陳加偉,方紹敏,宋洲,陳玉嬌,劉田,周順超,董靜
(1.湖北華祥地質(zhì)環(huán)境檢測科技有限公司,武漢 430000; 2.湖北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測試中心,武漢 430034;3.資源與生態(tài)環(huán)境地質(zhì)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430022)
苯胺類化合物系指苯胺分子中的氫原子被其它官能團(tuán)取代后形成的一類化合物,是合成藥物、染料、殺蟲劑、高分子材料、炸藥等的重要原料之一,在化工、印染、制藥等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,經(jīng)廢水排放、降水滲透等途徑會導(dǎo)致土壤污染[1]。苯胺類物質(zhì)具有致畸、致癌和致突變作用等[2–3],已被美國、日本及我國等列入環(huán)境優(yōu)先控制污染物黑名單,在我國土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 36600–2018)[4]中將苯胺和3,3'-二氯聯(lián)苯胺分別列為基本項(xiàng)目和其它項(xiàng)目進(jìn)行監(jiān)測。因此,建立土壤中苯胺類化合物的檢測方法具有重要的意義。
傳統(tǒng)的索氏提取在處理土壤中苯胺類化合物樣品時(shí),存在提取時(shí)間長(16~18 h)、溶劑消耗大(100 mL)的不足[5],相比而言,快速溶劑萃取速度快、溶劑用量少且效率高[6–7],已被我國納入環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)(HJ 782–2016)[8]。盡管如此,該法依然存在設(shè)備投入成本高,土壤樣品批量處理時(shí)萃取池維護(hù)頻繁,不僅增加成本而且限制了其處理能力的進(jìn)一步提升。超聲萃取作為一種簡單方便、快速有效的前處理方式,亦被納入我國環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)(HJ 911–2017)[9],已在土壤有機(jī)物前處理中得到廣泛應(yīng)用[10–12]。袁艷麗等[13]采用超聲提取土壤中苯胺和硝基苯,20 min 時(shí)二者平均回收率均在80%以上;趙前龍等[14]針對超聲提取土壤中苯胺時(shí)五水合硫代硫酸鈉和氨水投加量進(jìn)行了優(yōu)化,優(yōu)化后超聲提取30 min 苯胺的加標(biāo)回收率高于90%;但是上述研究僅選取了苯胺,其它苯胺類化合物并未涉及?;诖耍P者擬采用超聲萃取,氣相色譜分離質(zhì)譜法檢測土壤中13 種苯胺類化合物,通過前處理?xiàng)l件的優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)化合物的快速提取測定。
氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀:Thermo Scientific Trace 1300 型氣相色譜儀,ISQ 7000 型質(zhì)譜儀,美國Thermo Scientific 公司。
全自動(dòng)氮吹濃縮儀:TurboVapII 型,環(huán)境溫度為15~30 ℃,瑞典Biotage 公司。
數(shù)控超聲波清洗器:KQ–500 DE 型,昆山市超聲波儀器有限公司。
電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱:DGG–9140B 型,上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司。
臺式高速冷凍離心機(jī):3K15 型,德國Sigma 公司。
固相萃取裝置:CNW 24 位固相萃取真空裝置,德國CNW Technologies GmbH 公司。
超純水機(jī):Milli-Q Direct 8 型,美國密理博公司。
13 種苯胺類化合物混合標(biāo)準(zhǔn)溶液:3-硝基苯胺質(zhì)量濃度為100 mg/L,苯胺、4-甲基苯胺、3-甲基苯胺、2-甲基苯胺、2,4-二甲基苯胺、2-甲氧基苯胺、4-氯苯胺、3-氯苯胺、2-萘胺、4-硝基苯胺、N-亞硝基二苯胺、3,3'-二氯聯(lián)苯胺均為50 mg/L,甲醇為介質(zhì),上海安譜實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司。
