土壤中半揮發(fā)性有機(jī)物的高效測(cè)定方法研究

李元瀚,馬博,梁敏娜,孫曉霞,宋騰騰

(1.陜西省環(huán)境科學(xué)研究院,陜西 西安 710000;2.陜西省環(huán)保集團(tuán)生態(tài)建設(shè)管理有限公司,陜西 西安 710000)

半揮發(fā)性有機(jī)物(SVOCs)包含氯代烴類、鄰苯二甲酸酯類、亞硝胺類、醚類、鹵醚類、酮類、苯胺類、吡啶類、喹啉類、硝基芳香烴類、酚類包括硝基酚類、有機(jī)氯農(nóng)藥類、多環(huán)芳烴類等多種化合物,大部分為內(nèi)分泌干擾物(EDCs),具有致畸、致癌和致突變的“三致”毒性作用,多種SVOCs被我國(guó)生態(tài)環(huán)境部和美國(guó)環(huán)保部(EPA)列為優(yōu)先監(jiān)測(cè)的有機(jī)污染物“黑名單”[1]。SVOCs的土壤累積對(duì)農(nóng)作物污染間接影響人類健康,尤其可能對(duì)人類神經(jīng)系統(tǒng)造成危害[2],因此,準(zhǔn)確高效分析監(jiān)控半揮發(fā)性有機(jī)物濃度十分重要。

目前,實(shí)驗(yàn)室一般使用HJ 834—2017的方法分析土壤中半揮發(fā)性有機(jī)物[3],該方法運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng),在樣品量較大的情況下,日通量十分有限,且容錯(cuò)率低,這也是制約開(kāi)展大規(guī)模半揮發(fā)性有機(jī)物檢測(cè)的關(guān)鍵所在。本研究使用不同色譜條件優(yōu)化儀器參數(shù),橫向比較不同條件下數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性,以期顯著提高實(shí)驗(yàn)效率的同時(shí)兼顧數(shù)據(jù)質(zhì)量,建立土壤半揮發(fā)性有機(jī)物的高效測(cè)定方法。

1 實(shí)驗(yàn)原理

土壤或沉積物中的半揮發(fā)性有機(jī)物使用適當(dāng)?shù)妮腿》椒?如加壓流體萃取、超聲提取等)提取,根據(jù)要檢測(cè)的目標(biāo)化合物性質(zhì)及樣品本身基體效應(yīng)情況選擇合適的凈化方法(如GPC、固相萃取等)對(duì)提取液凈化,再通過(guò)濃縮和定容進(jìn)行量化,經(jīng)過(guò)氣相色譜分離,質(zhì)譜檢測(cè)。根據(jù)保留時(shí)間和碎片離子質(zhì)荷比定性,使用內(nèi)標(biāo)法并根據(jù)目標(biāo)物質(zhì)豐度進(jìn)行定量。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)儀器

萬(wàn)分之一天平,ME204型,梅特勒-托利多上海儀器有限公司;氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用儀,GC/MS 7890B-5977A,安捷倫科技有限公司;高壓流體萃取儀,ASE 350型,賽默飛世爾科技公司;有機(jī)樣品前處理平臺(tái),J2-preplinc platform,北京普立泰科儀器有限公司;全自動(dòng)平行濃縮儀,AUTOEVA-20L,?？苾x器有限公司。

2.2 試驗(yàn)試劑

丙酮:上海安譜實(shí)驗(yàn)科技有限公司,色譜純;正己烷:上海安譜實(shí)驗(yàn)科技有限公司,色譜純;6種替代標(biāo):Reagecon;6種內(nèi)標(biāo):Reagecon;64種半揮發(fā)性有機(jī)物混標(biāo):Reagecon。

