环境监测中大多关注水中挥发性酚的污染,以分光光度法[ 1, 2, 3 ]的使用最为普及,近年来也有液相色谱法[ 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 ]、气相色谱法[ 16, 17, 18, 19 ]和气相色谱-质谱联用方法[ 20, 21, 22, 23, 24 ]的报道,但是对土壤中酚类化合物的研究相对较少,且较多关注五氯酚等氯酚类化合物[ 25, 26, 27, 28 ]的残留量测定,甚少涉及其他酚类化合物。对土壤中酚类化合物的提取以索氏提取[ 27 ]和微波提取[ 28, 29, 30 ]居多。索氏提取虽然效率较高,但溶剂消耗量较大,提取时间较长[ 31 ],往往需要十几甚至二十几个小时。微波提取快速、节能、操作方便、回收率高,但是设备昂贵。而超声波提取技术以其操作方便、提取率高、提取时间短等优势越来越多地用于各种固体样品的前处理中。本文根据环境污染的来源和控制要求,选择21种酚类化合物(含苯酚、甲基酚、氯酚和硝基酚)作为检测目标,采用探针式超声波装置对土壤中的21种酚类化合物进行提取,考察了提取条件和净化条件,使用普及型较广的气相色谱仪对其进行有效分离,准确定量。应用本方法对实际样品和含多种有机污染物的土壤标准样品进行了分析,结果表明方法准确、实用,对于土壤中多种酚类化合物的测定效果良好。
GC-2010气相色谱仪,配备FID检测器(日本岛津公司); Turbo Vap II氮气浓缩装置(Caliper公司); FS-450探针式超声波处理器(功率:450 W,上海生析超声仪器有限公司)。
酚类化合物混合标准溶液：含苯酚(phenol)、对甲酚(p-methylphenol)、间甲酚(m-methylphenol)、邻甲酚(o-methylphenol)、2,4-二甲酚(2,4-dimethylphenol)、2-氯酚(2-chlorophenol)、2,4-二氯酚(2,4-dichlorophenol)、2,6-二氯酚(2,6-dichlorophenol)、4-氯-3-甲酚(4-chloro-3-methylphenol)、2,4,6-三氯酚(2,4,6-trichlorophenol)、2,4,5-三氯酚(2,4,5-trichlorophenol)、2,3,4,6-四氯酚(2,3,4,6-tetrachlorophenol)、2,3,4,5-四氯酚(2,3,4,5-tetrachlorophenol)、2,3,5,6-四氯酚(2,3,5,6-tetrachlorophenol)、五氯酚(pentachlorophenol)、2-硝基酚(2-nitrophenol)、4-硝基酚(4-nitrophenol)、2,4-二硝基酚(2,4-dinitrophenol)、2-甲基-4,6-二硝基酚(2-methyl-4,6-dinitrophenol)、地乐酚(dinoseb)、2-环己基-4,6-二硝基酚(2-cyclohexyl-4,6-dinitrophenol)等21种组分,1000 mg/L (Accustandard公司,甲醇介质),用甲醇稀释成100.0 mg/L 的标准储备溶液,于4 ℃冰箱中密闭避光保存;根据实际需要,稀释成系列梯度标准工作液。
土壤标准样品(SQC0-007,美国NSI Solution Inc.)。无水硫酸钠(分析纯,在300 ℃马弗炉中烘烤3 h后冷却备用)。正己烷、二氯甲烷、乙酸乙酯、甲醇等均为色谱纯试剂。实验用水为Milli-Q超纯水系统(美国Millipore公司)制备。盐酸、氢氧化钠等均为分析纯试剂。
DB-1MS毛细管色谱柱(30 m×0.25 mm×0.25 μ m,美国Agilent公司);进样口温度270 ℃;检测器温度280 ℃, FID燃气(空气)流量300 mL/min,助燃气(氢气,99.99% )流量35 mL/min;色谱柱温度:初始温度80 ℃,保持1.0 min,以10 ℃/min 的升温速率升至250 ℃,保持4.0 min;分流进样,进样体积1.0～2.0 μ L,分流比10 ∶ 1;尾吹气流量30 mL/min;载气为高纯氮气(99.999% ),柱流量控制模式为恒流模式,流速1.0 mL/min。
