柱前衍生-气相色谱法同时测定水中醛酮类和硝基苯类化合物_王磊.pdf

2010 年 10 月 October 2010 岩矿测试 ROCK AND MINERAL ANALYSIS Vol． 29，No． 5 486 ～490 收稿日期 2010- 01- 18; 修订日期 2010- 04- 29 基金项目 国土资源地质大调查 地下水污染测试技术研究项目资助 1212010634607 作者简介 王磊 1980 － ， 男， 河北阜城人， 助理工程师， 从事分析测试工作。E- mail wanglei8812126． com。 通讯作者 刘庆学 1965 － ， 男， 河北晋州人， 高级工程师， 从事分析测试工作。E- mail liuqingxue sina． com。 文章编号 02545357 2010 05048605 柱前衍生 －气相色谱法同时测定水中醛酮类和硝基苯类化合物 王磊，刘庆学*，安彩秀，高希娟，刘金巍，李娜 河北省地矿中心实验室，河北 保定071051 摘要 建立了柱前衍生 － 气相色谱法同时测定水样中醛酮类及硝基苯类化合物含量的检测方法。对影响 衍生效率的因素如溶液的酸度、 反应温度和时间、 衍生试剂 2， 4 － 二硝基苯肼 DNPH 的用量等因素进行 了试验， 确定了 DNPH 与醛酮类化合物反应生成腙的最佳条件为 pH 3 时 40℃恒温水浴反应 1 h。利用 二氯甲烷萃取反应生成的腙和硝基苯类化合物， 旋转蒸发仪浓缩， 氮吹转换甲醇相， 使用电子捕获检测器 的气相色谱仪测定目标化合物。各化合物的质量浓度与其色谱峰峰面积的线性相关系数均在 0． 9989 以 上， 方法检出限为 0． 01 ～ 0． 03 μg/L， 相对标准偏差 RSD， n 6 均低于 6． 0， 回收率在 89． 5 ～ 110． 2。方法简便、 经济、 回收率高， 可用于水质中醛酮类及硝基苯类化合物的检测。 关键词 柱前衍生; 气相色谱法; 2， 4 － 二硝基苯肼; 醛酮类化合物; 硝基苯类化合物; 水 中图分类号 O657． 71; O623． 511; O623． 521; O625． 61; P641文献标识码 A Simultaneous Determination of Nitrobenzene，Aldehyde and Ketone Compounds in Waters by Gas Chromatography with Pre- column Derivatization WANG Lei，LIU Qing- xue*，AN Cai- xiu，GAO Xi- juan，LIU Jin- wei，LI Na Hebei Geology and Mineral Center Laboratory，Baoding071051，China Abstract A for simultaneous determination of nitrobenzene，aldehyde and ketone compounds in water samples by gas chromatography with pre- column derivatization was developed．Parameters affecting the derivatization efficiency，such as pH，reaction time and temperature，dosage of derivatization reagent of 2， 4- dinitrophenylhydrazine DNPH were tested and optimized． The optimum derivatization condition was set at pH 3 and 40℃ for an hour in a water bath． The reaction products of hydrazone and nitrobenzene compounds were extracted with dichloromethane，concentrated by rotary evaporator and converting the system to methanol medium by nitrogen- blowing． And then the target compounds were determined by gas chromatograph with electron capture detector． The detection limits of the for organic components were in the range of 0． 