2.3 方法

2.3.1 研究方法

本研究摒棄了以往通過(guò)加標(biāo)回收率、準(zhǔn)確度等參數(shù)來(lái)判定方法優(yōu)劣的模式,根據(jù)質(zhì)譜檢測(cè)的方法特點(diǎn)選擇更具代表性的參數(shù)進(jìn)行比較(本方法選擇響應(yīng)值、峰寬和標(biāo)準(zhǔn)曲線穩(wěn)定性),探究一種更加高效同時(shí)兼顧精度的參數(shù)條件。其中,響應(yīng)值即目標(biāo)物含量強(qiáng)度,是定量的主要參數(shù),可以反映檢測(cè)器對(duì)目標(biāo)物質(zhì)的收集效率[4];峰寬,主要反映選擇分離條件好壞(升溫程序),理論上峰寬越窄,峰型越好,說(shuō)明分離度更好,響應(yīng)更集中[4];標(biāo)準(zhǔn)曲線平均響應(yīng)因子(RRF),該參數(shù)為內(nèi)標(biāo)法特有的標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合參數(shù),利用內(nèi)標(biāo)規(guī)避掉定量體積、基體效應(yīng)等干擾,可以很好地體現(xiàn)測(cè)定目標(biāo)化合物的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性[5],按照標(biāo)準(zhǔn)要求,所有化合物需要滿足RRF≤30[2]。

2.3.2 色譜及質(zhì)譜參數(shù)

本研究挑選了三種檢出限、精密度和正確度均可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的參數(shù)條件進(jìn)行比較分析。

色譜條件1(63 min):DB-5MS柱(30 m×0.25 mm×0.25 mm);進(jìn)樣口溫度280 ℃;載氣:氦氣;柱流量1.0 mL/min;不分流進(jìn)樣;進(jìn)樣體積1 μL;升溫程序:初始35 ℃保持2 min,以10 ℃/min升至150 ℃,保持5 min,以3 ℃/min升至290 ℃保持2 min;接口溫度280 ℃。

色譜條件2(43 min):DB-5MS柱(30 m×0.25 mm×0.25 mm);進(jìn)樣口溫度280 ℃;載氣:氦氣;柱流量1.0 mL/min;不分流進(jìn)樣;進(jìn)樣體積1 μL;升溫程序:初始40 ℃保持2 min,以10 ℃/min升至150 ℃保持5 min,以3 ℃/min升至180 ℃保持2 min,以10 ℃/min升至300 ℃保持5 min;接口溫度300 ℃。

色譜條件3(28 min):DB-5MS柱(30 m×0.25 mm×0.25 mm);進(jìn)樣口溫度280 ℃;載氣:氦氣;柱流量1.0 mL/min;不分流進(jìn)樣;進(jìn)樣體積1 μL;升溫程序:初始35 ℃保持2 min,以15 ℃/min升至100 ℃,以20 ℃/min升至240 ℃,以5 ℃/min升至290 ℃保持5 min;接口溫度290 ℃。

質(zhì)譜條件:電子轟擊源EI;離子源溫度230 ℃;離子化能量70 eV;四級(jí)桿溫度150 ℃;質(zhì)量掃描范圍35～450 amu;容積延遲5 min;數(shù)據(jù)采集模式SCAN。

2.3.3 測(cè)定

在儀器條件穩(wěn)定情況下,按照以上不同色譜條件測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)系列并繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,標(biāo)準(zhǔn)系列濃度分別為1.0,5.0,10.0,20.0,50.0 μg/mL。測(cè)定結(jié)果選擇最具代表性的最高濃度點(diǎn),使用安捷倫Qualitative Navigator導(dǎo)出目標(biāo)物質(zhì)響應(yīng)值、峰寬等信息,使用安捷倫Qualitative Workflows繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,導(dǎo)出標(biāo)準(zhǔn)曲線相關(guān)信息,使用Excel處理數(shù)據(jù)并剔除異常值,使用Origin對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理,橫向比較三種色譜條件下結(jié)果特征。

3 結(jié)果與討論

3.1 響應(yīng)值分析

使用安捷倫Qualitative Navigator導(dǎo)出圖譜及響應(yīng)值數(shù)據(jù)(見(jiàn)表1),將數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理后(見(jiàn)圖1),可明顯看出三種條件下整體響應(yīng)值63 min>43 min>28 min,由表1可知43 min方法平均響應(yīng)值比63 min方法下降了14.92%,28 min方法平均響應(yīng)值比63 min方法下降了34.16%。由圖1可知43 min方法響應(yīng)值整體下降,但大部分與63 min方法響應(yīng)值處于同一水平,28 min方法響應(yīng)值下降明顯。

