吹掃捕集-氣相色譜-質(zhì)譜法測定企業(yè)土壤及修復(fù)場地中的苯胺

崔仲義，李月紅，崔慶華，馬先慧，楊曉凌，王瑩瑩

(1.山東安和安全技術(shù)研究院有限公司，山東 濱州 256603；2.濱州市環(huán)境保護(hù)科學(xué)技術(shù)研究所，山東 濱州 256606)

苯胺作為一種基本的有機(jī)化工原料，廣泛應(yīng)用于染料、醫(yī)藥、農(nóng)藥、橡膠助劑和異氰酸酯等行業(yè)生產(chǎn)中[1]，由于中國目前大批污染企業(yè)搬遷、改造或關(guān)閉停產(chǎn)，導(dǎo)致城市及周邊地區(qū)出現(xiàn)了包括苯胺在內(nèi)的大量污染遺留場地[2]。苯胺可經(jīng)皮膚、呼吸道及消化道進(jìn)入人體，對人體多個系統(tǒng)具有毒性或致癌性[3]。我國2018年8月1日起實(shí)施的《土壤環(huán)境質(zhì)量建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 36600—2018)明確規(guī)定了土壤中的苯胺限值標(biāo)準(zhǔn)，但仍沒有配套的監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)方法。針對該問題，生態(tài)環(huán)境部要求暫時以《土壤和沉積物 半揮發(fā)性有機(jī)物的測定 氣相色譜-質(zhì)譜法》(HJ 834—2017)規(guī)定的加速溶劑萃取-氣相色譜-質(zhì)譜法(ASE-GC-MS)作為標(biāo)準(zhǔn)方法，但該方法過程煩瑣、溶劑消耗量大、回收率較低。目前已報道的土壤苯胺檢測方法有氣相色譜-質(zhì)譜法[4-6]、氣相色譜法[7-8]等。丁安幫等[4]采用超聲提取-氣相色譜-質(zhì)譜法測定土壤中的苯胺，加標(biāo)回收率為47.3%～56.3%，若對污染土壤進(jìn)行凈化處理，則回收率會更低。樣品前處理方法有超聲提取[4]、加壓流體萃取[5]、微波輔助萃取-固相萃取[6]、頂空進(jìn)樣[7-8]等，但尚未有人用吹掃捕集法進(jìn)行樣品前處理?，F(xiàn)采用吹掃捕集-氣相色譜-質(zhì)譜法(P&T-GC-MS)測定企業(yè)土壤及修復(fù)場地中的苯胺，用內(nèi)標(biāo)法定量，研究了該方法的實(shí)用性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器和試劑

1.1.1 儀器

GC-MS-QP2010型氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(日本島津公司)；石英毛細(xì)管柱：CP-Volamines(30 m×0.32 mm×5.0 μm，美國安捷倫公司)，DB-624(60 m×0.32 mm×1.8 μm，美國安捷倫公司)，Rtx-5MS(30 m×0.25 mm×0.1 μm，日本島津公司)；4552型水/土兩用自動進(jìn)樣器(美國OI分析儀器公司)，配40 mL棕色土壤樣品瓶(帶有聚四氟乙烯-硅膠襯墊螺旋蓋)；Eclipse 4660型吹掃捕集儀(美國OI分析儀器公司)；AP125WD型電子天平(日本島津公司)；GR3012土壤VOCs便攜式檢測儀(青島國瑞力恒環(huán)保公司)；2274型非擾動不銹鋼土壤采樣器(上海譜焰實(shí)業(yè)公司)；SX2-5-12型馬弗爐(天津泰斯特公司)；UPT-1-10L型超純水機(jī)(昆侖山超聲儀器公司)。

1.1.2 試劑

苯胺標(biāo)準(zhǔn)溶液(1 000 μg/mL，生態(tài)環(huán)境部標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究所)；氯苯-D5內(nèi)標(biāo)溶液(1 000 μg/mL，美國O2si公司)；甲醇、碳酸鈉、氯化鈉、氫氧化鈉(均為優(yōu)級純，天津科密歐公司)；超純水(電阻率>18.25 MΩ)；空白土樣(農(nóng)田土壤，馬弗爐200 ℃烘烤4 h)。

1.2 樣品采集

1.2.1 高濃度樣品

用土壤VOCs便攜式檢測儀對土樣目標(biāo)組分濃度進(jìn)行初篩，若ω>4 000 μg/kg，則用采樣器將土樣裝滿玻璃瓶(>60 mL)后密封，用于高濃度樣品測定，并按低濃度樣品采集要求采集一份備用。同時采集質(zhì)量>100 g的平行樣品，測定含水率。

1.2.2 低濃度樣品

用1.2.1方法對土樣進(jìn)行初篩，若目標(biāo)組分的ω≤4 000 μg/kg，則判定為低濃度樣品。向吹掃瓶內(nèi)加入清潔的磁力攪拌轉(zhuǎn)子，密封貼標(biāo)簽后稱重(精確到0.01 g)，用采樣器采集5 g左右土樣，加入吹掃瓶內(nèi)，密封后再次稱重。

