随着人们健康意识和自我保护意识的加强,与我们生活密不可分的纺织品中的有机污染物也日益受到人们的关注。烷基酚(APs)类物质具有良好的润湿、渗透、乳化、分散、增溶和洗涤作用,通常作为印染助剂广泛应用于纺织领域^[1],其中辛基酚(OP)和壬基酚(NP)是它的代表物质。目前的研究已经发现,烷基酚和雌性激素在分子结构上相似,烷基酚进入人体和动物体后会对他们的内分泌系统造成影响^[2]。早在2000年辛基酚和壬基酚就已经被欧盟确定为优先污染物质^[3],并在2003/53/EC指令中明确规定纺织品等商品中烷基酚类物质含量不得高于0.1%^[4],因此对纺织品中的烷基酚进行测定非常必要。

目前,检测样品中辛基酚和壬基酚的方法在文献中已有大量的报道,其中对环境样品中的烷基酚进行分析采用的检测方法主要包括气相色谱(GC)法、高效液相色谱(HPLC)法以及气相色谱-质谱(GC-MS)联用和高效液相色谱-质谱(HPLC-MS)联用法^{[5, 6, 7, 8, 9, 10]},其中GC法应用最为广泛。

在前面的研究中我们已经用固相萃取-气相色谱法成功地检测出了纺织品中的烷基酚类物质^[11],但目前采用毛细管内固相萃取-气相色谱法检测纺织品中的烷基酚类物质尚未见报道。本研究探讨毛细管内SPE柱与GC联用的各种影响因素,开发出一种新型毛细管内SPE-GC检测技术,并在纺织品中的APs检测中进行应用。

Agilent 6890N气相色谱仪(美国安捷伦公司),色谱柱HP-5毛细管柱(30.0 m×320 μ m×0.25 μ m,美国Agilent公司),Type HSE-12D固相萃取仪(天津市恒奥科技发展有限公司),AWJ2-2009-U艾科浦超纯水系统(颐洋企业发展有限公司),SHZ-D Ⅲ循环水真空泵(巩义市英峪予华仪器厂),HH-S4数显恒温水浴锅(华国电器有限公司),针孔式微孔滤膜过滤器(孔径 φ =0.45 μ m,上海亚兴净化材料厂),一次性使用无菌注射器(1 mL,江西金山医疗器械有限责任公司),氮气吹扫装置(自制)。熔融硅毛细管(内径100 μ m,外径375 μ m,日本GL Sciences公司),OASIS MAX固相萃取柱(100 mg/1 mL,美国Waters公司),OASIS WAX固相萃取柱(100 mg/1 mL,美国Waters公司),ENVI C18固相萃取柱(100 mg/1 mL,美国Supelco公司),Abselut NEXUS固相萃取柱(100 mg/1 mL,美国Varian公司)。

辛基酚(纯度97% ,上海阿拉丁试剂有限公司),壬基酚(纯度99.3% ,德国Dr. Ehrenstorfer公司),甲醇(色谱纯,美国Fisher公司),二氯甲烷、正己烷(色谱纯,天津科密欧化学试剂有限公司),3-巯丙基三甲氧基硅烷(MPTMS)、四甲氧基硅烷(TMOS)(优级纯,Shinetsu Chemicals),聚乙二醇(PEG)(优级纯,Nakarai Chemicals)

准确称量辛基酚和壬基酚标准品各0.1 g,在烧杯中用甲醇充分溶解后转移到100 mL的容量瓶中,定容、摇匀,配制成质量浓度为1 g/L 的标准溶液,并放置在冰箱中于4 ℃的条件下存放。在实验过程中依据要求用超纯水或甲醇稀释到所需要的浓度。

选取新购买的衣物(棉布质地的短袖上衣)作为检测样品,将衣服剪开,准确称量5.00 g,剪成细碎的小块。将剪碎的布料样品装入具塞瓶中,向具塞瓶中加入100 mL的超纯水,将具塞瓶放到温度设定为37 ℃振荡频率为100 Hz的水浴锅中超声振荡5 h。将具塞瓶取出冷却到室温后,将具塞瓶中的水样倒出,用离心机在 4 000 r/min 的转速下将水样离心5 min,收集上层清液并通过孔径0.20 μ m的水系微孔滤膜,以备后续检测使用。

