土壤中多環(huán)芳烴前處理凈化過程的研究

邱 祥, 郭露露, 余佳慧, 楊恩博, 魯 徐

(中國檢驗認證集團湖南有限公司, 湖南 長沙 410000)

多環(huán)芳烴(polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs)是一類具有稠合多苯結構的化合物，在環(huán)境中廣泛存在于油性物質、沉積物和土壤中[1-2].土壤中的PAHs被作物吸收、累積、遷移及代謝，最終進入人體，由于部分PAHs具有致癌、致畸和致突變的性質而受到人們的重視[3]，美國環(huán)境保護總署將其列入優(yōu)先控制污染物名單.因此，建立準確、可靠的PAHs檢測方法，對保護人體健康和維護生態(tài)系統(tǒng)安全具有重要的現(xiàn)實意義.

近年來，PAHs的檢測在環(huán)境、食品、植物等領域都有廣泛的研究[4-6].環(huán)境中的多環(huán)芳烴進入土壤的方式有降雨、降雪、降塵等，目前越來越多的國內外學者對土壤中的PAHs進行研究[7].由于土壤基質的復雜性，以及PAHs含量僅是痕量級的，對其測定比較困難，因此準確測定出土壤中PAHs的含量是當代環(huán)境分析中的一個前沿課題.加壓流體萃取以及固相萃取技術不但操作簡單快速、選擇性好，而且自動化程度越來越高，是土壤和沉積物中PAHs的提取比較成熟的方法[8-10].目前土壤中PAHs的檢測方法已有多篇文獻對凈化步驟進行研究[11-15]，HJ 805-2016《土壤和沉積物 多環(huán)芳烴的測定 氣相色譜-質譜法》規(guī)定了土壤和沉積物中的PAHs的提取、濃縮、脫硫、凈化的要求和檢測方法.通過對市售的幾種硅酸鎂凈化小柱的驗證，發(fā)現(xiàn)采用硅酸鎂凈化小柱凈化得出的16種PAHs的洗脫率不一，其中分子量較大的茚并[1,2,3-cd]芘、二苯并[a，h]蒽、苯并[g，h，i]苝的洗脫率較其他物質偏低，從而導致這三種物質的回收率偏低.因此，本文開展了凈化小柱、活化溶劑、洗脫溶劑和不同洗脫溶劑比例對樣品中多環(huán)芳烴的洗脫和凈化效率影響的研究，得出了最優(yōu)組合，為保護環(huán)境、節(jié)約成本和準確測定復雜機制中的PAHs提供了可靠、有效的科學依據.

1 材料和方法

1.1 試劑和材料

1.2 儀器和設備

TQ 8030氣相色譜-質譜儀(島津公司)：電子轟擊(EI)電離源.高效快速溶劑萃取儀(萊博泰科)：FLEX-HPSE.HP-5MS氣相色譜柱，長30 m，內徑0.25 mm，膜厚0.25 μm，固定相為5%-苯基-甲基聚硅氧烷.真空冷凍干燥機(北京松源).旋轉蒸發(fā)儀(瑞士 Buchi).氮吹儀(美國 Organomation).20、200和1 000 μL移液槍(島津 WondaPipet).針頭過濾器(13 mm，0.45 μm).2 mL棕色樣品瓶.2.5 mL一次性塑料注射器.

1.3 實驗操作

1.3.1 試樣的制備

取硅藻土于450 ℃下烘5 h，作為空白樣品備用；取多環(huán)芳烴及替代物標準儲備液10 μL于50 mL容量瓶中，正己烷定容至刻度，得到濃度為0.2 mg/L的標準使用液，取1.0 mL的標準使用液添加至10.0 g空白樣品中，得到含量為20.0 μg/kg的樣品，作為測試樣品備用；取50.0 μL的標準使用液添加至10.0 g空白樣品中，得到含量為1.0 μg/kg的樣品，作為方法檢出限驗證樣品備用；取農用地表層土壤于-40 ℃下真空冷凍干燥24 h，研磨過1 mm篩，作為實際樣品備用；用市售有證標準物質及實際樣品加標作為質控樣品備用.稱取10.0 g各待測樣品放入高效快速溶劑萃取儀中，在溫度為100 ℃，壓力為10 MPa的條件下靜態(tài)萃取5 min，重復萃取2次，收集提取液，用旋轉蒸發(fā)儀濃縮至5 mL，濃縮液待凈化.

