李曉亞，張 莉，桂建業(yè)，張永濤，張辰凌，趙國興，田來生

(中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北石家莊 050803)

膜萃取與超聲衍生聯(lián)用-負(fù)化學(xué)源質(zhì)譜法測定地下水中酚類化合物

李曉亞，張 莉，桂建業(yè)，張永濤*，張辰凌，趙國興，田來生

(中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北石家莊 050803)

酚類化合物由于極性較大，無法直接用氣相色譜-質(zhì)譜法測定，需要通過衍生來降低其極性，提高檢測靈敏度;但是傳統(tǒng)的衍生步驟繁瑣，干擾因素多，操作難度大。本文對傳統(tǒng)的前處理方法進(jìn)行改進(jìn)，建立了固相膜萃取、超聲衍生負(fù)化學(xué)源質(zhì)譜測定地下水中酚類化合物的方法。水樣萃取后將萃取膜直接放入衍生瓶中，利用超聲波的作用力將洗脫和衍生合二為一，超聲完成后將溶液直接上機(jī)進(jìn)行測定。測定低、中、高三個濃度水平的加標(biāo)樣品，各目標(biāo)物的回收率均能達(dá)到70%～90%，檢出限在0.25～0.35 μg/L之間，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于10%，能夠滿足地下水中酚類物質(zhì)的檢測要求。本方法將洗脫和衍生集于一體，使用2 mL丙酮進(jìn)行洗脫和衍生就可將全部目標(biāo)物回收，簡化了操作步驟，減少了有機(jī)溶劑的使用量;同時由于洗脫和衍生是在密閉的環(huán)境中進(jìn)行，外界因素引入的干擾少，克服了二次污染的問題，測定數(shù)據(jù)更加可靠。

地下水;酚類化合物;固相膜萃取;超聲衍生;負(fù)化學(xué)源質(zhì)譜法

酚類化合物是芳香烴的羥基衍生物，為原生質(zhì)毒，對所有生物活性體均能產(chǎn)生毒性，屬高毒物質(zhì)［1］，而且它可使水產(chǎn)生異味和顏色，已被許多國家和組織列入環(huán)境中優(yōu)先監(jiān)測的有機(jī)污染物［2-3］。根據(jù)國家環(huán)境保護(hù)部2010年2月發(fā)布的《第一次全國污染普查公報》，重點(diǎn)流域(海河、淮河、遼河、太湖、巢湖、滇池)工業(yè)污染源的揮發(fā)酚排放量高達(dá)1938.63萬噸，居于各類污染物排放之首［4］。酚類化合物的監(jiān)測和治理工作任重道遠(yuǎn)，及時準(zhǔn)確測定環(huán)境中酚類化合物的含量是預(yù)防、控制和治理酚類化合物污染的基礎(chǔ)和前提。

酚類化合物的常用測定方法有分光光度法［5-9］、氣相色譜法［10-13］、高效液相色譜法［14-15］、氣相色譜-質(zhì)譜法［16-17］等。分光光度法只能測定揮發(fā)性酚，不能測定具體的酚類化合物，且操作費(fèi)時費(fèi)力。高效液相色譜法在同時分析多種酚類化合物時分離條件比較苛刻，需要通過向流動相中添加緩沖鹽并且進(jìn)行相應(yīng)的梯度洗脫才能將各種酚類較好地分離。衍生氣相色譜-質(zhì)譜法分離效果好，靈敏度高，但衍生化過程繁瑣。本文針對酚類化合物極性大，在GC-MS檢測器上響應(yīng)值低需要衍生的問題，建立了膜萃取與超聲衍生聯(lián)用-負(fù)化學(xué)源質(zhì)譜測定地下水中酚類化合物的方法。此方法利用超聲波產(chǎn)生的脈動和控制的空化作用增加湍流強(qiáng)度以及相接觸面積［18-20］，將洗脫與衍生合為一體提高反應(yīng)速率，大大縮短前處理流程，減少目標(biāo)物的損失，提高了方法的精密度和準(zhǔn)確度。

