加速溶劑萃取-磁固相萃取凈化-氣相色譜-質(zhì)譜法測(cè)定土壤中16種多環(huán)芳烴和23種有機(jī)氯殘留

魏 丹, 國 明, 吳慧珍, 張 菊

(1. 河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院, 河北 石家莊 050061; 2. 浙江省化工研究院有限公司分析測(cè)試中心, 浙江 杭州 310023; 3. 浙江樹人大學(xué)生物與環(huán)境工程學(xué)院, 浙江 杭州 310015)

多環(huán)芳烴(PAHs)和有機(jī)氯農(nóng)藥(OCPs)是一類具有致癌、致畸、致突變,且具有環(huán)境持久性、生物蓄積性、難降解性的親脂類疏水性有機(jī)污染物,可在環(huán)境介質(zhì)中相互遷移,通過生物富集和食物鏈對(duì)人類健康和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成了潛在危害。土壤是持久性有機(jī)污染物(POPs)的主要環(huán)境介質(zhì)之一,對(duì)PAHs和OCPs有儲(chǔ)藏和中轉(zhuǎn)的作用。OCPs是斯德哥爾摩公約中優(yōu)先控制的持久性有機(jī)污染物之一,而美國環(huán)保局(USEPA)也已將16種PAHs列入優(yōu)先控制的持久性有機(jī)污染物名單[1-4]。

目前,土壤中的PAHs和OCPs的檢測(cè)方法主要有氣相色譜(GC)法和氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)法等[5-7],其中,GC-MS法分離性能良好,抗干擾能力強(qiáng)，靈敏度高,是近年來應(yīng)用日益廣泛的一種檢測(cè)方法[8]。目前國內(nèi)外針對(duì)土壤中的PAHs和OCPs的樣品前處理方法主要有QuEChERS法、加速溶劑法(ASE)、固相萃取法(SPE)和磁固相萃取法(MSPE)等[9-13],但是在對(duì)大量樣品處理的適用性方面存在著一些問題,如QuEChERS方法的檢出限高、價(jià)格高,ASE的凈化效果較差,SPE操作較為繁瑣等,并且其中大多樣品前處理和分析僅是針對(duì)這兩類有機(jī)污染物的一類或是幾種。鑒于大規(guī)模的土壤質(zhì)量調(diào)查任務(wù)中存在時(shí)間短、項(xiàng)目多的問題,提高土壤監(jiān)測(cè)工作的時(shí)效性十分重要,因此開發(fā)土壤中PAHs和OCPs多組分化合物同時(shí)快速、靈敏的分析方法具有十分重要的意義。

隨著樣品前處理技術(shù)的不斷發(fā)展,簡(jiǎn)單高效且成本低的精準(zhǔn)測(cè)定是土壤中持久性有機(jī)污染物檢測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)。ASE法具有萃取時(shí)間短、溶劑消耗少、操作自動(dòng)化程度高、提取充分、速度快等優(yōu)點(diǎn),被廣泛用于環(huán)境、食品樣品中有機(jī)污染物的檢測(cè)中[14-16]。作為一種新型SPE, MSPE具有操作簡(jiǎn)便、萃取速度快、有機(jī)溶劑用量少等優(yōu)點(diǎn),越來越受到人們的廣泛關(guān)注[17-19]。選擇合適的磁性萃取介質(zhì)是MSPE的核心,新型多孔材料咪唑酯骨架結(jié)構(gòu)(ZIFs)具有穩(wěn)定性好、孔隙率高、比表面積大、孔結(jié)構(gòu)可控、易修飾等特點(diǎn),可以高效吸附土壤中的有機(jī)污染物,如染料、有機(jī)酸、芳烴化合物等有機(jī)溶質(zhì)[20-22]。目前ASE結(jié)合MSPE應(yīng)用于土壤中PAHs和OCPs多組分殘留檢測(cè)的研究報(bào)道較少。本文結(jié)合ASE和MSPE,利用ASE萃取土壤中的PAHs和OCPs,經(jīng)室溫溶劑攪拌法制備磁性金屬有機(jī)骨架材料ZIF-8/nZVI進(jìn)行磁固相萃取凈化,采用GC-MS進(jìn)行測(cè)定,建立同時(shí)測(cè)定土壤中16種PAHs和23種OCPs多組分殘留的分析方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器、試劑與材料

