吹扫捕集-气相色谱质谱法同步测定水中挥发性卤代烃、氯代苯和苯系物

    章勤 黄酉腊 舒天阁

    

    

    

    摘 ?????要：建立了吹扫捕集气相色谱质谱联法同时测定水中卤代烃、氯代苯和苯系物的方法，对吹扫条件和解析条件进行了优化。结果表明，经分析条件优化后，目标化合物的曲线相关系数在0.995～0.999 5之间，检出限在0.03～0.49 μg/L之间，相对标准偏差在1.28%～7.29%之间，具有很好的线性和精密度。方法用于地表水、生活污水和化工废水中23种有机物的测定，并进行了加标回收实验，地表水回收率在97.2%～109.9%之间，生活污水回收率在93.2%～113.1%之间，废水回收率在93.1%～106.4%之间，表明方法具有很好的准确度，可用于地表水、生活污水和化工废水中有机物的测定。

    关 ?键 ?词：吹扫捕集;气相色谱/质谱;挥发性卤代烃;氯代苯;苯系物

    中图分类号：O657 ??????文献标识码： A ??????文章编号： 1671-0460（2019）02-0403-07

    Abstract： A method was established to determine volatile halohydrocarbons， chlorobenzenes and benzene homologs in water by purge and trap gas chromatography/mass spectrometry. The purge and trap conditions were optimized. The results showed that the correlation coefficient of calibration curve was between 0.995～0.999 5， the detection limit was 0.03～0.49 μg/L and RSD of the method was 1.28%～7.29%.The method was applied to analyze surface water and domestic sewage and industrial wastewater. Average recovery of surface water samples was 97.2%～109.9%， average recovery of domestic sewage samples was 93.2%～113.1% and average recovery of industrial wastewater samples was 93.1%～106.4% The method has good accuracy， so it can be used for synchronous determination of volatile halohydrocarbons， chlorobenzenes and benzene homologs in surface water，sewage and wastewater.

    Key words： Purge and trap; Gas chromatography/mass spectrometry; Volatile halohydrocarbons; Chlorobenzene; Benzene homologs

    近年来，工业的快速发展引起大量的工业废水进入到水环境中，尤其是含有大量有机物的工业废水。其中，挥发性卤代烃、氯代苯和苯系物在工业生产中被大量使用，但其具有毒性，且易在生物体中富集，对人们的生存环境和人体健康构成潜在的威胁而引起很大的关注[1-5]。因此，对水中挥发性卤代烃、氯代苯和苯系物进行快速、准确分析的要求也越来越迫切。

    挥发性卤代烃、氯代苯和苯系物的检测方法通常采用顶空法和吹扫捕集法[6，7]，与顶空法相比，吹扫捕集法[8，9]具有富集效率高、受基体干扰小等优点，是目前水质分析中较为灵敏的样品前处理技术，与气相色谱-质谱法（GC-MS）[10-14]联用已广泛使用于有机物的测定，能准确地对待测组分进行定性定量分析。

    本文采用吹扫捕集-气相色谱质谱法对地表水、生活污水和工业废水中卤代烃、氯代苯和苯系物等23 种污染物进行定性和定量分析。该分析方法具有精密度好、成本低、分析效率高等优点，可用于地表水、生活污水和化工废水中23种有机物的测定。

    1 ?实验部分

    1.1 ?儀器与试剂

    仪器：气相色谱-质谱联用仪：Agilent 6890N，Agilent5975质量检测器，美国安捷伦公司;吹扫捕集仪：TEKMAR Atomx， 5 mL吹扫管，美国TEKMAR公司;Millipore Milli-Q Academic超纯水器：美国密理博公司。

    标准溶液：甲醇中28种有机物混合溶液标准物质（1，1-二氯乙烯、二氯甲烷、反-1，2-二氯乙烯、1，1-二氯乙烷、顺-1，2-二氯乙烯、三氯甲烷、四氯化碳、苯、1，2-二氯乙烷、三氯乙烯、一溴二氯甲烷、甲苯、四氯乙烯、一氯二溴甲烷、氯苯、乙苯、邻二甲苯、间二甲苯、苯乙烯、三溴甲烷、异丙苯、1，3-二氯苯、1，4-二氯苯、1，2-二氯苯、1，3，5-三氯苯、1，2，4-三氯苯、六氯-1，3-丁二烯、1，2，3-三氯苯），浓度均为100 μg/mL。

