芳香族硝基化合物定量分析技術(shù)的研究

袁雯雯,沈健

(南京師范大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院,江蘇省生物醫(yī)學(xué)功能材料協(xié)同創(chuàng)新中心江蘇省生物功能材料重點實驗室,江蘇 南京 210023)

芳香族硝基化合物作為初始原料廣泛用于農(nóng)藥、醫(yī)藥、染料、造紙等工業(yè)領(lǐng)域[1-4]。另外，由于芳香族硝基化合物因種類復(fù)雜、難降解、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，同時，化合物中—NO2的存在，使得該類化合物具有較高的毒性，被世界各國列為優(yōu)先監(jiān)測和嚴(yán)格要求排放的污染物之一[5]。因此,加強水體環(huán)境中芳香族硝基化合物的檢測與分析是了解該類廢水水質(zhì)和尋求經(jīng)濟(jì)、高效的處理方法的重要舉措，對預(yù)防和控制環(huán)境污染至關(guān)重要。本文介紹了國內(nèi)外芳香族硝基化合物檢測分析方法研究的新進(jìn)展。目前，大多從色譜分析法、光學(xué)分析法、電化學(xué)分析法以及其他分析方法對芳香族硝基化合物進(jìn)行定量分析。

1 色譜分析法

色譜法因其高靈敏度、高分離性能以及快速分析等特點常被應(yīng)用于芳香族硝基化合物的分析，其中運用氣相色譜法(GC)和高效液相色譜法(HPLC)技術(shù)檢測該類物質(zhì)較為廣泛[6-8]。GC技術(shù)作為一種功能強大的分離檢測工具，以毛細(xì)管柱和氣體作為色譜柱和流動相，常與各種檢測器聯(lián)合使用，如電離檢測器(PID)、電子俘獲檢測器(ECD)、熱導(dǎo)檢測器(TCD)、火焰離子化檢測器(FID)等。將待測樣品加熱氣化，然后通過氣體的方式隨流動相進(jìn)入色譜柱，根據(jù)固定相與待測物分子作用力不同分離各組分[9]。HPLC開始階段稱為經(jīng)典液相色譜法，通常在常壓和室溫下，采用大直徑的玻璃管柱作為色譜柱，利用液位差輸送流動相。此方法因精密度低、分析時間長、柱效低而限制其發(fā)展。后期的HPLC技術(shù)是在經(jīng)典液相色譜的基礎(chǔ)上，改變進(jìn)樣方式，擴(kuò)大色譜柱選擇范圍而逐漸發(fā)展起來的高效分離技術(shù)。利用高壓泵輸送流動相，其色譜柱填料顆粒均勻、柱效高，顯著提高了分析速度和精度。

1.1 氣相色譜

氣相色譜技術(shù)作為一種操作簡便、精密度高的分析技術(shù)，已經(jīng)被報道應(yīng)用于芳香族硝基化合物定量分析和結(jié)構(gòu)鑒定，如宋冰冰等[10]采用FID檢測器，選擇二氯甲烷作為萃取劑，利用液液萃取前處理技術(shù)分析測定芳香族硝基化合物。結(jié)果顯示，在15 min內(nèi)10種芳香族硝基化合物分離完全，無相互干擾。其精密度實驗顯示，檢測限低，加標(biāo)回收率在83.1%～106.2%。李利榮等[11]以保留時間定性，外標(biāo)法定量。使用Oasis HLB 固相萃取柱，丙酮/正己烷混合溶劑為洗脫溶劑，測試芳香族硝基化合物濃度。其結(jié)果顯示，在較寬的濃度范圍內(nèi)測定混合物，各物質(zhì)無相互干擾，線性關(guān)系良好，檢出限較低，精密度較高。雖然氣相色譜表現(xiàn)出較強的測試功能，但并非所有待測物都有一定的熱穩(wěn)定性，可能高溫導(dǎo)致待測物分解。所以在常規(guī)的氣相色譜技術(shù)基礎(chǔ)上，對待測物進(jìn)行衍生化反應(yīng)，可增加其熱穩(wěn)定性[12]。除此之外，水體中復(fù)雜的環(huán)境和組成成分也是影響測試的因素。因此，有研究者為克服成分復(fù)雜對結(jié)果的影響，將氣相色譜技術(shù)與質(zhì)譜技術(shù)聯(lián)用，充分發(fā)揮了氣相色譜技術(shù)高效分離作用和質(zhì)譜的高度鑒別能力，可表現(xiàn)出較強的抗干擾性能和穩(wěn)定性。如任衍燕等[13]利用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(GC-MS) 對水中硝基苯等10 種芳香族硝基化合物進(jìn)行分析并準(zhǔn)確定量。結(jié)果可知，在12 min內(nèi)，所有待測物分離完全，其定量準(zhǔn)確，檢測限低，線性范圍廣。

