环境监测中的特定有机污染物及其分类

特定有机污染物是指那些毒性大、积累性强、难降解、被列为优先污染物的有机化合物，其品种多、含量低。下面介绍几种这类物质的测定。

（一）挥发性卤代烃

挥发性卤代烃主要指三卤甲烷（三氯甲烷、一溴二氯甲烷、二溴一氯甲烷、三溴甲烷）及四氯化碳等。各种卤代烃均有特殊的气味和毒性，可通过皮肤接触、呼吸或饮水进入人体。

挥发性卤代烃广泛应用于化工、医药及实验室，其废（污）水排入环境而污染水体；生活饮用水氯化消毒过程中也产生三氯甲烷。

测定水中挥发性卤代烃的方法主要有气相色谱（GC）法和气相色谱-质谱（GC-MS）法。

1.气相色谱法原理和仪器

色谱法又称层析法，是一种分离测定多组分混合物的极其有效的分析方法。它基于不同物质在相对运动的两相中具有不同的分配系数，当这些物质随流动相移动时，就在两相之间进行反复多次分配，使原来分配系数只有微小差异的各组分得到很好的分离，依次送入检测器测定，达到分离、分析各组分的目的。

色谱法的分类方法很多，常按两相所处的状态来分。用气体作流动相时，称为气相色谱（GC）；用液体作流动相时，称为液相色谱（LC）或液体色谱。

（1）气相色谱测定流程：气相色谱法是使用气相色谱仪来实现对多组分混合物分离和分析的方法，其测定流程见图2-45。载气由高压钢瓶供给，经减压、干燥、净化和流量测量后进入汽化室，携带由汽化室进样口注入并迅速汽化为蒸气的样品进入色谱柱（内装固定相），经分离后的各组分依次进入检测器，将浓度或质量信号转换成电信号，经阻抗转换和放大，送入记录仪记录色谱峰。

图2-45 气相色谱法测定流程

1.载气钢瓶；2.减压阀；3.干燥净化管；4.稳压阀；5.流量计；6.汽化室；7.色谱柱；8.检测器；9.阻抗转换及放大器

（2）色谱流出曲线：当载气载带着各组分依次通过检测器时，检测器响应信号随保留时间变化的曲线称为色谱流出曲线，也称色谱图，如图2-46所示。如果分离完全，每个色谱峰代表一种组分。根据色谱峰出峰时间可进行定性分析，根据色谱峰高或峰面积可进行定量分析。

图2-46 色谱流出曲线

（3）色谱分离条件的选择：色谱分离条件的选择包括色谱柱内径及柱长、固定相、汽化温度及柱温、载气及其流速、进样时间和进样量等条件的选择。

色谱柱分为填充柱和空心毛细管柱两类。填充柱由不锈钢或玻璃制成，内径2～4mm，长度1～10m；空心毛细管柱由石英或玻璃制成，内径0.2～0.5mm，长度30～300m，盘成螺旋状。色谱柱内径越小，柱效越高；增加柱长可提高柱效，但分析时间增加。

固定相是色谱柱的填充剂，可分为气固色谱固定相和气液色谱固定相。气固色谱固定相为活性吸附剂，如活性炭、硅胶、分子筛、高分子微球等，主要用于分离CH4、CO、SO2、H2S及四碳以下的气态烃。气液色谱固定相是在担体（或称载体）的表面涂一层固定液制成。担体是一种具有化学惰性的多孔固体颗粒，分为硅藻土担体（如6201担体、101担体）和非硅藻土担体（如玻璃微球）两大类。固定液为高沸点有机化合物，分为极性、中等极性、非极性及氢键型四类，常依据相似相溶原理选择，即固定液与被分离组分的化学结构及极性相似，分子间的作用力强，选择性高。非极性物质一般选用非极性固定液，二者之间的作用力主要是色散力，各组分按照沸点由低到高的顺序流出；如果极性与非极性组分共存，则具有相同沸点的极性组分先流出。强极性物质选用强极性固定液，两种分子间以取向力为主，各组分按极性由小到大的顺序流出。能形成氢键的物质选用氢键型固定液，各组分按照与固定液分子形成氢键能力大小的顺序流出，形成氢键能力小的组分先流出。对于复杂混合物，可选用混合型固定液。

