植煙土壤中16種多環(huán)芳烴的洗脫凈化技術(shù)及含量測(cè)定*

馬 軍 滕 應(yīng) 陸引罡 任文杰 馬文亭

(1.銅仁學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，貴州 銅仁 554300；2.貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；3.中國(guó)科學(xué)院土壤環(huán)境與污染修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京土壤研究所，江蘇 南京 210008)

植煙土壤中16種多環(huán)芳烴的洗脫凈化技術(shù)及含量測(cè)定*

馬 軍1,2,3滕 應(yīng)3陸引罡2#任文杰3馬文亭3

(1.銅仁學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，貴州 銅仁554300；2.貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng)550025；3.中國(guó)科學(xué)院土壤環(huán)境與污染修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京土壤研究所，江蘇 南京210008)

為測(cè)定植煙土壤中16種多環(huán)芳烴(PAHs)的含量，建立并優(yōu)化了土壤樣品的洗脫凈化方法，比較了不同洗脫劑、凈化方法及凈化條件的提取效果。結(jié)果表明，3種洗脫劑中正己烷-二氯甲烷混合液(體積比1∶1)洗脫效果最好，四通道色譜分離儀法在提取效果、溶劑耗量、操作時(shí)間上均優(yōu)于硅膠柱法。在最佳操作條件下(洗脫劑用量2mL/次、洗脫時(shí)間50s/次)洗脫5次后采用氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用儀對(duì)16種PAHs進(jìn)行檢測(cè)，16種PAHs均在20～2000μg/L內(nèi)呈線性關(guān)系(R>0.99)，儀器檢出限為0.72～2.09μg/L，植煙土壤中16種PAHs的加標(biāo)回收率為80.3%～114.4%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.2%～12.3%。該方法簡(jiǎn)便、高效，能準(zhǔn)確測(cè)定出植煙土壤中16種PAHs的含量。

植煙土壤 多環(huán)芳烴 四通道色譜分離儀 氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用儀

煙草是一種被廣泛種植的經(jīng)濟(jì)作物，是我國(guó)農(nóng)民重要的收入來(lái)源。煙草種植與生產(chǎn)過(guò)程中的燃煤烘烤、殘留材料燃燒等可能會(huì)導(dǎo)致多環(huán)芳烴(PAHs)等持久性有機(jī)污染物殘留于土壤中[1-3]，并被作物所吸收、積累、遷移及代謝，最終通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體，危及人類(lèi)健康[4-5]。PAHs一般通過(guò)有機(jī)溶劑浸提、分離純化后，通過(guò)色譜行為對(duì)其進(jìn)行定量分析。提取液的凈化方法有硅膠柱凈化法[6-7]、固相萃取(SPE)柱凈化法[8-9]和分散固相萃取法[10-11]等，上述凈化方法雖然能在特定條件下達(dá)到凈化效果，但存在溶劑用量大、溶劑暴露、操作步驟復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)等問(wèn)題，不但增加了實(shí)驗(yàn)的偶然誤差，影響樣品分析測(cè)定結(jié)果，還容易給實(shí)驗(yàn)人員帶來(lái)潛在健康風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)上述問(wèn)題，本研究選用四通道色譜分離儀[12-13]對(duì)植煙土壤提取液進(jìn)行洗脫凈化，四通道色譜分離儀可在全密閉式的工作環(huán)境中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)精確吸取溶劑，從而減少溶劑揮發(fā)與暴露，降低偶然誤差，實(shí)現(xiàn)待測(cè)物凈化過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)化控制，該方法可為進(jìn)一步研究植煙土壤中PAHs污染物的特征源解析和健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1儀器與試劑

儀器：R-215旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(瑞士BUCHI公司)；CHRO-400型四通道色譜分離儀；FreeZone2.5L冷凍干燥機(jī) (美國(guó)Labconco公司)；Agilent7890A/5975C氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC—MS，美國(guó)Agilent公司)。

1.2土壤樣品的前處理

將土壤樣品置于-20℃的冰箱中冷凍12h后，于冷凍干燥機(jī)中冷凍干燥96h，取出后用陶瓷研缽研磨并過(guò)60目不銹鋼篩，最后保存于干燥器中待測(cè)。

