土壤中多環(huán)芳烴和酞酸酯類有機(jī)污染物氣相色譜-質(zhì)譜測(cè)定方法中的質(zhì)量控制與質(zhì)量保證

張利飛, 黃業(yè)茹＊, 史雙昕, 周 麗, 董 亮,張 烴, 曾良子, 米方卓, 邵丁丁

(1.國(guó)家環(huán)境分析測(cè)試中心,國(guó)家環(huán)境保護(hù)二惡英污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029; 2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100083)

土壤污染直接威脅到人體健康、生態(tài)安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。為了全面、系統(tǒng)、準(zhǔn)確地掌握我國(guó)土壤污染現(xiàn)狀,2006年 7月 18日國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局和國(guó)土資源部聯(lián)合啟動(dòng)了經(jīng)費(fèi)預(yù)算達(dá) 10億元的全國(guó)首次土壤污染狀況調(diào)查[1]。土壤中多環(huán)芳烴(polycyclic arom atic hydrocarbons,PAHs)和酞酸酯類 (phthalate esters,PAEs)等有機(jī)污染物的殘留是此次調(diào)查的重點(diǎn)之一。土壤中有機(jī)污染物的色譜分析方法[2-7]以及分析過(guò)程中的質(zhì)量保證和質(zhì)量控制 (quality assurance/quality control,QA/ QC)措施[7,8]成為確保此次調(diào)查數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和可靠性的重要因素。本文針對(duì)大量土壤樣品的分析工作,介紹了土壤中多環(huán)芳烴和酞酸酯類有機(jī)污染物的氣相色譜-質(zhì)譜 (GC-MS)分析方法,并對(duì)分析過(guò)程中的質(zhì)量保證與控制的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

加速溶劑萃取儀(ASE300,美國(guó)D ionex公司);旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 (R210/v700/v850,瑞士Buchi公司);氣相色譜-質(zhì)譜儀 (QP2010,日本島津公司);凝膠滲透色譜儀(AccuPrep M PS,美國(guó) J2Scientific公司);固相萃取柱(Florisil1.0g,6mL,美國(guó)Supelco公司);平行蒸發(fā)濃縮儀(CVE3100,日本 Eyala公司)。

16種多環(huán)芳烴混合標(biāo)準(zhǔn)溶液 (德國(guó) D r.Ehrenstorfer公司),包括萘 (naphthalene)、苊 (acenaphthylene)、二氫苊 (acenaphthene)、芴 (fluorene)、菲 (phenanthrene)、蒽 (anthracene)、熒蒽 (fluoranthene)、芘 (pyrene)、苯并 [a]蒽 (benzo[a] anthracene)、(chrysene)、苯并[b]熒蒽 (benzo [b]fluoranthene)、苯并 [k]熒蒽 (benzo[k]fluoranthene)、苯并 [a]芘 (benzo[a]pyrene)、茚并[1,2,3-cd]芘 (indeno[1,2,3-cd]pyrene)、二苯并[a,h]蒽 (dibenzo[a,h]anthracene)、苯并[g,h, i]苝 (benzo[g,h,i]perylene)。7種酞酸酯類化合物混合標(biāo)準(zhǔn)溶液 (德國(guó) D r.Ehrenstorfer公司),包括酞酸甲酯 (dim ethyl phthalate,DM P)、酞酸乙酯(diethyl phthalate,D EP)、酞酸正丁酯 (di-n-butyl phthalate,DBP)、酞酸丁基芐基酯 (butyl benzyl phthalate,BBP)、酞酸環(huán)己酯 (dicyclohexyl phthalate, DCHP)、酞 酸 異 辛 酯 (diisooctyl phthalate, D IO P)、酞 酸 正 辛 酯 (di-n-octyl phthalate,DO P)。氘代酞酸二正丁酯 (DB P-d4)、氘代熒蒽 (fluoranthene-d10)、氘菲、氘芘、氘、氘代酞酸乙酯和氘代酞酸異辛酯 (美國(guó)AccuStandard公司)。標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì) IRM-104A(美國(guó) U ltra Scientific公司)。銅粉為分析純 (天津市津科精細(xì)化工研究所)。丙酮、二氯甲烷、正己烷、環(huán)己烷和乙酸乙酯為農(nóng)殘級(jí)(美國(guó) J.T.B aker公司)。

