QuEChERS/GC-MS法快速測定城市污泥中4種多環(huán)芳烴

王嬌嬌，呼世斌，劉書慧，魏麗瓊，柴琴琴

西北農林科技大學資源環(huán)境學院，陜西 楊凌 712100

QuEChERS/GC-MS法快速測定城市污泥中4種多環(huán)芳烴

王嬌嬌，呼世斌，劉書慧，魏麗瓊，柴琴琴

西北農林科技大學資源環(huán)境學院，陜西 楊凌 712100

建立了快速、簡便測定城市污泥中4種主要PAHs污染物(菲、熒蒽、芘、苯并[α]芘)含量的檢測方法。利用QuEChERS提取方法，樣品經乙腈并以超聲波輔助提取，提取液過0.22 μm濾膜后，采用氣相色譜-質譜法對4種物質進行測定。對QuEChERS萃取條件及超聲時間進行了優(yōu)化，確立最優(yōu)試驗條件，比較建立的萃取方法與傳統(tǒng)索氏提取方法對加標樣品中4種PAHs的萃取效率。結果表明，4種PAHs得到較好的分離效果，方法檢出限為0.27～0.49 μg/kg，相對標準偏差為2.8%～8.6%(n=7)，加標回收率為81.9%～116.3%，對菲、熒蒽、芘、苯并[α]芘提取效率與索氏萃取方法相當。運用該方法對西安某污水處理廠的原污泥和堆肥處理后污泥進行檢測，4種分析物均有檢出。該方法具有操作簡便、靈敏、環(huán)保等特點，適用于城市污泥中菲、熒蒽、芘、苯并[α]芘的定性定量分析。

QuEChERS；氣相色譜-質譜；PAHs；城市污泥

多環(huán)芳烴是一類廣泛存在于環(huán)境介質中的有機污染物，由兩個或兩個以上的苯環(huán)構成的線狀、角狀或簇狀的中性或非極性化合物。其化學結構穩(wěn)定，具有“三致”效應，難降解，易在生物體內蓄積。PAHs主要來源于工業(yè)生產、燃煤、人類活動以及能源污染等，因其高疏水性、難生物降解，極易被吸附在污泥顆粒物上[1-3]。城市污泥，一方面因其富含有機質、氧、磷和鉀，而作為有機肥料廣泛應用于農業(yè)、園林綠化業(yè)。然而，另一方面由于污泥含有有機污染物、病原體、重金屬等污染物，也在一定程度上限制了其資源化利用的推廣[ 4]。歐盟指令草案中規(guī)定，城市污泥農用時有10種PAHs含量不能超過6.0 mg/kg[5]。中國污泥農用時有關PAHs的污染物控制標準限值為苯并[α]芘不超過3.0 mg/kg干污泥[6]。據(jù)莫測輝等[7]，張雪英[8]等的報道，城市污泥中多環(huán)芳烴通常以2～4環(huán)化合物為主，高環(huán)難降解的化合物所占質量分數(shù)較低。故本文結合西安城市污泥的特點，選取含量較高的菲、熒蒽、芘以及高致癌性的苯并[α]為研究對象，建立4種物質的萃取檢測方法，并對實際樣品進行測定。

目前，國內外對環(huán)境樣品中PAHs含量分析測定報道較多，污泥中多環(huán)芳烴的萃取方法包括傳統(tǒng)的索氏提取、機械震蕩提取，以及近年來比較常用的微波萃取、超聲波萃取、加速溶劑萃取等方法[9-11]，但這些分析處理方法操作繁瑣、費時，對儀器設備要求較高并且需要消耗大量的溶劑。QuEChERS是近年來國際上最新發(fā)展起來的一種用于農產品檢測的快速樣品前處理技術，由美國農業(yè)部Anastassiades 教授等于2003年開發(fā)。該方法是一種快速、簡便、便宜、有效、可靠及安全的樣品處理技術，較多應用于農產品、土壤、食品中農藥殘留測定[12-15]，但很少應用于污泥中多環(huán)芳烴檢測方面。本文運用QuEChERS技術對樣品進行前處理，以超聲波輔助(超聲時間10 min)強化萃取，并對試驗條件進行了優(yōu)化，建立了利用氣相色譜-質譜法(GC-MS)同時測定城市污泥中菲、熒蒽、芘、苯并[α]芘的方法。另外，利用該萃取方法和傳統(tǒng)索氏萃取對4種物質的萃取效率進行比較。結果顯示，該方法能獲得索氏提取法同樣萃取回收率，且操作簡單，極大減小了樣品前處理時間和溶劑的消耗量，更適用于城市污泥等樣品中菲、熒蒽、芘、苯并[α]芘的檢測。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Shimadzu GC-MS-QP2010 Ultra氣相色譜-質譜聯(lián)用儀(日本)；XW-80A渦旋震蕩儀(30 W，2 800 r/mim，上海)；TDL-60C型低速臺式離心機(上海)；KQ-250超聲波提取儀(美國)；N-EVAP氮吹儀(美國)；索氏提取器(丹麥)；旋轉蒸發(fā)儀(上海)；ND系列行星式球磨機(南京)；700系列 250 μL微量進樣器(瑞士)。

