雷佳誠(chéng), 鄭黃榮, 劉 璐, 李巍霞*

(1. 中國(guó)計(jì)量大學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)院, 浙江 杭州 310018; 2. 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì), 北京 100037)

硝基芳烴類化合物(NACs)是具有一個(gè)或多個(gè)硝基基團(tuán)的芳香族化合物,包括硝基苯(NB)、2,4-二硝基甲苯(DNT)、2,4,6-三硝基苯酚(TNP)等,作為染料、農(nóng)藥、香料、藥品、炸藥等產(chǎn)品的原料或中間體被廣泛應(yīng)用[1-3]。各種軍事活動(dòng)中殘留的爆炸物會(huì)隨著雨水沖刷進(jìn)入環(huán)境水體,造成污染。此外,生活污水排放、藥廠廢水排放、石油開(kāi)采等行為同樣會(huì)造成硝基芳烴類化合物環(huán)境污染。環(huán)境中殘留的硝基芳烴類化合物對(duì)人體健康有巨大威脅,長(zhǎng)期暴露在低濃度硝基芳烴類化合物污染的環(huán)境中會(huì)造成人體器官受損、貧血和致癌等疾病[4]。我國(guó)的強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)規(guī)定集中式生活飲用水地表水源地中硝基苯含量必須低于0.017 mg/L[5]。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并有效消除環(huán)境水體中的硝基芳烴類化合物對(duì)實(shí)現(xiàn)用水安全意義重大。

Fenton氧化法、自然生物修復(fù)工藝是常見(jiàn)的環(huán)境水體中硝基芳烴類化合物消除辦法[6,7]。Fenton氧化法對(duì)環(huán)境水體中硝基芳烴類化合物的消除效果好,但操作麻煩,費(fèi)用較高。自然生物修復(fù)工藝?yán)梦⑸飳?duì)污染土壤中的硝基芳烴類化合物進(jìn)行降解,是目前常用的硝基芳烴類化合物的綠色消除方法。但是研究表明環(huán)境基質(zhì)中的氯離子、亞硝酸根離子、硝酸根離子等無(wú)機(jī)陰離子的存在對(duì)硝基芳烴類化合物的生物降解具有一定的抑制作用[8,9]。另外,硝酸鹽如果在飲用水中含量過(guò)高會(huì)誘發(fā)水體產(chǎn)生亞硝胺類致癌物質(zhì),GB 3838-2002規(guī)定水體中硝酸鹽類離子的含量應(yīng)低于10 mg/L[10]。因此,同時(shí)測(cè)定環(huán)境土壤和水體基質(zhì)中的硝基芳烴類化合物、氯離子、亞硝酸根離子和硝酸根離子對(duì)選擇合適的硝基芳烴類化合物降解方法和實(shí)現(xiàn)地表水質(zhì)量監(jiān)測(cè)具有重要意義。

環(huán)境基質(zhì)中的硝基芳烴類化合物通常通過(guò)氣相色譜、高效液相色譜(HPLC)、熒光探針、電化學(xué)等方法進(jìn)行檢測(cè)[11-15],而其中的無(wú)機(jī)陰離子則采用離子色譜(IC)進(jìn)行檢測(cè)[16,17]。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法需要進(jìn)行兩次樣品前處理、兩次儀器分析才能實(shí)現(xiàn)環(huán)境基質(zhì)中硝基芳烴類化合物和無(wú)機(jī)陰離子的測(cè)定,耗時(shí)費(fèi)力,且容易引入誤差。因此,本論文通過(guò)串聯(lián)HPLC和IC構(gòu)建二維色譜體系,實(shí)現(xiàn)了環(huán)境基質(zhì)中有機(jī)物和陰離子的同時(shí)測(cè)定。該方法無(wú)需復(fù)雜的樣品前處理,通過(guò)大體積進(jìn)樣-富集柱收集的方法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)化合物的富集,具有簡(jiǎn)單高效、檢出限低、重復(fù)性高等優(yōu)點(diǎn),在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用潛力。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器

