液相微萃取_离子色谱法测定污水中痕量芳香胺

1、2012年4月Vol30No 4April 2012Chinese Journal of Chromatography345 349 第五届亚太地区离子分析会议论文DOI :103724/SPJ1123201112075*通讯联系人:王丽丽,教授,主要研究方向为色谱技术Tel :(057188320416,E-mail :lili_w angzjuteducn基金项目:国家自然科学基金项目(No 20911140271和浙江省自然科学基金项目(No R4080124收稿日期:2011-12-27液相微萃取-离子色谱法测定污水中痕量芳香胺诸寅1,朱岩2,王丽丽1*(1浙江工业大学化学工程与材料学

2、院,浙江杭州310014;2浙江大学西溪校区化学系,浙江杭州310028摘要:基于中空纤维液相微萃取技术,建立了污水中两种痕量芳香胺类物质(邻甲苯胺和对氯苯胺的离子色谱分析方法。对中空纤维液相微萃取条件进行了优化,得到的优化条件为:以正辛醇为萃取溶剂,供体相中NaOH 的浓度为0.01mol /L ,NaCl 的质量浓度为500g /L ,接收相中HCl 的浓度为0.1mol /L ,搅拌速度为430r /min ,萃取时间为30min 。在优化条件下,邻甲苯胺的富集倍数为88倍,对氯苯胺的富集倍数为124倍。供体相中邻甲苯胺和对氯苯胺的质量浓度在0.005 0.1mg /L 范围内呈良好的线

3、性,相关系数为0.9998 0.9999,检出限(以3倍信噪比计分别为0.2和0.5g /L ,5次测定0.01mg /L 的混合标准溶液的相对标准偏差分别为0.85%和3.38%。该方法操作简单,环境友好,提高了离子色谱检测芳香胺类物质的灵敏度。关键词:液相微萃取;中空纤维;离子色谱;芳香胺;污水中图分类号:O658文献标识码:A文章编号:1000-8713(201204-0345-05Determination of trace aromatic amines in waste water usingmicroextraction combined with ion chromatogra

4、phyZHU Yin 1,ZHU Yan 2,WANG Lili 1*(1College of Chem ical Engineering and Materials Science ,Zhejiang University of Technology ,Hangz hou310014,China ;2Departm ent of Chem istry ,Zhejiang University ,Hangz hou 310028,China Abstract :The aim of this w ork is to develop a simple ,selective ,sensitive

5、and inexpensive analytical method for the simultaneous determination of several aromatic aminesIn this w ork ,a new method for the determination of trace aromatic amines ,including o -toluidine and 4-chlo-roaniline in w aste w ater w as developed by hollow fiber membrane extraction w ith ion chroma-

6、tographyThe optimal extraction conditions w ere as follow s :by using 1-octanol as the organic phase w ith 500g /L NaCl and 0.01mol /L NaOH as the donor phase ,and 0.1mol /L HCl as the acceptor phase ,the extraction w as performed at a stirring rate of 430r /min for 30minThe linear range of both of

7、o -toluidine and 4-chloroaniline w as 0.0050.1mg /L ,w ith correlationcoefficients larger than 0.999The detection limits of o -toluidine and 4-chloroaniline w ere 0.2g /L and 0.5g /L w ith the relative standard deviations (RSDs of 0.85%and 3.38%,respec-tivelyThe method has been applied to the simult

8、aneous determination of trace aromatic amines including o -toluidine and 4-chloroaniline in the w aste w aterKey words :liquid phase microextraction ;hollow fiber membrane ;ion chromatography (IC ;aromatic amines ;w aste w ater芳香胺类化合物在工业中广泛使用,某些物质如偶氮染料在环境中能以不同形式降解为芳香胺。其中的邻甲苯胺、对氯苯胺等芳香胺不仅对环境造成污染而且对人体有

