超聲輔助提取-固相萃取-氣相色譜-質(zhì)譜法測定污泥中12種多環(huán)芳烴

王 梓，楊兆光，李海普

(中南大學(xué) 環(huán)境與水資源研究中心，長沙410083)

多環(huán)芳烴(PAHs)是指由2個或2個以上稠環(huán)或非稠環(huán)的形式連接在一起所形成的具有半揮發(fā)性的有機化合物，具有較高的熔沸點，蒸汽壓很低，難溶于水，易于在環(huán)境中遠距離傳輸[1]，是一類具有典型“三致”(致癌、致畸、致突變)作用的有機污染物[2]。PAHs來源廣泛，主要分為天然源和人為源[3-4]。天然源主要包括燃燒和生物的合成作用，如火災(zāi)、火山爆發(fā)等。人為源包括人類的排泄物、日用化學(xué)品、汽車燃料、潤滑油、清潔劑、雨水徑流等。環(huán)境中的PAHs能夠在大氣圈、水圈、土壤圈及生物圈中穩(wěn)定的不斷循環(huán)。PAHs具有疏水性和親脂性，極易與固體顆粒結(jié)合而持久富集在沉積物中，從而對環(huán)境產(chǎn)生越來越嚴峻的風險。

污水處理廠對污水處理后產(chǎn)生的活性污泥基質(zhì)復(fù)雜，所含污染物種類眾多，且含量較高。如污染物種類超過一定限度，直接對污泥進行深土填埋極易對周圍環(huán)境產(chǎn)生污染。因此，在對脫水污泥進行深土填埋之前，有必要對其中PAHs的含量進行測定，判斷其是否達到國家規(guī)定的污泥的填埋標準，以防止土壤被污染[5]。

目前，沉積物中PAHs的前處理方法有很多種，根據(jù)沉積物的化學(xué)處理過程可分為提取和凈化兩個步驟[6]。在PAHs前處理的過程中，索氏提取、快速溶劑提取(ASE)[7-8]、超聲輔助提取等提取方法在國內(nèi)外有著廣泛的應(yīng)用[9]。文獻[10]采用自動索氏提取-固相萃取-氣相色譜-質(zhì)譜法(GC-MS)測定土壤中的PAHs；文獻[11]用自動索氏提取-固相萃取-高效液相色譜法(HPLC)測定油炸制品中的PAHs；文獻[12]采用快速溶劑提取的方法，測定了土壤中PAHs。索氏提取在提取大分子和小分子時提取效果均較好，缺點在于耗時長、所需溶劑較多[13]；快速溶劑提取對裝置要求較高，且容易發(fā)生堵塞；超聲輔助提取利用超聲波輻射壓強產(chǎn)生的強烈空化效應(yīng)、擾動效應(yīng)、擊碎和攪拌作用等多級效應(yīng)，增大物質(zhì)分子運動頻率和速率，增加溶劑穿透力，從而加速目標成分進入溶劑，促進提取的進行[14]。

本工作采用超聲輔助提取-固相萃取-氣相色譜-質(zhì)譜法對污泥中萘(NAP)、苊烯(ANY)、苊(ANA)、芴(FLU)、菲(PHE)、蒽(ANT)、熒 蒽(FLT)、芘(PYR)、苯并[a]蒽(Ba A)、苯并[a]芘(BaP)、茚并[1，2，3-cd]芘(IPY)和苯并[ghi]苝(BPE)等12種PAHs進行測定。

1 試驗部分

1.1 儀器與試劑

Agilent 7890A 型氣相色譜儀；Agilent 5975C型質(zhì)譜儀；KQ 5200DE 型數(shù)控超聲波清洗器；H1850型離心機；Silent Shake VM-01U 型渦旋儀。

