預蒸餾-液相色譜-三重四極桿質譜法測定土壤中苯胺的含量

王艷麗,陳 晨,劉殿甲,張 靜,關玉春

(天津市生態環境監測中心,天津 300191)

苯胺,又名氨基苯,是一種重要的化工原料,在工業生產過程中被廣泛使用。研究表明,苯胺經呼吸道、消化道、皮膚等途徑對人體造成傷害,表現為血液系統損害,中毒性肝損傷,神經系統損害以及致畸、致癌、致突變等[1]。苯胺被世界衛生組織國際癌癥研究機構列為第3類致癌物,并被列入我國規定的優先控制污染物[2]。各類不同環境標準規定了苯胺類化合物的限制要求。GB 3838－2002?地表水環境質量標準?中規定苯胺限值為0.1 mg?L－1。GB 36600－2018?土壤環境質量 建設用地土壤污染風險管控標準?規定了一類地和二類地中苯胺的篩選值和管制值。同時,苯胺成為土壤調查、土壤風險評估、土壤修復等各類土壤監測工作中的重點指標,土壤中苯胺的監測受到廣泛關注。

土壤中苯胺的前處理過程一般需經過提取、濃縮和凈化環節,樣品的提取過程視為分析方法的瓶頸[3]。目前提取苯胺的方法主要有振蕩法、索氏提取、微波輔助提取、超聲輔助提取和加速溶劑提取等[4-8]。土壤主要由有機質、金屬氧化物和黏土礦物組成。苯胺屬于疏水性有機物,土壤中有機質含量越高,土壤對苯胺的吸附能力越強[9]。土壤中苯胺在濃縮提取液過程中會有較多的損失,凈化過程也會引起一定的損失。研究表明,隨著濃縮倍數的增加,苯胺回收率降低[8]。

土壤中苯胺的儀器分析方法主要有氣相色譜法[10]、氣相色譜-質譜法[11-14]、液相色譜法[5,15]及液相色譜-質譜法[16]。國內環保行業中關于土壤中苯胺的標準分析方法為HJ 1210－2021?土壤和沉積物13種苯胺類和2種聯苯胺類化合物的測定 液相色譜-三重四極桿質譜法?,該標準中采用提取-凈化-濃縮等前處理方法,同時充分利用液相色譜-三重四極桿質譜法靈敏度高、檢出限低的特點。

預蒸餾提取法利用混合液體或液-固體系中各組分沸點不同,使低沸點組分蒸發,再冷凝以分離整個組分的單元操作過程,不需使用系統組分以外的其他液體,具有操作簡便,無需有機溶劑、無需凈化的優點。在堿性條件下,從土壤中直接蒸餾提取苯胺[17],再采用比色法測定,得到較滿意的結果,但比色法靈敏度低,易存在假陽性。本工作采用預蒸餾法提取土壤樣品中的苯胺,收集餾出液后直接進樣,利用液相色譜-三重四極桿質譜法測定苯胺,省去凈化和濃縮環節,避免在此過程苯胺的損失。方法操作簡便、回收率高、環境污染小,可為土壤中痕量苯胺的測定提供參考。

1 試驗部分

1.1 儀器與試劑

Agilent 1290/6460型液相色譜-三重四極桿質譜儀;STEHDB-106-3型智能一體化蒸餾儀。

苯胺標準溶液:100 mg?L－1。

內標溶液:苯胺-d5標準溶液,100 mg?L－1。

甲醇、甲酸為農殘純;試驗用水為超純水。

1.2 儀器工作條件

1.2.1 蒸餾條件

加熱模式為電加熱,加熱電壓220 V;加熱溫度120 ℃。

1.2.2 色譜條件

Zobrax Eclipse Plus C18色譜柱(100 mm×2.1 mm,1.8μm);進樣量10μL;柱溫40 ℃;流量0.2 mL?min－1;流動相A 為0.005%(體積分數)甲酸溶液,B為甲醇。梯度洗脫程序:0～0.5 min時,B為5%;0.5～10.0 min時,B 由5%升至90%,保持2.0 min;12.0～12.1 min時,B由90%跳轉至5%。

