近几十年来,随着海洋经济的快速发展以及工业化水平的不断提高,近岸海洋生态环境发生了较大的变化,污染问题也日趋严重,特别是有机污染产生了极大的危害。其中苯(benzene)、甲苯(toluene)、乙苯(ethylbenzene)、对二甲苯(p-xylene)、间二甲苯(m-xylene)、邻二甲苯(o-xylene)以及苯乙烯(styrene)等有较大生物毒性的苯系物(BTEX)通过各种方式进入海洋,已引起很多学者的关注[ 1, 2, 3, 4, 5, 6 ]。这些苯系物大多是极性较弱或非极性的疏水性化合物,比较容易吸附到非水相中[ 7 ]。因此,海洋中的苯系物会随着悬浮颗粒物的吸附,通过沉降而进入沉积物中;而存在于水体中的苯系物相对较少,Bianchi等[ 8 ]和Al-Rekabi等[ 9 ]的研究指出沉积物中苯系物的含量明显高于上覆海水。由此可见,沉积物是苯系物等疏水性有机污染物在海洋中的重要归宿。近年来,类似大连“7·16”爆炸溢油等海上溢油事故频发,含有大量苯系物的漏油以油膜、油块碎屑和沥青碎渣的形式存在于海水表面和海底沉积物中,生化降解时间较长,是海洋环境长期潜在的污染源[ 10, 11 ]。因此,准确测定海洋沉积物中BTEX的含量对监测海洋污染具有重要意义。
目前报道的海洋沉积物或者土壤中苯系物的分析处理方法有超声波萃取法[ 12 ]、顶空法[ 13 ]、胶束电动毛细管色谱法[ 14 ]和吹扫捕集法(P&T)[ 3, 15 ]等。这些方法具有样品前处理时间较长、易造成BTEX损失、重现性差或设备投入大、成本高等缺点。而固相微萃取(solid phase microextraction, SPME)具有操作时间短、样品用量少、方便、灵活、重现性好、精度高、检出限低等优点,并且不需要消耗有机试剂。该技术自出现以来,已应用于环境、食品、生物等许多分析领域的样品预处理[ 16, 17, 18 ]。本实验采用顶空固相微萃取(HS-SPME)与气相色谱-质谱(GC-MS)联用相结合的方法,建立了适合海洋沉积物中多种痕量苯系物的检测分析方法。通过优化实验条件,取得了最佳的分析效果,并应用于大连湾近岸海域表层沉积物中苯系物的分析检测。
气相色谱-质谱联用仪:Agilent 6890-5975C型,美国安捷伦公司。固相微萃取装置:包括固相微萃取搅拌加热平台、SPME萃取手柄、聚二甲基硅氧烷-二烯基苯(PDMS-DVB, 65 μ m)萃取头、搅拌子(3.0 mm×10.0 mm)、15 mL样品瓶(顶端带有孔盖子和聚四氟乙烯隔垫),美国Supelco公司。苯系物混合标准物质(500.0 mg/L,溶剂为甲醇)由苯、甲苯、乙苯、对二甲苯、间二甲苯、邻二甲苯以及苯乙烯组成;内标物:氟苯(fluorobenzene,200.0 mg/L,溶剂为甲醇);替代物:对溴氟苯(p-bromofluorobenzene,200.0 mg/L,溶剂为甲醇);以上均购自北京百灵威科技有限公司。其他试剂:甲醇(色谱纯),北京百灵威科技有限公司;氯化钠(优级纯), 300 ℃灼烧3 h,贮于密封瓶内于干燥器内备用;实验用水为经验证不含苯系物的纯净水。
SPME萃取头使用前在250 ℃的进样口内活化0.5 h,加入10 mL水和0.2 g NaCl;磁子转速:1000 r/min;萃取温度:45 ℃;平衡时间:10 min;萃取时间:40 min;解吸温度:220 ℃;解吸时间:2.0 min。
色谱柱:VF-WAXms毛细管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μ m);载气:高纯氦气(纯度为99.999% );载气流速:1.0 mL/min;升温程序:初始温度35 ℃(0 min),以5 ℃/min 升至80 ℃,再以15 ℃/min 升至110 ℃;进样口温度:220 ℃;进样方式:分流进样(分流比60 ∶ 1)。
离子源:电子轰击(EI)源；电子能量:70 eV;离子源温度:230 ℃；四极杆温度:150 ℃;灯丝延迟:2.0 min;扫描方式:选择离子扫描(SIM)。
将预先采集的远海无污染海洋沉积物样品置于烘箱中于300 ℃烘3～5 h以除去其中的苯系物,然后置于干燥器内冷却,打磨过筛后作为空白基体备用。进行分析之前加入实验用水进行空白实验,以确保不存在污染。
