多環(huán)芳烴的前處理技術(shù)及檢測方法

多環(huán)芳烴的前處理技術(shù)及檢測方法

1芳香非稠環(huán)型多環(huán)芳烴（pahs）是指含有2或2個以上苯環(huán)的材料。它是重要的連續(xù)環(huán)境污染物（pops）。PAHs可分為芳香稠環(huán)型及芳香非稠環(huán)型。PAHs大都是無色或淡黃色的結(jié)晶(個別顏色較深),具有強疏水性,高辛醇-水分配系數(shù)和較低的蒸汽壓,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,很難降解,廣泛存在于大氣、水體、土壤、沉積物和生物體中。多環(huán)芳烴具有致癌、致畸、致突變作用,1979年美國環(huán)保局(USEPA)已將菲、蒽、萘、熒蒽、苯并[k]熒蒽、苯并[a]芘等16種PAHs列入優(yōu)先控制的有機污染物黑名單;歐盟把熒蒽、苯并[a]芘、苯并[k]熒蒽、苯并[b]熒蒽和茚并[1,2,3-cd]芘、苯并[g,h,i]苝6種PAHs作為目標(biāo)污染物。隨著煤炭和石油的開發(fā)利用,環(huán)境中多環(huán)芳烴的濃度在逐年增加,已經(jīng)威脅到人類的身體健康,PAHs的監(jiān)測與治理越來越受到人們的重視。本文介紹水體中PAHs的前處理技術(shù)及測定方法。2預(yù)處理飲用水PAHs,在水體中的濃度很低,沉積物中PAHs的濃度比水中濃度高出幾個數(shù)量級。樣品基體復(fù)雜,干擾物多,難以直接測定。對樣品進行預(yù)處理可以提高方法的靈敏度,去除影響測試系統(tǒng)使用壽命的物質(zhì)。預(yù)處理技術(shù)包括萃取、濃縮以及凈化三個過程,飲用水和地下水的萃取液可不經(jīng)過柱凈化。而萃取過程是預(yù)處理技術(shù)的重中之重,目前有液液萃取、固相萃取、固相微萃取、毛細(xì)管電泳和膜萃取技術(shù)等。2.1分離和富集法目前,樣品前處理經(jīng)典方法多達幾十種,液-液萃取(liquid-liquidextraction,LLE)是其中最經(jīng)典、最常使用的一種萃取方式。樣品中的組分在水相與有機相之間進行多次分配,利用組分在互不相溶的兩相中不同的溶解度,達到分離和富集的目的。液-液萃取的操作裝置比較簡單,關(guān)鍵在于選擇合適的溶劑。首先,溶劑應(yīng)對PAHs具有較高的選擇性,同時又要對水具有較低的混溶性,溶劑本身沸點應(yīng)該足夠低,揮發(fā)性足夠強。提取劑最初是世衛(wèi)組織(WHO)推薦的苯,2001年我國衛(wèi)生部制定的《生活飲用水衛(wèi)生規(guī)范》中采用環(huán)己烷。但是無論如何改進,液-液萃取在方法上存在著明顯的缺陷:容易造成樣品損失或引入污染;需要大量超純有機溶劑;重復(fù)性差;工作強度大,操作繁冗。因此近年來,許多新的方法與技術(shù)得到廣泛研究。2.2spe檢測pahs的最佳方法固相萃取(solidphaseextraction,SPE)就是利用固體吸附劑將液體樣品中的目標(biāo)化合物吸附,與樣品的基體和干擾化合物分離,然后再用洗脫液洗脫或加熱解吸附,達到分離和富集目標(biāo)化合物的目的。SPE于20世紀(jì)70年代初發(fā)展起來,和液液萃取等傳統(tǒng)的分離富集方法相比,固相萃取具有富集倍數(shù)高,有機溶劑用量少,操作簡單快速,不易乳化等諸多優(yōu)點,能有效將目標(biāo)物與干擾組分分離,大大增強對分析物特別是痕量分析物的檢出能力,提高了被測樣品的回收率。SPE技術(shù)問世以來,發(fā)展迅速,現(xiàn)已廣泛地用于水和空氣等多種樣品的分析測定。