地表水中四乙基铅分析方法及样品保存

王玲玲，梁　晶，靳朝喜，高　勇，滕恩江

1.河南省环境监测中心，河南 郑州 450004

2.洛阳环境监测站，河南 洛阳 471000

3.中国环境监测总站国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012

四乙基铅一度广泛作为添加剂在汽油中使用，为了保护环境，国家技术监督局于1999年12月28日发布了《车用无铅汽油》强制性国家标准，并于2000年1月1日开始实施[1]。可至今为止，仍能从一些环境水体、土壤及人体血液中检测出四乙基铅[2-4]，对环境造成一定危害。四乙基铅是《地表水环境质量标准》80项特定项目中的一种金属有机物，目前采用《生活饮用水标准检验方法 金属指标》(GB/T 5750.6—2006)-双硫腙分光法检测，光度法比较经典，但也存在操作繁杂、影响因素较多、测定结果不稳定等问题。文献中有对双硫腙光度法测定水中铅的方法改进[5]，但未见用于四乙基铅。近几年，随着地表水109项监测工作的开展，国内文献中出现了关于四乙基铅原子吸收光谱[6-7]、液液萃取-液相色谱法[8]、气相色谱-质谱法[9]、顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用法[10-11]的研究。光谱和光度法均为间接测定方法，一般最终测定的是有机铅的总和，只有加入形态分离的步骤才能保证定性结果的准确，色谱法具有直接准确定性的优势，但文献很少有对每种前处理和不同方法对比以及样品保存技术的研究。基于此，笔者对直接法和间接法的关键技术及样品保存进行探讨和研究。

1　实验部分

1.1实验仪器

安捷伦7890气相色谱仪，安捷伦5975气相色谱-质谱仪，岛津LC10A高效液相色谱仪、安捷伦7500等离子体发射光谱-质谱仪，TEKMAR 3100吹扫捕集装置，723分光光度仪，自动顶空仪(HS 86.50，意大利)，氮吹浓缩仪等。气相色谱柱DB-INNOWAX(30 m×0.32 mm×0.25 μm)，液相色谱柱Zorbax 5 μm ODS，柱长250 mm，内径4.6 mm或同等规格。分液漏斗、三角瓶、精密玻璃移液管和微量注射器、500 μL气密注射器等其他实验室常用器皿。

1.2实验材料

四乙基铅标准贮备液(200 mg/L，美国)；铅标准溶液购于国家标物所；重蒸馏后的优级纯硝酸；农残级甲醇；色谱级三氯甲烷、四氯化碳、正己烷、二氯甲烷；优级纯无水硫酸钠、氯化钠；分析纯柠檬酸氢二铵、氰化钾、盐酸羟胺、双硫腙和盐酸；超纯水。

2　结果与讨论

2.1仪器和校准方法

通过实验确定了液液萃取-液相色谱法、液液萃取-气相色谱-质谱法、顶空-FID-气相色谱法、萃取-消解-ICP-MS法等方法的仪器条件、校准曲线和仪器灵敏度。

2.1.1液相色谱-紫外检测器

通过紫外光谱仪扫描，发现四乙基铅在波长为200～260 nm有较为显著的吸收，200～220 nm吸收最大(图1)。进一步根据液相色谱二极管阵列检测器在紫外区响应情况，观察其吸收和干扰情况(图2)，确定吸收波长为210 nm，流动相为95％甲醇+5％水。配置四乙基铅的标准曲线，0.05～50 μg/mL，进样量为10 μL，线性相关系数大于0.999 9。通过依次配置较低浓度的标准溶液，当信号值为噪音的3倍时确定为液相色谱仪器检出限，不同仪器的检出限不同，该研究液相色谱仪四乙基铅的检出限为0.03μg/mL。最佳曲线范围为0.1～100 μg/mL。

图1　浓度为10 μg/mL的紫外扫描图

图2　10 μg/mL二极管阵列紫外吸收谱图和液相色谱图

2.1.2气相色谱-质谱法

气相色谱-质谱条件：进样口温度230 ℃，分流比2∶1；程序升温80 ℃开始，每分钟升15 ℃直至200 ℃；SCAN/SIM同时扫描，选择离子208、235、236、237、295 amu，定量离子237 amu。配置校准曲线0.1～50 μg/mL，进样量1 μL SIM定量，线性相关系数大于0.999；质谱按照信噪比50作为检出限，该研究仪器检出限为0.05 μg/mL，不同仪器的检出限不同。浓度为2 μg/mL的SIM谱图见图3。

