环境科学  2015, Vol. 36 Issue (2): 736-743   PDF    
同步衍生超声乳化微萃取气相色谱法测定环境水样中的苯胺类化合物
田立勋, 戴之希, 王国栋, 翁焕新     
浙江大学地球科学系, 环境与生物地球化学研究所, 杭州 310027
摘要:本研究建立了一种针对环境水样中苯胺类化合物检测的新方法——同步衍生超声乳化微萃取气相色谱法(SD-USAEME-GC-FID). 通过氯甲酸丁酯(作为衍生剂/萃取相)的用量、超声时间、样品溶液pH值、离子强度和离心条件等因素对衍生/萃取效果影响的实验研究,确定了最优条件的关键性控制参数. 结果表明,在选定条件下分析测定环境水样中5种苯胺类化合物,在6~60000 μg·L-1浓度范围内线性良好,相关系数R2为0.9997~0.9999,检测限LOD(3倍信噪比)为1.1~4.1 μg·L-1,相对标准偏差RSD(n=6)为2.4%~5.7%,富集系数EF为317~846,测定7种实际环境水样的相对回收率RR为86.8%~105.5%. 本方法具有操作简便、灵敏度高、经济环保的特点,可以作为检测环境水样中苯胺类化合物的一种首选方法.
关键词环境水样     苯胺类化合物     检测     同步衍生超声乳化微萃取     GC-FID    
Determination of Anilines in Environmental Water Samples by Simultaneous Derivatization and Ultrasound Assisted Emulsification Microextraction Combined with Gas Chromatography-Flame Ionization Detectors
TIAN Li-xun, DAI Zhi-xi, WANG Guo-dong, WENG Huan-xin     
Institute of Environment & Biogeochemistry, Department of Earth Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China
Abstract: This research demonstrated a new method, simultaneous derivatization and ultrasound assisted emulsification microextraction combined with gas chromatography-flame ionization detector (SD-USAEME-GC-FID), for the determination of anilines in environmental water samples. In this study, several factors, such as the volume of butylchloroformate (as derivatization agent/extraction solvent), ultrasonication time, solution pH, salt addition, and centrifuging time and speed, were optimized in order to obtain good method performance. As a result, under the optimal conditions, the method showed good linearity in the concentration range of 6-60000 μg·L-1 with correlation coefficients (R2) ranging from 0.9997 to 0.9999 for the five target anilines. The limit of detection (LOD), based on signal to noise ratio of 3, ranged from 1.1-4.1 μg·L-1. The relative standard deviations (RSD) varied from 2.4% to 5.7% (n=6) and the enrichment factors (EF) ranged from 317 to 846. The proposed method was also successfully applied to analyze seven environmental water samples, with the relative recoveries (RR) ranging from 86.8% to 105.5%. In a conclusion, this method was convenient, highly sensitive, inexpensive and environment-friendly, and therefore, the present method can be used as a preferred method for the determination of anilines in environmental water samples.
Key words: environmental water samples     anilines     determination     simultaneous derivatization and ultrasound assisted emulsification microextraction     GC-FID    

在染料、 香料、 合成树脂、 农药和药品的生产过程中,苯胺类化合物作为合成中间体而被广泛地使用[1],它们很容易随工业废弃物被排放到河流、 湖泊和土壤中[2],成为对生态环境造成极大危害的有机污染物,部分芳香胺对人类具有高毒性,已经被确定为致癌物质[3, 4, 5]. 苯胺类化合物比前体物质更具极性,因而水溶性更强,这导致了它们在水环境中的迁移能力大大增强,其小剂量的存在就可能会对藻类、 鱼类等水生生物造成严重危害[3]. 为了能够有效地控制与治理苯胺类化合物对水体环境的污染,建立一种快速高效地检测环境水样中苯胺化合物的方法是十分必要的.