1.3洗脫凈化方法

準(zhǔn)確稱(chēng)取2.0000g土壤樣品用濾紙包裹后置于索式提取管中，連接裝有70mL二氯甲烷的梨型瓶，于恒溫水浴鍋中(53℃)提取24h，冷卻后在370Pa、90r/min、36℃條件下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮至干，用環(huán)己烷定容至2mL。吸取1mL提取液轉(zhuǎn)移至色譜分離柱中自動(dòng)凈化，收集洗出液后，在370Pa、90r/min、40℃下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮并定容至1mL，過(guò)0.22μm的有機(jī)濾膜后裝入棕色進(jìn)樣瓶待測(cè)。

洗脫過(guò)程中分別采用3種洗脫劑(正己烷、二氯甲烷、正己烷-二氯甲烷混合液(體積比1∶1))和2種洗脫方法(傳統(tǒng)硅膠柱法和四通道色譜分離儀法)進(jìn)行洗脫凈化，比較不同洗脫劑和洗脫方法的提取效果，洗脫過(guò)程中通過(guò)控制洗脫劑用量及洗脫時(shí)間，獲取最佳洗脫凈化條件。

1.4儀器的工作原理及條件

四通道色譜分離儀工作原理：通過(guò)控制屏設(shè)置洗脫頻率、工作壓力、洗脫時(shí)間、洗脫劑類(lèi)型和洗脫流速等參數(shù)后，導(dǎo)液管吸入定量洗脫劑進(jìn)入色譜柱，將目標(biāo)物進(jìn)行分次分離并洗脫至收集瓶中，最終獲得所需目標(biāo)物。四通道色譜分離儀示意圖見(jiàn)圖1[14]。色譜柱填裝：在色譜柱中填裝篩板后加入專(zhuān)用填料，最后加入1g無(wú)水硫酸鈉。儀器工作正壓和負(fù)壓分別設(shè)置為170、75kPa，用洗脫液活化、平衡色譜柱3次，洗脫時(shí)間為25s/次，向色譜柱中轉(zhuǎn)移提取液，洗脫凈化5次。

圖1 四通道色譜分離儀示意圖Fig.1 Schematic representation of four-channel purification chromatograph

GC—MS工作條件：采用DB-5MS彈性石英毛細(xì)管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)作為色譜柱，以高純氦氣(純度>99.999%)為載氣，載氣流速為1 mL/min。自動(dòng)進(jìn)樣器(CTC)自動(dòng)吸入1.0 μL溶液，以非脈沖不分流的方式進(jìn)樣，進(jìn)樣口溫度保持250 ℃，選擇離子檢測(cè)(SIM)模式，運(yùn)行溫度設(shè)定為290 ℃。升溫程序：柱室初始溫度設(shè)為50 ℃并保持1 min，以25 ℃/min升至200 ℃，再以8 ℃/min升至280 ℃，再以1 ℃/min的速率升至283 ℃，最后以2 ℃/min升至290 ℃并保持5 min。電子轟擊(EI)離子源：電子能量為70 eV，離子源溫度230 ℃，傳輸線溫度260 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1洗脫劑的選擇

比較正己烷、二氯甲烷、正己烷-二氯甲烷混合液3種洗脫劑的洗脫效果，研究發(fā)現(xiàn)，采用正己烷作洗脫劑時(shí)，16種PAHs的加標(biāo)回收率為67.8%～83.2%，洗脫率低；采用二氯甲烷作洗脫劑時(shí)易將提取液中的色素等雜質(zhì)帶入洗脫液，上機(jī)測(cè)定時(shí)會(huì)形成大量雜峰，干擾分離檢測(cè)，采用正己烷-二氯甲烷混合液作為洗脫液時(shí)，16種PAHs的加標(biāo)回收率為83.6%～112.8%，洗脫效率高，雜質(zhì)少，效果最佳，因此后續(xù)分析中均使用正己烷-二氯甲烷混合液作為洗脫劑。

表1 洗脫凈化條件對(duì)洗脫凈化效果的影響

1—萘；2—苊烯；3—苊；4—芴；5—菲；6—蒽；7—熒蒽；8—芘；9—；10—苯并[a]蒽；11—苯并[b]熒蒽；12—苯并[k]熒蒽；13—苯并[a]芘；14—茚并[1,2,3-cd]芘；15—二苯并[a,h]蒽；16—苯并[g,h,i]芘圖2 PAHs標(biāo)液和實(shí)際植煙土壤樣品洗脫凈化液的GC—MS譜圖Fig.2 GC-MS chromatograms of PAHs standard solution and purification solution of actual tobacco-planting soil sample

