磁性氯甲基聚苯乙烯微球固相萃取-氣相色譜-串聯質譜法測定環境水樣中7種硝基苯類化合物

董云淵，陳林吉，葉學敏，曹小吉*

(1.浙江工業大學化學工程學院，杭州310014;2.浙江工業大學分析測試中心，杭州310014)

磁性氯甲基聚苯乙烯微球固相萃取-氣相色譜-串聯質譜法測定環境水樣中7種硝基苯類化合物

董云淵1，陳林吉2，葉學敏1，曹小吉2*

(1.浙江工業大學化學工程學院，杭州310014;2.浙江工業大學分析測試中心，杭州310014)

采用磁性氯甲基聚苯乙烯微球(CMPNs)固相萃取-氣相色譜-串聯質譜法測定環境水樣中7種硝基苯類化合物(NBs)的含量。優化的試驗條件如下:①萃取劑為CMPNs材料;②CMPNs的用量為15.0 mg;③萃取時間為4 min;④氯化鈉的加入量為340 g·L－1;⑤洗脫劑丙酮的用量為3 mL;⑥洗脫時間為1 min。氣相色譜分離用HP-INNOWAX色譜柱，質譜分析采用全掃描和選擇離子監測模式。7種NBs的質量濃度均在0.2～4.0μg·L－1內與其峰面積呈線性關系，方法的檢出限(3S/N)在0.006～0.022μg·L－1之間。7種NBs測定值的相對標準偏差(n=6)在0.30%～5.3%之間。方法用于環境水樣的分析，回收率在72.4%～113%之間。

氣相色譜-串聯質譜法;CMPNs;固相萃取;環境水樣;NBs

硝基苯類化合物(NBs)是硝基芳香族化合物的總稱，被廣泛用于染料、農藥、炸藥、造紙和紡織等工業［1］。然而該類化合物屬于高毒有機污染物，且易在環境中累積，其在工業生產中往往會因為轉化不徹底而形成殘留，并隨廢水一起排放到環境中，進而對地表水和地下水造成污染。我國現有的硝基苯限量標準(GB 22573-2008)［2］中規定農田灌溉用水中硝基苯的質量濃度不得超過2 mg·L－1。硝基苯在環境水樣中殘留量低，且存在復雜基體的干擾，在分析前需要對其進行富集和凈化［3-15］。

目前分析環境水樣中NBs的前處理方法主要有液液萃取(LLE)［5］、固相萃取(SPE)［6-10］、液相微萃取(LPME)［11-14］和單滴微萃取(SDME)［15-16］等。然而，這些方法操作繁瑣復雜，需要消耗大量的時間或使用有毒有機溶劑。近年來，磁性固相萃取技術越來越廣泛地用于環境樣本中痕量污染物的富集和凈化。離子液體物理修飾的磁性石墨烯可用于環境水樣中5種NBs的超聲輔助磁性固相萃取，但該萃取方法存在上樣量較小，離子液體不能回收利用等缺點［17］。有文獻報道采用一步細乳聚合法制備磁性氯甲基聚苯乙烯微球(CMPNs)［18］，所制得疏水的磁性納米微球表面的氯甲基聚苯乙烯層容易通過π-π作用吸附芳香類化合物，已用于水樣中鄰苯二甲酸酯的磁性固相萃?。?9］，并取得了較好的萃取效果，而將該材料用于環境水樣中NBs的磁性固相萃取(MSPE)還未見報道。本工作以CMPNs為磁性固相萃取的磁性吸附劑，在超聲輔助下，通過對CMPNs用量、超聲萃取時間和洗脫溶劑用量等影響磁性固相萃取效率的相關因素進行系統優化，結合氣相色譜-串聯質譜法(GC-MS/MS)，建立了一種簡便快速、綠色環保的篩查環境水樣中痕量NBs的分析方法。

1 試驗部分

1.1 儀器與試劑

Agilent7890A-7000B型氣相色譜三重四極桿質譜儀，CTC多功能自動進樣器;Milli-Q型超純水純化系統。

7種NBs的標準儲備溶液:均為100 mg·L－1。

7種NBs的標準溶液:均為10 mg·L－1，4℃避光保存，使用時根據需要用丙酮逐級稀釋成不同濃度的混合標準溶液系列。

甲醇、丙酮為色譜純;試驗用水為超純水(電阻率18 MΩ·cm)。

1.2 儀器工作條件

1)色譜條件HP-INNOWAX色譜柱(60 m× 0.25 mm，0.25μm);載氣為氦氣，流量1 mL· min－1;進樣方式為不分流進樣，進樣量1μL，進樣口溫度240℃。程序升溫:初始溫度50℃，保持2 min;以20℃·min－1速率升溫至240℃，保持5 min。

