顶空-气相色谱法测定水体中8种苯系物
孙博
（吉林省白山生态环境监测中心，吉林 白山 134300）
摘要：根据HJ 1067-2019水质 苯系物的测定 顶空/气相色谱法中相关内容，测定水体中苯、甲苯、乙苯、二甲苯、异丙苯、苯乙烯等8种苯系物并对8种组分的检出限、精密度、准确度进行实验室内方法验证。实验结果表明：使用DB-wax毛细管柱，FID检测器搭配顶空装置，在100μg/L-12000μg/L线性范围内，8种苯系物的相关系数均大于0.995，方法检出限2μg/L-3μg/L；相对标准偏差1.5%~3.0%；实际水样中8种苯系物的加标回收率为：87.3%-116.7%。该方法满足实验室内准确性及精密性，具有可行性，可用于实验室内例行水体监测。
关键词：顶空-气相色谱法 苯系物 方法验证
中图分类号：：O657.7+1 文献标识码：A
Determination of 8 benzenes in water by headspace-gas chromatography
Sun Bo
（Jilin Province Baishan Ecological environment Monitoring Center，Jilin Baishan 134300）
Abstract:According to HJ 1067-2019 determination of benzene series in water quality headspace/gas chromatography, benzene, toluene, ethylbenzene, xylene, isopropylbenzene, styrene and other benzene series in water were determined, and the detection limit, precision and accuracy of 8 components were verified by laboratory method.The results showed that the correlation coefficients of 8 benzenes were greater than 0.995 in the linear range of 100μg/L-12000μg/L by using DB-WAX capillary column, FID detector and headspace device, and the detection limits of the method were 2μg/L-3μg/L. The relative standard deviation was 1.5%~3.0%; The recoveries of benzene series in actual water sample were 87.3%-116.7%. This method could meet the accuracy and precision of laboratory, and was feasible, and could be used for routine water monitoring in laboratory.
Keywords：headspace-gas chromatography benzene series compounds method validation
苯系物是一类由苯及其衍生物组成的挥发性有机物的总称，具有毒性大、难降解、易挥发、易迁移等特点。常见的苯系物包括苯、甲苯、乙苯、二甲苯（对、间、邻三种异构体）、异丙苯、苯乙烯等。这类化合物作为众多有机合成反应的基础原料及关键中间体，在石油化工、塑料制造、油漆涂料、农药医药等现代工业生产中具有极其广泛的应用[1]。然而，也正是由于其广泛的生产与使用，苯系物可通过工业废水排放、储罐泄漏、大气沉降、地表径流等多种途径进入水体环境。
由于苯系物在自然条件下自降解过程十分缓慢，且具有显著的生物富集效应，工业废水中的苯系物若未经有效处理或处理不彻底，极易经生态循环及食物链的传递作用逐步积聚于人体内。当人体长期暴露于含有一定浓度苯系物的环境中或通过饮水摄入后，苯系物会对人体肝脏、肾脏、造血系统、血液循环系统等造成不可逆的慢性损伤，且已有大量毒理学研究证实，苯系物中的苯被世界卫生组织国际癌症研究机构列为一类致癌物，具有潜在的致畸、致癌、致突变风险[2]。因此，对水体中苯系物的含量进行准确、灵敏、快速的监测，已成为环境监测工作中一项常规且重要的任务。
