固相萃取/氣相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法測定竹筍產(chǎn)地土壤中42種持久性有機污染物

張延平,陳振超,孫曉薇,沈丹玉,鐘冬蓮,莫潤宏,湯富彬*

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院 亞熱帶林業(yè)研究所，浙江 杭州 311400；2.河南省林業(yè)科學(xué)研究院，河南 鄭州 450008)

持久性有機污染物(POPs)是指長期存在于土壤、水、底泥、空氣等自然環(huán)境中，難以降解并對人類和生物造成危害的有機污染物[1]。常見的POPs有多環(huán)芳烴(PAHs)、多氯聯(lián)苯(PCBs)和有機氯農(nóng)藥(OCPs)等。PAHs是2個及2個以上的苯環(huán)以稠環(huán)形式相連的化合物，主要來源于化石燃料的加工和使用、生物質(zhì)和有機物的不充分燃燒[2]。PCBs因具有良好的熱導(dǎo)性、半揮發(fā)性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及耐酸耐堿性，在20世紀(jì)70年代曾被廣泛應(yīng)用于冷凝器、變壓器、印染及塑料等工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)和制造，造成了PCBs向環(huán)境中的排放與污染[3]。而OCPs也因其高效、低成本和廣譜殺蟲的特點，在20世紀(jì)50～80年代被廣泛使用[4]。雖然OCPs因具有高毒性、高蓄積性和遷移性已被禁用，但目前在環(huán)境介質(zhì)中仍被檢出[5]。PAHs、PCBs和OCPs均具有較強的致癌、致畸和致突變性，因此建立有效檢測環(huán)境中POPs的分析方法顯得十分重要。

土壤是PAHs、PCBs、OCPs等POPs的主要匯聚地，同時也是將POPs傳遞到其他環(huán)境介質(zhì)中的天然緩沖帶[6]。目前開展PAHs、PCBs和OCPs研究的土壤類環(huán)境介質(zhì)包括水體沉積物[7-9]、室內(nèi)灰塵[10-11]、土壤[12-13]等。沈丹玉等[8]采用索氏提取法提取了杭州西溪濕地沉積物中的OCPs，比較了不同固相萃取柱的凈化效果，并建立了同時測定16種OCPs的GC/ECD方法。王道瑋等[14]建立了加速溶劑萃取-固相萃取凈化/氣相色譜-三重四極桿質(zhì)譜聯(lián)用同時測定沉積物中16種PAHs和28種PCBs的方法，并用該方法測定了滇池東部撈魚河入湖口處的表層沉積物。Sazakli等[15]采用索氏抽提法提取、弗羅里硅土柱凈化、氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)測定了阿索波斯河流域土壤及底泥中的16種PAHs、7種PCBs及16種OCPs。

竹筍是受大眾歡迎的竹林蔬菜，對竹筍中POPs的測定已有相關(guān)研究[16]，但同時對竹筍產(chǎn)地土壤中PAHs、PCBs和OCPs污染狀況的研究尚未見報道，且土壤中PAHs、PCBs和OCPs同時測定的氣相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法報道也很少。而竹筍產(chǎn)地土壤中POPs的污染水平可能與竹筍中POPs含量有關(guān)，因此有必要對竹筍產(chǎn)地土壤POPs的污染水平進行研究。氣相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法(GC-MS/MS)的選擇性強、靈敏度高，能夠很大程度地消除基質(zhì)效應(yīng)，對于基質(zhì)復(fù)雜的土壤樣品可有效排除假陽性[17-18]，本文建立了竹筍產(chǎn)地土壤中42種POPs的GC-MS/MS檢測方法。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

AR5120電子天平(梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司)，PHOENIX微波馬弗爐(美國培安有限公司)，KQ-3000B大功率超聲波清洗儀(功率3000W，清洗頻率40kHz，昆山市超聲儀器有限公司)，Biofuge Stratos高速冷凍離心機(美國熱電公司)，IKA RV10旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(德國艾卡公司)，Waters固相萃取裝置(美國沃特世公司)，HGC-24A干式氮吹儀(天津恒奧科技發(fā)展有限公司)，XW-80A渦旋混合器(海門市其林貝爾儀器制造有限公司)，7000B-QQQ氣相色譜-三重四極桿質(zhì)譜聯(lián)用儀(美國安捷倫科技有限公司)。

