超聲波萃取-氣相色譜質(zhì)譜法測定土壤中多環(huán)芳烴

車 凱,周慧波,宮云茜,焦 陽,張 姣

(國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學研究院,河北 石家莊 050021)

0 引言

多環(huán)芳烴(PAHs)是環(huán)境中典型的持久性有機污染物(POPs),具有致畸、致癌風險[1]。POPs在自然環(huán)境中難以降解并能通過生物鏈富集作用最終對人體健康和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成危害[2]。經(jīng)研究表明,90%以上的PAHs存在于土壤中,并且絕大多數(shù)存在于表層土壤[3]。

目前,國內(nèi)外主要用于土壤中PAHs檢測標準有HJ 805－2016、HJ 784－2016、EPA.Method 8270E等[4-6],PAHs的提取方法主要有索氏提取法、超聲萃取法(UAE)、微波輔助提取法(MAE)、加速溶劑萃取法(ASE)等[7-8]。索氏提取法提取時間長、效率低,已逐漸被效率更高的提取方法所取代。加速溶劑萃取具有溶劑用量少、萃取效率高、受基體影響小等優(yōu)點,但其儀器成本高,還要嚴格控制提取的壓力和溫度。文獻[9]采用加速溶劑萃取法對土壤中PAHs進行研究,得出加速溶劑萃取法較適用于提取土壤中PAHs的結(jié)論。超聲波萃取法耗時較短,功耗低,萃取溶劑升溫小,普遍用于土壤中有機物萃取,文獻[10]采用超聲萃取法提取土壤中石油烴,文獻[11]采用超聲萃取法提取土壤中多環(huán)芳烴均取得了一定效果。

綜上,有關(guān)土壤中PAHs的測定方法較多[12],但操作過程均較復雜。氣相色譜質(zhì)譜法(GC-MS)可以準確地提供PAHs的結(jié)構(gòu)信息,定性準確,消除背景干擾,并降低檢出限,價格實惠,推廣性強。本研究根據(jù)PAHs易溶于有機溶劑的特點及相關(guān)標準,建立了采用超聲萃取-氣相色譜質(zhì)譜法測定土壤中PAHs的方法,并對萃取方式進行了優(yōu)化,同時將該方法應用于實際土壤樣品分析測試,獲得了一種高效、靈敏、低檢出限的PAHs檢測方法。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

主要儀器如下:安捷倫7890B-5977B MSD氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(美國),電子轟擊源(EI),帶自動進樣器,色譜柱HP-5MS(30 m×0.25 mm×0.25μm)；超聲波萃取儀；快速溶劑萃取儀；索氏提取器；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀及其配套的100 m L濃縮瓶；冷卻水循環(huán)機:AS1600；固相萃取裝置；離心機；馬弗爐；烘箱:溫度可控制在(105±5)℃；硅酸鎂凈化(SPE)小柱:填料為硅酸鎂,1 000 mg,柱體積為6 m L(CNW Technologies)；50 m L玻 璃小瓶；一般實驗室常用器皿等。

試劑如下:16種PAHs混標(產(chǎn)品編號80017JOM),ρ=1 000 mg/L,溶劑為苯和二氯甲烷(v:v=1:1)；5種氘代PAHs內(nèi)標(產(chǎn)品編號80663QM)為萘-d8、苊烯-d10、菲-d10、屈艸_d12、苝-d12,ρ=4 000 mg/L,溶劑為二氯甲烷；2種PAHs替代物混標(產(chǎn)品編號80020KDB)為2-氟聯(lián)苯(2-Fluoro-1)和4,4'-三聯(lián)苯-d14(P-Terphenyl-d14),溶劑為丙酮和正己烷(v:v=1:1)。以上標準物質(zhì)均購自北京壇墨質(zhì)檢標準物質(zhì)中心。正己烷、丙酮和二氯甲烷,均為色譜純(科密歐化學試劑有限公司)；無水硫酸鈉為優(yōu)級純(國藥集團化學試劑有限公司),用前需在馬弗爐內(nèi)450℃下焙燒4 h。