在我国现行的环境质量标准体系中，GB 3838-2002《地表水环境质量标准》和GB 14848-2017《地下水质量标准》已经明确将苯、甲苯、乙苯、二甲苯、异丙苯、苯乙烯等苯系物的监测指标纳入其中，并规定了严格的限值要求[3-4]。例如，地表水环境质量标准中苯的限值仅为10μg/L，这就对分析方法的灵敏度提出了较高的要求。
目前，国内外用于测定水体中苯系物的常用分析方法主要包括：液液萃取-气相色谱法[5]、顶空-气相色谱法[6]、吹扫捕集-气相色谱法[7]、固相微萃取-气相色谱法以及气相色谱-质谱联用法等[8]。在这些方法中，液液萃取法操作较为繁琐，且需要使用大量有机溶剂，对实验人员和环境均不友好；吹扫捕集法虽然灵敏度高，但设备成本较高，且维护相对复杂；气相色谱-质谱联用法定性能力强大，但仪器普及程度及运行成本限制了其在基层监测机构的广泛应用。相比之下，顶空-气相色谱法凭借其操作简便、无需有机溶剂萃取、自动化程度高、样品基质干扰小、灵敏度满足标准要求等突出优点，在各级环境监测实验室中得到了最为广泛的应用。
为有效监测饮用水源地、地表水及地下水体中苯系物的残留水平，验证标准方法在本实验室条件下的适用性，本研究严格依据HJ 1067-2019《水质 苯系物的测定 顶空/气相色谱法》及HJ 168-2020《环境监测 分析方法标准制修订技术导则》的相关要求，对8种苯系物的方法检出限、测定下限、线性范围、精密度及准确度等关键性能指标进行了系统性的实验室内验证，并对实验过程中的关键控制环节进行了深入讨论，以期为后续的常规监测工作提供坚实的方法学基础。
1实验
1.1仪器及试剂
仪器：气相色谱仪，型号：TRACE1300，美国赛默飞；顶空进样器，型号：TRIPLUS300，美国赛默飞；FID检测器；电子天平；电子移液枪，量程10-200μL。
试剂：氯化钠，优级纯，福晨化学；抗坏血酸；甲醇中8种苯系物混标（批号A2007051）1000mg/L，坛墨。
耗材：DB-wax毛细管柱（30m*0.32mm*0.25μm），高纯氮气（≥99.999%），无油压缩空气；高纯氢气（≥99.999%），20mL顶空瓶，40mL螺口瓶；10mL移液管。
1.2 反应条件
顶空平衡30min，平衡温度60℃，进样阀温度100℃，传输线温度100℃，分流比10:1，进样口温度200℃，FID检测器温度250℃，柱温箱初始温度40℃，以5℃/min升温至80℃，维持5min至反应结束，燃烧气35mL/min，助燃气350mL/min，尾吹气30mL/min，在上述反应条件下，使用DB-wax毛细管柱分析8种苯系物。
1.3 绘制标准曲线
本实验使用蒸馏水做有证标准物质的稀释剂，按照1.2反应条件对蒸馏水进行分析，经检测蒸馏水中无干扰分析苯系物的杂质，满足试剂空白要求，可用于后续分析实验。
将1000mg/L苯系物混标稀释成100mg/L标准中间溶液，溶剂为蒸馏水，取7个20mL顶空瓶，分别向其中添加3g NaCl，每个顶空瓶中依次加入10mL、10mL、9.9mL、9.8mL、9.5mL、9mL、8.8mL蒸馏水，使用移液枪依序向其中量取10μL、50μL、100μL、200μL、500μL、1000μL、1200μL标准中间溶液，配置成浓度范围100μg/L-12000μg/L的苯系物标准溶液。进样量800μL，以每瓶苯系物溶液的浓度做横坐标，每种组分的色谱峰面积做纵坐标，绘制各组分的标准曲线。
2结果与讨论
2.1 8种苯系物的线性方程及检出限
使用DB-wax色谱柱，根据1.2所述实验条件及1.3所述溶液配置浓度，通过气相色谱软件运算可得各种苯系物的线性方程及相关系数。计算结果详见表1，苯、甲苯、二甲苯等8种物质的相关系数均大于0.995，线性关系良好，满足HJ 1067-2019[9]对相关系数的要求。
