìn)行探索試驗(yàn)，對(duì)頂空條件和色譜條件等進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

(4)定期對(duì)定量?jī)x器進(jìn)行校準(zhǔn)、對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，確保儀器設(shè)備處于良好狀態(tài)。

(5)加強(qiáng)培訓(xùn)，提高分析人員的技術(shù)水平，減少因操作不規(guī)范引入的系統(tǒng)誤差。

頂空氣相色譜法測(cè)定水中苯系物已在環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品檢驗(yàn)等領(lǐng)域有了廣泛應(yīng)用，且將有更為廣闊的應(yīng)用前景。頂空氣相色譜法測(cè)定水中苯系物受多種因素影響，本文僅論述了部分因素，還應(yīng)進(jìn)行更加深入、廣泛地研究。隨著科技的進(jìn)步、檢測(cè)分析技術(shù)的發(fā)展，頂空氣相色譜法的儀器設(shè)備也應(yīng)朝著更加快速便捷、靈敏度更高、選擇性更強(qiáng)、自動(dòng)化和智能化程度更高的方向發(fā)展，以期更大程度地提高分析效率和測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性。