正交试验优化-浸入式固相微...相色谱-质谱法测定水中苯胺_陈剑宁.pdf

2023 年第 1 期 60 CITY AND TOWN WATER SUPPLY水质分析与监测正交试验优化-浸入式固相微萃取-气相色谱-质谱法测定水中苯胺陈剑宁（惠州市水质检测综合服务有限公司，广东惠州 516003）摘要：建立了浸入式固相微萃取（DI-SPME）-气相色谱质谱法测定生活饮用水和地表水中的苯胺。本文以正交表 L16（45）设计了 5 因素 4 水平正交试验，通过极差分析对 DI-SPME 的萃取条件进行优化。由正交试验得到 DI-SPME 最优条件为：萃取量15mL、萃取温度 30、萃取时间 25min、NaCl 加入量 0.60g、pH=8。方法在 25min 内有效分离并检测生活饮用水及地表水中的苯胺，在 2.0g/L 50.0g/L 范围内线性良好，标准曲线相关系数 r0.999，检出限为 0.33g/L，实际水样加标相对标准偏差 RSD为 3.1%7.7%，加标回收率为 83.2%109.6%。检出限能够满足检测要求，适用于检测饮用水和地表水中的苯胺。关键词：正交试验；固相微萃取；苯胺；质谱苯胺（Aniline）为无色或浅黄色透明液体，有特殊气味，溶解度为 3.5g/100mL，沸点为184.7，属于碱性物质，能与无机酸发生中和反应生成水溶性盐1。苯胺为染料制造、橡胶、制药、塑料等工业的原料2，对人体具有毒害作用。主要是使氧和血红蛋白变为高铁血红蛋白，影响组织细胞供氧而造成内窒息2。地表水环境质量标准（GB3838-2002）中，苯胺标准限值为 0.2mg/L3。生活饮用水卫生标准（GB5749-2006）中亦规定，采用地表水作为生活饮用水水源时，水源水应符合GB3838-2002 的要求4。目前水中苯胺的检测标准方法有重氮偶合分光光度法5、气相色谱法5、液液萃取气相色谱质谱法6、液相色谱三重四极杆质谱法7，重氮偶合分光光度法易受浊度、色度等因素干扰，气相色谱法萃取样品量大，操作困难，容易出现假阳性；液液萃取气相色谱质谱法需要对样品进行液液萃取，耗时量大。液相色谱三重四极杆质谱法操作简单，检出限低，但仪器成本难以负担。实验采用浸入式固相微萃取（DI-SMPE）-气相色谱-质谱法检测生活饮用水及地表水中苯胺，并用正交试验设计优化萃取条件，方法快速简便、准确、灵敏，适用于生活饮用水及地表水的常规检测。1.实验部分1.1 仪器与试剂Agilent 8890 5977B MSD 安捷伦气相色谱DOI:10.14143/ki.czgs.2023.01.0152023 年第 1 期 61 CITY AND TOWN WATER SUPPLY水质分析与监测质谱仪；PAL RTC 多功能自动进样器，带自动固相微萃取（瑞士 CTC 公司）；Milli-Q 纯水仪。甲 醇 中 苯 胺 标 准 物 质（GBW（E）082863，1000g/mL）；氢氧化钠（分析纯，广州化学试剂厂）；盐酸（优级纯，广州化学试剂厂）；氯化钠（优级纯，西陇科学股份有限公司）。1.2 标准系列的配置吸取 1mL 浓度为 1000g/mL 的苯胺标准物质甲醇溶液，用超纯水定容于 1000mL 棕色玻璃容量瓶，混匀，得 1000g/L 苯胺标准储备液。临用时用超纯水稀释成 2g/L、5g/L、10g/L、20g/L、50g/L、100g/L 标 准系列。1.3 水样的测定用超纯水分别配置 0.01mol/L 的 HCl 溶液和 NaOH 溶液，调节水样 pH 约等于 8。取15mL 水样于 20mL 顶空瓶中，加入 0.6gNaCl，封盖摇匀后放置于样品盘上进行萃取进样操作。1.4 DI-SMPE 条件萃取纤维头类型：85mPA 萃取头；萃取温度：30；萃取时间：25min；解析温度：190；解析时间：0.2min；萃取头浸入液面下萃取。