环境介质中二噁英、多氯联苯和多溴联苯醚净化分离方法

技术领域

本发明属于环境有机污染物检测领域，更具体地，涉及环境介质中二噁英、多氯联苯和多溴联苯醚净化分离方法。

背景技术

二噁英类、多氯联苯和多溴联苯醚均具有高毒、持久、生物积累性、远距离迁移性，是先后被列入《斯德哥尔摩公约》的持久性有机污染物(POPs)黑名单。这三类POPs结构相似，且共存于生活垃圾焚烧炉、电子垃圾回收等典型污染源中，广泛存在于环境介质中且属于痕量含量水平，是目前关注度高的非故意产生的持久性有机污染物(UP-POPs)，在环境介质污染物中属于重要监测对象。

然而，二噁英类、多氯联苯和多溴联苯醚这三类UP-POPs由于结构相似，质量数相近等特性，在HRGC-HRMS分析时往往相互干扰，特别是检测分析二噁英类时，多氯联苯和多溴联苯醚是一种干扰项，需要净化分离单独收集二噁英类再进行检测。如现有文献《土壤样品中多溴联苯醚、多氯联苯和二噁英类同时测定方法研究》中报道，先采用多层硅胶柱分离，分别收集多氯联苯和二噁英类混合物、多溴联苯醚，再采用弗罗里硅土柱分离多氯联苯和二噁英类混合物，收集多氯联苯化合物，最后采用活性炭硅胶柱吸附、洗脱收集二噁英类，进而实现三者的分离，但该方法操作步骤复杂，需三个分离柱两次分离才能收集二噁英类，耗时耗物，且难以实现同时净化分离二噁英类与多氯联苯和多溴联苯醚。

虽然，现有专利CN103645086A《一种同时净化环境介质中多类持久性有机污染物的前处理方法》可以一次分离环境介质萃取液中二噁英类、多氯联苯和有机氯农药这三类POPs，但是这三类均属于氯代POPs，该前处理方法并不适用于分子质量跨度更大、物理化学性质不稳定的溴代联苯醚。另外，多氯联苯一般包括一氯至十氯代的单体，各单体间极性存在差异，而采用一种洗脱液洗脱，一般仅能洗脱部分的多氯联苯；溴代联苯醚一般包括一溴至十溴代的单体，不同环境样本中溴代联苯醚各单体分布不同，如土壤中以高溴代PBDEs最为丰富，而水中低溴代PBDEs含量较高。因此，研究一种适用于多种环境介质且能够同时净化分离二噁英类与多氯联苯和多溴联苯醚的前处理方法，利于监测环境介质中这三类UP-POPs。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种环境介质中二噁英、多氯联苯和多溴联苯醚净化分离方法，其目的在于提供一种上下联用的A-B酸碱联合分离柱，其中A柱为酸性净化柱，由下至上依次填充玻璃纤维、硫酸硅胶和无水硫酸钠；B柱为碱性分离柱，由下至上依次填充玻璃纤维、弗罗里硅酸镁、碱性氧化铝、碱性硅胶；该A-B酸碱联合分离柱对二噁英、多氯联苯和多溴联苯醚吸附能力不同，能够使环境样品中多氯联苯和多溴联苯醚主要吸附于A柱中，二噁英类主要吸附于B柱中，再分别洗脱收集，实现同时净化和分离环境介质萃取液中二噁英类与多氯联苯和多溴联苯醚的目的，由此解决现有方法中难以同时净化和分离环境介质萃取液中二噁英类、多氯联苯和多溴联苯醚这三类POPs的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种环境介质中二噁英、多氯联苯和多溴联苯醚净化分离方法，其包括以下步骤：

制备预除杂后待净化分离的环境样品溶液；

利用上下联用的A-B酸碱联合分离柱将获得的环境样品溶液净化分离为两组有机污染物，其中第一组为多氯联苯和多溴联苯醚，第二组为二噁英类；

所述A-B酸碱联合分离柱中A柱为酸性净化柱，由下至上依次填充玻璃纤维、硫酸硅胶和无水硫酸钠；B柱为碱性分离柱，由下至上依次填充玻璃纤维、弗罗里硅酸镁、碱性氧化铝、碱性硅胶；