8種PAHs混標(biāo)：Phe、An、Flu、Pyr、BaA、Chr、Bkf、BaP，質(zhì)量濃度均為200mg/L，購于美國o2si公司；18種PCBs混標(biāo)：PCB28、PCB52、PCB101、PCB81、PCB77、PCB123、PCB118、PCB114、PCB153、PCB105、PCB138、PCB126、PCB167、PCB156、PCB157、PCB180、PCB169、PCB189，質(zhì)量濃度均為100mg/L，購于美國o2si公司；16種OCPs混標(biāo)：滅蟻靈(100mg/L)，順-氯丹、反-氯丹(質(zhì)量濃度均為200mg/L)，α-硫丹、β-硫丹、六六六的4種異構(gòu)體(α-BHC、β-BHC、γ-BHC、δ-BHC)、滴滴涕的4種異構(gòu)體(o,p′-DDT、p,p′-DDT、p,p′-DDD、p,p′-DDE)、七氯、艾氏劑、狄氏劑(質(zhì)量濃度均為1000mg/L)，購于國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心。

丙酮(分析純，浙江漢諾化工科技有限公司)；正己烷(色譜純)、弗羅里硅土柱(1000mg/6mL Florisil)，購于美國賽默飛世爾科技有限公司；多壁碳納米管(MWCNT，粒徑5nm)、石墨化炭黑(GCB，粒徑38～120μm，天津艾杰爾科技有限公司)，SBEQ-CA1301硅膠(Si，粒徑40～63μm，德國安譜有限公司)，N-丙基乙二胺吸附劑(PSA，粒徑45μm)、十八烷基鍵合硅膠吸附劑(C18，粒徑45μm，月旭科技(上海)股份有限公司)，無水硫酸鈉(Na2SO4，分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司)；空白土壤樣品由竹筍產(chǎn)地土壤樣品在600℃馬弗爐內(nèi)灼燒2h而得。

1.2 實驗方法

1.2.1混合標(biāo)準(zhǔn)儲備液的配制42種POPs標(biāo)準(zhǔn)品先分別經(jīng)正己烷稀釋10倍得中間儲備溶液，再準(zhǔn)確吸取8種PAHs、18種PCBs、順-氯丹和反-氯丹各2.5 mL，七氯、滅蟻靈、α-硫丹、β-硫丹、δ-六六六各0.5 mL，狄氏劑0.375 mL，艾氏劑、α-六六六、β-六六六、γ-六六六、o,p′-滴滴涕、p,p′-滴滴涕和p,p′-滴滴滴各0.25 mL，p,p′-滴滴伊0.125 mL于25 mL容量瓶中，以正己烷定容至刻度，得混合標(biāo)準(zhǔn)儲備液。

1.2.2樣品制備采集縱向深度為0～30 cm的竹筍土壤樣品1.5 kg，用塑料袋密封，除去枯枝落葉、石子瓦礫后，將土壤樣品在干燥通風(fēng)自然條件下陰干，干燥后的土壤經(jīng)四分法縮分，過篩(篩孔徑250 μm)，篩下部分的土樣收集至自封袋中密封，置于陰涼干燥條件下儲存。

1.2.3樣品前處理稱取10 g(精確至0.01 g)土壤樣品于100 mL離心管中，加入50.0 mL丙酮-正己烷(1∶1，體積比)，加蓋后振搖3 min，大功率超聲45 min后冷卻，5 000 r/min離心5 min，移取10.0 mL上清液于 150 mL燒瓶中，在30 ℃水浴條件下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至近干，待過復(fù)合Florisil固相萃取小柱(從下至上依次為成品Florisil固相萃取小柱，100 mg C18和100 mg PSA混合吸附劑，1 000 mg Na2SO4)凈化。固相小柱先用5 mL正己烷活化預(yù)淋洗，棄去預(yù)淋洗液，然后在燒瓶中加入4 mL正己烷，渦旋混合器振蕩溶解提取物，倒入固相小柱中淋洗，流速控制在1滴/s。再在燒瓶中加入3 mL丙酮-正己烷(1∶19)，振蕩溶解后加入小柱中淋洗，重復(fù)3次，合并4次淋洗液于15 mL小管中，以柔和N2吹干，正己烷定容至1.0 mL，渦旋1 min，待測。

1.3 實驗條件

1.3.1色譜條件HP-5MS毛細管柱(30 m×250 μm×0.25 μm)，載氣為高純氦氣(純度≥99.999%)，恒壓，柱壓力為74.35 kPa，進樣口溫度250 ℃，不分流進樣，進樣體積1 μL。程序升溫：初始溫度70 ℃，保持2 min，以25 ℃/min升至150 ℃，再以3 ℃/min升至200 ℃，最后以8 ℃/min 升至250 ℃，保持10 min。

