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龙岩学院毕业论文（设计） 题目：固相萃取/气相色谱-质谱联用 测定河水中的多环芳烃 学 院： 化学与材料学院 专 业：应用化学 学 号： 2008063607 作 者：何耀杭 指导教师(职称)： 何立芳 （教授） 二0一二 年 三 月 二十 日固相萃取/气相色谱-质谱联用测定河水中的多环芳烃化学与材料学院 应用化学专业 2008063607 何耀杭 指导老师：何立芳摘要：以c18为固相萃取吸附材料，探索其对水样中多环芳烃的吸附和富集能力，采用db-5ms石英毛细管柱对多环芳进行分离，气相色谱-质谱联用对多环芳烃进行定性及定量分析。通过实际样品中多环芳烃的分析表明，该法快速，溶剂用量少，能满足痕量分析的要求。 关键词：c18；固相萃取；气相色谱-质谱法；多环芳烃；水样.1.引言1.1 多环芳烃概述1.1.1 多环芳烃的来源多环芳烃是指含有两个以上苯环以线状、角状排列的稠环型的碳氢化合物总称1,是一类环境污染物，美国国家环保局（us epa）将16种pahs确定为优先环境监测污染物2-3。其中16种多环芳烃具有致癌性、致畸性和致突变性，并且容易在生物体内沉积和不易降解的特性4，这类物质主要是由矿物燃料，木材，纸张和其他含碳氢化合物不完全燃烧形成的5-6。环境中的pahs除极少量来源于生物体(某些藻类、植物和细菌)内合成，森林草原自然起火，火山喷发从化石燃料、木质素、底泥等散发出的pahs是长期地质年代中由生物降解再合成的产物等，绝大部分由人为活动污染造成，主要来自于以下方面7：(1) 煤、石油和木材及有机高分子化合物的不完全燃烧，即热解成因：废物焚烧和化工燃料不完全燃烧产生的烟气包括汽车尾气，工厂（特别是炼焦、炼油、煤气厂）排出物。(2)原油在开采、运输、生产和使用过程中的泄漏及排污，即石油类源。 (3)水体中的pahs主要来源于工业废水、大气降落物、表面敷沥青道路的径流及污染土壤的沥滤流。与地下水、湖水相比，河水更易受污染，其中多被吸附在悬浮粒子上，仅少量呈溶解态。 (4)室内pahs则来源于取暖、烹饪以及吸烟等，由含碳氢化合物不完全燃烧产生。特别是有研究报道，从香烟中已检测到300种以上的pahs。1.1.2 多环芳烃的危害化学致癌作用：多环芳烃属于间接致癌物，多环芳烃导致肺癌发病率上升，油脂食物煎炸等烹调过程产生pahs，导致胃癌发病率提高 。光致毒效应：多环芳烃紫外光照射加速具有损伤细胞组成能力的自由基形成 ，由bap产生的bap醌是一种直接致突变物，引起人体基因的突变,同时也会引起人类红细胞溶血及大肠杆菌的死亡。1.2 多环芳烃检测进展随着煤、石油在工业生产，交通运输以及生活中被广泛应用，多环芳烃(pahs)已成为世界各国共同关注的有机污染物。近年来国内外对此类化合物在水中的污染方面的研究十分重视，以期望能够为预测多环芳烃对水的污染和治理这一课题提供一个理论依据。因此，对水中致癌多环芳烃含量的测定方法的研究，有着重大的现实意义。目前，对于多环芳烃的分离和检测方法有：高效液相色谱法8-9：以液体为流动相，采用高压输液系统，将具有不同极性的单一溶剂或不同比例的混合溶剂、缓冲液等流动相泵入装有固定相的色谱柱，在柱内各成分被分离后，进入检测器进行检测，从而实现对试样的分析。其特点：高压、高效、高灵敏度、应用范围广、分析速度快，载液流速快；此外高效液相色谱还有色谱柱可反复使用、样品不被破坏、易回收等优点，但高效液相色谱的缺点是有“柱外效应”。在从进样到检测器之间，除了柱子以外的任何死空间（进样器、柱接头、连接管和检测池等）中，如果流动相的流型有变化，被分离物质的任何扩散和滞留都会显著地导致色谱峰的加宽，柱效率降低。高效液相色谱检测器的灵敏度不及气相色谱。气相色谱10-11：气相色谱系统由盛在管柱内的吸附剂或惰性固体上涂着液体的固定相和不断通过管柱的气体的流动相组成，将欲分离、分析的样品从管柱一端加入后，由于固定相对样品中各组分吸附或溶解能力不同，即各组分在固定相和流动相之间的分配系数有差别，当组分在两相中反复多次进行分配并随移动相向前移动时，各组分沿管柱运动的速度就不同，分配系数小的组分被固定相滞留的时间短，能较快地从色谱柱末端流出。气相色谱-质谱联用（gc-ms）12-15：用气相色谱法分离并定性与用质谱法定量相联用的分析方法。纸色谱荧光光度法16 ：由高压汞灯或氙灯发出的紫外光和蓝紫光经滤光片照射到样品池中，激发样品中的荧光物质发出荧光，荧光经过滤过和反射后，被光电倍增管所接受，然后以图或数字的形式显示出来。