9、潜在的致癌作用。芳香胺通过呼吸道、胃肠道和皮肤进入人体,经过一系列活化作用使人体细胞的脱氧核糖核酸(DNA 发生结构与功能的变化,导致人致病甚至致癌。我国对污水中芳香胺类化合物的排放已有严格的标准(GB 8978-1996控制,对于一级排污单位的一级排放标准为1mg /L ,国家标准GB /T 17592-2006将邻甲苯胺、对氯苯胺等24种芳香胺规定为纺织品中禁用的芳香胺。欧盟目前已将芳香胺列为环境水中必须监测的色谱第30卷优先控制污染物1。目前芳香胺的检测方法主要有液相色谱法24、气相色谱-质谱法5,6、毛细管电泳710等,离子色谱也是检测胺类物质的检测方法11之一。液相色谱法应用最广,其

10、中大多采用紫外检测器,方法的定量限在30mg/L左右;当样品中芳香胺含量较低时无法检出,且基体干扰较大12。为了提高其芳香胺的检出率和得到可靠的测定结果,需要对样品中的芳香胺进行采样、萃取、富集等前处理工作。传统的前处理方法有机溶剂用量多、操作复杂、耗时。中空液相微萃取技术(hol-low fiber liquid phase microextraction,HF-LPME是近几年来发展较快的一种崭新的前处理技术,它集采样、萃取、浓缩于一体,操作简单,成本低,有机溶剂用量少。中空液相微萃取技术目前主要应用于液相色谱1316、气相色谱1720和毛细管电泳21分析中的样品前处理,很少有文章报道将这

11、种技术应用于离子色谱分析中的样品前处理。本文将中空纤维液相微萃取-离子色谱法用于测定废水中的邻甲苯胺和对氯苯胺,探索了中空纤维液相微萃取-离子色谱法测定芳香胺的适用性。1实验部分11仪器与试剂Dionex ICS1500离子色谱仪,Ultimate3000紫外检测器,Chromeleon色谱工作站(美国Dionex 公司;Millipore超纯水仪(美国Millipore公司。Accurel Q3/2PP聚丙烯中空纤维膜(膜内径为600m,膜壁厚200m,膜孔径0.2m,德国Mem-brana公司。邻甲苯胺和对氯苯胺(分析纯,上海晶纯实业有限公司;正辛醇(分析纯,Fisher公司;HCl和Na

12、OH(分析纯,杭州萧山化学试剂厂;其他试剂均为分析纯。12色谱条件色谱柱:Ion Pac SCG1保护柱(50mm4mm id和Ion Pac SCS1分离柱(250mm4mm id(美国Dionex公司;淋洗液:5mmol/L甲基磺酸-5%乙腈;流速:1.00mL/min;进样量:10L;紫外检测波长:210nm。13标准溶液的配制以四氢呋喃-去离子水(110,v/v的混合溶液为溶剂将对氯苯胺和邻甲苯胺配成1000mg/L的储备液;使用时根据需要用去离子水稀释该储备液至相应的浓度。14中空纤维液相微萃取本文所用中空纤维液相微萃取装置示意图见图1。0.8mm od针头穿过玻璃器皿盖子用于支撑7

13、.1cm的聚丙烯中空纤维膜两端。用25L微量进样器注入和吸取接收相,并注入离子色谱仪分析。该液相微萃取技术包括供体相、有机相、接收相。供体相置于玻璃器皿中,有机相置于中空纤维膜膜壁的微孔中,接收相置于中空纤维膜膜内腔。本文中的供体相为水溶性样品溶液,有机相为正辛醇,接收相为HCl水溶液。萃取步骤如下:(1将中空纤维膜在有机溶剂中浸泡20s,使有机溶剂充满中空纤维膜的微孔中,然后用去离子水冲洗中空纤维膜内腔和管壁;(2用微量进样器吸取20L01mol/L的HCl溶液作为接收相,然后将微量进样器与08mm od的注射器针头穿过样品瓶瓶盖,将中空纤维膜两端固定在微量进样器与08mm od的注射器针头

14、上,向中空纤维膜内注入接收相;(3将中空纤维膜放于装有10mL样品溶液的样品瓶中,开启磁力搅拌器进行萃取;(4待萃取完成后,关闭磁力搅拌器,用微量进样针抽取中空纤维膜内的接收相并注入离子色谱仪进行分析 。图1液相微萃取装置示意图Fig1Apparatus of liquid phase microextraction2结果与讨论21HF-LPME条件的优化211中空纤维液相微萃取过程的确定本文采用中空纤维液相微萃取技术萃取和富集废水中的芳香胺类物质。芳香胺类物质在分子状态下在有机相中的溶解度大于水相,在离子状态下在水相中的溶解度大于有机相,因此先用强碱使芳香胺去离子化后以分子状态形式存在,再被

