加速溶劑萃取-分子篩固相萃取-氣相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法測(cè)定土壤中多氯萘

金 靜, 劉洪媛, 薛會(huì)福, 楊 婧, 屈春花, 馬慧蓮, 陳吉平

(1. 中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所, 中國(guó)科學(xué)院分離分析化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 大連 116023; 2. 沈陽(yáng)藥科大學(xué), 遼寧 沈陽(yáng) 110000; 3. 新興能源科技有限公司, 遼寧 大連 116023; 4. 中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站, 北京 100012; 5. 重慶中醫(yī)藥學(xué)院, 重慶 402760)

土壤作為各類(lèi)污染物的匯集地,其質(zhì)量狀況直接關(guān)系到經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)安全和民生福祉。近年來(lái),我國(guó)土壤污染防治工作取得積極進(jìn)展,環(huán)境質(zhì)量持續(xù)改善。但與此同時(shí),新污染物引發(fā)的環(huán)境和健康風(fēng)險(xiǎn)正逐步受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注,“重視新污染物治理”已明確寫(xiě)入《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》。新污染物不同于常規(guī)污染物,指新近發(fā)現(xiàn)或被關(guān)注,對(duì)生態(tài)環(huán)境或人體健康存在風(fēng)險(xiǎn),尚未納入管理或者現(xiàn)有管理措施不足以有效防控其風(fēng)險(xiǎn)的污染物。它們的主要來(lái)源是有毒有害化學(xué)物質(zhì)的生產(chǎn)和使用。多氯萘(polychlorinated naphthalenes, PCNs)具有與2,3,7,8-四氯二苯并對(duì)二噁英等化合物相似的化學(xué)結(jié)構(gòu),是工業(yè)熱過(guò)程的主要污染物之一,作為一種新污染物已受到廣泛關(guān)注。目前,我國(guó)土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)能力尚不能及時(shí)掌控全國(guó)和區(qū)域土壤環(huán)境狀況,土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)體系尚不完善,對(duì)于這些新污染物的監(jiān)測(cè)能力更是相對(duì)滯后。因此,為加強(qiáng)建設(shè)和農(nóng)業(yè)用地土壤環(huán)境監(jiān)管,管控污染地塊對(duì)人體健康的風(fēng)險(xiǎn),保障人居環(huán)境安全,亟待加強(qiáng)這些新污染物的土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)能力,建立可靠、穩(wěn)健、經(jīng)濟(jì)的分析方法,從而有助于推動(dòng)新污染物監(jiān)測(cè)體系的完善,為完成國(guó)際履約提供技術(shù)和方法支持。

PCNs在土壤中的含量范圍通常為pg/g～ng/g,雖然污染場(chǎng)地土壤中其含量相對(duì)較高(μg/g),但總體上仍然處于痕量水平[1-11]。而土壤介質(zhì)比較復(fù)雜,一般需通過(guò)凈化才能實(shí)現(xiàn)其靈敏、準(zhǔn)確檢測(cè)。一般而言,土壤提取液通常采用層析柱、凝膠滲透色譜或固相萃取柱等方式達(dá)到凈化目的[12-19]。層析柱法常用吸附劑材料包括多層硅膠、氧化鋁、弗羅里硅土等。目前,市場(chǎng)上可購(gòu)買(mǎi)到的商品化多層硅膠柱成本較高,使用范圍和可推廣性受限。凝膠滲透色譜凈化操作簡(jiǎn)單,但選擇性不佳,而且溶劑消耗量過(guò)大。固相萃取柱可以在一定程度上大大減少有機(jī)溶劑消耗量,但是現(xiàn)有的商品化產(chǎn)品價(jià)格相對(duì)較高,一定程度上增加了土壤污染研究工作的經(jīng)濟(jì)成本。本課題組前期開(kāi)發(fā)了基于氧化鎂微球和氧化鋁復(fù)合的固相萃取柱,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤中多氯萘的高選擇性凈化[20]。但是,氧化鎂微球目前并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)商品化生產(chǎn),在土壤污染調(diào)查研究中的應(yīng)用受到一定程度的限制。因此,開(kāi)發(fā)新型商品化吸附劑在多氯萘選擇性凈化方面的應(yīng)用具有重要意義。X分子篩屬于低硅鋁比的沸石分子篩,因其易于合成,表面積大,親水性好,且具有良好的離子交換和吸附性能,在干燥和分離方面得到了廣泛應(yīng)用。如X分子篩常用于吸附工業(yè)生產(chǎn)排放污水中的重金屬離子和汽車(chē)排放的尾氣,但在環(huán)境中新污染物凈化方面鮮有報(bào)道[21,22]。我們發(fā)現(xiàn)13X分子篩可用于血清中新污染物與內(nèi)源性物質(zhì)的選擇性去除[23],如甘油酯、膽固醇等,但是尚不確定此方案是否適用于土壤提取液的凈化。本研究旨在考察該固相萃取吸附劑在土壤中多氯萘選擇性凈化方面的適用性,探索其去除土壤中脂類(lèi)等干擾物的效果。在此基礎(chǔ)之上,建立了基于分子篩固相萃取的GC-MS/MS測(cè)定土壤中多氯萘的分析方法,并評(píng)估其方法適用性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器、試劑與材料

