超聲波萃取-氣相色譜質譜法測定土壤中多環芳烴

車 凱,周慧波,宮云茜,焦 陽,張 姣

(國網河北省電力有限公司電力科學研究院,河北 石家莊 050021)

0 引言

多環芳烴(PAHs)是環境中典型的持久性有機污染物(POPs),具有致畸、致癌風險[1]。POPs在自然環境中難以降解并能通過生物鏈富集作用最終對人體健康和生態環境構成危害[2]。經研究表明,90%以上的PAHs存在于土壤中,并且絕大多數存在于表層土壤[3]。

目前,國內外主要用于土壤中PAHs檢測標準有HJ 805－2016、HJ 784－2016、EPA.Method 8270E等[4-6],PAHs的提取方法主要有索氏提取法、超聲萃取法(UAE)、微波輔助提取法(MAE)、加速溶劑萃取法(ASE)等[7-8]。索氏提取法提取時間長、效率低,已逐漸被效率更高的提取方法所取代。加速溶劑萃取具有溶劑用量少、萃取效率高、受基體影響小等優點,但其儀器成本高,還要嚴格控制提取的壓力和溫度。文獻[9]采用加速溶劑萃取法對土壤中PAHs進行研究,得出加速溶劑萃取法較適用于提取土壤中PAHs的結論。超聲波萃取法耗時較短,功耗低,萃取溶劑升溫小,普遍用于土壤中有機物萃取,文獻[10]采用超聲萃取法提取土壤中石油烴,文獻[11]采用超聲萃取法提取土壤中多環芳烴均取得了一定效果。

綜上,有關土壤中PAHs的測定方法較多[12],但操作過程均較復雜。氣相色譜質譜法(GC-MS)可以準確地提供PAHs的結構信息,定性準確,消除背景干擾,并降低檢出限,價格實惠,推廣性強。本研究根據PAHs易溶于有機溶劑的特點及相關標準,建立了采用超聲萃取-氣相色譜質譜法測定土壤中PAHs的方法,并對萃取方式進行了優化,同時將該方法應用于實際土壤樣品分析測試,獲得了一種高效、靈敏、低檢出限的PAHs檢測方法。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

主要儀器如下:安捷倫7890B-5977B MSD氣相色譜-質譜聯用儀(美國),電子轟擊源(EI),帶自動進樣器,色譜柱HP-5MS(30 m×0.25 mm×0.25μm)；超聲波萃取儀；快速溶劑萃取儀；索氏提取器；旋轉蒸發儀及其配套的100 m L濃縮瓶；冷卻水循環機:AS1600；固相萃取裝置；離心機；馬弗爐；烘箱:溫度可控制在(105±5)℃；硅酸鎂凈化(SPE)小柱:填料為硅酸鎂,1 000 mg,柱體積為6 m L(CNW Technologies)；50 m L玻 璃小瓶；一般實驗室常用器皿等。

試劑如下:16種PAHs混標(產品編號80017JOM),ρ=1 000 mg/L,溶劑為苯和二氯甲烷(v:v=1:1)；5種氘代PAHs內標(產品編號80663QM)為萘-d8、苊烯-d10、菲-d10、屈艸_d12、苝-d12,ρ=4 000 mg/L,溶劑為二氯甲烷；2種PAHs替代物混標(產品編號80020KDB)為2-氟聯苯(2-Fluoro-1)和4,4'-三聯苯-d14(P-Terphenyl-d14),溶劑為丙酮和正己烷(v:v=1:1)。以上標準物質均購自北京壇墨質檢標準物質中心。正己烷、丙酮和二氯甲烷,均為色譜純(科密歐化學試劑有限公司)；無水硫酸鈉為優級純(國藥集團化學試劑有限公司),用前需在馬弗爐內450℃下焙燒4 h。