薄层色谱法17：利用各成分对同一吸附剂吸附能力不同，使在移动相（溶剂）流过固定相（吸附剂）的过程中，连续的产生吸附、解吸附、再吸附、再解吸附，从而达到各成分的互相分离的目的。 其中应用较广泛的是gc-ms。1.3 气相色谱-质谱方法概述 1.3.1 简介 gc-ms这种重要的分析技术是由气相色谱（gc）和质谱检测器（ms）两部分结合起来所组成的。该技术利用气相色谱的分离能力让混合物中的组分分离，并利用质谱鉴定分离出来的组分（定性分析）以及其精确的量（定量分析）。气相和质谱控制、数据记录、分析都由电脑完成。气质联用具有非常高的灵敏度，并且分析范围非常广泛。1.3.2 原理 混合物由一股气流（流动相，又称气相）携带通过一根长长的内壁涂有薄薄的一层膜（液态固定相）的毛细管柱。因为混合物的不同组分与固定相的结合能力不同，一次在柱的末端混合物中的各个祖坟会逐个的出来（洗脱）而达到分离的目的。 不同的样品以不同的速率通过气相色谱柱，因此在不同的时间内流出得到分离。组分流出色谱柱的时间（保留时间）取决于组分与固定相和流动相的溶解性，组分如果在固定相中的溶解度较流动相大，组分将会被固定相保留导致保留时间增长。1.3.3 条件 在gc-ms联用分析中，色谱的分离和质谱数据的采集是同时进行的。为了使每个组分都实现良好的分离与鉴定，必须设定合适的色谱和质谱分析条件。色谱条件包括色谱柱的类型（填充柱或毛细管柱）、固定液种类、载气种类、载气流量、试样气化温度、分流比、程序升温方式等。设置的原则一般是：优先选用毛细管气相柱、极性试样使用极性柱、非极性试样使用非极性柱、未知试样先尝试中等极性的色谱柱，尔后根据实际情况作适当调整。质谱工作条件包括电离电压、扫描速度、扫描质量范围、扫描模式等，这些均要根据实际试样情况、实际测试需求进行设定。1.4 论文设想 实验采用c18固相萃取柱吸附剂，研究了其对16种pahs的吸附性能，并采用中等极性的db-5ms弹性石英毛细管对16种多环芳烃进行分离，对水样富集萃取后采用gc-ms进行了检测与分析。2.实验部分2.1 仪器性能 在样品分析之前用标准多环芳烃混合标准溶液对气相色谱-质谱仪器的性能进行调谐，调谐至满足实验要求，即性能符合要求后保存调谐文件以便分析样品时使用。2.2 仪器与试剂仪器 gc-ms-qp2010 uitra气相色谱质谱联用仪（岛津公司）；shb-3循环水多用真空泵（郑州杜甫仪器厂 ）；氮气（龙岩卓龙钢铁有限公司制氧厂出品）；spe c-18柱 supelcleantm lc-18 spe.tubes 6ml (0.5g) (厦门莱胜科技有限公司)；微量移液管（单道） (made in germany)；试剂 正己烷为色谱纯（tedia company,inc.made in usa）；甲醇为色谱纯（天津市河东区红岩试剂厂）；16种多环芳烃混合标准样品（德国dr.ehrenstorfer标准品）；二氯甲烷为分析纯（广东省化学试剂工程技术研发中心）。 2.3 气相色谱-质谱条件色谱 db-5ms弹性石英毛细管柱（30m0.250.25um）；载气为高纯氦气（纯度为99.9999%），载气流速1.0 ml/min；进样口温度300，不分流进样，进样量1 l ；程序升温：初始温度80，保留1min，以10/min升至250，后以6/min升至300，保温3min；质谱 传输线温度280；电子轰击（ei）离子源，电子能量70ev；溶剂延迟5min；采集模式：scan/sim同时采集；扫描范围：35-400m/z。2.4 数据处理软件 origin7.5和 gcms postrun analysis 2.5 实验水样的来源 于2011年11月沿九龙江流域省控监测断面自上游至下游设置4个采样点，分别为红坊赤坑（w1）、雁石桥（w2）、捷步桥（w3）、顶坊（w4）。用采样器采集水样，分别装入洁净的1l棕色玻璃瓶中，带回实验室于4冷藏保存。水样采集点的分布见右图。2.6 实验方法2.6.1 c-18柱的活化 依次将5ml二氯甲烷、5ml甲醇、5ml去离子水经过c-18柱，进行润湿活化，期间不允许柱中填料抽干。2.6.2 固相萃取在500ml超纯水或实际水样中加入55ml甲醇，混匀，将c18柱顶端连接至固相萃取装置，以5ml/min的流速真空抽滤，待水样全部通过小柱后，把真空调至最大，将小柱中水分抽干。