超聲提取氣相色譜質(zhì)譜法測定土壤中苯胺和硝基苯

劉 田，陳加偉，宋 洲，周宇齊，羅火焰，方紹敏

(湖北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測試中心,湖北 武漢 430034)

醫(yī)藥、印染、石油等工業(yè)生產(chǎn)過程中排放的廢水以及突發(fā)性環(huán)境污染事件是苯胺和硝基苯的主要來源。由于其具有“三致”效應(yīng),已被多個國家列為優(yōu)先控制污染物,中國也將其列入優(yōu)先控制污染物黑名單。在《土壤環(huán)境質(zhì)量 建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 36600—2018)中,明確了苯胺和硝基苯的風(fēng)險(xiǎn)篩選值和管制值。作為基本項(xiàng)目,苯胺和硝基苯被列入全國重點(diǎn)行業(yè)企業(yè)用地調(diào)查必測項(xiàng)目中。因此,有必要建立土壤中苯胺和硝基苯快速準(zhǔn)確的分析方法。

環(huán)境土壤中的苯胺和硝基苯可通過氣相色譜法[1-4]、氣相色譜質(zhì)譜法[5-10]和高效液相色譜法[11-12]等測定,此外,苯胺還可以通過高相液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜法測定[13]。其中,氣相色譜質(zhì)譜法最為常用,也是全國重點(diǎn)行業(yè)企業(yè)用地調(diào)查推薦的同時(shí)測定苯胺和硝基苯的檢測方法。在樣品提取方面,方法主要有索氏提取法、超聲波提取法、水蒸氣蒸餾法、加速溶劑萃取、超臨界流體萃取和微波萃取等[14]。由于苯胺和硝基苯具有一定的揮發(fā)性,而且苯胺熱不穩(wěn)定,容易氧化降解,因此,前處理方法需要能夠?qū)崿F(xiàn)低溫萃取且具有較小的濃縮體積,才能保證二者的回收率。超聲波提取法具有提取效率高、提取時(shí)間短、提取溫度低等優(yōu)點(diǎn),對遇熱不穩(wěn)定、易水解或氧化成分具有保護(hù)作用,在土壤苯胺和硝基苯前處理中已有應(yīng)用[2,3,15]。但是對于低濃度樣品分析及氮吹濃縮過程中的損失情況,關(guān)注較少。

因此,本研究選擇超聲波清洗器萃取模式,考察了土壤苯胺和硝基苯的萃取回收效率；研究了不同濃縮倍數(shù)下苯胺的回收情況,探討了氮吹濃縮過程中有效避免苯胺損失的解決方法；通過有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)及實(shí)際土壤基質(zhì)加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)考察了方法的準(zhǔn)確度與精密度,以期建立一種簡單、快速、準(zhǔn)確的測定土壤中苯胺和硝基苯的方法,滿足該類物質(zhì)大批量土壤樣品分析的需求。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器

Thermo Scientific Trace 1300氣相色譜ISQ 7000質(zhì)譜聯(lián)用儀(美國Thermo Scientific公司)；Turbo VapII全自動氮吹濃縮儀(瑞典Biotage公司)；DGG-9140B型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)；KQ-500DE型數(shù)控超聲波清洗器(昆山市超聲波儀器有限公司)；Milli-Q Direct 8型超純水機(jī)(美國密理博公司)。

1.2 試劑與材料

毛細(xì)管色譜柱，DB-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm,美國Agilent公司)；苯胺，濃度為1 000 mg/L,甲醇介質(zhì)；1-溴-2-硝基苯，濃度為5 000 mg/L,丙酮介質(zhì)；2-氟聯(lián)苯，濃度為2 000 mg/L,二氯甲烷介質(zhì)；土壤中11種SVOC質(zhì)控樣,1瓶；上述產(chǎn)品均購于上海安譜實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司。硝基苯，GBW(E)082759,濃度為1 000 mg/L；甲醇介質(zhì),購于壇墨質(zhì)檢—標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心；二氯甲烷(色譜純)；無水硫酸鈉(分析純,650 ℃灼燒4 h)、五水合硫代硫酸鈉(分析純)、氨水(分析純)、石英砂(分析純,650 ℃灼燒4 h)購于上海國藥公司。