1.2 液相色譜

氣相色譜雖然為芳香族化合物提供方便、快捷的分離和檢測手段，但對于部分熱穩(wěn)定性差或熔沸點高的化合物，因加熱氣化，使得待測物結(jié)構(gòu)與性質(zhì)發(fā)生變化或則因氣化溫度低難以達(dá)到要求等問題而限制其分離檢測[14-16]。對該類性質(zhì)樣品，高效液相色譜(HPLC)技術(shù)表現(xiàn)出克服此類問題的優(yōu)越性。由于待測樣品在相對低溫度下測試，無需加熱汽化待測物。因此，HPLC測試不受試樣穩(wěn)定性與揮發(fā)性等問題的限制，同樣適用于相對分子質(zhì)量大、熱穩(wěn)定性差、不易氣化、沸點高的有機(jī)物分析測定。劉敬東等[17]選擇合適的色譜柱，探究了最佳條件下，運用反相高效液相色譜(RP-HPLC)法測定水中微量硝基苯，得出在檢測波長262 nm，柱溫30 ℃，流動相為甲醇∶水∶乙酸= 70∶29∶1，流速1.00 mL/min時，此方法分析迅速、準(zhǔn)確度高，檢出限低至0.000 5 mg/L。在此基礎(chǔ)上，為提高分析通量和色譜峰容量，超高效液相色譜(UPLC)技術(shù)運用而生。有研究人員分別以熒光和紫外為檢測器，建立的UPLC技術(shù)測定了廢水中苯胺和硝基苯的含量，實驗結(jié)果驗證了該方法比傳統(tǒng)分析方法線性范圍更廣、回收率高、檢測限低和相對偏差小的結(jié)論，表現(xiàn)出樣品前處理簡單、效率高、適用各種水質(zhì)環(huán)境的特點。在此基礎(chǔ)上，與UPLC聯(lián)用檢測芳香族硝基化合物技術(shù)不斷發(fā)展。如 Gudlawar等[18]介紹了一種利用常壓化學(xué)電離負(fù)模式下的取代反應(yīng)進(jìn)行超高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析測定1-氯-2-硝基苯的新方法[APCI(-)]。取代反應(yīng)[M-X+O](-)可用于不易發(fā)生脫質(zhì)子的化合物。通過使用毒理學(xué)關(guān)注閾值(TTC)，根據(jù)藥物的最大日劑量計算出1.63 mg/L的限值。結(jié)果表明，該方法在50.0 ～ 2 000.0 μg/L之間具有良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為>0.99。該方法的LOD和LOQ極低，分別為20.0,50.0 μg/L。該方法的準(zhǔn)確度在85%～105%之間。該方法是富馬酸喹硫平中1-氯-2-硝基苯低濃度定量的一種良好的質(zhì)量控制手段。液相色譜技術(shù)是對氣相色譜技術(shù)進(jìn)一步補充，已成為一個快速、簡單、可靠的分析檢測手段。另外豐富的檢測器種類，也擴(kuò)寬了液相色譜的檢測范圍和應(yīng)用領(lǐng)域。

2 光學(xué)分析法

光學(xué)分析法是主要根據(jù)物質(zhì)吸收、發(fā)射電磁輻射以及物質(zhì)與電磁輻射的相互作用來分析目標(biāo)物的一類重要分析法，比如利用物質(zhì)光學(xué)性質(zhì)的光譜分析和非光譜分析。雖然光學(xué)分析法表現(xiàn)出較高的靈敏度，但是基于常見水體分析物的復(fù)雜性以及欠缺光學(xué)檢測技術(shù)對區(qū)分特定目標(biāo)物選擇性，其在實際應(yīng)用上存在一定的局限性。下面將介紹幾種常見的運用光學(xué)分析方法測定芳香族硝基化合物的光學(xué)技術(shù)。

