膜萃取与超声衍生联用-负化学源质谱法测定地下水中酚类化合物_李晓亚.pdf

2014 年 3 月 March 2014 岩矿测试 ROCK AND MINERAL ANALYSIS Vol． 33，No． 2 270 ～274 收稿日期 2013 －04 －01; 接受日期 2013 －06 －24 基金项目 中国地质科学院水文地质环境地质研究所基本科研业务费项目 SK201204 ; 中国地质调查局项目资助 G201120 作者简介 李晓亚， 工程师， 主要从事地下水有机污染分析。E- mail lixiaoya0527126． com。 通讯作者 张永涛， 高级工程师， 主要从事水质有机分析。E- mail icpzytws126． com。 文章编号 0254 －5357 2014 02 －0270 －05 膜萃取与超声衍生联用 － 负化学源质谱法测定地下水中 酚类化合物 李晓亚，张莉，桂建业，张永涛*，张辰凌，赵国兴，田来生 中国地质科学院水文地质环境地质研究所，河北 石家庄050803 摘要 酚类化合物由于极性较大， 无法直接用气相色谱 － 质谱法测定， 需要通过衍生来降低其极性， 提高检 测灵敏度; 但是传统的衍生步骤繁琐， 干扰因素多， 操作难度大。本文对传统的前处理方法进行改进， 建立了 固相膜萃取、 超声衍生负化学源质谱测定地下水中酚类化合物的方法。水样萃取后将萃取膜直接放入衍生 瓶中， 利用超声波的作用力将洗脱和衍生合二为一， 超声完成后将溶液直接上机进行测定。测定低、 中、 高三 个浓度水平的加标样品， 各目标物的回收率均能达到 70 ～90， 检出限在 0． 25 ～0． 35 μg/L 之间， 相对标 准偏差小于 10， 能够满足地下水中酚类物质的检测要求。本方法将洗脱和衍生集于一体， 使用 2 mL 丙酮 进行洗脱和衍生就可将全部目标物回收， 简化了操作步骤， 减少了有机溶剂的使用量; 同时由于洗脱和衍生 是在密闭的环境中进行， 外界因素引入的干扰少， 克服了二次污染的问题， 测定数据更加可靠。 关键词 地下水; 酚类化合物; 固相膜萃取; 超声衍生; 负化学源质谱法 中图分类号 P641; O625． 31; O657． 63文献标识码 A 酚类化合物是芳香烃的羟基衍生物， 为原生质 毒， 对所有生物活性体均能产生毒性， 属高毒物 质 ［1 ］， 而且它可使水产生异味和颜色， 已被许多国 家和组织列入环境中优先监测的有机污染物 ［2 －3 ］。 根据国家环境保护部2010 年2 月发布的 第一次全 国污染普查公报 ， 重点流域 海河、 淮河、 辽河、 太 湖、 巢湖、 滇池 工业污染源的挥发酚排放量高达 1938． 63 万吨， 居于各类污染物排放之首 ［4 ］。酚类 化合物的监测和治理工作任重道远， 及时准确测定 环境中酚类化合物的含量是预防、 控制和治理酚类 化合物污染的基础和前提。 酚类 化 合 物 的 常 用 测 定 方 法 有 分 光 光 度 法 ［5 －9 ］、 气相色谱法［10 －13 ］、 高效液相色谱法［14 －15 ］、 气相色谱 － 质谱法 ［16 －17 ］等。分光光度法只能测定 挥发性酚， 不能测定具体的酚类化合物， 且操作费时 费力。高效液相色谱法在同时分析多种酚类化合物 时分离条件比较苛刻， 需要通过向流动相中添加缓 冲盐并且进行相应的梯度洗脱才能将各种酚类较好 地分离。衍生气相色谱 － 质谱法分离效果好， 灵敏 度高， 但衍生化过程繁琐。本文针对酚类化合物极 性大， 在 GC － MS 检测器上响应值低需要衍生的问 题， 建立了膜萃取与超声衍生联用 － 负化学源质谱 测定地下水中酚类化合物的方法。此方法利用超声 波产生的脉动和控制的空化作用增加湍流强度以及 相接触面积 ［18 －20 ］， 将洗脱与衍生合为一体提高反应 速率， 大大缩短前处理流程， 减少目标物的损失， 提 高了方法的精密度和准确度。 1实验部分 1． 1仪器和工作条件 气相色谱 － 质谱联用仪 GC － MSQP2010， 日本 岛津公司 ， 配负化学电离源 NCI 。 固相膜萃取装置 德国 CNW 公司 ， C18 膜 Φ47 mm， 美国 3M 公司 ， C8 膜 Φ47 mm， 美国 3M 公司 ， SDB － XC 膜 Φ47 mm， 美国 3M 公司 。 10 mL 刻度衍生瓶， KQ － 7100DV 数控超声波 清洗器 昆山市超声仪器有限公司 ， 水浴锅， MTN －2800W 氮吹仪 Auto SCIENCE 公司 。 072 ChaoXing 毛细管色谱柱 HP － 5MS 30 m 0. 25 mm 0. 25 μm 。色谱升温程序 初始 温 度 90℃， 以 25℃ /min 升至 300℃， 保持 1. 6 min。进样口温度 220℃; 进样方式 不分流; 进样体积 1. 0 μL。 质谱条件 离子源类型 负化学源 NCI ; 反应 气 甲烷; 质谱扫描方式 选择离子扫描 SIM 。电 离能量 70 eV; 离子源温度 200℃; 连接杆温度 220℃。定性定量参数见表 1。 表 1定性定量主要参数 Table 1The main qualitative and quantitative parameters 化合物 保留时间 min 定量离子 m/z 参考离子 m/z 2 － 甲基苯酚4． 