朱飛飛,賈首豪,劉孝聰,劉建波

(青島科技大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院,山東 青島 266042)

隨著國(guó)家改革開(kāi)放的深入進(jìn)行,我國(guó)化工等行業(yè)數(shù)量逐年增加,帶來(lái)可觀經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也導(dǎo)致了環(huán)境污染,包括水、土壤和空氣污染。近年來(lái),環(huán)境空氣和土壤污染事件時(shí)有發(fā)生,化工行業(yè)在生產(chǎn)制造產(chǎn)品時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的有毒害的氣體和粉塵顆粒物等,主要包括硫的氧化物、氮的氧化物、氯化物、氟化物有毒物質(zhì),可能還存在二噁英和多環(huán)芳烴等致癌物質(zhì)[1]。這些具有生理刺激或有毒氣體一方面對(duì)人呼吸道造成不同程度的損害,對(duì)植物生長(zhǎng)造成威脅,植株葉片中氟含量增加影響了葉綠素的合成宏觀顯示為葉片枯黃;另一方面受大氣沉降和雨水等因素影響累積在土壤中,可經(jīng)由食物鏈進(jìn)入人體內(nèi)富集威脅人類健康。SE等[2]研究通過(guò)建立空氣污染物與死亡率的關(guān)系,研究結(jié)果表明,空氣污染與肺癌和慢性阻塞病息息相關(guān)。研究[3-8]發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)的SO2、NO2濃度上升會(huì)導(dǎo)致居民總死亡、心血管疾病死亡、呼吸道疾病死亡數(shù)增加,使呼吸科就診人數(shù)增加,母親長(zhǎng)期接觸污染空氣將影響胎兒發(fā)育。工業(yè)園附近空氣中主要存在有硫氧化物、氮氧化物、氯化物、氟化物、磷的氧化物等無(wú)機(jī)有毒氣體以及多環(huán)芳烴、苯系物、多氯聯(lián)苯、二噁英等有機(jī)性揮發(fā)氣體。其中無(wú)機(jī)有毒氣體能引起不同程度的呼吸道感染,刺激肺部細(xì)胞,有機(jī)有毒氣體可能導(dǎo)致器官衰竭甚至引起基因突變和致癌[9],各種污染氣體經(jīng)大氣沉降進(jìn)入到地表或進(jìn)入到地表水將對(duì)水源造成污染,國(guó)家生態(tài)環(huán)境部最新通報(bào)地表水質(zhì)量狀況顯示,2020年1—8月我國(guó)地表水主要污染指標(biāo)為總磷;大氣質(zhì)量狀況中顯示SO2和NO2含量分別為10和22μg·m－3雖有小幅度下降,其含量仍然較高。

傳統(tǒng)方法主要通過(guò)離子色譜法檢測(cè)分析無(wú)機(jī)陰離子,樣品的處理采用震蕩水提法居多,存在提取不完全或提取時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題,并且離子色譜儀通常需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能完成多種離子的分離和達(dá)到檢測(cè)要求,因此建立一個(gè)簡(jiǎn)便,耗時(shí)短,便于大批量樣品檢測(cè)的方法顯得尤為重要。研究發(fā)現(xiàn)采用快速燃燒離子色譜法同時(shí)測(cè)定了鐵礦石中氟和氯,檢出限與GB/T6730.69—2010相似[10]。厲文輝、劉慶陽(yáng)、劉海霞等[11-15]使用不同的前處理方法通過(guò)離子色譜法測(cè)定了水質(zhì)或土壤中不同陰離子的含量,實(shí)驗(yàn)方法簡(jiǎn)便易操作,儀器分離效果和選擇性好,結(jié)果準(zhǔn)確但單個(gè)樣品檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng),不適宜樣本數(shù)量時(shí)檢測(cè)。已報(bào)道的文獻(xiàn)中有采用氧氮燃燒法對(duì)樣品進(jìn)行前處理后使用離子色譜測(cè)定氯和硫的含量,樣品損失少但高耗能并且存在燃燒爆炸的風(fēng)險(xiǎn)[16]。MORO等[17-18]國(guó)外學(xué)者也通過(guò)研究新型的傳感器針對(duì)特定離子進(jìn)行檢測(cè),提高了檢測(cè)方法的精度和靈敏度,攜帶方便,檢測(cè)速度更快,但目前普及率低,檢測(cè)復(fù)雜樣本時(shí)需要較多的傳感器從而增加檢測(cè)成本。因此需要一個(gè)更加節(jié)省時(shí)間,安全度更高可以達(dá)到同樣分離效果和準(zhǔn)確度的實(shí)驗(yàn)方法。

