加速溶劑萃取—硅膠萃取凈化—氣相色譜/質譜法檢測地表水中有機氯農藥和多氯聯苯

邵陽 楊國勝 韓深 馬玲玲 羅敏 劉韋華 徐殿斗

摘要：建立了加速溶劑萃取硅膠固相萃取凈化氣相色譜/質譜同時檢測地表水中15種有機氯農藥（OCPs）和82種多氯聯苯（PCBs）的方法。對影響OCPs和PCBs回收率的主要因素進行優化，得出最優的萃取條件： 3次靜態萃取循環，100℃的萃取溫度，丙酮/正己烷（1∶1， V/V）為萃取液，靜態萃取10 min。在最優條件下，15種OCPs和82種PCBs在加標水溶液中的回收率分別為70.9%～130%和52.5%～89.1%。日內和日間相對標準偏差分別為1.7%～16.1%和2.4%～33.3%。OCPs和PCBs混合標樣在10～800 μg/L范圍內線性相關系數（R2）均大于0.995。OCPs和PCBs方法檢測限分別為0.13～0.38 ng/L和0.10～0.32 ng/L。相比于傳統萃取方法，本方法回收率高、萃取時間短、試劑用量少。應用本方法測得北京城區地表水中OCPs和PCBs的含量范圍分別為n.d.～3.45 ng/L和n.d.～4.88 ng/L。

關鍵詞 ：加速溶劑萃取；有機氯農藥；多氯聯苯；地表水；北京；氣相色譜/質譜聯用

1 引 言

有機氯農藥（OCPs）和多氯聯苯（PCBs）是環境中廣泛存在的兩類持久性有機污染物（POPs）。由于兩類物質的大量使用，同時其具有生物累積性、環境難降解性以及對人體的“三致效應”（致癌、致畸、致突變）等，OCPs和PCBs對人體和生態環境造成了極大的危害[1～5]。20世紀60年代，我國曾大量使用OCPs和PCBs。僅滴滴涕（DDTs）和六六六（HCHs）的使用量就分別達到了4.0×105噸和4.9×106噸[6]，約占全世界使用量的20%和30%。根據文獻調研，20世紀80年代前，全世界范圍內工業PCBs的產量達到1.0×106噸，其中大約有1.0×104噸在我國生產[7]。由于OCPs和PCBs的不當管理及使用，我國環境的多種介質中均有兩類物質被檢測出[1]。水環境的污染尤為嚴重，OCPs和PCBs通過污水排放、農業灌溉徑流、干濕沉降、大氣/水交換等方式最終富集進入水環境[8]。

對土壤、大氣、干濕沉降以及地表水中OCPs和PCBs含量及來源等方面的研究已多見報道[9～13]。總體而言，環境介質中OCPs和PCBs含量呈現下降趨勢。例如，1993年北京郊區土壤中∑HCH和∑DDT 濃度分別為327和1420 ng/g[14]，2015年∑HCH和∑DDT濃度降低至16.1和275 ng/g[15]。北京地區大氣環境中PCBs濃度由119.6 pg/m3下降至23.1 pg/m3[16，17]。同樣地，在北京地區地表水中OCPs和PCBs含量也呈現類似的下降趨勢。2002年通惠河水體中∑HCH、∑DDT和∑PCBs平均濃度分別為356.38， 91.81和105.5 ng/L[13]；2005年時，其濃度則下降至18.0， 6.22和20.8 ng/L[18]。潮白河則只能檢測出極低濃度的PCBs[19]。目前環境樣品中常用的處理方法包括液液萃取[12，20]、索氏提取[19]、固相萃取[21]等。雖然這些方法成熟、穩定，但是耗時、耗力，同時消耗大量有毒有害有機試劑。本研究利用XAD2樹脂吸附水體中OCPs和PCBs，同時利用加速溶劑萃取（ASE）、硅膠柱凈化、氣相色譜/質譜聯用的技術，檢測地表水中痕量OCPs和PCBs。本方法萃取速度快、靈敏度高、檢測限低、基質影響小，同時減少有毒有害試劑的使用量并實現自動化。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

78905975C型氣相色譜三重四級桿質譜儀（美國Agilent公司）；DB5MS色譜柱（60 m×0.25 mm i.d.×0.25 μm）；ASE300型加速溶劑萃取儀（美國Dionex公司）；EYELA1000旋轉蒸發儀（日本Pikakikai公司）；氮吹儀（美國Organomation Associates Jnc.公司）；超純水儀（美國Millipore公司）。

15種OCPs包括：γ六六六、δ六六六、七氯、順氯丹、反氯丹、氧化氯丹、α硫丹、β硫丹、硫丹硫酸酯、4，4′滴滴涕、2，4′滴滴涕、4，4′滴滴伊、2，4′滴滴伊、4，4′滴滴滴和2，4′滴滴滴（德國Dr. Ehrenstorfer公司）。PCBs混合標樣包括二氯至九氯共82種PCBs（美國Accustander公司）；丙酮、正己烷、二氯甲烷、甲苯（HPLC級，美國Fisher Scientific或J.T Baker公司）；XAD2樹脂（美國Amberlite公司）；100～200目硅膠（德國Merck公司）經過300℃活化后， 加入3.5%硅膠質量濃度的超純水去活，備用。