1.3 樣品前處理

1.3.1 高濃度樣品

參照《土壤和沉積物 揮發(fā)性有機(jī)物的測定 吹掃捕集/氣相色譜-質(zhì)譜法》(HJ 605—2011)中土壤高濃度VOCs的測定方法。取1 g左右的樣品至40 mL無色樣品瓶內(nèi)，加入10 mL甲醇提取液，蓋好瓶蓋并振搖2 min，靜置沉降后，用一次性巴斯德吸管移取約1～1.5 mL至棕色玻璃瓶內(nèi)，用微量注射器移取100 μL提取液加入含有5 mL解吸液(飽和碳酸鈉)的氣密性注射器內(nèi)，同時加入與標(biāo)準(zhǔn)曲線等量的內(nèi)標(biāo)物氯苯-D5，然后將混合液注入40 mL吹掃瓶，通過水/土兩用自動進(jìn)樣器和吹掃捕集儀，自動導(dǎo)入氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀進(jìn)行分析。

1.3.2 低濃度樣品

在采集的低濃度土樣中加入5 mL解吸液，密封后搖勻，加入內(nèi)標(biāo)物，待測。

1.4 儀器條件

1.4.1 吹掃條件

吹掃氣源：高純氮?dú)?純度99.999%)；吹掃溫度：80℃；吹掃流量：40 mL/min；吹掃時間：11 min；干吹時間：1 min；脫附溫度：180 ℃；脫附時間：2 min；烘焙溫度：200 ℃；烘焙時間：8 min。

1.4.2 色譜條件

升溫程序：60 ℃保持3 min，以10 ℃/min升溫至150 ℃，保持8 min。進(jìn)樣方式：分流進(jìn)樣；分流比：10；色譜柱：CP-Volamines型石英毛細(xì)管柱；柱流量：2.65 mL/ min；載氣：高純氦氣(純度99.999%)。

1.4.3 質(zhì)譜條件

離子源：電子轟擊離子源(EI)；電壓：70 eV；溫度：255 ℃；模式：全掃描模式(定性)，單離子檢測掃描(SIM)模式(定量)；質(zhì)荷比(m/z)：35～200。通過譜庫檢索確定保留時間及離子碎片信息，苯胺定量離子為93，輔助離子為65，66；氯苯-D5定量離子為117，輔助離子為82，119。

1.5 標(biāo)準(zhǔn)溶液配制和工作曲線繪制

配制質(zhì)量濃度為10 mg/L的苯胺和氯苯-D5中間使用液，向帶有攪拌轉(zhuǎn)子的吹掃瓶內(nèi)加入5 mL解吸液和4.0 g空白土樣，然后加入進(jìn)樣量梯度為0.1，1.0，5.0，10.0，20.0，50.0和100 μg的苯胺工作溶液，各加入1.0 μg的氯苯-D5內(nèi)標(biāo)物，配制成標(biāo)準(zhǔn)系列溶液。按照設(shè)定的儀器條件進(jìn)樣，以苯胺峰面積與內(nèi)標(biāo)峰面積比值為縱坐標(biāo)，苯胺含量為橫坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 總離子流圖、線性范圍和檢出限

苯胺及內(nèi)標(biāo)物總離子流圖(SIM模式)見圖1。按本方法確定的實(shí)驗(yàn)條件，對標(biāo)準(zhǔn)工作溶液進(jìn)行測定。當(dāng)工作曲線范圍為0.1～20.0 μg時，得到標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為y=0.127x+ 0.011，相關(guān)系數(shù)(r)= 0.999 1。當(dāng)進(jìn)樣量梯度為50.0 μg時，出現(xiàn)較明顯的拖尾峰。取土樣5 g進(jìn)行測定，最佳測定范圍為20～4 000 μg/kg。平行測定4.0 μg/kg的加標(biāo)樣品7份，按照3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差計算本法最低檢出限，其值為1.5 μg/kg。

1—氯苯-D5;2—苯胺。圖1 苯胺及內(nèi)標(biāo)物總離子流圖(SIM模式)

2.2 檢測方法優(yōu)化

2.2.1 色譜柱的選擇

使用普通毛細(xì)管色譜柱難以分離苯胺，主要原因是氨基與色譜柱基質(zhì)形成氫鍵，導(dǎo)致峰形拖尾，甚至不出峰。在相同進(jìn)樣量(0.5 μg)的基礎(chǔ)上，使用不同類型的色譜柱，對苯胺定量離子(m/z=93)質(zhì)譜峰圖進(jìn)行了比較，結(jié)果見圖2。

圖2 不同色譜柱質(zhì)譜峰圖比較

由圖2可見，CP-Volamines色譜柱峰型尖銳、對稱，性能最好，其次是DB-624柱， Rtx-5MS柱峰形拖尾嚴(yán)重，建議優(yōu)先選用CP-Volamines柱。同時，因?yàn)椴ＡЧ鼙诰哂兴嵝缘墓枇u基，對胺類有明顯的吸附作用，而CP-Volamines色譜柱液膜最厚，厚液膜可以把柱管壁完全覆蓋起來，不讓硅羥基與目標(biāo)物接觸，從而減少峰形拖尾。

