超聲提取-氣相色譜質(zhì)譜法測定土壤中的多環(huán)芳烴

胡德華，劉小桐，閆峻

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029）

多環(huán)芳烴（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，PAHs）是一類分子中含有兩個或兩個以上苯環(huán)的碳氫化合物以及其衍生物的總稱，可分為芳香稠環(huán)型及芳香非稠環(huán)型兩種，迄今為止，已發(fā)現(xiàn)有200多種的PAHs［1-2］。多環(huán)芳烴的來源分為自然源和人為源。自然源多環(huán)芳烴主要來自于陸生、水生植物和微生物的生物合成過程，以及森林、草場天然火災；人為源多環(huán)芳烴產(chǎn)生于工業(yè)生產(chǎn)、有機物熱解或不完全燃燒［3-4］。自然源多環(huán)芳烴可作為一類原油生物標志物在石油地球化學中起到廣泛應用，如判斷原油和生油巖成熟度、判斷石油母源和沉積環(huán)境、油源對比等［5］。此外，多環(huán)芳烴也是一類重要的污染物。人為源的多環(huán)芳烴廣泛分布于人類生活的自然環(huán)境如大氣、水體、土壤、作物和食品中，具有難降解、積累性強、半揮發(fā)性等特點，通過呼吸道、皮膚、消化道進入人體，極大地威脅著人類的健康，有很強的致畸、致癌、致突變作用［6-7］。目前多環(huán)芳烴已被列入建設用地土壤污染風險篩選值和管制值的基本項目及農(nóng)用地土壤污染風險篩選值其他項目中，受到廣泛關注［8］。

目前對于土壤中多環(huán)芳烴的提取和檢測是研究的熱點領域。常用的多環(huán)芳烴檢測技術包括：高效液相色譜法（HPLC）、氣相色譜法（GC）、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法（GC-MS）、氣相色譜-三重四極桿質(zhì)譜聯(lián)用法（GC-MS/MS）等。HPLC分析多環(huán)芳烴時不需要高溫氣化樣品，樣品進入儀器時不會被高溫分解，缺點是抗干擾能力弱，難以準確判斷目標物［9］；GC具有儀器價格低廉的優(yōu)點，缺點同樣為抗干擾能力弱［10］；GC-MS/MS具有高抗干擾能力和高選擇性，缺點為儀器價格昂貴，設備使用條件高［11］。GC-MS具有定性、定量準確的優(yōu)點，且可以使用全掃描（Full Scan）和選擇離子掃描（Selective Ion Monitoring）兩種模式，抗干擾能力強，是目前分析土壤中多環(huán)芳烴的重要手段［12-13］。

在GC-MS檢測過程中，樣品在進入儀器檢測前通常需要經(jīng)過提取、凈化、濃縮等前處理步驟，其中提取步驟對檢測效果起到了決定作用。目前，索氏提取法、加壓流體萃取法和超聲提取法是提取土壤中多環(huán)芳烴最常用的方法。索氏提取具有選擇性好、能耗低、操作簡便、設備簡單等優(yōu)點。缺點是提取耗時過長，需要持續(xù)回流10 h以上才能提取完全，不利于大量樣品檢測［14］。加壓流體萃取法具有提取效率快、自動化程度高、萃取效率高等優(yōu)點，缺點是對溶劑使用量高，且需要使用專用設備，使用條件要求較高［15］。超聲提取法是基于超聲波的空化作用，在溶劑中形成無數(shù)氣泡快速形成內(nèi)爆［16］，輔助溶劑對樣品進行提取，具有操作簡便，提取時間較短，提取效率較高等優(yōu)點，已被廣泛應用于各類無機或有機物質(zhì)的提取中［17-19］。采用超聲提取，硅酸鎂小柱凈化，GC-MS定性、定量分析，建立了土壤中16種多環(huán)芳烴的檢測方法，并應用于實際樣品的檢測中。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

儀器：Clarus600T氣相色譜-質(zhì)譜儀（美國PerkinElmer公司）、KH-100E超聲波儀（中國昆山禾創(chuàng)超聲儀器有限公司）、吉艾姆A-200濃縮儀（北京吉艾姆科技有限公司）、HITACHI CP100NX高速離心機（日本株式會社日立制作所）。

試劑：二氯甲烷中16種多環(huán)芳烴混標（2 000 mg·L-1）、二氯甲烷中5種同位素混合內(nèi)標（2 000 mg·L-1）購自壇墨質(zhì)檢科技股份有限公司（中國常州）；正己烷（色譜純）、丙酮（色譜純）、二氯甲烷（色譜純）、無水硫酸鈉購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司（中國上海）；高純He氣購自北京氦普北分氣體工業(yè)有限公司（中國北京）