2.1 熒光分析法

由于待測物分子受到光的照射會吸收光的部分能量，致使待測分子能量增加由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)，隨后待測分子釋放能量由激發(fā)態(tài)返回至基態(tài)，然后根據(jù)釋放能量產(chǎn)生的輻射光強度與溶液濃度關(guān)系定量分析待測物的方法稱為熒光分析法。因其極高的靈敏度常被用于痕量物質(zhì)的分析，在環(huán)境檢測方面發(fā)揮重要作用。Li等[19]利用一次性塑料微芯片和低成本激光誘導(dǎo)熒光檢測儀，快速高效的電泳分離測定5種環(huán)境樣品和生活用品中禁用的微量芳香族胺。在選定的條件下，使用含2%(w/v)羥丙基纖維素的10 mmol/L硼酸鹽緩沖液，可在90 s內(nèi)分離出5種熒光素異硫氰酸鹽標(biāo)記的芳香胺。該方法重復(fù)性好，峰面積的相對標(biāo)準(zhǔn)差(n=5)和偏移時間分別不超過4.6%,0.9%，加標(biāo)回收率為85%～110%。該方法已成功地應(yīng)用于廢水和紡織品中禁用的芳香族胺的定量分析。然而并非任何物質(zhì)在吸收激發(fā)光后都具有熒光響應(yīng)，對于無信號響應(yīng)或信號較弱的物質(zhì)測定可通過相應(yīng)改性增強熒光響應(yīng)。通常含有共軛雙鍵體系的芳環(huán)或芳雜環(huán)有機(jī)物分子，往往具有高熒光特性，因此可在待測物中引入更多的芳香環(huán)結(jié)構(gòu)。Gao 等[20]首先通過在二氧化硅納米粒子耦聯(lián)反應(yīng)，再將芳香族氨基化合物進(jìn)行硅烷化與熒光染料分子相互作用形成共價結(jié)合鍵。同時，熒光染料分子發(fā)射光能夠被特異性結(jié)合生成的復(fù)合物(APTS-TNT)強烈的吸收，從而引發(fā)信號增強。此外，熒光團(tuán)還可作為傳感器用于室溫下芳香族硝基化合物蒸汽的檢測。氣相傳感實驗表明，該傳感過程重復(fù)性好，對硝基芳香族化合物具有很強的選擇性[21]。

2.2 拉曼光譜分析法

利用光線的拉曼散射效應(yīng)獲取待測物分子轉(zhuǎn)動與振動信息，確定分子結(jié)構(gòu)的一種方法稱為拉曼光譜。與其他光學(xué)分析方法相比，其存在高靈敏度、無復(fù)雜前處理、抗熒光干擾和監(jiān)測范圍廣等顯著特點。Liu等[22]成功制備了由十六烷基二甲基乙基溴化銨(EHDAB)包裹的金納米顆粒作為基底材料，運用于TNT的分析檢測。結(jié)果表明，該基底上表現(xiàn)出相當(dāng)大的拉曼信號增強效應(yīng)，檢測限達(dá)到10-9mol/L。隨后，研究者進(jìn)一步發(fā)展拉曼技術(shù)，Bian等[23]將固相微萃取與SERS技術(shù)結(jié)合，通過電偶自由位移反應(yīng)將金納米粒子沉積在多孔的銀表面形成均勻膜。一方面提高了基底材料的硬度和耐高溫氧化能力；另一方面可顯著提高芳香族化合物增強因子(1.3×106)，其檢測線(LOD)可低至5.1 μg/L。此外，Hu等[24]運用自組裝技術(shù)合成MIL-101納米復(fù)合材料，并結(jié)合了金納米粒子局部表面等離子體的共振性能，有效地富集分析物來提高苯二胺的靈敏度。結(jié)果表明，該SERS基底具有較高的靈敏度，并對多種不同的目標(biāo)分析物有親和力，對苯二胺的測定線性范圍在1.0～100.0 ng/mL之間，相關(guān)系數(shù)大于0.995 0，回收率為79.3%～107.3%。

