土壤中6種氯代多環(huán)芳烴測定方法的建立及應用

原文婷，高占啟，孫成*

(1.污染控制與資源化研究國家重點實驗室，南京大學環(huán)境學院，江蘇 南京 210023；2.國家環(huán)境保護地表水環(huán)境有機污染物檢測分析重點實驗室，江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇 南京 210036)

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·監(jiān)測技術(shù)·

土壤中6種氯代多環(huán)芳烴測定方法的建立及應用

原文婷1，高占啟2，孫成1*

(1.污染控制與資源化研究國家重點實驗室，南京大學環(huán)境學院，江蘇 南京 210023；2.國家環(huán)境保護地表水環(huán)境有機污染物檢測分析重點實驗室，江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇 南京 210036)

建立了加速溶劑萃取、凝膠滲透色譜(GPC)與氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用測定土壤中6種氯代多環(huán)芳烴的分析方法。研究證實該法的最佳萃取條件為：10.34 MPa壓力，100 ℃萃取溫度下，以1∶1(V/V)的正己烷/二氯甲烷為萃取溶劑，靜態(tài)萃取10 min，循環(huán)4次。GPC凈化過程用乙酸乙酯和環(huán)己烷的混合液1∶1(V/V)做洗脫液，目標物的收集時間為25～35 min。方法對Cl-PAHs在1～500 μg/L范圍內(nèi)線性良好，相關(guān)系數(shù)R2為0.998 4～0.999 7；LOD和LOQ分別為2.6～25.1 pg/g和8.7～83.6 pg/g；各目標物的低濃度回收率為64.1%～117.6%，RSD<12.05%；高濃度回收率為59.1%～105.3%，RSD<9.81%。研究證實該法滿足定量分析的要求，并應用該法對某化工園進行了氯代多環(huán)芳烴的檢測。

加速溶劑萃取；凝膠滲透色譜；氯代多環(huán)芳烴；土壤

氯代多環(huán)芳烴(Cl-PAHs)是多環(huán)芳烴(PAHs)上的一個或多個氫原子被氯原子取代后生成，從結(jié)構(gòu)上看可以稱為二噁英與多環(huán)芳烴的雜交體[1]。Cl-PAHs與其母體具有同源性，但其毒性與母體相當甚至高于母體，是一類新型的高風險有機污染物[2-3]。

常見的土壤中有機物的萃取方法包括索氏提取法[4]、微波輔助萃取法(MAE)[5]和加速溶劑萃取法(ASE)[6]等。常見的凈化方法有柱層析凈化、凝膠滲透色譜(GPC)。目前關(guān)于土壤中Cl-PAHs 檢測方法的報道較少，Ma等[7]在前人研究基礎上，將環(huán)境樣品經(jīng)16 h索氏萃取后，先經(jīng)活化的硅膠柱進行分級分離，然后將分離液經(jīng)活性炭和硅膠的混合柱凈化分離，濃縮凈化，用氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)分析。但這些方法或前處理耗時較長，或需使用高級的分析儀器，限制了其的廣泛應用。其中，ASE是可以從各種半固體或固體樣品中萃取有機物質(zhì)的全新萃取方法[8]；GPC則是一種體積排阻色譜，只依靠分子尺寸大小不同進行分離的純化或分子質(zhì)量分級方法，對去除環(huán)境樣品中大分子特別有效[9]。

現(xiàn)采用ASE與GPC相結(jié)合的前處理方法，與GC-MS分析技術(shù)聯(lián)用，建立了土壤中6種Cl-PAHs 的分析檢測方法，并將其應用于某化工園Cl-PAHs的污染測定[10]。

1 實驗部分

1.1 儀器及試劑

所用主要儀器及試劑詳見表1和表2。

表1 實驗所用儀器

表2 實驗所用試劑

準確稱取6種標準品和內(nèi)標(氘代菲)各1 mg，用正己烷配制成100 mg/L儲備液備用。使用前用正己烷逐級稀釋成相應濃度的標準溶液。

1.2 土壤樣品采集

根據(jù)某化工園區(qū)的地形，按照網(wǎng)格布點法(2.3 km×27 km)劃分，共設置了17個點位(見圖1)。采樣時拂去表層的枯枝落葉和石礫，采集5～20 cm的表層土，并立刻冷凍保存。使用時將預凍存的土壤凍干處理7 d左右，研磨后，過200目金屬篩，保存于-20 ℃的冰箱待分析。