环境水体样中的苯胺类污染物含量通常处于痕量水平,为了使分析得到更加准确的结果,样品必须经过预处理[2,6]. 在苯胺类化合物样品的传统预处理方法中,固相萃取法(SPE)[3, 7, 8, 9]的成本较高,步骤繁琐,其改进后的固相微萃取法(SPME)[10,11]和顶空固相微萃取法(HS-SPME)[12],虽操作更为简便,但因其所用石英纤维质地较脆且使用寿命有限,故此方法价格较昂贵; 液相萃取法(LLE),基于分析物在液体样品与不溶于水的萃取剂之间的传递,是一种广泛使用的样品前处理方法,但存在操作繁琐、 萃取时间长和有机溶剂用量大的缺点[2,13],其改进的液相微萃取法(LPME)[14]实现了一步萃取,仅需要微量体积的有机溶剂来萃取液体样品中的分析物化合物,且富集系数高,近来,针对此方法,已经发展出了悬浮液滴微萃取法(SDME)[15],中空纤维膜微萃取法(HF-LPME)[16,17]和顶空液相微萃取法(HS-LPME)[18]等新方法. 但在SDME法的实际操作过程中,悬浮液滴的稳定性难以保证,而HF-LPME法也存在预处理时间长的问题[6]. 针对这些问题,Rezaee等[19]提出了一种新的液相微萃取技术——分散液相微萃取法(DLLME),这种方法因操作简便快速且富集系数高,而被广泛关注[6],然而,在DLLME法的操作过程中,仍需使用相当数量的有机溶剂,这对操作者来说,具有一定的危害性. 随后,针对有机溶剂的使用问题,Regueiro等[20]提出了一种与超声波辐射相结合的新型DLLME法,称为超声辅助乳化微萃取法(USAEME)[2],由于这种预处理方法不使用分散剂,因而更加绿色环保.

苯胺类化合物属于极性化合物,在气相色谱分析过程中,会引起拖尾和不可逆吸附,为了获得更好的色谱效果,通常需要进行衍生化,此外,衍生化还可以帮助前处理方法获得更宽的分析范围[21]. 衍生化可以分为柱前、 柱中和柱后衍生化,其中比较受欢迎的柱前衍生化,又可进一步分为萃取前衍生化、 萃取后衍生化和同步衍生化. 在同步衍生化过程中,萃取和衍生化同步进行,因而更加简单、 方便和节省时间[22, 23, 24, 25]. Farajzadeh等[21]使用氯甲酸丁酯(Butylchloroformate)作为衍生剂/萃取相,引入了一种基于同步衍生化和DLLME技术的苯胺液体样品分析新技术.

国内已有人单独应用同步衍生分散液相微萃取或超声辅助乳化液液微萃取的前处理技术研究环境水样中的有机化合物,如四溴双酚A[26]和加替沙星或氟罗 沙星[27],但尚未发现将二者结合起来分析环境水样中苯胺类化合物的研究工作. 为了使环境水样中苯胺类化合物的分析更加快速高效和绿色环保,本研究将同步衍生化和USAEME法二者的技术优点结合起来,通过对衍生/萃取效率影响因素的实验研究和技术优化,建立了一种新型液相萃取剂技术,即同步衍生超声乳化微萃取法(simultaneous derivatization and ultrasound assisted emulsification microextraction,SD-USAEME),并将其与气相色谱氢火焰离子化检测器(GC-FID)相结合,对实际环境水样中的苯胺类化合物进行了检测. 结果表明,这种方法对环境水样中苯胺类化合物的检测,具有操作简便、 灵敏度高、 绿色环保的特点.