2)質譜條件電子轟擊電離源(EI)，電離能量70 eV;離子源溫度230℃，傳輸桿溫度250℃;質量掃描范圍m/z 30～650;碰撞氣為氮氣，流量1.5 mL·min－1。

1.3 試驗方法

1.3.1 CMPNs的合成

CMPNs采用一步細乳聚合法制備［18］。

1.3.2 磁性固相萃取過程

稱取CMPNs 15.0 mg，依次用甲醇3 mL和水3 mL浸泡2 min活化。在一定量的加標水樣中加入氯化鈉34 g，溶解定容至100 mL，再向其中加入上述活化后的CMPNs，超聲萃取4 min后經外加磁場分離，接著用3 mL丙酮對磁性吸附劑材料上的NBs超聲洗脫1 min，收集洗脫液，常溫下氮吹至1 mL以下。最后用丙酮定容至1 mL，過0.22μm尼龍濾膜后，按儀器工作條件進行測定。

2 結果與討論

2.1 NBs在CMPNs上的吸附等溫線

吸附等溫線對了解NBs在CMPNs表面的吸附性能非常重要。15.0 mg的CMPNs被用來吸附100 mL水中不同質量濃度的7種NBs。NBs在CMPNs上的吸附等溫線見圖1。

圖1 NBs在CMPNs上的吸附等溫線Fig.1 Adsorption isotherms of NBs on CMPNs

平衡吸附量(Qe)與平衡濃度(ρe)的定量關系符合Langmuir等溫吸附模型，由吸附等溫式可得硝基苯飽和吸附量為4 723 ng·g－1，其余6種NBs飽和吸附量在14 024～23 578 ng·g－1之間。由圖1可知:NBs的質量濃度增大到4μg·L－1時，CMPNs對它們的吸附仍未達到飽和［19］。

2.2 磁性固相萃取條件的選擇

為了獲得CMPNs對NBs的最佳萃取效率，試驗分別對影響萃取過程的主要因素如萃取劑種類、鹽的用量、磁性萃取材料用量、萃取時間、洗脫溶劑體積、洗脫時間等因素進行了考察。試驗考察過程的加標水樣質量濃度為1μg·L－1。

2.2.1 萃取劑

試驗考察了二氧化硅包覆四氧化三鐵鈉米微球材料(Fe3O4@SiO2)、乙烯基硅烷修飾的Fe3O4@ SiO2、聚合離子液體修飾的Fe3O4@SiO2、NMPNs、羧化Fe3O4@SiO2和氨化Fe3O4·SiO2等6種不同磁性材料作為萃取劑時對NBs的萃取效率，結果發現，CMPNs明顯優于其他5種材料。推測原因是其他5種磁性材料與NBs之間基本不存在π-π相互作用，而CMPNs表面含有大量苯環結構，能通過ππ相互作用吸附NBs。試驗選擇CMPNs作為萃取劑。

2.2.2 萃取劑的用量

試驗考察了CMPNs的用量為5.0，10.0，15.0，20.0 mg時對萃取效率的影響，結果見圖2。

圖2 CMPNs磁性材料的用量對萃取效率的影響Fig.2 Effect of amount of CMPNs magnetic material on extraction efficiency

由圖2可知:當CMPNs的用量為15.0 mg時，萃取率達到最大值。試驗選擇CMPNs的用量為15.0 mg。

2.2.3 萃取時間

試驗考察了萃取時間依次為4，8，12，16 min時對萃取率的影響，結果表明:隨著萃取時間的延長，萃取率基本沒有變化。試驗選擇萃取時間為4 min。

2.2.4 鹽的用量

試驗考察了氯化鈉的加入量為0，150，250， 340 g·L－1(鹽的用量再多會導致氯化鈉析出)時對萃取率的影響。結果發現:隨著氯化鈉加入量的增加，萃取率有明顯的改善;當氯化鈉量的加入量為340 g·L－1時，萃取效果最好，可能是鹽析效應，即氯化鈉的加入降低了硝基苯在水中的溶解度。試驗選擇氯化鈉的加入量為340 g·L－1。

2.2.5 洗脫劑用量和洗脫時間

試驗以丙酮為洗脫劑，考察了丙酮用量依次為1，2，3，4 mL時對萃取率的影響。結果表明:當丙酮的用量為1，2 mL時，萃取率很低;當丙酮的用量為3 mL時，萃取率達到最大;繼續增大丙酮用量，萃取率基本不變。