多環(huán)芳烴標準品：菲(>99.9%)、熒蒽(>99.9%)、芘(>99.5%)、苯并[α]芘(>99%)，美國Sigma-Alorich公司；乙腈、乙酸乙酯、甲醇、二氯甲烷、丙酮(色譜純，國藥集團)；氯化鈉，硫酸鎂，硫酸鈉(優(yōu)級純，北京百靈威化學科技有限公司)；弗羅里硅土：5%水脫活中性氧化鋁；英國尼龍660.22 μm針筒式有機濾膜過濾器(北京)。

實驗用水經Integral3超純水制備系統(tǒng)(美國)處理的超純水。

標準溶液的制備：準確稱取PAHs標準品10 mg(精確到0.1 mg)，用甲醇配成1.0 mg/mL儲備溶液，-20 ℃避光保存。

1.2 樣品前處理

1.2.1 樣品采集制備

實際樣品：污泥樣品于2014年11月在西安某污水處理廠采集?？瞻谆|樣品：采于西北農林科技大學校園，該空白基質中菲、芘、熒蒽、苯并[α]芘均未檢出。采集后樣品經自然風干，除雜，磨碎后過0.3 mm目篩，裝入棕色試劑瓶中，于-18 ℃冷藏。

1.2.2 樣品提取凈化

QuEChERS萃取方法：準確稱取8.0 g樣品于50 mL聚乙烯離心管中，依次加入12.0 mL超純水，20.0 ml乙腈，置于渦旋振蕩儀，以2 500 r/min渦旋振蕩1 min混勻后，于30 ℃條件下超聲提取10 min。然后加入8.0 g硫酸鎂(MgSO4)，3.2 g氯化鈉(NaCl)，繼續(xù)渦旋振蕩1 min混勻后，取出試管放進離心機中，以5 000 r/min，離心3 min，吸出約19 mL上清夜，加入適量干燥的無水硫酸鈉。取上層液10.0 mL，通入溫和的氮氣流使萃取液蒸發(fā)至近干[16-17]，用1.0 mL乙腈定容后過0.22 μm濾膜，待測。

索氏萃取方法：準確稱取8.0 g樣品于索氏提取器中，加入200 ml二氯甲烷/丙酮(體積比1∶1)，40 ℃連續(xù)提取8 h。待冷卻后，將提取液轉移至梨形瓶中，旋轉濃縮至干，加4 mL 環(huán)己烷，濃縮定容至2 mL[18-19]。提取液凈化濃縮步驟參照周雯等[20]關于底泥中有機污染物的測定。

1.3 樣品檢測

1.3.1 氣相色普條件

進樣口溫度：290 ℃，分流進樣；載氣為高純氦氣，進樣量為1 μL；柱流量為1.0 ml/min(恒流)，柱溫分別為80 ℃(2 min)、20 ℃/min、180 ℃(5 min) 、10 ℃/min、290 ℃(5 min)；色譜柱為30 m×0.25 mm×0.25 μm。

1.3.2 質譜條件

掃描模式：選擇離子(Sim)模式，離子化能量：70 eV，四極桿：150 ℃，離子源溫度：230 ℃，接口溫度：280 ℃，溶劑延遲時間：5 min，調諧方式：DFTPP。4種多環(huán)芳烴的主離子和特征離子，詳見表1。