GCMS-TSQ 9000三重四極桿質(zhì)譜儀、Chromeleon數(shù)據(jù)處理軟件(配有自動(dòng)進(jìn)樣器,美國Thermo Scientific公司),用于檢測(cè)16種PAHs和23種OCPs; Agilent 1290 infinity高效液相色譜-6460 TripleQuad質(zhì)譜儀(帶自動(dòng)進(jìn)樣器,美國Agilent公司),使用時(shí)未連接色譜柱,用于驗(yàn)證凈化效果;IKA-RV10真空濃縮儀(德國IKA公司); ASE350型加速溶劑萃取儀,配置34 mL萃取池(美國Thermo Scientific公司); Milli-Q超純水儀(美國Millipore公司); MS1003S電子天平(精確至0.000 1 g,瑞士Mettler Toledo公司); D8 Advance型X射線粉末衍射(XRD)(德國Bruker公司); Nicolet 5700型傅里葉變換紅外(FT-IR)光譜儀(美國Nicolet公司); GeminiSEM 300型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)(德國Carl Zeiss公司)。

16種PAHs混合標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液和23種OCPs混合標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液(均為2 000 mg/L,上海安譜實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司),均于-10 ℃低溫保存;丙酮、正己烷、二氯甲烷(均為農(nóng)殘級(jí))、硅藻土(20～100目)均購自上海安譜實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司;納米零價(jià)鐵(nZVI,純度>99.5%)(深圳微納科技有限公司); 2-甲基咪唑與醋酸鋅(分析純,上海阿拉丁試劑有限公司)。

標(biāo)準(zhǔn)溶液配制:分別移取質(zhì)量濃度均為2 000 mg/L的16種PAHs和23種OCPs標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液,用正己烷稀釋,配制成質(zhì)量濃度均為100 mg/L的39 種目標(biāo)物的混合標(biāo)準(zhǔn)中間液,于-10 ℃低溫保存;然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求移取適量的混合標(biāo)準(zhǔn)中間液,以空白土壤樣品凈化液為基底配制不同含量的基質(zhì)匹配混合標(biāo)準(zhǔn)工作液,用正己烷-丙酮(1∶1, v/v)為溶劑配制不同質(zhì)量濃度的混合標(biāo)準(zhǔn)工作液,現(xiàn)配現(xiàn)用。

磁性ZIF-8/nZVI材料的制備:參考文獻(xiàn)[23],采用室溫溶劑自組裝法制備ZIF-8。取1.084 2 g醋酸鋅加入100 mL水中得到溶液Ⅰ,取3.282 4 g 2-甲基咪唑于100 mL水中得到溶液Ⅱ,將溶液Ⅰ快速加入到溶液Ⅱ中,室溫(25 ℃)攪拌24 h,靜置,離心,得到白色沉淀,使用20 mL水洗滌3次,再使用20 mL甲醇洗滌3次,80 ℃烘干,得到片狀ZIF-8;然后將ZIF-8和nZVI按1∶1(質(zhì)量比)混合后研磨1 h,得到磁性材料ZIF-8/nZVI。

1.2 樣品前處理

1.2.1樣品采集及處理

采集土壤樣品,挑除石子等異物,充分混勻后將樣品放入-38 ℃的高低溫試驗(yàn)箱進(jìn)行4 h預(yù)冷凍,然后用真空冷凍干燥儀對(duì)樣品進(jìn)行脫水,凍干后充分研磨、過篩(20目)。