2.3 表面等離子體共振分析法

運用金屬表面電子的相互作用與特定電磁波產(chǎn)生共振而形成的光學(xué)性質(zhì)稱為表面等離子體共振(SPR)，可以通過實現(xiàn)生物或化學(xué)轉(zhuǎn)化量與待測濃度的關(guān)系定量測量。該技術(shù)在芳香族硝基化合物的檢測中發(fā)揮重要作用。Mizuta等[25]介紹了高靈敏度SPR檢測TNT技術(shù)。利用芳香族烷二硫醇自組裝單分子膜(SAMs)和低聚乙二醇(OEG)的鍵合作用，通過OEG鏈將TNT類似物固定在金屬傳感器表面上，以TNP-甘氨酸、DNP-甘氨酸和DNP-乙酸3種TNT類似物為固定化配體。采用間接競爭法對所制備的傳感器表面進(jìn)行了高靈敏度TNT檢測，其LOD可達(dá)到50 ng/L左右。傳感器表面經(jīng)過100多次重復(fù)使用，信號無明顯衰減，化學(xué)性穩(wěn)定。He等[26]基于4-氨基硫酚(4-ATP)功能化ZnO-Ag雜化納米花基底，采用綠色高效的方法制備了新型低成本的SPR光譜傳感器。這種傳感器對芳香族硝基化合物在10-12mol/L的低濃度下表現(xiàn)出較高的靈敏度，增強因子達(dá)到4.12×106以上。此外，由于這種傳感器中p-供體-p-受體相互作用能有效地誘導(dǎo)并產(chǎn)生可有效識別的共振信號。因此可以檢測到低至5×10-9mol/L的TNT濃度。

2.4 分光光度法

分光光度法利用芳香族硝基化合物對光在特定波長或波長范圍的吸收，然后根據(jù)朗伯-比耳定律根據(jù)吸光度值大小準(zhǔn)確定量。此法便攜性高、分析快速，可適合于現(xiàn)場快速分析。基于二氧化硫脲的還原特性[27]，陳穎等[28]采用在堿性環(huán)境中，利用二氧化硫脲產(chǎn)生強還原性的次硫酸，將硝基苯還原成苯胺，然后通過顯色反應(yīng)準(zhǔn)確的測定了硝基苯的含量；同樣，Gao等[29]利用二次波長分光光度法改進(jìn)了廢水中硝基苯類化合物的測定。結(jié)果顯示，在酸性溶液中，硝基苯在硫酸肼和亞硝酸鹽存在下與N-(1-萘基)-乙二胺二鹽酸鹽(NEDA)反應(yīng)生成紅色偶氮化合物。改進(jìn)后的方法比普通分光光度法具有更高的精密度和靈敏度，且計算模型穩(wěn)定。結(jié)果表明，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于2.1%，硝基苯的回收率在96%～104%，硝基苯的檢出限為0.008 mg/L。若對于響應(yīng)信號不強的待測物，可通過氨基還原法間接測定。如郭金全等[30]采取萃取分離富集手段，首先在酸性環(huán)境中加入金屬無機(jī)鹽將硝基還原成氨基，測定重氮化生成的紫色反應(yīng)間接測定水體中硝基苯濃度。為提高分光光度法測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，可利用數(shù)學(xué)分析方法加以優(yōu)化。邵明武等[31]發(fā)現(xiàn)，對于芳香族硝基化合類混合體系不適合采用多元線性回歸法進(jìn)行分析，通過嶺回歸和多元逐步回歸可滿足分析要求，克服了很多測試過程中的不利因素，能夠得到更加精確的實驗結(jié)果。