1.2 樣品的前處理

準(zhǔn)確稱取土壤樣品 2.0g,加入回收率指示物(多環(huán)芳烴為氘代熒蒽,酞酸酯類為氘代酞酸二正丁酯)。土壤中 PAHs的提取采用加速溶劑萃取法[9],土壤樣品中加入 2.0g銅粉,萃取液為正己烷-二氯甲烷(體積比為 1∶1)。PAEs的提取采用超聲萃取法[10],萃取液為 10mL丙酮-二氯甲烷 (體積比為 1∶1)。測(cè)定 PAHs的樣品經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮后用固相萃取柱凈化[11],12mL2%丙酮/正己烷淋洗,平行蒸發(fā)濃縮至 1mL,加入與繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線時(shí)等量 (200ng)的定量?jī)?nèi)標(biāo)氘菲、氘芘和氘,進(jìn)行GC-MS分析;測(cè)定 PAEs的樣品經(jīng)離心后取上清液1mL,加入與繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線時(shí)等量 (200ng)的定量?jī)?nèi)標(biāo)氘代酞酸乙酯和氘代酞酸異辛酯,進(jìn)行 GC-MS分析。

1.3 凝膠滲透色譜凈化條件

凝膠色譜柱填料為 B io-B eads S-X3,流動(dòng)相為環(huán)己烷-乙酸乙酯(1∶1,v/v),流速為 4.7mL/m in。自第 4m in開(kāi)始,每 2m in收集一個(gè)流出組分,測(cè)定其中目標(biāo)化合物的含量,制作流出曲線。

1.4 GC-M S分析

GC-MS分析參考美國(guó) EPA方法 8270C進(jìn)行。

色譜條件:恒壓(70kPa)模式,不分流進(jìn)樣,進(jìn)樣量為 2μL;DB-5m s色譜柱 (30m×0.25mm× 0.25μm);進(jìn)樣口溫度 250℃;測(cè)定 PAHs的升溫程序:60測(cè)定 PAEs的升溫程序:60300℃(5m in)。

質(zhì)譜條件:采集模式為選擇離子監(jiān)測(cè)(S IM)模式;傳輸線和離子源溫度分別為 260℃和 230℃。

通過(guò) 10.0、50.0、100、200、500μg/L5個(gè)濃度點(diǎn)做標(biāo)準(zhǔn)曲線,采用內(nèi)標(biāo)法進(jìn)行定量。

1.5 質(zhì)量保證與控制

定期對(duì)儀器設(shè)備的穩(wěn)定性進(jìn)行檢查,確定目標(biāo)污染物質(zhì)的色譜保留時(shí)間及其靈敏度滿足分析方法的要求。采用全程序空白樣品、空白加標(biāo)回收、清潔土壤加標(biāo)回收和質(zhì)量控制樣 (有證標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)IRM-104A)測(cè)試進(jìn)行分析質(zhì)量控制。

2 結(jié)果與討論

2.1 方法的檢出限

PAHs和 PAEs的方法檢出限(MDL)是通過(guò)清潔土壤加標(biāo)(4倍儀器最低檢出量,約 20ng)樣 6次平行試驗(yàn)測(cè)定值的標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算得到。本研究涉及的16種 PAHs和 7種 PAEs對(duì)應(yīng)的序號(hào)及其MDL分別見(jiàn)表1及表2。

表1 16種 PAHs的方法檢出限Table1 M e thod de tection lim its(MDL)of16PAHs

表2 7種 PA Es的方法檢出限Tab le2 M e thod de tection lim its(MDL)of7PA Es

與《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查樣品分析測(cè)試技術(shù)規(guī)定》[12]和《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[13]中相關(guān)污染物標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法相比較,該方法所測(cè)得的各目標(biāo)污染物的分析方法檢出限均低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.2 干擾的消除

對(duì)于基質(zhì)干擾較為嚴(yán)重的樣品,可通過(guò)凝膠滲透色譜法(GPC)進(jìn)行凈化去除。圖1為本實(shí)驗(yàn)室建立的 PAHs和 PAEs的流出曲線?？梢钥闯?在流動(dòng)相為環(huán)己烷-乙酸乙酯 (1∶1,v/v)、流速為 4.7 mL/m in條件下,酞酸酯類化合物在 6～15m in流出,而多環(huán)芳烴的流出時(shí)間為 10～25m in。

2.3 全程序空白

圖1 (a)PAHs和(b)PA Es的 GPC流出曲線F ig.1 O u tflow cu rves of(a)PAHs and(b)PA EsNum bers of the curves in Fig.1a and Fig. 1b are corresponding to the num bers in Table1and Table2,respectively.

