王海萍
（安庆市疾病预防控制中心，安徽 安庆 246002）
三氯甲烷和四氯化碳具有致癌、致畸、致突变作用，长期接触将对人体健康产生严重危害[1-5]。因为生活饮用水中加氯消毒可产生新的有机卤代物，主要成分就包含三氯甲烷和四氯化碳[6]，所以饮用水污染对人体的危害越来越受到关注[7]。为此，国家标准《生活饮用水卫生标准》（GB/T 5749—2006）[8]规定生活饮用水中三氯甲烷限值为0.06 mg/L，四氯化碳限值为0.002 mg/L。三氯甲烷和四氯化碳现行的检测是依据国标《生活饮用水标准检验方法有机物指标》（GB/T 5750.8—2006）中推荐的两种方法[9]，分别为填充柱气相色谱法和毛细管柱气相色谱法，这两种方法均使用手动静态顶空气相色谱法，试样恒温时间长，操作复杂，不利于快速检测。全蒸发技术由美国ACS实验室的Markelov和克利夫兰英国石油研究与环境中心的Guzowski 于1993 年提出[10]，其核心内容是将微量液体试样（小于100 μL，绝大部分为溶剂）定量转移到顶空瓶中，然后将其在高温下短时间完全蒸发，挥发性和半挥发性的溶质快速达到动态平衡，样品基质则附着在瓶底，不会对溶质检测产生干扰。因此，本文引入全蒸发顶空气相色谱法实现对三氯甲烷和四氯化碳的快速检测。
1.1 仪器、试剂与材料
检测用7890A气相色谱仪配有电子捕获检测器（ECD）、DB-5色谱柱（30 m×0.32 mm×0.25 μm石英毛细管柱）、7694E自动顶空进样器（美国安捷伦科技有限公司）、顶空进样器定量环（1 mL）、顶空瓶（20 mL）。甲醇、三氯甲烷、四氯化碳均为色谱纯，水为国标《分析实验室用水规格和试验方法》（GB/T 6682）规定的一级水。
程序升温：40°C保持2 min，以120°C/min 升至70°C，保持2.75 min；
氮气载气，恒流，2 mL/min；
进样口温度，200°C；
分流比，10∶1；
检测器ECD温度，300°C；
尾吹流量，60 mL/min。
顶空条件：平衡温度130°C，平衡时间1 min；
瓶压24.5 psi，载气压力比进样口压力高2 psi；
定量环温度，140°C；
传输线温度150°C；
加压时间10 s；
进样时间20 s。
1.2 标准溶液的配制
准确称取0.8 g 三氯甲烷、0.4 g 四氯化碳于同一棕色容量瓶（100 mL）中，用甲醇定容，配制成混合溶质标准储备液，并用水逐级稀释成如表1所示的5个混合标准工作溶液。每种溶液取90 μL 于高纯氮气吹扫过的顶空瓶中，加盖密封，测定。最后以峰面积为纵坐标，浓度为横坐标绘制工作曲线。
表1 5种混合标准工作溶液的浓度
2.1 气相色谱仪条件优化
设置实验条件为初始柱温40°C并保持2 min，以120°C/min 升至70°C，保持2.75 min，使三氯甲烷和四氯化碳从色谱柱中快速洗脱，完成试样分析，分析时间5 min。图1为标准样品全蒸发顶空气相色谱图，可知三氯甲烷的保留时间为2.34 min，四氯化碳为3.99 min。按国标GB/T 5750.8推荐的色谱条件进行检测，设置柱温为60°C，恒温5 min，得到图2的红色色谱图，小图是保留时间为（1.5～2.5）min色谱图放大信号。图中1为三氯甲烷，3为四氯化碳。从图2小图中红色色谱图可知空气中氧气和其他杂质会干扰三氯甲烷的色谱峰。
图1 标准样品的全蒸发顶空气相色谱图
图2 柱温40°C和60°C时样品全蒸发顶空气相色谱图
将柱温设置为40°C，恒温7 min，得到图2的蓝色色谱图。图中2为三氯甲烷，4为四氯化碳。从图2小图中蓝色色谱图可知空气中氧气和其他干扰组分，以及三氯甲烷能够被很好地分离，但四氯化碳需要6 min左右才能从色谱柱中流出，且三氯甲烷和四氯化碳的保留时间相差约3.5 min，不利于试样的快速检测。因此，设置初始柱温40°C，待干扰组分流出色谱柱后（约2 min），以较快的升温速率将柱温升至70°C，从而将三氯甲烷和四氯化碳从色谱柱中洗脱出来，并完成检测分析。
2.2 顶空进样条件优化
2.2.1 试样平衡温度的选择
全蒸发技术是使微量的液体试样（小于100 μL）在高温下短时间完全蒸发。本方法的试样溶剂为水，取90 μL的20°C水进行实验，试样的平衡温度设置为200°C，假定完全蒸发的水蒸气为理想气体，顶空瓶体积为20 mL。以下为理想气体状态方程：
其中，p为水蒸气在温度200°C、体积20 mL时的压强；
ρ为20°C的水密度，为0.998 2 g/cm3；
M为水的摩尔质量，取18.015 2 g/mol；
n为水蒸气的摩尔数；
R为标准气体常数8.314 J/Kmol。依据式（1）计算得到p为980 844 Pa，再加上顶空瓶内原有的空气压强（101 325 Pa），则瓶内总压强为1 082 169 Pa。该状态下水的沸点可依据以下克劳修斯-克拉贝龙方程[11]计算，
其中，ΔvapHm为水摩尔蒸发热（40.67 kJ/mol）；
p1为标准大气压（101 325 Pa）；