3 電化學(xué)分析法

電化學(xué)分析法是一類利用物質(zhì)的電學(xué)響應(yīng)與電化學(xué)轉(zhuǎn)換關(guān)系的方法。與其他分析法相比，電化學(xué)分析法不僅具有適用性強、儀器簡單、快速、可實時檢測等優(yōu)勢，同時還具備高靈敏度和準(zhǔn)確度等特點。張麗君等[32]運用伏安法測定硝基苯，通過優(yōu)化測試條件，探究了線性范圍、檢測限、重現(xiàn)性等與傳統(tǒng)分析方法的差異，結(jié)果顯示該方法更加優(yōu)異。在眾多電化學(xué)分析方法中，玻碳電極(GC)表面構(gòu)建復(fù)合材料分析硝基苯類物質(zhì)是研究的熱點之一，如劉艷等[33]采用殼聚糖-石墨烯修飾循環(huán)伏安法的玻碳電極檢測水溶液中的硝基苯，實驗結(jié)果顯示，硝基苯還原峰電流與濃度呈良好線性關(guān)系。由于分析過程中測定的是電信號數(shù)據(jù)，因此還能實現(xiàn)自動化連續(xù)分析。Adhikari K等[34]采用自組裝技術(shù)制備了單壁碳納米管(SWCNT)，利用雙鏈DNA與SWCNT反應(yīng)達(dá)到修飾玻碳電極的目的。結(jié)果表明，修飾后的電極檢測芳香族化合物在響應(yīng)速度、靈敏度等方面性能明顯提高，整個分析測定過程控制在15 s以內(nèi)，并達(dá)到了連續(xù)測定的要求。在實際測量中，電化學(xué)技術(shù)常常容易受到各種干擾離子或目標(biāo)分子結(jié)構(gòu)類似物的影響，從而產(chǎn)生分析時間延長、測量誤差等問題。因此，對于抗干擾弱體系而言，消除該類影響至關(guān)重要。有研究者為增強電極信號富集性能和有效克服非目標(biāo)粒子干擾等因素，將分子印跡等特異性識別技術(shù)引入修飾電極中，Alizadeh等[35]分別以甲基丙烯酸和EDMA為單體和交聯(lián)劑，制備出以TNT為模板分子印跡聚合物(MIP) 修飾的碳糊電極(CP) 電化學(xué)傳感器。結(jié)果顯示，分子印跡修飾電極檢測性能相對于非印跡電極有明顯的提高。另外，Ahmar等[36]提出了一種測定水樣中對硝基苯甲醛的新方法。該方法基于可切換溶劑基液-液微萃取(SS-LLME)，然后在多壁碳納米管修飾玻碳電極上用差示脈沖伏安法進(jìn)行測定。在優(yōu)化條件下，在1.0 mg/L和350 mg/L濃度范圍內(nèi)，校準(zhǔn)曲線呈線性。定量和檢測限分別為1.0 μg/L和0.3 μg/L[37]。

4 其他分析方法

除以上分析方法外，還存在著其他分析技術(shù)運用于芳香族硝基化合物的定量分析。如有以電場為驅(qū)動力的毛細(xì)管電泳法(CE)[37]，以及包括與毛細(xì)管電泳聯(lián)用技術(shù)。毛細(xì)管電泳紫外檢測法(CE-UV)分析待測液，可直接避免試劑和微量樣品容易出錯的問題，實現(xiàn)了檢測操作半自動化，其表現(xiàn)出對1-乙基-2-硝基苯檢測結(jié)果高重復(fù)性、良好線性和低檢測限[38]。如以還原滴定為原理的碘滴定[39]和三氯化鐵滴定技術(shù)[40]也逐漸形成。操作更加簡便、特異性強的熒光偏振檢測(FPIA)技術(shù)也得到了廣泛應(yīng)用。實際廢水中往往物質(zhì)組成復(fù)雜，干擾物質(zhì)較多。因此，非目標(biāo)分子或其他各種離子的干擾是影響檢測范圍和準(zhǔn)確度的重要因素(如電化學(xué)分析、光學(xué)分析等)[41]。為克服該類問題，對于痕量物質(zhì)分析，采用單一的方法檢測已難滿足環(huán)境保護(hù)提出的新的要求。Zhou等[42]采用高效液相色譜-電化學(xué)檢測器(HPLC-ECD)聯(lián)用技術(shù)，制備了便捷的聚合離子液體(PIL)-二苯硼酸(DPBA)填充毛細(xì)管柱，采用微透析采樣法得到分析樣本，通過HPLC-ECD法快速分離，選擇性地提取多種物質(zhì)，然后進(jìn)行定量分析。HPLC-ECD 表現(xiàn)出高度的敏感性和選擇性，具有分析時間短(8 min)、回收率高(91%～104.4%)和相對標(biāo)準(zhǔn)小(6.5%～7.7%)等優(yōu)勢。

5 發(fā)展前景與展望

隨著人們對分析檢測方法提出了更高的要求以及環(huán)保意識的不斷增強,各類水體中芳香族硝基化合物的定量分析備受重視。值得指出的是,以簡單、準(zhǔn)確、快速的聯(lián)用分析方法和技術(shù)將會在實際運用中不斷涌現(xiàn)，但各種聯(lián)用技術(shù)存在前處理技術(shù)復(fù)雜或因儀器的價格昂貴等因素也是將來分析方法和儀器發(fā)展的挑戰(zhàn)之一。因此，在實際水體分析過程中，測試樣品的組成、測試要求、儀器設(shè)備成本以及前處理等選擇等因素是考慮經(jīng)濟(jì)、有效、合理的檢測手段是必不可少的。同時，簡化前處理過程、縮短分析時間、尋找易于自動化控制的新儀器和新方法將是今后分析工作者研究的重點。