1.2 色譜條件

進樣口：無分流進樣，溫度250℃；色譜柱：HP-5MS彈性石英毛細管色譜柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）；進樣量：1.0 μL；柱流量：1.0 mL·min-1；柱箱：80℃保持1 min，以15℃·min-1升至255℃并保持1 min，再以1℃·min-1升至265℃，保持1 min，最后以2.5℃·min-1升至295℃，保持2 min。

1.3 質(zhì)譜條件

離子源：EI；離子源溫度：250℃；離子化能量：70 eV；傳輸線溫度：280℃；質(zhì)量掃描范圍：45～450 u；溶劑延遲：3 min；掃描模式：全掃描模式和選擇離子（SIM）模式。

1.4 標準曲線繪制

使用正己烷-丙酮1：1混合溶液將16種PAHs混合標準溶液（2 000 mg·L-1）稀釋為500 mg·L-1的PAHs標準中間液；使用正己烷-丙酮1：1混合溶液將5種同位素混合內(nèi)標（2 000 mg·L-1）溶液稀釋為200 mg·L-1的內(nèi)標中間液。取5個氣相色譜進樣瓶，使用5 μL的進樣針移取適量多環(huán)芳烴標準中間液和內(nèi)標中間液，用正己烷-丙酮混合溶劑定容，配置成多環(huán)芳烴含量為2.0、5.0、10.0、20.0和40.0 mg·L-1，內(nèi)標含量為20.0 mg·L-1的標準系列溶液。

1.5 樣品的提取和制備

1.5.1樣品提取

實驗所用土壤取自北京周邊地區(qū)，采樣時間為2021年10月。土壤取回后，剔除其中的石子、枯枝和碎屑，陰干后，研磨過200目篩。稱取10.0 g樣品于100 mL碘量瓶中，加入5.0 g無水硫酸鈉、1.0 g銅片，加入60 mL正己烷-二氯甲烷1：1混合溶液，加塞水封，超聲震蕩2 h。結(jié)束后將提取劑用高速離心機5 000 r·min-1離心10 min，分離出上清液，濃縮至1 mL待用。

1.5.2樣品純化

將硅酸鎂小柱（6 mL，1g）固定在固相萃取裝置上，用4 mL二氯甲烷淋洗凈化柱，加入5 mL正己烷，待柱充滿后關閉流速控制閥5 min浸潤硅酸鎂柱，打開控制閥，繼續(xù)加入正己烷5 mL，在填料暴露于空氣前關閉控制閥。加入濃縮后的提取液，用2 mL正己烷分3次洗滌儲存濃縮液的容器，洗液轉(zhuǎn)移入小柱中。緩慢打開控制閥，在填料暴露于空氣前關閉控制閥，分兩次各加入5 mL二氯甲烷-正己烷混合溶劑洗脫。收集全部洗脫液，再次濃縮至1 mL。

1.5.3空白土壤樣品和加標土壤樣品的制備

取一定量來自北京周邊地區(qū)的土壤樣品，剔除其中的石子、枯枝和碎屑，陰干后，研磨過200目篩，裝入索氏提取器中，使用正己烷-二氯甲烷混合溶液提取12 h。結(jié)束后倒去索氏提取器下部燒瓶中的溶液，換上新的正己烷-二氯甲烷混合溶液重復提取。重復此操作5次得到空白土壤樣品。留取部分空白土壤樣品作為實驗中全流程空白參比樣品。利用此空白土壤樣品配制多環(huán)芳烴加標土壤樣品，以各多環(huán)芳烴組分加標水平均為2.0 mg·kg-1的加標土壤樣品為例，加標方法為稱取10.0 g空白土壤樣品，使用10.0 μL進樣針準確加入10.0 μL濃度為2 000 mg·L-1的多環(huán)芳烴標準溶液，充分攪拌均勻待用。

