超声波萃取-气相色谱质谱法测定土壤中多环芳烃

车 凯,周慧波,宫云茜,焦 阳,张 姣

(国网河北省电力有限公司电力科学研究院,河北 石家庄 050021)

0 引言

多环芳烃(PAHs)是环境中典型的持久性有机污染物(POPs),具有致畸、致癌风险[1]。POPs在自然环境中难以降解并能通过生物链富集作用最终对人体健康和生态环境构成危害[2]。经研究表明,90%以上的PAHs存在于土壤中,并且绝大多数存在于表层土壤[3]。

目前,国内外主要用于土壤中PAHs检测标准有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、超声萃取法(UAE)、微波辅助提取法(MAE)、加速溶剂萃取法(ASE)等[7-8]。索氏提取法提取时间长、效率低,已逐渐被效率更高的提取方法所取代。加速溶剂萃取具有溶剂用量少、萃取效率高、受基体影响小等优点,但其仪器成本高,还要严格控制提取的压力和温度。文献[9]采用加速溶剂萃取法对土壤中PAHs进行研究,得出加速溶剂萃取法较适用于提取土壤中PAHs的结论。超声波萃取法耗时较短,功耗低,萃取溶剂升温小,普遍用于土壤中有机物萃取,文献[10]采用超声萃取法提取土壤中石油烃,文献[11]采用超声萃取法提取土壤中多环芳烃均取得了一定效果。

综上,有关土壤中PAHs的测定方法较多[12],但操作过程均较复杂。气相色谱质谱法(GC-MS)可以准确地提供PAHs的结构信息,定性准确,消除背景干扰,并降低检出限,价格实惠,推广性强。本研究根据PAHs易溶于有机溶剂的特点及相关标准,建立了采用超声萃取-气相色谱质谱法测定土壤中PAHs的方法,并对萃取方式进行了优化,同时将该方法应用于实际土壤样品分析测试,获得了一种高效、灵敏、低检出限的PAHs检测方法。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

主要仪器如下:安捷伦7890B-5977B MSD气相色谱-质谱联用仪(美国),电子轰击源(EI),带自动进样器,色谱柱HP-5MS(30 m×0.25 mm×0.25μm)；超声波萃取仪；快速溶剂萃取仪；索氏提取器；旋转蒸发仪及其配套的100 m L浓缩瓶；冷却水循环机:AS1600；固相萃取装置；离心机；马弗炉；烘箱:温度可控制在(105±5)℃；硅酸镁净化(SPE)小柱:填料为硅酸镁,1 000 mg,柱体积为6 m L(CNW Technologies)；50 m L玻 璃小瓶；一般实验室常用器皿等。

试剂如下:16种PAHs混标(产品编号80017JOM),ρ=1 000 mg/L,溶剂为苯和二氯甲烷(v:v=1:1)；5种氘代PAHs内标(产品编号80663QM)为萘-d8、苊烯-d10、菲-d10、屈艹_d12、苝-d12,ρ=4 000 mg/L,溶剂为二氯甲烷；2种PAHs替代物混标(产品编号80020KDB)为2-氟联苯(2-Fluoro-1)和4,4'-三联苯-d14(P-Terphenyl-d14),溶剂为丙酮和正己烷(v:v=1:1)。以上标准物质均购自北京坛墨质检标准物质中心。正己烷、丙酮和二氯甲烷,均为色谱纯(科密欧化学试剂有限公司)；无水硫酸钠为优级纯(国药集团化学试剂有限公司),用前需在马弗炉内450℃下焙烧4 h。

1.2 分析方法

1.2.1 样品的采集与保存

用石英砂代替实际样品作为基体开展条件优化和方法精密度、准确度实验。以实际土壤样品进行测试方法验证。供试土壤样品全部按照HJ/T 166－2004[12]规定的相关要求采集和保存,样品于洁净的磨口棕色玻璃瓶中保存。

1.2.2 样品前处理方法

称取适量土壤样品于50 m L玻璃小瓶中,按照国标HJ 911－2017[13]相关要求加入一定量的无水硫酸钠并在4℃以下冷藏48 h使其充分脱水,待进行下一步处理。

在装有试样的玻璃瓶中准确加入2 000 mg/L的多环芳烃替代物10μL和2 mg/L的四氯间二甲苯25μL。然后加入约20 m L的正己烷:丙酮(体积比1:1)萃取剂,保证加入的萃取剂液面高出固体试样表面约2 cm。分别采用索氏提取、加压流体萃取和超声萃取方式进行萃取,然后经旋转蒸发浓缩至1 mL左右,用SPE小柱净化。

1.2.3 样品分析

气相色谱条件。进样口温度:280℃,不分流；进样量:1.0μL；柱流量:1.0 m L/min(恒流)；柱温: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。

质谱条件。离子源温度:230℃；电子轰击源(EI)；离子化能量:70 eV；接口温度:280℃；四级杆温度:150℃；质量扫描范围:45～450 amu；溶剂延迟时间:5 min；扫描模式:全扫描Scan和选择离子模式(SIM)模式。16种多环芳烃、内标物及替代物的保留时间、定性定量离子见表1。

表1 SIM模式下PAHs检测条件

2 结果与讨论

2.1 样品前处理过程优化

2.1.1 萃取方式选择

针对不同的目标物选择合适的萃取方式不仅可以提高萃取效率,还可以节约时间和成本。该研究采用最常用的3种土壤前处理方式:索氏提取、加压流体萃取和超声萃取,考察不同提取方式对PAHs回收率的影响。