按照土壤监测技术规范[ 32 ]采集和保存土壤样品。实验时取土壤样品两份,一份用于测定水分,一份用于酚类化合物的测定。称取样品10 g左右(精确至0.01 g),加入处理过的无水硫酸钠,研磨至松散,加入30 mL二氯甲烷/正己烷混合溶剂(2 ∶ 1, v/v)超声波提取3 min,重复提取3次,合并提取液,将提取液初步浓缩至50 mL左右,转移至250 mL分液漏斗中备净化用。
称取土壤标准样品1g左右(精确至 0.0001 g),按照新鲜土壤样品处理步骤处理。
在1.3节所得提取液中加入纯水100 mL,用NaOH溶液调节pH＞12,充分振荡,静置分层后弃去下层有机相,保留水相部分。如被弃去的有机相颜色较深,可向水相中再加入二氯甲烷/正己烷混合溶剂(2 ∶ 1, v/v)反萃取2～3次(加入量为水相体积的1/2),弃去有机相;水相部分用HCl溶液调节pH＜3,加入二氯甲烷/乙酸乙酯混合溶剂(4 ∶ 1, v/v)25 mL,振荡萃取2次,合并有机相,在40 ℃水浴中氮吹浓缩至1 mL后进样分析。
酚类化合物种类繁多,本文选择对环境危害较大的苯酚、甲基苯酚、氯酚、硝基酚等21种化合物作为研究对象,基本涵盖了国内外环境污染关注度较高的毒性酚类化合物。酚类化合物分子结构中都含有酚羟基,有一定极性,对色谱柱的选择有一定要求。通过实验筛选了多种色谱柱。结果表明,低流失非极性色谱柱的分离效果较好,中等极性色谱柱需要较高温度才能保证组分的分离测定,但是高柱温会造成柱流失加大,基线抬高,对测定灵敏度造成影响。图1显示的是21种酚类化合物在非极性色谱柱上的分离情况,由于甲基等取代酚类化合物的同分异构体多,性质差别不大,因此有些同分异构体无法分离,如间甲酚和对甲酚,2,3,4,5-四氯酚和2,3,5,6-四氯酚,定量时可合并总量计算。
酚类化合物分子中都含有酚羟基,但是其他取代基的影响使其显示出的性质有差异。在提取土壤或者沉积物样品中的酚类化合物时,不能仅考虑酚羟基的性质,除了保证提取效率以外,还要顾及基体可能带来的干扰对净化效果的影响。实验中筛选了二氯甲烷、乙酸乙酯、正己烷、丙酮等常用试剂的不同混合比例的提取效率,应用国际权威土壤标准样品进行准确度验证(其中含15种酚类化合物),结果(见表1)表明含有丙酮的混合溶剂对于硝基酚类化合物的提取效率较差,二氯甲烷混合乙酸乙酯、正己烷的提取效果相对较好,能有效地提取土壤中的酚类化合物。考虑到提取液的碱性净化可能需要执行多次,若有机相在下层,净化操作将会更加便利,最终选择二氯甲烷/正己烷混合溶剂(2 ∶ 1, v/v)作为土壤中酚类化合物的提取溶剂。
酚类化合物属于弱酸性化合物,我们还进行了在土壤中增加酸性(滴加盐酸)的提取试验,结果显示调节酸性对固态样品中酚类化合物的提取回收率影响不明显。
索氏提取是经典的固体样品提取方式,而超声波提取是近年来发展较快的提取方式,有着提取装置简单、效率高、时间短的特点,特别是探针式超声波提取设备较常用的超声波清洗器效果更好,探头产生巨大冲击力对浸润样品进行反复冲击,加速有机化合物在提取溶剂中的溶解。分别称取10.0 g样品加入无水硫酸钠研磨分散后,加入二氯甲烷-正己烷(2 ∶ 1),采用探针式超声波与索氏提取进行比较,超声提取3次,每次3 min,索氏提取12 h,提取液净化后测定。应用土壤标准样品进行准确度验证,结果(见表2)表明探针式超声波提取的提取效率与索氏提取相当,可应用于土壤中酚类化合物的提取。
土壤中可被有机溶剂提取的有机物种类很多,不经净化处理直接分析会污染进样口和色谱柱,干扰色谱定性定量分析;特别是使用如FID等广谱性的检测器,更需减少干扰。酚类化合物有弱酸性,在碱性介质中倾向于形成盐而溶于水,在酸性介质中又重新形成中性分子而易于被有机溶剂提取。利用这种特性,对提取液进行酸碱分配净化[ 33 ],可以去除大多数不溶于碱性水溶液的有机化合物。
实验中考察了有机相与碱性水相的体积比、反萃取溶剂性质等因素对反萃取效率的影响,结果表明减小反萃取试剂的极性、脂溶性,增大碱性水相的体积比能将成盐的酚类化合物留在碱性水相中,洗去大多数非酸性有机化合物,从而避免对酚类化合物测定的干扰。最后选择的反萃取溶剂为二氯甲烷/正己烷混合溶剂(2 ∶ 1, v/v),控制水相和有机相的体积比大于2 ∶ 1效果较好,多次净化不影响回收率。