在室温条件下,用超纯水认真清洗熔融硅毛细管后装入1 mol/L 的氢氧化钠溶液,然后放置在温度为40 ℃的GC柱箱中干燥12 h。取出后再清洗30 min。紧接着装入0.1 mol/L 的盐酸溶液,再放入40 ℃的GC柱箱中干燥12 h。之后在室温条件下分别使用超纯水、丙酮、乙醚依次冲洗30 min。最后,再放入GC柱箱中,在180 ℃的条件下用氦气吹扫2 h。在毛细管冷却到室温时,从GC柱箱中取出,备用。

毛细管内多孔挡板采用溶胶-凝胶法制作而成。把0.5 mL 0.01 mol/L 的乙酸、54 mg的PEG以及0.2 mL TMOS进行混合制成溶液,匀速搅拌直到颜色接近透明的时候溶胶-凝胶步骤就完成了。取出一块溶胶-凝胶胶块导入熔融硅毛细管,利用聚四氟乙烯管将熔融硅毛细管的两端连接成圆圈,放到40 ℃的GC柱箱中干燥24 h,之后取出拿掉聚四氟乙烯管,依次用超纯水和0.2 mol/L 的氢氧化钠溶液对毛细管进行缓慢的冲洗。重复以上操作,24 h以后对GC柱温进行程序升温,初始40 ℃,接着以1 ℃/min 的速率升到300 ℃。在升温过程中,GC的柱温达到80、120、180以及300 ℃ 4个温度时各保持4 h。程序升温结束后,在180 ℃条件下用氦气将熔融硅毛细管吹扫1 h,然后用-1.0 ℃/min 的速率将GC柱温降至室温。最后,取出熔融硅毛细管,去掉聚四氟乙烯管,用MPTMS清洗熔融硅毛细管内壁30 min,这样就完成了熔融硅毛细管内多孔挡板的制备。

将质量浓度大约为1 mg/mL 的固相萃取剂(来源于商品化的固相萃取柱,见1.1节)的悬浮液(以甲醇为溶剂)从熔融硅毛细管的出口端导入毛细管,放置在熔融硅毛细管内多孔挡板上,导入固相萃取剂的长度大约为5 mm。然后把少量的玻璃棉(纤维)嵌入毛细管内,使用结果显示玻璃棉可以有效地阻止填充的固相萃取剂在清洗或进样的过程中从熔融硅毛细管的出口端漏出,前提条件是液体的载入流速不超过5 mL/min。

载气:氮气(N₂);进样模式:分流进样;进样方式:手动进样;样品进样量:1.0 μ L;进样口设定温度:280 ℃;检测器:氢火焰离子化检测器(FID);程序升温:GC柱箱的起始温度设置为80 ℃,保持2 min;然后用30 ℃/min 的升温速率将柱箱温度上升到160 ℃,保持1 min;再用8 ℃/min 的升温速率将温度升到280 ℃,然后在280 ℃下保持10 min。

根据APs的化学性质,考察了4种性质不同的固相萃取柱(C₁₈柱、Oasis MAX柱、Oasis WAX柱和Abselut NEXUS柱)。其中,C18柱填装的是反相萃取剂十八烷基硅烷键合硅胶填料,有较高的碳含量和更好的疏水性;Oasis MAX柱填装的是混合型阴离子交换反相萃取剂,对酸性化合物具有高选择性;Oasis WAX柱填装的是混合型弱阴离子交换反相萃取剂,对强酸性化合物具有高选择性;Abselut NEXUS柱填装的是苯乙烯二乙烯苯和甲基丙烯酸甲酯聚合而成的有机高分子萃取剂,能萃取极性、非极性、酸性、碱性和中性的化合物。通过SPE-GC法对APs进行检测,比较它们萃取辛基酚和壬基酚过程中洗脱剂种类、洗脱剂用量、洗脱速率和吸附容量。