所述第一组有机污染物分别采用正已烷和正己烷-二氯甲烷混合溶剂洗脱；

所述第二组有机污染物采用二氯甲烷洗脱，由B柱分离。

优选地，所述环境介质中二噁英、多氯联苯和多溴联苯醚净化分离方法，其所述A柱中硫酸硅胶中硫酸含量为30％～40％，所述B柱中弗罗里硅酸镁填充量为0.6g～2g。

优选地，所述环境介质中二噁英、多氯联苯和多溴联苯醚净化分离方法，其所述A柱由下至上依次填充玻璃纤维、6～10cm的硫酸硅胶和1cm无水硫酸钠。

优选地，所述环境介质中二噁英、多氯联苯和多溴联苯醚净化分离方法，其所述B柱由下至上依次填充玻璃纤维、0.6g～2g弗罗里硅酸镁、1～3g碱性氧化铝、1～3g碱性硅胶。

优选地，所述环境介质中二噁英、多氯联苯和多溴联苯醚净化分离方法，其洗脱第一组有机污染物时，先用正已烷洗脱A-B酸碱联合分离柱，洗脱后撤掉A柱再用正已烷-二氯甲烷混合溶剂洗脱B柱，收集第一组多氯联苯和多溴联苯醚混合物。

优选地，所述环境介质中二噁英、多氯联苯和多溴联苯醚净化分离方法，其所述正已烷-二氯甲烷混合溶剂，按照二氯甲烷的体积占比小于等于5％配制，洗脱B柱时其用量为10～20ml。

优选地，所述环境介质中二噁英、多氯联苯和多溴联苯醚净化分离方法，其第一组有机污染物收集完后，采用二氯甲烷洗脱B柱，收集第二组有机污染物二噁英类。

优选地，所述环境介质中二噁英、多氯联苯和多溴联苯醚净化分离方法，其洗脱二噁英类有机污染物时，二氯甲烷的用量为40～60ml。

优选地，所述环境介质中二噁英、多氯联苯和多溴联苯醚净化分离方法，其所述正己烷样品溶液，按照如下获得：

取浓缩至近干的环境介质萃取液，按照正己烷和浓硫酸体积比小于等于7:8添加，充分磺化反应后，取上层正己烷样品溶液。

优选地，所述环境介质中二噁英、多氯联苯和多溴联苯醚净化分离方法，其所述环境介质包括环境空气、烟道废气、土壤、沉积物、原水、废水、固体废物样品中任意一种。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明提供的环境介质中二噁英、多氯联苯和多溴联苯醚净化分离方法，该方法采用上下联用的A-B酸碱联合分离柱净化分离，其中A柱为酸性净化柱，由下至上依次填充玻璃纤维、硫酸硅胶和无水硫酸钠，对多氯联苯和多溴联苯醚吸附作用大；B柱为碱性分离柱，由下至上依次填充玻璃纤维、弗罗里硅酸镁、碱性氧化铝、碱性硅胶，对二噁英类吸附作用大，能够使环境介质中二噁英、多氯联苯和多溴联苯醚吸附于不同分离柱中，进而洗脱分离获得两组洗脱样品，其中第一组为多氯联苯和多溴联苯醚混合物，第二组为二噁英类，且洗脱样品能够满足高分辨气相色谱-高分辨质谱法测定的样品溶液要求。该方法能够将二噁英、多氯联苯和多溴联苯醚这三类UP-POPs分离为两组有机污染物，其中二噁英类单独收集，可实现同时净化和有效分离环境介质萃取液中的多氯联苯和多溴联苯醚与二噁英类。