12種PAHs的標準儲備溶液:100 mg·L－1，以二氯甲烷為介質(zhì)。

12種PAHs的混合標準溶液:100μg·L－1，分別移取適量的12種PAHs的標準儲備溶液，用二氯甲烷稀釋混合而成。

所用試劑均為色譜純；試驗用水為超純水。

1.2 儀器工作條件

1)色譜條件 HP-5MS 石英毛細管色譜柱(60 mm×0.25 mm，0.25μm)；進樣口溫度290 ℃；載氣為氦氣(純度為99.999 5%)；流量1.3 m L·min－1；恒壓分流模式，分流比為20∶1；進樣量1μL。柱升溫程序:初始溫度90 ℃，保持2 min；以15 ℃·min－1速率升溫至180 ℃，保持15 min；以10 ℃·min－1速率升溫至250 ℃，保持2 min；以10 ℃·min－1速率升溫至290 ℃，保持10 min。

2)質(zhì)譜條件 電子轟擊離子源；溶劑延遲4 min；選擇離子監(jiān)測模式。其余質(zhì)譜參數(shù)見表1。

1.3 試驗方法

1.3.1 樣品采集及保存

所有污泥樣品均采集自某污水處理廠生物池中，將生物池中活性污泥脫水后得到脫水污泥。取適量的脫水污泥，冷凍干燥至污泥完全脫水后，將完全干燥后的污泥樣品過0.150 mm(100目)篩，得到適當粒徑大小的污泥樣品，放冰箱冷凍保存。

1.3.2 樣品前處理過程

沉積物中PAHs的測定過程可分為提取和凈化兩個部分。在提取過程中，使用30 m L的體積比為1∶1的乙酸乙酯和丙酮的混合液(提取溶劑)對適當粒徑大小的污泥樣品(約1 g)進行提取，然后將上述混合物在2 500 r·min－1轉(zhuǎn)速下渦旋30 s、在40 k Hz的頻率和200 W 的功率下超聲1.0 h、在8 000 r·min－1轉(zhuǎn)速下離心5 min，取上清液。在凈化過程中，使用硅固相萃取柱對上清液進行凈化，將凈化后的溶劑進行氮吹至1.0 m L，最后按儀器工作條件進行測定。

表1 質(zhì)譜參數(shù)Tab.1 MS parameters

2 結(jié)果與討論

2.1 色譜行為

按儀器工作條件對12種PAHs的混合標準溶液進行測定，色譜圖見圖1。

按試驗方法對污泥樣品進行分析，污泥樣品的色譜圖見圖2。

圖1 12種PAHs的混合標準溶液的色譜圖Fig.1 Chromatogram of mixed standard solution of 12 PAHs

圖2 污泥樣品的色譜圖Fig.2 Chromatogram of sludge sample

2.2 提取溶劑的選擇

根據(jù)“相似相溶”原理，作為有機物的PAHs可以使用極性相似的有機溶劑提取出來。用來作為沉積物中PAHs的提取溶劑一般有二氯甲烷、正己烷、丙酮和乙酸乙酯。試驗分別使用上述純?nèi)軇┗蛴蒙鲜銎渲袃煞N溶劑等比例的混合液來對污泥中的PAHs進行提取，共有10種提取溶劑可供選擇。當乙酸乙酯作為提取溶劑時，有機物有很好的提取效果，但同時也會從沉積物中帶出大量雜質(zhì)[15]，因此乙酸乙酯不適宜作為提取溶劑。二氯甲烷具有較大毒性，不能用二氯甲烷或者體積比為1∶1的二氯甲烷和乙酸乙酯的混合液作為提取溶劑。其余7種提取溶劑依次為體積比為1∶1的乙酸乙酯和丙酮的混合液、體積比為1∶1的二氯甲烷和丙酮的混合液、體積比為1∶1的正己烷和丙酮的混合液、體積比為1∶1的乙酸乙酯和正己烷的混合液、體積比為1∶1的二氯甲烷和正己烷的混合液、丙酮、正己烷。按試驗方法考察了上述7 種提取溶劑對12 種PAHs回收率的影響，結(jié)果見圖3，以回收率為60%～130%為有效回收率。