1.2 分析方法

1.2.1 樣品的采集與保存

用石英砂代替實際樣品作為基體開展條件優(yōu)化和方法精密度、準確度實驗。以實際土壤樣品進行測試方法驗證。供試土壤樣品全部按照HJ/T 166－2004[12]規(guī)定的相關(guān)要求采集和保存,樣品于潔凈的磨口棕色玻璃瓶中保存。

1.2.2 樣品前處理方法

稱取適量土壤樣品于50 m L玻璃小瓶中,按照國標HJ 911－2017[13]相關(guān)要求加入一定量的無水硫酸鈉并在4℃以下冷藏48 h使其充分脫水,待進行下一步處理。

在裝有試樣的玻璃瓶中準確加入2 000 mg/L的多環(huán)芳烴替代物10μL和2 mg/L的四氯間二甲苯25μL。然后加入約20 m L的正己烷:丙酮(體積比1:1)萃取劑,保證加入的萃取劑液面高出固體試樣表面約2 cm。分別采用索氏提取、加壓流體萃取和超聲萃取方式進行萃取,然后經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮至1 mL左右,用SPE小柱凈化。

1.2.3 樣品分析

氣相色譜條件。進樣口溫度:280℃,不分流；進樣量:1.0μL；柱流量:1.0 m L/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10 min。

質(zhì)譜條件。離子源溫度:230℃；電子轟擊源(EI)；離子化能量:70 eV；接口溫度:280℃；四級桿溫度:150℃；質(zhì)量掃描范圍:45～450 amu；溶劑延遲時間:5 min；掃描模式:全掃描Scan和選擇離子模式(SIM)模式。16種多環(huán)芳烴、內(nèi)標物及替代物的保留時間、定性定量離子見表1。

表1 SIM模式下PAHs檢測條件

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品前處理過程優(yōu)化

2.1.1 萃取方式選擇

針對不同的目標物選擇合適的萃取方式不僅可以提高萃取效率,還可以節(jié)約時間和成本。該研究采用最常用的3種土壤前處理方式:索氏提取、加壓流體萃取和超聲萃取,考察不同提取方式對PAHs回收率的影響。

稱取3組10.0 g石英砂,每組取3份平行樣,經(jīng)400℃烘烤4 h后加入等量PAHs標準溶液配制成20μg/kg待測樣品,參考相關(guān)標準[13]中提取條件對樣品進行提取,結(jié)果見圖1。結(jié)果表明,索氏提取的回收率在72.5%～92.1%,平均回收率為84.5%；加壓流體萃取回收率在77.2%～94.5%,平均回收率為87.9%；超聲萃取法回收率在74.2%～93.0%,平均回收率為84.7%。3種萃取方式回收率無明顯差別,但是索氏提取耗時長,需要的溶劑量大,成本高,操作繁瑣,效率低。加壓流體溶劑萃取效率較高,萃取速度快,但設備昂貴,需要的耗材較多,增加了測試成本。超聲波萃取法耗時較短,功耗低,萃取溶劑升溫小,對PAHs類溶劑萃取效果好,所以本文選擇使用超聲波萃取法。

圖1 不同萃取方式下16種PAHs回收率

2.1.2 萃取次數(shù)選擇

稱取5組10.0 g石英砂,每組取3份平行樣,配置相同濃度待測樣品。萃取液采用丙酮和正己烷體積比為1:1混合液,采用超聲波萃取法萃取,每個樣品萃取過程分別重復2次、3次、4次、5次、6次,再合并提取溶液,求其平均回收率,研究萃取次數(shù)對回收率的影響,平均回收率見圖2。結(jié)果表明PAHs回收率隨萃取次數(shù)增加而增加,當萃取次數(shù)為4次時PAHs平均回收率為86.25%,且超過4次時所得回收率差異不大,綜合考慮萃取時間和回收率,本文選擇萃取次數(shù)為4次。

圖2 超聲萃取次數(shù)對回收率的影響

2.1.3 萃取時間選擇

稱取6組10.0 g石英砂,每組取3份平行樣,配置相同濃度待測樣品。萃取液采用丙酮和正己烷體積比為1:1混合液,采用超聲波萃取法分別萃取5 min、10 min、15 min、20 min、25 min、30 min,萃取過程重復4次,合并提取溶液,求其平均回收率,研究萃取時間對回收率的影響,平均回收率見圖3。結(jié)果表明,PAHs回收率隨超聲時間延長而增加,但當超聲時間超過15 min時所得回收率差異不大,且隨時間不斷延長,超聲回收率有所下降,可能是受超聲波衰減因素的制約導致。因此,本文選擇采用超聲時間為15 min。