2 結(jié)果與討論

2.1 多環(huán)芳烴標準色譜圖

依照擬定的色譜條件，對標樣中的多環(huán)芳烴成分進行分析，測得的色譜圖如圖1所示。圖1中所標注的峰分別為：1）萘-d8（內(nèi)標）；2）萘；3）苊烯；4）苊烯-d10（內(nèi)標）；5）苊；6）芴；7）菲-d10（內(nèi)標）；8）菲；9）蒽；10）熒蒽；11）芘；12）苯并［a］蒽；13）?-d12（內(nèi)標）；14）?；15）苯并［b］熒蒽；16）苯并［k］熒蒽；17）苯并［a］芘；18）苝-d12（內(nèi)標）；19）茚并［1，2，3-c，d］芘；20）二苯并［a，h］蒽；21）苯并［g，h，i］苝?？梢钥吹?，16種多環(huán)芳烴組分及5種內(nèi)標物均能檢出并分離。

圖1 多環(huán)芳烴標準樣品色譜流出圖Fig.1 Chromatogram of polycyclic aromatic hydrocarbons in standard samples

2.2 校準曲線

根據(jù)各多環(huán)芳烴組分的保留時間對各組分峰進行定性分析。利用各組分質(zhì)量濃度和附近內(nèi)標物的質(zhì)量濃度比值為橫坐標；以各組分峰面積和內(nèi)標化合物的峰面積的比值，與內(nèi)標化合物的質(zhì)量濃度為縱坐標，可用內(nèi)標法測定各多環(huán)芳烴組分的含量?；貧w方程如表1所示。各組分平均回收率介于91.3%～101.2%之間，標準曲線的相關系數(shù)介于0.996 7～0.999 7之間。說明檢測方法線性相關性好，符合定量分析要求。

表1 多環(huán)芳烴的分離、回收效果Table 1 Effect of separation and recovery of PAHs

2.3 提取條件的優(yōu)化

土壤樣品中多環(huán)芳烴類化合物含量通常較少，而且含有較多干擾物質(zhì)，因此在土壤樣品多環(huán)芳烴的檢測過程中，提取效率的高低尤為重要。從節(jié)省溶劑和提高萃取速率考慮，本實驗采用一次加入溶劑的方法進行提取。本實驗考察了提取過程中，提取溶液種類、提取溶劑量、提取時間以及提取溫度4個主要因素對提取效率的影響。

2.3.1提取溶劑種類選擇

土壤中有機污染物常見的提取溶劑有乙酸乙酯、二氯甲烷、正己烷、石油醚，參考傳統(tǒng)索氏提取、加壓流體萃取等方法中溶劑的配制方法，配制了乙酸乙酯-二氯甲烷、乙酸乙酯-正己烷、乙酸乙酯-石油醚、二氯甲烷-正己烷、二氯甲烷-石油醚、正己烷-石油醚6種二元混合提取劑，混合體積比均為1：1。使用6種提取劑對土壤加標樣品進行提取并檢測。結(jié)果如表2所示。

表2 不同提取劑對多環(huán)芳烴的提取效率Table 2 Extraction efficiency of PAHs with different extraction solvents

由表2可見，6種提取劑對土壤樣品中多環(huán)芳烴的提取效率具有差異，其順序為：二氯甲烷-正己烷＞二氯甲烷-石油醚＞乙酸乙酯-二氯甲烷＞乙酸乙酯-正己烷＞正己烷-石油醚。因此，采用二氯甲烷-正己烷=1：1混合溶劑作為超聲提取溶劑。

此外，為了考察二氯甲烷和正己烷之間配比對回收率的影響，配制了二氯甲烷：正己烷=4：1；2：1；1：1；1：2；1：4五種混合溶液，對10.0 g各多環(huán)芳烴加標水平為2.0 mg·kg-1的土壤樣品進行了提取，計算多環(huán)芳烴組分總量。不同配比的溶液提取效果如圖2所示。由圖2可見，二氯甲烷：正己烷=1：1時提取效果最佳。故選取此比例進行下一步優(yōu)化。

圖2 溶劑比例對萃取效果的影響Fig.2 Influence of solvent ratio on extraction effect

2.3.2提取溫度的選擇

為了確定最佳提取溫度，使用二氯甲烷-正己烷混合溶劑作為提取劑，改變超聲提取儀

的溫度，在20、30和40℃時分別對10.0 g加標土壤樣品進行了提取檢測。每個溫度檢測3次，計算各組分平均回收率。各組分回收率結(jié)果見表3。由表3可見，在20～40℃范圍內(nèi)，各多環(huán)芳烴組分的回收率隨提取溫度的升高而顯著提升，在40℃時達到最大值，溫度升至50℃后回收率沒有明顯提高。因此選擇40℃作為提取溫度進行進一步優(yōu)化實驗。

表3 溫度對多環(huán)芳烴的提取效率的影響Table 3 Extraction efficiency of PAHs with different temperatures