2.6.3 洗脱pahs用10ml正己烷分3次加入完全抽干后的小柱中，以2ml/min流速洗脱，在柱子下端处放置5ml的刻度试管收集洗脱液，氮吹浓缩至1ml，用正己烷定容到5ml，用封口胶密封保存于冰箱中，待测。2.6.4 检测将保存于冰箱中的样品倒入gc-ms的检测瓶中，设置好仪器的参数、样品名称、调用的方法文件以及调谐文件，待机，开始检测。3.结果与讨论3.1 gc-ms定性及定量离子的选择用“2.3”色谱-质谱条件，全扫描方式对0.2mg/l的16种多环芳烃混标进行扫描，获得了总离子流图（见图1）。将各pahs的质谱图与质谱谱库对照，结合在db-5ms柱上的出峰顺序，对各化合物定性。选择无干扰的丰度较高的碎片离子为选择离子sim下的定量离子，16种pahs的保留时间和定量离子见表1。 图1 多环芳烃总离子流图注：1-萘，2-苊烯，3-苊，4-芴，5-菲，6-蒽，7-荧蒽 ，8-芘，9-苯并（a）蒽，10-，11-苯并(b)荧蒽，12-苯并(k)荧蒽，13-苯并（a）芘，14-茚苯（1,2,3-cd）芘，15-苯并（ghi）北，16-二苯并（a,h）蒽。表1 16种多环芳烃的特征参数table 1 characteristic parameters of 16 pahscompound retention time t/minscaning time t/minquantitativeion m/z萘 6.750 5.50-7.50 127 128 129苊烯 10.415 7.50-10.6 151 152 153苊 10.865 10.6-11.5 152 153 154芴 12.065 11.5-13.0 165 166 167菲 14.345 11.5-13.0 165 166 167蒽 14.455 13.0-16.0 176 178 179荧蒽 17.255 13.0-16.0 176 178 179芘 17.750 16.0-19.0 101 202 203苯并（a）蒽 20.930 16.0-19.0 101 202 203 21.040 19.0-22.0 226 228 229苯并(b)荧蒽 24.105 19.0-22.0 226 228 229苯并(k)荧蒽 24.165 19.0-22.0 226 228 229苯并（a）芘 25.030 22.0-27.0 126 252 253茚苯（1,2,3-cd）芘 28.395 27.0-28.455 138 276 278苯并（ghi）北 28.510 28.455-29.0 139 276 278二苯并（a,h）蒽 29.270 29.0-29.9 138 276 2773.2 固相萃取条件的优化3.2.1 竹炭固相萃取柱与c18固相萃取柱的比较分别用商品化c18固相萃取柱和1000mg自制竹炭固相萃取柱，对500ml相同水样进行富集萃取。结果自制竹炭未能全部萃取，并且含有很多杂质峰出现，而c18柱能够全部萃取，所以本实验采用c18固相萃取柱。3.2.2 洗脱剂的比较 以5ml/min的上样速率将500ml水样通过活化后的c18固相萃取柱，分别选择甲醇, 正己烷, ch2cl2 作为固相萃取洗脱溶剂, 考察萃取剂种类对萃取回收率的影响。结果表明, 采用ch2cl2和正己洗脱剂可以获得较高的萃取回收率, 考虑到ch2cl2的毒性, 本文选择正己烷作为洗脱溶剂。3.2.3 上样速率的考察上样速率分别选择1、3、5 ml/min。实验表明, 当上样速率为5 ml/min时对于大多数pahs 的回收率较高。3.2.4 萃取技术比较3.2.4.1 液液萃取技术 该方法采用2种互不相溶或相互间溶解度较小、可以分层的溶剂系统进行两相萃取，一相溶剂通常就是被污染的水溶液相，而另一相溶剂则要使用那些对芳烃类有机物易溶的溶剂，如，环己烷、正己烷等弱极性溶剂，在萃取完成后，合并有机相并浓缩即可得到所要样品。液液萃取要得到良好的效果几乎完全取决于两相溶剂的选择和配制，如果要萃取那些连接了较大极性基团的芳烃类有机物，弱极性相可换为乙醚、乙酸乙酯等极性稍高的有机溶剂，高极性相中还可加入少量酸、盐、甲醇等增加萃取的选择性。 液液萃取技术存在严重的方法缺陷。其缺点有: （a)容易形成 2 种溶剂之间的介面乳化现象;（b) 需要大量超纯溶剂;（c) 劳动强度大;（d) 重复性差，误差亦较大。3.2.3.2 固相柱萃取技术 固相萃取与经典的吸附层析色谱法制备样品类似。一般步骤为: a) 填装 1 根吸附用的层析柱。根据待测样品的化学结构和极性选取适当的填充材料填充进玻璃柱中; b) 吸附样品。