1.3 樣品制備

稱取10 g(精確至0.01 g)鮮樣,添加無水硫酸鈉研磨至流沙狀,然后轉(zhuǎn)移至250 mL錐形瓶中,加入1 g五水合硫代硫酸鈉,依次加入200 μL氨水、內(nèi)標(biāo)、替代和40 mL二氯甲烷,密封后超聲提取30 min(功率60 Hz,水槽中放置冰袋,確保水浴溫度始終低于25 ℃),濾紙過濾,二氯甲烷潤洗錐形瓶及濾紙后溶液一并轉(zhuǎn)入氮吹管中,30 ℃,7～10 psi下濃縮至1 mL待上機(jī)測試。

1.4 分析條件

進(jìn)樣口溫度，270 ℃,不分流進(jìn)樣；進(jìn)樣量，1 μL；色譜柱流速，1 mL/min；程序升溫，初溫50 ℃保持2 min,以35 ℃/min升至180 ℃,保持3 min,再以14 ℃/min升至300 ℃,保持8 min；進(jìn)樣溶劑，二氯甲烷。

2 結(jié)果與討論

2.1 進(jìn)樣溶劑的選擇

有機(jī)污染物溶于不同溶劑,其在GC-MS上的響應(yīng)值存在差異[16]。為了消除因溶劑選擇不當(dāng)而引發(fā)質(zhì)譜響應(yīng)異常而影響樣品的準(zhǔn)確定量問題,本次首先比較了不同溶劑下苯胺和硝基苯的響應(yīng)情況,結(jié)果如圖1所示,相同濃度的苯胺和硝基苯在不同溶劑中響應(yīng)存在差異,二氯甲烷中的響應(yīng)最高。因此,在后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)曲線配制及待測定樣品所用溶劑均選擇二氯甲烷,以消除溶劑效應(yīng)引入的系統(tǒng)誤差。

圖1 苯胺和硝基苯在不同溶劑中的響應(yīng)Fig.1 The response of aniline and nitrobenzene in different solvents

2.2 氣相色譜條件的優(yōu)化

2.2.1初始溫度

通過程序升溫,可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)組分與干擾物的有效分離,獲得尖銳峰形的同時(shí)，縮短分析時(shí)間。其中,初始溫度的設(shè)定較為關(guān)鍵[17]。本次研究了初始溫度分別為50 ℃、60 ℃和80 ℃下苯胺和硝基苯的分離情況,如圖2所示,隨著初始溫度的升高,苯胺和硝基苯的峰形開始出現(xiàn)展寬和拖尾,這主要是由于苯胺和硝基苯具有一定的揮發(fā)性[18],初溫太高容易導(dǎo)致峰形變差。因此,在后續(xù)研究中選擇色譜柱初始溫度為50 ℃。

圖2 色譜柱初始溫度的影響Fig.2 The effect of initial column temperature

2.2.2升溫速率

除了色譜柱初溫之外,升溫速率亦會對目標(biāo)物分離有影響。如圖3所示,在30 ℃/min的升溫速率下,1-溴-2-硝基苯的峰形出現(xiàn)裂分；當(dāng)在40 ℃/min速率下分離時(shí),影響硝基苯與后面雜峰的分離；相比之下,以35 ℃/min的升溫速率各目標(biāo)物分離良好,滿足檢測要求。

圖3 色譜柱升溫速率的影響Fig.3 The effect of column heating rate

2.2.3進(jìn)樣口溫度

考察了不同進(jìn)樣口溫度下苯胺和硝基苯的響應(yīng)變化情況如圖4所示,隨著進(jìn)樣口溫度的增加,苯胺和硝基苯響應(yīng)增加,在270 ℃時(shí)最大,進(jìn)一步升高進(jìn)樣口溫度,二者響應(yīng)均下降,這可能與溫度過高,導(dǎo)致苯胺和硝基苯熱分解所致。因此,后續(xù)研究選擇進(jìn)樣口溫度為270 ℃。