1 實驗部分

1.1 儀器和工作條件

氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MSQP2010，日本島津公司)，配負(fù)化學(xué)電離源(NCI)。

固相膜萃取裝置(德國CNW公司)，C18膜(Φ47 mm，美國3M公司)，C8膜(Φ47 mm，美國3M公司)，SDB-XC膜(Φ47 mm，美國3M公司)。

10 mL刻度衍生瓶，KQ-7100DV數(shù)控超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)，水浴鍋，MTN -2800W氮吹儀(Auto SCIENCE公司)。

毛細(xì)管色譜柱:HP-5MS(30 m×0.25 mm× 0.25 μm)。色譜升溫程序:初始溫度 90℃，以25℃/min升至300℃，保持1.6 min。進(jìn)樣口溫度220℃;進(jìn)樣方式:不分流;進(jìn)樣體積1.0 μL。

質(zhì)譜條件:離子源類型:負(fù)化學(xué)源(NCI);反應(yīng)氣:甲烷;質(zhì)譜掃描方式:選擇離子掃描(SIM)。電離能量 70 eV;離子源溫度 200℃;連接桿溫度220℃。定性定量參數(shù)見表1。

表1 定性定量主要參數(shù)Table 1 The main qualitative and quantitative parameters

1.2 標(biāo)準(zhǔn)品和主要試劑

標(biāo)準(zhǔn)品:2-甲基苯酚、4-甲基苯酚、2-氯苯酚、4-氯-3-甲基苯酚、2，4-二氯苯酚、2，3，4，6 -四氯苯酚，均購自德國Dr.Ehrenstorfer公司。

二氯甲烷、甲醇、丙酮(色譜純，德國Merck公司)，磷酸(分析純，石家莊市黃磷廠)，五氟芐基溴(99.5%，美國Supelco公司)，碳酸鉀(分析純，北京天宇祥瑞科技有限公司)，無水硫酸鈉(優(yōu)級純，天津市巴斯夫化工有限公司)。

1.3 樣品前處理

依次用10 mL二氯甲烷、10 mL甲醇和純水對膜進(jìn)行活化。在200 mL水樣中用50%磷酸調(diào)節(jié)水樣pH在2～4范圍，使水樣以約200 mL/min速度過膜萃取，萃取后用真空泵將膜充分抽干2 min，然后將萃取膜放入10 mL衍生瓶中，加入2 mL丙酮、30 μL碳酸鉀(300 g/L)、100 μL五氟芐基溴(30%，丙酮溶劑)，在60℃、功率560 W的條件下超聲衍生40 min，然后上機(jī)進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 萃取膜性能分析及萃取回收對比

分別選取適用范圍較廣的C18膜、C8膜以及適用于極性較強(qiáng)物質(zhì)的SDB-XC膜進(jìn)行了萃取性能的比對。水樣濃度為0.5 μg/L時(純水加標(biāo)樣)，不同萃取膜的回收率見表2。

C18膜和C8膜的填料為烷基鍵合固定相，這種填料具有非極性有機(jī)配體和極性殘余羥基，目標(biāo)物在固定相上的保留由疏水作用和親硅醇基作用共同決定，對極性化合物的保留較弱，因此以其為填料的C18、C8膜對多數(shù)酚類物質(zhì)的吸附較差。而SDBXC膜以官能化的、高度交聯(lián)的、耐受極端pH環(huán)境的苯乙烯-二乙烯苯球形聚合物為填料，這是一類高選擇性吸附樹脂，其衍生化的非極性表面和高交聯(lián)度會產(chǎn)生較大的比表面積，與C8、C18膜相比，不存在表面殘余羥基引起的親硅醇基次級效應(yīng)，因此使酚類化合物有較高的回收率。從表2可以看出，使用SDB-XC膜萃取時，各目標(biāo)物的回收率均能達(dá)到70%以上。本實驗選擇SDB-XC膜。