试验了反萃取pH对回收率的影响。收集反萃取后弃去的有机相进行浓缩测定,以考察反萃取效率。在pH 9、pH 12和pH＞12这3种情况下,分别反萃取1～2次的结果显示,二氯甲烷/正己烷混合溶剂(2 ∶ 1, v/v)可以将非酸性有机物有效洗去,达到净化的目的。以二氯甲烷、二氯甲烷/正己烷(2 ∶ 1、3 ∶ 1、4 ∶ 1, v/v)和正己烷作为反萃取溶剂,对土壤标准样品的提取液进行反萃取净化,将所得有机相用GC-MS方法进行全扫描监测,GC-MS条件如下:DB-1MS毛细管色谱柱(30 m×0.25 mm×0.25 μ m,美国Agilent公司);进样口温度270 ℃;色谱柱温度:初始温度60 ℃,保持1.0 min,以10 ℃/min 的升温速率升至250 ℃,保持4.0 min;分流进样,进样体积2.0 μ L,分流比10 ∶ 1;载气为高纯氦气(99.999% ),柱流量控制模式为恒流模式,流速1.0 mL/min。接口温度280 ℃;四极杆温度150 ℃;离子源温度230 ℃;全扫描质量数范围45～500 amu。结果显示,以二氯甲烷/正己烷混合溶剂(2 ∶ 1, v/v)作为反萃取溶剂时,有机相中残存的酚类化合物最少;且该有机相在下层,容易分离。全扫描监测显示,废液中含有大量的多环芳烃、硝基苯类等有机化合物。净化次数不会影响酚类化合物的回收率,可根据土壤提取液的情况多次净化,减少对色谱柱的污染。
经过净化后的样品需要选择合适的溶剂对酚类化合物进行萃取,最终浓缩后测定。EPA方法[3，16，33]对半挥发性化合物多用二氯甲烷萃取,试验中发现二氯甲烷对酚类化合物的萃取特异性并不好,大多数酚类化合物的回收率在60% ～70%之间。比较了二氯甲烷和二氯甲烷/乙酸乙酯以不同比例(4 ∶ 1～10 ∶ 1, v/v)混合后的提取效率,发现混合溶剂中乙酸乙酯的加入可使酸性条件下酚类化合物的回收率提高,特别是对硝基酚类化合物的影响尤其明显,最终选择二氯甲烷/乙酸乙酯混合溶剂(4 ∶ 1, v/v)作为萃取溶剂,目标化合物的回收率都在90%以上。萃取次数试验表明用混合溶剂萃取1次(50 mL)比萃取2次(25 mL)的回收率略低一些,但是差异不大。选择萃取1次可以节约时间,提高工作效率。酚类化合物属于酸性化合物,需要在酸性条件萃取,比较了pH 3、pH 2和pH＜2这3种条件下的萃取效率,结果显示回收率相对稳定,没有明显差别,只需调节pH在3以下即可。
配制21种酚类化合物的系列混合标准溶液,其质量浓度分别为1.00、5.00、20.0、50.0、100 mg/L,以峰面积对各组分的质量浓度作标准曲线,得到各组分的线性回归方程和相关系数，见表3。绝大部分组分的相关系数在0.999以上,能满足测定要求。
在10 g石英砂中加入低浓度酚类混合标准溶液(加入量1.0 μ g),重复测定7份样品,计算标准偏差S,按照检出限为3.14S计算检出限在0.01～ 0.06 mg/kg 之间,定量限(4倍检出限)在0.06～ 0.25 mg/kg 之间,完全能满足土壤中多种酚类化合物的测定要求。
称取10 g实际土壤样品，分别添加20.0 μ g标准物质,进行全程序添加试验,考查实际样品测定的精密度和准确度,实际样品和每种添加浓度平行测试6份,结果见表4。
本工作建立了超声波提取-气相色谱测定土壤中21种酚类化合物的方法。采用超声波快速提取方法,用二氯甲烷和正己烷的混合溶剂提取土壤中的苯酚、甲基酚、氯酚、硝基酚等21种酚类化合物,提取物经过碱性水溶液净化、二氯甲烷和乙酸乙酯混合溶剂萃取、浓缩后利用低流失高效毛细管气相色谱柱进行分离,用FID测定。经实际应用证明,所建立方法测定土壤中21种酚类化合物操作简单快速、定量准确,是实用、有效的测定方法。
2013, Vol. 31 Issue (11): 1081-1086
PDF (776KB)
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