图3　浓度为2μg/mL的SIM谱图

2.1.3顶空-气相色谱法

根据四乙基铅的挥发性，建立自动顶空-FID-气相色谱方法，通过条件优化实验，确定顶空振荡平衡时间为30 min，温度为60 ℃。气相条件为进样口温度210 ℃(不分流)，柱温箱温度60 ℃(保持5 min)，以5 ℃/min升至90 ℃(保持1 min)，再以10 ℃/min升至150 ℃(保持1 min)；氮气6 mL/min，氢气45 mL/min，空气450 mL/min；检测器温度250 ℃；进样量1 mL。当仪器检出限以3倍信噪比记时，FID对四乙基铅的检出限为0.01 μg/mL。由于该方法的前处理和仪器分析为自动连续发生，四乙基铅直接从水相进入气相然后进入仪器，因此校准曲线和检出限均是从顶空开始，20 mL顶空瓶，曲线范围0.5～80 μg/L，按照HJ 168—2010[12]进行方法检出限、精密度及回收率实验。

2.1.4等离子体发射光谱-质谱法

等离子体发射光谱-质谱法测定四乙基铅可以采用2种校准方法：一是无机铅，二是从消解开始配置四乙基铅曲线。仪器对铅的检出限决定于校准空白的波动和仪器的灵敏度，该研究仪器检出限为0.02 μg/L。

2.1.5双硫腙分光光度法

通过大量实验证明，按照《生活饮用水标准检验方法 金属指标》(GB/T 5750.6—2006)配置铅曲线时，线性相关系数很难达到0.999，影响因素除了试剂、器皿、脱脂棉中铅本底带来的干扰外，主要是滴加氨水观察百里酚蓝指示确定pH带来的波动。铅本底的干扰消除可以采用酸清洗器皿和双硫腙清洗试剂的方法，为提高显色前反应体系pH的一致性，参考文献[5]将原方法中氨水、柠檬酸铵等试剂分别配置改成配置柠檬酸铵-氨水缓冲pH溶液，相应操作方法也进行了改进。

改进后方法为先配置柠檬酸铵-氨水缓冲溶液，称取50 g柠檬酸铵,加纯水使之溶解,并稀释至100 mL,用浓氨水调节pH至8.6～9.0(如果水样加了酸可将缓冲溶液的pH调至8.6～8.8)。显色前，依次加入5.0 mL的上述缓冲溶液，再加入1.0 mL盐酸羟胺和2.0 mL的氰化钾，再加入10 mL双硫腙，振荡5 min放置分层后测定双硫腙层。不再使用原方法的操作及pH调配方法。改进后方法的曲线线性和pH稳定性大为改善，详见表1。

表1　改进后方法和国标方法对铅标准曲线线性和pH的影响比较

2.2前处理方法

除顶空外，光度法、色谱法分析四乙基铅还涉及萃取-浓缩和萃取-消解等前处理方法，研究对每个环节的回收率和精密度进行了验证。

2.2.1萃取实验

对文献中用到的二氯甲烷、三氯甲烷和正己烷3种溶剂进行萃取回收率实验。在500 mL水样中分别取10 mL进行2次萃取实验，合并萃取液，6次重复实验的结果表明：三氯甲烷和正己烷的回收率分别为88％～95％和82％～113％，精密度为8％和12％；二氯甲烷在萃取过程中稍不小心即会在开始振荡时使样品溢出，6次重复实验回收率为30％～87％。分次萃取实验结果表明，第1次萃取回收率在80％以上，2次萃取基本完全，增大第1次萃取体积可提高回收率。

2.2.2浓缩实验

直接在20 mL二氯甲烷、三氯甲烷和正己烷中加入2 μg四乙基铅进行微量气流的氮吹实验，每种溶剂重复2次，每次4个平行样品。实验结果表明：二氯甲烷-四乙基铅回收率为20％～50％，三氯甲烷-四乙基铅回收率为75％～85％，正己烷-四乙基铅回收率为44％～80％；精密度方面，三氯甲烷较稳定，相对标准偏差为5％，正己烷和二氯甲烷较不稳定，相对标准偏差大于20％。由于三氯甲烷一般使用国产色谱纯很难获得较高纯度，其浓缩后谱图含有较多杂质，二氯甲烷和正己烷一般为进口农残级，浓缩后谱图杂质较少。

2.2.3 萃取-浓缩实验

分别对500 mL水样加标2 μg四乙基铅，每次用10 mL正己烷、二氯甲烷和三氯甲烷萃取，各进行2次，合并萃取液进行微量氮气浓缩，每种溶剂进行6个样品平行实验，因为二氯甲烷挥发性较强，因此适当增加其萃取体积。结果表明，萃取浓缩是一个需要精密操作的过程，二氯甲烷体系回收率较差，三氯甲烷好于正己烷，但精密度和回收率均低于分步结果。因此，液液萃取的溶剂可选择三氯甲烷和正己烷，正己烷的比重比水小，在上层，三氯甲烷的比重比水大，在下层，便于多次萃取，综合考虑操作的方便程度，选择三氯甲烷较好。详见表2。

表2　不同溶剂萃取-浓缩回收率实验结果(n=6)