表1 各化合物響應(yīng)值

圖1 響應(yīng)值趨勢(shì)圖

3.2 峰寬分析

使用安捷倫Qualitative Navigator導(dǎo)出峰寬數(shù)據(jù)(見(jiàn)表2),將數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理后(見(jiàn)圖2),可明顯看出,在化合物2,4-二氯苯酚之前,峰寬變化趨勢(shì)63 min >43 min>28 min;化合物2,4-二氯苯酚之后,峰寬變化趨勢(shì)63 min與43 min接近,28 min明顯低于其他兩種。由表2可知43 min方法平均峰寬比63 min方法降低了12.17%,28 min方法平均響應(yīng)值比63 min方法降低了37.09%,結(jié)合響應(yīng)值帶來(lái)的影響,63 min與43 min基本處于同一水平,28 min峰寬整體更窄,分離度更好,響應(yīng)更集中。

表2 各化合物峰寬

表2(續(xù))

圖2 峰寬趨勢(shì)圖

3.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線穩(wěn)定性

使用安捷倫Qualitative Workflows繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線(見(jiàn)表3),將數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理后(見(jiàn)圖3),可明顯看出,63 min和43 min擬合標(biāo)線所有化合物RRF均小于方法要求30,28 min有部分化合物RRF未達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn),其中63 min方法55種化合物有28種RRF≤10,49種化合物RRF≤20,所有化合物RRF≤30;43 min方法55種化合物20種RRF≤10,48種RRF≤20,所有化合物RRF≤30;28 min方法55種化合物9種化合物RRF≤10,29種RRF≤20,47種化合物RRF≤30,有8種未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 不同色譜條件下各化合物標(biāo)準(zhǔn)曲線RRF

表3(續(xù))

圖3 標(biāo)準(zhǔn)曲線RRF散點(diǎn)圖

3.4 討論

1)本實(shí)驗(yàn)中,63 min方法響應(yīng)值最高,說(shuō)明檢測(cè)器收集效率高,但同時(shí)峰寬也最高,分離度和集中度相對(duì)較差,部分化合物存在明顯拖尾現(xiàn)象;28 min方法峰寬最低,分離度和集中度最好,且不存在拖尾現(xiàn)象,但是響應(yīng)值降低幅度較明顯;43 min方法響應(yīng)值與63 min方法比較降低幅度較小,峰寬與28 min方法比較雖然降低幅度較大,但幾乎不存在拖尾現(xiàn)象,具有較好的分離度。

2)本實(shí)驗(yàn)中,63 min標(biāo)準(zhǔn)曲線RRF整體值最小,說(shuō)明該方法綜合正確度和穩(wěn)定性最高;43 min方法整體水平與63 min方法幾乎持平,也體現(xiàn)出較高的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性;28 min方法與前兩個(gè)方法相比RRF數(shù)值明顯變高,表明該方法對(duì)不同濃度的樣品分析穩(wěn)定性較差,尤其是對(duì)沸點(diǎn)較高的目標(biāo)化合物,對(duì)不同濃度的樣品收集效率存在較大差異。

4 結(jié)論

1)綜合上述內(nèi)容,對(duì)于全部半揮發(fā)性有機(jī)物的分析測(cè)試,43 min方法具有響應(yīng)值高、分離度好、標(biāo)準(zhǔn)曲線穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì),是最佳的全指標(biāo)測(cè)定方法。

2)63 min的標(biāo)準(zhǔn)方法和28 min 的方法都存在一定問(wèn)題,但是在特定情況下也可選擇使用。時(shí)間較充裕,避開(kāi)易拖尾的化合物或需要測(cè)定響應(yīng)值較低的化合物時(shí),可以選擇63 min標(biāo)準(zhǔn)方法;時(shí)間緊張,避開(kāi)穩(wěn)定性較差的高沸點(diǎn)化合物時(shí),可以選擇28 min方法提高效率。