01 ～0． 03 μg/L and the correlation coefficients of the calibration curves for the analytes were between 0． 998 9 ～ 0． 999 8． The recoveries were 89． 5 ～110． 0 with precision of ＜6． 0 RSD n 6 ． The provides the advantages of high recovery，high efficiency，economy，simple operation and is suitable for routine analysis of nitrobenzene， aldehyde，and ketone compounds in water samples． Key words pre- column derivatization; gas chromatography; 2， 4- dinitrophenylhydrazine; aldehyde and ketone compunds; nitrobenzene compounds; water 684 ChaoXing 醛酮类及硝基苯类化合物是水体中重要的污 染物， 对人类健康具有潜在的危害， 有些化合物已 被美国环保署、 欧共体以及我国列为环境优先控制 污染物 ［1 －3 ］。我国对集中式生活饮用水、 地表水水 源地中的甲醛、 乙醛、 硝基苯、 2， 4 － 二硝基甲苯、 2， 4 － 二硝基氯苯、 2， 4， 6 － 三硝基甲苯等化合物的 含量进行了严格限制 ［4 －5 ］。因此， 对水体中醛酮类 及硝基苯类化合物的分析检测显得尤为重要。 目前测定醛酮类及硝基苯类化合物的方法主 要有分光光度法、 示波极谱法、 液相色谱法、 气相色 谱法等 ［3， 6 －21 ］。光度法测定的组分单一， 易受酚以 及胺的干扰， 灵敏度低， 准确度较差。示波极谱法 虽是一种快速的分析技术， 但它能够测定的组分也 较少。液相色谱法测定硝基苯类及醛酮类化合物 有一些化合物共流出， 很难基线分离。醛酮类化合 物极性较高、 水溶性较大， 不易直接从水中提取， 采 用液上空间法处理样品气相色谱法测定， 使得检测 的灵敏度较低， 设备要求较高， 其应用受到了限制。 衍生化技术可以使一些醛酮类化合物转化为更适 用于气相色谱法分析的衍生物， 改善化合物的提取 效率和色谱行为， 提高分离度， 并降低检出限。2， 4 － 二硝基苯肼 DNPH 与羰基化合物在酸性介质 中可发生亲核加成反应生成腙， 利用气相色谱 － 电 子捕获检测器法 GC － ECD 分析衍生物是实现同 时测定醛酮类化合物较为理想的方法， 该方法可提 高醛酮类化合物的萃取效率， 改善峰形和分离效 果， 提高方法的抗干扰能力， 大幅降低方法检出限。 本文针对 DNPH 与醛酮类化合物的衍生物腙 与硝基苯类化合物具有结构相似的特征， 利用衍生 化可改变醛酮类化合物的萃取和色谱行为， 从而实 现了醛酮类与硝基苯类化合物的同时提取和测定。 该方法简化了操作流程， 减少了提取试剂用量和对 环境的影响， 可为水质检测提供技术参考。 1实验部分 1． 1仪器及工作条件 Agilent 6890N 气相色谱仪 美国 Agilent 公司， 配 μ － ECD 检测器 。工作条件为 进样口温度 250℃， 不分流进样， ECD 温度300℃， 进样量1 μL。 程序升温 初始温度 80 ℃ 保持 1min ， 以 10 ℃ /min速度升温至280℃ 保持0． 5 min 。载气流 速 1． 1 mL/min; 尾吹气流速 60 mL/min。 HP －5 色谱柱 30．0 m 0．32 mm 0．25 μm 。 水浴真空旋转蒸发仪 上海亚荣生化仪器 厂 ， HGC －24 氮吹仪 北京康林科技有限公司 ， 电子恒温水浴锅 北京中兴伟业仪器有限公司 。 1． 