依据烷基酚的物理性质和化学性质,选择3种洗脱剂:甲醇、正己烷、二氯甲烷-甲醇(4 ∶ 1,v/v),检测使用4种萃取柱时的峰面积,结果见表1。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 不同洗脱剂条件下使用4种萃取柱时两种烷基酚的峰面积 Table 1 Peak areas of the two alkylphenols with four SPE cartridges and different elution solvents SPE cartridge Methanol n-Hexane Methylene chloride-methanol OP NP OP NP OP NP C18  6.5  6.4 3.3 2.9  4.9  4.5 MAX 14.9 14.3 1.3 1.1  9.2  8.9 WAX 16.4 16.0 3.4 3.2  9.8  9.5 NEXUS 17.1 16.4 7.3 6.7 12.8 12.4

表1 不同洗脱剂条件下使用4种萃取柱时两种烷基酚的峰面积 Table 1 Peak areas of the two alkylphenols with four SPE cartridges and different elution solvents

从表1可以看出,以甲醇作为洗脱剂时检测峰面积最大,二氯甲烷-甲醇次之,正己烷最低。再加上定容时的溶剂是甲醇,用甲醇作为洗脱剂能最大程度降低实验中的其他影响。因此选择甲醇作为4种固相萃取柱吸附剂的洗脱剂。

以甲醇为洗脱剂,分别用1、3、5、8、10 mL进行洗脱,检测出两种烷基酚的峰面积如表2所示。

从表2可以看出,随着洗脱剂体积的增加APs的峰面积先增大后不变。综合考虑萃取效果和时间因素,选择C18柱、MAX柱、WAX柱和Abselut NEXUS柱的最佳洗脱剂用量分别为5、8、5、3 mL。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 不同洗脱剂用量下使用4种萃取柱时两种烷基酚的峰面积 Table 2 Peak areas of two alkylphenols with four SPE cartridges with different elution volumes SPE cartridge 1 mL 3 mL 5 mL 8 mL 10 mL OP NP OP NP OP NP OP NP OP NP C18  3.3  2.9  4.6  4.1  6.5  6.4  6.6  6.4  6.6  6.4 MAX 11.1 10.3 12.5 11.8 14.9 14.3 16.2 15.8 16.4 16.0 WAX 13.3 12.5 15.1 14.6 16.4 16.0 16.5 16.2 16.5 16.2 NEXUS 14.3 13.9 16.9 16.3 17.1 16.4 17.1 16.4 17.1 16.4

表2 不同洗脱剂用量下使用4种萃取柱时两种烷基酚的峰面积 Table 2 Peak areas of two alkylphenols with four SPE cartridges with different elution volumes

用5 mL的甲醇作为洗脱剂进行洗脱,洗脱速率分别选择1、3、5、10 mL/min,检测出两种烷基酚的峰面积如表3所示。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 不同洗脱速率下使用4种萃取柱时两种烷基酚的峰面积 Table 3 Peak areas of two alkylphenols with four SPE cartridges at different elution rates SPE cartridge 1 mL 3 mL 5 mL 10 mL OP NP OP NP OP NP OP NP C18  6.5  6.4  5.7  5.2  4.8  4.1  3.5  2.8 MAX 14.9 14.3 14.1 12.8 11.9 11.3  8.1  7.5 WAX 16.4 16.0 15.9 15.1 13.0 12.3  9.2  8.6 NEXUS 17.1 16.4 17.0 16.4 13.6 13.6 12.4 11.8

表3 不同洗脱速率下使用4种萃取柱时两种烷基酚的峰面积 Table 3 Peak areas of two alkylphenols with four SPE cartridges at different elution rates

从表3可以看出,随着洗脱速率的增加,APs的峰面积越来越小。综合考虑萃取效果和时间因素,确定C18柱、MAX柱、WAX柱和Abselut NEXUS柱的最佳洗脱速率分别为1、1、3、3 mL/min。