    其他：超纯水。

    1.2 ?仪器条件

    吹扫捕集条件：进样量5 mL。吹扫气为氮气，吹扫温度：20 ℃，吹扫流速：50 mL/min，吹扫时间：11 min。解吸温度：250 ℃，解吸流速：300 mL/min，解吸时间：2 min。烘烤温度：280 ℃，烘烤时间：2 min。

    色谱条件：毛细管色谱柱：HP-5MS UI （30 m×0.25 mm×1.0 μm），载气流量：1.0 mL/min。进样口温度：200 ℃;柱温采取程序升温：初始温度35 ℃，保持9 min，以3 ℃/min升至60 ℃，保持3 min，再以50 ℃/min升至150 ℃，保持2 min，最后以15 ℃/min升至220 ℃，保持2 min;分流进样，分流比10：1。

    质谱条件：离子源：EI;进样口温度：250 ℃;离子源温度：230 ℃，四级杆温度：150 ℃;离子化能量：70 eV;质谱开始时间延迟于GC3.00 min;质谱结束时间早GC3.00 min;扫描方式：SIM定量，方法中目标化合的定量离子和参考离子见表1。

    1.3 ?分析方法

    取水样装满 40 mL VOC 采样瓶中，装入自动进样器中，仪器自动从中取5 mL样品进入吹扫管吹扫，用GC/MS进行分析，以4-溴氟苯作为替代物， GC/MS选择离子模式，以峰面积进行定量分析。

    2 ?结果与讨论

    2.1 ?总离子流图

    2.2 ?实验条件优化

    采用TEKMAR Atomx自动吹扫捕集仪对标准物质进行样品处理，故通过对吹扫捕集的实验条件进行优化，以达到色谱峰峰型匀称，丰度大，分离效果好的目的，为后续对各目标物质绘制标准曲线、实际样品的测试打下基础。

    通过查阅文献[15-21]，结合实际仪器分析软件设置，确定了包括载气选择、吹扫条件以及解吸条件等三个对实验结果可能产生较大影响以及误差的样品处理条件，并对其进行实验优化，最终确定最佳的样品处理条件。

    2.2.1 ?载气的选择

    对实验室比较常见的载气氮气和氦气（纯度均为99.999%）进行实验。设置相同的进样口流量、温度、压力、分流比以及色谱柱等条件，对采用不同载气的样品进行分析，得到实验结果表明，这两种载气对实验结果影响在误差范围之内，可视为对实验结果无显著影响。故根据成本考虑，采用价格相对低廉的氮气进行后续实验。

    2.2.2 ?吹扫条件的选择

    本实验中对吹扫条件中的流量、温度以及吹扫时间这三大因素进行实验对比，以确定最优的吹扫条件。

    （1） 吹扫流量。通过控制变量法，对吹扫流量进行改变，分别选择30、40、50、60 mL/min的吹扫流量进行实验。以目标物质的峰面积为评价标准，根据实验结果，发现吹扫流量从30 mL/min上升至50 mL/min时，目标物质得到的峰面积随着吹扫流量的上升而明显增大，但当流量为50～60 mL/min区间时，增长幅度不明显且在误差范围之内，故选择50 mL/min为本次实验的吹扫流量。

    （2）吹扫温度。通过改变实验中吹扫样品的温度，寻找最佳的吹扫效果，分别设置吹扫温度为20、30℃、40、50 ℃。通过在不同温度下对同一浓度的样品进行分析实验，以目标物质的峰面积为评价标准，发现在这几个不同温度梯度下，目标物质峰面积均在误差范围内波动，视为基本没有发生改变，故选择默认20 ℃条件下进行后续实验。

    （3）吹扫时间。在优化吹扫时间的设置中，选择了7、9、11、13、15 min不同的时间梯度。通过控制上述已确定的设置参数，分别进行实验。在实验结果中发现，当吹扫时间在7～11 min时间段时，得到目标物质的色谱峰峰面积增长较快，但增长率逐渐减低。当在11～15 min时间段中，增长幅度不明显，目标物质的峰面积趋于平稳。因此，为了减少单次试验的时长，提高整体实验效率，将吹扫时长设置在11 min。

