水中致癌芳香胺的固相萃取-气质分析方法研究

叶伟红,刘劲松,潘荷芳

(浙江省环境监测中心,浙江杭州 310012)

水中致癌芳香胺的固相萃取-气质分析方法研究

叶伟红,刘劲松,潘荷芳

采用固相萃取-气相色谱质谱法分析了水中24种致癌芳香胺的含量,结果表明,该方法的检出限低于0.36μg/L。固相萃取的优化条件为:选用 Envi-chromp固相萃取小柱,水样p H 8～10,二氯甲烷洗脱2次。绝大多数芳香胺的空白水样加标回收率在88.8%～111.8%之间,标准偏差为6.8%～9.9%。对浙江省13个饮用水源地的地表水进行检测,均未检出24种致癌芳香胺。降解实验表明,大多数芳香胺化合物在水中能稳定存在14 d以上。

固相萃取(SPE);致癌芳香胺;气相色谱-质谱(GC/MS)

(浙江省环境监测中心,浙江杭州 310012)

1994年7月15日,德国政府颁布了禁用部分偶氮染料的法令。偶氮染料不仅通过纺织品等物质对人体造成危害,而且对环境(包括水、大气、土壤、动植物和人类等)也有着很大的危害。在纺织品的生产过程中,染料的利用率是有限的,所以大量的偶氮染料随着废水排入环境中,从而对环境造成了很大的危害。1970年以前,在从事染料制造的职工中经常发现被诊断为膀胱癌的症状,据不完全统计,到20世纪60年代中期,各国发现制造与使用染料的职业性膀胱肿瘤已经超过3 000例。1968年国际上专门召开会议对此进行病原分析,并于1969年在日本东京召开的第16届国际职业卫生会议上确认联苯胺和乙萘胺对人体的致癌作用最为严重。近年来,德国政府颁布了第4次德国联邦的排出保护令,要求纺织加工厂对排出物进行陈述,其目的是保护环境[1-3]。

偶氮染料(现德国规定118种)不会直接对人体产生有害的影响,但其直接与皮肤接触后,染料会被皮肤吸收,并在人体内扩散,与人体内偶氮还原酶接触后发生还原分解反应,使偶氮键发生开裂,形成具有致癌性的芳香胺化合物。芳香胺化合物会使人体的DNA发生变化,从而可能诱发人体病变[4]。

目前,致癌芳香胺的主要检测方法有液相色谱(LC/MS)法和气相色谱(GC/MS)法。气相色谱法所能直接分析的样品应较易挥发,且是热稳定的,沸点一般不超过500℃。在大多数情况下,气相色谱法能通过保留时间和峰面积与标样对照,给出很好的定性定量分析结果。大多数文献[5]报道的芳香胺气质检测介质主要都是纺织品,而对染料生产过程中排入环境水体所造成的芳香胺污染影响的研究较少,环境中芳香胺是以微量浓度存在的。因此,本研究选用固相萃取对水中的微量芳香胺进行富集浓缩,然后采用GC/MS法对24种芳香胺进行检测。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

7890A/5975C气相色谱-质谱仪:美国安捷伦公司产品,配备EI源;Autotrace固相萃取仪:美国Zymark公司产品;Milli-Q超纯水系统:美国Millipore公司产品;Envi-chromp固相萃取小柱(6 mL/500 mg):美国Supelco公司产品;氮吹仪:美国Organomation公司产品。

甲醇、丙酮和二氯甲烷(农残级):德国Meker公司产品;实验所用去离子水为超纯水;24种芳香胺标准品(浓度为100 mg/L)和内标 Phenanthrene-d10(浓度为4 000 mg/L):美国百灵威公司产品。

图1 选择离子模式的24种标样总离子流图Fig.1 Selected ion monitoring chromatograms of 24 aromatic amine standard

1.2 实验条件

1.2.1 气相条件 进样口温度250℃,无分流;DB-35MS柱(30 m×0.25 mm ×0.25μm);载气(He)流速1.0 mL/min;升温程序:柱温60 ℃,保持1.0 min,以5 ℃/min升至220 ℃,再以 2℃/min升至260 ℃,保持2 min。

1.2.2 质谱条件 选择离子扫描,溶剂延迟5.0min,电子倍增器(EM)电压100 eV。

1.3 前处理

分别用10 mL甲醇和10 mL水活化固相萃取小柱,流速4 mL/min;水样上样量1 L,上样速度4 mL/min;氮气吹干40 min;5 mL溶剂洗脱2次;氮吹浓缩,用二氯甲烷定容至1 mL,加入内标,进仪器分析。

