0 引 言
吡啶是一种无色液体，呈弱碱性，易溶于水，且易散发出恶臭。人体长期吸入吡啶不仅会损害肝、肾等器官，而且还会导致消化道功能紊乱，严重危害人体的健康[1-3]。巴比妥酸分光光度法和气相色谱法是在GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中水中吡啶的分析方法[2]。巴比妥酸分光光度法尽管灵敏度高，但在分析过程中会使用到氰化钾(KCN)这一剧毒试剂，对分析者的健康造成严重威胁；而气相色谱法因为采用填充柱，其灵敏度会受到影响，且其0.49～4.9 mg/L的检测范围，极大程度限制了其应用范围[3-4]。张文锦[5]采用吹扫捕集-气相色谱-质谱法对水中四氢呋喃和吡啶进行了分析测定，该方法拥有方便快捷、组分损失低、回收率较高等优点。顶空气相色谱法不需有机溶剂萃取和浓缩，减少了组分损失，减轻了对环境的污染，且具有处理简单、工作效率高、灵敏度高等优势，多被用于检测药品中的残留溶剂和水中挥发性组分[5-8]。Tankiewicz等[7]回顾了常用的测定不同药物样品中残留溶剂的方法，说明了它们的局限性，同时介绍了直接进样、顶空分析、液萃取、单滴微萃取、固相微萃取等技术，为提高检测方法的灵敏度奠定了基础。然而，目前的研究很少涉及对顶空气相色谱法测定水中吡啶的影响因素分析。因此，本文利用顶空气相色谱法，探讨了4个因素(含溶液初始pH值、NaCl浓度、顶空平衡温度和平衡时间)对吡啶溶液峰面积的影响；利用正交实验法对顶空条件影响因素进行优化，并考察该方法的灵敏度和精密度，这一研究将为测定水中吡啶提供参考。
1 实验部分
1.1 试剂与仪器
吡啶(C5H5N, GC，ANPEL Laboratory Technologies Inc)；NaCl(AR，西陇化工股份有限公司)；H2SO4(AR，西陇化工股份有限公司)；NaOH(AR，福晨化学试剂厂)；顶空瓶(20 mL)；GC9790气相色谱仪(浙江福立分析仪器股份有限公司)。
1.2 色谱条件
氢火焰离子化(FID)检测器，其温度为280 ℃；色谱柱：HP-INNOWax型(30 m×0.32 mm×0.50 μm)毛细管柱，进样口温度为55 ℃，恒流模式，柱流速控制在3.5 mL/min，分流比为5∶1；氢气和空气的流量分别为35 mL/min、400 mL/min；进样量为500 μL；在50 ℃的初始温度下维持1 min后，通过10 ℃/min和20 ℃/min的速度，分别将温度升至120 ℃和150 ℃，且在相应温度下的分别保持1 min和2 min。
1.3 吡啶溶液的制备
称取一定量的吡啶于25 mL烧杯中，用蒸馏水溶解后，于1000 mL的容量瓶中定容，此作为吡啶溶液储备液。用移液管取一定量的储备液于100 mL容量瓶中，并用蒸馏水定容，配制成系列浓度的吡啶溶液。
1.4 吡啶溶液的预处理
选择所需浓度的吡啶溶液，量取20 mL于50 mL烧杯中，调节溶液初始pH。向顶空瓶中移入10 mL调节好pH的吡啶溶液，将一定量的NaCl加入其中，用聚四氟乙烯硅橡胶垫迅速将其密封，并用钳口铝盖拧紧盖好。振摇2 min使之溶解，再按照1.2节中的色谱条件，利用气相色谱仪对水中吡啶进行分析。
2 结果与讨论
2.1 吡啶溶液的色谱分析
在吡啶溶液浓度为28 mg/L，溶液初始pH值为7.0，ρ(NaCl)为200 g/L，顶空平衡温度和平衡时间分别为65 ℃和10 min的实验条件下，对水中吡啶进行分析测定。图1为吡啶溶液的色谱图。
图1 吡啶溶液的色谱图
Fig.1 Chromatogram of pyridine solution
由图1可知：在HP-INNOWax型毛细管柱进行分离的条件下，吡啶溶液色谱峰的峰形良好，且短时间内就可将其分离出来。
2.2 顶空条件影响因素分析
2.2.1 溶液初始pH值的影响
在顶空平衡温度为75 ℃，其余实验条件同2.1节。吡啶溶液峰面积与溶液初始pH值的关系如图2所示。
图2 吡啶溶液峰面积与溶液初始pH值的关系