提高色谱柱温度，可加速气相和液相间的传质过程，缩短分离时间，但柱温过高将会降低固定相的选择性，增加其挥发流失，一般选择近似等于样品中各组分的平均沸点或稍低温度。当待分析组分为沸点范围很宽的混合物时，可采用程序升温的方法，使低、高沸点的组分都能得到良好的分离。

汽化温度以能将样品迅速汽化而不分解为准，一般高于色谱柱温度50～100℃。

载气应根据所用检测器类型、对柱效的影响等因素选择。如对热导检测器，应选择氢气、氩气或氦气；对火焰离子化检测器，一般选择氮气。载气流速小，宜选用相对分子质量大和扩散系数小的载气，如氮气和氩气；反之，应选用相对分子质量小、扩散系数大的载气，如氢气，以提高柱效。载气最佳流速需要通过实验确定。

色谱分析要求进样时间在1s内，否则将造成色谱峰扩张，甚至改变峰形。进样量应控制在峰高或峰面积与进样量成正比的范围内。液体样品一般为0.5～5μL；气体样品一般为0.1～10mL。

（4）检测器：气相色谱常用的检测器有：热导检测器、火焰离子化检测器、电子捕获检测器和火焰光度检测器。对检测器的要求是：灵敏度高、检出限（反映噪声大小和灵敏度的综合指标）低、响应快、线性范围宽。

热导检测器（TCD）：这种检测器是一个热导池，基于不同组分具有不同的热导系数来实现对各组分的测定。热导池是在不锈钢块上钻四个对称的孔，各孔中均装有一根长短和阻值相等的热敏丝（与池体绝缘）。让一对通孔流过纯载气，另一对通孔流过携带样品蒸气的载气。将四根热敏丝接成桥路，流过纯载气的一对称为参比臂，另一对称为测量臂，如图2-47所示。电桥置于恒温室中并通以恒定电流。当两臂都通入纯载气并保持桥路电流、池体温度、载气流速等操作条件恒定时，则电流流经四臂热敏丝所产生的热量恒定，由热传导方式从热敏丝上带走的热量也恒定，两臂中热敏丝温度和电阻相等，电桥处于平衡状态（R1·R4＝R2·R3），无信号输出。当进样后，样品中组分在色谱柱中分离后进入测量臂，由于组分和载气组成的二元气体的热导系数和纯载气的热导系数不同，引起通过测量臂气体导热能力改变，致使热敏丝温度发生变化，从而引起R1和R4变化，电桥失去平衡（R1·R4≠R2·R3），有信号输出，其大小与组分浓度成正比。

图2-47 热导检测器

火焰离子化检测器（FID）：这种检测器是使被测组分离子化，解离成阳离子和阴离子，经收集极汇成离子流，通过对离子流的测量进行定量分析，其测量原理示于图2-48。

图2-48 火焰离子化检测器测量原理

1.收集极；2.氢氧火焰；3.发射极；4.离子室

该检测器由氢氧火焰和置于火焰上、下方的圆筒状收集极及圆环状发射极，以及测量电路等组成。

两电极间加200～300V电压。未进样时，氢氧火焰生成H·、O·、HO·、HO2·及一些被激发的变体，但它们在电场中不被收集，故不产生电信号。当样品组分随载气进入火焰时，就被离子化成阳离子和电子，在直流电场的作用下，各自向极性相反的电极移动形成电流，该电流为10﹣13～10﹣8A，需流经高电阻（R）产生电压降，经放大后送入记录仪记录。FID比TCD的灵敏度高102～104倍，对大多数有机化合物有很高的灵敏度，应用广泛。