1 材料与方法 1.1 化学药品和试剂

苯胺(Aniline,99.5%)、 2,6-二甲基苯胺(2,6-Dimethylaniline,99.0%)、 对甲苯胺(p-Touidine,99.0%)、 邻甲氧基苯胺(o-Anisidine,99.0%)和4-氯-二甲基苯胺(4-Chloro-2-methylaniline,98.0%). 盐酸、 氢氧化钠、 氯化钠和氯甲酸丁酯(作为衍生剂/萃取相)均为分析纯. 含量为3000 mg ·L-1的甲醇中苯胺储备液,在4℃条件下储存,储备液加去离子水适当稀释得到标准溶液. 1.2 样品采集与保存

本实验涉及到的环境水样共有7种,分别为:污泥干化冷凝液(S1),由本实验室内进行的印染污泥干化实验产生,干化温度为150℃; 城市垃圾渗滤液(S2),采自杭州天子岭垃圾填埋场; 城市污水(S3),采自杭州七格污水处理厂; 长江口水(S4),采自长江口; 钱塘江水(S5),采自杭州钱塘江; 西湖水(S6),采自杭州西湖; 自来水(S7),采自本实验室. 样品S1和S7,先收集于250 mL棕色细口玻璃瓶中,后经0.45 μm微孔滤膜过滤,装入100 mL带密封内塞的棕色螺口玻璃瓶,于4℃条件下保存直至分析; 样品S2~S6,先使用0.5 L有机玻璃水样采集器采集,后经0.45 μm微孔滤膜过滤,装入100 mL带密封内塞的棕色螺口玻璃瓶,放入装有冰袋的冷藏箱,运回实验室后,于4℃条件下保存直至分析. 1.3 仪器

用来分析和检测苯胺类化合物的气相色谱仪(FULI9790),装配有分流/不分流进样系统和氢火焰离子化检测器(FID),气相色谱柱为HT-5毛细管气相色谱柱(30m×0.25mm×0.25 μm,填充相5%-diphenyl-95%-dimethyl polysiloxane). 程序升温:初始80℃保留4 min,然后以8℃ ·min-1升温到160℃,于160℃保持2 min,之后以5℃ ·min-1升温到230℃结束. 进样器和检测器温度都设为270℃. 氮气(99.999%)为载气和尾吹气,流速分别为1.20 mL ·min-1和25 mL ·min-1,空气流速300 mL ·min-1,氢气流速30 mL ·min-1. pH值测量使用SevenGoTM pH-SG2 pH计. D-78532型离心机用来离心,XS205型分析天平用来精确称重,KQ-400KDE型高功率数控超声波清洗器用来完成超声过程,TES-1326S红外温度测量仪用来监控超声水槽内温度. Gaoge-50 μL微量进样针用于超声前氯甲酸丁酯的添加和离心后沉积相体积的测量,Gaoge-5 μL微量进样针(死体积为0)用于气相色谱进样分析. 1.4 SD-USAEME 步骤

将10 mL液体样品注入15 mL尖底玻璃离心管中,用50 μL微量进样针将20 μL氯甲酸丁酯(作为衍生剂/萃取相)快速注入液体样品中,之后拧紧离心管盖,将其移入装有2℃水的超声波清洗机水槽中. 在频率40 kHz、 功率50 W、 温度2℃的条件下超声7 min(超声过程中向水槽内加入适量细碎冰屑维持温度平衡),玻璃离心管内液体样品成乳浊液后,用离心机在4000 r ·min-1条件下离心6 min,使试管中的乳浊液完成相分离(沉积相总体积为10 μL). 用5 μL的气相色谱进样针(死体积为0)吸取试管底部的沉积相2 μL,注入气相色谱仪进行分析. 在上述衍生/萃取过程中,苯胺类化合物与氯甲酸丁酯发生化学反应生成酰胺类化合物,后被过量的氯甲酸丁酯萃取,其衍生化反应模式如下[28]

式中,R—NH2代表苯胺类化合物. 1.5 富集系数和相对回收率计算

在SD-USAEME过程中,富集系数(EF)被定义为沉积相中分析物浓度(csed)与原始环境水样中分析物浓度(c0)之比:

csed通过在衍生剂/萃取相(氯甲酸丁酯)中直接注入标准溶液所得的校准曲线获得.

