CN104267129A - 一种同时测定水环境中16种酚类化合物的分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同时测定水环境中16种酚类化合物的分析方法，属于酚类化合物分析技术领域。本发明采用固相萃取(SPE)对水样进行前处理，然后采用气相色谱和质谱联用技术法(GC-MS)进行定性定量分析水样中的16种酚类化合物。且在本发明优化的分析条件下，能同时测定水中16种酚类化合物，且在28min时间内可以得到很好的色谱峰，并获得很好的分离效果。所有目标化合物在5～1000μg/L的浓度范围内线性良好，相关系数均大于0.9959，检出限达到0.04～4.0μg/L，相对标准偏差为0.22～13％，加标回收率为77％～112％。本发明的分析方法简单易操作、准确可靠，适用于大规模样品的检测。

Description

一种同时测定水环境中16种酚类化合物的分析方法

技术领域

本发明涉及酚类化合物分析领域，特别是涉及一种同时测定水环境中16种酚类化合物的分析方法。

背景技术

酚类化合物是指芳香烃中苯环上的氢原子被羟基取代所生成的化合物。天然水体中一般不含酚类，而被工业废水污染的水中才可能含有酚类化合物，故其主要来源包括焦化厂、制药厂、纺织厂、煤气厂、石油化工厂、合成酚工业等。地表水中的氯酚和硝基酚也可能来自土壤中各种氯酚酸除草剂和有机磷杀虫剂降解产物的渗漏。酚类化合物是一种高毒物质，且难降解，可长期残留于土壤中，并具有致癌、致畸、致突变作用。自来水中只要含有μg/L级的氯酚就会导致明显的异臭味，地表水中含低浓度(0.1～0.2mg/L)酚类时，可使鱼肉产生异味，高浓度(>5mg/L)时则造成鱼类中毒死亡。人体摄入一定量时，可出现急性中毒症状；长期饮用被酚污染的水，可引起头晕、出疹、瘙痒、贫血及各种神经系统症状。因此水环境中酚类化合物的浓度成了欧共体和美国环保局关注的焦点。美国环保局(EPA)规定酚类中优先测定的有机污染物有11种，包括苯酚、4-硝基苯酚、2-氯苯酚、2,4-二硝基酚、2-硝基酚、2,4-二甲基苯酚、4-氯-3-甲基酚、2,4-二氯酚、4,6-二硝基-2-甲基苯酚、2,4,6-三氯酚和五氯酚。中国也将其中6种录入了环境优先污染物黑名单。

在国外，水质中酚类化合物的测定方法有相对较完善的方法标准，如美国有EPA8270C、EPA8041A、EPA604、EPA528等方法。其中，EPA8270C中涉及的酚类化合物有20种，EPA8041A涉及的酚类化合物有16种，而EPA604是关于10种市政和工业废水中的苯酚和某些取代酚类、酚类化合物。这三种方法的前处理均采用液-液萃取(EPA3510)或连续液-液萃取(EPA3520)来提取水中的酚类化合物。EPA8270C方法是不作衍生化处理直接进行气相色谱/质谱法测定，因此仪器上显示出了不稳定的色谱行为；EPA8041A方法中13种酚类化合物通过重氮甲烷或五氟苄基溴衍生化后采用气相色谱法(GC-FID或GC-ECD)进行测定，但未给出具体的方法检出限；而EPA604方法则综合了前两种方法，允许直接非衍生化气相色谱法(GC-FID)进行测定，或五氟苄基溴衍生化后用气相色谱法测定(GC-ECD)。另外，EPA528方法则是针对饮用水中的12种酚类化合物，通过Sepax DVB萃取小柱萃取，气相色谱/质谱法测定。本发明在增加同时测定酚类化合物的种类时，主要着重点是新加入的5种酚类化合物，即2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚、壬基酚、对苯二酚、邻氯对苯二酚和双酚A，在之前的测定方法中没有进行过同时测定，洗脱溶剂也与标准方法不同。