表2 酚類化合物在不同萃取膜上的回收率Table 2 Recoveries of phenols with different membranes

2.2 pH值對萃取效率的影響

通過pH值的調(diào)節(jié)可以有效提高吸附劑的選擇性和吸附力。相對于硅膠基體吸附劑，改性苯乙烯-二乙烯苯球形聚合物吸附劑，有較強(qiáng)耐受極端pH環(huán)境的特性。因此，調(diào)節(jié)水樣pH在2～4范圍不會使其性能受到影響，而酚類化合物在此條件下主要以非離子狀態(tài)存在，回收率能夠得以保證，本實驗選擇萃取pH值為2～4。

2.3 衍生條件

對影響衍生反應(yīng)的主要因素(時間、超聲功率、溫度、催化劑等)進(jìn)行了優(yōu)化，并通過衍生物的回收率來確定最佳條件。

2.3.1 衍生時間、功率和溫度

表3實驗結(jié)果表明，衍生時間在50 min之內(nèi)，衍生物的回收率逐漸增大;衍生時間為50 min時，各目標(biāo)酚類衍生物的回收率均達(dá)到最大值。各目標(biāo)物在50～60℃溫度下的衍生效果較好，并且隨著超聲功率的增大各目標(biāo)物逐漸顯示出較高的回收率。綜合考慮，為避免酚的揮發(fā)，本實驗選擇衍生時間為40 min，衍生溫度60℃，超聲功率560 W。

表3 超聲時間、超聲功率和衍生溫度對回收率的影響Table 3 Effect of ultrasonic time，power and derivization temperature on recovery

2.3.2 催化劑

碳酸鉀在衍生反應(yīng)中起促進(jìn)催化作用。由于酚類呈現(xiàn)弱酸性，加入碳酸鉀這類中性鹽會改變反應(yīng)的環(huán)境，這樣反應(yīng)中間體——活化復(fù)合物的活度就會有所變化并影響到反應(yīng)速度，碳酸鉀的加入還會影響到弱酸弱堿的電離度從而影響反應(yīng)速度，這稱為中性鹽的第一效應(yīng)和第二效應(yīng)［21］。實驗發(fā)現(xiàn)，加入200 μL低濃度碳酸鉀(100 g/L)和加入50 μL高濃度碳酸鉀(300 g/L)，其催化效果后者好于前者(見表4)。這是因為，盡管前者加入的碳酸鉀絕對量比后者大，但其引入的水分也較多，水分的存在會導(dǎo)致衍生試劑和衍生產(chǎn)物的水解［22］。因此，在衍生之前充分脫水和盡量少的引入水分是很必要的。本文使用高濃度的碳酸鉀(300 g/L)，并對其加入量進(jìn)行試驗，確定了催化劑碳酸鉀(300 g/L)的加入量為30 μL。

表4 碳酸鉀的加入量對回收率的影響Table 4 Effect of K2CO3dosage on recovery

2.4 方法線性范圍和檢出限

配制濃度范圍在10.0～500.0 μg/L之間的酚混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，按照1.3節(jié)步驟操作，利用外標(biāo)法對目標(biāo)化合物的峰面積和濃度作線性回歸，分析結(jié)果見表5，可以看出各化合物的線性相關(guān)系數(shù)均大于或等于0.995，線性良好。

配制7個濃度為0.5 μg/L的加標(biāo)水樣進(jìn)行全流程處理，檢出限以3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差計算，各目標(biāo)物的檢出限在0.25～0.35 μg/L之間(見表5)。

表5 方法線性范圍、相關(guān)系數(shù)、方法檢出限Table 5 The linearity range，correlation coefficient and LOD

