超声辅助对酚类化合物衍生化效率的影响.pdf

第15卷第4期2023年7 月超声辅助对酚类化合物衍生化效率的影响钟旭，卢显鹏，宋洲2.3*，周宇齐，罗火焰，吉义平?1.湖北华祥地质环境检测科技有限公司，湖北武汉43 0 0 0 0;2.湖北省地质实验测试中心，湖北武汉43 0 0 3 4;3.资源与生态环境地质湖北省重点实验室（湖北省地质局），湖北武汉43 0 0 3 4摘要：对超声辅助条件下14种酚类化合物的衍生化效率进行了研究。选取衍生反应的温度和时间等对衍生化效率有决定性影响的参数进行优化，结果发现，在7 5下反应6 0 min，14种酚类化合物的衍生化效率最优，是非超声辅助条件下衍生化效率的0.9 7 44.4倍，提升明显。该方法性能稳定、抗干扰能力强，能够满足水中酚类化合物衍生反应的需求。关键词：超声辅助；酚类化合物；衍生化；气相色谱-质谱法；五氟苄基溴中图分类号：X832环境监控与预警Environmental Monitoring and Forewarning文献标志码：BVol.15,No.4July 2023D01:10.3969/j.issn.1674-6732.2023.04.011文章编号：16 7 4-6 7 3 2(2 0 2 3)0 4-0 0 6 8-0 5Effects of Ultrasound Assist on Derivatization Efficiency of Phenolic CompoundsZHONG Xu,LU Xianpeng,SONG Zhou3*,ZHOU Yuqi”,LUO Huoyan,JI Yiping”21.Hubei Huaxiang Geological Environment Testing Technology Co.,Ltd.,Wuhan,Hubei 430000,China;2.Hubei Provincial Geological Experiment Testing Center,Wuhan,Hubei 430034,China;3.Hubei KeyLaboratory of Resources and Eco-environment Geology(Hubei Geological Bureau),Wuhan,Hubei 430034,ChinaAbstract:The derivatization efficiency of 14 phenolic compounds under ultrasonic assisted conditions was investigated.Theparameters that have a decisive influence on the derivatization efficiency,such as the temperature and time of the derivatizationreaction,were selected to be optimized.It is found that the derivatization efficiency of 14 phenolic compounds is the best at 75 Cfor 60 min,which is 0.97 44.4 times that of the derivatization efficiency under non-ultrasonic assisted conditions.Theimprovement is obvious.This method has stable performance and strong anti-interference ability,and can meet the requirements forthe derivation of phenolic compounds in water.Key words:Ultrasound assist;Phenols;Derivative;Gas chromatography-mass spectrometry;Pentafluorobenzyl bromide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，为原生质毒，属高毒物质 1-3 。