在国内，尚无针对包含一元酚和多元酚的多种酚类化合物较为系统的气相色谱-质谱的分析方法标准。因此，本发明提供了一种同时测定水环境中16种酚类化合物的分析方法。至今，中国台湾、北京、黑龙江、贵阳、武汉、大连、湖南、珠江三角洲等地都有报告水中酚类的测定研究。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

针对国内目前尚无较系统的同时检测一元酚和多元酚等多种酚类化合物的气相色谱-质谱分析方法标准，本发明提供了一种同时测定水环境中16种酚类化合物的分析方法。该方法简便易操作、准确可靠，可以经济有效地分析水体中的酚类化合物。

2.技术方案

发明的技术方案为：酚类化合物是一类重要的污染物，由于结果中含有一个或者多个酚羟基，在水中的急性较大，传统的气相色谱(GC)或者气相质谱联用方法难以直接分析，需要进行衍生化才能进行分析，衍生化一般可以采用烷基化或硅烷化试剂。本发明采用五氟苄基溴作为衍生化试剂。同时对于水中16种酚类污染物的同时分析，除了需要优化样品前处理方案，选择适当的色谱条件外，更重要的是在复杂的气相色谱质谱图中进行准确的定性定量分析。本发明采用选择离子扫描(SIM)方法，每个化合物确定两个特征离子，进行扫描，当两个离子同时出现且两个离子的丰度比在标准值的合理范围内(±30％)，认为该物质存在，再根据特征离子的峰面积进行定量。

一种同时测定水环境中16种酚类化合物的分析方法，其步骤为：

A、样品的前处理：

(1)500mL水样通过0.45μm微孔滤膜过滤，用硫酸溶液调节水样pH值＜1.5；

(2)用二氯甲烷、甲醇、稀盐酸活化固相萃取(SPE)小柱，其中稀盐酸的体积浓度为0.5-2％；

(3)水样通过活化好的SPE小柱，然后用氮气吹扫已富集的SPE小柱至干；

(4)用二氯甲烷-乙酸乙酯混合溶液洗脱SPE小柱，其中二氯甲烷-乙酸乙酯混合溶液中二氯甲烷和乙酸乙酯的体积比为1：1；

(5)洗脱液浓缩至1mL，并置换溶剂为丙酮，再加入五氟苄基溴溶液和K₂CO₃溶液进行衍生化反应；

(6)用正己烷定容并加入内标，得到待测样品。

本发明步骤(2)中SPE小柱为改性的二乙烯苯聚合物小柱，其规格为容积6mL，质量500mg，例如Poly-Sery HLB SPE Cartridge的商用成品柱。步骤(2)中的活化方法为依次用9mL二氯甲烷、9mL甲醇、9mL盐酸活化固相萃取(SPE)小柱。步骤(3)中水样以约10mL/min的流速通过SPE小柱。步骤(4)中用9mL二氯甲烷-乙酸乙酯混合溶液淋洗SPE小柱，且将淋洗液通过适量无水硫酸钠脱水小柱进行脱水。步骤(5)中衍生化反应的具体步骤为：将淋洗液的溶剂置换为丙酮后，向其加入100μL体积浓度为5％的五氟苄基溴溶液和100μL体积浓度为10％的K₂CO₃溶液，盖好瓶塞后轻轻振摇，水浴60℃加热1小时；反应完成冷却至室温后，氮吹浓缩至0.5mL。步骤(6)中的内标为2,2,5,5-四溴联苯，使样品中内标的浓度为200μg/L。

B、对待测样品进行气相色谱-质谱联用法分析：

色谱条件：色谱柱尺寸规格为30m×0.25mm×0.25μm，载气为氦气，恒流模式，流速1.2mL/min；不分流进样1μL。进样口温度为270℃，传输线温度为280℃；程序升温为50℃保持1min，以10℃/min速率升至170℃保持0.5min，以5℃/min升至280℃并保持0.5min，最后以8℃/min升至300℃并保持4min。气相色谱中使用的色谱柱为非极性毛细管柱。