1.2.2樣品萃取

稱取20 g(精確至0.01 g)樣品及適量硅藻土放入玻璃研缽中,摻拌均勻,研磨成細(xì)粒狀,裝入34 mL萃取池中進(jìn)行加速溶劑萃取。萃取溶劑為二氯甲烷-正己烷(1∶1, v/v),萃取溫度為100 ℃,萃取壓力為11.032 MPa,加熱時(shí)間為5 min,靜態(tài)萃取時(shí)間為5 min,循環(huán)萃取3次,沖洗體積為60%萃取池體積,氮?dú)獯祾?00 s,收集全部萃取液,30 ℃旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至近2 mL,用少量二氯甲烷-正己烷(1∶1, v/v)混合溶劑將旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)瓶底部沖洗2次,合并全部的濃縮液至10 mL試管中,氮吹至干,最后用二氯甲烷-正己烷(1∶1, v/v)混合溶劑定容至1 mL,待凈化。

1.2.3樣品凈化

稱取100 mg的ZIF-8/nZVI磁性材料置于50 mL燒杯中,然后加入1 mL處理后的樣品溶液,室溫下振蕩15 min,待吸附完全后,利用磁鐵將磁性粒子與樣品溶液分離,收集上清液在氮?dú)庀麓蹈?定容至1 mL,混勻后轉(zhuǎn)移至2 mL樣品瓶中,GC-MS進(jìn)行定量分析。

1.3 儀器條件

氣相色譜條件:HP-5MS石英毛細(xì)管色譜柱(30 m×0.25 mm, 0.25 μm)(美國安捷倫科技公司),進(jìn)樣口溫度280 ℃,分流比10∶1,進(jìn)樣量1.0 μL,柱流量1.2 mL/min(恒流);柱溫:80 ℃保持2 min;以20 ℃/min速率升至180 ℃,保持5 min;再以10 ℃/min速率升至290 ℃,保持5 min。

質(zhì)譜條件:電子轟擊源(EI),離子源溫度230 ℃,離子化能量70 eV,接口溫度280 ℃,四極桿溫度150 ℃,溶劑延遲時(shí)間5 min;掃描模式為選擇離子監(jiān)測(cè)(SIM)模式。16種PAHs和23種OCPs的質(zhì)譜參數(shù)見表1。

2 結(jié)果與討論

2.1 磁性材料的表征

圖1a為室溫法制備所得ZIF-8/nZVI的掃描電鏡(SEM)圖,該圖揭示了材料的微觀結(jié)構(gòu)。以水為溶劑制備的ZIF-8的形狀為片狀,粒徑大小約為1.5 μm,圖1a中ZIF-8/nZVI表面粗糙說明了ZIF-8和nZVI的有效結(jié)合。圖1b是nZVI、ZIF-8/nZVI、ZIF-8的FT-IR圖,從中可以看出,ZIF-8的FT-IR光譜圖與文獻(xiàn)[23]中一致,其中2 925 cm-1處的吸收峰屬于咪唑環(huán)中C-H鍵的伸縮振動(dòng)峰;ZIF-8在2 600 cm-1和1 843 cm-1處沒有發(fā)現(xiàn)氫鍵的吸收峰和咪唑環(huán)中N-H鍵的振動(dòng)吸收峰,表明2-甲基咪唑已完全去質(zhì)子化,與鋅共價(jià)結(jié)合成ZIF-8,且ZIF-8/nZVI顯示出和ZIF-8一樣的特征吸收峰,進(jìn)一步證明了ZIF-8和nZVI的有效結(jié)合。圖1c是ZIF-8單晶粉末的XRD衍射圖,從中可以看出,制備所得的ZIF-8出現(xiàn)衍射峰的位置與理論上ZIF-8特征衍射峰位置一致。

表 1 16種PAHs和23種OCPs的質(zhì)譜條件

圖 1 (a)ZIF-8/nZVI的SEM圖,(b)nZVI、ZIF-8/nZVI、ZIF-8的FT-IR圖與(c)ZIF-8的XRD圖 Fig. 1 (a) SEM image of ZIF-8/nZVI, (b) FT-IR spectra of nZVI, nZVI/ZIF-8, ZIF-8, and (c) X-ray diffraction (XRD) patterns of ZIF-8

圖 2 (a)萃取溶劑和(b)萃取溫度對(duì)16種PAHs和23種OCPs回收率的影響Fig. 2 Effects of (a) extraction solvent and (b) temperature on recoveries of the 16 PAHs and the 23 OCPs