电子捕获检测器（ECD）：这是一种分析痕量电负性（亲电子）有机化合物很有效的检测器。它对卤素、硫、氧、硝基、羰基、氰基、共轭双键体系、有机金属化合物等有高响应值，对烷烃、烯烃、炔烃等的响应值很小。电子捕获检测器的测量原理如图2-49所示。它的内腔中有不锈钢棒阳极、阴极和贴在阴极壁上的β放射源（3H或63Ni），在两极间加以直流或脉冲电压。当载气（氩或氮）进入内腔时，受到β放射源发射的β粒子（初级电子）轰击而被离子化，形成次级电子和阳离子：

图2-49 电子捕获检测器的测量原理

1.阳极；2.阴极；3.β放射源；4.聚四氟乙烯

N2＋β→ N2﹢＋e﹣

在电场作用下，阳离子和电子分别向阴极和阳极移动形成基流（背景电流）。当电负性物质（AB）进入检测器时，立即捕获自由电子，生成稳定的阴离子，阴离子与载气阳离子复合成中性化合物：

其结果使基流下降，产生负信号而形成负峰。电负性组分的浓度越大，负峰越大；组分中电负性元素的电负性越强，捕获自由电子的能力越强，负峰也越大。

火焰光度检测器（FPD）：是一种对含硫或磷的化合物有高响应值的选择性检测器，在测定环境样品中残留农药及其他含硫、磷的有机化合物、气态硫化物中应用广泛。测定原理基于：含硫、磷的化合物在富氢火焰中燃烧时，含硫化合物能发射最大特征波长为394nm的光；含磷化合物能发射最大特征波长为526nm的光；用光电倍增管转换成电信号，经微电流放大器放大后，送至记录系统。

（5）定量分析方法：常用的定量分析方法有标准曲线法、内标法和归一法。

标准曲线法（外标法）：用被测组分纯物质配制系列标准溶液，分别定量进样，记录不同浓度溶液的色谱图，测出峰面积，用峰面积对相应的浓度作图，得到一条直线，即标准曲线。有时也可用峰高代替峰面积，作峰高-浓度标准曲线。在同样条件下测定样品，根据其峰面积或峰高及标准曲线计算出样品中被测组分的浓度。

内标法：选择一种样品中不存在，且其色谱峰位于被测组分色谱峰附近的纯物质作为内标物，以固定量（接近被测组分量）加到标准溶液和样品溶液中，分别定量进样，记录色谱峰，以被测组分峰面积（或峰高）与内标物峰面积（或峰高）的比值对相应浓度作图，得到标准曲线。根据样品中被测物质与内标物峰面积（或峰高）的比值，从标准曲线上查得被测组分浓度。这种方法可抵消因实验条件和进样量变化带来的误差。

归一法：标准曲线法（外标法）和内标法适用于样品中各组分不能全部出峰、或多组分中只测量一种或几种组分的情况。如果样品中各组分都能出峰，并要求定量，则使用归一法比较简单。设样品中各组分的质量分别为m1、m2、⋯mn，则各组分的质量分数（wi）按照下式计算：

各组分的质量（mi）可由质量校正因子（fm）和峰面积（Ai）求得，即

fm可由文献查得，也可通过实验测定。

校正因子分为绝对校正因子和相对校正因子。绝对校正因子是单位峰面积代表某组分的含量，既不易准确测定，又无法直接应用，故常用相对校正因子。相对校正因子是被测组分与某种标准物质的绝对校正因子的比值，常用的标准物质是苯（用于TCD）和正庚烷（用于FID）。当物质的含量以质量表示时，此时的相对校正因子称为质量校正因子（fm），据其含义，按下式计算：

式中：f＇m（i）、f＇m（s）——被测物质和标准物质的绝对校正因子；

mi、ms——被测物质和标准物质的质量；

Ai、As——被测物质和标准物质的峰面积。

2.顶空气相色谱法测定卤代烃

顶空气相色谱法的原理基于：用顶空法预处理水样（见本章第四节），取适量液上空间气样，用带有电子捕获检测器的气相色谱仪测定，标准曲线法定量。沸点低于150℃的五种卤代烃标准色谱图见图2-50。(www.chuimin.cn)