2.2.2 解吸液的選擇

吹掃瓶中的土樣在磁力攪拌轉(zhuǎn)子的高速攪拌下與解吸液混合，苯胺從固相轉(zhuǎn)移到液相，再用一定流量的氮?dú)鈱⑵鋸慕馕褐胁粩啻祾叱鰜?，吹掃出的苯胺被捕集到吸附管中，隨后被導(dǎo)入氣質(zhì)聯(lián)用儀中分析。考慮到苯胺呈弱堿性，容易形成苯胺正離子，而易被帶負(fù)電荷的土壤膠體吸附，因此選用堿性鹽溶液作為解吸液，便于使苯胺從土壤中分離出來進(jìn)入氣相?，F(xiàn)選用飽和氯化鈉、飽和碳酸鈉和飽和氫氧化鈉溶液進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。選取4份空白土樣，加入等量苯胺標(biāo)準(zhǔn)溶液后，選擇3份加入上述3種堿性鹽溶液，另一份加超純水作為空白對照組。同等條件下分析，結(jié)果見圖3。由圖3可見，解吸效果最好的是飽和氫氧化鈉溶液，飽和碳酸鈉溶液略差，但由于氫氧化鈉腐蝕性強(qiáng)，從安全方面考慮，建議使用飽和碳酸鈉溶液作為解吸液。

圖3 苯胺響應(yīng)值與解吸液的關(guān)系

2.2.3 吹掃溫度的選擇

現(xiàn)選擇60，75，80和85 ℃這4個吹掃溫度對同一濃度的樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，吹掃溫度對苯胺的響應(yīng)影響見圖4。由圖4可見，隨著吹掃溫度的升高，同一濃度樣品的響應(yīng)值增大，但溫度升高，水汽含量會隨之增大，捕集儀的水冷卻器不易除水，容易導(dǎo)致管路堵塞，因此建議選擇80 ℃為吹掃溫度。

圖4 苯胺響應(yīng)值與吹掃溫度的關(guān)系

2.3 方法準(zhǔn)確度和精密度

采集未受污染的某工廠綠化地塊土壤樣品24份，取其中6份檢測苯胺濃度并計算平均值，作為本底值。將其余18份分為3組，分別加入0.5，2.0和10.0 μg的苯胺標(biāo)準(zhǔn)溶液，每組做6次平行測定，計算實(shí)際樣品的苯胺加標(biāo)回收率，并計算相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)，結(jié)果見表1。

表1 苯胺回收率與RSD(n=6)①

由表1可見，本方法平均加標(biāo)回收率為90.1%～97.6% ,RSD為5.4%～7.9%，準(zhǔn)確度和精密度均較好。

2.4 污染土樣的測定及方法對比實(shí)驗(yàn)

選擇濱州工業(yè)園區(qū)某醫(yī)藥中間體企業(yè)可能受污染最重的土壤修復(fù)地塊，采集柱狀土樣1個，采樣點(diǎn)位分別為上層(0～0.5m)，中層(0.5～1.5m)，下層(1.5～3.0m)。每個點(diǎn)位采用P&T-GC-MS和ASE-GC-MS這2種方法分別進(jìn)行6次平行測定。由于樣品濃度較高，采用ASE-GC-MS方法時，用空白土樣將污染土樣稀釋100倍后測定；采用P&T-GC-MS時，按高濃度樣品前處理步驟進(jìn)行處理。2種方法每個點(diǎn)位各做一個空白加標(biāo)樣，加標(biāo)樣質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為1.0 mg/kg，結(jié)果見表2。

表2 兩種方法測定土樣結(jié)果比較(n=6)

由表2可見，同一點(diǎn)位在相同加標(biāo)水平下，采用ASE-GC-MS法，其空白加標(biāo)回收率明顯低于P&T-GC-MS法，測定值也明顯偏低。主要原因是在溶劑萃取、轉(zhuǎn)移及氮吹濃縮等操作中，土樣中的苯胺殘留或揮發(fā)較大造成的，而P&T-GC-MS法避免了上述損失。同時由于土樣和工作曲線標(biāo)樣的前處理方法一致，因而減少了系統(tǒng)誤差，使測定值準(zhǔn)確度提高。P&T-GC-MS法土樣測定的RSD范圍(5.3%～5.6%)低于ASE-GC-MS法的RSD范圍(6.9%～9.9%)，表明P&T-GC-MS法的精密度更高。

3 結(jié)語

建立了P&T-GC-MS法測定土壤中苯胺的分析方法，優(yōu)化了前處理?xiàng)l件，并對色譜柱進(jìn)行選型，解決了苯胺測定容易出現(xiàn)峰形拖尾的問題。同時對受苯胺污染的修復(fù)場地實(shí)際土樣進(jìn)行測定，結(jié)果顯示，本方法苯胺分離效果好,檢出限低，重復(fù)性好，簡單可靠，適用于測定企業(yè)土壤及修復(fù)場地中的苯胺。