1.3.2質(zhì)譜條件離子源溫度：230 ℃；四極桿溫度：150 ℃；電離模式：電子轟擊離子源(EI)，電子能量：70 eV；溶劑延遲時間：5.00 min；碰撞氣：高純氮氣(≥99.999%)，流量2.168 mL/min;Q1峰寬：0.7，Q2峰寬：0.7；峰駐留時間：20 ms；數(shù)據(jù)采集模式：多反應(yīng)監(jiān)測模式(MRM)。其他參數(shù)如表1所示。

表1 42種POPs的保留時間、特征離子對及碰撞能量Table 1 Retention times,characteristic ion pairs and collision energies of 42 POPs

(續(xù)表1)

No.CompoundRetentiontime(min)Characteristic ion pairs(m/z)Collisionenergy(eV)24p,p'-DDD(p,p'-滴滴滴)25.549235.0/198.8*,235.0/165.015,3025PCB114(2,3,4,4',5-五氯聯(lián)苯)25.601325.9/255.7*,325.9/218.625,4526o,p'-DDT(o,p'-滴滴涕)25.628235.0/165.3*,235.0/200.220,1027PCB153(2,2',3,4,4',5'-六氯聯(lián)苯)26.021359.9/289.5*,359.9/324.530,2028PCB105(2,3,3',4,4'-五氯聯(lián)苯)26.131325.9/255.6*,325.9/184.020,3029p,p'-DDT(p,p'-滴滴涕)26.789235.0/164.9*,235.0/198.930,1030PCB138(2,2',3,4,4',5'-六氯聯(lián)苯)26.900359.9/289.6*,359.9/324.525,1531PCB126(3,3',4,4',5-五氯聯(lián)苯)27.175325.9/255.6*,325.9/218.525,4532PCB167(2,3',4,4',5,5'-六氯聯(lián)苯)27.762359.8/289.6*,359.8/218.030,2533BaA(苯并[a]蒽)28.050228.1/202.0*,228.1/213.0,228.1/189.035,35,4534Chr()28.189228.1/202.0*,228.1/213.0,228.1/189.035,30,3535PCB156(2,3,3',4,4',5-六氯聯(lián)苯)28.400359.8/289.6*,359.8/287.030,2536PCB157(2,3,3',4,4',5'-六氯聯(lián)苯)28.558359.9/289.7*,359.9/287.545,2037PCB180(2,2',3,4,4',5,5'-七氯聯(lián)苯)28.867395.8/325.5*,395.8/360.3,395.8/323.345,25,2538PCB169(3,3',4,4',5,5'-六氯聯(lián)苯)29.412359.8/289.6*,359.8/287.540,3039Mirex(滅蟻靈)29.458271.8/236.7*,271.8/143.0,271.8/118.720,40,4040PCB189(2,3,3',4,4',5,5'-七氯聯(lián)苯)30.370393.8/323.5*,393.8/253.845,3041Bkf(苯并[k]熒蒽)31.685252.1/226.0*,252.1/202.040,4042BaP(苯并[a]芘)32.450252.1/226.1*,252.1/202.040,45

*quantitative ion pair

2 結(jié)果與討論

2.1 固相萃取凈化方式的優(yōu)化

2.1.1提取方式與提取條件的選擇土壤或沉積物中POPs最常用的提取方法為加速溶劑萃取法、索氏提取法、超聲提取法等。加速溶劑萃取法的提取過程中，整個體系封閉，且有機溶劑用量少，對環(huán)境污染小，但氮氣用量較大，儀器設(shè)備成本高[19]。索氏提取法操作繁瑣、溶劑消耗量大、毒性強、耗時長，不適用于多個樣品的提取，且易對環(huán)境造成污染[20]。而超聲提取法可加速土壤中POPs的溶出[21]，成本低，因此本實驗采用該法提取土壤中的POPs。

目前土壤或沉積物中POPs常用的提取溶劑為丙酮-正己烷(1∶1)[14-15,21]，本實驗亦選其作為提取溶劑，并考察了超聲時間(30、45、60 min)對42種POPs提取效率的影響。結(jié)果顯示，42種POPs在3種超聲時間下的回收率差異不大，回收率為60.0%～130%的分析物數(shù)量分別為39、42和40個。但當(dāng)超聲時間為30 min時，γ-BHC的回收率僅58.2%，Pyr和PCB189的回收率分別為133%和131%；當(dāng)超聲時間為60 min時，BaA的回收率僅58.0%，p,p-DDT的回收率為132%；而超聲時間為45 min時，所有POPs的回收率均在60.0%～130%范圍內(nèi)。故最終選擇最佳超聲提取時間為45 min。