考察了4种固相萃取柱的吸附容量,结果如图1所示。

图1

Fig. 1

图1 4种固相萃取柱对于辛基酚的吸附曲线 Fig. 1 Adsorption curves of four SPE cartridges for octylphenol (OP)

从图1可以看出,穿透体积由小到大依次是C18柱、MAX柱、WAX柱和Abselut NEXUS柱。表明4种萃取柱中Abselut NEXUS柱的吸附容量最大,WAX和MAX次之,C18柱的吸附容量最小。

在Abselut NEXUS萃取柱的吸附实验中,当样品进样量较大时,在洗脱过程中可以看到:开始加入洗脱剂时,收集洗脱液的塑料管中有明显的沉淀物。振荡后,沉淀物快速溶于洗脱剂,溶液变澄清。表明Abselut NEXUS萃取柱的吸附剂具有优异的吸附能力,甚至可以让目标组分以固态从吸附剂中析出。

根据以上实验,选择Abselut NEXUS柱的吸附剂用于毛细管内SPE柱的制备,洗脱剂为甲醇,洗脱剂体积是3 mL,洗脱速率是3 mL/min。

毛细管内SPE柱就是一根在内部填充了固相萃取剂的毛细管,从外观上看就是一根褐色的熔融硅毛细管,但毛细管内部是采用化学合成方法制作的多孔挡板,将Abselut NEXUS柱的吸附剂填充到毛细管内的多孔挡板上,即制作得到可对样品进行富集和浓缩的毛细管内SPE柱,结构见图2。

图2

Fig. 2

图2 毛细管内SPE柱的结构示意图 Fig. 2 Structure diagram of in-tube capillary SPE

根据前面优化的Abselut NEXUS柱的最佳萃取条件和毛细管内SPE柱的实际参数,得出毛细管内SPE柱活化时需要的甲醇和超纯水的体积是1.2 μ L。为了延长毛细管内SPE柱的使用寿命以及节约实验时间,通过实验选择毛细管内SPE柱的载入流速。通过比较,筛选出毛细管内SPE柱的载入流速为0.4 μ L/min。

由于毛细管内SPE柱的外径特别小,和手动进样器的针头外径差不多,再加上熔融硅毛细管自身具有一定的机械强度,可以直接穿透GC进样口的橡胶隔垫而不需要在毛细管外面增加金属套管,所以毛细管内SPE柱可以直接作为GC的进样器。采用毛细管内SPE-GC法检测APs的时候,我们选择的进样方式是手动进样,进样装置就是毛细管内SPE柱,进样长度为4.5 cm。

选择热脱附,可以将毛细管内SPE柱内的萃取剂上吸附的待测物质解吸下来。

使用毛细管内SPE柱进样时,停留时间太短则进样室内的高温不能将吸附剂上的待测物质完全洗脱下来,而停留时间太长又会使进样过程持续的时间延长,使待测物质不能集中气化,造成检测的峰值降低。为了能够直观地观察热脱附的效果,在毛细管入口端吸入5 cm的辛基酚标准溶液,封闭另一端后迅速插入GC的进样室内,插入长度为4.5 cm,停留一段时间(1、2、3、4 s)后拔出毛细管,测量毛细管内残余的溶液长度。试验结果如表4所示。

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 进样时间与残余量的关系 Table 4 Relationship between sampling time and residual amount Sampling time/s Lengths of the residual solution/cm Average length/cm 1 2.3,1.9,2.2,2.0 2.1 2 0.9,0.8,0.9,1.1 0.9 3 0.5,0.3,0.5,0.4 0.4 4 0.4,0.3,0.4,0.4 0.4

表4 进样时间与残余量的关系 Table 4 Relationship between sampling time and residual amount

由表4中的数据可以看出,随着进样停留时间的增加,毛细管内残余溶液的长度减少,且当停留时间为3 s和4 s时,毛细管内只剩下未进入GC进样室的不足0.5 cm长度的溶液,插入GC进样室部分长度为4.5 cm的毛细管内的溶液都气化了。所以,选择的进样停留时间为3 s。