表1 4種多環(huán)芳烴的主離子和特征離子

2 結果與討論

2.1 試驗條件的優(yōu)化

所有優(yōu)化條件試驗采用菲、熒蒽、芘、苯并[α]芘各添加濃度均為1.0 μg/g的空白基質進行實驗。

2.1.1 萃取劑的選擇

萃取劑的種類顯著影響回收率、富集系數(shù)和對目標化合物的選擇性。研究選取乙腈、乙酸乙酯、二氯甲烷∶甲醇(v:v=1∶1)作為萃取劑，按照表2的實驗方案進行萃取實驗。結果表明，相同條件下各萃取劑對多環(huán)芳烴總量的萃取效果不同，萃取效果為乙腈>乙酸乙酯>二氯甲烷∶甲醇。采用乙酸乙酯提取時，對樣品中的雜質提取較多，在氮吹濃縮過程中會殘留很多雜質吹不干，使目標物的回收率不穩(wěn)定；二氯甲烷∶甲醇(v:v=1∶1)提取回收率較低，無法滿足提取要求；乙腈提取后溶液澄清，同時通過鹽析作用很容易將乙腈與水分離，且可以得到較好的色譜分離結果和峰形，回收率較高，所以選取乙腈作為萃取劑。

表2 不同萃取劑萃取效果

2.1.2 正交試驗優(yōu)化

以萃取劑體積A、加入水的體積B、添加鹽(NaCl)的量C為3個變量，每個變量取3個水平，如表3所示。按L9(34)正交表進行試驗，結果如表4所示。通過極差計算分析可知，3個因素對萃取效果的影響大小為A>C>B，萃取劑體積為主要影響因素。當乙腈體積為20.0 mL時，回收率在一個很高的水平，主要是達到了萃取平衡。隨著萃取劑體積繼續(xù)增加，萃取效果反而下降，可能是由于隨之增大的吸出體積造成的。添加鹽，一方面是改變溶液的離子強度從而改變分析物的溶解性，另一方面是實現(xiàn)萃取劑與水溶液更好的分層，從而有利于萃取劑的吸出。QuEChERS最初的設計是針對水果、 蔬菜、生物體等含水率較高的環(huán)境基質，而由于土壤、污泥等固相基質中含水量很低，萃取前向其中添加一定量的水可以使樣品獲得必要的水分，且萃取劑更容易滲入基質孔隙中，增大接觸面積[21-22]。試驗得出加水量為12.0 mL時萃取效果較好，雖然隨鹽度的增強回收率有上升趨勢，但12.0 mL水溶液對應3.2 g的NaCl時，萃取效果較好且水與有機相分層明顯，所以最終選擇A2B2C3條件，即萃取劑體積為20.0 mL，水用量為12.0 mL，加NaCl為3.2 g。

表3 因素水平的確定

表4 正交試驗結果及分析

2.1.3 超聲時間的選擇

在正交試驗得到的結果基礎上，繼續(xù)考察超聲時間對萃取效果的影響。研究在同等條件下，選取超聲溫度為30 ℃，時間分別為5、10、15、20min，比較了超聲時間對回收率的影響。結果表明，超聲10min時，萃取效率最好。隨著時間的延長，萃取效率有所下降，可能是因為超聲時間過長，溶劑溫度升高，乙腈揮發(fā)導致萃取率降低。因此，研究選定超聲時間10min。經超聲處理后4種分析物的提取率均有提高，約10～20%。

2.1.4 線性范圍與靈敏度

配置濃度為0.1、0.5、1.0、2.0、5.0、10.0μg/mL的系列標準工作溶液，以待測物的濃度X(μg/mL)為橫坐標，以待測物的峰面積值Y為縱坐標繪制標準曲線圖，得到4種多環(huán)芳烴的線性方程和相關系數(shù)(表5)。4種多環(huán)芳烴呈良好線性關系，相關系數(shù)(R2)為0.998 7～0.999 8，以信噪比(S/N)=3計算儀器檢出限(IDL)。該線性范圍比較寬，在實際樣品測定中，應根據(jù)樣品中多環(huán)芳烴的含量配置標準工作溶液濃度。

稱取10.0 g空白基質樣品，添加5 μg/kg的PAHs標準溶液，做7個平行處理，求得7個測定值的標準偏差，以信噪比(S/N)=10計算該方法檢出限(MDL)，結果見表5。

表5 4種PAHs的線性方程、相關系數(shù)、儀器檢出限、方法檢出限

2.1.5 精密度與加標回收率

稱取10.0 g空白基質樣品，分別添加0.1、0.5 μg/g兩個水平濃度的多環(huán)芳烴標準溶液，按照1.3實驗方法進行測定，每個水平濃度重復7次，計算平均回收率和相對標準偏差。結果如表6所示。 4種PAHs回收率為 81.9%～116.3%，相對標準偏差為2.8%～8.6%。

