超声提取气相色谱质谱法测定土壤中苯胺和硝基苯

刘 田，陈加伟，宋 洲，周宇齐，罗火焰，方绍敏

(湖北省地质实验测试中心,湖北 武汉 430034)

医药、印染、石油等工业生产过程中排放的废水以及突发性环境污染事件是苯胺和硝基苯的主要来源。由于其具有“三致”效应,已被多个国家列为优先控制污染物,中国也将其列入优先控制污染物黑名单。在《土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 36600—2018)中,明确了苯胺和硝基苯的风险筛选值和管制值。作为基本项目,苯胺和硝基苯被列入全国重点行业企业用地调查必测项目中。因此,有必要建立土壤中苯胺和硝基苯快速准确的分析方法。

环境土壤中的苯胺和硝基苯可通过气相色谱法[1-4]、气相色谱质谱法[5-10]和高效液相色谱法[11-12]等测定,此外,苯胺还可以通过高相液相色谱串联质谱法测定[13]。其中,气相色谱质谱法最为常用,也是全国重点行业企业用地调查推荐的同时测定苯胺和硝基苯的检测方法。在样品提取方面,方法主要有索氏提取法、超声波提取法、水蒸气蒸馏法、加速溶剂萃取、超临界流体萃取和微波萃取等[14]。由于苯胺和硝基苯具有一定的挥发性,而且苯胺热不稳定,容易氧化降解,因此,前处理方法需要能够实现低温萃取且具有较小的浓缩体积,才能保证二者的回收率。超声波提取法具有提取效率高、提取时间短、提取温度低等优点,对遇热不稳定、易水解或氧化成分具有保护作用,在土壤苯胺和硝基苯前处理中已有应用[2,3,15]。但是对于低浓度样品分析及氮吹浓缩过程中的损失情况,关注较少。

因此,本研究选择超声波清洗器萃取模式,考察了土壤苯胺和硝基苯的萃取回收效率；研究了不同浓缩倍数下苯胺的回收情况,探讨了氮吹浓缩过程中有效避免苯胺损失的解决方法；通过有证标准物质及实际土壤基质加标回收实验考察了方法的准确度与精密度,以期建立一种简单、快速、准确的测定土壤中苯胺和硝基苯的方法,满足该类物质大批量土壤样品分析的需求。

1 实验部分

1.1 主要仪器

Thermo Scientific Trace 1300气相色谱ISQ 7000质谱联用仪(美国Thermo Scientific公司)；Turbo VapII全自动氮吹浓缩仪(瑞典Biotage公司)；DGG-9140B型电热恒温鼓风干燥箱(上海森信实验仪器有限公司)；KQ-500DE型数控超声波清洗器(昆山市超声波仪器有限公司)；Milli-Q Direct 8型超纯水机(美国密理博公司)。

1.2 试剂与材料

毛细管色谱柱，DB-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm,美国Agilent公司)；苯胺，浓度为1 000 mg/L,甲醇介质；1-溴-2-硝基苯，浓度为5 000 mg/L,丙酮介质；2-氟联苯，浓度为2 000 mg/L,二氯甲烷介质；土壤中11种SVOC质控样,1瓶；上述产品均购于上海安谱实验科技股份有限公司。硝基苯，GBW(E)082759,浓度为1 000 mg/L；甲醇介质,购于坛墨质检—标准物质中心；二氯甲烷(色谱纯)；无水硫酸钠(分析纯,650 ℃灼烧4 h)、五水合硫代硫酸钠(分析纯)、氨水(分析纯)、石英砂(分析纯,650 ℃灼烧4 h)购于上海国药公司。

1.3 样品制备

称取10 g(精确至0.01 g)鲜样,添加无水硫酸钠研磨至流沙状,然后转移至250 mL锥形瓶中,加入1 g五水合硫代硫酸钠,依次加入200 μL氨水、内标、替代和40 mL二氯甲烷,密封后超声提取30 min(功率60 Hz,水槽中放置冰袋,确保水浴温度始终低于25 ℃),滤纸过滤,二氯甲烷润洗锥形瓶及滤纸后溶液一并转入氮吹管中,30 ℃,7～10 psi下浓缩至1 mL待上机测试。

1.4 分析条件

进样口温度，270 ℃,不分流进样；进样量，1 μL；色谱柱流速，1 mL/min；程序升温，初温50 ℃保持2 min,以35 ℃/min升至180 ℃,保持3 min,再以14 ℃/min升至300 ℃,保持8 min；进样溶剂，二氯甲烷。