冷凍干燥儀(FREEZONE 4.5, 美國(guó)LABCONCO公司);旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(R-205,瑞士Buchi公司);氮吹濃縮儀(DC-12,上海安譜公司);固相萃取儀(Visiprep DL,美國(guó)Supelco公司);氣相色譜-三重四極桿質(zhì)譜儀(TSQ Quantum XLS)和加速溶劑萃取儀(ASE-350)均購(gòu)自美國(guó)Thermo Fisher公司;凝膠滲透色譜儀由P230高壓穩(wěn)流泵(大連依利特公司)、凈化柱(600 mm×25 mm, SX-3 Bio-beads填料,美國(guó)Varian公司)和紫外檢測(cè)器(BT3030,德國(guó)Biotronik公司)構(gòu)成。

PCNs混合標(biāo)準(zhǔn)品(1 μg/mL CN-2、5、3、24、13、42、46、52、53、66、68、73、75);13C同位素標(biāo)記的PCNs標(biāo)準(zhǔn)品(含1 μg/mL13C12-CN-42、27、52、67、73、75, 9.7 μg/mL13C12-CN-13, 10 μg/mL13C12-CN-2、6、13、64)(劍橋同位素實(shí)驗(yàn)室);丙酮、正己烷、二氯甲烷、壬烷(農(nóng)殘級(jí),美國(guó)J. T. Baker公司);濃硫酸、氫氧化鉀和無(wú)水硫酸鈉(優(yōu)級(jí)純和分析純及以上,天津市大茂化學(xué)試劑廠);硝酸銀(分析純,沈陽(yáng)試劑二廠)。

13X分子篩固相萃取吸附劑(80～100目,阿拉丁試劑有限公司)、玻璃固相萃取柱和纖維篩板(3 mL)(博納艾杰爾技術(shù)有限公司)、硅膠(100～200目,青島恒澤硅膠制藥有限公司);中性氧化鋁(pH=7.5, MP Biomedicals公司)。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

1 μg/mL的多氯萘混合標(biāo)準(zhǔn)品用壬烷稀釋成100 ng/mL的混合標(biāo)準(zhǔn)貯備液;10 μg/mL的同位素內(nèi)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)品溶液(13C12-CN-6、13、42、27、52、67、73、75)用壬烷配制成1 μg/mL的混合提取內(nèi)標(biāo)貯備液,用于條件優(yōu)化實(shí)驗(yàn);10 μg/mL的同位素內(nèi)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)品溶液(13C12-CN-2和13C12-CN-64)用壬烷配制成1 μg/mL的混合進(jìn)樣內(nèi)標(biāo)貯備液,用于條件優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。10 μg/mL的同位素內(nèi)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)品溶液(13C12-CN-2、6、13、42、27、52、67、65、73、75)用壬烷配制成1 μg/mL的混合提取內(nèi)標(biāo)貯備液,用于方法驗(yàn)證實(shí)驗(yàn);10 μg/mL的同位素內(nèi)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)品溶液(13C12-CN-9和13C12-CN-64)用壬烷配制成1 μg/mL的混合進(jìn)樣內(nèi)標(biāo)貯備液,用于方法驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。上述貯備液均于-20 ℃冷藏保存。