2标准溶液和主要试剂 甲醛、 乙醛、 丙酮标准溶液 均实验室自备， 参 见国家标准 生活饮用水标准检验方法 ［22 －23 ］。 2， 4 － 二硝基苯肼 DNPH 溶液 称取 0． 15 g DNPH 分析纯， 天津市福晨化学试剂厂 于250 mL 容量瓶中， 加入 45 mL 浓 HCl， 然后用水稀释至 250 mL， 使其完全溶解， 密封， 备用。 甲醛 － DNPH 标准溶液 将甲醛滴入 2 mol/L HCl 饱和的 DNPH 溶液中， 形成橙黄色沉淀。过滤 有色沉淀， 用 2 mol/L HCl 和水分别冲洗， 并让沉 淀在空气中干燥。称取 0． 0100 g 甲醛 － DNPH 于 100 mL 容量瓶中， 配制成 100 mg/L 的标准溶液， 定容后转移至棕色带螺旋盖内衬聚四氟乙烯密封 垫的试剂瓶中， 备用。 乙醛 － DNPH 标准溶液 将乙醛滴入 2 mol/L HCl 饱和的 DNPH 溶液中， 形成桔黄色沉淀。过滤 有色沉淀， 用 2 mol/L HCl 和水分别冲洗， 并让沉 淀在空气中干燥。配制过程同甲醛 － DNPH 标准 溶液。 丙酮 － DNPH 标准溶液 将丙酮滴入 2 mol/L HCl 饱和的 DNPH 溶液中， 形成黄色沉淀。过滤有 色沉淀， 用 2 mol/L HCl 和水分别冲洗， 并让沉淀在 空气中干燥。配制过程同甲醛 －DNPH 标准溶液。 2， 4 － 二硝基氯苯 － 甲醇、 2， 4 － 二硝基甲苯 － 甲醇、 硝基苯 － 甲醇标准溶液 浓度均为 1 000 μg/mL 国家环境保护总局标准样品研究所 。 2， 4， 6 － 三硝基甲苯 － 甲醇标准溶液 1． 00 mg/mL 中国计量科学研究院 。 柠檬酸 － 柠檬酸钠缓冲溶液 1 mol/L 量取 80 mL 柠檬酸溶液 1 mol/L 和 20 mL 柠檬酸钠溶 液 1 mol/L ， 充分混合。 二氯甲烷、 丙酮 均为农残级 美国 Fisher 公司 ， 甲醇 农残级， Dikma 公司 ， 无水 Na2SO4 分析纯， 天津市科密欧化学试剂有限公司 ， HCl 优级纯， 北京试剂化工厂 ， KOH 分析纯， 天津市 标准科技有限公司 ， 纯水 实验室自制 ， 滤纸。 无水 Na2SO4 550℃ 灼烧 4 h， 冷却后， 储存于 密闭容器中备用。 1． 3分析步骤 1． 3． 1衍生 量取250 mL 水样， 加入5 mL 柠檬酸 － 柠檬酸 钠缓冲溶液， 用 HCl 或 NaOH 调节溶液的 pH 3， 784 第 5 期王磊等 柱前衍生 － 气相色谱法同时测定水中醛酮类和硝基苯类化合物第 29 卷 ChaoXing 加入 DNPH 溶液， 40℃恒温水浴反应 1 h。 1． 3． 2提取与测定 冷却后加入 2． 5 g NaCl， 分别用 10 mL、 5 mL、 5 mL二氯甲烷萃取。合并二氯甲烷， 在二氯甲烷中 加入适量的无水 Na2SO4脱水 30 min， 用旋转蒸发仪 浓缩后， 氮吹换甲醇相， 定容至 2 mL， 然后用气相色 谱进行分析， 以保留时间进行定性， 峰面积定量。 2结果与讨论 2． 1衍生条件的确定 2． 1． 1体系的酸度 DNPH 是碱性物质， 一般都是把它制成氯盐的 形式保存。在反应时， 用一个弱碱使碱游离出来然 后与醛酮反应。此反应为亲核加成， 是一个酸性催 化反应。但是不能用强酸， 因为氢离子固然可以和 羰基结合成烊盐而增加羰基的亲电性能; 另一方 面， 氢离子和氨基结合， 形成铵离子的衍生物， 这样 就丧失了它的亲核能力 ［24 ］。因此， 选择合适的衍 生反应的酸度对衍生反应的效率及硝基苯类化合 物的提取是很重要的。 取一定量的甲醛、 乙醛、 丙酮、 硝基苯、 2， 4 － 二 硝基甲苯、 2， 4 － 二硝基氯苯、 2， 4， 6 － 三硝基甲苯 溶液于 250 mL 空白水中， 加入 5 mL 缓冲溶液 使 用弱碱柠檬酸钠 ， 分别调节溶液的 pH 值为 2、 2． 5、 3、 4、 5、 7， 在其他条件不变的情况下， 主要考察 酸度对衍生反应的影响。由图 1 可看出， 随着反应 体系 pH 值的增大， 3 种醛酮的衍生效率是先增大 后减小的。pH ＞5 时对硝基苯类化合物产生影响; pH 3 时， 3 种醛类化合物的衍生效率均达到最大 值且不会对硝基苯类化合物产生影响。因此， 本文 确定最佳酸度为 pH 3。 2． 1． 