固相萃取-气相色谱-质谱法测定石油烃污染土壤中半挥发性有机物

黄国程,郑瑶丽

(广州市华测品标检测有限公司,广州 510000)

对半挥发性有机物(SVOC)的定义不是唯一的,按照世界卫生组织(WHO)对有机物的分类原则,SVOC 是指沸点为240～400 ℃,蒸气压为13.332 2～1.333 22×10-5Pa的有机物;而美国环境保护署(EPA)规定,SVOC 是指在室温下沸点高于水的有机物;还有将SVOC 定义为在气相色谱(GC)上保留时间介于C16～C22间的有机物。SVOC容易在水、土壤、空气和生物等介质中迁移和转化,通过生物富集而危害人体健康,其环境归宿通常是土壤和沉积物。SVOC 的共性是具有脂溶性,易溶于有机溶剂,该类有机物通常包括有机氯农药、有机磷农药、除草剂,及多环芳烃类、酞酸酯类、多氯联苯类、苯胺类、酚类、硝基苯类有机物等。美国EPA 8270E《气相色谱法/质谱分析法(气质联用仪)测试半挥发性有机化合物》[1]为最新版的土壤、沉积物和固体废物中SVOC 的分析方法,而我国关于SVOC的分析方法的最新版标准则为HJ 834-2017《土壤和沉积物半挥发性有机物的测定气相色谱-质谱法》[2]。

总石油烃(TPH)是目前环境中广泛存在的有机污染物之一,包括汽油、煤油、柴油、润滑油、石蜡和沥青等,为多种烃类(如正烷烃、支链烷烃、环烷烃、芳烃等)和少量其他有机物(如硫化物、氮化物、环烷酸类有机物等)的混合物[3]。所以石油烃在色谱中通常呈现出一系列连续或不连续的不规则峰,或者是保留时间跨跃很大的山丘状的峰包[4]。另外石油烃中的部分化合物也是属于SVOC,如多环芳烃。因此要对被石油烃污染过的土壤中的SVOC进行定性和定量分析比较困难。

EPA 8270E和HJ 834-2017均给出了针对不同类型的目标化合物而采用的不同的净化方法,另外土壤中的多环芳烃[5]和有机氯农药[6]等均有相应的测试标准对应的净化方法。但这些净化方法大都是除去土壤中的极性干扰物,而极少涉及石油烃这种非极性干扰物的去除。另外,如果要同时测定多种类型的SVOC,则需使用多种类型的固相萃取柱和洗脱溶剂,而使用凝胶渗透色谱法净化则成本较高,不适用于大部分实验室。本工作建立了固相萃取-气相色谱-质谱法(GC-MS)测定被石油烃污染的土壤中SVOC含量的方法,通过对比3种常用的固相萃取小柱对被石油烃污染的土壤的净化效果,并优化淋洗、洗脱条件,一次净化即可使绝大多数的SVOC目标化合物达到理想的回收率,减少了试验流程,提高了测试效率。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

QP2020NX 型岛津气相色谱-质谱联用仪;E-916型快速溶剂萃取仪;N-1300 EYEL4 型旋转蒸发仪;N-EVAP11155 Organomation 型氮吹仪;LCD-A1000 型天平;Florisil弗罗里硅藻土小柱(1 g/6 mL);Silica硅胶小柱(1 g/6 mL);Alumina N 中性氧化铝小柱(称取1 g中性氧化铝于固相萃取空柱,在上端放垫片并压实制得)。

正构烷烃(C10～C40)混合标准溶液(替代石油烃):1 000 mg·L-1。

58种SVOC混合标准溶液:1 000 mg·L-1。

6种SVOC 内标混合标准溶液:1 000 mg·L-1。

混合标准溶液:5 mg· L-1,分别移取1 000 mg·L-1SVOC 混合标准溶液、1 000 mg·L-1正构烷烃(C10～C40)混合标准溶液各5μL,用正己烷定容至1.0 mL。

正己烷、丙酮为农残级;无水硫酸钠为分析纯;硅藻土粒径为105～210μm(10～20目);中性氧化铝粒径为1.00～2.05 mm(100～200目)。

1.2 仪器工作条件

1.2.1 快速萃取条件

载气压力0.8 MPa;加热温度100 ℃;萃取池压力10 MPa;预加热平衡时间5 min;静态萃取时间5～10 min;静态萃取次数2次;溶剂为体积比1∶1的丙酮-正己烷混合溶液;溶剂淋洗体积为60%池体积;氮气吹扫时间60 s。