15、萃取到负载在中空纤维壁上的有机相中,然后又被强酸离子化后以离子状态反萃取到中空纤维膜腔内的酸性接收相中。643第4期诸寅,等:液相微萃取-离子色谱法测定污水中痕量芳香胺212萃取溶剂的选择有机溶剂的选择是影响中空纤维液相微萃取萃取效率的重要因素。所选的有机溶剂需与中空纤维膜材料具有相似的极性,不溶于水,挥发性低以及具有一定的黏度,而且对分析物有一定的溶解度22。在萃取相中NaOH的浓度为0.1mol/L,接收相HCl的浓度为0.1mol/L,萃取时间为30min,搅拌速度为430r/min,萃取相中邻甲苯胺和对氯苯胺的质量浓度均为0.1mg/L条件下,本文考察了正辛醇、甲苯、正己烷、乙酸正丁酯

16、等多种不同极性的有机溶剂对萃取效率的影响,结果如图2a所示。由此可见,除了正辛醇对邻甲苯胺和对氯苯胺有较高的萃取效率外,其他有机溶剂的萃取效率很低,因此本文采用正辛醇作为有机溶剂。213萃取相pH的选择萃取相的pH影响邻甲苯胺和对氯苯胺的存在形式,进而影响它们的萃取效率。调节萃取相的pH,使邻甲苯胺和对氯苯胺在萃取相中尽可能完全地以分子态化合物的形式存在;但萃取相的pH过高会影响中空纤维膜的稳定性,也会使正辛醇离子化。在有机相为正辛醇,接收相HCl的浓度为0.1 mol/L,萃取时间为30min,搅拌速度为430r/min,萃取相中邻甲苯胺和对氯苯胺的质量浓度均为0.1 mg/L条件下,本文用

17、NaOH调节萃取相的pH,结果如图2b所示。由此可见,NaOH的浓度为0.1 105mol/L时,邻甲苯胺的萃取效率随着萃取相pH的增高而增加,对氯苯胺在NaOH浓度为0.01 mol/L时的萃取效率最高,因此本文选择萃取相中NaOH的浓度为0.01mol/L。214接收相pH的选择接收相的pH影响邻甲苯胺和对氯苯胺的存在形式,进而影响它们的萃取效率。调节接收相的pH,使邻甲苯胺和对氯苯胺在接收相中尽可能完全地以离子态化合物的形式存在;但接收相酸度过大会影响中空纤维膜的稳定性。在萃取相中NaOH 浓度为0.01mol/L,有机相为正辛醇,萃取时间为30min,搅拌速度为430r/min,邻甲苯

18、胺和对氯苯胺的浓度均为0.1mg/L条件下,本文用HCl调节接收相的pH,HCl的浓度分别为0.001、0.01、0.1、0.5mol/L时对邻甲苯胺和对氯苯胺的萃取效率的影响见图2c。可见,当HCl浓度为0.1mol/L时,邻甲苯胺和对氯苯胺的萃取效率最高,因此本文选择接收相的HCl浓度为0.1mol/L。215盐效应盐效应是有机萃取中提高萃取效率的常用方法。本文考察了样品溶液中NaCl的浓度对萃取效率的影响(其他实验条件:萃取相中NaOH浓度为0.01mol/L,有机相为正辛醇,接收相HCl浓度为0.1mol/L,萃取时间为30min,搅拌速度为430 r/min,邻甲苯胺和对氯苯胺的质量