苯胺化合物的相对回收率(RR),由原始样品加标后所得样品的测量值(cfounded),减去原始样品的测量值(creal),再除以加标量(cadded)获得:

2 结果与讨论

在本研究中,利用SD-USAEME法结合GC-FID,检验了环境水样中5种苯胺类化合物(苯胺,Aniline; 2,6-二甲基苯胺,2,6-Dimethylaniline; 对甲苯胺,p-Touidine; 邻甲氧基苯胺,o-Anisidine; 4-氯-二甲基苯胺,4-Chloro-2-methylaniline)的检测效果. 为了获得高回收率和富集系数,通过模拟实验,定量地确定了衍生剂/萃取相的用量、 超声时间、 pH值、 离子强度和离心时间等5个主要的技术控制参数. 2.1 衍生剂/萃取相体积的确定

衍生剂/萃取相的用量与萃取效果紧密相关,为了定量地分析衍生剂/萃取相(氯甲酸丁酯)的用量与回收率之间的关系,进行了氯甲酸丁酯用量与5种苯胺类化合物色谱峰面积的相关性研究. 实验条件为:去离子水加标溶液10 mL(每种苯胺加标浓度为1 μg ·mL-1); 衍生剂/萃取相氯甲酸丁酯体积,15、 20、 25、 30和35 μL; pH值为7; 离子强度为0%; 离心时间6 min,转速4000 r ·min-1. 每组实验重复3次. 图 1显示了苯胺类化合物色谱峰面积随衍生剂/萃取相体积的变化. 从中可以看到,随氯甲酸丁酯使用量的增加,色谱峰面积不断减少,当氯甲酸丁酯的使用量为15 μL时,获得了最大的色谱峰面积,但此时沉积相体积太小(4.5 μL),极难吸取且重现性不好,故选择氯甲酸丁酯的使用量为20 μL(此时沉积相体积为10 μL).

图 1 苯胺类化合物色谱峰面积随衍生剂/萃取相体积的变化 Fig. 1 Effect of derivatization agent/extraction solvent volume on the peak areas of anilines
2.2 超声时间的选择

在SD-USAEME过程中,超声时间定义为,从向待测样品中注入衍生剂/萃取相到离心开始的时间. 超声时间在乳化和质量传递过程中起重要作用,为了能在最短的超声时间内取得最佳的色谱效果,分析了不同超声时间对5种苯胺类化合物预富集的影响. 实验条件为:去离子水加标溶液10 mL(每种苯胺加标浓度为1 μg ·mL-1); 氯甲酸丁酯的加入量为20 μL; 超声时间分别为1、 3、 5、 7和9 min; pH值为7; 离子强度为0%; 离心时间6 min,转速4000 r ·min-1. 每组实验重复3次. 图 2显示了超声时间对苯胺类化合物预先富集的影响,从中可以看出,随着超声时间的增加,5种苯胺类化合物的色谱峰面积有规律地增加,当超声时间为7 min时出现峰值,之后开始下降. 超声时间9 min时峰面积减少,可能由于过长的超声时间破坏了乳化平衡状态,加大了目标分析物衍生化后形成的酰胺类化合物的挥发损失及水溶解性,从而导致了萃取效率的下降[2,29]. 因此,选择7 min为最适超声时间.

图 2 超声时间对苯胺类化合物预先富集的影响 Fig. 2 Effect of ultrasonication time on the preconcentration of anilines
2.3 样品pH值的影响

芳香胺类为碱性化合物,因此溶液pH值应该高于它们的pKa值(3.85~4.98)[6]. 因为在这种条件下,分析物大部分处于中性,相对于离子态而言,更易与氯甲酸丁酯反应并被萃取. 为了获得衍生/萃取的最佳酸碱条件,通过3次平行实验,分析了不同pH值对衍生/萃取过程的影响. 实验条件为:去离子水加标溶液10 mL(每种苯胺加标浓度为1 μg ·mL-1); 氯甲酸丁酯的加入量为20 μL; pH值3、 5、 7、 9和11; 超声时间为7 min; 离子强度为0%; 离心时间6 min,转速4000 r ·min-1. 图 3显示了样品溶液不同pH值对苯胺类化合物富集的影响结果. 从中可以看出,当pH值在3~7之间时,苯胺类化合物的色谱峰面积有规律地增加,在pH为7时达到峰值,之后色谱峰面积略有下降. 因此,衍生/萃取的最佳酸碱条件是样品溶液呈中性,即pH=7.