1.3 制樣、提取與濃縮

冷凍干燥:將采集的土壤樣品放在搪瓷盤(pán)中混勻,除去枝棒、葉片、石子等異物,四分法取樣后放入-20 ℃冰箱中至少冷凍24 h,然后置于凍干機(jī)中脫水;將干燥后的土壤樣品研磨混勻后,密封保存在冰箱中。

提取與濃縮:稱取10 g土壤,加入適量硅藻土和5 g銅粉研磨至流沙狀,裝入加速溶劑萃取池中以正己烷/二氯甲烷(1∶1, v/v)進(jìn)行提取。萃取溫度:100 ℃;萃取壓力:2 MPa;靜態(tài)萃取時(shí)間:10 min;循環(huán)次數(shù):2次;溶劑體積:70%。旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至干,用2 mL正己烷進(jìn)行復(fù)溶。

1.4 凈化、濃縮與定容

稱取1 000 mg 13X型分子篩裝入3 mL玻璃小柱中,上下兩端均用篩板封裝;先用6 mL正己烷活化分子篩,然后將1.3節(jié)中所得溶液上樣,繼續(xù)用5 mL正己烷淋洗,棄去淋洗液;接著使用10 mL二氯甲烷/正己烷(2∶15, v/v)進(jìn)行洗脫;所得洗脫液氮吹至干,加入進(jìn)樣內(nèi)標(biāo)(1 μg/mL混合進(jìn)樣內(nèi)標(biāo)貯備液10 μL),壬烷定容至200 μL,待氣相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜分析。

1.5 儀器分析

毛細(xì)管氣相色譜柱為5%苯基-甲基聚硅氧烷(Rtx-5MS, 60 m×0.25 mm×0.25 μm),進(jìn)樣口溫度為260 ℃,不分流進(jìn)樣,不分流時(shí)間為1 min。程序升溫條件如下:初始溫度80 ℃,保持1 min后以15 ℃/min的速率升溫至160 ℃,繼續(xù)以3 ℃/min的速率升溫至265 ℃,再以5 ℃/min的速率升溫至280 ℃,停留10 min。

質(zhì)譜離子源為電子轟擊源(EI),氣相色譜和質(zhì)譜接口的傳輸線溫度為280 ℃,離子源溫度240 ℃。掃描模式選擇選擇反應(yīng)監(jiān)測(cè)(SRM)模式,載氣和碰撞氣分別為高純氦氣和高純氬氣,定性、定量離子對(duì)和碰撞能量參見(jiàn)已發(fā)表文獻(xiàn)[1,24]。

2 結(jié)果與討論

2.1 13X分子篩對(duì)土壤提取液的凈化效果

以13X分子篩為固相萃取吸附劑,正己烷為上樣溶劑,20 mL二氯甲烷/正己烷(2∶15, v/v)為洗脫溶劑,考察該凈化方法對(duì)土壤提取液的凈化效果。從圖1a和圖1b中可以看出,棕黃色土壤提取液經(jīng)過(guò)凈化后,顏色透明,凈化效果顯著。將土壤提取液以及經(jīng)過(guò)13X分子篩凈化的等量土壤提取液分別采用凝膠滲透色譜進(jìn)行檢測(cè)。從圖1c中可以看出,在有效的餾分收集時(shí)間內(nèi)(22.2～41.5 min),土壤提取液中的絕大多數(shù)脂類(lèi)可以被有效去除。不僅如此,我們將等量的土壤提取液分別采用凝膠滲透色譜、弗羅里硅土固相萃取、多層硅膠/氧化鋁柱和13X分子篩固相萃取進(jìn)行凈化處理,比較其凈化效果。從圖2可以看出,經(jīng)過(guò)凝膠滲透色譜和弗羅里硅土固相萃取后,所得提取液餾分濃縮后有明顯固體附著在管壁上,凈化效果不理想;而采用多層硅膠/氧化鋁柱和13X分子篩凈化后的土壤提取液相對(duì)比較干凈。比較而言,13X分子篩的凈化效果優(yōu)于凝膠滲透色譜和弗羅里硅土柱。