2.2 凈化方法對(duì)洗脫凈化效果的影響

分別采用加標(biāo)回收率、洗脫劑消耗量、洗脫劑收集量、洗脫耗時(shí)4個(gè)因素比較硅膠柱法和四通道色譜分離儀法的洗脫性能。結(jié)果顯示：采用四通道色譜分離儀法凈化時(shí)，16種PAHs的加標(biāo)回收率為101.5%±6.5%，高于采用硅膠柱法(83.1%±7.9%)，凈化效果能滿足植煙土壤中PAHs的分析測(cè)定要求；從洗脫劑的消耗量和收集量看，四通道色譜分離儀法在洗脫過(guò)程中消耗洗脫劑16 mL、收集10 mL，明顯少于硅膠柱法(洗脫劑消耗量30 mL、收集量20 mL)，有助于降低分析檢測(cè)的溶劑成本；在洗脫耗時(shí)上看，四通道色譜分離儀法僅需5 min，與硅膠柱法洗脫耗時(shí)(30 min)相比，提高了工作效率。因此，本研究選擇四通道色譜分離儀法對(duì)植煙土壤進(jìn)行提取液凈化。

2.3 凈化條件對(duì)洗脫凈化效果的影響

向土壤樣品中加入100 μL質(zhì)量濃度為100 μg/L的PAHs標(biāo)液，以正己烷-二氯甲烷混合液為洗脫劑，采用四通道色譜分離儀法進(jìn)行洗脫凈化，設(shè)置洗脫劑用量分別為1、2、3 mL/次，洗脫時(shí)間分別為40、50、60 s/次，兩兩組合進(jìn)行加標(biāo)回收試驗(yàn)，每組處理重復(fù)6次取平均值，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)：當(dāng)洗脫劑用量為1 mL/次，洗脫時(shí)間為40～60 s/次時(shí)，PAHs標(biāo)液的加標(biāo)回收率最低，為49.7%～69.1%；當(dāng)洗脫劑用量增加到2 mL/次時(shí)，加標(biāo)回收率明顯增加，為83.1%～97.0%，且標(biāo)準(zhǔn)偏差≤4.9%；當(dāng)洗脫劑用量達(dá)到3 mL/次時(shí)，回收率小幅增加，但標(biāo)準(zhǔn)偏差相應(yīng)提高；在相同洗脫劑用量下，當(dāng)洗脫時(shí)間從40 s/次增加到50 s/次，加標(biāo)回收率大幅提高，當(dāng)洗脫時(shí)間繼續(xù)增加到60 s/次時(shí)，加標(biāo)回收率增幅不明顯，甚至稍有降低。綜合比較，最佳洗脫劑用量為2 mL/次，洗脫時(shí)間為50 s/次，在該條件下PAHs的加標(biāo)回收率高，洗脫耗時(shí)短。

2.4 16種PAHs的圖譜

采用GC—MS分別對(duì)400 μg/L的PAHs標(biāo)液及最佳條件下脫洗5次獲取的實(shí)際植煙土壤洗脫凈化液進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖2。

2.5 方法的線性關(guān)系和檢出限

以GC—MS圖譜中16種PAHs的峰面積為因變量(y)，以PAHs質(zhì)量濃度為自變量(x,μg/L)，在x=20～2 000 μg/L的區(qū)間進(jìn)行線性擬合，以信噪比為3計(jì)算各PAHs的儀器檢出限，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)，16種PAHs在20～2 000 μg/L內(nèi)均呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)(R)>0.99，表明定量方法可靠。16種PAHs的儀器檢出限為0.72～2.09 μg/L，達(dá)到分析測(cè)定要求。

2.6 加標(biāo)回收率

準(zhǔn)確量取20、50、200 μg/L的PAHs標(biāo)液100 μL分別加入3個(gè)土壤樣品中，在最佳條件下進(jìn)行洗脫凈化，計(jì)算加標(biāo)回收率，每個(gè)處理重復(fù)6次取平均值，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可見(jiàn)，16種PAHs在3個(gè)濃度水平上的加標(biāo)回收率為80.3%～114.4%，RSD為4.2%～12.3%，說(shuō)明本研究構(gòu)建的分析方法相對(duì)可靠。

