頂空氣相色譜法測定水中苯系物的影響因素探討

趙玉敏

(鹽城市大豐生態環境監測站，江蘇 鹽城 224100)

1 引言

苯系物通常包括苯，甲苯，乙苯，鄰、間、對位的二甲苯，異丙苯和苯乙烯八種化合物[1]。苯系物可被用作生產原料和有機溶劑，在有機化工、醫藥、農藥及油漆等行業有著廣泛的應用，這些行業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源。大多數苯系物均為易揮發性物質，不僅會對大氣環境造成污染，還可通過呼吸或接觸進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系統，嚴重時會導致呼吸循環衰竭而死亡；而長期暴露于低濃度苯系物中，也會引起細胞遺傳學改變，對造血、神經、生殖等系統造成重大危害[2]。因而對水中苯系物的檢測十分有必要。目前對水中苯系物的測定主要采用色譜法，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樣的方式，基體干擾小，同時具有前處理簡單、對設備和環境的污染較小、靈敏度高等優點，因而被廣泛應用于水中苯系物的測定[6]。文章將對頂空氣相色譜法測定水中苯系物的影響因素進行一些探討。

2 樣品的采集與保存

苯系物水樣的采集與保存是影響測定結果的重要因素。采樣時應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的采樣瓶。塑料材質采樣瓶由于表面易吸附有機物，會干擾苯系物的測定，不可選用。

水樣采集前需測定樣品的pH值，根據測定結果，在水樣中加入適量鹽酸溶液和抗壞血酸調節水樣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致水樣中的苯系物含量降低，采樣時應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性，水樣采集后應在 4 ℃以下冷藏運輸和保存，盡快分析。為防止受到其他揮發性有機物的污染，樣品應存放于無機區域。譚麗等[7]研究了pH值、固定劑的添加以及保存時間對苯系物地表水樣品保存的影響，結果表明調節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物的損失率；保存時間越短，目標物的損失越少。

3 實驗用水、試劑與氣體純度

實驗用水中應不含目標化合物和干擾目標化合物測定的物質。因而實驗用水在使用前需經空白試驗進行確認。涉及到的化學試劑應根據方法標準的要求進行選擇。若試劑純度不能滿足測定要求則可能會引入干擾目標化合物測定的雜質，從而影響測定結果。使用前需進行預處理的試劑，則需經適當處理，達到測定要求后才能使用。如作為鹽析劑的氯化鈉，使用前應進行高溫處理，去除其表面吸附的有機物。載氣、燃氣和助燃氣雜質會對色譜分析造成很大影響，如會降低色譜柱的的使用壽命和分離效率、使檢測器的靈敏度下降、使微量組分測定不準確等[8]。當選擇FID檢測器時，就要求使用氣體中烴類化合物必須很低。因此，要根據分析的要求、色譜柱的種類和檢測器對載氣進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 平衡溫度和平衡時間

提高平衡溫度可以使更多的苯系物從液相進入氣相，增大氣相中苯系物的濃度，使苯系物的響應值增大，提高檢測的靈敏度。而過高的溫度又會產生大量的水蒸氣，水蒸氣的增多不僅會降低氣相中目標化合物的相對濃度，使其響應值降低，還會干擾目標化合物的色譜峰形，影響測定結果。此外，進入色譜系統和檢測系統的水蒸氣還會對色譜柱和檢測器造成損害[9]。因而平衡溫度的選擇應既能滿足分析要求又不會對儀器部件造成損害。苯系物在氣液兩相達到平衡需要一定的時間，時間的長短取決于苯系物在兩相間的擴散速度，擴散速度越快，平衡時間越短。擴散速度與溫度有關，溫度越高擴散速度越快，平衡時間也越短。一般說來，當平衡溫度一定時，平衡時間越長，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，響應值也越大，有利于靈敏度的提高。但考慮到實際的分析效率，一般不會也沒必要等到苯系物在氣液兩相達到完全平衡時再進行樣品分析。《水質 苯系物的測定 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間，但在實際的樣品分析中可根據具體情況和分析要求進行適當調整。如張卓等[10]通過固定其他變量，以苯為例，考察了不同平衡溫度下水樣中苯的響應值的變化情況，結果表明在75 ℃、15 min的平衡條件下可獲得理想的響應值。

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，提高氣相中苯系物濃度，使響應值增大，從而提高靈敏度。在一定范圍內，隨著水樣中氯化鈉濃度的增加，目標化合物的響應值也在增大，而當水樣中溶解的氯化鈉達到或接近飽和時，目標化合物的響應值將不再增大。此時若加入過量的氯化鈉，不僅造成浪費，還會影響頂空瓶中的氣液體積比，導致響應值的降低[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，實際分析中為獲得更高的響應值，加入水樣中的氯化鈉的量也會有差別[11～13]，可根據實驗條件和測試要求進行適當的調整。

4.3 氣液體積比

當頂空瓶體積和其他平衡條件固定不變時，氣相中苯系物的濃度隨液相體積的增大而增大，響應值也相應隨之增高。取樣體積太小則響應值太小，靈敏度不高，而由于頂空法是抽取氣相樣品進行分析，為避免進樣針針頭觸及液面，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，還會兼顧操作和計算的便捷性[16]，如當頂空瓶體積為20 mL、22 mL時，都取10 mL的水樣進行分析。