本研究建立了UE-SPE-IC法測(cè)工業(yè)園區(qū)附近的6中陰離子的方法。與文獻(xiàn)[19-23]報(bào)道的方法相比,采用超聲萃取和固相萃取輔助提取,提高了陰離子的測(cè)定準(zhǔn)確率,各陰離子出峰時(shí)間均小于10.1 min,縮短了檢測(cè)時(shí)間,其濃度與峰面積線性關(guān)系良好,通過(guò)加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)及精密度實(shí)驗(yàn)充分保證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

離子色譜儀(配有電導(dǎo)檢測(cè)器),ICS-900型,美國(guó)戴安公司;醫(yī)用超聲波清洗器,KS-18EI型,浙江海曙科生公司;超純水飲用水(使用前,經(jīng)0.22μm水溶性針式過(guò)濾器過(guò)濾);C18固相萃取柱,江西天豪公司;分析天平,FA1004型,上海華科公司;F－、Cl－、NO－2、NO－3、SO2－4、H2PO－4儲(chǔ)備溶液(濃度分別為1 000 mg·L－3);0.45μm針式過(guò)濾器,天津杉羽公司。

1.2 離子色譜條件

色譜柱:Dionex AS23型色譜柱(250 mm×4 mm);Dionex AS23型保護(hù)柱(50 mm×4 mm)。ASRS-300型陰離子抑制器(4 mm),抑制器電流為50 m A;定量環(huán)為10μL[24-28]。

使用Chromeleon色譜工作站,使用高純度氮?dú)鉃榱芟幢Ｗo(hù)氣(純度為99.99%)。淋洗條件采用碳酸鈉和碳酸氫鈉的混合液(濃度分別為3 mmol·L－1Na HCO3-2.4 mmol·L－1Na2CO3,比例為8∶1),淋洗液瓶?jī)?nèi)壓力控制在3～6 psi,泵的壓力控制為1 500 psi,淋洗液流速為3 m L·min－1,柱加熱器工作溫度為30℃;進(jìn)樣體積為10μL;流速為1.2 m L·min－1[29-30]。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)溶液及淋洗液配置

標(biāo)準(zhǔn)溶液為取10 m L濃度為1 000 mg·L－1儲(chǔ)備液配置成100 mg·L－1使用液,再分別取0、0.5、1、2、5和10 m L配置濃度為0、1、2、4、10和20 mg·L－1的使用液,淋洗液使用濃度為0.3 mol·L－1Na HCO3-2.4 mmol·L－1Na2CO3的淋洗液儲(chǔ)備液配置成3 mmmol·L－1Na HCO3-2.4 mmmol·L－1Na2CO3,比例為8∶1的淋洗液使用液。

1.4 C18固相萃取柱活化方法

將C18固相萃取柱進(jìn)行活化處理:取5 m L甲醇,以1 m L·min－1的流速通過(guò)萃取柱,重復(fù)此步驟3次;取5 m L待測(cè)溶液,以1 m L·min－1的流速通過(guò)萃取柱,重復(fù)此步驟3次,除去萃取柱中殘留的甲醇。

1.5 工業(yè)園土壤及植物樣品采集方法

由于風(fēng)向和雨水的存在對(duì)各陰離子含量存在一定的影響,為確保采集樣本具有代表性采樣點(diǎn)的布設(shè)分為水平和垂直兩種,最終確定的是立體空間內(nèi)的樣品分布,位于工業(yè)園下風(fēng)向采用專業(yè)判斷布點(diǎn)法確定采樣點(diǎn)。工業(yè)園所在位置與當(dāng)?shù)剞r(nóng)田種植區(qū)如圖1所示,經(jīng)調(diào)查當(dāng)?shù)厥⑿袞|南風(fēng)因此采樣區(qū)域設(shè)置在工業(yè)園西北部的農(nóng)田種植區(qū)內(nèi),在以工業(yè)園為原點(diǎn)的北偏西60°內(nèi)均勻設(shè)置了9個(gè)采樣點(diǎn),距離分別為800、1 200和2 000 m;為使測(cè)定結(jié)果更加準(zhǔn)確在垂直距離2米內(nèi)分別采集了植物、地表和地下3處樣品;對(duì)照組樣品(植物和土壤)在工業(yè)園所屬區(qū)域內(nèi)某5A級(jí)景區(qū)旁農(nóng)田內(nèi)使用同樣的方法進(jìn)行采集、儲(chǔ)存和運(yùn)輸。在確定的采樣點(diǎn)內(nèi)每處分別采集至少3個(gè)平行樣,采集后樣品使用樣品箱保存,兩處采樣點(diǎn)分布如圖2所示,表1為樣品編號(hào)設(shè)置。

圖1 工業(yè)園與采樣區(qū)域衛(wèi)星圖Fig.1 Satellite image of industrial park and sampling area