1.5 色谱-质谱条件气 相 色 谱 条 件：色 谱 柱：DB-624UI色谱柱（60m0.25mm；1.40m）；载气：高 纯 氦 气；进 样 口 温 度：190，不分 流 进 样；进 样 时 间：0.2min；载 气 流量：1.00mL/min；程 序 升 温：40（1min）8 /min 100 12 /min 200（3min）15/min 220（3min）。质谱条件：离子源温度：230；四极杆温度：150；传输线温度：220；扫描方式：scan 模式；扫描范围：35300；定量离子：93；辅助离子：66、65。2.结果与讨论2.1 DI-SPME 条件优化 2.1.1 DI-SPME 影响因素分析DI-SMPE 受到离子强度、pH、萃取温度、萃取时间的综合影响。向水样中加入无机盐可增强离子强度，降低苯胺在水中的溶解度；苯胺属于弱碱性，pH 越低，样品中的苯胺以阳离子形式存在比例越大；pH 越高，样品中的苯胺以游离单体形式存在比例越大；提高萃取温度可以加快萃取达到平衡。但温度过高会降低萃取头与水样间的分配系数8，导致萃取效率降低。综上所述，DI-SMPE 的参数间存在一定的交互作用，因此使用正交试验进行多参数实验设计，优化 DI-SPME 萃取条件。2.1.2 正交试验设计的因素及水平正交试验采用浓度为 50g/L 的水样，以苯胺峰面积作为评价指标，选取萃取过程中涉及的关键因素（pH、NaCl 加入量、萃取时间、萃取温度、样品量），采用正交表 L16（45），进行 5 因素 4 水平正交试验设计，每次实验皆做平行。水平设置情况见表 1。表 1正交因素水平表水平因素萃取温度NaClpH萃取时间样品量1600.15g65min5mL2500.30g715min10mL3400.45g825min15mL4300.60g935min18mL2.1.3 正交试验设计的因素和水平对苯胺峰面积的影响应用正交试验设计表的因素和水平对萃取条件优化实验，考察了萃取温度、萃取时间、NaCl 加入量、pH 和样品量对萃取效率的影响，实验结果见表 2。2023 年第 1 期 62 CITY AND TOWN WATER SUPPLY水质分析与监测表 2苯胺 L16（45）结果表序号pH样品量萃取时间萃取温度NaCl苯胺响应峰面积平行 1平行 2均值实验 165mL5min600.15g206647319798522037600实验 2710mL15min600.30g299597937300003240655实验 3815mL25min600.45g394154737527673878620实验 4918mL35min600.60g376762736462913727182实验 5718mL25min500.15g305306527330922946407实验 6615mL35min500.30g321313729545113126931实验 7910mL5min500.45g324345732402193242378实验 885mL15min500.60g396895338874133941773实验 9810mL35min400.15g410769041407944118725实验 1095mL25min400.30g384361938082343831824实验 11618mL15min400.45g354514135580933549458实验 12715mL5min400.60g342327433359883398554实验 13915mL15min300.15g212286119375732061101实验 14818mL5min300.30g341969632771023372167实验 1575mL35min300.45g478554646956544755584实验 16610mL25min300.60g3717522404419438264122.1.4 正交试验设计的极差分析对正交试验设计的实验结果进行极差分析。因素的极差大小反映了对萃取率影响程度大小。根据极差的大小顺序，各因素对萃取率影响的大小顺序为：萃取量 萃取温度 萃取时间 NaCl 加入量 pH。