2.5 方法回收率與精密度

以某廠排污廢水(含有2，4-二氯苯酚)200 mL為基質(zhì)添加低、中、高三個濃度的標(biāo)準(zhǔn)樣品溶液，濃度分別為0.1、0.5、2.0 μg/L，按照試驗方法全流程處理(濃縮100倍，儀器檢測濃度分別為10 μg/L、50 g/L、200 μg/L)，測定值減去未加標(biāo)時的檢測結(jié)果，除以理論加標(biāo)量得到回收率，并以7次測定結(jié)果計算其精密度。結(jié)果見表6，可以看出各目標(biāo)物在低、中、高三個加標(biāo)濃度下回收率均能達(dá)到70%～90%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差低于10%，能夠滿足水體中酚類化合物的分析需求。

表6 方法回收率及精密度Table 6 Recovery and precision tests of the method

3 結(jié)語

本方法對水中酚類化合物采用固相萃取膜進(jìn)行萃取，傳質(zhì)速度快，萃取效率高;同時將超聲洗脫與衍生聯(lián)用，使用含有衍生試劑的有機(jī)溶劑，借助于超聲波的作用力將目標(biāo)物解吸下來進(jìn)行衍生反應(yīng)，本方法各目標(biāo)物的回收率在70%以上，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差在10%以下，能夠滿足水中酚類物質(zhì)的檢測要求。

本方法將洗脫與衍生步驟合為一體，大大簡化了操作步驟，并且前處理實驗是在密閉的環(huán)境中進(jìn)行洗脫和衍生，引入的外界干擾因素相對較少，污染少，測定數(shù)據(jù)更加可靠。與傳統(tǒng)的前處理步驟相比具有明顯的優(yōu)勢，本方法適用于大批量樣品分析。

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Determination of Phenols in Groundwater by Solid-Phase Membrane Extraction Combined with Ultrasonic Derivatization-negative Chemical Ionization Mass Spectrometry

LI Xiao-ya，ZHANG Li，GUI Jian-ye，ZHANG Yong-tao*，ZHANG Chen-ling，ZHAO Guo-xing，TIAN Lai-sheng
(Institute of Hydrogeology and Environmental Geology，Chinese Academy of Geological Sciences，Shijiazhuang 050803，China)

Due to their strong polarity，phenolic compounds cannot be directly determined by Gas Chromatography-Mass Spectrometry.Derivatization can reduce the strength of the polarity of phenols，and improve the detection sensitivity.However，the traditional derivative steps are tedious，with many interference factors and complex operations.By applying improvements to the traditional pretreatment method，phenols in groundwater were measured through solid-phase membrane extraction combined with Ultrasonic Derivatization-Negative Chemical Ionization Mass Spectrometry.The membrane was transferred into a derivative bottle after extraction，and then the elution and derivatization were processed simultaneously using ultrasound.The solution was determined by Gas Chromatography-Negative Chemical Ionization Mass Spectrometry directly.By determining the spiked samples at different concentration levels，the recoveries of the method for target components are in the range of 70%-90%，the detection limits are 0.25-0.35 μg/L and relative standard deviation(RSD)is less than 10%.The proposed method simplifies the traditional tedious steps by using 2 mL acetone for elution and derivation.All target objectives have good recoveries.Due to conducting the elution and derivation processes in an airtight environment，less interference factors were introduced without the problem of secondary pollution，and consequently the data were more reliable.

groundwater;phenols;solid-phase membrane extraction;ultrasonic derivatization;Negative Chemical Ionization Mass Spectrometry

P641;O625.31;O657.63

A

0254-5357(2014)02-0270-05

2013-04-01;接受日期:2013-06-24

中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項目(SK201204);中國地質(zhì)調(diào)查局項目資助(G201120)

李曉亞，工程師，主要從事地下水有機(jī)污染分析。E-mail:lixiaoya0527@126.com。

張永濤，高級工程師，主要從事水質(zhì)有機(jī)分析。E-mail:icpzytws@126.com。