质谱参数如下：电子轰击离子源(EI)，电子能量70eV，温度230℃；单四极杆温度为150℃；扫描方式为单离子检测扫描(SIM)模式；扫描质荷比(m/z)范围：60～650。

所述酚类化合物为2,4-二硝基酚、苯酚、间甲酚、2-氯苯酚、2,4-二甲基苯酚、2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚、4-氯-3-甲基酚、2,4-二氯苯酚、2,4,6-三氯酚、4-硝基苯酚、4,6-二硝基-2-甲基苯酚、壬基酚、对苯二酚、五氯酚、邻氯对苯二酚和双酚A。

在其中一些实施例中，所述酚类化合物的分析方法的检出限为0.04～4.0μg/L。

在其中一些实施例中，所述酚类化合物的分析方法的相对标准偏差为0.22～13％。

在其中一些实施例中，所述酚类化合物的分析方法的加标回收率为77％～112％。

3.有益效果

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：同时测定水环境中16种酚类化合物，在28min时间内可以得到很好的色谱峰，并获得很好的分离效果。所有目标化合物在5～1000μg/L的浓度范围内线性良好，相关系数均大于0.9959，检出限达到0.04～4.0μg/L，相对标准偏差在0.22～13％，加标回收率为77％～112％。本发明分析方法简单易操作、准确可靠，适用于大规模样品的检测。

附图说明

图1为实施例1中16种酚类化合物的总离子流图，其中横坐标表示时间，纵坐标表示响应值(1.2,4-二硝基酚-PFBBr；2.苯酚-PFBBr；3.间甲酚-PFBBr；4.2-氯苯酚-PFBBr；5.2,4-二甲基苯酚-PFBBr；6.2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚-PFBBr；7.4-氯-3-甲基酚-PFBBr；8.2,4-二氯苯酚-PFBBr；9.2,4,6-三氯酚-PFBBr；10.4-硝基苯酚-PFBBr；11.4,6-二硝基-2-甲基苯酚-PFBBr；12.壬基酚-PFBBr；13.对苯二酚-PFBBr；14.五氯酚-PFBBr；15.邻氯对苯二酚-PFBBr；16.双酚A-PFBBr(SUSTD：2,4,6-三溴苯酚-PFBBr；ISTD：2,2,5,5-四溴联苯)。

具体实施方式

本发明涉及一种同时测定水环境中16种酚类化合物的分析方法，以下通过实施例说明本方法的具体内容及能够达到的技术效果。

实施例1测定水环境中16种酚类化合物的定性分析方法，具体步骤如下：

A、样品的前处理

(1)500mL水样通过0.45μm微孔滤膜过滤，用硫酸溶液调节水样pH值＜1.5，其中本实施例中使用的水样是16种酚类化合物标准使用液分别与水配制而成，以及添加了替代物2,4,6-三溴苯酚进行回收率控制的空白水样；

(2)用9mL二氯甲烷、9mL甲醇、9mL稀盐酸溶液活化固相萃取(SPE)小柱，其中，稀盐酸的体积浓度为0.5-2％，SPE小柱是规格为容积6mL，质量500mg的Poly-Sery HLB SPECartridge的商用成品柱，该小柱为改性的二乙烯苯聚合物小柱；

(3)水样以约10mL/min的流速通过活化好的SPE小柱，用氮气吹扫已富集的SPE小柱至干；

(4)用9mL二氯甲烷-乙酸乙酯混合溶液洗脱SPE小柱，将淋洗液通过适量无水硫酸钠脱水小柱进行脱水，其中二氯甲烷-乙酸乙酯混合溶液中二氯甲烷和乙酸乙酯的体积比为1：1；