2 结果与讨论

2.1 进样溶剂的选择

有机污染物溶于不同溶剂,其在GC-MS上的响应值存在差异[16]。为了消除因溶剂选择不当而引发质谱响应异常而影响样品的准确定量问题,本次首先比较了不同溶剂下苯胺和硝基苯的响应情况,结果如图1所示,相同浓度的苯胺和硝基苯在不同溶剂中响应存在差异,二氯甲烷中的响应最高。因此,在后续标准曲线配制及待测定样品所用溶剂均选择二氯甲烷,以消除溶剂效应引入的系统误差。

图1 苯胺和硝基苯在不同溶剂中的响应Fig.1 The response of aniline and nitrobenzene in different solvents

2.2 气相色谱条件的优化

2.2.1初始温度

通过程序升温,可实现目标组分与干扰物的有效分离,获得尖锐峰形的同时，缩短分析时间。其中,初始温度的设定较为关键[17]。本次研究了初始温度分别为50 ℃、60 ℃和80 ℃下苯胺和硝基苯的分离情况,如图2所示,随着初始温度的升高,苯胺和硝基苯的峰形开始出现展宽和拖尾,这主要是由于苯胺和硝基苯具有一定的挥发性[18],初温太高容易导致峰形变差。因此,在后续研究中选择色谱柱初始温度为50 ℃。

图2 色谱柱初始温度的影响Fig.2 The effect of initial column temperature

2.2.2升温速率

除了色谱柱初温之外,升温速率亦会对目标物分离有影响。如图3所示,在30 ℃/min的升温速率下,1-溴-2-硝基苯的峰形出现裂分；当在40 ℃/min速率下分离时,影响硝基苯与后面杂峰的分离；相比之下,以35 ℃/min的升温速率各目标物分离良好,满足检测要求。

图3 色谱柱升温速率的影响Fig.3 The effect of column heating rate

2.2.3进样口温度

考察了不同进样口温度下苯胺和硝基苯的响应变化情况如图4所示,随着进样口温度的增加,苯胺和硝基苯响应增加,在270 ℃时最大,进一步升高进样口温度,二者响应均下降,这可能与温度过高,导致苯胺和硝基苯热分解所致。因此,后续研究选择进样口温度为270 ℃。

图4 进样口温度的影响Fig.4 The effect of gas chromatographic injection temperature

2.3 前处理条件的优化

2.3.1氮吹浓缩

采用平行浓缩仪对样品提取液进行氮吹浓缩,在此过程中,水浴温度和氮吹压力是影响目标物回收率的关键因素。为此,本研究采用纯标液模拟实际样品提取液进行上述条件的优化,氮吹浓缩后加内标定容至1 mL上机测试如图5所示，在苯胺、硝基苯和2-氟联苯中,受氮吹条件影响较大的是苯胺,这可能与其沸点较低有关。在水浴温度为30 ℃和氮吹压力为7～10 psi的条件下,苯胺回收率最高。因此,在后续研究中选择氮吹浓缩条件为30 ℃,7～10 psi。

图5 氮吹浓缩条件的影响Fig.5 The effect of nitrogen blowing conditions

2.3.2提取剂用量

选取石英砂作为空白土壤,添加不同体积二氯甲烷进行提取,浓缩后添加内标定容至1 mL上机测定,苯胺、硝基苯和2-氟联苯的回收率情况如图6所示，苯胺和硝基苯受提取剂用量影响较大。尤其是苯胺,随着提取剂用量的增加,回收率从39.4%增至62.5%,进一步提高二氯甲烷用量,苯胺回收率下降明显,这与提取剂体积过大,氮吹时间长,苯胺挥发损失有关。因此,在后续研究中选择提取剂二氯甲烷用量为40 mL。

图6 二氯甲烷用量的影响Fig.6 The effect of the amount of dichloromethane

为了进一步证实苯胺氮吹浓缩过程中的损失,模拟100 mL苯胺提取液浓缩至不同体积后加内标上机测定回收率如图7所示，浓缩2倍至50 mL时,苯胺回收率为76.0%。随着浓缩倍数的增加,100倍至1 mL时,苯胺回收率仅有17.0%。因此,浓缩倍数过大正是在氮吹浓缩和提取剂用量优化过程中,苯胺回收率明显低于硝基苯和2-氟联苯的原因所在。