图 3 样品溶液pH值对苯胺类化合物富集的影响 Fig. 3 Effect of sample solution pH on the preconcentration of anilines
2.4 离子强度的影响

离子强度会影响分析物在水溶液与有机相之间的分配系数[20]. 在上述优化条件下,实验以对液体样品添加NaCl(0~2.5%,质量浓度)的形式,分析了离子强度对SD-USAEME过程的影响. 结果表明,随着NaCl浓度的增加,苯胺类化合物的色谱峰面积均有所增加,但是沉积相体积却从10 μL(NaCl 0%)迅速减少至4.5 μL(NaCl 2.5%). 考虑实际样品可能具有一定的盐度,故本方法不再对样品离子强度进行调节,即不加入NaCl. 2.5 离心条件的选择

离心作用可以打破乳化平衡状态,从而达到相分离的目的,离心是SD-USAEME过程中必不可少的一环,然而,离心时间对分析效果会产生明显影响. 为了确定适宜的离心时间,在去离子水加标溶液10 mL(每种苯胺加标浓度为1 μg ·mL-1); 衍生剂/萃取相氯甲酸丁酯的体积为20 μL; pH值为7; 超声时间为7 min的条件下,评价了转速为4000 r ·min-1时,不同离心时间(1~8 min)对分析效果的影响. 结果表明,在1~6 min的离心时间内,沉积相体积随离心时间的增加而增加,当离心时间大于6 min时,沉积相体积不再增加,基本保持不变. 因此,选定4000 r ·min-1条件下离心6 min为最佳的离心时间. 2.6 方法评估

当衍生剂/萃取相的用量、 超声时间、 pH值、 离子强度和离心时间这5个主要技术控制参数确定后,利用同步衍生超声乳化微萃取气相色谱法,标定了不同浓度去离子水加标溶液的相应校准曲线. 表 1给出了被测试的5种苯胺类化合物有关线性范围(LR)、 相关系数(R2)、 精确度(RSD)、 检测限(LOD)和富集系数(EF)等指标的相关参数. 从表 1中可以看出,5种苯胺类化合物在测试浓度范围内线性良好,相关系数R2在0.9997~0.9999之间; 苯胺和对甲苯胺的线性范围为6~60000 μg ·L-1,2,6-二甲基苯胺的线性范围为15~60000 μg ·L-1,邻甲氧基苯胺和4-氯-2-甲基苯胺的线性范围为9~60000 μg ·L-1; 根据对浓度为1000 μg ·L-1的标准溶液进行的6次平行实验,得到5种苯胺类化合物色谱峰面积的相对标准偏差(RSD)在2.4%~5.7%之间; 基于3倍的信噪比,得到5种苯胺类化合物的方法检测限(LOD)在1.1~4.1 μg ·L-1之间; 以苯胺类化合物在沉积相中的浓度与测试标准溶液(6000 μg ·L-1)中浓度之比得到富集系数(EF)在317~846之间.

表 1 同步衍生超声乳化微萃取气相色谱法检测环境水样中苯胺类化合物的相关指标参数 Table 1 Performance parameters of SD-USAEME combined by GC-FID in the determination of aromatic amines
2.7 环境水样分析