圖4 進(jìn)樣口溫度的影響Fig.4 The effect of gas chromatographic injection temperature

2.3 前處理?xiàng)l件的優(yōu)化

2.3.1氮吹濃縮

采用平行濃縮儀對樣品提取液進(jìn)行氮吹濃縮,在此過程中,水浴溫度和氮吹壓力是影響目標(biāo)物回收率的關(guān)鍵因素。為此,本研究采用純標(biāo)液模擬實(shí)際樣品提取液進(jìn)行上述條件的優(yōu)化,氮吹濃縮后加內(nèi)標(biāo)定容至1 mL上機(jī)測試如圖5所示，在苯胺、硝基苯和2-氟聯(lián)苯中,受氮吹條件影響較大的是苯胺,這可能與其沸點(diǎn)較低有關(guān)。在水浴溫度為30 ℃和氮吹壓力為7～10 psi的條件下,苯胺回收率最高。因此,在后續(xù)研究中選擇氮吹濃縮條件為30 ℃,7～10 psi。

圖5 氮吹濃縮條件的影響Fig.5 The effect of nitrogen blowing conditions

2.3.2提取劑用量

選取石英砂作為空白土壤,添加不同體積二氯甲烷進(jìn)行提取,濃縮后添加內(nèi)標(biāo)定容至1 mL上機(jī)測定,苯胺、硝基苯和2-氟聯(lián)苯的回收率情況如圖6所示，苯胺和硝基苯受提取劑用量影響較大。尤其是苯胺,隨著提取劑用量的增加,回收率從39.4%增至62.5%,進(jìn)一步提高二氯甲烷用量,苯胺回收率下降明顯,這與提取劑體積過大,氮吹時(shí)間長,苯胺揮發(fā)損失有關(guān)。因此,在后續(xù)研究中選擇提取劑二氯甲烷用量為40 mL。

圖6 二氯甲烷用量的影響Fig.6 The effect of the amount of dichloromethane

為了進(jìn)一步證實(shí)苯胺氮吹濃縮過程中的損失,模擬100 mL苯胺提取液濃縮至不同體積后加內(nèi)標(biāo)上機(jī)測定回收率如圖7所示，濃縮2倍至50 mL時(shí),苯胺回收率為76.0%。隨著濃縮倍數(shù)的增加,100倍至1 mL時(shí),苯胺回收率僅有17.0%。因此,濃縮倍數(shù)過大正是在氮吹濃縮和提取劑用量優(yōu)化過程中,苯胺回收率明顯低于硝基苯和2-氟聯(lián)苯的原因所在。

圖7 濃縮倍數(shù)的影響Fig.7 The effect of concentration

2.3.3超聲條件

考慮到降低濃縮倍數(shù)會影響方法的檢出限,不利于實(shí)際低含量樣品的測定。因此,參照《土壤和沉積物 苯胺類和聯(lián)苯胺類的測定 液相色譜—三重四極桿質(zhì)譜法(征求意見稿)》中前處理方式,在樣品提取時(shí)加入內(nèi)標(biāo)。為此,本次研究選擇實(shí)際土壤樣品,按照本文1.3節(jié)樣品制備方式進(jìn)行處理,探索不同超聲條件下目標(biāo)物的回收率情況如圖8所示,針對苯胺而言,超聲功率60 Hz的條件下回收率明顯占優(yōu)；隨著時(shí)間的延長,回收率從56.1%增至90.5%,進(jìn)一步延長耗時(shí)、控溫難度增大且回收率增加不明顯。因此,本次研究選擇超聲條件為功率60 Hz,30 min。

圖8 超聲條件的優(yōu)化Fig.8 The optimization of ultrasound conditions

2.4 校準(zhǔn)曲線與檢出限

采用二氯甲烷配制濃度均為50 μg/L、100 μg/L、200 μg/L、500 μg/L和1 000 μg/L的苯胺和硝基苯混合標(biāo)準(zhǔn)溶液,按照本文中1.4節(jié)的分析條件進(jìn)行測試,以苯胺或硝基苯的質(zhì)量濃度(C)與內(nèi)標(biāo)1-溴-2-硝基苯的質(zhì)量濃度(Ci)比值為橫坐標(biāo),以其定量離子峰面積的比值(A/Ai)為縱坐標(biāo)進(jìn)行線性回歸分析,線性范圍、相關(guān)系數(shù)及回歸方程見表1。結(jié)果表明,在選定的實(shí)驗(yàn)條件下,兩種目標(biāo)化合物的線性相關(guān)系數(shù)均>0.999。