    2.2.3 ?解吸条件的选择

    对解吸条件中的流量、温度以及解吸时间这三大因素进行实验对比，以确定最优的解吸条件。

    （1）解吸流量。为保证吹扫后得到较高的分离度以及较好的峰型，需保证足够的解吸流量。在实验中，吹扫捕集默认的解吸流量为300 mL/min，实验结果表明，在该流量吹扫后能得到较高的分离度和峰型，故不对解吸流量进行调整。

    （2）解吸温度。确定解吸流量为300 mL/min，分别调整解吸温度为190 、210℃、230℃、250 、270 ℃。根据实验结果，按峰面积对目标物质进行统计，发现随着温度的升高，目标物质得到的峰面积也随之增大，同时增长幅度随之减小，但因本次实验目标物质沸点较低，出峰较早，故峰面积增长幅度不明显，同时考虑在本标准样品中最高物质的沸点为220 ℃左右，为确保吸附井不残留其他有机物，故将解析温度设置为默认值250 ℃。

    （3）解吸時间。通过对解吸时间的改变，确保各目标物质均解吸进入色谱柱。设置解吸时间为1、2、3、4、5 min。由结果表明，随着解析时间的延长，目标物的响应值增大，目标物解析更完全，对分析效果起增强作用。但同时，当解吸时，会有少量水分被分析系统，解吸时间越长，被带入的水分就越多，分析结果的准确性就会受到影响[18]。当解吸时间为2 min时，目标化合物组分已基本解析完全，因此本方法选择解析时间为2 min。

    2.3 ?标准曲线

    准确吸取0.1 mL标准溶液至100 mL磨口玻璃塞的容量瓶中，加入超纯水稀释至刻度线，得到标准使用液浓度为100 μg/L。取40 mL标准使用液至40 mL螺纹透明进样瓶中，使用Tekmar Atomx自动稀释系统，自动将标准使用液分别稀释成2、4、10、20、50 μg/L系列浓度的标准溶液进行测定。GC/MS选择离子模式，以峰面积进行定量分析，用峰面积与浓度制作工作曲线，具体标准曲线、相关系数和线性范围详见表2。

    2.4 ?相关系数和检出限

    相关系数详见表2，由分析结果表明，卤代烃、氯代苯和苯系物等23 种有机物标准曲线的相关系数均大于0.995，达到监测分析要求。

    检出限和测定下线见表2。按实验方法，以连续分析7个接近于检出限浓度的实验室空白加标样品，得到7次平行测定的方法标准偏差，按照公式MDL=t（6，0.99）×S进行计算，得到方法的检出限，其中t（6，0.99）取3.143。测定下限为4倍MDL。本实验以2.0 μg/L的VOC标准溶液作为实验室空白加标样品，挥发性卤代烃、氯代苯和苯系物的方法检出限为0.03～0.49 μg/L，而方法测定下限为0.12～1.96 μg/L。

    2.5 ?精密度和准确度试验

    加标回收和精密度的测定时按实验方法[8，15]，用超纯水进行了加标量分别为5、10、30 μg/L的试验，每种浓度各测定6次，具体试验结果详见表3。由试验结果可见，加标回收率为80.1%～119.2%之间，相对标准偏差为1.28%～7.29%之间，表明该分析方法准确可靠，能满足具体分析试验要求。

    3 ?水样的测定

    对镇海区某污水处理厂1、某污水处理厂2、某企业、某河道水、某水库水的水样进行了测试和加标回收分析。此法用于水中卤代烃、氯代苯和苯系物等23 种污染物的测定回收率在93.1%～113.1%之间，相对标准偏差在1.34%～9.93%之间，说明该分析方法准确可靠，能满足具体分析试验要求，具体可用于地表水、生活污水和工业废水中卤代烃、氯代苯和苯系物23种有机物的测定。

    4 ?结 论

    采用吹扫捕集气相色谱质谱选择离子法检测水中卤代烃、氯代苯和苯系物等23 种污染物时，方法线性好，检出限低，灵敏度高，操作简单，前处理绿色环保，方法能用于地表水、生活污水和工业废水中该23种化合物的测定。

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