按照下列色谱条件测定，五种卤代烃的最低检出质量浓度（以μg/L为单位）分别为：CHCl3，0.1；CCl4，0.01；CHBrCl2， 0.01；CHBr2Cl，0.050；CHBr3，0.3。

色谱柱：长2m，内径3mm的玻璃柱，内装质量分数10％的OV-101涂渍在80～100目chromosorb WHP担体上的固定相。

温度：柱温70℃，汽化室160℃，检测器160℃。

载气（高纯N2）流量：25mL/min。

该方法适用于江、河、湖等地表水和生活饮用水中沸点低于150℃的卤代烃的测定。

图2-50 沸点低于150℃的五种卤代烃标准色谱图

1.三氯甲烷；2.四氯化碳；3.一溴二氯甲烷；4.二溴一氯甲烷；5.三溴甲烷

（二）挥发性有机物（VOCs）

根据世界卫生组织（WHO）的定义，凡在标准状况（273K，101.325kPa）下，饱和蒸气压大于0.13kPa的有机物（不包括金属有机物和有机酸类）为挥发性有机物。这类有机物数量多，大多具有毒性，广泛分布于环境中，其主要测定方法有气相色谱法和气相色谱-质谱法。

1.吹扫捕集-气相色谱（P&T-GC）法测定VOCs

将水样置于吹扫管中，通入氮气（或氦气），把VOCs连续吹扫出来，随载气进入捕集管被吸附，待水样中VOCs全部吹扫出来后，停止吹扫，迅速加热捕集管，将吸附的VOCs热脱附出来，并用氮气反吹，载带入气相色谱仪的色谱柱，各组分经程序升温分离后，依次进入火焰离子化检测器测定，根据各种VOCs的峰高（或峰面积）与标准溶液中对应组分的峰高（或峰面积）比较定量。在下列色谱条件下，24种VOCs混合标准溶液的色谱图示于图2-51。

色谱柱：长60m，内径0.25mm的毛细管柱，内壁涂渍厚1.0μm的TC-Aquatic。

柱温：40℃（保持1min）→4℃/min升温→100℃（保持6min）→10℃/min升温→200℃（保持5min）。

温度：进样口180℃，检测器220℃。

气体流量：载气（高纯氮）1.7mL/min，氢气35mL/min，空气350mL/min。

吹扫捕集条件：吹扫时间8min，捕集温度35℃，脱附温度180℃，脱附时间6min；烘烤温度220℃，烘烤时间25min；吹扫气体为高纯氮，吹扫气流量40mL/min。

图2-51 24种VOCs混合标准溶液的色谱图

1.乙醚；2.丙酮；3.氯丙烯、碘甲烷；4.二硫化碳；5.乙腈、甲基叔丁基醚；6.2-丁酮；7.丙腈；8.甲基丙烯腈；9.丙烯酸甲酯；10.四氢呋喃；11.1-氯丁烷；12.甲基丙烯酸甲酯；13.氯乙腈；14.2-硝基丙烷；15.4-甲基-2-戊酮；16.1，1-二氯丙酮；17.甲基丙烯酸乙酯；18.己酮；19.反-1，2-二氯-2-丁烯；20.五氯己烷；21.六氯己烷；22.硝基苯；23.对溴氟苯（内标物）

2.顶空气相色谱-质谱（HSGC-MS）法

气相色谱对多组分混合物具有高效分离性能，质谱具有优越的结构鉴定和灵敏、准确的定量能力，将两者结合起来，用计算机控制操作条件，处理和解析获得的信息，使之成为复杂环境样品中微量和痕量组分强有力的定性、定量方法。