1.2.3 質譜條件

電噴霧離子(ESI)源,正離子(ESI＋)模式;干燥氣流量10 L?min－1,溫度300 ℃;毛細管電壓4 000 V;多反應監測(MRM)方式;其他質譜參數見表1。

表1 質譜參數Tab.1 MS parameters

1.3 試驗方法

稱取10 g 土壤樣品,轉移到蒸餾瓶中,加入50 mL水和數粒玻璃珠,用0.01 mol?L－1氫氧化鈉溶液調節蒸餾液酸度為弱堿性,在蒸餾儀上于100 ℃加熱,用10 mL 0.1 mol?L－1硫酸溶液收集餾出液。待吸收液接近50 mL時停止蒸餾,用水定容至50 mL。準確移取1.0 mL 吸收液至2 mL 棕色進樣瓶中,加入內標,使內標的質量濃度為20.0μg?L－1,混勻,按照儀器工作條件測定,根據保留時間和特征離子定性,內標法定量。

2 結果與討論

2.1 色譜行為

提取MRM 數據,得到苯胺、內標的總離子流色譜圖和提取離子色譜圖,見圖1和圖2。

圖1 苯胺和苯胺-d5 的總離子流色譜圖Fig.1 Total ion chromatograms of aniline and aniline-d5

圖2 苯胺和苯胺-d5 的提取離子色譜圖Fig.2 Extracted ion chromatograms of aniline and aniline-d5

2.2 前處理條件的選擇

2.2.1 蒸餾液酸度

以100μg?kg－1空白加標樣品為研究對象,按照試驗方法向蒸餾瓶中加入100 mL 水,分別調節酸度為酸性、中性和弱堿性,考察了蒸餾液酸度對苯胺回收率的影響。結果表明:蒸餾液呈酸性時,由于苯胺顯弱堿性,在酸性條件下形成苯胺鹽,其回收率較低,僅27.6%;蒸餾液呈中性時,苯胺回收率為78.3%;蒸餾液呈弱堿性時,苯胺主要以游離態形式存在,回收率較高,達到96.5%。因此,試驗選擇將蒸餾液酸度調節為弱堿性。

2.2.2 蒸餾用水體積

以100μg?kg－1空白加標樣品為研究對象,按照試驗方法向蒸餾瓶中加入20,50,100 mL 水,調節酸度為弱堿性,考察了蒸餾用水體積對苯胺回收率的影響。結果表明:蒸餾用水體積為20 mL 時,土壤樣品為鮮樣,加入20 mL 水后,可對土壤樣品進行稀釋,且蒸餾液體積較小,蒸餾時間過短,蒸餾過程不完全,導致苯胺回收率較低(70.6%);蒸餾用水體積為50,100 mL 時,苯胺的回收率分別為98.3%,96.5%。為提高檢測的靈敏度,試驗選擇蒸餾用水的體積為50 mL。

2.2.3 蒸餾前浸泡時間

以100μg?kg－1空白加標樣品為研究對象,按照試驗方法向蒸餾瓶中加入50 mL水,調節蒸餾液酸度為弱堿性,保持溶液浸沒土壤樣品,在室溫下分別浸泡0,6,12,18,24 h后再進行蒸餾及后續試驗,考察了浸泡時間對苯胺回收率的影響。結果表明,苯胺的回收率分別為96.5%,98.3%,97.6%,95.4%,95.6%,說明在蒸餾前對土壤樣品進行浸泡不影響苯胺的回收率,土壤中的苯胺在弱堿性水環境中能保持相對穩定。因此,確定本方法蒸餾前無需浸泡。