环境中酚污染主要来自炼油、煤气洗涤、炼焦、造纸、合成氨和化工等废水，含酚废水已是当今世界危害大、污染范围广的工业废水之一 4,受到越来越多学者的关注 5-6 。苯酚、3-甲酚、2,4-二氯苯酚、2,4,6-三氯苯酚、五氯酚和4-硝基酚这6种酚类化合物已被列为我国水中优先控制污染物黑名单 7 。在地表水环境质量标准（CB3838一2 0 0 2）中规定了五氯酚、2，4-二氯苯酚和收稿日期：2 0 2 2-0 8-14；修订日期：2 0 2 2-10-2 0基金项目：湖北省地质局科技项目（KJ2021-18,KJ2022-36）作者简介：钟旭（19 9 5一），男，助理工程师，本科，从事环境监测工作。*通讯作者：宋洲E-一 6 8 一2,4,6-三氯苯酚的标准限值，地下水质量标准（G B/T 148 48 一2 0 17）则对五氯酚和2,4,6-三氯苯酚质量浓度进行了限量规定。欧盟也规定饮用水中总酚质量浓度0.5g/L,单个酚质量浓度0.1g/L。因此,为控制酚类化合物对人类健康的影响，有必要开展环境水体中酚类化合物的监测 目前，衍生气相色谱-质谱法在酚类化合物测定中被广泛应用 9-13 。我国水中酚类化合物的测定采用水质酚类化合物的测定气相色谱-质谱第15卷第4期法（HJ7442015），该标准可测定苯酚、2-氯苯酚、4-氯苯酚、五氯酚、2,4-二氯苯酚、2,6-二氯苯酚、2,4,6-三氯苯酚、2,4,5-三氯苯酚、2,3,46-四氯苯酚、4-硝基酚、2-甲酚、3-甲酚、4-甲酚和2,4-二甲酚等14种酚类化合物，所用衍生化试剂为五氟苄基溴。经衍生后,不仅可以改善酚类化合物的色谱行为，而且能够提高其检测的灵敏度 14-17 。由于衍生反应需要在丙酮溶剂中进行，因此采用二氯甲烷-乙酸乙酯混合溶剂（V：V=4:1)萃取后须进行反复多次的换相操作，不仅操作过程比较烦琐，而且增大了换相过程中目标物的损失。因此，研究者尝试在萃取后不换相直接进行衍生操作,以解决上述问题。崔君等 18 采用二氯甲烷-乙酸乙酯混合溶剂（V:V=8:1)进行萃取,不换相直接进行衍生，发现五氯酚、2,4-二氯苯酚、2,6-二氯苯酚、2,4,6-三氯苯酚、2,4,5-三氯苯酚和2,3,4,6-四氯苯酚这6 种氯酚类化合物衍生化效率高，但是随着混合溶剂中乙酸乙酯比例的升高，衍生化效率降低。同时仅使用二氯甲烷进行萃取，大多数酚类衍生反应并不能进行。由此可见，混合萃取溶剂中二氯甲烷和乙酸乙酯的残留对衍生反应具有抑制作用，若不换相直接进行衍生，须优化混合溶剂比例，但该方法仅报道对6 种氯酚类有效,其他8 种酚类化合物的效果未知。已有研究表明，超声产生的空化效应对衍生反应具有促进作用 19 ,其是否可以消除溶剂残留对酚类化合物衍生化效率的影响尚无相关报道。现采用超声辅助手段对14种酚类化合物衍生过程进行改进，并优化相关反应参数，以期提高其衍生化效率，为环境水体中酚类化合物监测工作的开展提供技术支持。1实验部分1.1仪器和试剂仪器：Trace1310-TSQ8000Evo气相色谱-质谱联用仪（美国ThermoFisher公司）；TurboVapI全自动氮吹浓缩仪（瑞典Biotage公司）；EYELAMMV-1000W分液漏斗振荡器（东京理化器械株式会社）；DGG-9140B电热恒温鼓风干燥箱（上海森信实验仪器有限公司）；KQ-500DE超声波清洗机（昆山市超声仪器有限公司）；Milli-QDirect8超纯水机（美国密理博公司）;DB-5MSUI型毛细管色谱柱（3 0 m0.25mm0.25m，美国钟旭等超声辅助对酚类化合物衍生化效率的影响化学试剂有限公司）。试剂配制：五氟苄基溴溶液（称取0.50 0 g五氟苄基溴溶于9.5mL丙酮中）;3 0 0 g/L碳酸钾溶液：称取3.0 g无水碳酸钾溶于水中，定容至10 mL。1.2水样前处理方法1.2.1水样净化取水样10 0 0 mL于玻璃分液漏斗中,用饱和氢氧化钠溶液调节pH值12,振荡3 0 min,加人50mL二氯甲烷，振荡萃取5min，静置至完全分层后弃去有机溶剂相。