快速溶劑萃取-水浴氮吹-高效液相色譜法檢測土壤16種多環(huán)芳烴

許成君 王 芳 鄭凱元 陳 清 李兵兵 李 寶 楊 柳 梁 莉

(大慶油田水務研究設計院)

0 引 言

多環(huán)芳烴(PAHs)由于其特殊的“三致效應”[1-2]一直以來都是環(huán)境領域重點關注的污染物。在我國土壤檢測領域中對PAHs檢測的相關研究也較為廣泛，涉及了PAHs的萃取[3-6](索氏抽提、加速溶劑萃取、微波萃取、超聲萃取)、濃縮(旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮、水浴氮吹濃縮)、凈化[7-8](硅酸鎂固相萃取柱、硅膠固相萃取柱、多環(huán)芳烴專用柱)、檢測儀器[9-10](HPLC、GC-MS)等多個方面。根據(jù)經(jīng)驗判斷，目前各實驗室土壤中PAHs的檢測結果誤差主要源于PAHs的萃取、濃縮以及凈化步驟。我國生態(tài)環(huán)境部于2016年發(fā)布了HJ 784—2016《土壤和沉積物 多環(huán)芳烴的測定 高效液相色譜法》[11]，該標準中萃取方法引用了索式抽提法，對萃取液采取氮吹法進行濃縮，濃縮液使用硅酸鎂固相萃取柱或硅膠固相萃取柱凈化，但在標準中也注明了在通過驗證并達到質(zhì)控要求時，也可以采用其他提取、濃縮方法，這就使得相關檢測實驗室及檢測人員在參照此方法時，需要對不同處理方法及處理條件下的檢測規(guī)律及結果有一定的掌握，從而可以結合實際情況和實驗室條件來決定濃縮和凈化的方法。

本文采用高效液相色譜法來檢測土壤中16種PAHs，通過對不同萃取方法、濃縮方法及凈化方法的對比研究，優(yōu)化相關處理步驟的實驗條件，建立了土壤中PAHs的測定方法。該方法加標回收率高，操作耗時短，試劑用量少，重現(xiàn)性好，滿足分析測試的需求，可為相關實驗室及其科研人員提供參考。

1 實 驗

1.1 儀器與試劑

VFFSE-6型加速溶劑萃取儀(中國維克托公司，66 mm不銹鋼萃取池)；HPLC1260型高效液相色譜儀(HPLC，美國安捷倫公司)；R-215型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(瑞士布奇公司)；DC-12型氮吹儀(上海安譜實驗科技股份有限公司)；固相萃取小柱(上海安譜實驗科技股份有限公司)；曼哈格PAH-Mix16 16種PAHs混標；百靈威內(nèi)標及替代物。

1.2 實驗方法

取20 g石英砂作為空白基質(zhì)，在空白石英砂中分別加入混合標準溶液，配制成0.5 mg/kg的加標樣品，對樣品中PAHs進行萃取得到萃取液，在萃取液中加入一定量無水硫酸鈉進行干燥。將處理后的萃取液進行濃縮，濃縮液通過活化固相萃取柱進行凈化，凈化液濃縮定容至1 mL進行HPLC檢測。

本實驗主要是通過對樣品預處理條件進行優(yōu)化，考察不同條件下樣品中PAHs的回收率，篩選出最佳的預處理條件，構建合理的檢測方法，再對該方法進行驗證，具體實驗設計見表1。

表1 實驗設計

1.3 樣品預處理

1)快速溶劑萃取：載氣壓力1.5 MPa；加熱溫度100，110，120℃；萃取時間12，16，20 min；萃取劑為1∶1(體積比)的正己烷、丙酮溶液，萃取次數(shù)1，2，3次。

2)索式抽提：將試樣放入玻璃套管內(nèi)，將套管放入索式抽提器中，加入100 mL萃取劑(體積比為1∶1的正己烷、丙酮溶液)，加熱回流18 h。

3)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮：取萃取液置于圓底燒瓶中，在40℃條件下用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀旋蒸至約1 mL，加入1 mL乙腈再次旋蒸至約1 mL，重復加入1 mL乙腈3次，將萃取劑完全轉(zhuǎn)化為乙腈，經(jīng)硅酸鎂固相萃取柱凈化后待測。

4)水浴氮吹：開啟氮氣，設置水浴氮吹溫度分別為30，40，50℃，將提取液吹掃濃縮至1 mL，加入5 mL正己烷并濃縮至約1 mL，重復此濃縮過程3次，使溶劑完全轉(zhuǎn)化為正己烷，經(jīng)硅酸鎂固相萃取柱凈化后待測。

5)SPE柱凈化：將濃縮液用硅膠柱或硅酸鎂固相萃取柱進行凈化。將1 mL提取液加入凈化柱，用25 mL體積比為1∶1的正己烷、二氯甲烷溶液洗脫，收集洗脫液，氮吹濃縮至1.0 mL，加入3 mL乙腈濃縮至1.0 mL以下待測。

