煤礦區(qū)地表土中烷基多環(huán)芳烴的定量方法研究

錢雅慧，汪 婷，洪秀萍，羅鐘庚，梁漢東

(1.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京 100083；3.淮北師范大學生命科學學院，安徽 淮北 235000)

多環(huán)芳烴(PAHs)是指2個以上苯環(huán)以稠環(huán)形式相連的化合物，具有較高的生物毒性，且在環(huán)境中難以降解，是全球關注的重要持久性污染物(POPs)之一[1]。1976年，美國環(huán)境保護署(EPA)將16種多環(huán)芳烴(16PAHs)列為環(huán)境中優(yōu)先控制污染物[2-3]。目前，我國主要針對母體16PAHs[4-7]的環(huán)境污染調(diào)查，但一些研究發(fā)現(xiàn)，在氣溶膠、降塵和土壤等環(huán)境介質(zhì)中常能檢出烷基多環(huán)芳烴(a-PAHs)[8-10]，并在總多環(huán)芳烴類(PACs，PACs=PAHs+aPAHs)含量中占有較大的比例。例如，Colavecchia等[11]對阿薩巴斯卡沉積物樣品中的總PACs進行分析，a-PAHs高達93%～99%。在石油污染區(qū)的水生生物體內(nèi)，a-PAHs含量遠高于非烷基PAHs[12]。已有研究表明，a-PAHs相較于母體多環(huán)芳烴可能具有更強的生物毒性，對生物胚胎發(fā)育死亡率和畸形率有重要影響[13-16]。此外，在能源開采區(qū)域a-PAHs已普遍在食物中檢出，并隨食物鏈傳遞[17]。因此，對環(huán)境中a-PAHs的評估需引起重視和關注。

目前普遍認為，石油是環(huán)境中a-PAHs的主要來源，即成巖源[18]。然而，近年來發(fā)現(xiàn)，原煤中不僅含有自然界固有的16PAHs[19]，還存在a-PAHs[20-21]，雖然煤矸石中PAHs的研究較少[22]，但主要由煤和黏土礦物構成的煤矸石很可能也存在a-PAHs及16PAHs。因此，受煤和煤矸石影響的煤礦區(qū)環(huán)境介質(zhì)中，很可能不僅存在16PAHs，還含有豐富的a-PAHs。我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國，煤礦區(qū)土壤作為一類典型的涉煤環(huán)境樣本，在時間尺度上污染物積累時間長，環(huán)境釋放持續(xù)時間長；在空間尺度上與污染源區(qū)域重疊，與人類活動密集區(qū)域重疊。然而，作為我國環(huán)境有機污染物特色、典型污染區(qū)域——煤礦區(qū)多環(huán)芳烴類化合物的研究卻一直較為局限，鮮有涉及a-PAHs的工作[23]。

本文擬針對煤礦區(qū)土壤中有機物，建立涵蓋a-PAHs和16PAHs的定量分析方法，并測試實際礦區(qū)土壤樣本，對a-PAHs及16PAHs進行定性和定量分析。希望為了解PACs在涉煤環(huán)境樣品中的濃度分布、探究其在環(huán)境中遷移規(guī)律，以及制訂環(huán)境保護政策提供參考。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Xevo TQ-GC氣相色譜-三重四極桿質(zhì)譜儀：美國Waters公司產(chǎn)品；色譜柱(DB-5MS，30 m×0.25 mm×0.25 μm)：美國Agilent公司產(chǎn)品；高純氦氣、高純氬氣(99.999%)：北京兆格氣體科技有限公司產(chǎn)品；Secure 125-1CN精密天平：賽多利斯科學儀器(北京)有限公司產(chǎn)品；UL300W-B超聲池：上海藝源超聲設備有限公司產(chǎn)品；VORTEX-5渦旋儀：上海苑勝儀器設備有限公司產(chǎn)品；TGL-16C離心機：上海安亭科學儀器廠產(chǎn)品；尼龍濾膜(0.22 μm)：天津市津騰實驗設備有限公司產(chǎn)品。