83 107108 4 － 甲基苯酚4． 99 107108 2 － 氯苯酚 5． 35127128 4 － 氯 －3 － 甲基苯酚6． 08 141142 2， 4 － 二氯苯酚6． 34 161163 2， 3， 4， 6 － 四氯苯酚8． 23 231229， 233 1． 2标准品和主要试剂 标准品 2 － 甲基苯酚、 4 － 甲基苯酚、 2 － 氯苯 酚、 4 － 氯 －3 － 甲基苯酚、 2， 4 － 二氯苯酚、 2， 3， 4， 6 － 四氯苯酚， 均购自德国 Dr． Ehrenstorfer 公司。 二氯甲烷、 甲醇、 丙酮 色谱纯， 德国 Merck 公 司 ， 磷酸 分析纯， 石家庄市黄磷厂 ， 五氟苄基溴 99. 5， 美国 Supelco 公司 ， 碳酸钾 分析纯， 北京 天宇祥瑞科技有限公司 ， 无水硫酸钠 优级纯， 天 津市巴斯夫化工有限公司 。 1． 3样品前处理 依次用 10 mL 二氯甲烷、 10 mL 甲醇和纯水对 膜进行活化。在 200 mL 水样中用 50 磷酸调节水 样 pH 在 2 ～ 4 范围， 使水样以约 200 mL/min 速度 过膜萃取， 萃取后用真空泵将膜充分抽干 2 min， 然 后将萃取膜放入 10 mL 衍生瓶中， 加入 2 mL 丙酮、 30 μL 碳酸钾 300 g/L 、 100 μL 五氟苄基溴 30， 丙酮溶剂 ， 在 60℃、 功率 560 W 的条件下超声衍生 40 min， 然后上机进行测试。 2结果与讨论 2． 1萃取膜性能分析及萃取回收对比 分别选取适用范围较广的 C18 膜、 C8 膜以及适 用于极性较强物质的 SDB － XC 膜进行了萃取性能 的比对。水样浓度为 0. 5 μg/L 时 纯水加标样 ， 不同萃取膜的回收率见表 2。 C18 膜和 C8 膜的填料为烷基键合固定相， 这种 填料具有非极性有机配体和极性残余羟基， 目标物 在固定相上的保留由疏水作用和亲硅醇基作用共同 决定， 对极性化合物的保留较弱， 因此以其为填料的 C18、 C8 膜对多数酚类物质的吸附较差。而 SDB － XC 膜以官能化的、 高度交联的、 耐受极端 pH 环境 的苯乙烯 － 二乙烯苯球形聚合物为填料， 这是一类 高选择性吸附树脂， 其衍生化的非极性表面和高交 联度会产生较大的比表面积， 与 C8、 C18 膜相比， 不 存在表面残余羟基引起的亲硅醇基次级效应， 因此 使酚类化合物有较高的回收率。从表 2 可以看出， 使用 SDB － XC 膜萃取时， 各目标物的回收率均能达 到 70以上。本实验选择 SDB － XC 膜。 表 2酚类化合物在不同萃取膜上的回收率 Table 2Recoveries of phenols with different membranes 化合物 回收率 C18C8SDB － XC 2 － 甲基苯酚7．7 9．978．9 4 － 甲基苯酚14．6 10． 582． 5 2 － 氯苯酚 7．89．183．7 4 － 氯 －3 － 甲基苯酚15．763． 4 89． 1 2， 4 － 二氯苯酚9．7 64．991．2 2， 3， 4， 6 － 四氯苯酚25．6 72． 383． 4 2． 2pH 值对萃取效率的影响 通过 pH 值的调节可以有效提高吸附剂的选择 性和吸附力。相对于硅胶基体吸附剂， 改性苯乙烯 － 二乙烯苯球形聚合物吸附剂， 有较强耐受极端 pH 环境的特性。因此， 调节水样 pH 在 2 ～4 范围不会 使其性能受到影响， 而酚类化合物在此条件下主要 以非离子状态存在， 回收率能够得以保证， 本实验选 择萃取 pH 值为 2 ～4。 2． 3衍生条件 对影响衍生反应的主要因素 时间、 超声功率、 温度、 催化剂等 进行了优化， 并通过衍生物的回收 率来确定最佳条件。 2． 3． 1衍生时间、 功率和温度 表 3 实验结果表明， 衍生时间在 50 min 之内， 衍生物的回收率逐渐增大; 衍生时间为 50 min 时， 各目标酚类衍生物的回收率均达到最大值。各目标 物在 50 ～60℃温度下的衍生效果较好， 并且随着超 声功率的增大各目标物逐渐显示出较高的回收率。 综合考虑， 为避免酚的挥发， 本实验选择衍生时间为 40 min， 衍生温度 60℃， 超声功率 560 W。 172 第 2 期李晓亚， 等 膜萃取与超声衍生联用 － 负化学源质谱法测定地下水中酚类化合物第 33 卷 ChaoXing 表 3超声时间、 超声功率和衍生温度对回收率的影响 Table 3Effect of ultrasonic time，power and derivization temperature on recovery 化合物 不同衍生时间下的回收率 10 min30 min40 min50 min 不同功率下的回收率 280 W420 W490 W560 W 不同温度下的回收率 30℃40℃50℃60℃ 2 － 甲基苯酚32． 3 57．681．379． 946．253．365． 478．965．271．278．279． 5 4 － 甲基苯酚25． 7 48．179．481． 346．956．672． 382．561．369．579．980．1 2 － 氯苯酚39． 