(5)洗脱液浓缩至1mL，并置换溶剂为丙酮，加入100μL体积浓度为5％的五氟苄基溴溶液和100μL体积浓度为10％的K₂CO₃溶液，盖好瓶塞后轻轻振摇，水浴60℃加热1小时，进行衍生化反应，反应完成后，冷却至室温，氮吹浓缩至0.5mL；

(6)用正己烷定容并加入内标2,2,5,5-四溴联苯，使内标浓度为200ug/L，得到待测样品。

B、对待测样品进行气相色谱-质谱联用法分析。

色谱条件：采用TG-5MS色谱柱，为非极性毛细管柱，其尺寸规格为30m×0.25mm×0.25μm，载气为氦气，恒流模式，流速1.2mL/min；不分流进样1μL。进样口温度为270℃，传输线温度为280℃；程序升温为50℃保持1min，以10℃/min速率升至170℃保持0.5min，以5℃/min升至280℃并保持0.5min，最后以8℃/min升至300℃并保持4min。

质谱条件：电子轰击离子源(EI)，电子能量70eV，温度230℃；单四极杆温度为150℃；扫描方式为单离子检测扫描(SIM)模式；扫描质荷比(m/z)范围：60～650。

通过气相色谱-质谱联用法分析所有样品，可以得到每个样品的保留时间、特征离子及16种酚类化合物的总离子流图等。表1是实施例1中GC-MS分析中16种酚类化合物的出峰时间及特征离子，图1是实施例1中16种酚类化合物的总离子流图，其中横坐标表示时间，纵坐标表示响应值。通过表1和图1可知，在实施例1的分析条件下，16种酚类化合物能够得到很好的分离，通过保留时间和特征离子可以同时对水环境中16种分类化合物进行定性分析。

表1.GC-MS分析中16种酚类化合物的出峰时间及定性定量离子

实施例2测定水环境中16种酚类化合物的定量分析方法，具体步骤如下：

在定量分析和测定水环境中16种酚类化合物前，首先需要进行标准溶液的配制。配制方法为：在20mL玻璃管中加入适当体积的酚类化合物标准使用液，用丙酮定容到8.0mL，使酚类化合物的浓度为1000μg/L。再加入100μL五氟苄基溴溶液和100μL K₂CO₃溶液，盖好瓶塞，轻轻振摇，水浴60℃加热1小时。反应完成冷却至室温后，漩蒸氮吹浓缩至0.5mL。再加入3mL正己烷，继续漩蒸氮吹浓缩至1mL。然后逐级稀释成5μg/L、12.5μg/L、25μg/L、50μg/L、100μg/L、200μg/L、300μg/L、500μg/L、1000μg/L的混合标准溶液，分别加入内标使用液使标准系列溶液中内标浓度为200μg/L。

其次，对标准系列样品进行气相色谱-质谱联用法分析。色谱条件和质谱条件与实施例1中相同。

然后，绘制16种酚类化合物的标准曲线，具体过程为：由于所有标准溶液中定量内标的浓度均相同，则以2,2’,5,5’-四溴联苯作为定量内标，且以待分析的化合物与内标的质量浓度之比X为横坐标，以待分析的化合物与内标的气相色谱峰的峰面积之比Y为纵坐标绘制标准曲线，最终得到16种酚类化合物的标准曲线。表2是16种酚类化合物的线性方程及相关系数。从表2可以看出，在5μg/L～1000μg/L的线性范围内，16种酚类化合物的线性相关系数均在0.9959以上。

表2.16种酚类化合物的线性方程及相关系数

最后，可以对水环境中16种酚类化合物进行定性和定量分析，其中定性分析方法与实施例1中的步骤A和步骤B相同。对任一样品，在通过定性分析确定样品中酚类化合物(在16种酚类化合物范围内)成分后，可以对其中任一种酚类化合物进行定量分析，具体过程为：用该酚类化合物与内标的气相色谱峰的峰面积之比，在该酚类化合物的标准曲线中得出该酚类化合物与内标的质量浓度之比，由于内标的浓度已知，最终通过计算得到该酚类化合物的浓度和质量。