1.2.2水样提取将1.2.1中净化后的水样用盐酸溶液（V:V=1:1)调节pH值1,向其中加人适量替代物后混匀，再加人6 0 g氯化钠后振荡至完全溶解，用50,3 0,30和15mL的二氯甲烷-乙酸乙酯(V:V=4:1)分4次进行萃取，合并萃取液后氮吹浓缩至5mL,取1mL提取液至40 mLVOA样品瓶中，待衍生。1.2.3样品衍生向VOA样品瓶中依次加人40 0 L300g/L的碳酸钾溶液、10 0 L5%的五氟苄基溴丙酮溶液和7mL丙酮,置于7 5水浴中超声衍生6 0 min,冷却至室温,加人2 0 mL正已烷，加人无水硫酸钠除水,氮吹浓缩后正已烷定容至1 mL,加入内标后待测。1.3实验条件毛细管色谱柱：3 0 m0.25mmx0.25m；进样口温度：3 0 0；传输线温度：3 0 0；程序升温：50，以8/min速率升至2 50，保持5min；载气：高纯氮气；载气流速：1.0 mL/min；进样方式：不分流进样；进样体积：1L；电子轰击离子源一 6 9 一2023年7 月安捷伦公司）。试剂：正已烷、乙酸乙酯、二氯甲烷、丙酮（色谱纯，美国ThermoFisher公司）；无水碳酸钾、无水硫酸钠、氯化钠、盐酸、氢氧化钠（分析纯，国药集团化学试剂有限公司），其中无水硫酸钠和氯化钠于6 50 烘烤4h后冷却备用；酚类化合物标准溶液（10 0 0 mg/L，异丙醇介质），替代物2-氟酚、2,4,6-三溴酚混合标准溶液（10 0 0 mg/L,丙酮介质）,内标物2,5-二溴甲苯、2,2 -5,5-四溴联苯混合标准溶液（10 0 0 mg/L，已烷介质），五氟苄基溴（2 5g，纯度 9 8.0%），均购自上海安谱实验科技股份有限公司；无水碳酸钾（分析纯，国药集团第15卷第4期（EI)温度：3 0 0；溶剂延迟：5min；监测模式：选择性离子监测（SIM）。14种酚类化合物的质谱参数见表1。其中，“-PFB代表五氟基官能团，“酚类化合物-PFB代表其五氟苄基溴衍生物。表114种酚类化合物的质谱参数定量定性定性序号目标化合物1苯酚-PFB23-甲酚-PFB32-甲酚-PFB44-甲酚-PFB52-氯苯酚-PFB62,4-二甲酚-PFB74-氯苯酚-PFB82,6-二氯苯酚-PFB92,4-二氯苯酚-PFB102,4,6-三氯苯酚-PFB112,4,5-三氯苯酚-PFB124-硝基酚-PFB132,3,4,6-四氯苯酚-PFB14五氯酚-PFB1.4衍生化效率酚类化合物衍生后采用内标法进行分析，衍生化强度(C,)按式(1)计算。C,=A,/Ais式中：A一一目标化合物定量离子峰面积,mAUmin；A is 一内标化合物定量离子峰面积,mAUmin。以丙酮为溶剂进行衍生化反应，其衍生化强度（C。）按式（1）计算，酚类化合物衍生化效率按式(2)计算。衍生化效率=C,/C。10 0%式中：C。和C,一一在纯溶剂和有基质存在情况下的衍生强度，通过二者的比值反映不同衍生环境下的效率。2结果与讨论2.1溶剂对衍生化效率的影响按照HJ744一2 0 15进行酚类化合物测定时，标准曲线系列是在丙酮溶剂中进行衍生，相比而言，样品则是经过二氯甲烷-乙酸乙酯混合溶剂一7 0 一钟旭等超声辅助对酚类化合物衍生化效率的影响内标化合物离子离子1离子2(m/z)(m/z)(m/z)2,5-二溴甲苯2742,5-二溴甲苯2882,5-二溴甲苯2882,5-二溴甲苯2882,5-二溴甲苯3082,5-二溴甲苯3022,5-二溴甲苯3082,5-二溴甲苯3422,5-二溴甲苯1332,2-5,5-376四溴联苯2,2-5,5-四溴联苯2,2-5,5-四溴联苯2,2-5,5-四溴联苯2,2-5,5-四溴联苯2023年7 月（V:V=4:1）萃取后进行衍生。因此,影响衍生化效率的关键因素在于溶剂，主要是二氯甲烷和乙酸乙酯残留带来的影响。虽然崔君等 18 前期研究了不同比例二氯甲烷-乙酸乙酯混合溶剂下酚类化合物的衍生效果，但是依然无法明晰二氯甲烷和乙酸乙酯的影响程度。