1.2 分析方法

1.2.1 樣品的采集與保存

用石英砂代替實際樣品作為基體開展條件優化和方法精密度、準確度實驗。以實際土壤樣品進行測試方法驗證。供試土壤樣品全部按照HJ/T 166－2004[12]規定的相關要求采集和保存,樣品于潔凈的磨口棕色玻璃瓶中保存。

1.2.2 樣品前處理方法

稱取適量土壤樣品于50 m L玻璃小瓶中,按照國標HJ 911－2017[13]相關要求加入一定量的無水硫酸鈉并在4℃以下冷藏48 h使其充分脫水,待進行下一步處理。

在裝有試樣的玻璃瓶中準確加入2 000 mg/L的多環芳烴替代物10μL和2 mg/L的四氯間二甲苯25μL。然后加入約20 m L的正己烷:丙酮(體積比1:1)萃取劑,保證加入的萃取劑液面高出固體試樣表面約2 cm。分別采用索氏提取、加壓流體萃取和超聲萃取方式進行萃取,然后經旋轉蒸發濃縮至1 mL左右,用SPE小柱凈化。

1.2.3 樣品分析

氣相色譜條件。進樣口溫度:280℃,不分流；進樣量:1.0μL；柱流量:1.0 m L/min(恒流)；柱溫:80℃保持2 min；以20℃/min速率升至180℃,保持5 min；再以10℃/min速率升至290℃,保持10 min。

質譜條件。離子源溫度:230℃；電子轟擊源(EI)；離子化能量:70 eV；接口溫度:280℃；四級桿溫度:150℃；質量掃描范圍:45～450 amu；溶劑延遲時間:5 min；掃描模式:全掃描Scan和選擇離子模式(SIM)模式。16種多環芳烴、內標物及替代物的保留時間、定性定量離子見表1。

表1 SIM模式下PAHs檢測條件

2 結果與討論

2.1 樣品前處理過程優化

2.1.1 萃取方式選擇

針對不同的目標物選擇合適的萃取方式不僅可以提高萃取效率,還可以節約時間和成本。該研究采用最常用的3種土壤前處理方式:索氏提取、加壓流體萃取和超聲萃取,考察不同提取方式對PAHs回收率的影響。

稱取3組10.0 g石英砂,每組取3份平行樣,經400℃烘烤4 h后加入等量PAHs標準溶液配制成20μg/kg待測樣品,參考相關標準[13]中提取條件對樣品進行提取,結果見圖1。結果表明,索氏提取的回收率在72.5%～92.1%,平均回收率為84.5%；加壓流體萃取回收率在77.2%～94.5%,平均回收率為87.9%；超聲萃取法回收率在74.2%～93.0%,平均回收率為84.7%。3種萃取方式回收率無明顯差別,但是索氏提取耗時長,需要的溶劑量大,成本高,操作繁瑣,效率低。加壓流體溶劑萃取效率較高,萃取速度快,但設備昂貴,需要的耗材較多,增加了測試成本。超聲波萃取法耗時較短,功耗低,萃取溶劑升溫小,對PAHs類溶劑萃取效果好,所以本文選擇使用超聲波萃取法。

圖1 不同萃取方式下16種PAHs回收率

2.1.2 萃取次數選擇

稱取5組10.0 g石英砂,每組取3份平行樣,配置相同濃度待測樣品。萃取液采用丙酮和正己烷體積比為1:1混合液,采用超聲波萃取法萃取,每個樣品萃取過程分別重復2次、3次、4次、5次、6次,再合并提取溶液,求其平均回收率,研究萃取次數對回收率的影響,平均回收率見圖2。結果表明PAHs回收率隨萃取次數增加而增加,當萃取次數為4次時PAHs平均回收率為86.25%,且超過4次時所得回收率差異不大,綜合考慮萃取時間和回收率,本文選擇萃取次數為4次。