2.1.2固相萃取小柱凈化方式的優(yōu)化經(jīng)過超聲提取后，土壤提取液呈深黃綠色，考慮到竹筍產(chǎn)地土壤可能含有較豐富的有機雜質(zhì)，參照文獻[14]，采取復(fù)合Florisil小柱對土壤提取液進行凈化。依次在6 mL/1 000 mg的Florisil柱中分別填入吸附劑(500 mg C18、500 mg Si、500 mg PSA、500 mg GCB和100 mg MWCNT)與1 000 mg的Na2SO4，用真空泵抽取2 min壓實。結(jié)果顯示，C18、Si、PSA、GCB和MWCNT吸附劑下回收率在60.0%～130%范圍內(nèi)的化合物分別為34、31、40、20和18個。因此實驗選擇將C18和PSA分別按照150 mg+150 mg、100 mg+200 mg和200 mg+100 mg的配比混合，Na2SO4的量保持為1 000 mg。結(jié)果顯示回收率在60.0%～130%范圍內(nèi)的化合物分別為41、37和39個，其中以150 mg C18+150 mg PSA為吸附劑時，p,p′-DDT的回收率<60.0%；以100 mg C18+200 mg PSA為吸附劑時，Phe、An、PCB28、七氯和p,p′-DDT的回收率均<60.0%；以200 mg C18+100 mg PSA為吸附劑時，Phe、An和p,p′-DDT的回收率均<60.0%。因此以150 mg C18+150 mg PSA吸附劑的凈化效果最佳，進一步降低用量，發(fā)現(xiàn)當(dāng)吸附劑為100 mg C18+100 mg PSA時，回收率在60.0%～130%范圍的化合物為42個；當(dāng)吸附劑為50 mg C18+50 mg PSA時，β-硫丹和p,p′-DDD的回收率>130%，回收率在60.0%～130%范圍的化合物為40個。故最終選擇100 mg C18+100 mg PSA為最佳吸附劑。

2.1.3凈化上清液體積及洗脫液比例的選擇采用實際土壤樣品進行試驗。分別移取5.0、10.0、15.0、20.0 mL的上清液進行固相萃取，發(fā)現(xiàn)移取5.0 mL上清液時的回收率偏低，有7個化合物的回收率<60.0%；而移取15.0 mL和20.0 mL上清液時，凈化后的濾液呈黃綠色，為避免柱子污染、柱效變差，選擇移取10.0 mL上清液進行凈化。

考慮到42種POPs既有極性組分，又有非極性組分，選擇丙酮-正己烷作為洗脫液，并考察了不同體積比(1∶1、1∶9、1∶15、1∶19、0∶1)的丙酮-正己烷對42種POPs回收率的影響。結(jié)果顯示，當(dāng)兩者的體積比為1∶19時，所有POPs的回收率均為60.0%～130%，而當(dāng)體積比為1∶1、1∶9、1∶15、0∶1時回收率在60.0%～130%范圍的化合物分別有36、37、40和38個。故選擇丙酮-正己烷(1∶19)作為洗脫液。

優(yōu)化條件下，42種POPs混合標(biāo)準(zhǔn)儲備液的氣相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜圖如圖1所示。

圖1 42種POPs的總離子流色譜圖Fig.1 Total ion current chromatogram of 42 persistent organic pollutants peak numbers correspond to compounds in Table 1

2.2 方法學(xué)考察

2.2.1線性關(guān)系與檢出限采用經(jīng)馬弗爐灼燒2 h后的土壤樣品作為空白土壤，在優(yōu)化條件下，用丙酮-正己烷(1∶1)提取的空白土壤樣品提取液將42種POPs混合標(biāo)準(zhǔn)溶液依次稀釋2倍、5倍、10倍、20倍、50倍、100倍，分別進行測定，以每種POPs定量離子對的峰面積(y)對其質(zhì)量濃度(x，μg/L)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，結(jié)果見表2。42種POPs在各自線性范圍內(nèi)均呈良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)(r2)不低于0.995 2。向空白土壤中逐級添加低濃度的標(biāo)準(zhǔn)品，以3倍信噪比(S/N≥3)時空白土壤加標(biāo)后的質(zhì)量濃度為檢出限(LOD)，得到LOD為0.070～6.902 μg/kg；以S/N≥10計算得定量下限(LOQ)為0.232～23.005 μg/kg。

表2 42種POPs的線性范圍、回歸方程、相關(guān)系數(shù)、檢出限及定量下限Table 2 Linear ranges,regression equations,correlation coefficients，LODs and LOQs of 42 POPs in soil

(續(xù)表2)