另外，标准系列样品的GC-MS分析还可以得出16种酚类化合物检出限、相对标准偏差、回收率等数据。

在实施例2的分析条件下，连续测定5μg/L的标准溶液7次，按照下列公式(1)计算可以得出16种酚类化合物的检出限：

$\mathrm{MDL}=K\×\mathrm{SD}\×C/\stackrel{\‾}{x}---\left(1\right)$

其中，MDL为方法的检出限；K为置信系数，当置信水平为90％时，K＝3；SD为样品测量读数的标准偏差；C为样品含量；为样品测量平均值。

在实施例2的分析方法条件下，取中浓度点的标准样品进行7次测定，可得相对标准偏差。

在实施例2的分析方法条件下，在500mL纯水中分别加入4μg、0.8μg、0.04μg的高、中、低3个水平的标准酚类化合物，每一个浓度点做三次平行试验，按照上述实验步骤进行测定，可以得到16种酚类化合物的加标回收率。

表3中给出了16种酚类化合物的检出限、相对标准偏差、回收率等数据。通过表3可知16种酚类化合物的检出限为0.04～4.0μg/L，相对标准偏差在0.22～13％，加标回收率为77％～112％。

表3.16种酚类化合物的检测限、相对标准偏差和回收率

上述实施例1和2所用的仪器设备包括：

Trace DSQ-II GC/MS单四极杆气相色谱-质谱联用仪，配备Triplus自动进样器(美国ThermoFisher公司)；

TG-5MS色谱柱(30 m×0.25 mm×0.25μm，美国Aglient Technologies公司)；

固相萃取装置(12管，Supelco)；

高速台式冷冻离心机(CT18RT，上海天美科学仪器有限公司)

旋转蒸发仪(RV10 basic，德国IKA)；

AL-104电子天平(0.1 mg，METTLER TOLEDO仪器有限公司)；

循环水式真空泵(SHZ-D-III，南京科尔仪器设备有限公司)；

氮吹仪(SE812，北京帅恩科技有限责任公司)；

精密酸度计(PHS-3C，上海雷磁科学仪器有限公司)；

恒温水浴锅(HH-S，江苏金坛市医疗仪器厂)；

数控超声波清洗器(KQ-400KDE，昆山市超声仪器有限公司)；

电热恒温鼓风干燥箱(DHG-914385-III，上海新苗医疗器械制造有限公司)。

由实施例1和2可知，本发明建立了一种气相色谱-质谱联用法同时测定水环境中2,4-二硝基酚、苯酚、间甲酚、2-氯苯酚、2,4-二甲基苯酚、2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚、4-氯-3-甲基酚、2,4-二氯苯酚、2,4,6-三氯酚、4-硝基苯酚、4,6-二硝基-2-甲基苯酚、壬基酚、对苯二酚、五氯酚、邻氯对苯二酚和双酚A的分析方法。

在本发明优化的分析条件下，能同时测定水中16种酚类化合物，且在28min时间内可以得到很好的色谱峰，并获得很好的分离效果。所有目标化合物在5～1000μg/L的浓度范围内线性良好，相关系数均大于0.9959，检出限达到0.04～4.0μg/L，相对标准偏差在0.22～13％，加标回收率为77％～112％。

用本发明所建立的方法已经用于长江、滁河、污水处理厂水样中酚类化合物的检测。本发明分析方法简单易操作、准确可靠，适用于大规模样品的检测。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种同时测定水环境中16种酚类化合物的分析方法，其特征在于：采用GC-MS法进行分析，包含以下步骤：