Fig.2 Relationship between the peak area of pyridine and the initial solution pH value
由图2可知：吡啶溶液峰面积随着溶液初始pH值增加，先显著增大，当溶液初始pH值超过7.0时，吡啶溶液峰面积基本趋于平稳，且明显高于酸性条件下的吡啶溶液峰面积。由此可见，采用顶空气相色谱法分析水中吡啶在中性或碱性环境下的响应强度明显优于在酸性环境中的响应强度。究其原因，一方面，吡啶氮原子上未共用的电子对，可接受质子，从而表现出一定的碱性[9]；另一方面，分子态是吡啶溶液在中性或碱性环境中的主要存在形态，而离子态则是吡啶溶液在酸性环境中的主要存在形态[10]。因此，随着溶液初始pH值的提高，可促进溶液中的吡啶从离子态向分子态转化，降低其沸点，有助于溶液中的吡啶向气相的转移，从而显著增加吡啶溶液峰面积[10-11]。
2.2.2 NaCl浓度的影响
溶液pH值为7.0，其余实验条件同2.2.1节。吡啶溶液峰面积与不同ρ(NaCl)的关系如图3所示。
图3 吡啶溶液峰面积与ρ(NaCl)的关系
Fig.3 Relationship between peak area of pyridine and concentrations of NaCl
由图3可知：吡啶溶液峰面积随着ρ(NaCl)的提升不断增大，当ρ(NaCl)达到300 g/L时，吡啶溶液峰面积趋于稳定。这表明存在一个最佳NaCl浓度(300 g/L)，使得吡啶溶液的响应强度最好。这是因为在吡啶溶液中加入适量的NaCl，提高了溶液中的离子强度，降低了吡啶在溶液中的溶解度，增大了吡啶溶液在气相中的分配系数，使得吡啶溶液峰面积增加，从而提高了吡啶溶液的响应强度[9,11]。
2.2.3 顶空平衡温度的影响
ρ(NaCl)为300 g/L，其余条件同2.2.2节。吡啶溶液峰面积与顶空平衡温度的关系，如图4所示。
图4 吡啶溶液峰面积与顶空平衡温度的关系
Fig.4 Relationship between peak area of pyridine and headspace equilibrium temperature
由图4中可观察到:在顶空平衡温度≤75 ℃时，吡啶溶液峰面积增加缓慢，而当顶空平衡温度为85 ℃时，吡啶溶液峰面积迅速提升至最大，继续提升顶空平衡温度，吡啶溶液峰面积有明显下降。这是因为较低的顶空平衡温度，无法使得溶液中的吡啶在气液两相中快速达到平衡，使溶液中的吡啶在气相中的含量较低，从而减少吡啶溶液峰面积；但过高的顶空平衡温度，会导致气体体积膨胀，减小吡啶溶液在进样器中的相对浓度，进而降低吡啶溶液峰面积[9,11]。
2.2.4 顶空平衡时间的影响
顶空平衡温度为85 ℃，其余条件同2.2.3节。吡啶溶液峰面积与顶空平衡时间的关系如图5所示。
图5 吡啶溶液峰面积与顶空平衡时间的关系
Fig.5 Relationship between peak area of pyridine and headspace equilibrium time
由图5可知：顶空平衡时间为10～30 min时，吡啶溶液峰面积变化不太显著；当顶空平衡时间为40 min时，吡啶溶液峰面积上升至最大，继续延长顶空平衡时间，吡啶溶液峰面积迅速下降。这表明在顶空平衡时间为40 min时，该方法对吡啶溶液的响应强度最高。这可能是由于顶空平衡时间较短，无法使得溶液中的吡啶在气液两相间达到平衡，导致吡啶溶液峰面积较小[9]；而顶空平衡时间过长时，由于吡啶易溶于水，可能使得气相中的吡啶又重新溶解于水中，减少吡啶溶液在气相中的含量，进而降低吡啶溶液峰面积[5-6]。
2.3 顶空条件影响因素的优化
吡啶溶液浓度为14 mg/L，色谱条件同1.2节。利用正交实验法对溶液初始pH值、NaCl浓度、顶空平衡温度和平衡时间进行优化。因素水平如表1所示,正交实验结果如表2所示。