2.3 樣品分析

氣相色譜條件如下：進樣口溫度為290℃；進樣量為1.0 μL；采用不分流模式進樣；色譜質譜接口溫度為280℃；升溫程序為： 90℃保持1.0 min，以20℃/min升至170℃，以2℃/min升至280℃，并保持5.0 min；載氣為純度>99.999%的氦氣；載氣流速為0.8 mL/min。質譜條件如下：電離方式為EI模式；電離能量為70 eV；離子源溫度為230℃；四極桿溫度為150℃；選擇離子監測模式（SIM）。氣相色譜/質譜的保留時間、定量離子、定性離子如表1所示。標準溶液的色譜圖見圖1。

3 結果與討論

3.1 ASE條件優化

本研究中XAD2樹脂ASE萃取條件的優化主要參考美國標準方法EPA3545A[23]，在萃取壓力為1500 psi （10.4 MPa）、淋洗體積為60%、吹掃100 s的條件下優化了循環次數、萃取溫度、萃取劑以及靜態萃取時間。為保證準確性和精密度，每個條件的優化都研究了3個樣品和1個空白樣品。

3.1.1 萃取循環次數的優化 萃取循環次數是影響ASE萃取效率的重要因素，大部分目標化合物都在第一次循環中萃取出來[24，25]。但是，隨著萃取的繼續進行，目標化合物回收率也有提高。為了得到XAD2樹脂中OCPs和PCBs萃取最優循環次數，考察了1～5次循環對OCPs和PCBs萃取效率的影響。由圖2可知，當循環次數從1次增加到3次時，OCPs和PCBs回收率明顯提高，提高約21.1%～54.0%。回收率增加最多的是β硫丹，提高54.0%。萃取循環3次時，回收率在57.3%～138%之間。萃取循環次數增加至4次、5次時，目標化合物回收率再無明顯變化。綜合考慮目標化合物的回收率和萃取試劑的使用量，本研究選取3次循環作為最優萃取循環次數。

3.1.2 萃取溫度的優化 萃取溫度影響萃取速度和效率，溫度提高，溶劑粘性降低，萃取能力增強，目標化合物更易于被萃取出樣品基質。而萃取不同樣品時，最優的萃取溫度則不同。比如，萃取沉積物中PCBs和PAHs，90℃時回收率最佳[26]；萃取塵土中PCBs，140℃時回收率最好[27]；而萃取XAD2樹脂中的農藥表明，150℃為最優萃取溫度[28]。過高的萃取溫度易造成部分OCPs分解。鑒于此，本研究考察了80℃、100℃、120℃分別對OCPs和PCBs萃取效率的影響。由圖3可知，萃取溫度為100℃時，OCPs和PCBs回收率最好，為60.4%～124.0%。萃取溫度從80℃增加到100℃時，回收率增加范圍在0.05% （β硫丹）～33.0% （CB5 & CB8）之間。而120℃時，回收率增加不再明顯，而且隨著溫度升高，二氯代聯苯回收率甚至降低至14.5%～36.1%。綜上所述，本研究選取100℃為最優的萃取溫度。

3.1.3 萃取劑的優化 萃取劑的選擇是實現ASE高效萃取的另一重要條件。通過空白加標實驗，研究了丙酮、正己烷、丙酮正己烷（1∶1， V/V）作為萃取劑時，對OCPs和PCBs回收率的影響。如圖4所示，丙酮正己烷（1∶1， V/V）萃取時回收率最好，平均回收率在60.4%～124.0%之間；其次是丙酮、正己烷作為萃取劑時，平均回收率僅為46.7%。Ottonello等[24]研究了二氯甲烷、乙腈和丙酮正己烷（1∶1， V/V）對ASE萃取魚肉中PCBs的影響，結果表明，應用丙酮正己烷（1∶1， V/V）時目標化合物的回收率最好。綜上所述，本研究選取丙酮正己烷（1∶1， V/V）為最優的萃取劑。

3.1.4 靜態萃取時間的優化 通過空白加標實驗，研究了靜態萃取時間為5， 10和15 min對OCPs和PCBs回收率的影響（圖5）。總體而言，隨著靜態萃取時間從5 min增加到10 min，每種物質平均回收率均有小幅提升，約5%～10%。靜態萃取時間從10 min增加到15 min時，回收率增加不明顯。利用ASE萃取土壤的研究中也發現了相似結果[29]。考慮到樣品處理效率，本研究選取10 min作為最優萃取時間。