根据HJ 168-2020环境监测 分析方法标准制修订技术导则相关规定[10]对8种苯系物的检出限进行计算。由于空白实验中为检出苯系物，因此向空白样品中添加3-5倍预估检出限含量（本实验添加量为10μg/L）的苯系物标准溶液，按照1.2实验条件进行样品分析的全过程，平行实验7组，根据公式（1）计算方法检出限（MDL）。实验结果见表1，8种苯系物的检出限为2μg/L-3μg/L，小于等于HJ 1067-2019中的方法检出限，方法灵敏度高，满足对水体中痕量苯系物的监测需求。
（1）
式中：MDL—方法检出限；
n—样品平行测定次数；
t—自由度为（n-1），置信度为99%时的t分布值（单侧）；
S—n次平行测定的标准偏差。
表1 8种苯系物的线性方程、检出限及测定下限
Table 1 Liner equation，detection limit and lower limit of determination of eight kinds of benzene series
序号 | 化合物 | 线性范围（μg/L） | 标准曲线 | 相关系数 | 检出限 （μg/L） | 测定下限（μg/L） |
1 | 苯 | 100~12000 | y=0.0023x+0.0648 | 0.9986 | 2 | 8 |
2 | 甲苯 | 100~12000 | y=0.0024x+0.0468 | 0.9994 | 2 | 8 |
3 | 乙苯 | 100~12000 | y=0.0023x+0.1923 | 0.9998 | 2 | 8 |
4 | 对二甲苯 | 100~12000 | y=0.0022x+0.2096 | 0.9998 | 2 | 8 |
5 | 间二甲苯 | 100~12000 | y=0.0021x+0.2005 | 0.9998 | 2 | 8 |
6 | 异丙苯 | 100~12000 | y=0.0020x+0.4603 | 0.9993 | 3 | 12 |
7 | 邻二甲苯 | 100~12000 | y=0.0021x+0.1535 | 0.9993 | 2 | 8 |
8 | 苯乙烯 | 100~12000 | y=0.0019x+0.0999 | 0.9972 | 2 | 8 |
2.2 8种苯系物的精密度验证
取实际水样按照样品分析全过程进行检测，水体中未检出8种苯系物，以该实际水样做空白基质，分别向其中添加200μg/L、3000μg/L、11000μg/L的8种苯系物混标，每个浓度等级按照样品分析全过程做平行6组实验，分别计算水样中各类苯系物的平均值及相对标准偏差。实验结果如表2。
当加标量为200μg/L时，苯、甲苯、乙苯、对二甲苯、间二甲苯、异丙苯、邻二甲苯、苯乙烯的6组平行测量平均值分别为238μg/L、257μg/L、222μg/L、214μg/L、216μg/L、132μg/L、230μg/L、239μg/L，8种组分相对标准偏差分别为2.4%、1.4%、1.9%、1.7%、1.9%、5.0%、1.5%、1.2%。
当加标量为3000μg/L时，苯、甲苯、乙苯、对二甲苯、间二甲苯、异丙苯、邻二甲苯、苯乙烯的6组平行测量平均值分别为2738μg/L、3000μg/L、3333μg/L、3327μg/L、3358μg/L、3899μg/L、3295μg/L、3042μg/L，8种组分相对标准偏差分别为2.9%、2.9%、3.7%、3.9%、3.8%、5.2%、3.4%、3.0%。
当加标量为11000μg/L时，苯、甲苯、乙苯、对二甲苯、间二甲苯、异丙苯、邻二甲苯、苯乙烯的6组平行测量平均值分别为10001μg/L、10399μg/L、11213μg/L、11321μg/L、11345μg/L、12842μg/L、11373μg/L、11223μg/L，8种组分相对标准偏差分别为2.3%、1.9%、1.5%、1.6%、1.6%、3.0%、1.7%、2.1%。
综合三个浓度水平的实验结果，8种苯系物的相对标准偏差范围为1.2%~5.2%，均满足HJ 1067-2019中关于精密度的相关要求（通常要求RSD≤10%）。值得注意的是，异丙苯在所有浓度水平下的RSD均略高于其他组分，这可能与其在顶空过程中的气液分配平衡常数及在FID检测器上的响应特性有关，但仍在可接受范围内。总体来看，该方法精密度高，结果可靠，重复性好，能够满足日常工作中对水体中8种苯系物的监测要求。
表2 8种苯系物的精密度