由表2可知：吡啶溶液峰面积在2747～31145 mV·min波动。对R(极差)进行分析，可得到影响吡啶溶液峰面积的4个因素主次顺序为A>D>B>C。由K值(均值)确定的最优顶空条件为溶液初始pH值为7.0，顶空平衡时间为10 min，ρ(NaCl)为300 g/L，顶空平衡温度为85 ℃。
表1 顶空条件影响因素水平
Table 1 Factors’levels table of headspace gas chromatography
水平A溶液初始pH值B顶空平衡时间/minCρ(NaCl)/(g·L-1)D顶空平衡温度/℃15.0101006527.0202007539.03030085
表2 顶空条件影响正交实验结果
Table 2 The orthogonal experiment results of factors of headspace gas chromatography
实验号ABCD吡啶溶液峰面积/(mV·min)1111127472122257083133311915421231927552231131526231231145731321269383213255569332120116K1679.00019816.00012005.00011571.667K221190.66715033.00016515.33314805.333K319455.00012586.66718915.33321058.667R14400.6677229.3336910.3339487.000
2.4 线性关系和检出限
选择1.3节中已配制好的吡啶溶液，在最优顶空条件下，对吡啶溶液进行测定。吡啶溶液的标准曲线如图6所示。
图6 顶空气相谱法吡啶溶液的标准曲线
Fig.6 Standard curve of pyridine solution by headspace gas chromatography
由图6可知：吡啶溶液峰面积与吡啶浓度之间线性关系良好。通过线性回归分析，其回归方程为y=2518.7x，且拥有较高的相关系数，即R值为0.9997。由线性回归方程，得到该方法的灵敏度为2518.7；并通过仪器的3倍信噪比计算得到其检出限为0.0012 mg/L。
2.5 精密度和准确度
吡啶溶液浓度为14 mg/L，分别加入10，20，30 mg/L的标准溶液，在最优顶空条件下进行气相色谱分析，每组加标实验平行测定5次，计算其平均回收率和相对标准偏差(RSD)，见表3。
表3 吡啶溶液测定的精密度和准确度的实验结果
Table 3 Experimental results of recovery and precision
编号加入值/(mg·L-1)回收值均值/(mg·L-1)平均回收率/%RSD/(%,n=5)110.009.8898.84.68220.0020.32101.63.93330.0030.71102.42.20
由表3可知：在最优顶空条件下，采用顶空气相色谱法分析吡啶溶液的平均回收率为98.8%～102.4%，RSD为2.20%～4.68%。
3 应用分析
采用上述吡啶的测定方法，通过正交试验确定了Fenton法降解模拟吡啶溶液过程中，FeSO4·7H2O 浓度、H2O2 浓度、溶液初始pH值和初始浓度对吡啶溶液降解效果的影响程度及最佳实验条件。Fenton试验因素水平和试验结果分别见表4和表5。
表4 Fenton试验的因素水平
Table 4 Factor level table for Fenton test
水平AFeSO4·7H2O浓度/(g·L-1)BH2O2浓度/(mmol·L-1)C溶液初始pH值D溶液初始浓度/(mg·L-1)10.483203.010020.617407.025033.707609.0350
表5 Fenton试验的正交试验结果
Table 5 The orthogonal test results of Fenton test