正交试验设计的极差分析见表 3。正交试验中水平均值最大的为该因素的最优条件。由各因素水平均值的大小，得到DI-SPME 最优条件为：萃取量 15mL、萃取温度 30、萃取时间 25min、NaCl 加入量 0.60g、pH=8。水平均值见表 3。2.1.5 解析温度和解析时间的选择PA 纤维萃取头推荐解析温度为 220至310。苯胺的沸点为 184.7，分解温度为3701。实验配置浓度为 50g/L 的水样，在保持萃取条件和萃取时间不变的情况下，f 分别在解析温度 160、170、180、190、200、210的条件下进行测定，当解析温度在 190及以上时，峰面积并无显著差别，见图 1。考虑到过高的解析温度会影响纤维萃取头的寿命，确定解析温度为 190。表 3正交试验设计极差分析因素水平均值极差最优条件1234pH3221015 3314371 3723819 3503816 502807 8样品量2790959 3392892 3856509 3722659 1065553 15mL萃取时间3135100 3584480 3827820 3215621 692722 25min萃取温度3011853 3198247 3620817 3932104 920251 30NaCl2913356 3607042 3115481 3398804 693685 0.60g2023 年第 1 期 63 CITY AND TOWN WATER SUPPLY水质分析与监测图 1解析温度-峰面积关系图解析时间越短，目标物的色谱峰形越尖锐。但时间过短，会导致目标物解析不完全，检出限上升。实验对比 0.2min、0.5min、0.8min、1.0min、2.0min 的解析时间，苯胺响应值在所有时间内无上升趋势，确定解析时间为0.2min，见图 2。图 2解析时间-峰面积关系图2.1.6 苯胺的定性苯胺通过 DI-SMPE 萃取浓缩，以气相色谱-质谱仪进行检测。以苯胺的保留时间和质谱图进行定性，保留时间为 18.71min。苯胺的总离子流色谱图见图 3；质谱图见图 4。图 3苯胺总离子流色谱图图 4苯胺质谱图2.1.7 苯胺的定量用超纯水稀释储备液，配置 2.0g/L、5.0g/L、8.0g/L、10.0g/L、20.0g/L、50.0g/L 苯胺标准溶液系列，按照试验方法进行测定。以 m/z93 离子峰面积为纵坐标，苯胺浓度为横坐标，绘制标准曲线。得到线性方程，相关系数 r=0.9991。标准曲线图见图 5。图 5苯胺校准曲线2023 年第 1 期 64 CITY AND TOWN WATER SUPPLY水质分析与监测2.1.8 方法检出限与测定下限因空白试验中未检出苯胺，根据环境监测分析方法标准制订技术导则（HJ168-2020），当空白试验未检出目标物时，按照样品分析的全部步骤，对浓度值为估计方法检出限值 3 5 倍的样品进行 n（n 7）次平行测定。取 1000g/L 的 苯 胺 储 备 液 1mL 至1000mL 棕色玻璃容量瓶，定容，配置成1g/L 的 水 样，连 续 测 定 7 次。根 据 公式 MDL=t(n-0.99)S 计 算 检 出 限，以 4 倍检出限为测定下限（RQL=4MDL）。当n=7、置信度 99%时，t=3.143，标准偏差S=0.11g/L；检 出 限 MDL=0.35g/L；测定下限 RQL=1.40g/L。配置浓度和检测结果见表 5。2.1.9 精密度和回收率任意选取 3 件管网水样品和 3 件地表水样品，每件样品均分为 6 份进行加标实验，独立测定 6 次，相对标准偏差为 3.1%7.7%，试剂样品不同浓度的加标回收率为82.3%109.6%。结果见表 6。2.1.10 实际样品测定对出厂水、管网水和地表水进行测定，出厂水、管网水和地表水均未检出苯胺。结果见表 6。