SPE處理水體中的PAHs時,吸附劑的選擇對于提高PAHs的富集回收率起著至關(guān)重要的作用,常用的吸附劑有C8、C18等。Martinez等人對水體中16種PAHs用8種不同的固相萃取劑進行萃取,其中C18萃取相的回收率最高。近年來,也有許多學(xué)者利用其他物質(zhì)作為吸附劑并取得了滿意的效果。由于PAHs在水中溶解度低,為了克服解吸過程中的困難,增加其可溶性,通常要在樣品中加入有機溶劑,如甲醇、表面活性劑或異丙醇等。SPE萃取水中PAHs,雖然萃取效果良好,但是卻會受多種因素影響,如固相柱需要填充物,使用前需活化,較臟的水會引起柱堵塞,操作步驟多容易引入誤差,樣品處理時間較長等,因此需要開發(fā)更具選擇性的固相吸附劑以及更加合理地設(shè)計萃取步驟。2.3汽化室吸附劑提取固相微萃取(solidphasemicroextraction,SPME)是20世紀(jì)90年代興起的一項新穎的樣品前處理與富集技術(shù),屬于非溶劑型選擇性萃取法。固定相由表面涂覆有機物的纖維組成,將其浸入樣品溶液(或頂空氣體中),同時攪拌溶液2~15min,以加速兩相間的萃取平衡。待平衡后將萃取纖維取出,插入氣相色譜汽化室,熱解吸涂層上吸附的物質(zhì)。被萃取物在汽化室內(nèi)解吸后,靠流動相將其導(dǎo)入色譜柱,完成提取、分離、濃縮的全過程。SPME有三種基本的萃取模式:直接萃取(directextractionSPME)、頂空萃取(headspaceSPME)和膜保護萃取(membrane-protectedSPME)。石英纖維上的萃取纖維涂層是SPME的技術(shù)核心。Shurmer等測定了PAHs在水和聚合物涂層間的分配系數(shù),探討了使用端羥基聚二甲基硅氧烷(PDMS)涂層萃取高分子量PAHs的機理。但商品固相微萃取涂層價格較高,且目標(biāo)檢測物對涂層具有選擇性,而且使用壽命較短,限制了它的應(yīng)用。許多研究者對新型涂層材料進行了大量的研究。王小軍等采用溶膠-凝膠法制備了石英探針萃取頭,以PDMS為固定相,萃取量與商品萃取頭相當(dāng),在10~15min內(nèi)就可達到萃取平衡,解吸速度快,而且檢出限較低。雖然SPME技術(shù)仍然存在一些不足,但是近10年來,已在環(huán)境、生物、工業(yè)、食品、臨床醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。2.4毛細(xì)管電泳技術(shù)毛細(xì)管電泳(capillaryelectrophoresis,CE)是近年發(fā)展起來的一類液相分離技術(shù),它是根據(jù)樣品中各組分之間遷移速度和分配行為上的差異而實現(xiàn)分離。20世紀(jì)80年代中后期,毛細(xì)管電泳得到迅速發(fā)展,它具有靈敏度高、分析時間短、樣品耗用量少等優(yōu)點,在水質(zhì)分離與分析方面被廣泛應(yīng)用。毛細(xì)管電泳技術(shù)的分離模式有多種,毛細(xì)管區(qū)帶電泳、毛細(xì)管膠束電動色譜、毛細(xì)管凝膠電泳是其中幾種經(jīng)典的分離模式。利用毛細(xì)管電泳對水中PAHs的進行分析始于20世紀(jì)90年代初。毛細(xì)管電泳與色譜技術(shù)進行了有效結(jié)合。目前利用毛細(xì)管電泳對水中污染物分離分析的研究還在不斷深入,但主要是集中在樣品分離領(lǐng)域。隨著越來越多具有開拓性研究工作的進行,CE在樣品分析方面將有更大的發(fā)展。