圖2 采樣點(diǎn)分布Fig.2 Distribution of sampling points

表1 樣品編號(hào)的設(shè)置Table 1 Sample number settings

1.6 樣品前處理方法

采集回的樣品采用環(huán)堆法將待測(cè)樣品混勻后在真空干燥箱中105℃烘干至恒重,將烘干后的樣品放在干燥器中保存(自制,含有變色硅膠),將待測(cè)樣品使用瑪瑙研缽研碎,過(guò)孔徑150μm尼龍篩后,稱取粒度為0.15 mm的干燥樣品1 g(精確到0.000 1 g)樣品至50 m L錐形瓶中,加20 m L提取液(過(guò)濾后的超純水),電磁攪拌15 min后常溫下超聲萃取不同時(shí)間,超聲提取后經(jīng)5 000 r·min－1離心10 min后上清液收集于100 m L容量瓶中,重復(fù)上述操作4遍后定容到100 m L。

進(jìn)樣前,上述樣品經(jīng)C18固相萃取柱過(guò)濾,棄去前2次過(guò)濾溶液收集剩余溶液,將收集的溶液過(guò)0.22μm濾膜后取5 m L溶液于50 m L比色管中,用超純水定容到50 m L,搖勻后直接進(jìn)樣。

1.7 數(shù)據(jù)處理

每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。使用Microsoft Excel和Origin9.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖,同時(shí)采用單因素方差分析,用來(lái)比較各組的差異,p＜0.05表示差異性顯著。

2 結(jié)果與討論

2.1 超聲提取在UE-SPE-IC法中的作用

超聲提取具有適應(yīng)性廣、提取時(shí)間短、提取效率高等優(yōu)點(diǎn),因此使用超聲提取對(duì)樣品進(jìn)行處理可以減小前處理帶來(lái)的誤差,同時(shí)可以提高提取效率節(jié)約時(shí)間。研究采取超純水作為提取液,1∶20的料液比,以水提法(樣品瓶在恒溫水浴搖床30℃,140 r·min－1,20 min)作為對(duì)照組,以UE-SPE-IC法作為實(shí)驗(yàn)組。提取含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后對(duì)比兩種方法對(duì)提取結(jié)果的影響:分別對(duì)超聲提取時(shí)間為0～30 min時(shí)的離子含量進(jìn)行檢測(cè),表2為不同提取時(shí)間下各離子的含量。由表2數(shù)據(jù)可知,未使用超聲提取時(shí)含量較低,與樣品實(shí)際測(cè)量值相差較大;使用超聲提取后的提取量大于未使用超聲時(shí)的提取量,提取量隨時(shí)間延長(zhǎng)而增加,接近樣品真實(shí)值。20～30 min時(shí)提取量較高,因此選擇25 min作為研究超聲提取時(shí)間。

表2 不同提取時(shí)間下各離子含量Table 2 Content of ions at different extraction times

2.2 UE-SPE-IC法的離子色譜及保留時(shí)間

圖3為6種待測(cè)陰離子混合標(biāo)準(zhǔn)溶液使用UESPE-IC方法后出峰,譜圖顯示Dionex AS23色譜柱能有效的將混和標(biāo)準(zhǔn)溶液中各陰離子進(jìn)行分離,便于待測(cè)樣品進(jìn)行定性及定量研究。僅需要10.08 min即可完成檢測(cè),與厲文輝等[11-15]的研究結(jié)果相比可提高了約20%的效率,縮短檢測(cè)時(shí)間,方便樣品數(shù)量大時(shí)使用,表3為各陰離子峰保留時(shí)間。

圖3 混標(biāo)離子色譜圖Fig.3 Chromatogram of mixed standard

表3 保留時(shí)間Table 3 Reference retention time

2.3 UE-SPE-IC法精密度、檢出限結(jié)果及分析

將實(shí)驗(yàn)劃分為混合標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度分別為0、1、2、4、10、20 mg·L－1共5個(gè)濃度梯度,對(duì)不同濃度的陰離子混合標(biāo)準(zhǔn)溶液連續(xù)6次進(jìn)樣,用于考察儀器的精密度。以離子濃度為橫坐標(biāo),峰面積為縱坐標(biāo)繪制相關(guān)工作曲線,通過(guò)S/N＝3計(jì)算儀器精密度和最低檢出限的結(jié)果,并計(jì)算其線性回歸方程和相關(guān)系數(shù)。表4為各離子的線性范圍、精密度和最低檢出限,表5為各離子的線性范圍、線性回歸方程和相關(guān)系數(shù)。