2 52．778．982． 647．361．978． 183．767．470．982．781．9 4 － 氯 －3 － 甲基苯酚20． 947．4 89．788． 235．653．279． 489．152．855．488．587．3 2， 4 － 二氯苯酚34． 8 57．990．889． 742．869．178． 291．259．962．989．790．2 2， 3， 4， 6 － 四氯苯酚32． 547．3 85．981． 745．659．772． 183．762．773．183．185． 3 2． 3． 2催化剂 碳酸钾在衍生反应中起促进催化作用。由于酚 类呈现弱酸性， 加入碳酸钾这类中性盐会改变反应 的环境， 这样反应中间体 活化复合物的活度就 会有所变化并影响到反应速度， 碳酸钾的加入还会 影响到弱酸弱碱的电离度从而影响反应速度， 这称 为中性盐的第一效应和第二效应 ［21 ］。实验发现， 加 入 200 μL 低浓度碳酸钾 100 g/L 和加入50 μL 高 浓度碳酸钾 300 g/L ， 其催化效果后者好于前者 见表 4 。这是因为， 尽管前者加入的碳酸钾绝对 量比后者大， 但其引入的水分也较多， 水分的存在会 导致衍生试剂和衍生产物的水解 ［22 ］。因此， 在衍生 之前充分脱水和尽量少的引入水分是很必要的。本 文使用高浓度的碳酸钾 300 g/L ， 并对其加入量进 行试验， 确定了催化剂碳酸钾 300 g/L 的加入量为 30 μL。 表 4碳酸钾的加入量对回收率的影响 Table 4Effect of K2CO3dosage on recovery 化合物 300 g/L 碳酸钾不同 加入量的回收率 10 μL20 μL30 μL50 μL 100 g/L 碳酸钾 加入量为200 μL 的回收率 2 －甲基苯酚10．2 47．878．980．165．1 4 －甲基苯酚13．1 50．282．581．372．3 2 －氯苯酚11．3 49．183．782．755．9 4 －氯 －3 －甲基苯酚12．963．1 89．190．261．2 2， 4 －二氯苯酚10．8 55．391．292．160．7 2， 3， 4， 6 －四氯苯酚15．963．1 83．481．871．3 2． 4方法线性范围和检出限 配制浓度范围在 10. 0 ～ 500. 0 μg/L 之间的酚 混合标准溶液， 按照 1. 3 节步骤操作， 利用外标法对 目标化合物的峰面积和浓度作线性回归， 分析结果 见表 5， 可以看出各化合物的线性相关系数均大于 或等于 0. 995， 线性良好。 配制 7 个浓度为 0. 5 μg/L 的加标水样进行全 流程处理， 检出限以 3 倍标准偏差计算， 各目标物的 检出限在 0. 25 ～0. 35 μg/L 之间 见表 5 。 表 5方法线性范围、 相关系数、 方法检出限 Table 5The linearity range，correlation coefficient and LOD 化合物 线性范围 μg/L 相关系数 检出限 μg/L 2 － 甲基酚10．0 ～500．0 0．9950．25 4 － 甲基酚10．0 ～500．0 0．9950．31 2 － 氯苯酚10．0 ～500．0 0．9970．28 4 － 氯 －3 － 甲基苯酚10．0 ～500．00．996 0．35 2， 4 － 二氯苯酚10．0 ～500．0 0．9980．27 2， 3， 4， 6 － 四氯苯酚10．0 ～500．0 0．9950．30 2． 5方法回收率与精密度 以某厂排污废水 含有 2， 4 － 二氯苯酚 200 mL 为基质添加低、 中、 高三个浓度的标准样品溶液， 浓 度分别为 0. 1、 0. 5、 2. 0 μg/L， 按照试验方法全流程 处理 浓缩 100 倍， 仪器检测浓度分别为 10 μg/L、 50 g/L、 200 μg/L ， 测定值减去未加标时的检测结 果， 除以理论加标量得到回收率， 并以 7 次测定结果 计算其精密度。结果见表 6， 可以看出各目标物在 低、 中、 高三个加标浓度下回收率均能达到 70 ～ 90， 相对标准偏差低于 10， 能够满足水体中酚 类化合物的分析需求。 表 6方法回收率及精密度 Table 6Recovery and precision tests of the 化合物 低浓度0．1 μg/L 回收率 RSD 中浓度0．5 μg/L 回收率 RSD 高浓度2．0 μg/L 回收率 RSD 2 －甲基酚71．2 6．981．65．782．25．0 4 －甲基酚72．3 7．177．76．283．95．3 2 －氯苯酚72．5 6．781．25．384．54．6 4 －氯 －3 －甲基苯酚75．27．3 81．66．387．15．7 2， 4 －二氯苯酚78．1 8．385．18．787．87．3 2， 3， 4， 6 －四氯苯酚74．99．6 76．58．883．17．2 272 第 2 期 岩矿测试 http ∥www． ykcs． ac． cn 2014 年 ChaoXing 3结语 本方法对水中酚类化合物采用固相萃取膜进行 萃取， 传质速度快， 萃取效率高; 同时将超声洗脱与 衍生联用， 使用含有衍生试剂的有机溶剂， 借助于超 声波的作用力将目标物解吸下来进行衍生反应， 本 方法各目标物的回收率在 70 以上， 相对标准偏差 在 10以下， 能够满足水中酚类物质的检测要求。 