编号ABCD吡啶溶液的降解率/%111118.02122247.23133312.6421233.15223134.06231214.2731324.8832133.7933216.0均值18.6335.30022.60016.000均值218.76728.30017.10022.067均值317.13310.9334.8336.467极差10.13423.00017.76715.600
从表5中可知，吡啶溶液的降解率最高为47.2%，最低为3.1%。根据极差结果分析，四个因素对Fenton降解吡啶溶液效果的影响程度顺序为B>C>D>A。由均值确定的Fenton降解吡啶溶液最佳实验条件为：FeSO4·7H2O浓度为0.617g/L ，H2O2浓度为40 mmol/L，溶液初始pH值和初始浓度分别为3.0和250 mg/L。
4 结 论
1)溶液初始pH值和ρ(NaCl)对吡啶溶液峰面积的影响具有相同的变化趋势，即先上升后趋于平稳。当其分别为某一临界值时，吡啶溶液峰面积基本稳定。
2)采用顶空气相色谱分析水中吡啶，发现存在最佳的顶空平衡温度和平衡时间。吡啶溶液峰面积随顶空平衡温度和平衡时间的增加，均表现为先缓慢增大，后迅速提升至临界值，继续升高温度和延长时间，吡啶溶液峰面积有明显下降。
3)通过正交实验确定了影响吡啶溶液峰面积的4个因素的主次顺序为溶液初始pH值>顶空平衡温度>顶空平衡时间>NaCl浓度，其相应的最优顶空条件为 7.0，75 ℃，10 min，300 g/L。该方法的灵敏度为2518.7，检出限为0.0012 mg/L，平均加标回收率为98.8%～102.4%，RSD为2.20%～4.68%(n=5)。
[1] Kaiser J P, Feng Y, Bollag J M, et al.Microbial metabolism of pyridine, quinoline, acridine, and their derivatives under aerobic and anaerobic conditions[J].Microbiological Reviews, 1996, 60(3):483-498.
[2] 国家环境保护总局, 国家质量监督检验检疫总局.GB 3838—2002地表水环境质量标准[S].北京:中国环境科学出版社, 2002.
[3] 国家环境保护局.水质 吡啶的测定 气相色谱法：GB/T 14672—1993[S].北京:中国标准出版社,1993.
[4] 国家环境保护总局，水和废水监测分析方法编委会.水和废水监测分析方法[M].4版.北京：中国环境科学出版社, 2002.
[5] 张文锦.气相色谱-质谱法测定水中四氢呋喃和吡啶的含量[J].理化检验(化学分册),2017,53(7):821-823.
[6] 郭倩,秦迪岚,伍齐,等.吹扫捕集气质联用法同时测定水中氯乙烯、乙醛、丙烯醛、丙烯腈、吡啶和松节油[J].中国环境监测,2016,32(3):115-119.
[7] Tankiewicz M, 
J, Sawicki W.Analytical procedures for quality control of pharmaceuticals in terms of residual solvents content: challenges and recent developments[J].TRAC Trends in Analytical Chemistry, 2016, 80:328-344.
[8] 马博凯,高峡,刘伟丽,等.顶空气相色谱法同时测定托比司他中的6种残留溶剂[J].分析化学,2016,44(10):1528-1532.
[9] 王钊,徐晓宇,陈任翔,等.顶空气相色谱-质谱联用测定饮用水中吡啶[J].分析试验室,2016,35(12):1386-1388.
[10] 张良波, 魏新利.超声波/Fenton试剂联用降解水中的吡啶[J].环境化学, 2009, 28(3):364-368.
[11] 朱春丽,梁宁,侯晓红,等.顶空气相色谱法测定污水中的苯系物[J].石油化工,2011,40(4):444-449.