當(dāng)樣品中同時(shí)存在的其他組分在分析操作過(guò)程中與目標(biāo)污染物具有相同的物理化學(xué)行為而對(duì)測(cè)定產(chǎn)生干擾時(shí),因這些同時(shí)存在的組分的濃度不同,可能會(huì)產(chǎn)生正誤差或負(fù)誤差,因此在建立分析方法的過(guò)程中需要進(jìn)行研究。全程序空白實(shí)驗(yàn)是用來(lái)研究樣品溶液制備和分析儀器進(jìn)樣操作等環(huán)節(jié)產(chǎn)生的目標(biāo)化合物污染,保證和控制分析測(cè)試環(huán)境對(duì)樣品中目標(biāo)化合物的分析沒(méi)有顯著干擾。具體操作步驟為:在沒(méi)有實(shí)際樣品存在的條件下進(jìn)行空白樣品的提取、濃縮、凈化等前處理操作,將所獲得的空白樣品同其他被測(cè)實(shí)際樣品一同添加進(jìn)樣內(nèi)標(biāo),并作為未知樣品進(jìn)行儀器測(cè)定和分析,檢查其中是否含有被測(cè)目標(biāo)化合物。此時(shí)得到的樣品即為全程序空白樣品,所得的結(jié)果即為全程序空白測(cè)定結(jié)果。

在全程序空白樣品進(jìn)行的 6次測(cè)定中,PAHs的平均含量在 N.D.(未檢出)～(0.96±0.39) μg/kg之間;而 PAEs的平均含量相對(duì)較高,在N.D.～(15±7.9)μg/kg之間。圖2中給出了PAHs和 PAEs的全程序空白測(cè)定結(jié)果。從圖2可以看出,PAHs中以萘和菲的正誤差最為明顯,這是因?yàn)檩?、菲、芴和熒蒽等低環(huán)數(shù)化合物普遍存在于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和室外大氣之中;PAEs中以酞酸正丁酯和酞酸異辛酯含量最高,這是因?yàn)?PAEs主要用于塑料增塑劑、涂料、油漆等生產(chǎn)過(guò)程中,且與塑料分子的相容性很好,PAEs普遍存在于各種塑料實(shí)驗(yàn)器皿中[14],因此,要保證對(duì) PAEs的測(cè)定獲得較為滿意的結(jié)果,實(shí)驗(yàn)中應(yīng)避免使用塑料制品;此外,大氣中的酞酸正丁酯和酞酸乙酯含量相對(duì)較高[15],實(shí)驗(yàn)中也應(yīng)注意。

圖2 PAHs和 PA Es的全程序空白測(cè)定結(jié)果F ig.2 C on ten ts of PAHs and PA Es de tected du ring the w ho le p rocedu re b lankThe num bers of PAHs and PAEs are corresponding to the num bers in Table1and Table2,respectively.

全程序空白加標(biāo)實(shí)驗(yàn)中氘代酞酸二正丁酯和氘代熒蒽的回收率分別為 93.5%±8.2%和 92.1%± 6.4%,全程序空白加標(biāo)回收率結(jié)果令人滿意。

2.4 清潔土壤中的加標(biāo)回收

為了考察土壤基質(zhì)對(duì)目標(biāo)污染物測(cè)定的干擾,采用清潔土壤加標(biāo)回收方式進(jìn)行質(zhì)量控制。具體做法:向樣品中添加大致 10倍定量限的目標(biāo)污染物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和方法中指定的替代物,以與樣品測(cè)定相同的分析方法進(jìn)行樣品前處理、樣品溶液制備和儀器分析,由標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)加入量和分析結(jié)果計(jì)算回收率。加標(biāo)回收率(包括空白加標(biāo)回收率和清潔土壤加標(biāo)回收率)可以反映測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確度。平行加標(biāo)回收率結(jié)果可以同時(shí)反映測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確度和精密度。