5 種多環(huán)芳烴氘代內(nèi)標(biāo)混合溶液:萘-D8、苊-D10、菲-D10、?-D12、苝-D12 濃度均為2 000 mg/L,二氯甲烷為介質(zhì),上海安譜實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司。
替代物2-氟聯(lián)苯、對三聯(lián)苯-D14 溶液:均為2 000 mg/L,上海安譜實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司。
正己烷、丙酮、二氯甲烷:色譜純,美國Fisher公司。
高純氦氣:純度大于99.999%,武漢華星工業(yè)技術(shù)有限公司。
無水硫酸鈉:分析純,650 ℃灼燒4 h,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。
五水合硫代硫酸鈉、氨水:分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。
固相萃取小柱:氟羅里硅土柱,1 g/(6 mL),上海安譜實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司。
實(shí)驗(yàn)用水均為Milli-Q 超純水。
毛細(xì)管色譜柱:DB–5MS 型(30 m×0.25 mm,0.25 μm);進(jìn)樣口溫度:260 ℃;傳輸線溫度:280℃;程序升溫:40℃保持2 min,以10 ℃/min 速率升至100 ℃,保持2 min,再以25 ℃/min 速率升至300 ℃,保持10 min;載氣:高純氦氣;載氣流量:1.0 mL/min;進(jìn)樣方式:脈沖不分流進(jìn)樣;進(jìn)樣體積:1 μL;電子轟擊離子源(EI);四極桿溫度:150 ℃,離子源溫度:300 ℃;溶劑延遲:5 min;選擇離子監(jiān)測(SIM)模式;各組分質(zhì)譜參數(shù)見表1。
表1 13 種苯胺類化合物的質(zhì)譜參數(shù)
根據(jù)《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 166–2004)[15]采集土壤樣品,密封避光0~4 ℃冷藏保存運(yùn)輸,10 天內(nèi)完成萃取。
稱取10 g(精確至0.01 g)鮮樣,加入1.0 g 五水合硫代硫酸鈉和適量無水硫酸鈉,研磨至流沙狀后轉(zhuǎn)移至50 mL 離心管中,依次加入100 μL 氨水、替代物和40 mL 正己烷–丙酮混合液(體積比為1∶1),密封后手動(dòng)搖勻,于超聲波清洗器中提取20 min(功率300 W,水槽中放置冰袋,確保水浴溫度始終低于25 ℃),離心后轉(zhuǎn)移上清液,繼續(xù)用正己烷潤洗離心管,溶液一并轉(zhuǎn)入氮吹管中,在40 ℃、41.37~55.16 kPa(6~8 psi)下濃縮至5 mL,待凈化。
將氟羅里硅土柱預(yù)先用10 mL 正己烷活化,然后將上述濃縮液轉(zhuǎn)移至小柱上,用15 mL 正己烷–二氯甲烷混合液(體積比為1∶1)進(jìn)行洗脫,將洗脫液接收至氮吹管中濃縮至5 mL,取1 mL 濃縮液加入內(nèi)標(biāo)后上機(jī)測試。
2.1.1 超聲萃取條件
影響超聲萃取效率的因素主要包括萃取溶劑、超聲功率和時(shí)間等因素,根據(jù)趙前龍等[14]和陶云峰等[7]的研究可知,正己烷–丙酮混合液(體積比為1∶1)作為萃取溶劑,不僅能實(shí)現(xiàn)苯胺的有效提取,而且能夠滿足其它12 種苯胺類化合物的萃取需求。因此選擇正己烷–丙酮混合液(體積比為1∶1)作為超聲萃取溶劑。為了篩選出合適的超聲功率和時(shí)間,分別對超聲功率250、300、350 W,超聲時(shí)間20、30、40 min 進(jìn)行了試驗(yàn),結(jié)果見圖1。
圖1 超聲功率和時(shí)間對13 種苯胺類回收率的影響
由圖1 可知,在超聲功率分別為250、300、350 W 的條件下,其對應(yīng)的最優(yōu)超聲時(shí)間分別為40、20、30 min。因此從能量消耗和萃取時(shí)間綜合考慮,選擇超聲功率為300 W,超聲時(shí)間為20 min 作為超聲萃取條件,13 種苯胺類化合物的平均加標(biāo)回收率為90.9%~126%。
2.1.2 氮吹濃縮條件
一般通過調(diào)節(jié)氮吹濃縮設(shè)備的水浴溫度和氮?dú)鈮毫韺?shí)現(xiàn)目標(biāo)物的快速高效濃縮,對氮吹濃縮條件進(jìn)行了試驗(yàn),結(jié)果見圖2。
圖2 氮吹濃縮條件對13 種苯胺類化合物回收率的影響