19、浓度均为0.1 mg/L。NaCl的质量浓度分别为0、10、100、500、1000mg/L时邻甲苯胺和对氯苯胺的萃取效率见图2d。可见NaCl质量浓度为500mg/L时,目标物的萃取效率最高。因此本文选择添加的NaCl质量浓度为500mg/L。216萃取时间和搅拌速度的选择萃取是一个平衡过程,萃取效率和萃取时间有关。由于三相萃取包含两个界面(萃取相-有机相和有机相-接收相,因此目标分析物需要一定的时间才可以从样品溶液中萃取到接收相中,故萃取时间对萃取效率有重要的影响。在萃取相中NaOH浓度为0.01mol/L,NaCl质量浓度为500mg/L,有机相为正辛醇,接收相HCl浓度为0.1mol/

20、L,搅拌速度为430r/min,邻甲苯胺和对氯苯胺的浓度均为0.1mg/L条件下,本文考察了萃取时间在20 60 min时邻甲苯胺和对氯苯胺的萃取效率,结果如图2e所示。可见随着萃取时间的增加,目标物的萃取效率增加,表明在60min内未到达萃取平衡,但萃取时间过长影响萃取效率,不利于该方法的实际应用。而且由图2e可以看出,萃取时间大于30min 时对氯苯胺萃取效果增速缓慢,而且随着萃取时间增长对萃取的稳定性也有一定的影响。为了提高该方法的实用价值,本文选择萃取时间为30min。表1搅拌速度对目标物萃取效率的影响Table1Effects of stirring rate on extracti

21、onefficiency of analytesStirringrate/(r/mino-ToluidinePeak area/(mAUminRSD(n=3/%4-ChloroanilinePeak area/(mAUminRSD(n=3/% 1008975 2.207130 4.702609693 2.897962 4.184309773 3.018032 5.89600996010.1847212.47601021911.2891615.1 RSD:relative standard deviation萃取效率还和搅拌速度有关。磁力搅拌能够增强目标分析物的传质性能从而影响萃取效果。本文考察

22、了搅拌速度在100 760r/min之间对目标分析物萃取效果的影响(其他实验条件:萃取相中NaOH浓度为0.01mol/L,NaCl质量浓度为500 mg/L,有机相为正辛醇,接收相HCl浓度为0.1 mol/L,萃取时间为30min,邻甲苯胺和对氯苯胺的质量浓度均为0.1mg/L。如表1所示,随着搅拌743色谱第30 卷图2(a萃取溶剂、(b萃取相pH、(c接收相pH、(d盐效应和(e萃取时间对目标物萃取效率的影响Fig2Effects of(aextraction solvent,the pH values of(bdonor phase and(cacceptor phase,(dNaC

23、lconcentration in the donor phase and(eextrac-tion time on extraction efficiency of analytes 速度的加快,目标分析物的萃取效率也不断提高;但当搅拌速度大于430r/min时,重现性变差,可能是由于搅拌速度的增加使得溶液中易产生气泡,从而影响萃取的稳定性;当搅拌速度为760r/min时,中空纤维膜易与注射器针头脱离,因此本文采取的搅拌速度为430r/min。217富集系数和萃取效率液相微萃取的效率通常使用萃取效率和富集系数来衡量。萃取效率是指目标分析物在接收相中的总量和在供体相中的总量的百分比。富集系数是

24、指目标分析物在接收相和供体相中的浓度之比。本文邻甲苯胺和对氯苯胺的萃取效率分别为176%和248%,富集系数分别为88和124倍。中空纤维液相微萃取技术不能完全萃取目标分析物,但是它确实是分析化学中一种有效的萃取方式,本文中邻甲苯胺和对氯苯胺的萃取效率和富集系数较高,符合分析需求。22色谱条件的优化本文采用的色谱柱是阳离子交换柱Ion Pac SCG1保护柱和Ion Pac SCS1分离柱,采用的淋洗液为甲基磺酸和乙腈的混合溶液。随着淋洗液中甲基磺酸浓度的增加,目标分析物的保留时间变短,并且峰形有一定程度的改善。但由于Ion Pac SCS1分离柱要求淋洗液的pH2,因此淋洗液中甲基磺酸的浓度