为此,分别在8 mL丙酮、8 mL丙酮-二氯甲烷混合溶剂（V:V=3：1,7:1,15:1，39:1,79:1)和8 mL丙酮-乙酸乙酯混合溶剂（V：275181289181289181289181310181121181310181133181342181378181376378319182412203446444V=3:1,7:1,15:1,39:1,79:1)中进行衍生反应,酚类化合物衍生化效率见图1（a）（b），目标化合物序号对应的名称同表1，下同。由图1可见，随着混合溶剂中二氯甲烷和乙酸乙酯比例的增加,酚类化合物衍生化效率逐渐降低；相比氯酚类化合物而言，甲酚类化合物所受影响更大；而与二氯甲烷的影响相比，乙酸乙酯的影响更为显著,故降低混合萃取溶剂中乙酸乙酯的比例后不换相衍生可以实现氯酚类化合物的测定 18 。尽管如此，却难以实现甲181酚类尤其是2,4-二甲酚的高效衍生化反应。因181此,对14种酚类化合物的衍生化反应而言,乙酸乙酯的影响尤为关键，而且需要辅以其他手段进行消除。181181(1)(2)(a)丙酮/二氯甲烷丙酮120丙酮/二氯甲烷（3 9:1）丙酮/二氯甲烷（7:1）100工806040200(b)丙酮乙酸乙酯丙酮丙酮/乙酸乙酯（3 9:1）140丙酮乙酸乙酯（7:1）120100806040200注：图例括号中为体积比。图1溶剂对14种酚类化合物衍生化效率的影响丙酮/二氯甲烷（7 9:1）丙酮/二氯甲烷（15:1）丙酮/二氯甲烷（3:1）丙酮乙酸乙酯（7 9:1）丙酮/乙酸乙酯（15:1）丙酮/乙酸乙酯（3:1）1234567891011121314目标化合物第15卷第4期2.2超声辅助对衍生化效率的影响采用超声波清洗器，设定水浴温度为7 5，超声功率为7 0%，对应超声功率为3 50 W，进行衍生化反应6 0 min，14种酚类化合物的衍生化效率见图2(a)(b）。由图2 可见，酚类化合物经超声辅助后进行衍生,可降低二氯甲烷和乙酸乙酯残留带来的不利影响,尤其对甲酚类化合物而言,改善更为明显。在氯酚类化合物中,受乙酸乙酯影响较大的2-氯苯酚和4-氯苯酚的衍生化效率亦有明显提高。因此,后续酚类化合物的衍生化反应均在超声条件下进行。(a)丙酮/二氯甲烷丙酮140丙酮/二氯甲烷（3 9:1）120丙酮/二氯甲烷（7:1）100806040200(b)丙酮乙酸乙酯丙酮丙酮/乙酸乙酯（3 9:1）140上1201008060402001234567891011121314目标化合物注：图例括号中为体积比。图2 超声辅助对14种酚类化合物衍生化效率的影响2.3超声辅助衍生条件的优化引人超声辅助的目的是为了避免反复多次的换相操作,因此在萃取液浓缩至5mL后，没有按照标准HJ744一2 0 15的方法加入丙酮进行换相操作，而是分取一部分样品,丙酮定容至8 mL后进行衍生反应。样品分取体积的确定一方面要考虑由此带来的稀释效应,导致目标物难以检出;另一方面要考虑超声所能承受的极限。从图2 可见，分取体积超过1 mL后 V(丙酮）:V(二氯甲烷)=7:1或V(丙酮）:V钟旭等超声辅助对酚类化合物衍生化效率的影响2.3.1衍生温度的影响设定超声波清洗器水浴温度分别为45，55，65和7 5，在超声功率为7 0%（3 50 W）的条件下反应6 0 min,14种酚类化合物衍生化效果见图3。由图3可见,随着温度的升高,酚类化合物衍生化效率上丙酮/二氯甲烷（7 9:1）丙酮/二氯甲烷（15:1）丙酮/二氯甲烷3:1）丙酮/乙酸乙酯（7 9:1）丙酮/乙酸乙酯（15:1）丙酮/乙酸乙酯（7:1）丙酮/乙酸乙酯（3:1）2023年7 月（乙酸乙酯)=7:1,以2,4-二甲酚为代表的酚类化合物衍生化效率降低明显。因此,综合考虑方法的检出限要求,确定分取体积为1mL。考虑到酚类化合物衍生化效率受乙酸乙酯影响显著,且萃取液浓缩过程中二氯甲烷挥发程度高于乙酸乙酯。因此,在超声辅助衍生条件的优化过程中,以1mL乙酸乙酯模拟分取样品的溶剂组成进行衍生温度和时间的优化。升,在7 5时达到峰值。进一步增加反应温度,溶剂挥发加剧，容易引起VOA样品瓶内压力过大，从而导致炸裂。