土壤和沉積物中持久性有機污染物分析的不確定度評估*

利飛

(國家環境分析測試中心，國家環境保護二惡英污染控制重點實驗室，北京 100029)

持久性有機污染物(Persistent Organic Pollutants, 簡稱POPs)具有高毒性和“致癌、致畸、致突變”效應，在環境中殘留時間長，可通過“蚱蜢跳”效應長距離傳輸，并可通過食物鏈進行生物富集危害人體健康[1]。自上世紀90年代以來，POPs的防控成為全球環境熱點。2004年我國加入削減POPs的《斯德哥爾摩公約》后，在首批限定的12種POPs(包括艾氏劑、狄氏劑、異狄氏劑、六氯苯、滴滴涕、七氯、氯丹、滅蟻靈、毒殺芬9種有機氯農藥，多氯聯苯和二惡英)的消減、污染防控和相關研究方面做了大量工作。由于POPs屬于非極性和弱極性有機污染物，KOW值較大，易于吸附在土壤和沉積物上，所以土壤和沉積物中POPs的測定是POPs研究的重要內容之一。

土壤中POPs的含量在10-12～10-9范圍內，分析過程復雜，包括采樣制樣、運輸和保存、前處理、測定4個主要步驟，每個環節都會引入不確定度，不確定度的來源較多。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

氣質聯用儀：7890/5975C型，美國Agilent公司；

毛細管柱：DB-5MS型(30 m×0.25 mm，0.25 μm)，美國J&W公司；

快速溶劑萃取儀：ASE300型，美國Dionex公司；

旋轉蒸發儀：R210型，配V700真空泵V850真空控制器，瑞士Buchi公司；

玻璃凈化柱：內徑10 mm，長350 mm，上海晶菱公司；

真空離心濃縮儀：CVE-3100型，日本Eyela公司；

22種有機氯農藥混標：α-666、六氯苯、β-666、γ-666、δ-666、七氯、艾氏劑、環氧七氯A、氧化氯丹、環氧七氯B、trans-氯丹、o,p′-DDE、cis-氯丹、p,p′-DDE、狄氏劑、o,p′-DDD、異狄氏劑、p,p′-DDD、o,p′-DDT、p,p′-DDT、甲氧氯和滅蟻靈(色譜出峰順序)：正己烷，美國Accustandard公司；

標準替代物：C13-p,p′-DDT 濃度為5 μg/mL,溶劑為正己烷，美國 Cambridge Isotope Laboratories公司；

進樣內標：氘菲、氘芘、氘屈混標濃度10 μg/mL，溶劑為正己烷，美國Accustandard公司；

丙酮、正己烷、二氯甲烷：農殘級，美國 J. T. Baker公司；

硅膠：G60，加拿大Silicycle公司，使用前分別用甲醇，二氯甲烷洗滌，于130℃活化16 h。

1.2 樣品前處理過程

采樣點位于江蘇某農藥廠附近，采集大樣本后，按四分法取樣，經陰干、研磨、過篩124 μm(120目)、混勻后制成測試用樣品，裝入棕色玻璃瓶(塑料瓶蓋，配PTFE內襯)，每瓶約60 g。將5.00 g樣品、5 g銅粉和2 g硅藻土混合均勻后加入ASE萃取池中，加入回收率指示物C13-p,p′-DDT 100 ng、二氯甲烷-丙酮(體積比1∶1)于100℃萃取2次，每次5 min，提取液經旋轉蒸發儀濃縮，并置換溶劑為正己烷，濃縮至1 mL。凈化柱自下而上依次裝入1.0 g無水Na2SO4、2.0 g弗羅里硅土、2.0 g 活化硅膠、6.0 g 44%H2SO4硅膠、1.0 g 活化硅膠、4.0 g 15% KOH硅膠、2.0 g AgNO3硅膠和1.0 g 無水Na2SO4。濕法裝柱，并分別用50 mL 20%二氯甲烷-正己烷和50 mL正己烷預淋洗，上樣后用70 mL 20%二氯甲烷-正己烷洗脫，洗脫液濃縮至3 mL左右，轉移到真空離心濃縮儀繼續濃縮至1 mL以下，加入20 μL進樣內標定容后，用GC-MS測定。