圖 1 土壤提取液經(jīng)13X分子篩凈化(a)前、(b)后的顏色對(duì)比圖及其(c)凝膠滲透色譜圖Fig. 1 Color comparison of soil-extracts (a) before and (b) after cleanup with 13X molecular sieves and (c) their gel permeation chromatograms

圖 2 不同凈化方法對(duì)土壤提取液的凈化效果Fig. 2 Purification effects on soil-extracts via different cleanup methods a. gel permeation chromatography (GPC) cleanup: dichloromethane as mobile phase with flow rate of 5 mL/min, collection time of 22.2-41.5 min; b. Florisil SPE (1 g, 6 mL) cleanup: elution with 20 mL hexane-dichloromethane (DCM) (1∶1, v/v); c. multilayer-silica and alumina column cleanup: eluting with 150 mL hexane on multilayer-silica and 100 mL DCM-hexane (5∶95, v/v) on neutral alumina; d. 13X molecular sieves SPE (1 g, 3 mL) cleanup: eluting with 20 mL DCM-hexane (2∶15, v/v).

隨后,我們對(duì)加標(biāo)的土壤提取液進(jìn)行提取效率測(cè)定,結(jié)果見(jiàn)表1。從中可以看出:經(jīng)過(guò)13X分子篩固相萃取凈化后,PCNs提取內(nèi)標(biāo)的平均回收率范圍為56.1%～88.0%,二氯萘回收率較低,三氯以上取代萘的回收率高于60%;經(jīng)過(guò)多層硅膠/氧化鋁柱凈化后,PCNs提取內(nèi)標(biāo)的平均回收率范圍為53.0%～117.0%,二氯萘回收率較低,四氯以上多氯萘基本可以實(shí)現(xiàn)完全回收(97.4%～117.6%)。兩種凈化方法相比,多層硅膠/氧化鋁柱凈化所得高氯萘的回收率較高,而13X分子篩凈化后所得回收率雖然不如前者高,但是操作更加簡(jiǎn)單,有機(jī)溶劑用量更少(30 mL左右),環(huán)境更加友好,分析成本更低。

2.2 方法適用性驗(yàn)證

2.2.1標(biāo)準(zhǔn)曲線和儀器檢出限

將PCNs混合標(biāo)準(zhǔn)溶液分別配制成質(zhì)量濃度為2、5、10、20、50、100 ng/mL的系列標(biāo)準(zhǔn)溶液,運(yùn)用已建立的GC-MS/MS方法對(duì)上述標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行3次重復(fù)測(cè)定。結(jié)果表明,在2～100ng/mL范圍內(nèi),標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性相關(guān)系數(shù)R2為0.985 9～0.999 5。選擇系列濃度標(biāo)準(zhǔn)溶液中最低濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行5次以上重復(fù)測(cè)定,計(jì)算測(cè)定值的標(biāo)準(zhǔn)偏差,取標(biāo)準(zhǔn)偏差的3倍作為儀器檢出限。儀器檢出限用于估算方法檢出限實(shí)驗(yàn)時(shí)的加標(biāo)量。本研究中儀器檢出限為0.2～1.2 pg。

表 1 土壤提取液中多氯萘提取內(nèi)標(biāo)回收率(n=2)

表 2 土壤中多氯萘的平均加標(biāo)回收率和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(n=6)