25、不能大于10mmol/L,而甲基磺酸的浓度过低会使邻甲苯胺和对氯苯胺的保留时间过长,因此本文选择甲基磺酸的浓度为5mmol/L。淋洗液中加入乙腈有机改进剂可缩短邻甲苯胺和对氯苯胺的保留时间,改善峰形和分离度。随着淋洗液中乙腈浓度的增加,邻甲苯胺和对氯苯胺的保留时间变短,峰形也有一定的程度改善,但是峰形改善不明显,而且乙腈作为有机溶剂价格较贵,对环境有害,因此选择乙腈在淋洗液中的含量为5%(v/ v。在优化的色谱条件优化下邻甲苯胺和对氯苯胺标准溶液的分离谱图见图3。23方法的检出限和工作曲线用标准储备液分别配制不同浓度的邻甲苯胺和对氯苯胺标准溶液,在1.2节的色谱条件下进行测定,以各目标物的峰面

26、积y(mAUmin与其质量浓度x(mg/L线性回归,得到的邻甲苯胺的线性方程为y=79.52x0.088,相关系数r2=0.9998,线性范围为0.005 0.1mg/L;对氯苯胺的线性方程为y=73.81x0.060,相关系数r2=0.9999,线性范围为0.005 0.1mg/L。对0.01mg/L的混合标准溶液测定5次,计算相对标准偏差(RSD,邻甲843第4期诸寅,等:液相微萃取-离子色谱法测定污水中痕量芳香胺 图3邻甲苯胺和对氯苯胺混合标准溶液(10.0mg /L 的色谱图Fig3Chromatogram of mixed standard solution of o -toluid

27、ine and 4-chloroaniline at 10.0mg /L苯胺和对氯苯胺的RSD 分别为0.85%和3.38%。以信噪比(S /N 为3计检出限,邻甲苯胺和对氯苯胺的检出限分别为0.2和05g /L 。24样品分析在最佳萃取条件下,测定了5种不同河水中邻甲苯胺和对氯苯胺的含量,均未检出。本文选取其中一种河水作为空白样品,在50mL 河水中加入一定量的邻甲苯胺和对氯苯胺,定容至100mL 。在最佳萃取条件和色谱条件下进行测定,计算目标分析物的回收率,结果见表2;其色谱图如图4所示。结果表明,中空纤维液相微萃取-离子色谱联用技术有望用于检测含有芳香胺的生活污水样品。 图4空白河水中添

28、加0.04mg /L 邻甲苯胺和对氯苯胺混合标准溶液的色谱图Fig4Chromatogram of a blank water samplefrom a river spiked with o -toluidine and 4-chloroaniline at 0.04mg /L表2空白河水中目标分析物的加标回收率(n =5Table 2Recoveries of analytes spiked in a blankwater sample from a river (n =5Analyte Spiked /(mg /L Recovery range /%o -Toluidine0029551

29、065004993106200697710354-Chloroaniline0029501035004975105300697010073结论将中空纤维液相微萃取技术应用于离子色谱分析的样品前处理中,成功地测定了模拟河污水中的两种芳香胺类物质(邻甲苯胺和对氯苯胺。该技术与之前报道的前处理方法相比,操作简单,集采样、萃取和浓缩于一体,成本低。实验证明,该前处理方法是一种绿色环保的前处理方法,可应用于离子色谱分析的样品前处理中。该方法有望用于离子色谱检测其他芳香胺类物质。参考文献:1Bhaskar M ,Aruna P ,Jeevan R ,et alAnal Chim Acta ,2004,50

30、9(1:392Gonzalo -Lumbreras R ,Rosales-Conrado N ,Leon-GonzalezM E ,et alJ Chromatogr A ,2010,1217(43:67783Neale J R ,Smith N B ,Pierce W M ,et alPolycycl AromatComp ,2008,28(4/5:4024Chen Z Y ,Yang G Y ,Miao M M ,et alChinese Journal ofAnalytical Chemistry (陈章玉,杨光宇,缪明明,等分析化学,2006,34(5:6795Kang S Y ,Zhang Q ,Bai H ,et alChinese Journal of Analyt-ical Chemistry (康苏媛,张庆,白桦,等分析化学,2011,39(6:8726Zhang Q ,Wang C ,Bai H ,et alJ Sep Sci ,2009,32(14:24347Sentellas S ,Moyano E ,Puignou L ,et alElectrophoresis ,2003,24(17:30758Sun Y ,Liang L