CompoundLinear range(μg/L)Regression equationr2LOD(μg/kg)LOQ(μg/kg)cis-Chlordane20.0～2 000.0y=123.43x-5 571.50.998 21.0323.441Dieldrin15.0～1 500.0y=17.769x-359.700.999 81.1843.948PCB8110.0～1 000.0y=685.96x-17 5170.997 50.7412.470p,p'-DDE5.0～500.0y=767.85x-9 297.40.997 70.3551.185PCB7710.0～1 000.0y=697.46x-21 6520.995 80.8642.880β-Endosulfan20.0～2 000.0y=20.212x-650.510.999 36.90223.005PCB12310.0～1 000.0y=629.91x-16 3940.997 70.6952.317PCB11810.0～1 000.0y=523.98x-16 1810.995 40.6902.301o,p'-DDT10.0～1 000.0y=819.48x-29 0650.996 00.6182.060p,p'-DDD10.0～1 000.0y=536.09x-11 5130.998 80.7032.344PCB11410.0～1 000.0y=794.00x-15 9930.999 00.6732.243PCB15310.0～1 000.0y=502.03x-11 4520.998 20.6092.030PCB10510.0～1 000.0y=574.65x-9 965.70.999 30.7652.551p,p'-DDT10.0～1 000.0y=418.67x-16 1120.996 00.9573.190PCB13810.0～1 000.0y=406.27x-8 249.30.998 70.6202.065PCB12610.0～1 000.0y=496.15x-12 5540.997 70.6372.124PCB16710.0～1 000.0y=467.82x-12 1690.997 00.6692.231BaA20.0～2 000.0y=606.03x-40 1470.995 66.40521.351Chr20.0～2 000.0y=877.56x-57 9790.995 61.6135.376PCB15610.0～1 000.0y=531.14x-15 1340.996 60.5701.900PCB15710.0～1 000.0y=365.37x-11 8580.995 50.6072.024PCB18010.0～1 000.0y=156.79x-3 308.20.998 40.5631.875PCB16910.0～1 000.0y=308.70x-9 612.10.995 30.6192.063Mirex2.0～200.0y=1 027.9x-2 481.70.999 60.0700.232PCB18910.0～1 000.0y=192.99x-5 654.10.995 80.6232.075Bkf20.0～2 000.0y=426.47x-25 6940.996 31.0343.448BaP20.0～2 000.0y=151.76x-8 887.90.996 01.0723.574

2.2.2回收率與精密度在空白土壤樣品中添加42種POPs混合標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進行2個水平的加標(biāo)回收試驗，加標(biāo)濃度見表3，每個水平做3個平行。結(jié)果顯示，42種POPs的加標(biāo)回收率為62.3%～128%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為0.5%～15.8%(見表3)。表明該方法的回收率較好，精密度高。

表3 不同加標(biāo)水平下42種POPs的加標(biāo)回收率與相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(n=3)Table 3 Recoveries and RSDs of 42 POPs in soil at two sipked levels(n=3)

2.3 實際土壤樣品的測定

分別采用環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)HJ 505-2016、HJ 922-2017和HJ 921-2017方法以及本方法測定1個竹筍產(chǎn)地土壤樣品中的42種POPs，測定結(jié)果差異不大，但3種環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)方法的工作量大，而本方法則可以實現(xiàn)檢測與數(shù)據(jù)分析同時進行。

采用本方法對杭州市臨安區(qū)30個竹筍產(chǎn)地土壤中的42種POPs進行測定，POPs化合物的檢出率為10.0%～100%，Phe、Flu、Pyr和α-BHC在所有土壤樣品中均有檢出，檢出率為100%。其中PAHs的含量為0～1 172.829 μg/kg，PCBs為0～2.636 μg/kg，OCPs為0～265.172 μg/kg(表4)。說明竹筍產(chǎn)地土壤中的PAHs及OCPs污染應(yīng)引起關(guān)注。

表4 30個竹筍地樣品的檢測結(jié)果Table 4 Detection results of 30 geographical origin soil of bamboo shoot samples

“ND”represents not detected;“-”means average values less than LOD

3 結(jié) 論

本文建立了大功率超聲提取，復(fù)合固相弗羅里硅土柱凈化，GC-MS/MS同時測定竹筍產(chǎn)地土壤中42種POPs的方法。優(yōu)化了提取方式、提取溶劑、提取時間，以及洗脫液的比例，最終確定添加100 mg C18和100 mg PSA為吸附劑，丙酮-正己烷(1∶19)為洗脫液。該方法操作方便易行，平行性、準(zhǔn)確度好，靈敏度高，可用于批量樣品的處理，同時也為竹筍產(chǎn)地土壤的POPs污染水平監(jiān)控提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。