2 结果与讨论

2.1 分离效果

24种芳香胺的选择离子流图示于图1。24种芳香胺标样在设定条件下分离较好,13#峰和内标峰部分重叠,22#和23#峰部分重叠,但是它们各自的定量离子不同,因此,还可以做到准确的定性和定量。

2.2 校准曲线、精密度及检出限

采用选择离子模式对5个浓度点的工作曲线进行分析,得出相应的线性、校正因子、精密度(6次平行结果)和最低检出限(6次平行结果),结果列于表1。工作曲线浓度分别为1.0、2.5、5.0、10.0、20.0 mg/L 。

从表1可知,24种芳香胺的线性相关系数都在0.995以上,各种物质的精密度都在5.07%以内,可见该方法有很好的重现性。有18种物质的响应因子RSD在30%以下,有6种物质的响应因子 RSD超过了30%,介于30%～38%之间。

24种芳香胺在气质条件下得出的仪器最低检出限0.04～0.36 mg/L,而在实际水样分析过程中,采用固相萃取仪进行浓缩,当水样的上样量为1 L,浓缩定容体积为1 mL,在选择离子模式下时,得出的实际水样中检出限应该是仪器检出限的1/1 000倍,即水中芳香胺的检出限可达0.36μg/L以下。

表1 24种芳香胺标准样品的线性相关系数、校正因子、精密度和最低检出限Table 1 Linearity,corrected factor,relation standard deviation and detection limits of 24 aromatic amine

2.3 前处理方法

2.3.1 洗脱剂的选择 以模拟水样为研究对象(向1 000 mL空白水样中加入5μg标准,水中浓度5μg/L),对比研究了不同极性的有机溶剂(二氯甲烷、V(二氯甲烷) ∶V(甲醇)=4 ∶1)作为洗脱剂对芳香胺回收率的影响,示于图2。由图2可知,二氯甲烷的洗脱效率明显高于二氯甲烷/甲醇溶液,22种化合物的回收率基本在70%～89%之间。

2.3.2 酸碱条件的选择 在碱性环境下,芳香胺类化合物的解离受到抑制,可以提高芳香胺类化合物的中性含量,增加它们对固相萃取小柱填料的亲和力,进而提高了回收率[6]。本研究通过加入不同量的6 mol/L H2SO4溶液和1 mol/L NaOH溶液调节水样p H值,进行对比实验,示于图3。由图3可知,碱性条件下的芳香胺回收率明显高于酸性条件,除9#和10#化合物外,其他芳香胺的回收率在80%～100%之间。芳香胺的回收率高低顺序为:p H 8～10≥p H 11～12＞p H 6～7＞p H 4～5＞p H 2～3,所以 ,选择调节p H 8～10的范围作为芳香胺固相萃取的p H值条件。

图2 不同洗脱剂对回收率的影响Fig.2 Effect of different elution solvent on recoveries

图3 pH值对回收率的影响Fig.3 Effect of different pHon recoveries

2.4 加标实验

本研究进行了空白水体及实际水体的加标实验,空白水体加标是在1 000 mL空白去离子水中加入5μg标准,水中芳香胺浓度为5μg/L,平行5次;实际水体选择5个饮用水源地的地表水进行加标实验,5个饮用水源地分别是:湖州老虎潭水库、金华金沙兰水库、富阳水厂、千岛湖、杭州西区水厂,加标量同空白水体加标的结果列于表2。

由表2可知,24种致癌芳香胺中除了9#和10#化合物外,其他22种化合物空白水样的平均回收率范围均在88.8%～111.8%之间,标准偏差为6.8%～9.9%,9#化合物的平均回收率范围为(66.8±1.9)%,10#化合物的平均回收率为(49.4±7.5)%。参照 GB/T 19942—2005国标中提到的化学法方法可行性说明:4-甲氧基-1,3-苯二胺的回收率应大于20%,2,4-二氨基甲苯的回收率应大于50%,其他芳香胺的回收率应大于70%[7]。本研究结果符合 GB/T 19942—2005国标中关于芳香胺回收率的要求。

5个实际地表水水体中24种芳香胺化合物的浓度均未检出,对5个实际地表水水体的加标结果显示:除了9#和10#化合物外,其他22种化合物平均回收率范围在76.2%～96.3%之间,标准偏差为10.0%～17.0%,9#化合物的平均回收率为(64.5±7.6)%,10#化合物的回收率为(49.6±7.3)%。实际水体的加标实验结果也符合 GB/T 19942—2005国标中提到的有关芳香胺回收率的要求。