Table 2 Precision of eight kinds of benzene series
序号 | 化合物 | 低浓度加标量（μg/L） | 平均值（μg/L） | RSD（%） | 中浓度加标量（μg/L） | 平均值（μg/L） | RSD（%） | 高浓度加标量（μg/L） | 平均值（μg/L） | RSD（%） |
1 | 苯 | 200 | 238 | 2.4 | 3000 | 2738 | 2.9 | 11000 | 10001 | 2.3 |
2 | 甲苯 | 200 | 257 | 1.4 | 3000 | 3000 | 2.9 | 11000 | 10399 | 1.9 |
3 | 乙苯 | 200 | 222 | 1.9 | 3000 | 3333 | 3.7 | 11000 | 11213 | 1.5 |
4 | 对二甲苯 | 200 | 214 | 1.7 | 3000 | 3327 | 3.9 | 11000 | 11321 | 1.6 |
5 | 间二甲苯 | 200 | 216 | 1.9 | 3000 | 3358 | 3.8 | 11000 | 11345 | 1.6 |
6 | 异丙苯 | 200 | 132 | 5.0 | 3000 | 3899 | 5.2 | 11000 | 12842 | 3.0 |
7 | 邻二甲苯 | 200 | 230 | 1.5 | 3000 | 3295 | 3.4 | 11000 | 11373 | 1.7 |
8 | 苯乙烯 | 200 | 239 | 1.2 | 3000 | 3042 | 3.0 | 11000 | 11223 | 2.1 |
2.3 8种苯系物的准确度验证
准确度是指测定结果与真实值或参考值之间的一致程度，通常通过加标回收率实验来评价。取实际水样按照样品分析全过程进行检测，水体中未检出8种苯系物，以该实际水样做空白基质，分别向其中添加800μg/L、11000μg/L的8种苯系物混标，每个浓度等级按照样品分析全过程做平行6组实验，分别计算水样中各类苯系物的平均值及相对标准偏差。实验结果如表3。
当加标量为800μg/L时，苯、甲苯、乙苯、对二甲苯、间二甲苯、异丙苯、邻二甲苯、苯乙烯的6组平行测量平均值分别为698μg/L、765μg/L、798μg/L、794μg/L、800μg/L、826μg/L、802μg/L、770μg/L，8种组分相对标准偏差分别为1.5%、1.7%、2.1%、2.0%、2.1%、3.0%、1.8%、2.0%，加标回收率分别为87.3%、95.6%、99.8%、99.3%、100.0%、103.3%、100.3%、96.3%。除苯的回收率（87.3%）略低于90%外，其余各组分的回收率均在95%~105%的理想范围内。
当加标量为11000μg/L时，苯、甲苯、乙苯、对二甲苯、间二甲苯、异丙苯、邻二甲苯、苯乙烯的6组平行测量平均值分别为10001μg/L、10399μg/L、11213μg/L、11321μg/L、11345μg/L、12842μg/L、11373μg/L、11223μg/L，8种组分相对标准偏差分别为2.3%、1.9%、1.5%、1.6%、1.6%、3.0%、1.7%、2.1%，加标回收率分别为90.9%、94.5%、101.9%、102.9%、103.1%、116.7%、103.4%、102.2%。
从准确度验证结果可以看出，低、高两个加标浓度下，8种苯系物的加标回收率范围为87.3%~116.7%。虽然异丙苯在高浓度下的回收率为116.7%，略微偏高，但仍在环境监测分析方法通常要求的80%~120%的接受范围内。苯在低浓度下的回收率稍低（87.3%），可能与低浓度下顶空瓶内壁吸附、样品前处理过程中的微小损失或苯本身的高挥发性有关。总体而言，该方法准确度较高，加标回收结果令人满意，完全满足HJ 1067-2019标准中的相关要求，可用于日常实验室对实际水样中8种苯系物的准确定量分析。
表3 8种苯系物的准确度
Table 3 Accuracy of eight kinds of benzene series
序号 | 化合物 | 低浓度加标量（μg/L） | 平均值（μg/L） | RSD（%） | 加标回收率（%） | 高浓度加标量（μg/L） | 平均值（μg/L） | RSD（%） | 加标回收率（%） |