此外，氯酚类化合物衍生化效率受温度变化的影响波动较小，而甲酚类化合物在温度 50 时依然可以衍生，这些均与非超声条件下温度对衍生化效率的影响趋势不同 10 13 。因此,后续选择7 5的衍生温度可提高酚类化合物检测的灵敏度。140r45155120F1004020F01234567891011121314目标化合物图3 超声辅助下温度对14种酚类化合物衍生化效率的影响2.3.2衍生时间的影响在7 5条件下，进行不同时间的衍生化反应，14种酚类化合物的衍生效果见图4。由图4可见，甲酚类化合物受衍生时间的影响比氯酚类化合物大,随着衍生时间的增加，衍生化效率升高，在60min时达到峰值，随后开始降低。除2,4-二氯苯酚和2,4,5-三氯苯酚外,大多数氯酚类化合物的衍生化效率随时间的变化并不明显。因此,综合考虑14种酚类化合物的衍生化效率，选择衍生时间为 6 0 min。一 7 1.一165175第15卷第4期14010min20min30min12040min10080604020上01234567891011121314目标化合物图4超声辅助下时间对14种酚类化合物衍生化效率的影响由此可见，14种酚类化合物在超声功率为70%（3 50 W）的辅助下，7 5衍生6 0 min，衍生化效率最优，可达3 7.5%10 8%，而非超声条件下的衍生化效率为1.8 5%10 2%，超声辅助后的衍生化效率是非超声条件下的0.9 7 44.4倍。14种酚类化合物中,2,4,6-三氯苯酚的衍生化效率降低，苯酚、3-甲酚、2-甲酚、4-甲酚和2,4-二甲酚的衍生化效率提升明显。为了进一步证实超声辅助对衍生化效率的提升效果,采用二氯甲烷-乙酸乙酯（V:V=4：1）混合溶剂萃取的实际样品进行分析，结果发现，非超声条件下14种酚类化合物的衍生化效率为0.8 3%9 3.1%，超声辅助后的为82.4%125%，提升明显，尤其是甲酚类化合物。3结语研究了超声辅助对水样中酚类化合物衍生化效果的影响，通过其特有的空化效应和传质作用，对影响参数进行了优化。结果表明，14种酚类化合物经超声辅助衍生6 0 min后效率最高，是非超声辅助条件下衍生化效率的0.9 7 44.4倍，提升明显。该方法能够显著提高衍生反应的抗干扰能力，促进14种酚类化合物衍生化效率的提升，在实际监测工作中具有广阔的应用前景。参考文献1 堵锡华，王超.醇和酚类污染物对欧洲林蛙蝌蚪及梨形四膜虫毒性的定量结构-活性模型J.生态毒理学报，2 0 18，13(6):250-258.2LI E,BOLSER D G,KROLL K J,et al.Comparative toxicity of一7 2 一钟旭等超声辅助对酚类化合物衍生化效率的影响60min70min180min2023年7 月three phenolic compoundson the embryo of fatheadminnow,Pimephales promelas J.Aquatic Toxicology,2018,201:66-72.3 SANTHI V S,SALAME L,MUKLADA H,et al.Toxicity of phe-nolic compounds to entomopathogenic nematodes:A case studywith Heterorhabditis bacteriophora exposed to lentisk(Pistacialentiscus)extracts and their chemical componentsJ.Journal ofInvertebrate Pathology,2019,160:43-53.4曹雨.含酚废水处理技术的研究进展 J.辽宁化工,2 0 19，48(5):12-15.5杨成雄，杨雪清，严秀平.金属-有机骨架MIL-101（Cr）掺杂聚合物整体柱的制备及其用于酚类化合物的在线固相萃取 J.色谱,2 0 19,3 7(8）：8 2 4-8 3 0.6吕银知，赵建亮，姚理，等.酚类内分泌干扰物在长江鱼体血浆中的生物富集J.环境化学，2 0 19,3 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