圖2 超聲萃取次數對回收率的影響

2.1.3 萃取時間選擇

稱取6組10.0 g石英砂,每組取3份平行樣,配置相同濃度待測樣品。萃取液采用丙酮和正己烷體積比為1:1混合液,采用超聲波萃取法分別萃取5 min、10 min、15 min、20 min、25 min、30 min,萃取過程重復4次,合并提取溶液,求其平均回收率,研究萃取時間對回收率的影響,平均回收率見圖3。結果表明,PAHs回收率隨超聲時間延長而增加,但當超聲時間超過15 min時所得回收率差異不大,且隨時間不斷延長,超聲回收率有所下降,可能是受超聲波衰減因素的制約導致。因此,本文選擇采用超聲時間為15 min。

圖3 超聲萃取時間對回收率的影響

2.2 標準曲線繪制

對所有待測物質標準品(包括PAHs混標、替代物)采用全掃描—選擇離子檢測模式(SCAN/SIM模式)進行定性和定量,SIM模式色譜如圖4所示。可見峰形良好,分離度滿足方法要求。

圖4 多環芳烴SIM模式色譜

配置16種多環芳烴和2種替代物混合標準系列濃度:20μg/L、50μg/L、100μg/L、200μg/L、500μg/L,內標物質量濃度均為2 000μg/L,按照1.2節樣品分析方法,繪制校準曲線,16種多環芳烴和2種替代物標準曲線見表2。16種多環芳烴和2種替代物混合標準系列在20.0～500μg/L濃度范圍內呈現良好的線性,相關系數r＞0.999 3,相對響應因子的相對標準偏差在0.6%～10.9%,均不超過20%。

表2 多環芳烴標準曲線線性方程、相關系數r

2.3 檢出限、精密度和準確度

按照上述前處理方法,分別稱取10 g石英砂,加入20 ng和200 ng多環芳烴目標物,按前處理過程測定9個加標平行樣,計算出回收率、檢出限和精密度,結果如表3所示。16種多環芳烴方法檢出限為0.26～0.54μg/kg,16種多環芳烴平均加標回收率為63.0%～117.3%,相對標準偏差為4.3%～12.5%,均滿足《全國土壤污染狀況詳查土壤樣品分析測試方法技術規定》和《土壤和沉積物 多環芳烴的測定 氣相色譜-質譜法》相關質量控制要求。結果表明超聲波萃取方法具有靈敏度高、準確度高、選擇性好、操作簡便等優勢。

表3 方法檢出限、精密度、加標回收率(n=9)

2.4 土壤樣品基質加標試驗

通過對采集的土壤樣品進行測定,然后進行基質加標實驗,向土壤中加入200 ng多環芳烴目標物,按前處理過程測定9個加標平行樣,計算出回收率和精密度。根據測定土壤基質的含量和加標后總含量,得出加標含量,再根據理論加標含量計算出回收率和精密度,結果顯示16種多環芳烴平均加標回收率為76.3%～110.3%,相對標準偏差為5.1%～18.6%。通過對實際樣品的測定,說明該方法具有較低的檢出限及較強的抗干擾能力,可以滿足土壤中多環芳烴檢測要求。

3 結論

該研究建立了利用超聲波萃取儀萃取,SPE硅酸鎂小柱進行凈化,氣相色譜質譜法定量測定土壤中PAHs的方法,并比較不同萃取方式、超聲萃取時間和萃取次數等對加標回收的影響。從該研究可知,最佳萃取方法為10.0 g樣品用20 m L的正己烷:丙酮(體積比1∶1)萃取15 min,萃取4次。16種多環芳烴和2種替代物混合標準系列在20.0～500μg/L濃度范圍內呈現良好的線性,相關系數r＞0.999 3,相對響應因子的相對標準偏差在0.6%～10.9%,方法檢出限為0.26～0.54 μg/kg,空白石英砂平均加標回收率為63.0%～117.3%,相對標準偏差為4.3%～12.5%,土壤樣品平均加標回收率為76.3%～110.3%,相對標準偏差為5.1%～18.6%。該方法實用性強,檢出限低,準確度高,滿足相關標準質量控制要求,可適用于土壤樣品中PAHs分析檢測要求。