由圖3可知:體積比為1∶1的乙酸乙酯和丙酮的混合液作為提取溶劑時，只有BPE 回收率達不到要求；體積比為1∶1的乙酸乙酯和正己烷的混合液作為提取溶劑時，只有ANT 和PYR 的回收率不滿足要求，其余5種提取溶劑提取PAHs時，滿足回收率要求的PAHs均比體積比為1∶1的乙酸乙酯和丙酮的混合液少。產(chǎn)生上述結(jié)果的原因可能是丙酮與二氯甲烷具有很強的親核性，而PAHs具有較大的電子密度和強親核性，因此與沉積物基質(zhì)相比，丙酮與二氯甲烷對PAHs有更強的競爭力，同時丙酮具有很強的溶解能力，更加有利于PAHs進入到液相當中[16]。當乙酸乙酯與丙酮混合作為提取溶劑時，PAHs的提取效果均較好，可能是由于乙酸乙酯與丙酮混合時，兩種溶劑相互接觸，使得雜質(zhì)不易轉(zhuǎn)移到提取溶劑中。比較7 種提取溶劑的提取效果，試驗選擇提取溶劑為體積比為1∶1的乙酸乙酯和丙酮的混合液。

圖3 提取溶劑對12種PAHs回收率的影響Fig.3 Effect of extraction solvent on values of recovery of 12 PAHs

2.3 超聲時間的選擇

提取溶劑與沉積物基質(zhì)混合后，需經(jīng)渦旋、超聲等步驟使目標物更好地溶解到提取溶劑中。按試驗方法考察了超聲時間依次為0，0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 h時對12種PAHs回收率的影響，結(jié)果見圖4，以回收率為60%～130%為有效回收率。

由圖4可知:超聲時間為0 h時，只有ANY 和BPE 的回收率在有效回收率范圍內(nèi)；超聲時間為0.5 h時，ANY、PHE、Ba A、IPY 和BPE 的 回 收 率均在有效回收率范圍內(nèi)；超聲時間為1.0 h時，滿足回收率要求的PAHs迅速增加到11種，只有ANT的回收率不滿足要求；當超聲時間大于1.0 h時，滿足回收率要求的PAHs穩(wěn)定在11種，與超聲時間1.0 h時的提取效果相似。這說明超聲時間為1.0 h時，沉積物中的PAHs已經(jīng)與提取溶劑充分接觸，并最大程度地轉(zhuǎn)移到提取溶劑中。試驗選擇超聲時間為1.0 h，既可以節(jié)省整個前處理時間，也可以滿足PAHs的測定需求。

圖4 超聲時間對12種PAHs回收率的影響Fig.4 Effect of ultrasonic time on values of recovery of 12 PAHs

2.4 固相萃取柱的選擇

C18、HLB等填料柱為反相固相萃取柱，填料物質(zhì)極性小，可用來分析非極性到中等極性的化合物；硅、Florisil、Alumina等填料柱為正相固相萃取柱，填料物質(zhì)極性大，可用來分析中等極性到極性的化合物。在沉積物中，相比PAHs而言，雜質(zhì)極性較大，因此應(yīng)盡量選擇正相固相萃取柱，利用其中的極性填料來吸附雜質(zhì)，達到除雜的目的。一般常用的正相固相萃取柱有硅、Florisil、AL-A、AL-B、AL-N等，依次選用以上5種固相萃取柱與C18反相固相萃取柱(作為對比)，總共6種固相萃取柱作為凈化柱，考察了PAHs在不同種類的固相萃取柱上的凈化能力。每種固相萃取柱分別做3組空白樣品及3組加標量為200μg·L－1的基質(zhì)加標樣品，分別計算每種固相萃取柱對于PAHs的回收率，回收率為60%～130%為有效回收率，固相萃取柱對12 種PAHs回收率的影響見圖5。