2.2 萃取條件的優(yōu)化

2.2.1萃取溶劑

萃取溶劑對(duì)目標(biāo)化合物的溶解性是影響萃取回收率的最重要因素,由于大多數(shù)PAHs和OCPs是非極性化合物,主要使用正己烷、二氯甲烷進(jìn)行萃取[8,9,16],有時(shí)也會(huì)使用一定量的丙酮進(jìn)行萃取[6]。本試驗(yàn)考察了正己烷、二氯甲烷、丙酮兩兩混合液對(duì)空白加標(biāo)樣品(100 μg/kg)萃取回收率的影響,結(jié)果見圖2a所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,二氯甲烷-正己烷(1∶1, v/v)和丙酮-正己烷(1∶1, v/v)對(duì)39種目標(biāo)物的萃取效率相當(dāng),多數(shù)目標(biāo)物的回收率在>80%區(qū)間范圍內(nèi)。但是,二氯甲烷-正己烷(1∶1, v/v)萃取液的顏色較淺,共提雜質(zhì)較少,部分樣品呈無色透明,而丙酮-正己烷(1∶1, v/v)萃取液的顏色偏深,可能含有大量色素等共提雜質(zhì)。因此,本試驗(yàn)選擇二氯甲烷-正己烷(1∶1, v/v)混合液作為ASE的萃取溶劑。

2.2.2萃取溫度

加速溶劑萃取是一種高溫高壓的萃取方式,萃取溫度對(duì)萃取效率影響較大。試驗(yàn)考察了萃取溫度分別為60、80、100、120 ℃時(shí)對(duì)空白加標(biāo)樣品(100 μg/kg)萃取回收率的影響,結(jié)果見圖2b。由圖2b可知,當(dāng)萃取溫度從60 ℃升高至100 ℃時(shí),回收率>80%的目標(biāo)物個(gè)數(shù)逐漸增加(由25個(gè)增加至35個(gè));當(dāng)萃取溫度為100 ℃時(shí),大多數(shù)目標(biāo)物的萃取回收率>80%;繼續(xù)升高萃取溫度至120 ℃時(shí),回收率未見明顯提高,低沸點(diǎn)的目標(biāo)分析物萃取效率反而降低。由于過高的萃取溫度可能導(dǎo)致低沸點(diǎn)目標(biāo)物在加速溶劑萃取過程中揮發(fā),從而造成損失,因此,本實(shí)驗(yàn)選擇100 ℃為萃取溫度。

2.2.3循環(huán)萃取次數(shù)

本實(shí)驗(yàn)考察了循環(huán)萃取次數(shù)(1、2、3和5次)對(duì)16種PAHs和23種OCPs萃取回收率的影響,結(jié)果表明,循環(huán)萃取3次時(shí)萃取回收率為67.1%～110.9%,其中30個(gè)目標(biāo)物萃取回收率>80%;增加循環(huán)次數(shù),回收率并沒有明顯增加;考慮到時(shí)間和成本問題,最終選擇加速溶劑萃取的循環(huán)次數(shù)為3次。

2.3 凈化條件的優(yōu)化

土壤樣品基質(zhì)較為復(fù)雜,萃取過程中可能有部分腐殖酸、脂類、色素和其他共萃物溶入萃取液中,影響目標(biāo)物的分析測(cè)定。本試驗(yàn)通過MSPE對(duì)ASE提取濃縮液進(jìn)行凈化,減少干擾物質(zhì)對(duì)目標(biāo)物測(cè)定的影響。試驗(yàn)主要考察了磁性凈化材料ZIF-8/nZVI的用量和凈化時(shí)間對(duì)凈化效果的影響。

2.3.1磁性材料使用量和凈化時(shí)間的優(yōu)化

對(duì)目標(biāo)物無吸附作用或吸附作用小是凈化劑選擇的重要因素之一,因此,試驗(yàn)首先考察了磁性材料ZIF-8/nZVI對(duì)39種目標(biāo)物的吸附作用,取1 mL混合標(biāo)準(zhǔn)溶液(100 μg/L),按照1.2.3節(jié)樣品凈化步驟進(jìn)行處理,GC-MS定量分析,平行3次試驗(yàn),結(jié)果顯示,ZIF-8/nZVI對(duì)目標(biāo)物幾乎不存在吸附作用,吸附率<10% (RSD<3.9%)。