另外，相比现有的国内外标准分析测试方法，现有方法中多氯联苯、多溴联苯醚和二噁英，均分别采用不同的前处理方法，一般使用甲苯洗脱二噁英类化合物，在耗材和有机试剂方面存在重复使用，造成严重浪费和二次污染，而本发明提供的净化分离方法，仅需1份样品，即可实现三类目标污染物的分析，所需有机试剂和样品用量更少，利于节约制样成本，同时也可避免甲苯等有毒试剂的使用，是一种环境友好型的净化分离方法。

附图说明

图1是实施例1中A-B酸碱联合分离柱的组成和结构示意图；

图2是实施例2中环境介质中多氯联苯、多溴联苯醚和二噁英净化分离技术路线示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

虽然二噁英类、多氯联苯和多溴联苯醚这三类UP-POPs结构相似，质量数相近等特性，检测时会相互影响，但实验发现在HRGC-HRMS检测分析多氯联苯和多溴联苯醚两者时选择质量数差异大，可以减少或避免相互干扰，能够联合检测，但二噁英类需单独收集进行检测。

本研究通过对分离柱的改进，结果发现采用自制的上下联用A-B酸碱联合分离柱，当A柱为酸性柱，由下至上依次填充玻璃纤维、硫酸硅胶和无水硫酸钠，能有效去除硫酸处理后剩余的干扰物质，进一步纯化二噁英类、多氯联苯和多溴联苯醚这三类UP-POPs；B柱为碱性柱，由下至上依次填充玻璃纤维、弗罗里硅酸镁、碱性氧化铝和碱性硅胶，对二噁英类化合物吸附作用大，对多氯联苯和多溴联苯醚的吸附性较小，能够使这三类UP-POPs分布于不同柱中，通过不同极性水平的溶剂洗脱可实现同时分离环境介质中二噁英类与多氯联苯和多溴联苯醚，并将这三类UP-POPs分离为两组污染物，其中第一组为多氯联苯和多溴联苯醚，第二组为二噁英类。

其中，A柱中所述硫酸硅胶中硫酸含量为30～40％，能够进一步地完成二噁英类、多氯联苯和多溴联苯醚这三类物质的同时净化，去除硫酸处理步骤后的残留基质干扰物质以及样品溶液中的少量硫酸溶液；B柱为碱性柱，能够进一步去除样品溶液中的酸性物质，减少或避免酸性物质对B柱的破坏，有利于B柱进一步实现二噁英类、多氯联苯和多溴联苯醚的吸附和分离。

尤其是，A柱由下至上依次填充玻璃纤维、6～10cm的硫酸硅胶和1cm无水硫酸钠；B柱由下至上依次填充玻璃纤维、0.6～2g弗罗里硅酸镁、1～3g碱性氧化铝、1～3g碱性硅胶；使用时A柱下端连接B柱上端开口形成A-B酸碱联合分离柱，经A-B酸碱联合分离柱淋洗，由于能够使二噁英类很好地吸附在B柱的弗罗里硅酸镁中，多氯联苯和多溴联苯醚经短暂吸附后被优先洗脱，起到很好的净化分离作用，鉴于采用HRGC-HRMS检测分析多氯联苯和多溴联苯醚时不会相互干扰，故可以采用相应洗脱液分别洗脱收集多氯联苯和多溴联苯醚混合组分、以及二噁英类组分。

进一步地，先采用正己烷淋洗能够洗脱A-B柱中大部分的多氯联苯和多溴联苯醚，撤掉A柱后再采用极性更大的正已烷-二氯甲烷淋洗B柱中少量多氯联苯和多溴联苯醚，可以获得更多单体且不会洗脱出二噁英类物质；优选正已烷-二氯甲烷中二氯甲烷体积占比小于等于5％，用量为10～20ml。