使待测样品从填充好的层析柱中流过，芳烃类化合物等待分析成分将保留在层析柱的固定相柱床，大量无关成分不予保留; c) 柱层析。用适当溶剂( 如反相 rp18 柱可选用甲醇水系统)梯度冲洗层析柱，将待分析成分洗脱下来，弃除无用或干扰成分。近年来, 固相萃取在富集水中的pah s方面应用较广 18 。固相萃取（soild phase extraction,spe）是一种高效的样品前处理技术，其已经广泛用于水中有机污染物的富集，它与传统的液液萃取（liquid-liquid extraction,lle）相比具有以下优点：溶剂使用量较少，提取物质速度快，操作简单方便等14,19-20。3.3 标准工作曲线的绘制 用pahs混标配制成质量浓度为1.0g/l,10.0g/l,50.0g/l,100g/l和200g/l系列标准工作液，按上述方法进行测定，16中多环芳烃的线性回归方程见表2.表2 pahs线性回归方程table2 regression equations, correlation coefficients for 16 pahs名称线性回归方程相关系数线性范围(g/l) 萘y=1.182105x+1.3791040.999461-200苊烯y=1.711105x+1.0231030.999891-200苊y=1.170105x+2.8941030.999611-200芴y=1.251105x-6.8861030.999981-200菲y=1.680105x+3.3481030.999991-200蒽y=1.727105x-4.8041030.999971-200荧蒽y=1.870105x-5.31510211-200芘y=1.902105x+6.4051030.999751-200苯并（a）蒽y=1.543105x-1.7251040.999811-200 y=1.485105x-1.46210411-200苯并(b)荧蒽y=1.388105x-1.4901030.999991-200苯并(k)荧蒽y=1.430105x-6.7951030.999991-200苯并（a）芘y=1.327105x-6.8421030.999951-200茚苯（1,2,3-cd）芘y=7.324104x-3.1461030.999911-200苯并（ghi）北y=8.366104x-4.4711030.999941-200二苯并（a,h）蒽y=9.272104x-7.22010311-200从表2可以可知标准物质的相关性很好。3.4 实际水样分析 根据本文建立的方法测定2011年11月九龙江流域省控监测断面四个水样 (图2-图5) , 顶坊水样中含有萘，芴，菲，荧蒽，芘, 红坊赤坑含有萘，苊，芴，菲，雁石桥含有萘，苊，芴，菲，荧蒽，芘，捷步桥含有萘，苊芴，菲，荧蒽，芘。在22-27min时段里，基线上移，原因可能是色谱柱流失造成。图2 1-萘，2-芴，3-菲，4-荧蒽，5-芘图3 1-萘，2-苊，3-芴，4-菲图4 1-萘，2-苊，3-芴，4-菲，5-荧蒽，6-芘图5 1-萘，2-苊，3-芴，4-菲，5-荧蒽，6-芘3.5 方法的定量下限将工作曲线的最低点1.0g/l作为测定的定量下限。3.6 加标回收率采集九龙江流域省控监测断面河水, 经过0.45m孔径的玻璃纤维滤膜过滤后, 按照确定的最佳萃取条件,进行加标回收实验, 加标回收率见表3。加标回收率为91.15%-119.4%。表3 加标回收率 table3 spiked recoveries河流名称序号名称原始量/（g/l）标准加入量/（g/l）测得总量/（g/l）回收率/% 顶 坊1萘10.2920.0029.5196.102芴6.94420.0026.7198.833菲6.79720.0025.6694.324荧蒽6.68720.0027.69105.05芘7.50020.0026.1593.25 红 坊 赤 坑1萘8.25820.0032.13119.42苊7.26620.0026.5596.423芴7.59620.0027.3398.674菲7.54220.0026.0992.74 捷 步 桥1萘8.93620.0028.27 96.672苊7.32620.0026.07 93.723芴7.01520.0027.97 104.84菲8.01820.0027.14 95.625荧蒽6.01220.0025.14 95.646芘9.07820.0027.8693.91 雁 石 桥1萘9.03620.0028.60 97.812苊6.86220.0025.83 94.853芴6.10820.0024.34 91.154菲7.96320.002621 91.245荧蒽6.22620.0024.36 90.676芘9.24520.0029.07 99.124.