采用内标法定量,用甲醇分别配制含内标物(氟苯)和替代物(对溴氟苯)各2.0 mg/L 的标准储备溶液。分别准确量取适量的苯系物混合标准溶液和替代物(对溴氟苯),用水配制成标准储备溶液,稀释后得到含7种苯系物和替代物质量浓度分别为50.0、100.0、250.0、500.0、1000.0、2000.0 ng/L 的系列标准溶液,冷藏保存备用。
将容积为15 mL的样品瓶清洗干净,置于烘箱里,于130 ℃烘烤半小时,冷却备用。采样前,向每个样品瓶中放一个清洁的磁搅拌子,密封,贴标签并称重(精确到0.01 g)。取样时应尽量避免沉积物样品的扰动,采集适量样品至样品瓶底，快速清除掉样瓶螺纹处的样品(海上采样较难避免样品粘到瓶口),密封样品瓶。所有样品均至少平行采集3份(每份样品约1.0 g),另采集1份用于样品含水率的测定。采集的样品低温、密闭保存,运输转移过程中尽量避免剧烈晃动,并在48 h内尽快进行分析。测定前再次准确称重,加入少许处理后的氯化钠(约0.2 g)和10.0 mL水,然后分别加入2 μ L内标物和替代物标准储备溶液;拧紧带有聚四氟乙烯隔垫的盖子,调节磁转子转速为 1000 r/min,在45 ℃下平衡10 min;插入萃取头,推出针管内的萃取纤维,使之处于液面以上约0.5 cm,顶空萃取40 min后按照1.2节的实验条件进样及测定。
苯系物为极性相对较弱的疏水性物质,按照有机物与溶剂之间“相似相溶”的原则,选用PDMS-DVB固相微萃取头。由于苯系物挥发性较大以及沉积物基体较为复杂,适合采用顶空萃取法。进行固相微萃取时,在沉积物样品中加入适量的水有利于沉积物中苯系物的释放。同时,顶空体积的大小对纤维头的萃取量有直接的影响:增大顶空体积可以使分析物在液相和气相的分配平衡中向顶空气相移动;但过大的顶空体积又会造成分析灵敏度下降。按照仪器设备的推荐加入10 mL水,在此基础上考察苯系物的峰面积变化,从无机盐的加入、平衡时间、萃取温度、萃取时间、解吸温度及时间等多方面来探索最佳的固相微萃取条件。
无机盐NaCl的加入会降低苯系物在样品瓶液相中的溶解度[ 19, 20 ],从而使得苯系物容易从液相中挥发出来,使固相微萃取头能够吸附更多的苯系物。改变NaCl的添加量使其质量浓度分别为0、10、20、50和100 g/L,结果发现20 g/L 时,苯、甲苯、乙苯、对二甲苯、间二甲苯、邻二甲苯和苯乙烯的萃取量分别比未加入NaCl时提高了14% 、7.5% 、9.0% 、13% 、9.7% 、6.2%和3.4% ,增加NaCl的添加量萃取效率不再明显变化,这与张卓旻等[ 21 ]的研究结论一致。因此,确定在样品进行固相微萃取时加入20 g/L NaCl。
利用SPME萃取苯系物是建立在固、液、气三相体系平衡分配的基础上的[ 22 ]，待测物从基体挥发到顶空相中需要一定时间,该平衡时间的长短主要与其挥发特性相关。在室温下分别选取3、5、10、20 min作为平衡时间,研究其与响应值的关系。结果发现,苯系物比较容易从基体中释放出来,10 min即可达到平衡;增加平衡时间,SPME萃取效率反而下降。因此选定10 min作为优化的平衡时间。
温度是影响萃取速度和效率的一个十分重要的因素[ 23, 24 ]。升高温度可加快BTEX的挥发速度,但分配系数K也会随之下降。在其他条件不变的情况下,研究萃取温度为35、45、55 ℃时萃取量的变化。实验结果表明,多数苯系物的萃取量先随温度的增加而增大,当温度升至55 ℃时萃取量又减小,而苯的响应值随温度升高持续降低(见图1)。综合考虑将萃取温度设为45 ℃。
萃取时间是指从SPME萃取头与试样接触到吸附平衡所需要的时间,它也是影响涂层萃取量的一个重要因素[ 25, 26, 27, 28 ]。一般来说,影响萃取时间的因素很多,例如分配系数、试样的扩散速度、顶空体积、温度等。在其他条件不变的情况下,设置萃取温度为45 ℃,考察不同萃取时间下苯系物萃取量的变化曲线。结果如图2所示,40 min后苯系物萃取量已基本达到平衡,再延长萃取时间多数苯系物组分的响应值会有所下降,本着节约分析时间的考虑,选择40 min为优化的萃取时间。