2.3.3提取溶劑量的選擇

為了確定最佳提取溶劑量，在40℃提取溫度下，分別使用30、40、50、60和80 mL二氯甲烷-正己烷混合溶劑對10.0g加標土壤樣品進行了提取檢測。加標土壤樣品中，每種多環(huán)芳烴組分的加標水平均為2.0 mg·kg-1，多環(huán)芳烴總量為32.0 mg·kg-1。每個提取劑加入量下檢測三次。計算每種提取劑加入量下多環(huán)芳烴組分總量，結(jié)果見圖3a。由圖3a可見，多環(huán)芳烴組分總量的含量隨提取劑加入量的增多而增大，當提取劑加入量達到60 mL時，測得的多環(huán)芳烴組分總量基本達到最大值，為28.3 mg·kg-1，回收率為88.4%，滿足檢測需求。提取劑加入量提高到80 mL時，測得的多環(huán)芳烴組分總量為28.7 mg·kg-1，與 加入量為60 mL時相比提升較小。為節(jié)省溶劑考慮，選擇60 mL作為加入的提取劑量。

2.3.4提取時間的選擇

為了確定最佳提取時間，在40℃提取溫度下，分別使用60 mL二氯甲烷-正己烷混合溶劑對10.0g加標土壤樣品分別提取10、30、60、120和180 min并檢測，加標土壤樣品中每種多環(huán)芳烴組分的加標水平均為2.0 mg·kg-1。每個提取時間下檢測3次。計算每種提取劑加入量下多環(huán)芳烴組分總量，結(jié)果見圖3b。由圖3可見，多環(huán)芳烴組分總量的含量隨提取時間增長而增大，當提取時間為120 min，測得的多環(huán)芳烴組分總量基本達到最大值，為28.5 mg·kg-1，回收率為89.1%，滿足檢測需求。提取劑時間為180 min時，測得的多環(huán)芳烴組分總量為29.1 mg·kg-1，回收率為90.9%。從整體提取時間效率考慮，選擇120 min作為提取時間。

圖3 提取劑加入量和提取時間對多環(huán)芳烴的提取效率的影響Fig.3 Extraction efficiency of PAHs with different solvent volumes and different times

2.4 精密度和準確度

根據(jù)優(yōu)化實驗結(jié)果，選擇加入60 mL二氯甲烷-正己烷混合溶劑作為提取劑，提取時間為120 min，提取溫度為40℃，對10.0 g加標土壤樣品進行檢測，計算每個多環(huán)芳烴組分的回收率。土壤樣品平行測定3次，結(jié)果見圖4。由圖4可見，16種多環(huán)芳烴組分3次檢測的平均回收率介于76.8%～101.0%之間，3次檢測結(jié)果間相對標準偏差介于4.16%～7.26%之間，說明該方法具有良好的精密度和準確度。

圖4 多環(huán)芳烴組分的回收率Fig.4 Recovery rate of polycyclic aromatic hydrocarbons

2.5 實際樣品的檢測

取來自北京周邊實際含有多環(huán)芳烴化合物的土壤樣品，使用優(yōu)化好的方法進行提取檢測。此外，對實際土壤樣品進行了加標回收實驗。加標方法為向20.0 g土壤樣品中加入濃度為1 000 mg·L-1的多環(huán)芳烴標準溶液20 μL，充分混勻，即加標水平為1.00 mg·kg-1。實際土壤樣品的檢測結(jié)果與加標回收率見表4。由表4可見，該方法可以檢測出實際土壤樣品中的16種多環(huán)芳烴化合物，且具有較高的回收率，在實際土壤樣品檢測中應用良好。

表4 實際土壤樣品的檢測結(jié)果和加標回收率Table 4 Test results and recovery rate of real soil samples

3 結(jié)論

本實驗建立了一種超聲提取-氣相色譜質(zhì)譜儀檢測土壤中多環(huán)芳烴的方法，通過優(yōu)化超聲提取過程中加入的提取劑種類、提取劑體積、提取時間和提取溫度，可以得出以下結(jié)論：

1）本方法可以高效快速地檢測出土壤樣品中的16種多環(huán)芳烴；

2）本方法在實際樣品中加標實驗回收率介于71.6%～96.6%之間，具有良好的精密度和準確度。

3）本方法與傳統(tǒng)多環(huán)芳烴檢測方法相比，操作簡單、耗時少、消耗溶劑量少，對于提高多環(huán)芳烴樣品的檢測效率具有實際意義。