2反应温度和反应时间 向15 份250 mL 空白水中分别加入相同量的甲 醛、 乙醛、 丙酮、 硝基苯、 2， 4 － 二硝基甲苯、 2， 4 － 二 硝基氯苯、 2， 4， 6 －三硝基甲苯， 调节 pH 3， 加入适 量的 DNPH， 研究反应温度 40℃、 50℃、 60℃ 和反 应时间对测定结果的影响。从图 2 可以看出， 衍生 过程不会对硝基苯类化合物的测定产生明显的影 响; 随着反应温度的提高， 衍生效率会有下降， 40℃ 时衍生效果较好; 在同一温度下， 衍生效率随反应时 间变化而变化， 反应在 1 h 左右效果较佳。故本文 选择在40℃恒温水浴上反应1 h 为衍生条件。 2． 1． 3衍生试剂 DNPH 的用量 向6 份250 mL 空白水中分别加入相同量的甲 醛、 乙醛、 丙酮、 硝基苯、 2， 4 － 二硝基甲苯、 2， 4 － 二 硝基氯苯、 2， 4， 6 － 三硝基甲苯， 再分别加入 1、 2、 2．5、 3、 5、 6 mL 的 DNPH 溶液， 在其他条件不变的情 况下， 考察衍生试剂的用量对衍生效率及硝基苯类 化合物测定的影响。图 3 结果表明， 随着 DNPH 用 量的增加， 未见对硝基苯类化合物的回收产生明显 的变化， 但甲醛、 乙醛和丙酮腙的量是逐渐增加的; 当 DNPH 用量增加到2．5 mL 时， 各化合物腙的量达 到最大值， 之后随着 DNPH 用量的增加， 其腙的量基 本保持不变。随着 DNPH 用量的增大， 在浓缩的过 程中， 旋转蒸发仪瓶壁上会有一些黄色附着物， 当用 甲醇定容时， 附着物不易溶解， 会给测定带来误差。 因此， 本文选用 DNPH 溶液的用量为2．5 mL。 图 1酸度对衍生反应及化合物测定的影响 Fig． 1Effect of acidity on the derivatization reaction and the compound determination 图 2反应温度和反应时间对化合物测定的影响 Fig． 2Effect of reaction temperature and reaction time on the compound determination 884 第 5 期 岩矿测试 http ∥www． ykcs． ac． cn 2010 年 ChaoXing 图 3DNPH 的用量对衍生反应及化合物测定的影响 Fig． 3Effect of DNPH dosage on derivatization reaction and the compound determination 2． 2提取溶剂的选择 参考文献及标准 ［ 3 －7， 12 －15， 25 ］， 考察了二氯甲烷、 环己烷、 石油醚、 苯和乙酸乙酯5 种萃取剂的萃取效 果。取4 个500 mL 分液漏斗， 分别加入 250 mL 空 白水和 7 种化合物的混合标准溶液 20 μL 10． 0 mg/L ， 摇匀， 其中 3 个分别用 10 mL 二氯甲烷、 10 mL 环己烷、 10 mL石油醚各萃取3 次， 另外一个先用 15 mL 乙酸乙酯萃取再用 15 mL 苯萃取。均脱水干 燥浓缩后， 换甲醇相定容至 2 mL， 气相色谱进行分 析， 重复3 次， 计算平均回收率。由图 4 比较发现， 二氯甲烷的萃取效率远远高于环己烷、 石油醚和苯 与乙酸乙酯的萃取效率， 平均萃取效率均在 90以 上， 环己烷、 石油醚的萃取效率最高的也仅有 60 左右， 苯与乙酸乙酯对醛腙的回收也不好。二氯甲 烷萃取腙与硝基苯类化合物具有较佳的萃取效果， 故本文采用二氯甲烷作为提取剂。 图 4四种萃取剂的平均萃取回收率 Fig． 4The average extraction recoveries with the 4 extractants 2． 3色谱条件的选择与优化 由于目标化合物具有相似的结构， 通过文 献 ［ 3 －7， 9 －13， 18 －20 ］并结合实验， 选择了适用于分析芳香 族化合物的弱极性毛细柱 HP －5， 键合 5 体积分 数， 下同 的二苯基 － 95 二甲基聚硅氧烷， 由于 5的苯基提高了固定相的极性， 通过升温程序的优 化， 选择性略有提高。标准样品色谱图见图5。 图 5 7 种化合物的标准色谱图 Fig． 