表 3 GC-MS/MS測(cè)定土壤中多氯萘的分析方法比較

2.2.2方法檢出限

方法檢出限(MDL)參考《環(huán)境監(jiān)測(cè)分析方法標(biāo)準(zhǔn)制定技術(shù)指導(dǎo)》(HJ 168-2020)[19]中規(guī)定的方法進(jìn)行評(píng)估。以空白土壤為基質(zhì),向其中添加1.0 ng PCNs標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),按照樣品分析的全部步驟,重復(fù)7次試驗(yàn);將各測(cè)定結(jié)果換算為樣品中的含量(以ng/g 計(jì)),計(jì)算7次平行測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)偏差,取標(biāo)準(zhǔn)偏差的3.143倍作為方法檢出限(保留一位有效數(shù)字)。除CN-5、24、46和68的方法檢出限較高(0.2～0.6 ng/g)外,PCNs其他同族體的方法檢出限為0.009～0.04 ng/g。

2.2.3精密度和準(zhǔn)確度

取7份等量(10 g)的空白土壤,向其中6份土壤中平行加入一定量的目標(biāo)物標(biāo)準(zhǔn)溶液(4、10、18 ng),按照提取、凈化和分析全程序進(jìn)行試驗(yàn)，平行測(cè)定6次。

如表2所示,CN-2、5和24加標(biāo)回收率較低(3%～29%),且測(cè)定結(jié)果偏差大,即該方法不適用于這3種物質(zhì)的準(zhǔn)確定量。CN-66和CN-68在中、低濃度加標(biāo)試驗(yàn)中,存在回收率較低(38%～48%)或高濃度加標(biāo)試驗(yàn)中回收率過(guò)高(137%)的問(wèn)題。其他同族體在低、中、高加標(biāo)濃度下的平均回收率范圍分別為70%～128%、71%～115%和61%～114%,測(cè)定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為4.2%～23%、6.5%～31%和4.7%～22%。因此,從整個(gè)分析流程來(lái)看,該方法凈化流程簡(jiǎn)單,可滿足土壤中CN-3、13、42、46、52、53、73和75的準(zhǔn)確定量。

2.3 分析方法比較

方法檢出限在一定程度上受樣品前處理流程、取樣量、定容體積和儀器檢出限等影響,簡(jiǎn)單地進(jìn)行數(shù)值比較沒(méi)有實(shí)際意義。為此,表3列出了用于土壤中多氯萘測(cè)定的GC-MS/MS分析方法細(xì)節(jié)。從中可以看出,采用3倍信噪比方法往往可以獲得較低的方法檢出限,而通過(guò)增加取樣量,縮小定容體積,也可以在一定程度上降低方法檢出限。為了提高對(duì)比結(jié)果的有效性,本研究分別采用了13X分子篩固相萃取和層析柱(多層硅膠柱和氧化鋁柱)對(duì)土壤樣品進(jìn)行前處理,采用相同的儀器和數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。研究發(fā)現(xiàn),在層析柱法處理后的土壤樣品中低氯萘回收率較低,測(cè)定結(jié)果偏差較大,所以表格中僅統(tǒng)計(jì)了氯原子數(shù)目為4以上的多氯萘的回收率。與層析柱法相比,經(jīng)過(guò)13X分子篩固相萃取后,CN-5、24、46、68的方法檢出限較高(0.2～0.6 ng/g),其余多氯萘的方法檢出限與層析柱法相當(dāng)。

3 結(jié)論

13X分子篩作為一種價(jià)格相對(duì)低廉的吸附材料,可以較好地應(yīng)用于土壤提取液中多氯萘的選擇性凈化。通過(guò)13X分子篩固相萃取,在正己烷上樣體系下,使用10 mL二氯甲烷/正己烷(2∶15, v/v)可以洗脫P(yáng)CNs,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物與脂類(lèi)等大分子干擾物的選擇性分離,達(dá)到良好的凈化效果。本研究建立的基于13X分子篩固相萃取法的多氯萘分析方法,操作簡(jiǎn)單,環(huán)境更加友好,可滿足土壤中CN-3、13、42、46、52、53、73和75的準(zhǔn)確定量,有望在土壤提取液中新污染物凈化分離方面發(fā)揮重要作用。