1.3 分析與測定

升溫程序：初始溫度為70℃，保持1 min，以10℃/min升至180℃，再以4℃/min升至260℃，以15℃/min升至 300℃，保持6 min；進樣口溫度：250℃；載氣流速：1.00 mL/min；恒流模式，不分流進樣；進樣量：1.0 μL。

質譜條件：傳輸線250℃；電子轟擊源(70 eV)；檢測器溫度：260℃；檢測器電壓：1.35 kV；標準曲線內標法，選擇離子模式定量。

2 不確定度評定

由于土壤和沉積物等實際樣品中的POPs是不均勻的，因此測試用樣品的代表性非常關鍵。嚴格按照采樣規范[2]采集的樣品完全能夠反映POPs的殘留狀況，此環節的不確定度不在評定范圍內。

樣品中共測出α-666、六氯苯、β-666、γ-666、δ-666、七氯、trans-氯丹、o,p′-DDE、cis-氯丹、p,p′-DDE、o,p′-DDD、p,p′-DDD、o,p′-DDT、p,p′-DDT和滅蟻靈15種POPs，由于篇幅限制，以p,p′-DDT為例進行不確定度評定。

2.1 制樣過程引入的不確定度

樣品的瓶間均勻性反映制樣過程的不確定度。一般而言，采樣制樣環節的不確定度較小，而土壤中POPs分析環節的不確定度又較大，前者往往被后者所掩蓋，而通過相對容易測定的重金屬均勻性來反映土壤中POPs的均勻程度是一個解決途徑。按照標準分析方法[3],對隨機選取的10瓶樣品中的Cu各測定3次，計算樣品的瓶間均勻性不確定度ubb。

表1 10瓶土壤樣品中Cu的3次測定結果 μg/g

通過對表1中的數據計算得：

瓶間均勻性不確定度:

用重金屬Cu來衡量，非均勻性不確定度約占測量結果的2.9%。

2.2 保存過程引入的不確定度

土壤中p,p′-DDT穩定性測試結果見表2。

表2 土壤中p,p′-DDT穩定性測試

樣品不穩定引入的不確定度計算公式為:

u穩=s(b1)t

根據表2中的數據計算得：

b0=581 μg/kgb1=-0.815 μg/(kg·月)s(b1)=0.85 μg/(kg·月)

從b1可以反映出p,p′-DDT等POPs的降解是非常緩慢的，大約以每月0.815 μg/kg的速度降解，1年后濃度為571 μg/kg，其中不穩定性帶來的不確定度為10.2 μg/kg，約為測量結果的1.8%。

2.3 前處理引入的不確定度

有機污染物分析過程的前處理主要包括萃取(提取)、濃縮和凈化3大主要步驟。不同的萃取手段有著不同的萃取效率，Stephen A.Wise等人使用美國國家標準與技術研究院(NIST)的標準物質SRM1649a和SRM1650a對不同的萃取方法比對后發現，快速溶劑萃取和索氏抽提的效率較高[5]。由于目標化合物不可能從基質中完全提取出來，加上濃縮和凈化過程中的損失，造成了前處理過程的不確定度較大。該不確定度可以通過標準替代物的回收情況來反映。6個土壤樣品中分別加入100 ng C13-p,p′-DDT，其回收率分別為85.6%、88.0%、80.6%、94.2%、89.7%、87.6%，平均值為87.7%，標準偏差s=4.5%,前處理引入的不確定度u前=t(α,n-1)s=8.7%。

2.4 分析和數據處理引入的不確定度

(1)標準物質引入的不確定度

用微量移液器(20～200 μL，精度±0.8%)移取125.0 μLp,p′-DDT標準溶液[c標=(200±10) μg/mL]，用正己烷稀釋至10 mL容量瓶中(A級，±0.03 mL，20℃)，稀釋后標液濃度c標=2.50 μg/mL，取包含因子k=1.96[6]，標準溶液的不確定度：