1.2.2 气相色谱-质谱

1)色谱条件 DB-5MS 毛细管柱(30 m×0.25 mm,0.25μm);进样口温度280 ℃;不分流进样;进样体积1μL;柱流量1.5 mL·min-1;载气为高纯氦气(99.999%)。柱升温程序:初始温度为40 ℃,保持3.5 min;以15 ℃·min-1速率升温至150 ℃,保持1 min;以20 ℃·min-1速率升温至300 ℃,保持10 min。

2)质谱条件 电子轰击离子源,离子源温度230 ℃;传输线温度280 ℃;全扫描模式,质量扫描范围质荷比(m/z)35～450;选择离子监测模式。

1.3 供试土壤

实验室取两种不同类型土壤留样,分别记为A样和B样;未检出目标化合物的空白土壤。

1.4 试验方法

1.4.1 样品的提取

称取供试土壤样品5.00 g,加入适量硅藻土混匀、脱水并充分拌匀直到散粒状,全部转移至萃取池中,进行快速溶剂萃取。萃取完成后,萃取液全部过无水硫酸钠除水,然后旋转蒸发浓缩至约2.0 mL,将浓缩液转移至具刻度浓缩器皿中,并用少量正己烷洗涤旋转蒸发瓶,合并全部浓缩液,用氮吹浓缩至小于1.0 mL,用正己烷定容至1.0 mL,混匀。

1.4.2 样品的净化和测定

取上述提取液,转移至已用10 mL正己烷活化好的Silica硅胶小柱上,弃去流出液,用正己烷淋洗,弃去开始流出的1.0 mL 的正己烷淋洗液,用10 mL体积比1∶19的丙酮-正己烷混合溶剂洗脱,抽干,收集洗脱液,氮吹浓缩至小于1.0 mL,加入1 000 mg·L-1SVOC内标混合标准溶液5μL,用正己烷定容至1.0 mL,混匀,过聚四氟乙烯滤头,按仪器工作条件进行测定,计算各目标化合物的含量,并换算其在样品中的含量。

2 结果与讨论

2.1 色谱行为

选取58种SVOC 目标化合物作为考察对象,包含有机氯农药、多环芳烃类、酞酸酯类、苯胺类、酚类、硝基苯类等化合物,试验参考HJ 834-2017的色谱条件[2]进行分离测定,所得色谱图见图1。

图1 SVOC混合标准溶液总离子流色谱图Fig.1 TIC chromatogram of the mixed standard solution of SVOC

由图1可见:各目标化合物的分离度良好,质谱图与标准Nist14库匹配度高。证明1.2 节仪器工作条件可用于本试验中目标化合物SVOC的分析。

2.2 净化条件的选择

石油烃是指各种烃类化合物的混合物,均属于低极性或非极性化合物,而目标化合物SVOC 大多含羟基、胺基、羰基、芳香环等极性基团,因此,净化的原理是目标化合物SVOC 在正己烷这种非极性溶剂中能与极性固相填料发生极性作用力而保留在固相萃取小柱上,弃去非极性溶剂正己烷淋洗掉的石油烃,再用不同洗脱强度的洗脱剂把目标化合物从柱上洗脱下来而达到净化目的。

试验使用5 mg·L-1的混合标准溶液[其中正构烷烃(C10～C40)作为SVOC的干扰物质],对不同的固相萃取小柱、淋洗剂、洗脱剂种类和用量等净化条件进行比对。

2.2.1 固相萃取小柱和洗脱剂的种类

Silica硅胶小柱是未键合的硅胶柱,通常被认为是极性最强的吸附剂,适合分离结构相似的化合物;Alumina N 中性氧化铝小柱是以氧化铝为强极性吸附剂的小柱,易保留芳香族和脂肪胺等富电化合物,在高pH 下,比硅胶小柱稳定[7];Florisil弗罗里硅藻土小柱是以硅酸镁作为吸附剂的小柱,也具有强极性,其大颗粒填料在处理黏度大的样品时,可代替硅胶小柱,当氧化铝的路易斯酸性质影响到萃取效果时,也可用来代替中性氧化铝小柱。