本實(shí)驗(yàn)所搭建的聯(lián)用系統(tǒng)包含一個(gè)HPLC系統(tǒng)和一個(gè)IC系統(tǒng)。通過(guò)兩個(gè)六通閥和一根富集柱聯(lián)接兩臺(tái)儀器,具體如圖1所示。UltiMate 3000 UHPLC超高效液相色譜(美國(guó)Thermo Fisher公司),配有四元梯度泵、自動(dòng)進(jìn)樣器、柱溫箱和紫外檢測(cè)器。ICS-2100離子色譜儀(美國(guó)Thermo Fisher公司),配備淋洗液發(fā)生器、六通閥、柱溫箱、抑制器和DS6電導(dǎo)檢測(cè)器。儀器控制和數(shù)據(jù)采集采用Chromeleon 6.8色譜工作站。

1.2 試劑和樣品

HPLC級(jí)甲醇、1,3,5,7-四硝基-1,3,5,7-四氮雜環(huán)辛烷(HMX)、環(huán)三亞甲基三硝胺(RDX)、1,3,5-三硝基甲苯(TNB)、1,3-二硝基苯、2,4,6-三硝基甲苯(TNT)、2,4-二硝基甲苯均購(gòu)自上海阿拉丁化工有限公司。氯化鈉、亞硝酸鈉和硝酸鈉購(gòu)自成都科龍化學(xué)試劑廠。實(shí)驗(yàn)用水均為二次去離子水。

標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液:將氯化鈉、亞硝酸鈉和硝酸鈉使用前置于馬弗爐中于105 ℃下干燥3 h除去水分。準(zhǔn)確稱取氯化鈉、亞硝酸鈉、硝酸鈉和各硝基芳烴類化合物,用超純水定容至100 mL,得到含量均為1 000 mg/L的混合標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液,混勻,超聲脫氣,儲(chǔ)存于4 ℃冰箱內(nèi)。實(shí)驗(yàn)所用的標(biāo)準(zhǔn)工作溶液均由儲(chǔ)備液根據(jù)需要用水稀釋而成。

1.3 樣品前處理?xiàng)l件

收集5份土壤樣品,烘干,并用研缽碾碎,以孔徑為20目的篩進(jìn)行篩選[18]。取過(guò)篩的土壤樣品10.0 g置于燒杯中,加入30.0 mL甲醇/水(50∶50, v/v)混合溶液,超聲浸提20 min后,以4 000 r/min的速度離心10 min,取上清液2.0 mL,過(guò)0.22 μm濾膜后進(jìn)樣分析。收集5份環(huán)境水樣,反復(fù)過(guò)0.22 μm濾膜3次后進(jìn)樣分析。

1.4 儀器分析

將HPLC儀和IC儀按圖1A所示方法進(jìn)行連接,此過(guò)程中應(yīng)盡量縮短流路以減少死體積。液相色譜柱為Acclaim Explosives E1(250 mm×4.6 mm, 5 μm,美國(guó)Thermo Fisher公司),柱溫設(shè)定為32 ℃;流動(dòng)相組成為磷酸鉀緩沖液(pH 7.0)-乙腈(60∶40, v/v),等度淋洗,流速1.0 mL/min;進(jìn)樣量500 μL;紫外檢測(cè)波長(zhǎng)為223 nm。離子色譜柱為IonPac AG11-HC預(yù)處理柱(50 mm×4 mm, 5 μm,美國(guó)Thermo Fisher公司)和IonPac AS11-HC柱(250 mm×4 mm, 5 μm,美國(guó)Thermo Fisher公司),柱溫箱溫度為40 ℃;等度淋洗,流動(dòng)相為20 mmol/LNaOH溶液,抑制器的電流設(shè)置為50 mA。在此聯(lián)用系統(tǒng)中,AG20-HC預(yù)處理柱(50 mm×4 mm, 5 μm,美國(guó)Thermo Fisher公司)作為富集柱,被安裝在六通閥上。