忽略定容溫度的影響[7]，按均勻分布計算微量移液器和容量瓶的不確定度：

(2)外標法單點校準引入的不確定度

上機樣品中p,p′-DDT的濃度(2.9 μg/mL)和稀釋后標準物質的濃度(2.50 μg/mL)接近，可直接進行單點比對。樣品濃度計算公式為：

式中：c樣——樣品濃度；

A樣——樣品峰面積；

A標——稀釋后標液峰面積。

根據標準不確定度的傳播公式：

標準物質和待測樣品色譜峰面積的不確定度：

表3 GC-MS單點校準測定p,p′-DDT

uc(c樣)=0.080 μg/mL

6次平行測定平均值結果表示為(2.92±0.080)μg/mL。

標準和樣品只測定一次時，uc(c樣)=0.10 μg/mL，隨進樣次數越多，結果的不確定度越小，多次測量可降低儀器分析過程中產生的不確定度，但在n=3時，測量次數與不確定度曲線出現拐點，再增加測量次數對不確定度的減小效果變弱(見圖1)，因此色譜分析平行進樣3次已足夠。

圖1 進樣次數n和GC/MS測量不確定度的關系

(3)內標法單點校準引入的不確定度

除平行進樣外，使用內標化合物也是降低GC-MS分析不確定度的有效手段之一。

式中：A樣內標——樣品中內標峰面積；

A標內標——稀釋后標液中內標峰面積。

由于內標物和目標化合物之間是非獨立變量，因此設：

6次測量的不確定度uc(c樣)=2.92×0.026 6=0.078 (μg/mL)。

內標法單次測量的不確定度uc(c樣)=0.087 μg/mL，通過使用內標可有效減低單次測量帶來的不確定度。

(4)工作曲線內標法引入的不確定度

由于實際樣品中各POPs的濃度差異會超過2個數量級，因此使用工作曲線校準就十分必要。

表5 p,p'-DDT的工作曲線

注：*為經內標校正。

工作曲線經最小二乘法擬合后，線性方程為A=B0+B1c，6點工作曲線各測定1次經內標校正后，曲線的標準偏差:

可見，工作曲線內標法引入的不確定度最小。

2.5 土壤中POPs的不確定度

土壤中POPs含量的計算公式如下：

式中：c土壤——土壤中POPs的濃度，μg/g；

c樣——上機樣品的濃度，μg/mL；

V——樣品定容體積，mL；

P——前處理回收率；

W——土壤稱樣量，g。

表6 各不確定度分量對合成不確定度的貢獻

2.6 合成不確定度和擴展不確定度

u穩和時間有關， 在12個月的周期內，對土壤和沉積物中POPs分析的合成不確定度為：

置信區間為95%，擴展因子k=1.96，則擴展不確定度為：

U=ku=1.96×71.1=139 (μg/kg)

3 結論

土壤和沉積物中POPs的分析不確定度來源于樣品制備、樣品的穩定性、樣品前處理和上機分析。通過嚴格的制樣過程和均質化處理可將樣品不均勻帶來的不確定度降低。對于半衰期較長的POPs，短時間內分析產生的穩定性不確定度可忽略。采用工作曲線內標法測定可有效降低GC-MS測試過程產生的不確定度，但儀器分析不確定的主要貢獻來源于標準物質的不確定度。土壤和沉積物POPs測定過程中不確定度主要來源于樣品的前處理。有效降低擴展不確定度的措施是減小不確定度分量中最大的一個，即樣品前處理產生的不確定度。可通過平行分析取平均值，優化樣品前處理技術路線，提高分析者的操作技巧等方法來降低該不確定度分量。

[1] Frank Wania, Konald Mackay. Tracking the distribution of persis tent organic pollutants[J]. Environmental Science and Technology, 1996,30(9):390-396.

[2] HJ/T 166 -2004 土壤環境監測技術規范[S].

[3] GB/T 17138-1997 土壤質量 銅、鋅的測定 火焰原子吸收分光光度法[S].

[4] Guide 35: Reference Materials-General and statistical principles for certification[S].

[5] Stephen A Wise, Dianne L Poster. Standard reference materials (SRMs) for determination of organic contaminants in environmental samples[J]. Anal Bioanal Chem, 2006,386:1 153-1 190.

[6] JJF1059-1999 測量不確定度的評定與表示[S].

[7] 楊小寧,郭靚,但德忠.環境監測中儀器分析方法不確定度的評估(Ⅲ)[J].四川環境，2007，26(6)：49-53.