3.2 ASE與索氏提取、超聲萃取的對比

本研究將ASE方法與傳統的索氏提取、超聲萃取進行了對比。索氏提取過程如下[19]：空白加標水溶液經過XAD2樹脂吸附后，樹脂用150 mL丙酮正己烷（1∶1， V/V）進行索氏提取24 h。提取液經過旋轉蒸發、凈化后再檢測。超聲萃取過程如下[30]：空白加標水溶液經過XAD2樹脂吸附后，樹脂通過100 mL丙酮正己烷（1∶1， V/V）超聲萃取30 min。重復超聲萃取過程兩次后，合并萃取液。后續過程與索氏提取相同。ASE、索氏提取、超聲萃取3種方法對OCPs和PCBs萃取回收率分別為60.4%～124%、64.3%～133%和21.1%～123%， 結果如圖6所示。ASE和超聲萃取對每種OCPs和PCBs的萃取均得到較好的回收率。如ASE對4，4′DDD、氧化氯丹、CB87和CB114回收率依次為111%、97.2%、87.3%和85.5%。超聲萃取對應的回收率依次為112%、99.9%、87.6%和86.4%。相比而言，索氏提取對二氯、三氯、四氯聯苯和OCPs回收率較好，而對其它目標化合物的回收率均較差（<60%）。而且超聲萃取所用的有機試劑量是ASE的3倍，萃取時間則是1.5倍。此外，相比ASE而言，超聲萃取與索氏提取均不能夠實現自動化操作。因此，新開發的ASE方法更適合地表水中OCPs和PCBs的快速檢測。

3.3 精密度和準確性

通過6個加標水樣驗證了XAD2樹脂在最優化的條件下OCPs和PCBs回收率及方法精密度。結果表明，OCPs和PCBs混合標樣在10～800 μg/L范圍內線性相關系數（R2）均大于0.995。15種OCPs和82種PCBs的平均回收率分別為70.9%～130%和52.5%～89.1%。除CB6等個別二氯代聯苯回收率偏低外（52.5%～68.7%），其余86%的目標化合物回收率均高于70%。OCPs和PCBs方法檢出限分別為0.13～0.38 ng/L和0.10～0.32 ng/L。日內和日間相對標準偏差分別為1.7%～16.1%和2.4%～33.3%。結果表明，本方法萃取速度快、靈敏度高、線性好、有機試劑量消耗少，能夠滿足環境樣品的痕量分析要求。

3.4 實際樣品的檢測

通過標準添加法對玉淵潭湖水水樣進行檢測。15種OCPs和82種PCBs總濃度分別為6.47和9.55 ng/L。樣品中，含量最多的有機氯農藥為α硫丹（3.45 ng/L），其次為硫丹硫酸酯（2.86 ng/L）和β硫丹（0.048 ng/L）。CB45 （4.88 ng/L）在82種PCBs中含量最多，其次為CB5 & CB8 （0.40 ng/L）和CB12 （0.34 ng/L）。玉淵潭湖水OCPs含量與潮河（5.08 ng/L）[19]地表水含量相似，低于太湖（205.6 ng/L）[31]、鄱陽湖（20.65～115 ng/L）[32]、長江下游（14.2 ng/L）[33]水體中OCPs含量。而PCBs則略高于潮河（<0.02 ng/L）[19]、青藏高原（1.35 ng/L）[34]等地水樣。

實驗結果表明，XAD2樹脂吸附ASE萃取固相萃取凈化GC/MS檢測相結合的方法速度快、靈敏度高，同時又具有線性好、重復性高、回收率相對較高等優點。實際樣品分析結果表明， 本方法無基質影響、省時、有機試劑用量少，適用于地表水中OCPs和PCBs的檢測。

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Abstract A rapid and sensitive analytical method for the simultaneous determination of 15 organochlorine pesticides （OCPs） and 82 polychlorinated biphenyls （PCBs） in water using accelerate solvent extraction （ASE） and silica gel solid phase extraction （SPE） cleanup followed by gas chromatographymass spectrometry （GCMS） analysis was developed. The main potential influence parameters which affected the recoveries of OCPs and PCBs were investigated for the optimum ASE efficiency. Finally， 3 static extraction cycles， 100℃ of extraction temperature， mixture of acetone and hexane （1∶1， V/V） as extraction solvent， and 10 min of static extraction time were used. Under the optimized conditions， the recoveries of 15 OCPs and 82 PCBs in spiked water were 70.9%-130% and 52.5%-89.1%， respectively. The intraday and interday relative standard deviation was 1.7%-16.1% and 2.4%-33.3%， respectively. The correlation coefficients （R2） for OCPs and PCBs were above 0.995 in the range of 10-800 μg/L. And the method detection limits were characterized as 0.13-0.38 ng/L for OCPs and 0.10-0.32 ng/L for PCBs. Compared to the traditional methods， the developed method had the advantages of higher recoveries and less consumption of extraction time and toxic solvent. Subsequently， the developed method was applied to measure the concentrations of OCPs and PCBs in the surface water of Beijing. The concentrations of OCPs and PCBs were in the range of not detected （n.d.）-3.45 ng/L and n.d.-4.88 ng/L， respectively.

Keywords Accelerate solvent extraction； Organochlorine pesticides； Polychlorinated biphenyls； Surface water； Gas chromatography/mass spectrometry