2.2.4 吸收劑

考慮到實際土壤樣品中苯胺含量可能會較高,吸收劑的酸度較低影響其吸收能力,需保證適量的酸度。以100μg?kg－1空白加標樣品為研究對象,按照試驗方法進行蒸餾,分別用10 mL 水、10 mL 0.1 mol?L－1硫酸溶液、10 mL 0.1 mol?L－1鹽酸溶液收集餾出液,考察了吸收劑對苯胺回收率的影響。結果顯示:苯胺的回收率分別為96.5%,103%,98.6%?？芍?用水為吸收劑時苯胺回收率略低于硫酸和鹽酸,這是由于苯胺分子中的氮原子存在孤對電子,屬于路易斯堿,與酸吸收劑中的氫離子更易結合;兩種酸為吸收液時苯胺回收效率基本一致,但是硫酸作為二元酸,在相同濃度下能夠提供更多的氫離子,對苯胺的吸收能力更強,當待測樣品中存在高濃度水平目標物時不易飽和,而且相比于鹽酸,硫酸更為穩定。因此,試驗選擇0.1 mol?L－1硫酸溶液為吸收劑。

2.2.5 吸收液保存條件

以100μg?kg－1空白加標樣品為研究對象,按照試驗方法收集餾出液,定容至50 mL。將此吸收液存放在無有機物干擾區域,分別于4 ℃和常溫下保存0,1,3,7,8,10 d后進行測定,考察了吸收液保存條件對苯胺回收率的影響,結果見圖3。

圖3 保存條件對苯胺回收率的影響Fig.3 Effect of preservation condition on aniline recovery

由圖3可知:常溫下吸收液中苯胺回收率隨保存時間的延長持續下降,在4 ℃下苯胺回收率下降較慢;在4 ℃下保存8 d時苯胺的回收率降低超過10%,10 d時降低超過20%。因此,試驗確定吸收液在4 ℃保存時間不應超過7 d。

2.3 標準曲線、檢出限和測定下限

精確移取適量的苯胺標準溶液于10.00 mL 容量瓶中,用水稀釋并定容,混勻,配制成質量濃度分別為1.00,5.00,10.0,20.0,50.0,100μg?L－1的苯胺標準溶液系列。移取1.0 mL 苯胺標準溶液系列于棕色進樣瓶中,加入適量內標溶液,使內標質量濃度達到20.0μg?L－1,按照儀器工作條件測定。以目標物質量濃度與內標質量濃度的比值為橫坐標,以其對應的響應比值為縱坐標繪制標準曲線。結果表明,苯胺標準曲線的線性范圍為1.00～100μg?L－1,線性回歸方程為y＝1.420x－0.174 0,相關系數為0.999 5。

重復測定7份空白加標樣品,加標濃度水平為2.5μg?kg－1,按照HJ 168－2020?環境監測分析方法標準制定技術導則?附錄A 計算苯胺的方法檢出限,結果為0.6μg?kg－1,小于標準方法HJ 1210－2021的檢出限(2μg?kg－1)。按照4倍檢出限計算測定下限,結果為2.4μg?kg－1。

2.4 精密度與回收試驗

對6個空白土壤樣品進行3個濃度水平的加標回收試驗,按照試驗方法測定,計算回收率和測定值的相對標準偏差(RSD),結果見表2。

表2 精密度和回收試驗結果(n＝6)Tab.2 Results of tests for precision and recovery(n＝6)

由表2可知,苯胺的回收率為96.0%～110%,測定值的RSD 為1.9%～4.2%,說明方法的準確度和精密度良好。

2.5 方法比對

按照試驗方法對某修復地土壤中苯胺進行測定,并與加速溶劑提取-氣相色譜-質譜法(ASE-GCMS)[18]所得測定結果進行對比,結果見表3。

表3 方法比對結果Tab.3 Results of method comparison

由表3可知,本方法的檢出限更低,在低濃度水平實際樣品苯胺的測定中更為靈敏,在中高濃度水平實際樣品苯胺的測定結果較ASE-GC-MS測定結果更高。說明在使用高靈敏度儀器的前提下,減少前處理步驟后,苯胺的測定損失極大地降低。

本工作采用預蒸餾-液相色譜-三重四極桿質譜法測定土壤中苯胺的含量,方法前處理操作簡便,不使用有機溶劑,可以直接去除土壤中其他雜質的干擾;利用液相色譜-三重四極桿質譜法的高靈敏度,得到的方法線性范圍寬、檢出限低、回收率高,廣泛適用于土壤中不同濃度水平苯胺的分析測定。