（1）气相色谱-质谱联用仪工作原理：气相色谱-质谱联用仪的组成如图2-52所示，由气相色谱仪、分子分离器、质谱仪和计算机四部分组成。气相色谱仪用于分离样品中的组分，一般采用毛细管柱和程序升温方式，以提高分离效果。分子分离器也称接口，是连接气相色谱仪和质谱仪的重要部件，其作用是将气相色谱仪的出口气流压力（约100Pa）与质谱仪要求的真空状态的压力相匹配，并分离除去气相色谱仪的载气和浓集被分离的组分，然后各组分依次进入质谱仪分析测定。质谱仪一般由进样系统、离子源、离子质量分析器、离子扫描部件、总离子流检测器和记录系统，以及离子运动真空空间所需的真空系统组成。由接口送来的样品气体分子通过进样系统进入一定真空度下的离子化室，在离子源的作用下，转化为分子离子，并有相当数量的分子离子进一步碎裂成为碎片离子，所形成的离子流约有10％被总离子流检测器接收后，在气相色谱记录仪上记录下来，每个组分的总离子流信号就相当于色谱图中的一个峰，是定量分析的依据。离子化室射出的大部分（约90％）离子流进入离子质量分析器，离子质量分析器是某种类型的电磁场装置，离子在电磁场作用下，按其质量与电荷量比（m/Q）的大小，依次被电子倍增器接收，经放大器放大，用记录仪记录质谱图，作为对化合物分子进行定性分析的依据。主要离子源有电子轰击型（EI）、化学电离型（CI）、场致电离型（FI）等，其中以EI最为常用。

图2-52 气相色谱-质谱联用仪的组成

（2）挥发性有机物的测定：用顶空法在恒温条件下处理水样，取液上气相样品送入气相色谱-质谱联用仪分析。根据测得的总离子流色谱图（见图2-53），用标准曲线法定量。分析条件如下：

图2-53 VOCs总离子流色谱图

1. 1，1 - 二氯乙烯；2. 二氯甲烷；3. 反- 1，2 - 二氯乙烯；4. 顺 - 1，2 - 二氯乙烯；5. 三氯甲烷；6. 1，1，1- 三氯乙烷；7. 四氯化碳；8. 苯；9. 1，2- 二氯乙烷；10. 三氯乙烯；11. 1，2- 二氯丙烷；12. 一溴二氯甲烷；13. 顺- 1，3- 二氯丙烷；14. 甲苯；15. 反- 1，3- 二氯丙烯；16. 1，1，2- 三氯乙烷；17. 四氯乙烯；18. 二溴一氯甲烷；19. 间二甲苯、对二甲苯；20. 邻二甲苯；21. 三溴甲烷；22. 对溴氟苯；23. 对二氯苯

顶空法处理水样：加热温度60℃，加热平衡时间30min

色谱柱：DB-624石英毛细管柱，长60m，内径0.32mm，膜厚1.8μm；采用程序升温，柱温50℃（保持2min）→7C/min升温→120℃C→12 /min升温→200。C（保持5min）。

质谱条件：离子源EI，接口温度230℃。

该方法测定各种挥发性有机物的检出限大多为0.1～0.4ng/L，适用于饮用水、地表水、地下水和废（污）水。

（三）多环芳烃（PAHs）

多环芳烃常以复杂的混合物存在于水中，具有很强的生物积累性、持久性，是第一类通过动物试验被证明具有致癌作用的化合物，属于优先污染物。测定PAHs的方法有高效液相色谱（HPLC）法、气相色谱-质谱（GC-MS）法和荧光光谱法等。下面介绍高效液相色谱法。

1.高效液相色谱法原理

高效液相色谱（HPLC）法是在气相色谱法的基础上发展起来的，气相色谱的基本理论及定性、定量方法也基本适用于高效液相色谱。两种方法的主要差别是流动相和操作条件。气相色谱的流动相是惰性气体，只起运载作用，组分分离取决于各组分与固定相之间的作用力；高效液相色谱的流动相是液体，与组分之间有一定亲和力，可通过改变流动相的性质、极性、pH等条件来提高分析的选择性。高效液相色谱的固定相颗粒很细，黏度大，故柱内压降很大，需要用高压泵输送流动相；高效液相色谱适用于分离沸点高、极性强、热稳定性差、相对分子质量大和离子型的化合物，分析对象范围比气相色谱要宽得多。本章第七节介绍的离子色谱法就是液相色谱的一类方法。