5The standard chromatogram of the 7 compounds 出峰顺序 1硝基苯; 22， 4 － 二硝基甲苯; 32， 4 － 二硝基氯 苯; 42， 4， 6 － 三硝基甲苯; 5甲醛 － DNPH; 6乙醛 － DNPH; 7丙酮 － DNPH。 2． 4线性范围和检出限 分别配制 10、 50、 150、 300、 600、 1000 μg/L 混 合标准溶液进行分析， 建立各物质的标准曲线， 经 线性回归得到线性方程为 y mx b 式中 x 为含 量， 单位 μg/L; y 为峰面积 。表 1 表明， 目标化合 物线性范围较宽， 线性方程相关系数均在 0． 9989 以上。在测定实际样品时各化合物的含量各不相 同， 所以标准曲线在实际工作中可做适当调整。 采用多次测定 3 ～5 倍信噪比时信号对应的浓 度的平均值计算仪器检出限， 方法检出限与取样量、 定容体积相关。仪器检出限及方法检出限见表2。 表 1方法的相关系数 Table 1The correlation coefficients of the for the analytes 待测化合物mb相关系数 硝基苯2401．46－119．070．9990 2， 4 －二硝基甲苯5998．79 1217．870．9992 2， 4 －二硝基氯苯6992．37 1155．660．9995 2， 4， 6 －三硝基甲苯4483．85 1288．490．9990 甲醛 －DNPH12258．27 －2519．380．9989 乙醛 －DNPH6614．20 1312．590．9998 丙酮 －DNPH10086．2 3762．380．9991 表 2检出限 Table 2The detection limits 待测化合物信噪比 LD/ μgL －1 仪器检出限方法检出限 硝基苯3．24．000．03 2， 4 －二硝基甲苯4．4 2．800．02 2， 4 －二硝基氯苯2．8 1．600．01 2， 4， 6 －三硝基甲苯3．4 1．400．01 甲醛 －DNPH3．5 1．200．01 乙醛 －DNPH3．9 2．000．02 丙酮 －DNPH3．2 1．000．01 984 第 5 期王磊等 柱前衍生 － 气相色谱法同时测定水中醛酮类和硝基苯类化合物第 29 卷 ChaoXing 2． 5精密度和回收率 为了考察硝基苯类化合物浓度对衍生的影响 及方法的精密度和回收率， 在空白水样中进行添加 回收试验。分别配制浓度为 1． 0 μg/L、 2． 0 μg/L 的模拟样品， 重复分析 6 次。表 3 分析结果表明， 在模拟样品中硝基苯类化合物未对衍生产生影响， 且各浓度的相对标准偏差 RSD 均低于 6． 0， 标 准添加样品平均回收率 R 在 89． 5 ～110． 0。 表 3方法精密度和回收率 Table 3Precision and recovery tests of the 待测化合物 加标浓度1．0 μg/L加标浓度2．0 μg/L RSD/R/RSD/R/ 硝基苯3．91110．04．10101．3 2， 4 －二硝基甲苯4．83 95．64．67100．0 2， 4 －二硝基氯苯5．20 97．84．5789．7 2， 4， 6 －三硝基甲苯2．74 105．13．6297．6 甲醛 －DNPH3．5589．5 2．94101．6 乙醛 －DNPH2．3293．2 2．1595．6 丙酮 －DNPH4．4190．9 5．9495．3 3结语 采用 2， 4 － 二硝基苯肼衍生， 液 － 液萃取气相 色谱法同时测定地下水中的醛酮类及硝基苯类化 合物， 回收率与精密度好， 同时缩短了分析时间， 方法经济、 高效， 可为水质检测提供技术参考。 4参考文献 ［ 1］宋艳宇， 宋长春， 柴俊海， 郭军， 赵全东， 李刚． 硝基 苯、 苯胺在湿地土壤不同有机组分中的吸附特征 ［ J］ ． 环境科学学报， 2009， 29 5 997 －1003． ［ 2］何雅娟， 纪洁． 硝基苯类溶液标准物质在环境监测中 的应用［ J］ ． 中国计量， 2008 3 75 －76． ［ 3］张婷婷， 谭培功， 单红， 房贤文， 董新春． 气相色谱法 测定地表水中醛酮类化合物［ J］ ． 岩矿测试， 2007， 26 5 363 －366． ［ 4］GB 38382002， 地表水环境质量标准［ S］ ． ［ 5］GB 57492006， 生活饮用水卫生标准［ S］ ． ［ 6］张兰英， 饶竹， 刘娜． 环境样品前处理技术［M］ ． 