1.4 HPLC分析條件

ZORBAX Eclipse PAH色譜柱(5 mm，4.6 mm×250 mm)，柱流速1.20 mL/min，柱溫箱溫度35℃，進樣量10 μL；乙腈和水梯度洗脫，熒光檢測器(RF-10AXL型)掃描波長見表2。

表2 洗脫時間及熒光檢測器檢測波長

2 結果與討論

2.1 快速溶劑萃取溫度優(yōu)化

考察不同萃取溫度條件下土壤中16種PAHs的回收率，判斷萃取溫度對萃取效率的影響，實驗中選取萃取溫度為100，110，120℃，實驗結果見圖1。

圖1 萃取溫度對各PAHs回收率的影響

由圖1可見，萃取溫度對低環(huán)芳烴萃取效果影響大于高環(huán)芳烴，高環(huán)芳烴在100～120℃的回收率變化不大，但是2～3環(huán)的低環(huán)芳烴的萃取效果隨萃取溫度的變化較為明顯。由整體數(shù)據(jù)對比得出，在萃取溫度為120℃時，各PAHs的回收率達到最高，為67.4%～109.1%，故在后續(xù)實驗中選取萃取溫度為120℃。

2.2 快速溶劑萃取時間優(yōu)化

考察不同萃取時間條件下土壤中16種PAHs的回收率，判斷萃取時間對萃取效率的影響，實驗中選取萃取時間為12，16，20 min，實驗結果見圖2。

圖2 萃取時間對各PAHs回收率的影響

由圖2可見，多數(shù)PAHs回收率隨著萃取時間增長先增高后降低，推斷出現(xiàn)此現(xiàn)象的主要原因是萃取時間過短，部分PAHs溶解不充分，沒有萃取完全，而萃取時間過長，部分PAHs又會出現(xiàn)損失而導致回收率降低，通過實驗比對，確定快速溶劑萃取的最佳萃取時間為16 min，16種PAHs的回收率可達70.3%～110.2%。同時觀察圖2各PAHs回收率隨萃取時間變化的情況，可知萃取時間的變化對低環(huán)數(shù)PAHs的影響較大。

2.3 快速溶劑萃取次數(shù)優(yōu)化

考察不同萃取次數(shù)條件下土壤中16種PAHs的回收率，判斷萃取次數(shù)對萃取效率的影響，實驗中選取萃取次數(shù)分別為1，2，3次，實驗結果見圖3。

圖3 萃取次數(shù)對各PAHs回收率的影響

由圖3可見，各PAHs的回收率隨萃取次數(shù)的增加而增加，當萃取次數(shù)達到兩次后，再繼續(xù)增加萃取次數(shù)，PAHs的回收率增加不顯著，推斷當萃取次數(shù)達到兩次后萃取效果已比較完全，結合經(jīng)濟成本及環(huán)保性，確定快速溶劑萃取次數(shù)為兩次，在該條件下16種PAHs的回收率可達68.1%～110.4%。同時觀察圖3各PAHs回收率隨萃取次數(shù)的變化情況，可知快速溶劑萃取次數(shù)的變化對高環(huán)數(shù)PAHs影響較大。

2.4 快速溶劑萃取與索氏抽提萃取效果對比

針對同一樣品分別考察快速溶劑萃取及索氏抽提萃取后各PAHs的回收率，對比兩種萃取方法的處理效果，實驗結果見圖4。

圖4 快速溶劑萃取與索氏抽提萃取效果對比

由圖4可以看出，對于大多數(shù)PAHs而言，快速溶劑萃取的回收效果更好，尤其是針對低環(huán)數(shù)的PAHs，與索氏抽提萃取相比，快速溶劑萃取樣品的PHAs回收率明顯提高，回收率為68.4%～109.8%，索式抽提的回收率僅為44.1%～104.1%。由此可見，與傳統(tǒng)的索氏抽提相比，快速溶劑萃取具有萃取效果好、萃取時間短、溶劑使用量低的優(yōu)點。

2.5 樣品濃縮方法對比

此部分實驗對旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)與水浴氮吹兩種濃縮方法的效果進行了對比，實驗結果見圖5。

圖5 樣品濃縮方法對比

由圖5可見，水浴氮吹處理后的樣品各PAHs的回收率更高，尤其是低環(huán)數(shù)的PAHs的回收率明顯高于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮，水浴氮吹處理的樣品回收率可達68.1%～110.4%，而旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)的回收率僅為54.1%～109.1%。與旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)相比，水浴氮吹濃縮適合處理液體體積少，定容體積小的樣品，該濃縮方法可以實現(xiàn)樣品無氧濃縮，具有同時處理多個樣品、濃縮時間短的優(yōu)點。