圖3 超聲萃取時間對回收率的影響

2.2 標準曲線繪制

對所有待測物質(zhì)標準品(包括PAHs混標、替代物)采用全掃描—選擇離子檢測模式(SCAN/SIM模式)進行定性和定量,SIM模式色譜如圖4所示?？梢姺逍瘟己?分離度滿足方法要求。

圖4 多環(huán)芳烴SIM模式色譜

配置16種多環(huán)芳烴和2種替代物混合標準系列濃度:20μg/L、50μg/L、100μg/L、200μg/L、500μg/L,內(nèi)標物質(zhì)量濃度均為2 000μg/L,按照1.2節(jié)樣品分析方法,繪制校準曲線,16種多環(huán)芳烴和2種替代物標準曲線見表2。16種多環(huán)芳烴和2種替代物混合標準系列在20.0～500μg/L濃度范圍內(nèi)呈現(xiàn)良好的線性,相關(guān)系數(shù)r＞0.999 3,相對響應因子的相對標準偏差在0.6%～10.9%,均不超過20%。

表2 多環(huán)芳烴標準曲線線性方程、相關(guān)系數(shù)r

2.3 檢出限、精密度和準確度

按照上述前處理方法,分別稱取10 g石英砂,加入20 ng和200 ng多環(huán)芳烴目標物,按前處理過程測定9個加標平行樣,計算出回收率、檢出限和精密度,結(jié)果如表3所示。16種多環(huán)芳烴方法檢出限為0.26～0.54μg/kg,16種多環(huán)芳烴平均加標回收率為63.0%～117.3%,相對標準偏差為4.3%～12.5%,均滿足《全國土壤污染狀況詳查土壤樣品分析測試方法技術(shù)規(guī)定》和《土壤和沉積物 多環(huán)芳烴的測定 氣相色譜-質(zhì)譜法》相關(guān)質(zhì)量控制要求。結(jié)果表明超聲波萃取方法具有靈敏度高、準確度高、選擇性好、操作簡便等優(yōu)勢。

表3 方法檢出限、精密度、加標回收率(n=9)

2.4 土壤樣品基質(zhì)加標試驗

通過對采集的土壤樣品進行測定,然后進行基質(zhì)加標實驗,向土壤中加入200 ng多環(huán)芳烴目標物,按前處理過程測定9個加標平行樣,計算出回收率和精密度。根據(jù)測定土壤基質(zhì)的含量和加標后總含量,得出加標含量,再根據(jù)理論加標含量計算出回收率和精密度,結(jié)果顯示16種多環(huán)芳烴平均加標回收率為76.3%～110.3%,相對標準偏差為5.1%～18.6%。通過對實際樣品的測定,說明該方法具有較低的檢出限及較強的抗干擾能力,可以滿足土壤中多環(huán)芳烴檢測要求。

3 結(jié)論

該研究建立了利用超聲波萃取儀萃取,SPE硅酸鎂小柱進行凈化,氣相色譜質(zhì)譜法定量測定土壤中PAHs的方法,并比較不同萃取方式、超聲萃取時間和萃取次數(shù)等對加標回收的影響。從該研究可知,最佳萃取方法為10.0 g樣品用20 m L的正己烷:丙酮(體積比1∶1)萃取15 min,萃取4次。16種多環(huán)芳烴和2種替代物混合標準系列在20.0～500μg/L濃度范圍內(nèi)呈現(xiàn)良好的線性,相關(guān)系數(shù)r＞0.999 3,相對響應因子的相對標準偏差在0.6%～10.9%,方法檢出限為0.26～0.54 μg/kg,空白石英砂平均加標回收率為63.0%～117.3%,相對標準偏差為4.3%～12.5%,土壤樣品平均加標回收率為76.3%～110.3%,相對標準偏差為5.1%～18.6%。該方法實用性強,檢出限低,準確度高,滿足相關(guān)標準質(zhì)量控制要求,可適用于土壤樣品中PAHs分析檢測要求。