（下转第 93 页）表 6精密度、回收率与实际样品检测结果样品水样测定浓度（g/L）加标浓度 5g/L加标浓度 10g/L加标浓度 30g/L实测平均浓度（g/L）平均加标回收率 P相对标准偏差RSD实测平均浓度（g/L）平均加标回收率 P相对标准偏差 RSD实测平均浓度（g/L）平均加标回收率 P相对标准偏差RSD管网水 1ND4.35 87.0%5.9%8.77 87.7%6.6%32.6108.7%3.1%管网水 2ND4.36 87.3%6.3%8.91 89.1%4.8%31.3104.3%3.4%管网水 3ND4.16 83.2%7.7%8.23 82.3%5.6%32.5108.3%3.8%地表水 1ND4.47 89.5%6.8%8.78 87.8%5.4%39.1109.6%4.8%地表水 1ND4.36 87.3%6.2%8.76 87.6%6.6%32.6108.7%3.1%地表水 3ND4.21 84.1%5.3%9.28 92.8%4.7%31.3104.3%3.4%表 5 检出限、测定下限的检测与计算结果编号 配置浓度测定值标准偏差检出限（MDL）测定下限（RQL）11g/L0.91g/L0.11g/L0.35g/L1.40g/L20.85g/L31.08g/L41.13g/L51.09g/L61.11g/L71.12g/L2023 年第 1 期 93 CITY AND TOWN WATER SUPPLY研究与探讨在一定程度上可以调节城市居民的用水需求，虽然目前各地都已普及节水相关知识，但水资源浪费现象仍较严重。通过对水价的合理调节，能够发挥经济杠杆对居民用水需求的调节，从而推进水资源的节约与保护。有研究表明4，当水价上涨 1%时，能够使居民用水量减少约 0.12%。因此，应考虑将水价调控作为居民用水量需求调节的重要手段。充分考虑城市发展对用水居民用水需求的影响：城市发展及人民生活水平的提高也是影响居民用水量指标的重要因素。随着各地城市化进程的不断推进，应充分考虑城市经济发展带来的居民人口及用水需求剧增的情况，尤其是规划及供水部门在供水规划过程中，要为城市发展预留足够的水资源空间。根据气候、节假日等优化供水调度：居民用水需求与气候、节假日等因素息息相关。供水企业通过对季节气候、节假日供水情况的短期预报，可以进一步优化供需平衡，使供水调度更具预见性、科学性和有效性。参考文献：1 潘颖，曹积宏.城镇居民生活用水指标分析 J.净水技术，2020（8）：1471532 张满英.提高用水效率促进节约用水加快建立完善城镇居民用水阶梯价格制度 J.价格理论与实践，2014，000（002）：583 马训舟，张世秋，穆泉.阶梯式水价对城镇居民福利影响的模拟分析以北京市居民用水为例分析 J.价格理论与实践,2011,000（012）：25264 周景博.中国城市居民生活用水影响因素分析 J.统计与决策，2005（11）：7778作者通联：（上接第 64 页）3.结论建立了浸入式固相微萃取-气相色谱质谱法测定饮用水及地表水中的苯胺，整个分析过程不使用有机溶剂萃取，方法前处理过程简单，方法的线性范围、检出限、精密度及回收率均满足相关标准的要求，适用于饮用水及地表水中的苯胺检测。参考文献：1 程能林.溶剂手册(第 4 版).北京:化学工业出版社，20082 水和废水监测分析方法（第四版)(增补版)北京：中国环境出版社，20023 GB 3838-2002，地表水环境质量标准s.中华人民共和国生态环境部，20024 GB 5749-2006，生活饮用水卫生标准s.中华人民共和国卫生部，20065 GB/T 5750.8-2006，生活饮用水标准检验方法 有机物指标s.中华人民共和国卫生部，20066 HJ 822-2017，水质 苯胺类化合物的测定 气相色谱 质谱法s.生态环境部7 HJ 1048-2019，水质 苯胺类化合物的测定 液相色谱 三重四极杆质谱法s.生态环境部8 欧阳钢锋、（加）波利西恩（Pawliszyn,J.）固相微萃取原理与应用（第版）北京：化学工业出版社，20129 HJ 168-2020，环境监测分析方法标准制定技术导则s.生态环境部，2020作者通联：