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。氣相色譜法測定苯系物時，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，可以分離絕大多數苯系物，但難以分離間二甲苯和對二甲苯這兩種沸點較為接近的苯系物。鑒于苯系物極性較強的特性，中等極性和弱極性色譜柱會造成色譜峰拖尾，同樣難以實現上述兩種物質的分離。HJ 1067-2019中推薦了兩種極性毛細管柱，也有研究者[16～18]選用不同的極性色譜柱實現了對苯系物較為理想的分離。因此，要針對目標化合物，根據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重要因素。當改變柱溫時，目標組分的保留時間也會隨之發生變化，因而不宜隨意改變柱溫，否則會影響對目標組分的定性判斷。柱溫過高時出峰變快，半峰寬會變窄，峰高變高，但分離度會降低；柱溫過低時出峰較慢，峰形較寬，傳質速率降低，柱效能下降，分析時間也會變長，因而應綜合考慮目標化合物的分離效果、色譜峰峰形和分析時間等因素確定柱溫[16]。此外，若目標化合物的沸點范圍較寬，用等溫分析方法難以完成分離任務，此時就要采用程序升溫的方法，升溫速度及保持時間依目標化合物而定。通過程序升溫，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入色譜柱載氣流量之比。分流比過小則進入色譜柱的樣品過多，會使得色譜峰變寬，形成前伸峰[19]；分流比過大則進入色譜柱的樣品太少，目標化合物的響應值就很小，從而降低檢測的靈敏度。因而，應選擇適當的分流比。樣品分析時選擇的分流比一般在10∶1～100∶1之間，具體的分流比可根據不同的實驗條件，通過試驗確定。載氣流速是色譜分析的一個重要操作條件。流速大則出峰快，但過大的流速容易使色譜峰重疊，導致分峰困難；流速過小，出峰太慢，色譜峰較寬，同樣會降低分離度，且會延長分析時間。采用毛細管色譜柱分析苯系物時，載氣流速一般在1～2mL/min范圍。

5.4 尾吹氣

采用FID檢測器對苯系物進行氣相色譜分析時，為保證 FID檢測器有合適的氮氫比，必須加尾吹氣。適當地增加尾吹氣可提高測定的靈敏度，但尾吹氣流量過大時會引起基線不穩，甚至滅火；尾吹氣流量太小時，不僅會造成色譜峰拖尾，還會降低毛細管色譜柱的柱效[19]。由于不同的 FID檢測器的最佳氮氫比不同，所以尾吹氣流量應結合載氣流量、氫氣流量以及FID檢測器的型號進行優化調整[20]。

6 其他因素

(1)要保證取樣和定量儀器的清潔度和準確度。不清潔的儀器會污染樣品，定量儀器不準確，則會引入體積誤差，都會影響測定結果。

(2)操作的規范性和嫻熟度。不規范的操作，如用移液管移取溶液時移液管內存在氣泡、讀數時視線未與刻度線保持平行等，都會使測定結果產生偏差。由于苯系物為易揮發有機物，嫻熟的操作可以減少待測物在轉移和配制過程中的損失，確保測定結果的準確性。

(3)標準物質的選擇和標準曲線的線性范圍。標準物質的準確與否直接決定了測定結果的準確性，在選擇標準物質時一定要選擇具備計量溯源且純度明確、在有效期內的試劑。標準曲線的線性區間應包含樣品的濃度區間，否則可能會造成定量不準確。

(4)設備狀態。設備狀態良好是測定結果準確的前提。在樣品分析前應檢查設備狀態，保證設備能正常穩定運行。

7 結論與展望

頂空氣相色譜法測定水中苯系物的影響因素有樣品采集和保存方式、實驗用水、試劑與氣體純度、頂空條件、色譜條件等。為確保測定結果的準確性，可從以下方面進行控制。

(1)按照相關規范或參考方法標準的要求進行樣品的采集、運輸與保存，在樣品保存期內開展樣品分析。

(2)加強實驗室分析過程的質量控制，確保實驗用水、試劑和所用氣體的純度滿足測定要求。

(3)正式樣品分析前進行空白試驗以排除干擾；結合具體的待測物、測定要求等因素進行探索試驗，對頂空條件和色譜條件等進行優化調整。

(4)定期對定量儀器進行校準、對設備進行維護，確保儀器設備處于良好狀態。

(5)加強培訓，提高分析人員的技術水平，減少因操作不規范引入的系統誤差。

頂空氣相色譜法測定水中苯系物已在環境監測、食品檢驗等領域有了廣泛應用，且將有更為廣闊的應用前景。頂空氣相色譜法測定水中苯系物受多種因素影響，本文僅論述了部分因素，還應進行更加深入、廣泛地研究。隨著科技的進步、檢測分析技術的發展，頂空氣相色譜法的儀器設備也應朝著更加快速便捷、靈敏度更高、選擇性更強、自動化和智能化程度更高的方向發展，以期更大程度地提高分析效率和測定結果的準確性。