1.3 土壤樣品前處理

1.3.1 ASE萃取

稱取2 g去活化硅藻土，與5 g土壤樣品混合均勻，以硅藻土、硅藻土與土樣混合物、硅藻土的“三明治“形式加到加速溶劑萃取池中。在10.34 MPa壓力下，按設定好的萃取溶劑配比、萃取溫度、靜態(tài)萃取時間及循環(huán)次數(shù)萃取，萃取結(jié)束后，將收集的萃取液轉(zhuǎn)移到旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)瓶中，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至約1 mL，用體積比為1∶1的乙酸乙酯和環(huán)己烷混合溶劑定容至10 mL GPC小瓶，待進一步GPC凈化。

圖1 某化工園區(qū)土壤采樣點分布

在進行ASE萃取條件的優(yōu)化時，稱取5 g標準土(經(jīng)測定無目標物檢出)，加入1 mL 1.0 mg/L的Cl-PAHs的混合標準溶液，即加標量為200 ng/g，參照土壤中PAHs的含量選取加標量，平衡過夜，然后再按照上述萃取流程進行萃取。

1.3.2 GPC凈化

樣品通過5.0 mL定量閥進入到裝有Biobead S-X3 填料的 GPC 柱，用1∶1(V/V)的乙酸乙酯/環(huán)己烷做洗脫液，流速為4.7 mL/min。收集指定時間的流出液至旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)瓶，蒸發(fā)至近干，加入50 μL 質(zhì)量濃度為1mg/L的氘代菲作為內(nèi)標，用正己烷定容至1 mL。轉(zhuǎn)移至棕色小瓶待上機檢測。

1.4 GC-MS分析條件

色譜柱采用DB-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm)；載氣為高純度氦氣(純度≥99.999%)；流速1 mL/min；脈沖不分流進樣；色譜柱程序升溫：80 ℃保持1 min，25 ℃/min升溫至200 ℃，再以 1 ℃/min升溫至213 ℃，保持1 min；進樣口溫度280 ℃；電子轟擊離子源(EI)；電子加速電壓 70 eV；離子源溫度250 ℃；傳輸線溫度280 ℃； Cl-PAHs的GC-MS保留時間和特征離子見表3。

表3 6種Cl-PAHs及內(nèi)標phe-d10的色譜保留時間和 SIM 定量離子

2 結(jié)果與討論

2.1 ASE條件的優(yōu)化

2.1.1 萃取溫度

在固液萃取過程中，提高溫度能增加目標物在溶劑中的溶解度，同時加快分子運動速度，提高萃取的速率；但在高溫下，當萃取溶劑發(fā)生氣化時，氣體的溶解效率小于液體，反而會降低萃取效果。ASE不僅可以在高溫下進行萃取，同時提供了較高的壓力，使溶劑的沸點升高，確保溶劑在萃取過程中一直保持液態(tài)。現(xiàn)通過設定萃取溫度為80，100，120和140 ℃，比較不同萃取溫度下的萃取效果，結(jié)果見圖2。

由圖2可見，9-ClFle在100 ℃時萃取率為71.79%，優(yōu)于其他溫度，但其重復測定的回收率RSD較大，實驗重現(xiàn)性較差，推測可能是9-ClFle在萃取過程中結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定易發(fā)生變化；其他的5種Cl-PAHs 在120 ℃下萃取效果最好，100 ℃時的回收率略低于120 ℃時的回收率。由于9-ClFle 在120 ℃時回收率只有47.21%，綜合考慮各Cl-PAHs的萃取效率，確定100 ℃為最終的萃取溫度。

圖2 不同萃取溫度對Cl-PAHs 的回收率影響

2.1.2 萃取溶劑

加速溶劑萃取儀常用的萃取溶劑有乙酸乙酯、丙酮、二氯甲烷、正己烷，Cl-PAHs索式提取溶劑則多為正己烷與二氯甲烷，考慮到ASE萃取與索式提取原理相似，選擇正己烷與二氯甲烷的混合溶液作為萃取溶劑，并考察正己烷/二氯甲烷(V/V)為4∶1，1∶1，1∶2，1∶4時的萃取效率，不同溶劑配比的萃取結(jié)果見圖3。從圖中看出，正己烷/二氯甲烷(V/V)為1∶1時萃取效果最佳，6種Cl-PAHs都有較高的萃取回收率，故選擇萃取溶劑的配比正己烷/二氯甲烷(V/V)為1∶1。