在以上优化条件下,利用同步衍生超声乳化微萃取气相色谱法,对7种环境水样进行了分析. 图 4为加标去离子水、 实际环境水样(S1~S3)和去离子水空白对照的气相色谱图,表 2为环境水样中苯胺类化合物的分析结果. 从图 4表 2可以看出,污泥干化冷凝液(S1)中检测到了苯胺、 2,6-二甲基苯胺、 对甲苯胺和4-氯-2-甲基苯胺,浓度分别为47.1、 23.2、 9.7和163.8 μg ·L-1; 城市垃圾渗滤液(S2)中检测到了苯胺、 邻甲氧基苯胺和4-氯-2-甲基苯胺,浓度分别为6.1、 19.7和38.6 μg ·L-1; 城市污水(S3)中检测到了苯胺和4-氯-2-甲基苯胺,浓度分别为12.9 μg ·L-1和11.7 μg ·L-1. 其他环境水样(S4~S7)中未检测出苯胺类化合物. 实验对7种环境水样分别进行了3组平行加标回收分析(加标浓度均为60 μg ·L-1),结果表明,被测试苯胺类化合物的相对回收率(RR)在86.8%~105.5%之间,色谱峰面积的相对标准偏差RSD(n=3)在2.6%~5.5%之间.

(A)加标去离子水(600 μg ·L-1); (B)去离子水空白对照; ①苯胺; ② 2,6-二甲基苯胺; ③对甲苯胺; ④邻甲氧基苯胺; ⑤4-氯-2-甲基苯胺 图 4 实际环境水样气相色谱图 Fig. 4 Gas chromatograms of the practical environmental water samples

表 2 环境水样中苯胺类化合物的分析结果 1) Table 2 Analytical results of anilines in real environmental water samples
2.8 与其他方法的比较

本方法与其他检测环境水样中苯胺类化合物方法的比较见表 3. 从中可以看出,同步衍生超声乳化微萃取气相色谱法测定环境水样中的苯胺类化合物,具有更宽的线性范围、 较低检测限和较少有机溶剂用量等优点. 与文献[3]的方法相比,本方法的线性范围更宽,且有机溶剂用量仅为其1/350; 与文献[14]的方法相比,本方法具有更宽的线性范围和更低的检测限,有机溶剂用量也大大降低. 与文献[30]的方法相比,本方法明显具有更低的检测限,且线性范围更宽. 通过与其它同类分析方法的综合比较,可知同步衍生超声乳化气相色谱法(SD-USAEME-GC-FID)具有一定的优点,可以作为检测环境水样中苯胺类化合物的一种新的方法.

表 3 同步衍生超声乳化微萃取气相色谱法与其他方法的比较 Table 3 Comparison of the proposed SD-USAEME-GC-FID method with other methods
3 结论

(1)本研究建立了一种针对环境水样中苯胺类化合物检测的新方法——同步衍生超声乳化微萃取气相色谱法(SD-USAEME-GC-FID). 根据实验所确 定的主要技术控制参数:衍生剂/萃取相(氯甲酸丁 酯)用量为20 μL,超声时间为7 min,样品溶液pH =7,不加入NaCl,离心时间6 min,转速4000 r ·min-1. 在此条件下,分别在印染污泥干化冷凝液中检测到苯胺(47.1 μg ·L-1)、 2,6-二甲基苯胺(23.2 μg ·L-1)、 对甲苯胺(9.7 μg ·L-1)和4-氯-2-甲基苯胺(163.8 μg ·L-1); 在垃圾渗滤液中检测到苯胺(6.1 μg ·L-1)、 邻甲氧基苯胺(19.7 μg ·L-1)和4-氯-2-甲基苯胺(38.6 μg ·L-1); 在城市污水中检测到苯胺(12.9 μg ·L-1)和4-氯-2-甲基苯胺(11.7 μg ·L-1); 其他环境水样,长江口水、 钱塘江水、 西湖水和自来水中未检测出苯胺类化合物.

(2)与已有方法相比,本方法具有较低的检测限(1.1~4.1 μg ·L-1),较宽的线性范围(6~60000 μg ·L-1); 将同步衍生与超声辅助乳化相结合的微萃取过程,使操作更为简便,有机溶剂的用量大大降低(仅需20 μL). 因此,同步衍生超声乳化微萃取气相色谱法具有操作简便、 灵敏度高、 经济环保的特点,在分析环境水样中苯胺类化合物方面具有明显的优势,可以作为检测环境水样中苯胺类化合物的一种首选方法.

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