从正相萃取柱上洗脱目标化合物通常是根据洗脱剂的极性指数、溶剂的选择性和洗脱强度来决定的。正己烷在硅胶上的洗脱强度为0,极性指数为0.06,属于弱洗脱剂;丙酮在硅胶上的洗脱强度为0.43,极性指数为5.4,属于强洗脱剂[8]。丙酮和正己烷也是常用的样品的萃取溶剂,另外兼顾溶剂沸点等理化参数,以丙酮和正己烷组合的混合液作为洗脱剂也是比较便捷和合理的。

试验取Florisil弗罗里硅藻土小柱(F)、Silica硅胶小柱(S)和Alumina N 中性氧化铝小柱(AL N)作为固相萃取小柱,分别各用10 mL 正己烷活化,待正己烷液面接近填料顶面时,取1.0 mL 上述待测对象过柱,用正己烷作为淋洗剂进行淋洗,再分别用正己烷、体积比1∶19 的丙酮-正己烷混合溶剂、体积比1∶9 的丙酮-正己烷混合溶剂、体积比3∶17的丙酮-正己烷混合溶剂、体积比1∶4 的丙酮-正己烷混合溶剂作为洗脱剂进行洗脱,在仪器工作条件下测定各目标化合物的回收率,正构烷烃、多环芳烃类、硝基苯、卤代醚类、氯代烃类化合物在不同固相萃取小柱上用正己烷洗脱的结果见表1,苯酚类化合物在不同固相萃取小柱上用上述5种洗脱剂洗脱的结果见表2。

表1 正构烷烃、多环芳烃类、硝基苯、卤代醚类、氯代烃类化合物在不同固相萃取小柱上用正己烷洗脱的回收率Tab.1 Recovery of n-alkanes,polycyclic aromatic hydrocarbons,nitrobenzene,halogenated ethers,and chlorinated hydrocarbon on the different solid phase extraction columns with n-hexane as eluent

表1 (续)

表2 苯酚类化合物在不同固相萃取小柱上被不同洗脱剂洗脱的回收率Tab.2 Recovery of phenols on the different solid phase extraction columns with different eluents

由表1可知:Florisil弗罗里硅藻土小柱和Alumina N 中性氧化铝小柱在上样的步骤就已损失了部分目标化合物,且Alumina N 中性氧化铝小柱对苯酚类化合物有较强的保留,所以使用Silica硅胶小柱比较合适,故试验选择Silica硅胶小柱作为固相萃取小柱。

此外,由表1和表2结果还可知:正构烷烃、多环芳烃类、硝基苯、卤代醚类、氯代烃类等化合物几乎均能被正己烷完全洗脱;除了Alumina N 中性氧化铝小柱上的苯酚类化合物无法完全洗脱外,其余小柱上的苯酚类化合物均能被体积比1∶19 的丙酮-正己烷混合溶剂完全洗脱,故试验选择用体积比1∶19的丙酮-正己烷混合溶剂作为洗脱剂。

2.2.2 淋洗剂用量

由于正己烷能洗脱多环芳烃类、硝基苯类、卤代醚类、氯代烃类化合物而导致这些目标化合物回收率低,所以按1.4.2节试验方法操作,使用正己烷淋洗小柱时,待流出1.0 mL 正己烷后,更换收集瓶,反复收集到3个1.0 mL 的正己烷洗脱液后再用体积比1∶19的丙酮-正己烷混合溶剂进行洗脱,来考察了正己烷淋洗体积与石油烃清除量、目标化合物SVOC损失量间的关系,结果见表3。

表3 正己烷淋洗体积优化试验结果Tab.3 Optimal results of rinse volume by n-hexane

由表3结果可知:1.0 mL正己烷流出固相萃取小柱时,能洗脱90%的正构烷烃,而多环芳烃类、硝基苯类和卤代醚类化合物的损失率基本小于10%,但氯代烃类化合物损失率达50%以上。推断原因是由于未键合的硅胶填料表面有大量硅羟基Si-OH,能与目标化合物的极性官能团发生极性作用,其中氢键是最显著的极性作用力;特别是其中的六氯丁二烯和六氯苯,由于这两种化合物是丁二烯和苯上的氢全部被氯取代,氯的原子半径较大,不易形成氢键,另外由于分子结构对称,极性键的作用力相互抵消,使整个分子呈现非极性状态,所以六氯丁二烯和六氯苯不被极性填料硅胶柱保留,导致回收率低。综合考虑各物质的测定,试验选择淋洗剂正己烷用量为1.0 mL。