2.5純化后為純化超臨界流體萃取(supercriticalfluidextraction,SFE)是近代化工分離中出現(xiàn)的新技術(shù)。SFE將傳統(tǒng)的蒸餾和有機溶劑萃取結(jié)合為一體,利用超臨界流體(SCF)作為萃取劑,將基質(zhì)與萃取物有效分離、提取和純化。超臨界流體通常由惰性、高純、無毒的CO2或H2O及少量的共溶劑組成。共溶劑的作用是提高超臨界CO2對溶質(zhì)的溶解能力,而不影響SCF溶劑的粘度和密度。低碳醇、酮、胺等是常用的共溶劑。由于SCF本身的性質(zhì),PAHs提取后幾乎不需要任何濃縮過程,減少了損失,因此,SFE的回收率高達94%~96%。SFE具有高效、快速、處理溫度低,萃取揮發(fā)性好,二次污染小等優(yōu)點,在環(huán)境有機污染物的分析方面,展現(xiàn)了巨大優(yōu)勢。其應(yīng)用已涵蓋了多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯、酚類等方面,對土壤、大氣溶膠等樣品中的多環(huán)芳烴(PAHs)、多氯聯(lián)苯(PCBs)等污染物回收率較高。然而該技術(shù)對極性化合物的提取效率較低,裝置龐大而且成本較高,使其實際應(yīng)用受到限制,因此在水質(zhì)分析中的應(yīng)用相對較少。2.6非離子表面活性劑濁點萃取(cloudpointextraction,CPE)是近年出現(xiàn)的一種新型液-液萃取技術(shù)。它不使用揮發(fā)性有機溶劑,不影響環(huán)境。在中性表面活性劑膠束水溶液的溶解性和濁點的基礎(chǔ)上,改變實驗參數(shù)實現(xiàn)相分離,將疏水性物質(zhì)與親水性物質(zhì)分離開。目前廣泛用于濁點萃取的表面活性劑分為陰離子表面活性劑,陽離子活性劑,非離子表面活性劑和兩性離子表面活性劑。常用的非離子表面活性劑主要有TritonX,GenapolX80等,它們的濁點比較低,易于操作,且表面活性劑富集相體積較小。在有機物的萃取及分析檢測中,用CPE對樣品進行前處理可以提高檢測靈敏度,此外,表面活性劑還可以防止樣品吸附在容器上,易于與有機流動相或膠束流動相混合。早在1996年,Ferrer等就利用CPE技術(shù)對PAHs進行前處理,但是由于表面活性劑是非極性物質(zhì),并且具有紫外吸收或熒光性質(zhì),對分析PAHs等芳香烴化合物有著很大的影響,會干擾分析物的測定。2.7性能全面提取材料膜萃取(membraneextraction,ME),又稱固定膜界面萃取,是基于非孔膜技術(shù)發(fā)展起來的一種樣品前處理方法,是膜技術(shù)和液-液萃取相結(jié)合的分離技術(shù),是膜分離過程中的重要組成部分。它能避免傳統(tǒng)手性液膜拆分存在的“返混”和“液泛”以及手性載體耗量大的缺陷,易于實現(xiàn)工業(yè)化和同級萃取拆分。逆流提取和中空纖維膜的運用分別解決了膜萃取中的飽和平衡和效率問題。俞是聃通過圓盤膜萃取,提取河水中多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯、肽酸酯等半揮發(fā)性有機物,并用氣質(zhì)聯(lián)用儀及選擇離子(SIM)進行樣品定量分析,加標(biāo)回收率在70%~130%之間,檢出限達到ng/L級水平。但是,該技術(shù)的長期穩(wěn)定性不夠好,且經(jīng)常需要優(yōu)化很多實驗條件,痕量富集需要較長的時間,技術(shù)方面還有待改進。盡管如此,許多研究者也做了大量的研究。仍然有較大的發(fā)展前景。表1列出了常用的水體中多環(huán)芳烴前處理的技術(shù),并對它們的優(yōu)缺點進行了比較。