2.1.6 QuEChERS萃取方法與索氏萃取方法的比較

比較了QuEChERS萃取法與索氏提取法的加標回收率，結果如圖1所示。由圖1可以看出，對于4種多環(huán)芳烴，2種萃取方法回收率相近，QuEChERS方法對苯并[α]芘萃取效率高于索氏提取法。索氏萃取耗時8～9 h和200 mL溶劑，而QuEChERS萃取法僅需幾十分鐘時間和20 ml溶劑，由此可見，QuEChERS萃取加標樣品中4種多環(huán)芳烴的模式優(yōu)于索氏萃取法，故采用QuEChERS萃取的方法來處理實際樣品更加簡便、快捷快捷、準確。

表6 4種PAHs的加標回收率、相對標準偏差

注：相對標準偏差(n=7)。

圖1 2種方法萃取效率對比

2.2 實際污泥樣品的測定

采用本方法對西安市某城市污水處理廠污泥樣品進行測定，并對污泥堆肥前后樣品中4種PAHs含量進行了分析比較，如表7所示。結果表明，污泥樣品中菲、熒蒽、芘、苯并[α]芘均有檢出，其中熒蒽含量最高，達到2.53 mg/kg，苯并[α]芘含量為0.083 mg/kg，其值顯著低于國內規(guī)定的城市污泥農用標準3.0 mg/kg；但菲、熒蒽、芘3者之和為6.45 mg/kg，由于3種污染物總量已高于歐盟指令草案中所規(guī)定的城市污泥農用時10種PAHs含量限值6.0 mg/kg，故此污泥不可直接農用，否則會導致土壤和農作物的污染。污泥堆肥后，4種檢測物的含量都明顯降低，降解率分別高達79.03%，85.52%，85.27%，67.15%。實際樣品離子流色譜圖，見圖2。

表7 實際污泥樣品4種PAHs含量

① 原污泥樣品色譜圖; ② 堆肥后污泥樣品色譜圖；1.菲; 2.熒蒽; 3.芘; 4.苯并[α]芘。

3 結論

研究建立了QuEChERS/GS-MS法測定城市污泥中4種主要多環(huán)芳烴污染物(菲、熒蒽、芘、苯并[α]芘)含量的檢測方法，并優(yōu)化了QuEChERS提取的萃取劑體積、水體積、加鹽量、超聲時間等參數(shù)，在試驗條件范圍內方法檢出限為0.27～0.49 μg/kg，相對標準偏差為2.8%～8.6%(n=7)，加標回收率達到81.9%～116.3%，該方法萃取效率能夠達到傳統(tǒng)的索氏提取方法萃取效率。結果表明，該方法操作簡單，耗溶劑量少，靈敏度高，適用于城市污泥中菲、熒蒽、芘、苯并[α]芘的快速檢測。

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Rapid Determination of 4 Polycyclic Aromatic Hydrocarbons in Sewage Sludge by QuEChERS /GC-MS

WANG Jiaojiao，HU Shibin，LIU Shuhui，WEI Liqiong，CHAI Qinqin

College of Resource & Environment, Northwest A&F University, Yangling 712100, China

A rapid method for the determination of 4 primary PAHs (Phenanthrene， Fluoranthene， Pyrene， Benzo(a)pyrene )in sewage sludge was presented. Samples were extracted by QuEChERS assisted by sonication with acetonitrile and after centrifugation of the extract, the supernatant was concentrated and filtrated through a 0.22 μm filter before analysis by GC-MS. The effects of various operational parameters on the performance of QuEChERS procedure were carefully investigated.The comparison of this method and the conventional Soxhlet extraction (SE) was carried out. Under the optimized conditions, the four PAHs were separated well, and the detection limit of the method ranged from 0.27 to 0.49 μg/kg. The proposed method exhibited good relative standard deviation from 2.8% to 8.6% (n=7) and recovery from 81.9% to 116.3%. The QuEChERS extraction efficiency was equivalent to that of SE. The proposed analytical method was applied to determine PAH levels in sewage sludge samples collected from a water treatment plants located in Xi’an. The 4 PAHs were all detected in the samples. This method proved to be rapid, sensitive, environmental protection and so on, and could be more suitable to determine Phenanthrene, Fluoranthene, Pyrene and Benzo(a)pyrene in sewage sludge.

QuEChERS；GC-MS；PAHs；sewage sludge

2015-09-16;

2015-12-25

十二五國家“863”計劃課題-污灌農田及退化土壤修復關鍵技術(2012AA101404)

王嬌嬌(1990-)，女，河北滄州人，碩士。

呼世斌

X830.2

A

1002-6002(2016)06- 0089- 06

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.06.14