圖1為HPLC-IC聯(lián)用體系柱切換的示意圖,表1為兩個(gè)六通閥的狀態(tài)。整個(gè)聯(lián)用系統(tǒng)的具體操作步驟如下:(A)樣品裝載到定量環(huán):將待測(cè)樣品注入定量環(huán),多余樣品進(jìn)入廢液缸。(B)分離有機(jī)物和無(wú)機(jī)陰離子:使用HPLC流動(dòng)相沖洗定量環(huán),將定量環(huán)中的待測(cè)樣品注入C18柱中,進(jìn)行第一次分離;硝基芳烴類化合物在C18柱中保留能力強(qiáng),保留在C18色譜柱中;陰離子在C18柱中保留能力弱,隨流動(dòng)相流出。(C)AG20柱富集陰離子:流出的陰離子進(jìn)入AG20富集柱富集。(D)HPLC和IC分別測(cè)定6種硝基芳烴類化合物和3種陰離子:硝基芳烴類化合物在C18色譜柱中分離,然后進(jìn)入紫外檢測(cè)器定量分析;IC流動(dòng)相沖洗AG20富集柱,陰離子從AG20富集柱中流出后在IC柱中分離,然后通過(guò)抑制器進(jìn)入電導(dǎo)檢測(cè)器中定量分析。

表1 HPLC-IC聯(lián)用體系兩個(gè)六通閥的切換狀態(tài)

圖 1 HPLC-IC聯(lián)用體系4個(gè)階段的液體流路示意圖Fig. 1 Schematic diagrams of the liquid flow paths in the four stages of the HPLC-IC system

2 結(jié)果與討論

2.1 柱切換時(shí)間優(yōu)化

為了避免陰離子流失,對(duì)六通閥的切換時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化。如圖2A所示,將C18柱直接與DS6電導(dǎo)檢測(cè)器相連,對(duì)陰離子的收集行為進(jìn)行觀察。以10 mg/L的陰離子混合標(biāo)準(zhǔn)溶液為樣品,進(jìn)樣后,離子經(jīng)過(guò)C18色譜柱直接流入DS6電導(dǎo)檢測(cè)器,得到圖2B所示的非抑制電導(dǎo)IC圖。1.5 min時(shí),DS6電導(dǎo)檢測(cè)器開(kāi)始檢測(cè)出離子,可認(rèn)為1.5 min時(shí),離子開(kāi)始從C18柱中流出,因此HPLC-IC聯(lián)用系統(tǒng)由圖1B轉(zhuǎn)變至圖1C的時(shí)間節(jié)點(diǎn)定為1.5 min。

為提高離子的回收率,對(duì)陰離子進(jìn)行完全富集,進(jìn)一步優(yōu)化兩個(gè)六通閥的切換時(shí)間。選擇不同富集時(shí)間,即選擇在不同時(shí)間將聯(lián)用系統(tǒng)從圖1C狀態(tài)切換到圖1D狀態(tài)。通過(guò)對(duì)比不同切換時(shí)間下獲得的各離子峰面積可知,當(dāng)切換時(shí)間為3.0 min時(shí),氯離子、亞硝酸根離子和硝酸根離子的峰面積達(dá)到峰值(圖3)。當(dāng)時(shí)間大于3.0 min后,部分離子從富集柱中流失,離子的富集效果開(kāi)始變差。因此系統(tǒng)從圖1C狀態(tài)切換到圖1D狀態(tài)的時(shí)間應(yīng)設(shè)置為3.0 min。

圖 3 不同柱切換時(shí)間下的陰離子峰面積Fig. 3 Anion peak areas under different column switching times