1.3.2 試樣的凈化

1.3.2.1 凈化小柱的選擇

選取4種常見市售硅酸鎂凈化小柱(Agela、CNW、Agilent、DIKMA)，將1.3.1中驗證樣品按HJ 805-2016中硅酸鎂凈化小柱凈化的要求進行凈化.用4 mL二氯甲烷淋洗硅酸鎂固相萃取柱，加入5 mL正己烷，待固相填充材料全部浸濕后，保留5 min，然后打開流量控制器，繼續(xù)加入5 mL正己烷，在固相填料暴露于空氣之前，關閉流量控制器，放入收集管.將測試樣品濃縮液全部轉移至凈化小柱中，用2 mL的正己烷重復浸洗濃縮器皿3次，浸洗液全部轉移至凈化小柱中.緩慢打開流量控制器，在固相填料暴露于空氣之前關閉流量控制器，再加入5 mL二氯甲烷-正己烷(10∶90, 體積比，下同)的洗脫液進行洗脫，待凈化小柱全部浸滿后，保留5 min，緩緩打開流量控制器，再加入5 mL二氯甲烷-正己烷(10∶90)的洗脫液，并收集全部洗脫液，待濃縮.洗脫液用氮吹儀濃縮至0.5 mL，加入定量內標，并定容至1.0 mL，待測.

1.3.2.2 活化溶劑的選擇

按1.3.2.1的試驗結果選出最優(yōu)凈化小柱后，分別以二氯甲烷、丙酮、乙醚、石油醚和正己烷作為活化溶劑，其余按1.3.2.1的步驟進行，加入定量內標，并定容至1.0 mL，待測.

1.3.2.3 洗脫溶劑的選擇

按1.3.2.2的試驗結果選出最優(yōu)活化溶劑后，分別以二氯甲烷-正己烷混合溶劑(10∶90)、丙酮-正己烷混合溶劑(10∶90)、乙醚-正己烷混合溶劑(10∶90)和石油醚-正己烷混合溶劑(10∶90)作為洗脫溶劑，其余按1.3.2.1的步驟進行，加入定量內標，并定容至1.0 mL，待測.

1.3.2.4 洗脫溶劑比例的選擇

按1.3.2.3的試驗結果選出最優(yōu)洗脫溶劑后，梯度改變兩種溶劑的混合比例進行洗脫，其余按1.3.2.1的步驟進行，加入定量內標，并定容至1.0 mL，待測.

2 樣品分析

2.1 儀器條件

2.1.1 氣相色譜參考條件

進樣口溫度：280 ℃，不分流；進樣量：1.0 μL，柱流量：1.0 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.

2.1.2 質譜參考條件

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 ℃.溶劑延遲時間：5 min；掃描模式：選擇離子模式(SIM)模式.

2.2 校準

將多環(huán)芳烴標準儲備液、替代物和內標儲備液均配置成10.0 mg/L的標準中間液，分別移取5.0、10.0、50.0、100.0、500.0 μL的多環(huán)芳烴標準中間液和替代物中間液，取內標中間液100.0 μL用丙酮定容到10.0 mL.配制成5個濃度點的校準系列，使得16種多環(huán)芳烴和2種替代物的濃度均分別為5.0、10.0、50.0、100.0、500.0 μg/L，內標濃度均為100.0 μg/L.