表1 苯胺和硝基苯的線性范圍、相關(guān)系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)曲線及檢出限Table 1 The linear range,correlation coefficients and method detection limits of nitrobenzene and aniline

根據(jù)《環(huán)境監(jiān)測 分析方法標(biāo)準(zhǔn)制修訂技術(shù)導(dǎo)則》(HJ 168—2010)的規(guī)定,通過連續(xù)測定7個接近于方法檢出限的濃度考察了本方法的檢出限,通過4倍檢出限換算得到方法定量下限。按照本文中1.3節(jié)樣品制備和1.4節(jié)分析條件,得到苯胺和硝基苯方法檢出限分別為1.61 μg/kg和0.17 μg/kg,定量下限分別為6.44 μg/kg和0.68 μg/kg。

2.5 準(zhǔn)確度試驗(yàn)

選擇實(shí)際空白土壤進(jìn)行加標(biāo)回收試驗(yàn),添加的質(zhì)量濃度分別為10 μg/kg、20 μg/kg和100 μg/kg,每個濃度水平配制6個平行樣品,所得平均加標(biāo)回收率和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差如表2所示，苯胺和硝基苯的回收率范圍分別為67.7%～96.9%和83.5%～93.7%,測定結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差分別在3.24%～10.2%和2.51%～7.26%。此外,通過有證標(biāo)準(zhǔn)測試,發(fā)現(xiàn)苯胺和硝基苯的測定值分別為1.68 mg/kg和2.32 mg/kg,落在允許的范圍之類(苯胺：1.63～4.89 mg/kg,硝基苯：1.52～4.57 mg/kg),方法的準(zhǔn)確度和精密度能夠滿足實(shí)際樣品測定的需求。

表2 加標(biāo)回收試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of tests for recovery

2.6 實(shí)際樣品分析

按照試驗(yàn)方法對2個實(shí)際土壤樣品進(jìn)行檢測如表3所示。添加10 μg/kg進(jìn)行基質(zhì)加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn),樣品1中苯胺和硝基苯的回收率分別為107%和94.7%,樣品2中苯胺和硝基苯的回收率分別為92.1%和95.7%。而如果通過提取后加入內(nèi)標(biāo),則樣品1和樣品2中苯胺和硝基苯的基質(zhì)加標(biāo)回收率分別降為40.2%和43.6%、35.4%和38.4%,表明通過提取時(shí)加入內(nèi)標(biāo)的方式實(shí)際樣品測定結(jié)果理想。

表3 實(shí)際樣品測定結(jié)果Table 3 Analytical results of nitrobenzene and aniline in practical samples

3 結(jié)語

研究通過對進(jìn)樣溶劑、初始溫度、升溫速率、進(jìn)樣口溫度、氮吹濃縮、提取溶劑、超聲條件等分析與前處理?xiàng)l件的優(yōu)化,建立了超聲提取氣相色譜質(zhì)譜法測定土壤中苯胺和硝基苯的分析方法。結(jié)果發(fā)現(xiàn),相比硝基苯而言,苯胺受氮吹濃縮條件影響較大,濃縮倍數(shù)越高,回收率越低。相比通過降低濃縮倍數(shù)的改進(jìn)方法而言,通過提取時(shí)加入內(nèi)標(biāo)的方式不僅可以提高苯胺的回收率,而且不影響其方法檢出限,苯胺和硝基苯的方法檢出限分別為1.61 μg/kg和0.17 μg/kg。超聲提取并同時(shí)添加內(nèi)標(biāo),簡化了前處理環(huán)節(jié),提高了分析效率與準(zhǔn)確度,能夠滿足實(shí)際大批量土壤樣品中苯胺和硝基苯的快速準(zhǔn)確測定。