高效液相色谱仪主要由输液系统、进样系统、分离系统（色谱柱）、检测器、记录及辅助系统组成，其分析流程是：样品由进样器注入由高压泵输送来的流动相中，随流动相（载液）进入色谱柱，将样品中各组分分离，依次进入检测器，再由记录仪记录相应的信号。可见，与离子色谱仪的组成大同小异。图2-54是一种用微处理机控制分析操作参数的高效液相色谱仪示意图。微处理机用于控制：流动相的梯度组成（①），即通过改变流动相中不同溶剂组成比例，使流动相的极性、离子强度或pH按线性或梯度变化，以提高分离效果；流动相输出流量控制（②、③）；进样量控制（④、⑤）；柱箱及柱温控制（⑥、⑦）；检测器测量及输出（⑧）；数据处理（⑨）；结果打印和绘图（⑩）。还可以对缺液、泄漏、超温等异常状态进行警报等。

高效液相色谱法分析条件的选择包括色谱柱、流动相和检测器的选择。常用的色谱柱为柱长10～30cm、内径3～6mm的不锈钢柱，柱内装填固定相，固定相和流动相需根据样品中欲分离组分的相对分子质量、溶解性和极性等性质选择。若被分离的组分是极性的，应采用正向色谱柱，即流动相的极性要小于柱内固定相的极性；反之，应采用反向色谱柱，即流动相的极性要大于柱内固定相的极性。常用的流动相有水、甲醇、乙腈、二氯甲烷等。

图2-54 一种用微处理机控制分析操作参数的高效液相色谱仪示意图

高效液相色谱常用的检测器有紫外光度检测器（UVD）、荧光检测器（FD）、示差折光检测器（RID）和电导检测器（ECD）。其中，UVD、FD、ECD属于选择型检测器，对不同组分的物质响应差别很大，只能选择性地检测某些类型的物质。RID属于通用型检测器，对大多数物质的响应相差不大。选择何种检测器，要由被测组分的性质确定，如测定芳烃类物质一般选用UVD或FD。

2.多环芳烃烃（PAHs）的测定

取一定体积水样用二氯甲烷萃取，萃取液经蒸发浓缩，注入高效液相色谱仪，按照下述色谱条件，选用紫外光度检测器于254nm波长处测定，可以完全分离16种PAHs的混合物。16种PAHs标准溶液的高效液相色谱图见图2-55。色谱条件为：

色谱柱：Hypersil Green PAH（烷基键合硅胶柱），4.6mm×100mm，5μm。

流动相：H2O（A）＋ACN（B），流量1.6mL/min。

梯度：0～5min，w（B）40％；5～30min，w（B）40％～100％，流量1.6mL/min。

对水中痕量有机物的测定，如三氯甲烷、四氯化碳、丙烯醛、苯、甲苯、乙苯、二甲苯、苯乙烯、氯苯、二氯苯、硝基苯、滴滴涕、林丹、对硫磷、马拉硫磷、乐果、敌敌畏、百菌清、溴氰菊酯、六六六、灭草松、苯并[a]芘、甲萘威、邻苯二甲酸酯、呋喃丹、草甘膦、微囊藻毒素等，我国近几年又陆续颁布了不少气相色谱和液相色谱标准方法，需要时可查阅书末所附相关参考文献。

图2-55 16种PAHs标准溶液的高效液相色谱图

1.萘；2.苊烯；3.苊；4.芴；5.菲；6.蒽；7.荧；8.i芘；9.苯并[a]蒽；10.?；11.苯并[b]荧蒽；12.苯并[k]荧荧；13.苯并[a]芘；14.二苯并[a，n]蒽；15.苯并[g，h，i]苝；16.茚并[1，2，3-c，d]芘