本发明提供的一种环境介质中二噁英、多氯联苯和多溴联苯醚净化分离方法，具体包括以下步骤：

(1)预除杂处理：取环境样本萃取液浓缩至近干，复溶、预除杂后收集待净化分离的环境样品溶液；

在一些实施例中采用正己烷复溶，加入浓硫酸洗涤除杂、静置或离心分层后收集上层正已烷样品溶液，即为待净化分离的环境样品溶液；

其中正己烷与浓硫酸按照体积比小于等于7:8添加；重复多次加正己烷洗涤硫酸层、收集正已烷相，即为待净化分离样品；优选重复3次添加正己烷与浓硫酸洗涤除杂，充分磺化反应后收集上层正已烷相；

当环境介质萃取液浓缩近干，用正己烷复溶，浓硫酸除杂，采用浓硫酸预处理环境介质萃取液，相比层析柱，硫酸能够与这些杂质发生反应而彻底除去，其除杂效果更好，但硫酸含量过高容易发生反应导致目标物被破环，检测结果偏低；硫酸含量过低难以很好的除去碱性杂质。实验发现正己烷与浓硫酸体积比小于等于7:8时，配合涡旋振荡，可充分完成硫酸的磺化反应，去除样品萃取液中的大部分基质干扰物质，包括色素、蛋白质、油脂、脂肪酸、芳香烃类有机物以及各种极性物质。本发明中硫酸处理后的正己烷溶液澄清无明显杂质。

(2)A-B酸碱联合分离柱净化分离：利用上下联用的A-B酸碱联合分离柱将获得的正己烷样品溶液净化分离为两组有机污染物，其中第一组为多氯联苯和多溴联苯醚，第二组为二噁英类；

所述A-B酸碱联合分离柱中A柱为酸性净化柱，由下至上依次填充玻璃纤维、硫酸硅胶和无水硫酸钠；B柱为碱性分离柱，由下至上依次填充玻璃纤维、弗罗里硅酸镁、碱性氧化铝、碱性硅胶；

所述第一组有机污染物分别采用正已烷和正己烷-二氯甲烷混合溶剂洗脱；所述第二组有机污染物采用二氯甲烷洗脱，由B柱分离。

所述A-B酸碱联合分离柱中A柱下端连接B柱上端开口，使A柱流出液全部流入B柱，从B柱下端流出；其中A柱为酸性净化柱，其为玻璃柱，由下至上依次填充玻璃纤维、硫酸硅胶和无水硫酸钠；所述硫酸硅胶中硫酸含量为30-40％，即硫酸和中性硅胶的配比为3:7以上，但不超过4:6；硫酸硅胶用于处理浓硫酸预处理后的残留基质干扰物质以及样品溶液中的少量浓硫酸溶液，其发生的磺化作用能够起到破坏性的除杂。此外，酸性柱可以减缓样品中酸性物质对碱性柱的冲击，避免降低或破坏碱性柱的分离效果。

所述B柱为碱性分离柱，其内径同A柱，同为玻璃柱，由下至上依次填充玻璃纤维、0.6g～2g弗罗里硅酸镁、碱性氧化铝、碱性硅胶。

由于弗罗里硅酸镁对二噁英类的吸附能力明显大于多氯联苯和多溴联苯醚，能够将二噁英类化合物吸附于B柱中，进而洗脱分离二噁英类与多氯联苯和多溴联苯醚。

优选A柱内径为10mm，由下至上依次填充玻璃纤维、6～10cm的40％硫酸硅胶和1cm无水硫酸钠

更优选A柱内径为10mm，由下至上依次填充玻璃纤维、8cm的40％硫酸硅胶和1cm无水硫酸钠；在保证净化效果前提下试剂用量少，利于节约成本；

优选B柱内径为10mm，由下至上依次填充玻璃纤维、0.6～2g弗罗里硅酸镁、1～3g碱性氧化铝、1～3g碱性硅胶；

更优选B柱内径为10mm，由下至上依次填充玻璃纤维、1g弗罗里硅酸镁、1g碱性氧化铝、2g碱性硅胶；所述弗罗里硅酸镁、碱性氧化铝和碱性硅胶，在保证分离效果的前提下用量少，利于节约成本。