由圖2 可知,過低或過高的水浴溫度和氮?dú)鈮毫Γ?3 種苯胺類化合物的回收率均有所降低,這主要是由于在上述條件下濃縮過程過長或過短,均會使得苯胺類組分隨溶劑揮發(fā)的損失增加。因此選擇氮吹水浴溫度為40 ℃,氮?dú)鈮毫?1.37~55.16 kPa(6~8 psi),此時(shí)13 種苯胺類化合物的平均加標(biāo)回收率均可控制在80.0%以上。
苯胺類化合物具有一定的熱不穩(wěn)定性,在氣相色譜進(jìn)樣口會存在一定程度的降解。因此重點(diǎn)考察了氣相色譜進(jìn)樣口參數(shù)的優(yōu)化。分別設(shè)定進(jìn)樣口溫度為240、260、280 ℃進(jìn)行試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在260 ℃下苯胺類化合物響應(yīng)占優(yōu),這主要是由于進(jìn)樣口溫度過低苯胺類化合物氣化不完全,過高苯胺類化合物熱分解所致,故最終設(shè)定進(jìn)樣口溫度為260 ℃。同時(shí)對比了不分流和脈沖不分流下進(jìn)樣的效果,結(jié)果發(fā)現(xiàn)脈沖的引入,不僅可以改善苯胺峰拖尾的問題,而且可以提高4-甲基苯胺、3-氯苯胺、3-硝基苯胺等的響應(yīng),這主要是由于樣品氣化后進(jìn)入色譜柱更快,在襯管中駐留時(shí)間縮短所致,故最終選定脈沖不分流的進(jìn)樣方式。
為了進(jìn)一步評價(jià)土壤基質(zhì)對于苯胺類化合物測定的影響,參照錢卓真等[16]的研究分別配制基質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)溶液和溶劑標(biāo)準(zhǔn)溶液,按照1.2 的條件進(jìn)行測試后計(jì)算基質(zhì)效應(yīng),結(jié)果見圖3。由圖3 可知,除3,3’-二氯聯(lián)苯胺存在基質(zhì)抑制作用外,其它苯胺類化合物均存在基質(zhì)增強(qiáng)效應(yīng);除4-氯苯胺以外,基質(zhì)效應(yīng)均處于–20%~20%范圍內(nèi),表明基質(zhì)效應(yīng)較弱。這表明本實(shí)驗(yàn)優(yōu)化的前處理方法可有效消除土壤中的基質(zhì)干擾物。
圖3 優(yōu)化的前處理?xiàng)l件下13 種苯胺類化合物的基質(zhì)效應(yīng)
為了消除基質(zhì)效應(yīng)帶來的定量偏差,采用空白土壤提取液配制校準(zhǔn)曲線,氣相色譜質(zhì)譜測定,13種苯胺類化合物的色譜圖見圖4。
圖4 13 種苯胺類化合物色譜圖
采用內(nèi)標(biāo)法定量,繪制得到13 種苯胺類化合物的線性方程及相關(guān)系數(shù)如表2 所示。根據(jù)HJ 168–2010 的規(guī)定[17],連續(xù)測定7 個(gè)接近于預(yù)期方法檢出限濃度的實(shí)驗(yàn)室空白加標(biāo)樣品,利用測定值的標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算方法檢出限,13 種苯胺類化合物的線性范圍、線性方程、相關(guān)系數(shù)及方法檢出限見表2。
表2 線性范圍、線性方程、相關(guān)系數(shù)及方法檢出限
由表2 可知,在10~1 000 μg/L(3-硝基苯胺為20~2 000 μg/L)的范圍內(nèi),13 種苯胺類化合物的線性相關(guān)系數(shù)均大于0.996,線性良好。13 種苯胺類化合物的方法檢出限為0.48~1.06 μg/kg,利用4 倍檢出限換算得到定量下限為1.92~4.24 μg /kg。
選定實(shí)際土壤樣品,經(jīng)測定土壤中苯胺類化合物本底值均小于方法檢出限,再向其中添加低、中和高3 個(gè)濃度水平的目標(biāo)物,平行測定6 次,計(jì)算回收率和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差,結(jié)果見表3。
表3 方法的精密度和準(zhǔn)確度試驗(yàn)結(jié)果(n=6)
由表3 可知,13 種苯胺類化合物的平均加標(biāo)回收率為81.6%~107%,測定結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.11%~8.06%(n=6),說明方法的精密度和準(zhǔn)確度均能滿足土壤環(huán)境監(jiān)測的要求。
土壤樣品經(jīng)超聲提取,用氟羅里硅土小柱凈化,采用氣相色譜分離質(zhì)譜選擇離子掃描模式檢測其中13 種苯胺類化合物的含量。該方法前處理操作簡單且提取效率高,方法靈敏度、準(zhǔn)確度及精密度均能滿足土壤環(huán)境監(jiān)測的需要,適合批量土壤樣品中苯胺類化合物的測定。