由于ESI離子源適用范圍較廣,相較于EI離子源,無需氣化,可以直接進(jìn)質(zhì)譜儀分析,對(duì)儀器污染較小,因此本試驗(yàn)采用Agilent 1290 infinity高效液相色譜-6460 TripleQuad質(zhì)譜儀,在不連接色譜柱的條件下,使用ESI離子源驗(yàn)證MSPE的凈化效果。取1 mL空白土壤樣品ASE萃取液按照1.2.3節(jié)樣品凈化步驟進(jìn)行處理,對(duì)凈化前后的萃取液進(jìn)行ESI+、ESI-全掃描,平行3次試驗(yàn),比較質(zhì)譜響應(yīng)值的大小,質(zhì)譜響應(yīng)值大則說明雜質(zhì)干擾多,反之雜質(zhì)少。試驗(yàn)考察了不同用量(20、50、100、120、150 mg)的磁性材料對(duì)凈化效果的影響。當(dāng)磁性材料從20 mg增加至100 mg時(shí),基質(zhì)在ESI+和ESI-模式下的質(zhì)譜響應(yīng)信號(hào)均有明顯下降,凈化效果有明顯提高;繼續(xù)增加磁性材料用量至150 mg,質(zhì)譜響應(yīng)信號(hào)基本保持恒定。因此,磁性材料的最優(yōu)使用量為100 mg。同時(shí),試驗(yàn)考察了凈化時(shí)間為1～10 min對(duì)目標(biāo)物凈化效果的影響。當(dāng)凈化時(shí)間為由1 min增加到5 min時(shí),基質(zhì)在ESI+和ESI-模式下的質(zhì)譜響應(yīng)信號(hào)均有明顯下降,基質(zhì)凈化效果明顯提高;當(dāng)吸附時(shí)間超過5 min時(shí),質(zhì)譜響應(yīng)信號(hào)沒有明顯下降,因此,考慮到凈化效率,最終選擇ZIF-8/nZVI的使用量為100 mg,凈化時(shí)間為5 min,圖3為最優(yōu)條件下ESI+和ESI-模式下的色譜圖。

圖 4 16種PAHs和23種OCPs混合標(biāo)準(zhǔn)溶液(100 μg/L)的選擇離子色譜圖Fig. 4 Selected ion chromatogram for a standard mixture of the 16 PAHs and the 23 OCPs (100 μg/L) Peaks: 1. naphthalene; 2. acenaphthylene; 3. acenaphthene; 4. fluorene; 5. α-HCH; 6. hexachlorobenzene; 7. β-BHC; 8. γ-BHC; 9. phenanthrene; 10. anthracene; 11. δ-BHC; 12. heptachlor; 13. aldrin; 14. heptachlor epoxide; 15. fluoranthene; 16. α-chlordane; 17. pyrene; 18. endosulfanⅠ; 19. γ- chlordane; 20. dieldrin; 21. p,p′-DDE; 22. endrin; 23. endosulfanⅡ; 24. p,p′-DDD; 25. p,p′-DDT; 26. endrin aldehyde; 27. endosulfan sulfate; 28. p,p′-DDT; 29. endrin ketone; 30. benzo(a)anthracene; 31. chrysene; 32. methoxychlor; 33. mirex; 34. benzo(b)fluoranthene; 35. benzo(k)fluoranthene; 36. benzo(a)pyrene; 37. indeno(1,2,3-cd)pyrene; 38. dibenzo(a,h)anthracene; 39. benzo(g,h,i)perylene.

圖 3 當(dāng)ZIF-8/nZVI的使用量為100 mg凈化時(shí)間為5 min時(shí)ZIF-8/nZVI凈化前后的色譜圖Fig. 3 Chromatograms of ASE extracts before and after ZIF-8/nZVI purification with 100 mg ZIF-8/nZVI for 5 min Drying gas temperature: 300 ℃; sheath gas temperature: 250 ℃; drying gas flow rate: 5 L/min; sheath gas flow rate: 10 L/min; nebulizer pressure: 310.275 kPa; capillary voltage: 3500 V; nozzle voltage: 0 V. Drying gas; sheath gas and nebulizer gas: high pure nitrogen.