更优选正已烷淋洗A-B酸碱联合分离柱后撤掉A柱，采用正己烷-二氯甲烷混合溶剂洗脱B柱，收集于样瓶A中，所述样瓶A中组分A为净化后的多氯联苯和多溴联苯醚；所述正己烷淋洗A-B酸碱联合分离柱，优选用量为7ml；所述正己烷-二氯甲烷混合溶剂，其二氯甲烷体积占比小于等于5％，用量10～20ml，在一些实施例中正己烷与二氯甲烷体积比为95:5，淋洗时用量为15ml；

收集完第一组多氯联苯和多溴联苯醚后，采用二氯甲烷洗脱B柱，收集于样品瓶B中，所述样品瓶B中组分B为净化后的二噁英类物质，所述二氯甲烷洗脱时用量为40～60ml，在一些实施例中洗脱时二氯甲烷用量为50ml。

撤掉A柱后再洗脱B柱中的二噁英类物质，利于在完整洗脱二噁英类物质时节约洗脱试剂和洗脱时间，同时利于避免A柱中其他被吸附的干扰物质被极性高的二氯甲烷洗脱溶液再次洗脱收集于样瓶B中造成干扰。

以下为实施例：

实施例1制备A-B酸碱联合分离柱及其净化分离

(1)层析填料的制备

①中性硅胶：70～230目，购于Merck公司(Darmstadt，Germany)。使用前在550℃条件下烘烤8h以上后置于干燥器冷却，密封保存。

②硫酸硅胶：在玻璃烧瓶中称取120g干燥后的中性硅胶，加入80g浓硫酸，加塞振荡至硅胶成均匀流动状态，密封保存。

③碱性硅胶：在玻璃烧瓶中称取67g干燥后的中性硅胶，加入33g1mol/L的氢氧化钠溶液，加塞振荡至硅胶成均匀流动状态，密封保存。

④碱性氧化铝：150目，购于Aldrich公司(Milwaukee，USA)，活性等级为BrockmanI。在550℃条件下烘烤8h以上后置于干燥器冷却，每97g碱性氧化铝加入3g的纯水，混合均匀，密封保存。

⑤弗罗里硅胶镁：60～100目，购于Merck公司(Darmstadt，Germany)。使用前在550℃条件下烘烤12h以上后置于干燥器冷却，密封保存。

⑥无水硫酸钠：优级纯，购于广州试剂厂。使用前在450℃条件下烘烤4h以上后置于干燥器冷却，密封保存。

⑦硅烷化玻璃纤维：购于上海安谱实验科技有限公司。使用前在450℃条件下烘烤4h以上后置于干燥器冷却，密封保存。

(2)硫酸处理环境介质萃取液

取150～300ml环境基质样品萃取液减压浓缩至近干，用7ml正己烷复溶样品溶液并转移至40ml样品瓶中。准确量取8ml浓硫酸，加入样品瓶中，拧紧瓶盖，用涡旋仪振荡10秒左右，小心打开瓶盖，放出硫酸反应产生的热量，重复振荡2～3次，静置约30min。用滴管取出正己烷层并转移至干净样品瓶。在原硫酸处理样品瓶中加入7ml正己烷，重复上述步骤2次，合并正己烷样品溶液。

(3)制备A-B酸碱联合分离柱

准备内径为10mm、柱高为250mm的下部收口的玻璃层析柱，由下至上依次填入少量的硅烷化玻璃纤维、8cm硫酸硅胶、1cm无水硫酸钠，装填为A柱；

准备内径为10mm、柱高为250mm的下部收口的玻璃层析柱，由下至上依次填入少量的硅烷化玻璃纤维、1g弗罗里硅酸镁、1g碱性氧化铝和2g碱性硅胶，装填为B柱。将A柱和B柱串联，A柱在上，B柱在下，制备A-B酸碱联合分离柱，如图1所示，完成后并用20ml正己烷预冲洗A-B酸碱联合分离柱。