A、样品的前处理：

(1)500mL水样通过0.45μm微孔滤膜过滤，用硫酸溶液调节水样pH值＜1.5；

(2)用二氯甲烷、甲醇、稀盐酸活化C₁₈SPE小柱，其中稀盐酸的体积浓度为0.5-2％；；

(3)水样通过活化好的SPE小柱，然后用氮气吹扫已富集的SPE小柱至干；

(4)用二氯甲烷-乙酸乙酯混合溶液洗脱SPE小柱，其中二氯甲烷-乙酸乙酯混合溶液中二氯甲烷和乙酸乙酯的体积比为1∶1；

(5)洗脱液浓缩至1mL，并置换溶剂为丙酮，再加入五氟苄基溴溶液和K₂CO₃溶液进行衍生化反应；

(6)最后再用正己烷定容并加入内标，得到待测样品；

B、对待测样品进行气相色谱-质谱联用法分析。

2.根据权利要求1所述的一种同时测定水环境中16种酚类化合物的分析方法，其特征在于酚类化合物既可以是一元酚，也可以是二元酚，所述酚类化合物为13种一元酚：2，4-二硝基酚、苯酚、间甲酚、2-氯苯酚、2，4-二甲基苯酚、2，6-二叔丁基-4-甲基苯酚、4-氯-3-甲基酚、2，4-二氯苯酚、2，4，6-三氯酚、4-硝基苯酚、4，6-二硝基-2-甲基苯酚、壬基酚、五氯酚；3种二元酚：对苯二酚、邻氯对苯二酚和双酚A。

3.根据权利要求1或2所述的一种同时测定水环境中16种酚类化合物的分析方法，其特征在于，步骤A(2)所述的SPE小柱改性的二乙烯苯聚合物小柱，其规格为容积6mL，质量500mg。

4.根据权利要求1或2所述的一种同时测定水环境中16种酚类化合物的分析方法，其特征在于，步骤A(3)中水样以约10mL/min的流速通过SPE小柱。

5.根据权利要求1或2所述的一种同时测定水环境中16种酚类化合物的分析方法，其特征在于，步骤A(4)中用9mL二氯甲烷-乙酸乙酯混合溶液洗脱SPE小柱，且将淋洗液通过适量无水硫酸钠脱水小柱进行脱水。

6.根据权利要求1或2所述的一种同时测定水环境中16种酚类化合物的分析方法，其特征在于，步骤(5)所述的衍生化反应的具体步骤为：加入100μL体积浓度为5％的五氟苄基溴溶液和100μL体积浓度为10％K₂CO₃溶液，盖好瓶塞后轻轻振摇，水浴60℃加热1小时；反应完成冷却至室温后，氮吹浓缩至0.5ml。

7.根据权利要求1或2所述的一种同时测定水环境中16种酚类化合物的分析方法，其特征在于，步骤(6)所述的内标为2，2，5，5-四溴联苯，使样品中内标的浓度为200μg/L。

8.根据权利要求1或2所述的一种同时测定水环境中16种酚类化合物的分析方法，其特征在于，步骤B中的气相色谱条件为：色谱柱尺寸规格为30m×0.25mm×0.25μm，载气为氦气，恒流模式，流速1.2mL/min；不分流进样1μL，进样口温度为270℃，传输线温度为280℃；程序升温为50℃保持1min，以10℃/min速率升至170℃保持0.5min，以5℃/min升至280℃并保持0.5min，最后以8℃/min升至300℃并保持4min；步骤B中的质谱条件为：电子轰击离子源(EI)，电子能量70eV，温度230℃；单四极杆温度为150℃；扫描方式为单离子检测扫描(SIM)模式；扫描质荷比范围：60～650。

9.根据权利要求5所述的一种同时测定水环境中16种酚类化合物的分析方法，其特征在于，步骤B中使用的色谱柱为非极性毛细管柱。

10.根据权利要求1或2所述的一种同时测定水环境中16种酚类化合物的分析方法，其特征在于，所述酚类化合物的分析方法的检出限为0.04～4.0μg/L，相对标准偏差为0.22～13％，加标回收率为77％～112％。