正己烷(色譜級)：北京百靈威科技有限公司產(chǎn)品；二氯甲烷、水(質(zhì)譜級)：美國Thermo Fisher公司產(chǎn)品；乙醇、無水硫酸鈉(分析純)：國藥集團化學試劑有限公司產(chǎn)品；石英砂顆粒(SiO2≥ 90%, 0.105～0.71 mm)：阿拉丁試劑有限公司產(chǎn)品。

1.2 樣品前處理

本研究選用操作簡單且回收率較高的超聲萃取方式[24-26]進行樣品前處理，具體步驟如下：將土壤樣品研磨至150～400目，分別稱取2.0 g無水硫酸鈉和2.0 g土樣，依次放入10 mL螺口玻璃管中，然后加入4.9 mL二氯甲烷和100 μL 20 g/L Nap-D8，隨后將樣品放入超聲池，20 ℃超聲5 h；超聲完成后，用膠頭滴管吸取玻璃管內(nèi)上清液，置于2 mL離心管中, 渦旋1 min后，以14 000 r/min離心10 min；離心完成后，經(jīng)注射器和濾頭過濾，分別吸取100 μL過濾液與100 μL 400 μg/L的4種定量內(nèi)標，渦旋混勻1 min后，上機測試。

1.3 實驗條件

1.3.1色譜條件 進樣口溫度280 ℃，流速1 mL/min，進樣體積1 μL，載氣為氦氣，不分流進樣；升溫程序：初始溫度70 ℃，保持1 min，以15 ℃/min升溫至180 ℃，保持2 min，以10 ℃/min升溫至230 ℃，保持0.5 min，以5 ℃/min升溫至250 ℃，保持2 min，以8 ℃/min升溫至300 ℃，保持5 min。

1.3.2質(zhì)譜條件 電子轟擊(EI)電離源，電離電壓70 eV，離子源溫度250 ℃，接口溫度280 ℃，質(zhì)量掃描范圍m/z50～550，全掃描模式，溶劑延遲4.0 min。

1.4 定性與定量

采用MassLynx V4.2軟件開展環(huán)境樣品中目標化合物的定性、定量研究。NIST 2017譜庫結合對照品，基于碎片信息和保留時間完成PACs的定性分析。采用有相對響應因子的內(nèi)標法進行定量分析。

1.5 質(zhì)量控制

每測10個樣品加1針空白加標樣品，檢測溶劑、儀器系統(tǒng)以及前處理過程中是否受到污染。每測20針加1針基質(zhì)加標樣品，樣品回收率控制在60%～150%。每測10針加1針平行樣品，平行樣品的標準偏差小于30% 。

2 結果與討論

2.1 方法評價

2.1.1線性關系 用正己烷作為溶劑稀釋原標準品，配制5、10、20、50、100、200、500、800 μg/L系列濃度梯度的27種多環(huán)芳烴標準溶液，其中包含16PAHs、6種烷基取代多環(huán)芳烴、4種內(nèi)標和1種前處理內(nèi)標。采用全掃描模式，在1.3節(jié)條件下上機檢測，提取不同濃度各組分的質(zhì)量色譜圖，并對峰面積進行積分，以標準品的峰面積為縱坐標、標準溶液濃度為橫坐標繪制標準曲線，其線性回歸方程、線性范圍及相關系數(shù)列于表1，計算得出相關系數(shù)(R2)優(yōu)于0.99。

表1 23種多環(huán)芳烴的回歸方程、線性范圍、相關系數(shù)(R2)、檢出限、加標回收率和精密度Table 1 Regression equations, linear ranges, correlation coefficients (R2), method detection limits, spiked recoveries and precision of the 23 PAHs

2.1.2準確度和精密度 以石英砂作為空白基質(zhì)，先在400 ℃高溫下用馬弗爐對石英砂處理4 h，再稱取2 g處理過的石英砂作為空白，經(jīng)超聲萃取及過濾后，發(fā)現(xiàn)均未檢出27PAHs，表明各環(huán)節(jié)并未引入目標物。