(4)将经硫酸处理后的环境介质溶液用滴管吸取正己烷样品溶液，并转移至A柱，样品溶液经A-B酸碱联合分离柱后，全部收集于样品瓶A中，待柱上的样品溶液流至近干后，加入7ml正己烷，继续收集于样品瓶A中；

洗脱完后将上部的A柱撤掉，保留B柱，加入15ml体积比为95:5的正己烷-二氯甲烷混合溶剂洗脱B柱，继续收集于样品瓶A中，经检测样品瓶A中收集的是含纯净的多氯联苯和多溴联苯醚的样品溶液。

(5)样品瓶A收集完后，在B柱上端加入50ml二氯甲烷淋洗，经B柱的流出液收集于样品瓶B中，经检测样品瓶B中收集的是纯净的二噁英类的样品溶液。

实施例2环境空气、沉积物以及固体废物萃取液中的二噁英类、多氯联苯、多溴联苯醚的净化分离

本实施例以环境空气、沉积物以及固体废物为例，采用本发明提供的净化分离方法，对环境基质(环境空气、沉积物以及固体废物)萃取液中的二噁英类、多氯联苯、多溴联苯醚进行净化和分离，最终浓缩液分别添加进样内标后，使用高分辨气相色谱-高分辨双聚焦磁质谱联用仪(HP6890N GC/Autospec Premier，Waters，USA)进行仪器分析，采用同位素稀释内标法进行定性定量，具体技术路线如图2所示。

(1)空白基质加标样品

每种环境基质分别准备3个空白基质，其中，环境空气的空白基质为采样用的滤膜和PUF；沉积物和固体废气采用的是石英砂。在空白基质中加入一定量的二噁英类、多氯联苯、多溴联苯醚的混合标准溶液，在萃取前加入一定量的二噁英类、多氯联苯、多溴联苯醚的同位素提取内标。完成萃取后，采用本发明方法进行样品净化分离，得到的样品浓缩液进行仪器分析，实验结果见表1～4。

由表1～4可知，采用本发明提供的净化分离方法进行前处理，各空白基质的二噁英类、多氯联苯、多溴联苯醚加标回收率均满足分析测定方法的要求，达到同步实现净化和分离的效果。

(2)实际样品

每种环境基质分别准备2个实际样品。样品均采用甲苯对样品进行索氏提取，萃取前分别加入一定量的二噁英类、多氯联苯、多溴联苯醚的同位素提取内标。完成萃取后，采用本发明方法进行样品净化分离，得到的样品浓缩液进行仪器分析，实验结果见表5～7。

由表5～7可知，采用本发明提供的净化分离方法进行前处理，各类环境介质的加标回收率均满足分析测定方法的要求，能够达到同步实现净化和分离的效果。

注意，含硫的沉积物样品除硫后，再进行净化分离。对于一些含大分子干扰较多的样品，在测定多氯联苯时，一氯联苯可能受到干扰，可采用凝胶渗透色谱柱(GPC)进一步净化处理。

表1沉积物、固体废物空白基质二噁英类加标回收率结果(单位：％)

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备注：二噁英类回收率允许范围参见EPA Method 1613和HJ 77.4。

表2环境空气空白基质二噁英类加标回收率结果(单位：％)

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备注：二噁英类回收率允许范围参见EPA Method 23和HJ 77.2。

表3沉积物、环境空气空白基质多氯联苯加标回收率结果(单位：％)

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备注：多氯联苯回收率允许范围参见EPAMethod 1668C。

表4沉积物、环境空气空白基质多溴联苯醚类加标回收率结果(单位：％)

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备注：多溴联苯醚回收率允许范围参见EPA Method 1614。

表5沉积物、积灰样品萃取液二噁英类测定结果

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表6沉积物、积灰样品和环境空气样品萃取液多氯联苯测定结果

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表7沉积物、积灰样品和环境空气样品萃取液多溴联苯醚测定结果

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本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。