表4和表5結(jié)果顯示,在線性范圍內(nèi)測(cè)定的6種陰離子均呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系,其線性關(guān)系系數(shù)(R2)均達(dá)到0.999 7以上,最低檢出限范圍為0.005～0.023 mg·L－1,一般認(rèn)為儀器靈敏度越高其檢出限越低,測(cè)定數(shù)據(jù)結(jié)果越接近真實(shí)值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法具有良好的線性關(guān)系和最低檢出限,能夠有效的滿足樣品中陰離子檢測(cè)需求。

表4 待測(cè)陰離子的線性范圍、精密度和檢出限測(cè)試結(jié)果Table 4 Linear range,precision and detection limit test results of anions to be measured

表5 待測(cè)陰離子的線性范圍、線性回歸方程和相關(guān)系數(shù)測(cè)試結(jié)果Table 5 Linear range,linear regression equation and correlation coefficient test results of anions to be measured

2.4 UE-SPE-IC法加標(biāo)回收率及相對(duì)偏差實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

測(cè)定土壤樣品和植物樣品的陰離子含量,采用標(biāo)準(zhǔn)曲線法進(jìn)行定量,并測(cè)定加標(biāo)回收率來(lái)驗(yàn)證方法的準(zhǔn)確性。按照實(shí)驗(yàn)方法對(duì)樣品進(jìn)行前處理,使用色譜檢測(cè)條件對(duì)樣品依次進(jìn)行檢測(cè)。待測(cè)樣品中分別加入濃度為5、10和20 mg·L－1的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液,控制體積比為1∶1后使用UE-SPE-IC法進(jìn)行測(cè)定,分別計(jì)算3水平的加標(biāo)回收率和相對(duì)偏差,表6為待測(cè)陰離子的加標(biāo)回收率及相對(duì)偏差實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,測(cè)定的6種陰離子的加標(biāo)回收率95.2%～104.82%,相對(duì)偏差在0.27%～9.3%范圍內(nèi),加標(biāo)回收率和相對(duì)偏差實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合檢測(cè)分析要求,可以滿足工業(yè)園農(nóng)田土壤和植物陰離子的檢測(cè)要求。

表6 待測(cè)陰離子的加標(biāo)回收率及相對(duì)偏差測(cè)定結(jié)果Table 6 Recovery rate and relative deviation of anions to be measured

2.5 使用UE-SPE-IC法進(jìn)行實(shí)際樣品檢測(cè)

使用本研究建立的樣品前處理方法和儀器條件,對(duì)29個(gè)采樣點(diǎn)內(nèi)共計(jì)249個(gè)樣品進(jìn)行了檢測(cè),表7為采集樣品中陰離子含量(y)的平均值,根據(jù)公式樣品中,計(jì)算各陰離子的含量。式中:C為離子色譜測(cè)定的待測(cè)溶液各離子質(zhì)量濃度,mg·L－1;V為測(cè)定樣品溶液的定容體積,L;m為樣品進(jìn)行前處理之前稱量的質(zhì)量,g;f為樣品處理過(guò)程中的稀釋倍數(shù)。

表7 采集樣品中陰離子含量平均值Table 7 Average value of anion content in collected samples

續(xù)表7

3 結(jié) 論

將超聲提取、固相萃取和離子色譜法相結(jié)合,提出了UE-SPE-IC法用于測(cè)定工業(yè)園農(nóng)田土壤和植物種陰離子含量。探討了土壤和植物中包括F－、Cl－等6種陰離子新型離子色譜分析方法,測(cè)定工業(yè)園附近采集樣品的含量,進(jìn)而直接轉(zhuǎn)化為采集區(qū)域內(nèi)的污染狀況。有無(wú)超聲提取實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,使用超聲輔助提取可提高樣品提取效率,操作簡(jiǎn)單,有利于檢測(cè)結(jié)果更加接近真實(shí)值,最佳超聲提取時(shí)間為25 min。固相萃取節(jié)省了時(shí)間和玻璃器皿,有效去除待測(cè)液中雜質(zhì),減少了樣品損失;同時(shí)采用離子色譜進(jìn)行分析,分析時(shí)間短,符合樣本數(shù)量大的樣品檢測(cè);更加安全,沒(méi)有燃燒或爆炸的風(fēng)險(xiǎn);各離子的質(zhì)量濃度分別在0～20 mg·L－1與離子色譜峰面積呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系,其線性相關(guān)系數(shù)均大于0.999,最高可達(dá)0.999 9;樣品中添加3個(gè)濃度標(biāo)準(zhǔn)品后,各離子加標(biāo)回收率在95.2%～104.82%范圍內(nèi),回收率良好;樣品測(cè)定結(jié)果顯示6種離子的相對(duì)偏差不超過(guò)9.3%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明UE-SPE-IC法是一種有效的分析農(nóng)田土壤和植物葉片樣品中陰離子含量的分析方法。該方法實(shí)用性強(qiáng),為污染物分析提供了參考。