圖3 不同萃取溶劑配比對Cl-PAHs 的回收率影響

2.1.3 萃取時間

相比索式提取，ASE可在幾十分鐘內(nèi)完成索式提取十幾個小時的萃取工作，不僅大大縮短了前處理的工作時間，而且減少了前處理的工作量。ASE萃取的時間會對萃取效率產(chǎn)生一定的影響，靜態(tài)萃取時間過短則萃取不完全，過長既會增加前處理時間，又會導致熱不穩(wěn)定物質(zhì)發(fā)生變化。現(xiàn)通過設定的6，8，10和14 min 4個不同的萃取時長，探究最佳的萃取時間，結(jié)果見圖4。

圖4 不同萃取時間對Cl-PAHs 的回收率影響

由圖4可見，對氯代蒽類，10和14 min的萃取回收率相近；對9-ClFle，8 min的萃取回收率最高，隨著萃取時間的增長，萃取效率反而降低；對9,9-Cl2Fle和9-ClFle，10 min萃取效率最高，時間繼續(xù)加長，也會導致回收率的降低。由此可以推測，氯代蒽類物質(zhì)的熱穩(wěn)定性要高于氯代芴類，前者能夠較長時間處于較高萃取溫度而不發(fā)生結(jié)構(gòu)變化；氯代芴類物質(zhì)的熱穩(wěn)定性較差，不利于長時間的高溫萃取。綜合考慮6種Cl-PAHs所需萃取時間和最終的萃取效率，確定最終靜態(tài)萃取時間為10 min。

2.1.4 萃取循環(huán)次數(shù)

加速溶劑萃取儀可通過不斷補存新鮮萃取溶劑實現(xiàn)循環(huán)多次萃取，其萃取效果優(yōu)于單次大體積的萃取或單次長時間的萃取效果，這也是ASE萃取效率高于其他萃取方法的關(guān)鍵?，F(xiàn)通過設定循環(huán)次數(shù)分別為1，2，3和4次，探究不同循環(huán)次數(shù)對萃取效果的影響，結(jié)果見圖5。

循環(huán)萃取3次及以上對于大部分的Cl-PAHs就可以達到較為理想的萃取回收率?？紤]到增加一次循環(huán)，整個萃取時間僅增加10 min，為了追求更好的萃取效果，故確定萃取循環(huán)次數(shù)為4次。

圖5 不同循環(huán)次數(shù)對Cl-PAHs 的回收率影響

2.2 凝膠滲透色譜凈化條件優(yōu)化

土壤樣品中有很多的生物大分子存在，萃取時很容易跟隨目標物一起進入有機溶劑，通過GPC可以有效地除去這類雜質(zhì)。

現(xiàn)用體積比為1∶1的乙酸乙酯和環(huán)己烷混合溶劑，配置5 μg/mL的Cl-PAHs混合標液于10 mL GPC小瓶中，過GPC，出峰時間見圖6。由圖6可知，Cl-PAHs的出峰時間為25～35 min。由文獻可知，油脂類、蛋白質(zhì)等大分子出峰時間在2～10 min之間，故確定Cl-PAHs經(jīng)GPC凈化的收集時間為25～35 min。

圖6 Cl-PAHs標準物質(zhì)在 GPC 柱上的流出曲線

2.3 方法的質(zhì)量控制

將100 mg/L的Cl-PAHs儲備液用正己烷逐級稀釋成500，200，100，50，20，10，5，2和1 μg/L，內(nèi)標物氘代菲質(zhì)量濃度為50 μg/L，用內(nèi)標法進行定量。結(jié)果顯示，在1～500 μg/L范圍內(nèi)，方法線性良好，6種Cl-PAHs的線性相關(guān)系數(shù)R2均>0.995。

為評價建立的ASE-GPC-GC-MS分析土壤中Cl-PAHs方法的可行性，測定了方法的檢測限(LOD)、定量限(LOQ)、準確度和精密度。LOD是在S/N=3時得出的濃度，即測定低濃度樣品時從儀器中得出S/N，不斷減小濃度，使得S/N不斷地接近3，進而得到LOD；定量限按LOQ=3.3LOD計算，結(jié)果見表4。由此可知該分析方法滿足定量分析的要求。