從圖3中可以看出,PAHs中苊、二氫苊和芴回收率偏低。研究表明,在實(shí)驗(yàn)的旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮和氮吹濃縮等操作過(guò)程中,會(huì)導(dǎo)致萘、苊、二氫苊、芴和菲等低沸點(diǎn)物質(zhì)不同程度 (15%～25%)的損失,從而引起負(fù)誤差;而萘和菲在空白實(shí)驗(yàn)過(guò)程中又會(huì)帶來(lái)正誤差。因此在清潔土壤加標(biāo)回收過(guò)程中,萘和菲會(huì)同時(shí)受到兩種誤差的干擾。

圖3 清潔土壤基質(zhì)中 PAHs和 PA Es的加標(biāo)回收率F ig.3 Sp iked recove ries of PAHs and PA Es in clean soil m a trixThe num bers of PAHs and PAEs are corresponding to the num bers in Table1and Table2,respectively.

16種 PAHs和 7種 PAEs的平均加標(biāo)回收率分別為 41.5%～116.9%和 90.7%～107.1%。從圖3中可以看出,雖然萘和菲的平均回收率分別為100.6%和 118.7%,但它們的標(biāo)準(zhǔn)偏差較大,分別為42.4%和 27.1%。對(duì)于苊、二氫苊和芴,可以采用同位素稀釋法[16]校正回收率,即在樣品前處理時(shí)加入同位素取代的苊、二氫苊和芴,利用同位素取代化合物作為相對(duì)應(yīng)化合物內(nèi)標(biāo)進(jìn)行計(jì)算,由此消除前處理過(guò)程對(duì)結(jié)果產(chǎn)生的影響。

2.5 質(zhì)量控制樣品的測(cè)試比對(duì)

為了確保被檢測(cè)項(xiàng)目的精密度和準(zhǔn)確度,以有證標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì) IRM-104A作為質(zhì)量控制樣品,采用前述樣品分析方法,將該方法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)的測(cè)定值與其給定的參考值進(jìn)行比較 (見(jiàn)表3和表4),評(píng)估QA/QC成效。

從表3和表4可以看出,對(duì)于 PAHs和 PAEs,采用該方法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)的測(cè)定值大部分都落在給定的參考范圍 (參考值 ±標(biāo)準(zhǔn)偏差 (SD))之內(nèi), PAHs和 PAEs的所有測(cè)定值都在 IRM-104A給定的置信區(qū)間,說(shuō)明通過(guò)對(duì)分析過(guò)程各個(gè)步驟的質(zhì)量控制,本實(shí)驗(yàn)所建立的土壤中 PAHs和 PAEs的GC-MS分析方法已經(jīng)達(dá)到《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查質(zhì)量保證技術(shù)規(guī)定》的要求,分析方法穩(wěn)定可靠。

表3 PAHs的 IRM-104A測(cè)試比對(duì)(參考值 ±標(biāo)準(zhǔn)偏差)Tab le3 C omp a rison be tw een de te rm ined va lues and refe rence va lues of PAHs on IRM-104A μg/kg

表4 PA Es的 IRM-104A測(cè)試比對(duì)(參考值 ±標(biāo)準(zhǔn)偏差)Table4 Comparison betw een determ ined values and reference va lues of PA Es on IRM-104A μg/kg

3 結(jié)論

本文采用加速溶劑萃取和超聲萃取方式對(duì)土壤中的 PAHs和 PAEs進(jìn)行提取,通過(guò)固相萃取或凝膠滲透色譜法去除干擾,建立了 GC-MS在選擇離子監(jiān)測(cè)模式下測(cè)定 PAHs和 PAEs的分析方法。PAHs和 PAEs的方法檢出限分別為 0.13～2.2 μg/kg和 0.19～0.52μg/kg。

通過(guò)全程序空白、空白加標(biāo)回收、清潔土壤基質(zhì)加標(biāo)回收和有證標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)比對(duì)等質(zhì)量保證/質(zhì)量控制措施對(duì)所建立的方法進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果表明本方法完全滿足《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查樣品分析測(cè)試技術(shù)規(guī)定》的要求,為大樣本量或全國(guó)性土壤污染監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的科學(xué)性和準(zhǔn)確性提供了技術(shù)保障,同時(shí)也為我國(guó)今后開(kāi)展類似工作積累了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

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