2.2 方法學(xué)驗(yàn)證

2.2.1線性關(guān)系和檢出限

用空白土壤為基質(zhì)制備加標(biāo)水平為0.01～50 mg/L的加標(biāo)樣品,在最優(yōu)色譜分析條件下進(jìn)行測(cè)定,每個(gè)水平平行測(cè)定5次,以待測(cè)物峰面積對(duì)質(zhì)量濃度繪制工作曲線,得到方法的線性范圍、線性回歸方程和相關(guān)系數(shù)(r2),結(jié)果見(jiàn)表2。r2均大于0.99,滿足測(cè)定要求。5次重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果表明,保留時(shí)間的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)≤0.28%,峰面積的RSD≤5.0%,表明該方法具有較高的重復(fù)性。

表2 線性參數(shù)、檢出限、定量限和重復(fù)性

在最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件下,以信噪比(S/N)為3作為檢出限(LOD),以S/N為10作為定量限(LOQ),對(duì)實(shí)際樣品逐級(jí)稀釋測(cè)定。陰離子的LOD為0.005～0.020 mg/L,硝基芳烴類化合物的LOD為0.043～0.150 mg/L?，F(xiàn)行地表飲用水規(guī)范的國(guó)標(biāo)方法中,硝酸鹽含量不得高于10 mg/L,二硝基苯和TNT含量不得高于0.5 mg/L,該方法能夠滿足地表水樣品中硝基芳烴類化合物和硝酸鹽的檢測(cè)需求。

2.2.2方法的回收率和精密度

選擇陰性土壤和環(huán)境水樣品,分別添加低、中、高3個(gè)不同水平的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液。按1.3節(jié)進(jìn)行前處理,每個(gè)水平重復(fù)測(cè)定6次,計(jì)算加標(biāo)回收率和RSD,結(jié)果見(jiàn)表3。三組不同加標(biāo)水平樣品的平均回收率為88.20%～105.38%,RSD為2.0%～11.5%,表明本方法具有較高的準(zhǔn)確度。

表3 6種硝基芳烴類化合物和3種陰離子的加標(biāo)回收率和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(n=6)

2.3 實(shí)際樣品測(cè)定

應(yīng)用本研究建立的方法對(duì)5份土壤樣品和5份環(huán)境水樣中的硝基芳烴類化合物和陰離子進(jìn)行檢測(cè)。將檢出的色譜峰保留時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)品色譜峰保留時(shí)間相比較,經(jīng)確證,硝基芳烴類化合物均未檢出,3種陰離子在地表水樣品中的檢出量為0.41～55.3 mg/L,在土壤樣品中的檢出量為0.56～30.2 mg/kg(見(jiàn)表4)。1號(hào)土壤樣品的HPLC圖和IC見(jiàn)圖4。

表4 5份地表水和5份土壤樣品的檢測(cè)結(jié)果

圖 4 標(biāo)準(zhǔn)樣品和1號(hào)土壤樣品的(a) HPLC和(b) IC圖Fig. 4 (a) HPLC and (b) IC chromatograms of a standard sample and soil sample No. 1 Peak identifications: 1. HMX; 2. RDX; 3. TNB; 4. 1,3-dinitrobenzene; 5. TNT; 6. 2,4-dinitrotoluene; 7. Cl-; 8.

3 結(jié)論

本文通過(guò)兩個(gè)六通閥和一根富集柱搭建了HPLC和IC的聯(lián)用體系,并建立了土壤和環(huán)境水體中硝基芳烴類有機(jī)物、氯離子、亞硝酸根離子和硝酸根離子同時(shí)測(cè)定的檢測(cè)方法。結(jié)果表明,該方法有良好的準(zhǔn)確度、重復(fù)性和較高的靈敏度,能為選擇合適的硝基芳烴類化合物降解方法和實(shí)現(xiàn)地表水水質(zhì)監(jiān)測(cè)提供重要的方法依據(jù)。