2.3 實際樣品分析

用硅藻土作為空白樣品，進行空白試驗；用空白樣品加標作為驗證樣品，進行檢出限的驗證；用農用地表層土壤作為實際樣品，進行樣品分析；用有證標準物質和實際樣品加標作為質控樣品進行質控數(shù)據分析.樣品經高效快速溶劑萃取儀萃取后，按照步驟1.3.1～1.3.2進行凈化，按照步驟2.1～2.2進行上機分析.

3 結果與討論

3.1 樣品凈化過程的優(yōu)化

3.1.1 凈化小柱的選擇

選擇4種常見市售硅酸鎂凈化小柱(Agela、CNW、Agilent、DIKMA)，按1.3.2.1步驟凈化，測定洗脫液的濃度，計算不同凈化小柱的洗脫率，結果(表1)顯示，按HJ 805-2016中硅酸鎂凈化方法進行樣品凈化時，4種凈化小柱得出洗脫水平基本一致，其中茚并[1,2,3-cd]芘、二苯并[a，h]蒽和苯并[g，h，i]苝的洗脫率在60%左右，其余物質均大于80%.偏低的洗脫率和前處理萃取、轉移過程中的損失使得茚并[1,2,3-cd]芘、二苯并[a，h]蒽和苯并[g，h，i]苝這三種物質最終結果的準確度偏低.由于Agela凈化小柱較其他三種價格低，為節(jié)約成本和保護環(huán)境，選擇Agela凈化小柱進行后續(xù)操作，以期改善上述三種物質的洗脫率和提高檢測結果的準確度.

表1 不同品牌硅酸鎂凈化小柱的洗脫率統(tǒng)計結果

3.1.2 活化溶劑的選擇

根據極性的不同，選擇二氯甲烷、丙酮、乙醚、石油醚和正己烷作為活化溶劑，按1.3.2.2步驟凈化，測定洗脫液的濃度，計算選擇不同活化溶劑得出的洗脫率.結果(圖1)顯示，選擇正己烷作為活化溶劑時，茚并[1,2,3-cd]芘、二苯并[a，h]蒽和苯并[g，h，i]苝三種物質的洗脫率提高到70%左右，其余活化溶劑得出的洗脫率均低于70%，洗脫率得到改善.因此，在后續(xù)反應中選擇正己烷作為活化溶劑.

圖1 不同活化溶劑對洗脫率影響

3.1.3 洗脫溶劑的選擇

選擇二氯甲烷-正己烷(10∶90)、丙酮-正己烷(10∶90)、乙醚-正己烷(10∶90)、石油醚-正己烷(10∶90)作為洗脫溶劑，按1.3.2.3步驟凈化，測定洗脫液的濃度，計算選擇不同洗脫溶劑得出的洗脫率，結果見圖2.

圖2 不同洗脫溶劑對洗脫率影響

通過圖2可知，選擇丙酮-正己烷混合溶劑作為洗脫溶劑時，茚并[1,2,3-cd]芘、二苯并[a，h]蒽和苯并[g，h，i]苝三種物質的洗脫率提高到80%左右，其余活化溶劑得出的洗脫率均低于80%，洗脫率再次提高.因此，在后續(xù)反應中選擇丙酮-正己烷混合溶劑作為洗脫溶劑.

3.1.4 洗脫溶劑比例的選擇

選擇不同梯度配比的丙酮-正己烷(10∶90)、丙酮-正己烷(20∶80)、丙酮-正己烷(30∶70)、丙酮-正己烷(40∶60)、丙酮-正己烷(50∶50)和丙酮-正己烷(60∶40)作為洗脫溶劑，按1.3.2.4步驟凈化，測定洗脫液的濃度，計算選擇不同洗脫溶劑得出的洗脫率，結果見圖3.