2.7 植煙土壤中PAHs的含量特征

為獲取植煙土壤中PAHs的含量特征，采集8個(gè)植煙土壤樣品，分別標(biāo)記為S1～S8，分析8個(gè)土壤樣品中16種PAHs的含量，結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可見(jiàn)，植煙土壤中16種PAHs的檢出率很高，其中以2～4環(huán)PAHs含量較高，菲、芘和苯并[b]熒蒽的最大質(zhì)量濃度分別為211.72、116.15、119.51 μg/kg，5～6環(huán)PAHs含量偏低。樣品中16種PAHs 的總質(zhì)量濃度為193.78～725.70 μg/kg，平均值為545.45 μg/kg，低于石化工業(yè)區(qū)周邊土壤(1 032.24 μg/kg)[15]，高于蘇州農(nóng)田土壤(312.5 μg/kg)和嘉興農(nóng)田土壤(152.4 μg/kg)[16]。參考?xì)W洲對(duì)農(nóng)業(yè)土壤PAHs污染程度的分級(jí)(PAHs總質(zhì)量濃度< 200μg/kg為無(wú)污染，200～<600 μg/kg為輕度污染，600～<1 000 μg/kg為中等污染，≥1 000 μg/kg為嚴(yán)重污染[17])，本研究所測(cè)定的植煙土壤樣品中PAHs的污染情況總體介于輕度污染到中等污染之間。因此，應(yīng)該對(duì)煙草種植過(guò)程中對(duì)土壤帶來(lái)的PAHs殘留負(fù)荷予以重視，同時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)措施予以管控。

表2 16種PAHs的保留時(shí)間、線性關(guān)系和檢出限

表3 植煙土壤中16種PAHs的加標(biāo)回收率及相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)

表4 植煙土壤樣品中16種PAHs的質(zhì)量濃度1)

注：1)ND為未檢出或低于檢出限。

3 結(jié) 論

以正己烷-二氯甲烷混合液為洗脫劑，采用四通道色譜分離儀法對(duì)植煙土壤進(jìn)行洗脫凈化，在最佳操作條件(洗脫劑用量2mL/次，洗脫時(shí)間50s/次)下洗脫5次后由GC—MS對(duì)16種PAHs進(jìn)行檢測(cè)。16種PAHs均在20～2000μg/L內(nèi)呈線性關(guān)系(R>0.99)，儀器檢出限為0.72～2.09μg/L，植煙土壤中16種PAHs的加標(biāo)回收率為80.3%～114.4%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.2%～12.3%。本研究構(gòu)建的方法回收率高，耗時(shí)短，消耗溶劑少，成本低，且操作簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確度好、可重復(fù)性高，可用于植煙土壤及其他類(lèi)型土壤中PAHs含量的測(cè)定，為植煙土壤中PAHs的污染特征、源解析和健康風(fēng)險(xiǎn)分析提供檢測(cè)基礎(chǔ)。

[1] YOSHIDA S,KOBAYASHI K.Roles of tobacco fractions in the formation of polycyclic aromatic amines in tobacco pyrolysis[J].Beitr?ge Zur Tabakforschung,2014,25(6):595-606.

[2] 馬軍,滕應(yīng),陸引罡,等.四通道色譜分離儀凈化/氣象色譜—質(zhì)譜法測(cè)定煙葉中的多環(huán)芳烴[J].分析測(cè)試學(xué)報(bào),2016,35(8):968-973.

[3] RODGMAN A.Studies of polycyclic aromatic hydrocarbons in cigarette mainstream smoke identification tobacco precursors control of levels:a review[J].Beitr?ge Zur Tabakforschung,2014,19(7):361-379.

[4] 錢(qián)薇,倪進(jìn)治,駱永明,等.高效液相色譜—熒光檢測(cè)法測(cè)定土壤中的多環(huán)芳烴[J].色譜，2007,25(2):221-225.

[5] 徐勝,王慧,陳瑋,等.土壤中多環(huán)芳烴污染對(duì)植物生理生態(tài)的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2013,24(5):1284-1290.

[6] 劉勁松，朱國(guó)華，尹文華，等.某電子垃圾拆解園周邊農(nóng)田土壤中多環(huán)芳烴的污染特征及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J].環(huán)境污染與防治,2015,37(5):1-5.

[7] TANG Lili,TANG Xiangyu,ZHU Yongguan,et al.Contamination of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in urban soils in Beijing，China[J]Environment International,2005,31(6):822-828.

[8] SNCHEZ TRUJILLOA M A,MORILLOA E,VILLAVERDEA J,et al.Comparative effects of several cyclodextrins on the extraction of PAHs from an aged contaminated soil[J].Environmental Pollution,2013,178:52-58.