本方法将洗脱与衍生步骤合为一体， 大大简化 了操作步骤， 并且前处理实验是在密闭的环境中进 行洗脱和衍生， 引入的外界干扰因素相对较少， 污染 少， 测定数据更加可靠。与传统的前处理步骤相比 具有明显的优势， 本方法适用于大批量样品分析。 4参考文献 ［ 1］高超， 王启山， 夏海燕． 水体中酚类化合物测定方法的 研究现状［ J］ ． 天津化工， 2010， 24 4 41 －42． ［ 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with Ultrasonic Derivatization- negative Chemical Ionization Mass Spectrometry LI Xiao- ya，ZHANG Li，GUI Jian- ye，ZHANG Yong- tao*，ZHANG Chen- ling， ZHAO Guo- xing，TIAN Lai- sheng Institute of Hydrogeology and Environmental Geology，Chinese Academy of Geological Sciences， Shijiazhuang 050803，China Abstract Due to their strong polarity，phenolic compounds cannot be directly determined by Gas Chromatography- Mass Spectrometry． Derivatization can reduce the strength of the polarity of phenols，and improve the detection sensitivity． However，the traditional derivative steps are tedious，with many interference factors and complex operations． By applying improvements to the traditional pretreatment ，phenols in groundwater were measured through solid- phase membrane extraction combined with Ultrasonic Derivatization- Negative Chemical Ionization Mass Spectrometry． The membrane was transferred into a derivative bottle after extraction，and then the elution and derivatization were processed simultaneously using ultrasound． The solution was determined by Gas Chromatography- Negative Chemical Ionization Mass Spectrometry directly． By determining the spiked samples at different concentration levels，the recoveries of the for target components are in the range of 70 －90， the detection limits are 0． 25 －0． 35 μg/L and relative standard deviation RSD is less than 10． The proposed simplifies the traditional tedious steps by using 2 mL acetone for elution and derivation． All target objectives have good recoveries． Due to conducting the elution and derivation processes in an airtight environment，less interference factors were introduced without the problem of secondary pollution，and consequently the data were more reliable． Key words groundwater; phenols; solid- phase membrane extraction; ultrasonic derivatization; Negative Chemical Ionization Mass Spectrometry 472 第 2 期 岩矿测试 http ∥www． ykcs． ac． cn 2014 年 ChaoXing