圖3 不同配比的洗脫溶劑對洗脫率影響

通過圖3可知，隨著丙酮占比的增加，洗脫率也隨之增加，當增加到40%時，達到最高，隨后洗脫率隨著丙酮占比的增加而降低.而選擇丙酮-正己烷混合溶劑(40∶60)作為洗脫溶劑時，茚并[1,2,3-cd]芘、二苯并[a，h]蒽和苯并[g，h，i]苝三種物質的洗脫率提高到90%左右，其余洗脫溶劑得出的洗脫率均低于90%.當選用丙酮-正己烷混合溶劑(40∶60)作為洗脫溶劑時，得到的16種PAHs和2種替代物洗脫率如圖4，通過選擇離子掃描模式(SIM模式)，得到的16種PAHs和2種替代物的色譜圖如圖5.通過圖4和圖5可知，PAHs出峰明顯，而樣品雜質信號低，16種PAHs和2種替代物的洗脫率在90%～105%之間，多環(huán)芳烴洗脫結果比較理想.故通過1.3.2.4步驟，選擇丙酮-正己烷混合溶劑(40∶60)的配比作為洗脫溶劑比例.

圖4 最優(yōu)洗脫溶劑配比下得出的洗脫率

1—萘；2—2-氟聯(lián)苯；3—苊烯；4—苊；5—芴；6—菲；7—蒽；8—熒蒽；9—芘；10—對三聯(lián)苯-d14，11—苯并(a)蒽；12—；13—苯并(b)熒蒽；14—苯并(k)熒蒽；15—苯并(a)芘；16—茚并(1,2,3-cd)芘；17—二苯并(a，h)蒽；18—苯并(g，h，i)苝

3.2 方法質量控制與保證

3.2.1 空白試驗、線性關系與方法檢出限

按照步驟2.3，進行空白試驗.結果(表2)顯示，空白樣品中均未檢測出16種PAHs及2種替代物.證明經過優(yōu)化的步驟不會帶來待測物的干擾和污染.對步驟2.2的5個標準濃度點系列進行線性回歸分析，結果(表2)顯示，16種PAHs及2種替代物的相關系數(shù)為0.998 1～0.999 8，線性關系良好.因空白試驗中未檢測出目標物，故對加標水平為3～5倍方法檢出限值(1.0 μg/kg)的空白樣品進行連續(xù)7次平行測定，計算7次平行測定的標準偏差，在自由度為6，置信水平為99%的條件下，計算出方法檢出限(MDL)為0.10～0.35 μg/kg，優(yōu)于土壤和沉積物中多環(huán)芳烴的測定標準方法中0.08～0.17 mg/kg的方法檢出限，也滿足《全國土壤污染狀況詳查土壤樣品分析測試方法技術規(guī)定》的0.12～0.39 μg/kg的PAHs方法檢出限要求.

表2 16種PAHs的空白試驗結果、線性方程、相關系數(shù)及方法檢出限(MDL)

3.2.2 方法精密度和準確度

按照步驟2.3，用農用地表層土壤作為實際樣品，重復6次，進行樣品分析，用有證標準物質和實際樣品加標作為質控樣品進行分析.結果(表3)顯示，16種PAHs測定結果的相對標準偏差在0.48%～4.9%之間.16種PAHs的加標回收率在85.6%～101.2%之間.通過有證標準物質的測定，16種PAHs的結果均在有證標準物質可控范圍內.以上數(shù)據說明通過改進的凈化步驟，能夠得出良好的精密度和準確度，該凈化方法可以滿足相關的實驗要求.

表3 土壤中16種PAHs的質控數(shù)據

4 結論

以萃取液為研究對象，用實際樣品和有證標準物質驗證結果.經過上述實驗，在多環(huán)芳烴前處理凈化過程中，選擇Agela硅酸鎂凈化小柱、正己烷作為活化溶劑、丙酮-正己烷混合溶劑(40∶60)作為洗脫溶劑時，多環(huán)芳烴的洗脫率較按HJ 805-2016得出的PAHs洗脫率有了很大提高，洗脫率控制在90%～105%之間，回收率在85.6%～101.2%之間，相對標準偏差控制在0.48%～4.9%之間.該方法準確度高，重現(xiàn)性好，能夠減少樣品的損失和污染，適用于土壤中16種PAHs的前處理.