结论本文采用正己烷为溶剂，测定水样中多环芳烃含量的气相色谱质谱联用的方法。该方法定量下限为1.0g/l，加标回收率为91.15%-119.4%。结果表明，此方法简单可靠，能够满足水样中痕量多环芳烃的测定要求。参考文献1 孙胜龙.环境激素与人类未来m. 北京:化工工业出版社, 2005.2 董新艳, 杨依文, 任其龙. 复杂基体中痕量多环芳烃分析测定方法的研究进展j.色谱,2005, 23（6）: 609-615.3 zhu lizhong, cai xuefen, wang jing. pahs in aquatic sediment in hangzhou, china: analytical methods, pollution pattern, risk assessment and sourcesj. j environ sci, 2005, 17 (5) : 748 - 755.4 魏复成. 关于有毒有害化学物质污染及其监测. 中国环境监测. 1999, 15（特刊）: 1-45 赵文昌, 程金平, 谢海贇,等. 环境中多环芳烃的来源于监测分析方法j. 环境科学与技术, 2006, 29（3）: 105-106.6 程家丽, 黄启飞, 魏世强, 等. 我国环境介质中多环芳烃的分布及其生态风险j. 环境工程学报, 2007, 1（4）: 138-141.7 besheer c, obbard j p, keelee h. persistent organic pollutants in singapore,s coastal marine environment:part2:sedimentsj. water, air and soil pollution, 2003, 146(1/2/3/4): 315-323.8 彭华, 多克辛, 南淑清,等. 膜-柱串联固相萃取-高效液相色谱法测定水中多环芳烃(pahs)的研究j. 中国环境监测, 2003, 19 (4) : 29 - 30.9 陈硕, 韩宗勋, 全燮, 等. 毛细管固相微萃取-液相色谱法测定水中的多环芳烃j. 分析化学, 2003, 31 (2) :171 - 174.10 郑海涛, 刘菲, 刘永刚. 固相萃取-气相色谱法测定水中多环芳烃j. 岩矿测试, 2004, 23 (2) : 148 - 152.11 徐媛, 刘文民, 赵景红, 等.固相萃取搅拌棒萃取-气相色谱分析海水中的多环芳烃 j . 分析化学, 2005, 23(10) : 1401 - 1404.12 毕洪亮, 张浩原, 孙翠香, 等. 蔬菜中多环芳烃的gc - ms分析j. 分析测试学报, 2007, 26 (4) : 530 - 532.13 黄永庆, 杨运云, 牟德海等. 大流量puf采样-气相色谱质谱联用测定广州市大气中多环芳烃j. 分析测试学报, 2007, 26 (1) : 90 - 92.14 陈慧, 黄要红, 蔡铁云. 固相萃取-气相色谱/质谱法测定水中多环芳烃j. 环境污染与防治, 2004, 26 (1) :72 - 74.15 凌达仁,刘兵,吴国琪, 等. gc - ms法测定大气样品的前处理研究-碳化纤维树脂捕集大气中痕量多环芳烃 j . 分析测试学报, 2000,19 (5) : 4 - 8.16 hoffmann d, wynder e l. cancer,1960,13:1062.17 law r j, dawes v j, woodhead r j, et al. polycyclic aromatic hydrocarbons( pah) in seawater around england and wales j . marine pollution bulletin ,1997,34 (5) : 306-322. 18 cj /t 147 - 2001, 城市供水,多环芳烃的测定,液相色谱法 s .19 busetti f, heitz a, cuomo m, et al. determination of sixteen polycyclic aromatic hydrocarbons in aqueous and solid samples from an italian