稱取2 g處理過的石英砂，加入100 μL 20 mg/L混合標準溶液，配制成200 μg/L中間濃度的基質(zhì)加標樣品。按上述優(yōu)化的前處理步驟和儀器條件測試樣品，計算各組分的回收率，加標樣品的回收率為73.11%～119.8%。將中間濃度空白基質(zhì)加標樣品平行測定7次，計算各組分的RSD為1.07%～14.3%。

2.1.3方法檢測限(MDL) 分析7針中間濃度空白基質(zhì)樣品的測試結果，計算各組分的標準偏差(S)。方法檢出限的計算公式為MDL=t(n-1,0.99)×S，其中t取值為3.143。計算出MDL的范圍為0.008～0.034 mg/kg。

2.2 基于響應因子的內(nèi)標法定量

在線性相關系數(shù)滿足要求的基礎上，分析了500 μg/L 27PAHs混標的色譜數(shù)據(jù)，通過提取質(zhì)量色譜和NIST譜庫比對，準確定性出27PAHs出峰的位置和保留時間，示于圖1。對各組分質(zhì)量色譜圖進行峰面積積分，根據(jù)同系物及保留時間就近原則，參照不同的定量內(nèi)標曲線斜率(峰面積/化合物濃度)計算各組分的響應因子(RF)，即27種多環(huán)芳烴標準品(包括前處理內(nèi)標萘-D8)與對應內(nèi)標標注曲線斜率的比值，結果列于表2。最后，采用基于相對響應因子的內(nèi)標法進行定量。

圖1 27PAHs和a-PAHs標準混合物的總離子流圖Fig.1 Total ion current chromatogram of the standard mixture of 27 PAHs and a-PAHs

表2 27PAHs的保留時間與響應因子Table 2 Retention time and response factors of 27PAHs

續(xù)表2

針對實際樣本中存在但混合標準溶液中不包含的組分，根據(jù)同系物或色譜圖中保留時間最接近的多環(huán)芳烴或烷基多環(huán)芳烴的響應因子進行定量。如，一甲基萘采用1M-NAP的響應因子，二甲基萘、三甲基萘和四甲基萘采用1,2M-NAP的響應因子。同理，甲基菲統(tǒng)一采用3,6M-PHE的響應因子進行定量，以此類推。

2.3 方法應用實例

2.3.1定性分析 基于本方法對煤礦區(qū)地表土樣本進行定性定量分析。樣品分別來源于唐山東歡坨礦區(qū)、淮北童亭礦區(qū)、淮北孫疃礦區(qū)和淮北劉橋二礦，掃去地表落塵，用鐵鏟采集地表0～5 cm土壤，作為地表土樣品。對5 m2范圍內(nèi)采集3個平行樣混合均勻，去除落葉石塊等雜質(zhì)后混勻，用鋁箔紙包住，裝入聚乙烯樣品袋密封編號。

通過對照標準品的保留時間，并結合NIST譜庫標準質(zhì)譜圖，確定了樣本中不僅含有常規(guī)16PAHs，還檢測出a-PAHs，包括烷基萘、烷基菲、一甲基蒽、一甲基芘、一甲基熒蒽、一甲基屈和一甲基苯并[a]芘。例如，分別提取一甲基萘、二甲基萘、一甲基菲和二甲基菲的質(zhì)量色譜圖(m/z142、156、192、206)，由已知標準品的保留時間先對應找到1M-NAP、1,2M-NAP和3,6M-PHE的色譜峰，再通過對應質(zhì)譜圖碎片離子及其相對豐度，以及NIST標準譜庫比對，對質(zhì)量色譜圖中包含的一甲基萘、二甲基萘、一甲基菲和二甲基菲的各色譜峰進行定性分析，示于圖2。同理，定性分析得出烷基萘和烷基菲系列峰的保留時間，分別示于圖3和圖4。此外，還分別檢出一甲基蒽、一甲基芘、一甲基熒蒽、一甲基屈和一甲基苯并[a]芘。由此可知，煤礦區(qū)地表土中不僅含有16種母體多環(huán)芳烴，還含有豐富的烷基取代多環(huán)芳烴。