北京 清华大学出版社， 2008 134 －144， 394 －395． ［ 7］US EPA 554， Determination of carbonyl com- pounds in drinking water by DNPH derivatization and high perance liquid chromatography［ S］ ． ［ 8］Soukup R J，Scarpellino R J，Danielczik E． Gas chro- ma- tographic separation of 2， 4- dinitrophenyl- hydrazone derivatives of carbonyl compounds ［J］ ． Analytical Chemistry， 1964， 36 2255． ［ 9］母应锋， 杨丽莉， 胡恩宇， 纪英． 一滴溶剂微萃取 － 毛细管气相色谱法分析水中的七种硝基苯类化合物 ［ J］ ． 色谱， 2007， 25 6 876 －880． ［ 10］Spaulding R S， Charles M J． Comparison of s for extraction，storage and silylation of pentafluoro- benzylderivativesofcarbonylcompoundsand multifunctional carbonyl compounds［J］ ．Analytical and Bioanalytical Chemistry， 2002， 372 808 －816． ［11］US EPA 8091，Nitroaromatics and cyclic ketones by gas chromatography［ S］ ． ［ 12］ 俎建文， 赵茜， 胡亚奇． 毛细管柱气相色谱法测定水 样中硝基氯苯类化合物［J］ ． 中国卫生检验杂志， 2008， 18 3 456 －457． ［ 13］ 刘云， 沈幸， 鲜啟鸣， 邹惠仙， 孙成． 地表水中微量氯 代芳烃和硝基取代芳烃化合物的分析方法［J］ ． 环境化学， 2005， 24 4 463 －466． ［ 14］ 李利荣， 吴宇峰， 杨家凤， 时庭锐， 袁倩， 魏恩棋． 固相 萃取 －气相色谱法测定水中硝基苯类有机污染物的 方法研究［ J］ ． 中国环境监测， 2007， 26 1 11 －15． ［ 15］ Prosen H，Zupancic- Kralj L． Solid- phase microextrac- tion［ J］ ． Trends in Analytical Chemistry， 1999， 18 4 272 －282． ［ 16］ 赵永刚， 胡冠九， 宁占武， 张祥志， 章勇， 周春宏． 2， 4 － 二硝基苯肼固相吸附/高效液相色谱法测定车内 空气中醛酮类物质［ J］ ． 环境监测管理与技术， 2008， 20 3 38 －40． ［ 17］ 徐晓力， 徐晓虹， 王宣． 气相色谱法测定废水中的 7 种低分子量醛、 酮和醇［ J］ ． 甘肃环境研究与监测， 2000， 13 4 193 －194． ［ 18］ 祝惠英， 郭素荣， 石磊． 毛细管气相色谱法测定空气 中低分子醛酮化合物［J］ ． 青岛大学学报， 2002， 17 1 90 －92， 96． ［ 19］Ohata H， Otsuka M， Ohmori S． Determination of acet- aldehyde in biological samples by gas chromato- graphy withelectron- capturedetection ［J］ ．Journalof Chromatography B， 1997， 693 2 297 －305． ［ 20］ 高先池， 杨桂朋， 陆小兰． 大气环境中醛酮类污染物 检测技术进展［J］ ． 中国海洋大学学报， 2004， 34 Z1 190 －196． ［ 21］ 胡冠九． HPLC 法测定水和废水中的醛酮类化合物 ［ J］ ． 环境监测管理与技术， 2004， 16 2 25 －27． ［ 22］ GB/T 5750． 102002， 生活饮用水标准检验方法; 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