称取3组10.0 g石英砂,每组取3份平行样,经400℃烘烤4 h后加入等量PAHs标准溶液配制成20μg/kg待测样品,参考相关标准[13]中提取条件对样品进行提取,结果见图1。结果表明,索氏提取的回收率在72.5%～92.1%,平均回收率为84.5%；加压流体萃取回收率在77.2%～94.5%,平均回收率为87.9%；超声萃取法回收率在74.2%～93.0%,平均回收率为84.7%。3种萃取方式回收率无明显差别,但是索氏提取耗时长,需要的溶剂量大,成本高,操作繁琐,效率低。加压流体溶剂萃取效率较高,萃取速度快,但设备昂贵,需要的耗材较多,增加了测试成本。超声波萃取法耗时较短,功耗低,萃取溶剂升温小,对PAHs类溶剂萃取效果好,所以本文选择使用超声波萃取法。

图1 不同萃取方式下16种PAHs回收率

2.1.2 萃取次数选择

称取5组10.0 g石英砂,每组取3份平行样,配置相同浓度待测样品。萃取液采用丙酮和正己烷体积比为1:1混合液,采用超声波萃取法萃取,每个样品萃取过程分别重复2次、3次、4次、5次、6次,再合并提取溶液,求其平均回收率,研究萃取次数对回收率的影响,平均回收率见图2。结果表明PAHs回收率随萃取次数增加而增加,当萃取次数为4次时PAHs平均回收率为86.25%,且超过4次时所得回收率差异不大,综合考虑萃取时间和回收率,本文选择萃取次数为4次。

图2 超声萃取次数对回收率的影响

2.1.3 萃取时间选择

称取6组10.0 g石英砂,每组取3份平行样,配置相同浓度待测样品。萃取液采用丙酮和正己烷体积比为1:1混合液,采用超声波萃取法分别萃取5 min、10 min、15 min、20 min、25 min、30 min,萃取过程重复4次,合并提取溶液,求其平均回收率,研究萃取时间对回收率的影响,平均回收率见图3。结果表明,PAHs回收率随超声时间延长而增加,但当超声时间超过15 min时所得回收率差异不大,且随时间不断延长,超声回收率有所下降,可能是受超声波衰减因素的制约导致。因此,本文选择采用超声时间为15 min。

图3 超声萃取时间对回收率的影响

2.2 标准曲线绘制

对所有待测物质标准品(包括PAHs混标、替代物)采用全扫描—选择离子检测模式(SCAN/SIM模式)进行定性和定量,SIM模式色谱如图4所示。可见峰形良好,分离度满足方法要求。

图4 多环芳烃SIM模式色谱

配置16种多环芳烃和2种替代物混合标准系列浓度:20μg/L、50μg/L、100μg/L、200μg/L、500μg/L,内标物质量浓度均为2 000μg/L,按照1.2节样品分析方法,绘制校准曲线,16种多环芳烃和2种替代物标准曲线见表2。16种多环芳烃和2种替代物混合标准系列在20.0～500μg/L浓度范围内呈现良好的线性,相关系数r＞0.999 3,相对响应因子的相对标准偏差在0.6%～10.9%,均不超过20%。

表2 多环芳烃标准曲线线性方程、相关系数r

2.3 检出限、精密度和准确度

按照上述前处理方法,分别称取10 g石英砂,加入20 ng和200 ng多环芳烃目标物,按前处理过程测定9个加标平行样,计算出回收率、检出限和精密度,结果如表3所示。16种多环芳烃方法检出限为0.26～0.54μg/kg,16种多环芳烃平均加标回收率为63.0%～117.3%,相对标准偏差为4.3%～12.5%,均满足《全国土壤污染状况详查土壤样品分析测试方法技术规定》和《土壤和沉积物 多环芳烃的测定 气相色谱-质谱法》相关质量控制要求。结果表明超声波萃取方法具有灵敏度高、准确度高、选择性好、操作简便等优势。

表3 方法检出限、精密度、加标回收率(n=9)

2.4 土壤样品基质加标试验

通过对采集的土壤样品进行测定,然后进行基质加标实验,向土壤中加入200 ng多环芳烃目标物,按前处理过程测定9个加标平行样,计算出回收率和精密度。根据测定土壤基质的含量和加标后总含量,得出加标含量,再根据理论加标含量计算出回收率和精密度,结果显示16种多环芳烃平均加标回收率为76.3%～110.3%,相对标准偏差为5.1%～18.6%。通过对实际样品的测定,说明该方法具有较低的检出限及较强的抗干扰能力,可以满足土壤中多环芳烃检测要求。

3 结论

该研究建立了利用超声波萃取仪萃取,SPE硅酸镁小柱进行净化,气相色谱质谱法定量测定土壤中PAHs的方法,并比较不同萃取方式、超声萃取时间和萃取次数等对加标回收的影响。从该研究可知,最佳萃取方法为10.0 g样品用20 m L的正己烷:丙酮(体积比1∶1)萃取15 min,萃取4次。16种多环芳烃和2种替代物混合标准系列在20.0～500μg/L浓度范围内呈现良好的线性,相关系数r＞0.999 3,相对响应因子的相对标准偏差在0.6%～10.9%,方法检出限为0.26～0.54 μg/kg,空白石英砂平均加标回收率为63.0%～117.3%,相对标准偏差为4.3%～12.5%,土壤样品平均加标回收率为76.3%～110.3%,相对标准偏差为5.1%～18.6%。该方法实用性强,检出限低,准确度高,满足相关标准质量控制要求,可适用于土壤样品中PAHs分析检测要求。