2.3 净化对SVOC目标化合物损失的影响

为考察样品在固相萃取净化过程中,是否发生了目标化合物的损失,选取A 样和B样两种不同类型的土壤样品,按试验方法进行净化处理,净化后加入混合标准溶液,进行加标回收试验,其净化效果见图2。

由图2可见:A 样主要为C10～C19化合物的不连续的峰,经过净化后,可出看出8～16 min间的杂峰明显减少;B 样主要为C16～C33化合物的连续包状峰,经过净化后,14 min之后的基线明显降低,而且包状峰上的小杂峰也明显减少。

通过对样品A 和B背景值的测定,A 样中邻苯二甲酸二(2-二乙基己基)酯检出1.037 mg·L-1,B样中邻苯二甲酸二正丁酯检出12.348 mg·L-1和邻苯二甲酸二(2-二乙基己基)酯检出4.668 mg·L-1,在计算目标化合物回收率时,应做相应的折算处理。

图2 样品净化前后效果对比Fig.2 Comparison of effect before and after sample purification

2.4 线性曲线和检出限

取SVOC混合标准溶液系列,按试验方法进行测定,采用内标法定量。结果表明:所有目标化合物的质量浓度在1～20 mg·L-1内与内标的质量浓度比与其对应的峰面积比呈线性关系,线性参数见表4。

当取样量为5.0 g,定容体积为1.0 mL,按标准HJ 168-2010《环境监测分析方法标准制修订技术导则》规定,以自由度(n)为7-1,置信度为99%时的t分布(单侧)与7次平行测定所得测定值的标准偏差(s)的乘积计算方法检出限(t(n-1,0.99)×s),以4倍检出限作为测定下限,结果见表4。

表4 线性参数、检出限和测定下限Tab.4 Linearity parameters,detection limits and lower limits of determination

表4 (续)

表4 (续)

由表4可见:线性回归方程的相关系数均大于0.990 0,方法的检出限为0.06～0.30 mg·kg-1。

2.5 方法的精密度和准确度

分别取土壤样品A 样和B样,在0.2,1,4 mg·kg-1的加标水平下进行加标回收试验,按试验方法进行测定,平行测定6次,计算测定值的相对标准偏差(RSD)和回收率,结果见表5[表中A 样中邻苯二甲酸二(2-二乙基己基)酯,B 样中邻苯二甲酸二正丁酯和邻苯二甲酸二(2-二乙基己基)酯)的结果为扣除本底值后的折算值]。

表5 精密度和回收试验结果Tab.5 Results of tests for precision and recovery

表5 (续)

表5 (续)

表5 (续)

由表5可知:目标化合物的RSD 为0.60%～15%,方法的精密度能达到HJ 834-2017 的测试要求。此外,两种不同类型的土壤样品净化后的加标回收率相近。除氯代烃类化合物外,其余化合物回收率均可达80.0%以上,和混合标准溶液过柱试验结果基本一致。不同加标水平下的回收率显示,低浓度水平下的加标回收率(35.8%～145%)略高于高浓度水平下的加标回收率,这可能是填料规格影响目标化合物回收率。在实际应用中可对回收率偏低的化合物进行定性分析,加入相应的替代物,通过对替代物回收率的折算来进行定量分析。根据预测样品中目标化合物的含量选择合适的填料规格。

本工作通过采用固相萃取技术对SVOC 和石油烃进行分离,完成了一项比较困难的操作。试验建立了一种仅使用实验室最常规的Silica硅胶小柱和体积比为1∶19的丙酮-正己烷混合溶剂作洗脱剂就能使大部分SVOC 与石油烃达到良好分离效果的净化方法。在今后的实际应用中,可根据需要测定SVOC的种类,在本试验数据的基础上,灵活改变淋洗剂的淋洗体积,而达到最优净化效果。方法具有快速、便捷、可广泛使用等特点。