試驗進一步考察了洗脫時間依次為0，1，2，3，4 min時對萃取率的影響.結果表明:隨洗脫時間的延長，萃取率逐漸變大;當洗脫時間為1 min時，萃取效果最佳;繼續延長洗脫時間，萃取率略有降低。試驗選擇洗脫時間為1 min。

2.3 標準曲線與檢出限

按試驗方法對7種NBs混合標準溶液系列進行測定，并繪制標準曲線，結果表明:7種NBs的質量濃度均在0.2～4.0μg·L－1內與其對應的色譜峰面積呈線性關系，其線性回歸方程、相關系數、檢出限(3S/N)和測定下限(10S/N)見表1。

表1 線性參數、檢出限與測定下限Tab.1 Linearity parameters，detection limits and lower limits of determination

由表1可知:檢出限在0.006～0.022μg·L－1之間，測定下限在0.020～0.067μg·L－1之間。

2.4 精密度試驗

按試驗方法測定7種NBs混合標準溶液，平行測定6次。結果表明:硝基苯、2-硝基甲苯、3-硝基甲苯、4-硝基甲苯、3-硝基氯苯、4-硝基氯苯、2-硝基氯苯的相對標準偏差依次為4.6%，0.30%，3.5%，4.2%，5.3%，0.70%，0.40%，方法重現性良好。

2.5 方法的比對

將試驗方法與文獻報道的LLE、SPE［6］、SDME［13］、LPME［14］、IL-Fe3O4@G-MSPE［17］中的方法進行比較，比對結果見表2。試驗所用的方法只需15 mg的萃取材料，超聲萃取4 min，3 mL丙酮超聲洗脫1 min即可完成磁性固相萃取過程，獲得更低的檢出限，大大減少了樣品前處理時間及有機溶劑的用量。

表2 方法樣品處理和檢出限的比對Tab.2 Comparison of sample treatments and detection limits of the proposed method with the other methods

2.6 樣品分析

按試驗方法對錢塘江流域3座大橋采集的水樣進行分析，其結果見表3。其中“－”表示未檢出。

由表3可知:僅橋3水樣中檢測到4-硝基氯苯，其余所得水樣中未檢出7種NBs，加標回收率在72.4%～113%之間，方法可以滿足于環境水樣中NBs的分析要求。

本工作建立了同時測定環境水樣中7種NBs的CMPNs-MSPE/GC-MS/MS分析方法，在優化條件下，CMPNs-MSPE快速富集了水樣中的7種NBs，測定結果準確可靠。方法檢出限低，且重復性較好。與傳統方法相比，操作簡單快速，有機溶劑用量少，符合綠色化學的要求，可應用于環境樣品中NBs的快速篩查。

表3 樣品分析結果Tab.3 Analytical results of the samples

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GC-MS/MS Determination of 7 Nitrobenzenes in Environmental Water Samples with Solid Phase Extraction Based on Chloromethylated Magnetic Polystyrene Nanospheres

DONG Yunyuan1，CHEN Linji2，YE Xuemin1，CAO Xiaoji2*
(1.College of Chemical Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，China; 2.Research Center of Analysis and Measurement，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，China)

GC-MS/MS was applied to the determination of 7 nitrobenzenes in environmental water samples with solidphase extraction based on chloromethylated magnetic polystyrene nanospheres(CMPNs).The optimized conditions found were as follows:①extracting agent:CMPNs material;②amount of CMPNs:15.0 mg;③extraction time:4 min;④amount of NaCl:340 g·L－1;⑤amount of acetone(eluant):3 mL;⑥elution time:1 min.The HP-INNOWAX chromatographic column was used for GC separation，and the full-scanning mode and the selected ion monitoring mode were adopted in MS.Linear relationships between values of peak area and mass concentration ofthe 7 nitrobenzenes were kept in the same range of0.2－4.0μg·L－1，with detection limits(3S/N)in the range of0.006－0.022μg·L－1.Precision of the method was tested，and values of RSD(n=6)for 7 NBs found were in the range of 0.30%－5.3%.The proposed method was applied to the analysis of environmental water samples，giving values of recovery in the range of 72.4%－113%.

GC-MS/MS;CMPNs;solid phase extraction;environmental water sample;nitrobenzene

O657.63

A

1001-4020(2017)05-0497-05

10.11973/lhjy-hx201705001

2016-04-20

浙江省環?？蒲杏媱濏椖?2014A011);杭州市環境保護科技項目(2013HZHB002)

董云淵(1991－)，男，浙江衢州人，碩士研究生，研究方向為分析化學

*通信聯系人。xiaojicao@zjut.edu.cn