表2 空白水样和实际水体加标实验Table 2 Results of spiked blank ande spiked w ater sample

2.5 降解实验

研究芳香胺在水中的降解规律:水样(平行2 次)敞口在室温(15 ℃左右)放置 1、3、7、14 d,避光,结果示于图4。

由图 4 可知 ,1～8、11～16、18～19 及 22～23,共18种芳香胺化合物在模拟水样中的性质较稳定,可稳定存在14 d以上;17#和20#化合物在模拟水样中只能稳定3 d;而9#和24#化合物在模拟水样中降解比较快,只能稳定24 h;10#化合物的稳定性最差,其模拟水样无法在室温下保存,这可能也是该化合物回收率低的原因之一。

图4 降解实验Fig.4 Experiment of degradation

2.6 实际样品

对浙江省13个饮用水源地的地表水进行检测,均未检出24种致癌芳香胺。对2个具有代表性的印染废水进行检测,废水出口处24种芳香胺浓度均在2μg/L以下。

3 结论

本研究建立了水样中24种致癌芳香胺的固相萃取-气质分析方法,各种物质的精密度都在5.07%以内,具有很好的重现性,方法的最低检出限达0.36μg/L以下,除了9#和10#化合物外,其他22种化合物空白水样的平均回收率均在88.8%～111.8%之间,标准偏差为6.8%～9.9%,9#化合物的平均回收率为(66.8±1.9)%,10#化合物的平均回收率为(49.4±7.5)%。降解实验表明:9#、10#、17#、20#和24#化合物在模拟水样中降解较快,其他化合物在模拟水样中能稳定14 d以上,其中10#化合物稳定性最差,其模拟水样无法在室温下保存。用此方法对浙江省13个饮用水源地的地表水进行检测,均未检出24种致癌芳香胺。对2个具有代表性的印染废水进行检测,废水出口处24种芳香胺浓度均在2μg/L以下。

我国目前的环境标准中没有专门针对24种致癌芳香胺的检测方法和标准限制,而浙江省印染业比较发达,对印染废水排入环境所造成的影响也没有系统的调查,本方法的研究结果可以为相关管理部门提供一定的技术支持。

[1]PIEL ESZ A,BARANOWSKA I,RYBAK A,et al.Detection and determination of aromatic amines as products of reductive splitting from selected azo dyes[J].Ecotoxicology and Environmental Safety,2002,53(1):42-47.

[2]PIEL ESZ A.The process of the reduction of azo dyes used in dyeing textileson the basis of infrared spectroscopy analysis[J].Journal of Molecular Structure,1999,511-512:337-344.

[3]PIN HEIRO H M,TOURAUD E,THOMAS O,et al.Aromatic amines from azo dye reduction:status review with emphasis on direct UV spectrophotometric detection in textile industry waste waters[J].Dyes and Pigments,2004,61(2):121-139.

[4]陈荣忻,王建平.禁用染料及其代用[M].2版.北京:中国纺织出版社,1998.

[5]鹏 博.禁用偶氮染料检测技术进展[J].染整技术,1998,20:11-14.

[6]彭家钢,王丹华,吴采樱.自制SPME涂层顶空萃取-气相色谱法分析废水中的芳香胺类化合物[J].分析测试学报,2004,23(3):18-21.

[7]国家质量技术监督局.GB/T 19942—2005皮革和毛皮化学试验禁用偶氮染料的测定[S].北京:中国标准出版社,2005.

Analytical Mehtod for Aromatic Amine in Water Using Solid-Phase Extraction and GC/MS

YE Wei-hong,LIU Jin-song,PAN He-fang
(Zhejiang Environmental Monitoring Center,Hangzhou310012,China)

Twenty-four aromatic amines were analyzed by gas chromatography-mass spectrometry(GC/MS)coupled the solid-phase extraction(SPE)technology.The result shows that the method is reliability,sensitivity and accuracy.The detection limitation is lower than 0.36μg/L.The optimum SPE conditions was Envi-chromp colume and p H 8—10 water,eluted two times with CH2Cl2.The average recovery of most compounds in blank water is 88.8%—111.8%,and RSD is 6.8%—9.9%.Thirteen drink waters were detected using this method.The result is that all target compounds are under detection limit.It is indicated in degradation test,and most aromatic amine are stable in water for more than fourteen days.

solid-phase extraction(SPE);aromatic amine;gas chromatography-mass spectrometry(GC/MS)

O 657.63

A

1004-2997(2011)01-0055-06

2010-03-11;

2010-11-18

浙江省分析测试科技计划项目(2008F70057),浙江省科技厅重大科技专项社会发展重点项目(2006C13060)资助

叶伟红(1979～),女(汉族),浙江温州人,工程师,从事环境监测评价工作。E-mail:yewh@zjemc.org.cn