2.2.4萃取-消解

按照《生活饮用水标准检验方法 金属指标》(GB/T 5750.6—2006)四乙基铅的双硫腙方法，三氯甲烷萃取之后将试样放在电热板上加入溴水溴化，再加入浓硝酸消解至近干，将萃取消解后试样中的铅用ICP-MS测定，用无机铅校准曲线。结果发现，加入溴水消解的空白中铅较高，如果改用直接加入硝酸消解空白大大降低，回收率有所提高。4次重复萃取-消解-ICP-MS全程序测定曲线线性相关系数均大于0.999，空白加标回收率为85％～95％。可见，直接加硝酸消解可降低空白，提高回收率。详见表3、表4。

表3　ICP-MS测定不同消解方法的线性比较

表4　ICP-MS测定不同消解方法对结果的影响比较

各种前处理方法中，三氯甲烷萃取-转移有机相-加硝酸消解四乙基铅转化成无机铅，此操作过程的损失较低、稳定性较好(控制器皿和硝酸的空白)；液液萃取-浓缩回收率较低，使测定结果偏低；顶空无需转化和萃取，损失最少。

2.3全程序分析方法性能比较

对改进后双硫腙光度法、液液萃取-液相色谱法、液液萃取-气相色谱-质谱法、萃取-消解-ICP-MS法和顶空-气相色谱法进行全程序方法性能比对实验研究。光度和光谱法均采用四乙基铅的工作曲线，测试4组实际样品均未检出，光度法加标后浓度为20 μg/L、光谱法等其他加标后浓度为4 μg/L。取500 mL水样时，光度法和光谱法检出限均按照HJ 168—2010中关于空白中检出目标物的方法，重复7次全程序空白实验。色谱法按照HJ 168—2010中添加低浓度标准物质的方法。精密度采用4次平行实验加标测定结果的精密度。结果见表5。

表5　不同方法测定四乙基铅性能比较

从表5可以看出，双硫腙分光光度法检出限相对较高，500 mL水样达不到地表水控制标准(0.1 μg/L)，萃取-消解-ICP-MS检出限最低，其他方法也均能满足地表水质量控制目标的要求。

方法的精密度方面，自动顶空和ICP-MS较好，其他方法均在15％以内，实际样品加标回收率萃取-消解-ICP-MS和顶空-GC-FID优于双硫腙光度法,均在88％～110％，液液萃取-GC-MS和液液萃取-HPLC回收率在80％以下。

2.4水样保存

四乙基铅有较强的挥发性，环境中的四乙基铅经光和热的作用，逐步降解为三乙基铅，再进一步降解为无机铅。样品的保存时间和保存条件对实验结果的准确度起到重要作用。

2.4.1低温冷藏保存

分别用超纯水和实际地表水配置1、10 μg/L 2种浓度多组平行样，水样充满40 mL VOC瓶，并在4 ℃避光冷藏，分别在配置后1 h～7 d内进行顶空-GC-FID测试，结果见表6。

表6　顶空法分析四乙基铅样品保存时间

由表6可见，不加保护剂低温保存8 h四乙基铅有86％～95.6％的保留，保存2 h时，有43.7％～71.6％的保留，3 d衰减一半以上，低浓度更容易衰减，实际样品和空白水样结果一致。

2.4.2不同保护剂保存

由于实验条件的限制，样品采集后很难立即进行分析，往往需要送至实验室分析，因此需要在样品中添加保护剂延长样品保存时间。

根据四乙基铅的特点，参考挥发性有机物保存方法[13]，选择添加1 mL盐酸(1∶1)控制微生物对有机铅的降解；参考金属样品的保存方法[14]，选择添加1 mL硝酸(1∶1)；参考有机物萃取方法[15]加入1 mL甲醇和10 g NaCl，利用“盐析效应”降低有机物和萃取溶剂在水溶液中的溶解度，提高萃取效果。对这3种方法进行2种浓度多组平行样品的保存时间实验，样品低温保存，测试方法同“2.1.3节”。结果见表7。

表7　不同保护剂对顶空法分析四乙基铅样品保存时间的影响

由表7可见，加入甲醇和NaCl可以保证样品在3 d内仍有80％以上的回收率，与不加保护剂低温冷藏相比，延长了2 d，72 h后回收率为82％。3种保护剂对2种浓度实际水样加标样品的变化趋势和衰减情况基本一致，如果以第1天为100％，7 d的衰减率分别是29％～32％，但盐酸和硝酸加入后1 h即变为55％左右，因此可以肯定,加入稀硝酸和盐酸保存试剂后不适合采用顶空方法分析四乙基铅，但并不能完全说明不能起到保护四乙基铅的作用，也许是加入酸降低了其挥发性或其他原因，需要采用其他分析方法进行进一步验证。

3　结论

测定水中四乙基铅的光谱和色谱方法均有其适用的特点，可以满足不同条件的实验室和水样的分析。浓缩比消解和萃取更容易造成四乙基铅的损失。色谱法更加适合准确定性分析四乙基铅，光度光谱法可以快速分析有机铅总量。顶空法是损失最少的最佳前处理方式但检出限有一定的限制。没有保护剂的条件下四乙基铅最好在8 h内分析完毕，加入甲醇和NaCl可以使采用顶空分析的样品保存3 d。其他不同保护剂的保存效果有待进一步研究。

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