T1为标准大气压下水的沸点（373.15 K），T2为上述状态下水的沸点。依据式（2）计算出的水沸点为182.28°C。表2为依据式（2）计算的不同平衡温度下水的沸点，可知90 μL水要完全蒸发，平衡温度需达180°C以上。
表2 不同平衡温度下水的沸点
水蒸气并非理想气体，在一个密闭瓶内即使环境温度高于其沸点，水溶剂也不能达到绝对完全蒸发，但对小于100 μL的试样在一定条件下可近乎完全蒸发。取90 μL的标样3，分别测试90°C、100°C、110°C、120°C、130°C、140°C、150°C、160°C、170°C、180°C、190°C、200°C系列平衡温度条件下的三氯甲烷和四氯化碳色谱峰面积，结果如图3所示，黑色方点曲线为三氯甲烷，红色圆点曲线为四氯化碳。由图3（a）可知，平衡温度在（90～130）°C间的色谱峰面积变化不大，但随着温度升高，色谱峰面积不断减小，特别是130°C以上的峰面积急剧下降，因此，设置试样平衡温度为130°C。
2.2.2 全蒸发试样量的选择
保持100°C的平衡温度不变。分别取50 μL、60 μL、70 μL、80 μL、90 μL、100 μL的标样3，测定三氯甲烷和四氯化碳的色谱峰面积，结果如图3（b）所示，黑色方点曲线为三氯甲烷，红色圆点曲线为四氯化碳。由图3（b）可知，在90 μL试样量以下时，随着进样体积增加，三氯甲烷和四氯化碳的色谱峰面积呈直线增加，但是在90 μL后出现拐点，因此，选取90 μL为全蒸发试样量。
图3 （a）不同平衡温度和（b）不同全蒸发试样量的三氯甲烷和四氯化碳色谱峰面积
2.2.3 试样平衡时间的选择
分别测定1 min、2 min、3 min、4 min、5 min 等平衡时间下的三氯甲烷和四氯化碳色谱峰面积，结果如图4所示，黑色方点曲线为三氯甲烷，红色圆点曲线为四氯化碳。由图可知，平衡时间为1 min时的峰面积最大，且随着平衡时间增加，峰面积有减小的趋势，因此，试样平衡时间取1 min。
图4 不同平衡时间的三氯甲烷和四氯化碳色谱峰面积
2.3 混合标准曲线的建立
将三氯甲烷和四氯化碳的5 个混合标准工作溶液按上述优化的色谱条件进样测定，结果如表3 所示。研究表明三氯甲烷在（10～160）μg·L-1浓度范围内，四氯化碳在（5～80）μg·L-1浓度范围内均与色谱峰面积具有良好的线性关系，其相关系数R2分别为0.999 72和0.999 87。
表3 三氯甲烷和四氯化碳的标准曲线及其相关系数
2.4 精密度及检出限实验
将标样3重复进样6次，测定三氯甲烷和四氯化碳的色谱峰面积、峰高以及噪声峰高，结果如表4所见。利用公式DL=3Nw/h计算方法检出限（DL为方法检出限，N为噪声峰高，w为标样的浓度，h为标样的色谱峰峰高）。可知，三氯甲烷和四氯化碳的相对标准偏差（RSD值）均小于1.00%，表明测量结果精密度好、准确度高，且检出限小于2 μg·L-1。
表4 精密度及检出限实验结果（n=6）
2.5 回收率测定
用不含三氯甲烷和四氯化碳的空白试样将标准储备液稀释为含三氯甲烷（10.00 μg·L-1）和四氯化碳（5.00 μg·L-1）的回收测试溶液，实验数据如表5 所示。可知，三氯甲烷和四氯化碳的回收率分别为99.4%和106.0%。
表5 回收率实验数据
2.6 环境对试样的影响
三氯甲烷和四氯化碳的沸点很低且极不溶于水，而且配制成的标准溶液也很容易挥发到环境空气中。当采用顶空法测定时，挥发到环境空气中的三氯甲烷和四氯化碳还会严重影响测试结果的准确度，极易造成测试结果的假阳性。为了避免环境空气的影响，在将试样注入顶空瓶前，先用500 mL/min流量的高纯氮气吹扫顶空瓶1 min。采用高纯氮气吹扫和不吹扫的空白试样测定结果如图5所示，黑色曲线为未吹扫的空白试样气相色谱图，红色曲线为吹扫的气相色谱图，其中，1为O2，2为CHCl3、3为CCl4。研究发现，采用高纯氮气吹扫不仅有效减小了三氯甲烷和四氯化碳的基线噪声，还极大降低了环境空气中其他物质的干扰。
图5 采用高纯氮气吹扫和未吹扫顶空瓶的空白试样气相色谱图
2.7 实际样品分析
采用本方法对安庆市近3年的100多组各类饮用水进行分析。按国标方法采集回来的试样无需前处理，混匀后取90 μL直接测定，图6为环境实际样品的气相色谱图。所有样品均未检出三氯甲烷和四氯化碳，与国标GB/T 5750.8—2006方法检测的结果一致。
图6 环境实际样品的气相色谱图
综上所述，本文构建了饮用水中三氯甲烷和四氯化碳的全蒸发顶空气相色谱法分析技术。将90 μL试样注入用高纯氮气吹扫的顶空瓶内，于130°C、1 min内近乎完全蒸发，然后将蒸气导入色谱条件优化好的气相色谱仪中，并在5 min内完成分析。全蒸发顶空技术简单快速，使试样分析时间大大减少。同时，采用高纯氮气吹扫顶空瓶可以有效降低三氯甲烷和四氯化碳的基线噪声，也极大减小了环境空气中的其他干扰以及试样结果的假阳性。本方法操作简便、快速、准确且成本低，符合当前检测技术快速、环保的发展趋势，对水环境有机物快速检测技术的开发应用具有较好的参考价值。
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