1 | 苯 | 800 | 698 | 1.5 | 87.3 | 11000 | 10001 | 2.3 | 90.9 |
2 | 甲苯 | 800 | 765 | 1.7 | 95.6 | 11000 | 10399 | 1.9 | 94.5 |
3 | 乙苯 | 800 | 798 | 2.1 | 99.8 | 11000 | 11213 | 1.5 | 101.9 |
4 | 对二甲苯 | 800 | 794 | 2.0 | 99.3 | 11000 | 11321 | 1.6 | 102.9 |
5 | 间二甲苯 | 800 | 800 | 2.1 | 100.0 | 11000 | 11345 | 1.6 | 103.1 |
6 | 异丙苯 | 800 | 826 | 3.0 | 103.3 | 11000 | 12842 | 3.0 | 116.7 |
7 | 邻二甲苯 | 800 | 802 | 1.8 | 100.3 | 11000 | 11373 | 1.7 | 103.4 |
8 | 苯乙烯 | 800 | 770 | 2.0 | 96.3 | 11000 | 11223 | 2.1 | 102.0 |
3结论
本研究依据HJ 1067-2019《水质 苯系物的测定 顶空/气相色谱法》及HJ 168-2020《环境监测 分析方法标准制修订技术导则》的要求，使用DB-wax毛细管色谱柱、FID检测器及全自动顶空进样器，对同时测定水体中苯、甲苯、乙苯、对二甲苯、间二甲苯、异丙苯、邻二甲苯、苯乙烯等8种苯系物的方法进行了全面的实验室内验证。以浓度为1000mg/L的甲醇中8种苯系物混合标准溶液为储备液，系统分析并计算了该方法的线性范围、相关系数、方法检出限、精密度和准确度等关键性能参数。
实验结果表明：在100μg/L-12000μg/L的宽线性范围内，8种苯系物的相关系数均高于0.995，线性关系良好。方法检出限为2μg/L-3μg/L，测定下限为8μg/L-12μg/L，灵敏度能够满足现行环境质量标准对痕量苯系物的监测要求。低、中、高三个浓度水平的加标实验结果显示，相对标准偏差为1.2%~5.2%，加标回收率为87.3%-116.7%，方法的精密度和准确度均达到或优于HJ 1067-2019标准规定的要求。
综上所述，本实验室所建立的顶空-气相色谱法测定水体中8种苯系物的方法，具有操作简便、自动化程度高、无需有机溶剂萃取、灵敏度高、重复性好、结果准确可靠等突出优点。该方法完全满足单一实验室内对地表水、地下水、饮用水源地及工业废水中苯系物的日常分析测定要求，可作为本实验室常规水体苯系物监测的标准操作方法，为环境管理和污染控制提供有力的技术支持。
参考文献：
[1]贾亮亮.顶空-气相色谱法测定水中7种苯系物[J].化学分析计量，2019，28（6）：52-54.
[2]孙光举.顶空-气相色谱法测定水源水中乙醛、丙烯醛、苯系物[J].福建分析测试[J]，2017，26（4）：54-56.
[3]GB3838-2002地表水环境质量标准[S].北京：中国标准出版社，2002.
[4]GB14848-2017地下水质量标准[S].北京：中国标准出版社，2017.
[5]杜小弟，李玲，郭丽萍,等.分散液液微萃取分离-气相色谱法测定水中7种苯系物的含量[J].理化检验-化学分册，2017，53：55-59.
[6]雷凯，王芳，王建国，等.自动顶空毛细柱气相色谱法测定饮用水中苯系物[J].中国卫生检验杂志，2018，28（22）：2705-2708.
[7]林杰.吹扫捕集-气相色谱法测定地表水中苯乙烯[J].轻工科技，2018，34（5）：105-106.
[8]常建军，马若影，逯刚，等.自动顶空-气相色谱-串联质谱法测定生乳中8种苯系物的研究[J].食品安全质量检测学报，2020，24（11）：9207-9213.
[9]HJ 1067-2019水质 苯系物的测定 顶空/气相色谱法[S].北京：中国标准出版社，2019.
[10] HJ 168-2020环境监测分析方法标准制定技术导则[S].北京：中国标准出版社，2020.
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