2.3.2重復(fù)利用性

為考察自制磁性材料的重復(fù)利用性,將處理過土壤提取液的吸附劑依次用1 mL的甲醇和水清洗,再進(jìn)行下一次凈化試驗(yàn)。經(jīng)過5次試驗(yàn),16種PAHs和23種OCPs的回收率變化較小(RSD<19.2%),結(jié)果表明,ZIF-8/nZVI具有良好的穩(wěn)定性。

2.4 GC-MS定性定量條件的建立

參照土壤中OCPs和PAHs的標(biāo)準(zhǔn)分析方法[24,25],對(duì)混合標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行分析,得到16種PAHs和23種OCPs (100 μg/L)的選擇離子色譜圖(見圖4), 39種物質(zhì)峰形尖銳對(duì)稱,除p,p-滴滴滴和o,p′-滴滴涕,硫丹硫酸酯和p,p′-滴滴涕共流出,保留時(shí)間相近外,其余組分分離度良好,因定性定量離子不同,不影響同時(shí)分析。由于待測(cè)組分較多,為了提高各組分檢測(cè)的靈敏度,在SIM模式下同時(shí)確定了各組分的定量離子和定性離子,16種PAHs和23種OCPs的質(zhì)譜條件參數(shù)見表1。

2.5 方法驗(yàn)證

在最佳萃取條件下,以空白土壤樣品為基底,配制5、20、80、100、120、160、200 μg/kg的混合標(biāo)準(zhǔn)工作液系列,以峰面積(y)對(duì)其質(zhì)量濃度(x)進(jìn)行線性回歸,建立基質(zhì)匹配工作曲線,減少基質(zhì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。對(duì)方法的線性范圍、檢出限(LOD,S/N=3)、定量限(LOQ,S/N=10)等參數(shù)進(jìn)行考察,結(jié)果見表2。結(jié)果表明,16種PAHs和23種OCPs的線性范圍為5～200 μg/kg,線性相關(guān)性良好,相關(guān)系數(shù)(r2)均大于0.99; 39種目標(biāo)物的LOD為0.04～1.21 μg/kg。

表 2 16種多環(huán)芳烴和23種有機(jī)氯農(nóng)藥的線性回歸方程、相關(guān)系數(shù)、檢出限(LOD)、定量限(LOQ)、加標(biāo)回收率和RSD(n=6)

對(duì)空白土壤樣品進(jìn)行加標(biāo)回收率試驗(yàn),在3個(gè)加標(biāo)水平(5、50、150 μg/kg)下得到的回收率為63.9%～112.1%,RSD為0.4%～26.2%(<30%),滿足土壤測(cè)定要求[24,25]。

2.6 實(shí)際樣品的測(cè)定

采集浙江省某工業(yè)用地不同點(diǎn)位的地表土樣品,編號(hào)為1～3,按照最優(yōu)實(shí)驗(yàn)方法對(duì)3個(gè)土壤樣品中16種PAHs和23種OCPs進(jìn)行測(cè)定,在3個(gè)樣品中均檢出不同濃度的殘留,其中PAHs和六氯苯的污染較為明顯,結(jié)果見表3。

表 3 實(shí)際土壤樣品分析結(jié)果

3 結(jié)論

本文利用加速溶劑萃取結(jié)合磁固相萃取凈化的樣品前處理技術(shù),采用氣相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜進(jìn)行測(cè)定,建立了土壤樣品中多環(huán)芳烴和有機(jī)氯農(nóng)藥殘留的檢測(cè)方法。通過優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件,使得本方法具有操作性強(qiáng)、快速簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確度高和精密度好的優(yōu)點(diǎn),能夠滿足對(duì)土壤樣品中的16種多環(huán)芳烴和23種有機(jī)氯農(nóng)藥殘留同時(shí)檢測(cè)的要求。