2.6 水浴氮吹溫度條件優(yōu)化

考察不同水浴氮吹溫度條件下土壤中16種PAHs的回收率，判斷水浴氮吹溫度對萃取效率的影響，實驗選取水浴氮吹溫度為30，40，50℃，實驗結果見圖6。

圖6 水浴氮吹溫度對各PAHs回收率的影響

由圖6可見，水浴氮吹溫度主要是對低環(huán)芳烴的回收率影響較大，而高環(huán)數(shù)PAHs的回收率隨氮吹溫度的變化并不大。由整體數(shù)據(jù)對比得出，在水浴氮吹溫度為30，40℃時，各PAHs的回收率相近，回收率為68.3%～110.3%，進一步提高氮吹溫度，部分低環(huán)芳烴的回收率會降低，50℃時回收率為68.3%～110.3%。綜合考慮回收效果以及實驗時長，后續(xù)實驗中選取水浴氮吹溫度為40℃。

2.7 固相萃取柱類型優(yōu)化

比較了硅酸鎂固相萃取柱及硅膠固相萃取柱(填料均為1 g)對萃取效率的影響，結果見圖7。

圖7 固相萃取柱對PAHs回收率的影響

水浴氮吹濃縮后的樣品經(jīng)硅膠柱凈化后PAHs的回收率在62.1%～104.3%，而經(jīng)硅酸鎂固相萃取柱處理回收率更高，為68.1%～110.4%，故選擇硅酸鎂固相萃取柱作為凈化固相萃取柱更為適合。

2.8 方法學驗證

2.8.1 空白實驗

使用20～50目的石英砂，在400℃馬弗爐中烘烤4 h，放置至室溫后，采用體積比1∶1的丙酮、正己烷溶液超聲洗滌，烘干后密封保存?zhèn)溆谩＝?jīng)過前文優(yōu)化條件后的快速溶劑萃取-水浴氮吹-硅酸鎂固相萃取柱凈化預處理步驟后，上機檢測，檢測結果均小于方法檢出限。

2.8.2 標準曲線制作

采用曼哈格PAH-Mix16的16種PAHs混標，百靈威5種內(nèi)標，替代物兩種。分別移取適量的PAHs標準物質(zhì)、替代物中間液，使用體積比1∶1的丙酮、正己烷溶液定容，使得PAHs及替代物的質(zhì)量濃度分別為0.6，1.0，2.0，5.0，8.0，10.0 mg/L，內(nèi)標的質(zhì)量濃度為5.0 mg/L，繪制的標準曲線見表3。

表3 標準曲線的線性方程及相關系數(shù)

2.8.3 方法回收率、相對標準偏差及替代物回收率

使用國際實驗室能力驗證機構(ERA)土壤質(zhì)控樣品，加入替代物，使用加壓流體萃取法，硅酸鎂小柱凈化后，使用氮吹儀濃縮后定容至1 mL，上機檢測，連續(xù)9次進樣，計算16種PAHs的平均回收率、相對標準偏差，結果見表4。計算替代物回收率及相對標準偏差，結果見表5。

表4 方法回收率、相對標準偏差 %

表5 替代物回收率及相對標準偏差 %

由表4、表5可知，各目標物檢測值均在參考值范圍內(nèi)，相對標準偏差為 0.69%～11.8%，均小于30%，目標物回收率為72.66%～113.90%，替代物的加標回收率為69.25%，108.63%，均滿足HJ 784—2016《土壤和沉積物多環(huán)芳烴的測定高效液相色譜法》中“各組分加標回收率在50%～120%之間，替代物加標回收率在60%～120%之間”的要求，可用于實際土壤樣品中PAHs的檢測。

2.8.4 方法檢出限及測定下限

按照前文優(yōu)化后樣品分析的全部步驟，對含量為估計檢出限2～5倍的樣品進行7次平行測定，計算7次平行測定的相對標準偏差，計算檢出限，4倍檢出限為測定下限，檢出限及測定下限分別為：0.21～0.47 μg/kg，0.84～1.88 μg/kg，具體計算結果見表6。

表6 方法檢出限及測定下限 μg/kg

3 結 論

建立了快速溶劑萃取-水浴氮吹-高效液相色譜法檢測土壤樣品中16種PAHs的方法，通過對萃取過程、濃縮過程及凈化過程的對比優(yōu)化，得到如下結論。

1)快速溶劑萃取、水浴氮吹、硅酸鎂固相萃取柱凈化相較于索氏抽提、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)、硅膠固相萃取有著更為良好的處理效果。

2) 經(jīng)條件優(yōu)化實驗確定最佳處理條件為：萃取溫度120℃，靜態(tài)萃取時間16 min，萃取次數(shù)兩次，水浴氮吹溫度40℃，氮吹后濃縮液經(jīng)硅酸鎂固相萃取柱凈化。

3)采用優(yōu)化的實驗方法進行加標實驗，目標物回收率高，可達72.66%～113.90%，相對標準偏差為0.69%～11.8%，該方法適合實際土壤樣品中PAHs的檢測。