圖2 一甲基萘(a)、二甲基萘(b)、一甲基菲(c)、二甲基菲(d)的色譜與質(zhì)譜圖Fig.2 Chromatograms and mass spectra of methyl-naphthalene (a), dimethyl-naphthalene (b), methyl-phenanthrene (c) and dimethyl-phenanthrene (d)

圖3 萘系列化合物的質(zhì)量色譜圖Fig.3 Mass chromatograms of NAP series chemicals

圖4 菲系列化合物的質(zhì)量色譜圖Fig.4 Mass chromatograms of PHE series chemicals

2.3.2定量分析 國際上對16PAHs的定量方法比較成熟，對應的標準品也比較齊全。然而，對a-PAHs進行定性定量分析卻比較困難，這是由于烷基多環(huán)芳烴同系物較多，每種同系烷基多環(huán)芳烴存在同分異構體的復雜性，不能準備所有組分的標準品，且同種化合物在不同氣質(zhì)聯(lián)用儀中的保留時間也不同。本工作使用了27種多環(huán)芳烴標準品，對無標準品的目標物，根據(jù)同系物分類或按色譜圖中保留時間最接近的多環(huán)芳烴或烷基多環(huán)芳烴的響應因子進行定量。多環(huán)芳烴中，實際樣品的加標回收率在82.2%～102.1%之間，平行樣品的標準偏差小于10%。

4個礦區(qū)地表土中總PACs均值為24 543 μg/kg(10 606～36 414 μg/kg，n=4)，其中∑16PAHs含量依次為9 604、4 048、5 714、3 547 μg/kg，平均值為5 728 μg/kg；對應的∑a-PAHs含量分別為26 810、25 090、16 301、7 059 μg/kg，平均值為18 815 μg/kg，示于圖5?？梢钥闯?，∑a-PAHs平均含量明顯高于∑16PAHs，占PACs總量的77%。此外，檢出烷基萘和烷基菲同系物的種類最多，其含量分別占總PACs的35%和29%，是煤礦區(qū)土壤中PACs的主要貢獻者，結果列于表3。由此可見，煤礦區(qū)地表土壤中不僅含有常規(guī)16PAHs，還含有豐富的a-PAHs。建立針對煤礦地表土的a-PAHs分析方法非常必要。

表3 典型礦區(qū)地表土中PACs濃度Table 3 Concentration of PACs in surface soil of typical mining areas

注：誤差線表示標準偏差圖5 典型礦區(qū)地表土中16PAHs及a-PAHs含量Fig.5 Concentration of 16PAHs and a-PAHs in surface soil of typical mining areas

3 結論

建立了對51種a-PAHs及其母體多環(huán)芳烴的定性和定量方法。結果表明，27種多環(huán)芳烴混合標準液在0.05～0.8 mg/L濃度范圍內(nèi)的線性關系良好，線性相關系數(shù)(R2)優(yōu)于0.99，方法檢出限為0.008～0.034 mg/kg，基質(zhì)加標回收率為73.11%～119.8%，精密度為1.07%～14.3%。通過對實際煤礦區(qū)地表土樣進行測試，前處理內(nèi)標的回收率為82.2%～102.1%。該方法靈敏度高、重復性好，適用于土壤中a-PAHs及其母體多環(huán)芳烴的檢測，可為我國煤礦區(qū)的污染評價和治理提供研究基礎。

通過分析4個礦區(qū)地表土樣本數(shù)據(jù)可知，礦區(qū)土壤中含有豐富的a-PAHs，其總量均值(18 815 μg/kg)占 ∑16PAHs均值(5 728 μg/kg)的77%。研究PACs在該類樣品中的分布情況，既有利于了解PACs在環(huán)境中的傳播、擴散規(guī)律，又有利于對煤資源的合理、安全利用，具有科學價值與實際意義。