在色谱小瓶中装入二分之一溶液,把毛细管内SPE柱填充有萃取剂的那一端插入色谱小瓶中。将医用注射器吸满空气,用注射器向小瓶中鼓气增加小瓶压力。当小瓶内的压力大于毛细管内SPE柱内的压力时,小瓶中的溶液就会被压入毛细管内。把甲醇、超纯水、待测水样分别放入色谱小瓶中,把毛细管内SPE柱依次插入3个小瓶,完成毛细管内SPE柱的活化、上样。用氮气吹干毛细管内SPE柱的水分,然后直接进样。示意图如图3。

图3

Fig. 3

图3 毛细管内固相萃取步骤 Fig. 3 In-tube capillary solid-phase extraction procedure

用气相色谱检测0.01 mg/L 的辛基酚水样和1 mg/L 的辛基酚标准溶液(溶剂是甲醇),结果如图4和图5所示。

图4

Fig. 4

图4 毛细管内SPE柱萃取辛基酚的GC图 Fig. 4 GC chromatogram of octylphenol from in-tube capillary SPE column extraction

图5

Fig. 5

图5 1 mg/L 辛基酚标准溶液的GC图 Fig. 5 GC chromatogram of 1 mg/L octylphenol standard solution

从图4和图5可以看出,对0.01 mg/L 的辛基酚水样的富集效果能够达到1 mg/L 的辛基酚标准溶液直接用GC检测的效果。这表明毛细管内SPE柱的富集倍数很高。通过计算,得到毛细管内SPE柱对APs的富集倍数超过100倍。

在优化的毛细管内SPE萃取条件下提取OP和NP,在0.001～0.1 mg/L 的范围内测定一系列OP和NP的标准溶液,考察峰面积y与质量浓度x(mg/L)的线性关系。辛基酚的线性方程为y=207.12x+0.047 7,R²=0.995 6,;壬基酚的线性方程为y=188.17x+0.004 7,R²=0.998 7,线性关系均良好。依据3倍信噪比确定检出限,辛基酚的检出限为3.7 μ g/L,壬基酚的检出限为4.5 μ g/L。

将优化的毛细管内SPE-GC法用于市售棉短袖上衣浸泡水样中辛基酚和壬基酚含量的实际检测,检测结果见图6。

图6

Fig. 6

图6 纺织品水样的GC图 Fig. 6 GC chromatogram of a textile sample

从图6可以明显地观察到在12.9 min左右和16.3 min左右出现了目标峰,这说明在检测的纺织品水样中确实存在着辛基酚和壬基酚。通过计算得到纺织品水样中辛基酚的质量浓度为0.066 mg/L,壬基酚的质量浓度为0.05 mg/L。

为了验证方法的准确性,在质量浓度为0.01 mg/L 的辛基酚或壬基酚水样中分别加入辛基酚或者壬基酚的标准样品。然后在前面确定的实验条件下用毛细管内SPE-GC法进行检测,分别进行6次平行实验,结果显示该方法对辛基酚和壬基酚的加标回收率分别为85.6% ～98.2%和83.8% ～95.7% ,相对标准偏差分别为4.54%和5.27% 。

本文建立了一种毛细管内SPE-GC联用检测APs的方法,用毛细管内SPE柱对纺织品样品进行前处理,直接以毛细管内SPE柱作为GC的手动进样器,然后用GC进行检测。毛细管内固相萃取技术能有效地对APs进行富集浓缩,富集倍数约为100倍,该方法呈现出良好的线性关系,检出限低,方法回收率高。将本方法用于市售纺织品实际样品的检测分析,获得了很好的实验结果。本方法具有简单、方便,萃取过程中间环节少,样品需要量少,不用或少用有机溶剂,富集倍数高等优点。此方法还可以根据纺织品中有机污染物的检出要求,灵活方便地选择毛细管萃取柱中所填充的萃取剂种类,充分利用商品化固相萃取剂的资源,使所开发的技术有更广的应用领域。