[9] SIEMERS A K,MNZ J S,PALM W U,et al.Development and application of a simultaneous SPE-method for polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs)，alkylated PAHs，heterocyclic PAHs (NSO-HET) and phenols in aqueous samples from German Rivers and the North Sea[J].Chemosphere，2015,122(3):105-114.

[10] 張權(quán),陳文生,洪亮,等.基質(zhì)固相分散—加壓溶劑萃取法測(cè)定土壤中多環(huán)芳烴[J].環(huán)境化學(xué),2014,33(3):470-476.

[11] 王娜.加速溶劑萃取—固相萃取凈化—色譜法測(cè)定土壤中的多環(huán)芳烴和有機(jī)氯[J].環(huán)境化學(xué),2013,32(3):524-525.

[12] 王志,李潔,李振國(guó).加速溶劑萃取凝膠色譜凈化氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用測(cè)定土壤中多環(huán)芳烴[J].光譜實(shí)驗(yàn)室,2009,26(4):831-833.

[13] 王磊磊，鄭立穩(wěn)，孔學(xué)，等.加速溶劑萃取—GPC純化—?dú)庀嗌V—質(zhì)譜法測(cè)定油區(qū)上壤中的16種多環(huán)芳烴[J].山東科學(xué),2015,28(2):81-86.

[14] 馬軍,滕應(yīng),陸引罡,等.基于四通道色譜分離儀凈化—GC—MS法測(cè)定土壤中鄰苯二甲酸酯類(lèi)殘留[J].分析試驗(yàn)室,2016,35(2):171-175.

[15] 林根滿,吳健,王敏,等.石化工業(yè)區(qū)周邊土壤中多環(huán)芳烴的組成及分布特征分析[J].環(huán)境污染與防治,2015,37(8):39-45.

[16] 劉增俊,滕應(yīng),黃標(biāo),等.長(zhǎng)江三角洲典型地區(qū)農(nóng)田土壤多環(huán)芳烴分布特征與源解析[J].土壤學(xué)報(bào),2010,47(6):1110-1117.

[17] MALISZEWSKA K B.Polycyclic aromatic hydrocarbons in agricultural soils in Poland: preliminary proposals for criteria to evaluate the level of soil contamination[J].Applied Geochemistry,1996,11(1/2):121-127.

Elutionandpurificationof16polycyclicaromatichydrocarbonsintobacco-plantingsoilandthecontentdetermination

MAJun1，2，3，TENGYing3，LUYingang2，RENWenjie3，MAWenting3.

(1.CollegeofMaterialsandChemistry，TongrenUniversity，TongrenGuizhou554300；2.CollegeofAgriculture，GuizhouUniversity，GuiyangGuizhou550025；3.KeyLaboratoryofSoilEnvironmentandPollutionRemediation，NanjingInstituteofSoilScience，ChineseAcademyofSciences，NanjingJiangsu210008)

In order to determine the content of 16 polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in tobacco-planting soil，a method for elution and purification of soil sample was established and developed. The effect of different eluent，purification method and purification conditions on purification efficiency was studied. Results showed that n-hexane-methylene chloride mixture (volume ratio 1∶1) achieved the best purification efficiency in 3 eluents. The method of using four-channel purification chromatography instrument presented the better performance in purifying effect，solvent consumption and operation time compared with silica gel column method. Eluting the soil samples under the optimum operating conditions (eluent flow rate of 2 mL/time and elution time of 50 s/time) for 5 times，and then gas chromatography (GC)-mass spectrum (MS) was applied to detect the 16 PAHs in soil. Results showed that all the 16 PAHs were well separated and purified，the calibration curves had a good linear relationships (R>0.99)between 20-2 000 μg/L. The detection limit was ranged 0.72-2.09 μg/L，the recovery rate of 16 PAHs in soil sample was 80.3%-114.4% and the relative standard deviation (RSD) was 4.2%-12.3%. The established method was convenient and efficient，which could determine the content of 16 PAHs in tobacco-planting soil accurately.

tobacco-planting soil； PAHs； four-channel purification chromatograph； GC-MS

馬 軍，男，1988年生，碩士，主要從事土壤環(huán)境的污染與修復(fù)研究。#

。

*環(huán)保公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)(No.201109018)；江蘇省杰出青年基金資助項(xiàng)目(No.BK20150049)；貴州山地醇甜香型煙葉生產(chǎn)技術(shù)研究與示范項(xiàng)目(No.700377111206);貴州省教育廳創(chuàng)新人才團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(黔教合人才團(tuán)隊(duì)字[2015] 67號(hào))。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.03.007

2016-08-20)