由圖5 可知:硅固相萃取柱作為凈化柱時，11種PAHs均滿足回收率要求；其他種類的固相萃取柱作為凈化柱時，不是所有PAHs都在有效回收率范圍之內(nèi)；當C18固相萃取柱作為凈化柱時，NAP、ANY、FLU、PHE、FLT、Ba A 和BPE 等7種PAHs均不滿足回收率要求。PAHs為一類弱極性的化合物，填料物質(zhì)為強極性的正相固相萃取柱對PAHs有更好的凈化效果。因此，硅、Florisil、ALA、AL-B、AL-N 固相萃取柱相比C18固相萃取柱有更好的凈化作用。AL-A、AL-B、AL-N 等3種固相萃取柱中，中性AL固相萃取柱凈化效果最好，酸性或者堿性都會影響填料對PAHs的凈化效果。硅和Florisil固相萃取柱對PAHs的凈化效果差不多，但硅固相萃取柱有更好的精密性，且硅固相萃取柱相比較中性AL 固相萃取柱而言，精密性也較好。因此，試驗選用硅固相萃取柱作為PAHs的凈化柱。

圖5 固相萃取柱對12種PAHs回收率的影響Fig.5 Effect of solid phase extraction column on values of recovery of 12 PAHs

2.5 標準曲線和檢出限

按儀器工作條件對PAHs的混合標準溶液系列進行測定，并繪制標準曲線。結(jié)果表明:12 種PAHs的質(zhì)量分數(shù)均在5～500μg·kg－1內(nèi)與其對應(yīng)的峰面積呈線性關(guān)系，線性回歸方程和相關(guān)系數(shù)見表2。

根據(jù)MDL＝t(n－1，0.99)×s[其 中，t(n－1，0.99)為 置信度99%、自由度(n－1)時的t 值，n 為重復(fù)測定的次數(shù)]計 算 方 法 的 檢 出 限。當n＝7時，t(n－1，0.99)為3.143，檢出限結(jié)果見表2。

2.6 精密度和準確度

以污水處理廠的脫水污泥作為空白樣品，按試驗方法進行加標回收試驗，計算回收率和測定值的相對標準偏差(RSD)，結(jié)果見表3。

表2 線性回歸方程、相關(guān)系數(shù)和檢出限Tab.2 Linear regression equations，correlation coefficients and detection limits

表3 回收試驗結(jié)果(n＝7)Tab.3 Results of test for recovery(n＝7) %

由表3可知:回收率為54.9%～108%，RSD 為0.10%～5.4%。

2.7 樣品分析

按試驗方法對某污水處理廠的脫水污泥樣品進行分析，平行測定3次，測定結(jié)果見表4?！芇AHs為12種PAHs測定值的總和。

由表4可知:污泥中PAHs的單體質(zhì)量分數(shù)為8.77～592 μg·kg－1，∑PAHs 的 質(zhì) 量 分 數(shù) 為2 000μg·kg－1左右；根據(jù)土壤中PAHs污染標準(PAHs質(zhì)量分數(shù)小于200μg·kg－1，為無污染土壤；PAHs質(zhì)量分數(shù)為200～600μg·kg－1，為輕污染土壤；PAHs質(zhì)量分數(shù)為600～1 000μg·kg－1，為污染土壤；PAHs質(zhì)量分數(shù)大于1 000μg·kg－1，為重污染土壤)，污泥樣品中PAHs平均質(zhì)量分數(shù)為2 065μg·kg－1，屬于重污染土壤，在進行深土填埋時，要通過必須的生物化學(xué)手段，將污泥中的PAHs含量進行吸附或者降解，以降低污泥中PAHs對周圍環(huán)境的影響，保證污泥能夠達到規(guī)定的深土填埋標準[17-18]。

表4 樣品分析結(jié)果Tab.4 Analytical results of the samples μg·kg－1

本工作建立了超聲輔助提取-固相萃取-氣相色譜-質(zhì)譜法測定污泥中12種PAHs的分析方法，為沉積物中PAHs的測定提供了試驗方案，為污泥中PAHs對環(huán)境的影響提供了測定依據(jù)。