3多環(huán)芳烴的檢測近幾年,隨著工業(yè)制造技術(shù)和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展,多環(huán)芳烴的分析檢測儀器也在向提高靈敏度和分辨率方向發(fā)展。比較常用的是分光光度法和色譜法。3.1多環(huán)芳烴同步熒光分析方法分光光度法有紫外可見分光光度法、熒光光譜法和一些新的發(fā)光分析法等。熒光分析法比吸收分光光度法的檢出限低,靈敏度高,更適宜對環(huán)境中的PAHs進行分析。同步熒光法是一種新型熒光分析技術(shù),可以同時掃描熒光激發(fā)和發(fā)射兩個單色儀波長,由測得的熒光信號強度對應(yīng)的發(fā)射波長或激發(fā)波長得到光譜圖,比常規(guī)熒光法有更高的選擇性和靈敏度。何立芳等建立了多環(huán)芳烴的膠束增敏導(dǎo)數(shù)-恒能量同步熒光同時分析方法。恒能量同步掃描所得到多環(huán)芳烴的譜帶位置均對應(yīng)常規(guī)光譜中的最佳激發(fā)-發(fā)射位置,經(jīng)二階求導(dǎo)后,消除譜帶的干擾,得到二階導(dǎo)數(shù)-恒能量同步熒光光譜,可同時測定菌、熒蒽、菲等三種多環(huán)芳烴。該法快速、靈敏,為預(yù)測和治理水污染提供了一種快速簡便的測試手段。3.2多環(huán)芳烴的分離高效液相色譜法(highperformanceliquidchromatography,HPLC)能分析高沸點、熱穩(wěn)定性差的有機化合物,是環(huán)境污染物分析鑒定的重要工具,在多環(huán)芳烴、苯胺類以及殘留的有機農(nóng)藥分析方面,得到越來越廣泛的應(yīng)用。高效液相色譜法測定水中痕量多環(huán)芳烴,以二氯甲烷做溶劑,超聲提取水中痕量PAHs。甲醇-水做流動相,梯度淋洗,用程序可變波長熒光檢測器測定菲、蒽、芘等6種PAHs。但是甲醇作為流動相不如乙腈的分離效果好。Tsysin等用比表面積8.4m2/g,顆粒度15~30μm的多聚體碳氟化合物作吸附劑,與HPLC-UV聯(lián)用,測定天然水中的PAHs,檢測限為5~40ng/L。朱利中等利用高效液相色譜法測定水中痕量多環(huán)芳烴,用程序可變波長熒光檢測器檢測,PAHs的濃度為0.007~0.6mg/L時,線性相關(guān)系數(shù)均在0.9999以上;檢測限為(S/N=2)為3.1~23.0pg。Kenneth等人利用反相高效液相色譜法(RP-HPLC)對16種多環(huán)芳烴進行了分析,用熒光檢測器進行檢測,乙腈和水作流動相進行等梯度洗脫。16種多環(huán)芳烴得到完全分離,效果十分理想。高效液相色譜法受化合物揮發(fā)性及分子量大小的限制較小,具有靈敏度高,選擇性好等優(yōu)點。3.3gc-ms質(zhì)譜條件氣相色譜法(gaschromatography,GC)是20世紀(jì)50年代初期發(fā)展起來的一種色譜分離分析技術(shù),主要用來分離多組分的復(fù)雜混合物,它已成為國內(nèi)外環(huán)境有機污染物的重要分析方法,具有高效、靈敏、快速、應(yīng)用范圍廣、樣品用量少等特點,分子量較低的組分(4環(huán)以下)的PAHs,GC-FID對其分辨能力很高,靈敏度高,分離徹底。近年來多采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(gaschromatography-massspectrometry,GC-MS),可將部分已分離甚至未分離的色譜峰鑒定出來,也可對極低濃度的PAHs進行分析(檢出限可以達到0.5μg/L)。