表4 土壤中 Cl-PAHs的加標回收率、精密度和靈敏度

①代表不同的加標量

2.4 方法的實際應用

按照文中建立的方法對某化工園區(qū)17個采樣點進行檢測，結(jié)果見表5。

由表5可知，各點位Cl-PAHs 的總質(zhì)量比為12.78～60.98 ng/g，質(zhì)量比均值為30.84 ng/g；其中9,9-Cl2Fle、2-ClAnt、9-ClAnt、9,10-Cl2Ant在所有點位均有檢出，9,9-Cl2Fle質(zhì)量比最高，為2.80～22.16 ng/g，為主要污染物；9-ClFle雖只在S3、S7～S12這7個點位有檢出，但其檢出質(zhì)量比較高，中值為12.92 ng/g，即 9-ClFle 的污染范圍雖較小，但相對集中，且污染水平較高。3種氯代蒽雖在各采樣點均有檢出，但檢出水平較低，由此推測氯代蒽污染在化工園區(qū)及其周邊普遍存在，但積累水平比較低。

表5 南京化工園區(qū)及周邊采樣點Cl-PAHs濃度水平 mg/g

結(jié)合化工園區(qū)區(qū)位與采樣點位，綜合分析得到污染比較集中的點位在北部區(qū)域，此處主要集中發(fā)展石油天然氣、有機和精細化工生產(chǎn)。S8和S9位于一個國家級石化企業(yè)區(qū)域內(nèi)，故其Cl-PAHs濃度較高。在化工區(qū)外的土壤中Cl-PAHs污染程度較低，由此可以推測化學產(chǎn)品加工是產(chǎn)生Cl-PAHs，的來源之一。從化工園區(qū)周邊污染情況分析來看西北方向污染程度較高，東邊相比污染程度稍低。西南方向為江心洲，當?shù)刂饕赞r(nóng)業(yè)旅游為主，污染程度低。S17為夾江水源地，附近管制嚴格沒有化工廠，分析結(jié)果也顯示此處的污染程度最低。在S14、S15、S16、S17有較低濃度檢出，可以推測Cl-PAHs可以通過顆粒物吸附，水體流動等途徑使得污染向周邊擴散。

3 結(jié)語

實驗優(yōu)化了ASE的萃取條件，建立ASE-GPC-GC-MS聯(lián)用分析環(huán)境土壤中6種Cl-PAHs的方法。該法方便快捷，且實現(xiàn)自動化，具有較強的實際應用價值，可以廣泛用于環(huán)境介質(zhì)中Cl-PAHs的檢測分析。在實際樣品的檢測中有一定濃度的目標物檢出，因此不可忽視Cl-PAHs在化學工業(yè)園的積累和對周邊的擴散。

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Method Development and Application for the Determination of Chlorinated Polycyclic Aromatic Hydrocarbons in Soil

YUAN Wen-ting1， GAO Zhan-qi2， SUN Cheng1*

( 1.StateKeyLaboratoryofPollutionControlandResourceReuse，SchooloftheEnvironment，NanjingUniversity，Nanjing，Jiangsu210023，China； 2.StateEnvironmentalProtectionKeyLaboratoryofMonitoringandAnalysisforOrganicPollutantsinSurfaceWater，EnvironmentMonitoringCenterofJiangsuProvince，Nanjing，Jiangsu210036，China)

A method was developed for the determination of 6 chlorinated polycyclic aromatic hydrocarbons (Cl-PAHs) in soil by accelerated solvent extraction (ASE)， gel permeation chromatography (GPC) coupled with GC-MS. The optimal ASE efficiency was obtained when using 1：1(V：V) dichloromethane/n-hexane as the extraction solvent， and performing the static extraction under 10.34 MPa pressure for 10 min at 100 ℃ for four times repeatedly. The obtained extract was passed through GPC to clean up and eluted with 1∶1 (V：V) cyclohexane/ethyl acetate. The fraction was collected between 25 and 35 min. Good linearity was observed in the range of 1 to 500 μg/L of Cl-PAHs， with correlation coefficients varying from 0.9984 to 0.9997. The limits of detection and limits of quantification were 2.6～25 pg/g and 8.7～83.6 pg/g， respectively. The recoveries for the studied Cl-PAHs ranged from 64.1% to 117.6% with the relative standard deviations less than 12.05% when the spiked concentration was low. When the spiked concentration was high， the recoveries ranged from 59.1% to 105.3% with the relative standard deviations less than 9.81%. This method was shown to meet the requirement for quantification analysis. It was applied in the determination of Cl-PAHs in the soil of a chemical park.

Accelerated solvent extraction； Gel permeation chromatography； Cl-PAHs； Soil

2015-06-12；

2015-07-31

江蘇省環(huán)境監(jiān)測科研基金資助項目(1208)

原文婷(1988—)，女，碩士，主要研究方向為環(huán)境分析化學。

*通訊作者：孫成 E-mail: envidean@nju.edu.cn

O657.7+1;X833

B

1674-6732(2015)06-0013-05