解吸温度升高可加快解吸,但温度过高会影响到SPME萃取纤维的使用寿命。由于老化萃取头时的温度为250 ℃,因此将解吸温度设置为220 ℃。富集有BTEX的SPME萃取头分别在GC进样口解吸1.0、2.0和3.0 min,观察各组分响应值的变化情况。实验结果表明,解吸1.0和2.0 min时响应值相差不大,但解吸2.0 min时效果更好,解吸3.0 min时各组分响应值略有下降。将已解吸2.0 min的萃取头再次插入GC进样口解吸2.0 min进行检测,没有发现BTEX的残留,因此在220 ℃下解吸2.0 min能够满足实验要求。
在优化后的固相微萃取条件下,利用VF-WAXms色谱柱实现了7种苯系物、1种内标物以及1种替代物的完全分离,效果理想。采用较低的炉温,进行优化程序升温,实现了苯系物的快速分离,而且整个过程只有11 min。考虑到海洋沉积物中干扰成分较多,苯系物含量较低,本文首先在同样的色谱条件下进行全扫描,确定各组分的出峰时间,然后选取2～3个特征离子进行选择离子扫描(SIM),并根据出峰时间进行分组以提高仪器灵敏度。在设置的实验条件下进行实验,得到7种苯系物、1种内标物和1种替代物标准溶液的选择离子色谱图(见图3)。表1为各组分的出峰时间及选取的定性、定量离子。
本实验采用内标法定量,平行称取6份1.00 g预先处理好且经验证无苯系物的沉积物于15 mL顶空瓶中,分别准确加入1.3节配制的10.0 mL苯系物与替代物的系列标准溶液和2 μ L内标,模拟沉积物中0.500～20.0 ng/g范围内的各种苯系物和替代物。在上述实验条件下进行分析,以目标物和内标物的响应值比为纵坐标,浓度比为横坐标,绘制标准曲线。线性回归方程及方法检出限见表2,可见该方法的线性关系良好,相关系数均大于0.995。以模拟含苯系物和替代物浓度为0.500 ng/g的样品连续进行7次分析,方法检出限(MDL)按照美国EPASW-846中规定的方法计算得出:
配制含有7种苯系物和替代物质量浓度均为500.0 ng/L 的标准溶液,分别在日内不同时间和日间按照上述的实验方法进行重复测定,考察目标物峰面积的重现性,结果见表3。7种苯系物日内和日间相对标准偏差(RSD)分别为1.2% ～3.6%和0.4% ～6.3%,替代物的日内和日间相对标准偏差分别为2.9%和4.8% ,表明方法的重现性和稳定性较好。
平行准确称取1.00 g海洋沉积物样品进行加标试验,各类苯系物和替代物的加标水平分别为2.0和15.0 ng，每个加标水平进行5次重复测定,计算回收率和相对标准偏差,结果见表4。加标回收率和精密度良好:7种苯系物的平均加标回收率分别为61.7% ～79.5%和77.1% ～85.6% ,RSD分别为5.4% ～9.6%和3.9% ～7.6% ;替代物的平均加标回收率分别为78.6%和85.4% ,RSD分别为5.3%和2.9% 。对于挥发性有机物,海洋沉积物的吸附以及实验环境条件对低浓度的目标物的影响更加显著,低浓度分析物的加标回收率和相对标准偏差比高浓度的稍差一些。相对于土壤,海洋沉积物中有机质含量较高且颗粒的粒径较小,对目标物的吸附性更强,这是本实验加标回收率低于其他文献[ 29, 30, 31 ]报道的主要原因。
采集大连湾近岸海域海洋沉积物样品,按照上述的实验方法平行3次分析测定,利用内标法进行定量。图4为大连湾近岸海域海洋沉积物样品和空白样品的选择离子色谱图。表5为海洋沉积物样品扣除试验空白并经回收率和含水率校正后(干重)的测定结果,除苯和甲苯未检出外其余组分都有检出,各组分3次测定的RSD为1.1% ～7.6% 。结果表明该方法的重现性较好,适合实际海洋沉积物样品中苯系物的痕量分析。
本文在优化固相微萃取条件的基础上,采用顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用法测定海洋沉积物中的苯系物,得到了很好的分离效果。采用质谱SIM扫描可以排除其他化合物的干扰,提高分析方法的灵敏度,检出限达到ng/g水平,可检测出海洋沉积物中的痕量苯系物。该方法快速、灵敏、简便,准确度高,重现性好,适合海洋沉积物样品中苯系物的分析。
2013, Vol. 31 Issue (12): 1218-1223
PDF (882KB)
2013, Vol. 31 Issue (12): 1218-1223
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