聯(lián)用技術(shù)可以提高對多環(huán)芳烴分析的靈敏度和準(zhǔn)確度,同時也增強了對復(fù)雜混合物的分辨力,特別是對多環(huán)芳烴降解中間產(chǎn)物以及降解機理進行研究的有效工具。3.4延長分析時間由于液相色譜一質(zhì)譜法(LC-MS)高靈敏度、高選擇性的特點,并且避免了GC-MS樣品前處理時間長、步驟較為繁瑣的缺點,使分析時間得到縮短,減少了干擾因素。越來越受到研究者的青睞。天然環(huán)境中單環(huán)和多環(huán)芳香化合物降解之后的產(chǎn)物通常是高極性或酸性的物質(zhì),LC-MS對這類PAHs的分析有獨特的優(yōu)越性。但是由于LC-MS沒有標(biāo)準(zhǔn)的譜庫,所以限制了該技術(shù)的使用。3.5苯-甲基-硅氧烷的氣相色譜二維氣相色譜法(GC×GC)提供了一個真正的正交分離系統(tǒng)。它把分離機理不同而又互相獨立的兩支色譜柱以串聯(lián)方式結(jié)合起來,組成二維氣相色譜。通常用二維氣相測定多環(huán)芳烴時,第一維的分離柱是一根常規(guī)柱5%苯基-聚二甲基硅氧烷(30m×0.25mm,0.25μm),第二維的分離柱是50%苯基-聚二甲基硅氧烷(1m×0.1mm,0.1μm)。該技術(shù)分辨率高、靈敏度高、分析時間短。Gaines等使用GC×GC對水樣中痕量含氧化合物和芳烴進行了測定。表2列出了常用于水體中多環(huán)芳烴的檢測方法,并對它們的優(yōu)缺點進行了比較。4新測定24.1提取溶劑及檢測方法吳梅賢等建立了固相萃取-高效液相色譜法測定水中多環(huán)芳烴的方法。水樣經(jīng)LC-18固相萃取柱吸附后用二氯甲烷洗脫,氮吹干后換甲醇溶劑。反相C18柱為色譜柱;水、甲醇為流動相進行梯度洗脫,流速為1.0mL/min;柱溫為30℃;檢測器為熒光檢測器、紫外檢測器。方法的檢出限為0.00006~0.03μg/L。呂愛娟等建立了固相萃取結(jié)合高效液相法測定地下水中15種多環(huán)芳烴的方法。采用CLEAN-UPC18固相萃取小柱富集水樣,系統(tǒng)考察了樣品的流速和洗脫劑的強度、用量、有機改性劑加入量以及氮氣濃縮條件對測定的影響。采用光電二極管陣列檢測器(DAD)與熒光檢測器串聯(lián)檢測,DAD檢測器波長254nm;熒光檢測器采用程序波長檢測。15種多環(huán)芳烴的檢出限為l~14ng/L,加標(biāo)回收率在73.4%~105%之間。該方法簡便快速,穩(wěn)定可靠。4.2固相微萃取分析方法固相微萃取-高相液相色譜聯(lián)用技術(shù)(SPME-HPLC)對不揮發(fā)或半揮發(fā)性有機物的分析具有很大優(yōu)勢。李碧芳等研究了固相微萃取與高效液相色譜聯(lián)用測定水樣中痕量苯并(k)熒蒽的的分析方法。對SPME的條件(萃取時間、萃取溫度、離子強度、解吸方式、解吸溶劑、解吸時間)和HPLC條件進行了優(yōu)化,并用于自來水、雨水和純凈水等實際水樣的分析。方法的線性范圍為0~8.00μg/L,檢出限為0.014μg/L。4.3固相萃取-氣相色譜法用固相萃取與氣相色譜法聯(lián)用來分析水體中多環(huán)芳烴,分離效率高、重現(xiàn)性好,回收率高。鄭海濤等以國家標(biāo)準(zhǔn)分析方法和美國環(huán)保局分析方法為基礎(chǔ),采用固相萃取-氣相色譜法測定水中多環(huán)芳烴,探討了各種條件對測定的影響,選用HP-5毛細(xì)管柱,手動進樣,程序升溫。方法的檢出限為4~10ng/L,適用于優(yōu)先監(jiān)