图7 浓缩倍数的影响Fig.7 The effect of concentration

2.3.3超声条件

考虑到降低浓缩倍数会影响方法的检出限,不利于实际低含量样品的测定。因此,参照《土壤和沉积物 苯胺类和联苯胺类的测定 液相色谱—三重四极杆质谱法(征求意见稿)》中前处理方式,在样品提取时加入内标。为此,本次研究选择实际土壤样品,按照本文1.3节样品制备方式进行处理,探索不同超声条件下目标物的回收率情况如图8所示,针对苯胺而言,超声功率60 Hz的条件下回收率明显占优；随着时间的延长,回收率从56.1%增至90.5%,进一步延长耗时、控温难度增大且回收率增加不明显。因此,本次研究选择超声条件为功率60 Hz,30 min。

图8 超声条件的优化Fig.8 The optimization of ultrasound conditions

2.4 校准曲线与检出限

采用二氯甲烷配制浓度均为50 μg/L、100 μg/L、200 μg/L、500 μg/L和1 000 μg/L的苯胺和硝基苯混合标准溶液,按照本文中1.4节的分析条件进行测试,以苯胺或硝基苯的质量浓度(C)与内标1-溴-2-硝基苯的质量浓度(Ci)比值为横坐标,以其定量离子峰面积的比值(A/Ai)为纵坐标进行线性回归分析,线性范围、相关系数及回归方程见表1。结果表明,在选定的实验条件下,两种目标化合物的线性相关系数均>0.999。

表1 苯胺和硝基苯的线性范围、相关系数、标准曲线及检出限Table 1 The linear range,correlation coefficients and method detection limits of nitrobenzene and aniline

根据《环境监测 分析方法标准制修订技术导则》(HJ 168—2010)的规定,通过连续测定7个接近于方法检出限的浓度考察了本方法的检出限,通过4倍检出限换算得到方法定量下限。按照本文中1.3节样品制备和1.4节分析条件,得到苯胺和硝基苯方法检出限分别为1.61 μg/kg和0.17 μg/kg,定量下限分别为6.44 μg/kg和0.68 μg/kg。

2.5 准确度试验

选择实际空白土壤进行加标回收试验,添加的质量浓度分别为10 μg/kg、20 μg/kg和100 μg/kg,每个浓度水平配制6个平行样品,所得平均加标回收率和相对标准偏差如表2所示，苯胺和硝基苯的回收率范围分别为67.7%～96.9%和83.5%～93.7%,测定结果的相对标准偏差分别在3.24%～10.2%和2.51%～7.26%。此外,通过有证标准测试,发现苯胺和硝基苯的测定值分别为1.68 mg/kg和2.32 mg/kg,落在允许的范围之类(苯胺：1.63～4.89 mg/kg,硝基苯：1.52～4.57 mg/kg),方法的准确度和精密度能够满足实际样品测定的需求。

表2 加标回收试验结果Table 2 Results of tests for recovery

2.6 实际样品分析

按照试验方法对2个实际土壤样品进行检测如表3所示。添加10 μg/kg进行基质加标回收实验,样品1中苯胺和硝基苯的回收率分别为107%和94.7%,样品2中苯胺和硝基苯的回收率分别为92.1%和95.7%。而如果通过提取后加入内标,则样品1和样品2中苯胺和硝基苯的基质加标回收率分别降为40.2%和43.6%、35.4%和38.4%,表明通过提取时加入内标的方式实际样品测定结果理想。

表3 实际样品测定结果Table 3 Analytical results of nitrobenzene and aniline in practical samples

3 结语

研究通过对进样溶剂、初始温度、升温速率、进样口温度、氮吹浓缩、提取溶剂、超声条件等分析与前处理条件的优化,建立了超声提取气相色谱质谱法测定土壤中苯胺和硝基苯的分析方法。结果发现,相比硝基苯而言,苯胺受氮吹浓缩条件影响较大,浓缩倍数越高,回收率越低。相比通过降低浓缩倍数的改进方法而言,通过提取时加入内标的方式不仅可以提高苯胺的回收率,而且不影响其方法检出限,苯胺和硝基苯的方法检出限分别为1.61 μg/kg和0.17 μg/kg。超声提取并同时添加内标,简化了前处理环节,提高了分析效率与准确度,能够满足实际大批量土壤样品中苯胺和硝基苯的快速准确测定。