超声提取-气相色谱质谱法测定土壤中的多环芳烃

2022-10-18胡德华刘小桐闫峻

世界核地质科学 2022年3期

胡德华，刘小桐，闫峻

（核工业北京地质研究院，北京 100029）

多环芳烃（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，PAHs）是一类分子中含有两个或两个以上苯环的碳氢化合物以及其衍生物的总称，可分为芳香稠环型及芳香非稠环型两种，迄今为止，已发现有200多种的PAHs［1-2］。多环芳烃的来源分为自然源和人为源。自然源多环芳烃主要来自于陆生、水生植物和微生物的生物合成过程，以及森林、草场天然火灾；人为源多环芳烃产生于工业生产、有机物热解或不完全燃烧［3-4］。自然源多环芳烃可作为一类原油生物标志物在石油地球化学中起到广泛应用，如判断原油和生油岩成熟度、判断石油母源和沉积环境、油源对比等［5］。此外，多环芳烃也是一类重要的污染物。人为源的多环芳烃广泛分布于人类生活的自然环境如大气、水体、土壤、作物和食品中，具有难降解、积累性强、半挥发性等特点，通过呼吸道、皮肤、消化道进入人体，极大地威胁着人类的健康，有很强的致畸、致癌、致突变作用［6-7］。目前多环芳烃已被列入建设用地土壤污染风险筛选值和管制值的基本项目及农用地土壤污染风险筛选值其他项目中，受到广泛关注［8］。

目前对于土壤中多环芳烃的提取和检测是研究的热点领域。常用的多环芳烃检测技术包括：高效液相色谱法（HPLC）、气相色谱法（GC）、气相色谱-质谱联用法（GC-MS）、气相色谱-三重四极杆质谱联用法（GC-MS/MS）等。HPLC分析多环芳烃时不需要高温气化样品，样品进入仪器时不会被高温分解，缺点是抗干扰能力弱，难以准确判断目标物［9］；GC具有仪器价格低廉的优点，缺点同样为抗干扰能力弱［10］；GC-MS/MS具有高抗干扰能力和高选择性，缺点为仪器价格昂贵，设备使用条件高［11］。GC-MS具有定性、定量准确的优点，且可以使用全扫描（Full Scan）和选择离子扫描（Selective Ion Monitoring）两种模式，抗干扰能力强，是目前分析土壤中多环芳烃的重要手段［12-13］。

在GC-MS检测过程中，样品在进入仪器检测前通常需要经过提取、净化、浓缩等前处理步骤，其中提取步骤对检测效果起到了决定作用。目前，索氏提取法、加压流体萃取法和超声提取法是提取土壤中多环芳烃最常用的方法。索氏提取具有选择性好、能耗低、操作简便、设备简单等优点。缺点是提取耗时过长，需要持续回流10 h以上才能提取完全，不利于大量样品检测［14］。加压流体萃取法具有提取效率快、自动化程度高、萃取效率高等优点，缺点是对溶剂使用量高，且需要使用专用设备，使用条件要求较高［15］。超声提取法是基于超声波的空化作用，在溶剂中形成无数气泡快速形成内爆［16］，辅助溶剂对样品进行提取，具有操作简便，提取时间较短，提取效率较高等优点，已被广泛应用于各类无机或有机物质的提取中［17-19］。采用超声提取，硅酸镁小柱净化，GC-MS定性、定量分析，建立了土壤中16种多环芳烃的检测方法，并应用于实际样品的检测中。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

仪器：Clarus600T气相色谱-质谱仪（美国PerkinElmer公司）、KH-100E超声波仪（中国昆山禾创超声仪器有限公司）、吉艾姆A-200浓缩仪（北京吉艾姆科技有限公司）、HITACHI CP100NX高速离心机（日本株式会社日立制作所）。

试剂：二氯甲烷中16种多环芳烃混标（2 000 mg·L-1）、二氯甲烷中5种同位素混合内标（2 000 mg·L-1）购自坛墨质检科技股份有限公司（中国常州）；正己烷（色谱纯）、丙酮（色谱纯）、二氯甲烷（色谱纯）、无水硫酸钠购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司（中国上海）；高纯He气购自北京氦普北分气体工业有限公司（中国北京）

1.2 色谱条件

进样口：无分流进样，温度250℃；色谱柱：HP-5MS弹性石英毛细管色谱柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）；进样量：1.0 μL；柱流量：1.0 mL·min-1；柱箱：80℃保持1 min，以15℃·min-1升至255℃并保持1 min，再以1℃·min-1升至265℃，保持1 min，最后以2.5℃·min-1升至295℃，保持2 min。

1.3 质谱条件

离子源：EI；离子源温度：250℃；离子化能量：70 eV；传输线温度：280℃；质量扫描范围：45～450 u；溶剂延迟：3 min；扫描模式：全扫描模式和选择离子（SIM）模式。

1.4 标准曲线绘制

使用正己烷-丙酮1：1混合溶液将16种PAHs混合标准溶液（2 000 mg·L-1）稀释为500 mg·L-1的PAHs标准中间液；使用正己烷-丙酮1：1混合溶液将5种同位素混合内标（2 000 mg·L-1）溶液稀释为200 mg·L-1的内标中间液。取5个气相色谱进样瓶，使用5 μL的进样针移取适量多环芳烃标准中间液和内标中间液，用正己烷-丙酮混合溶剂定容，配置成多环芳烃含量为2.0、5.0、10.0、20.0和40.0 mg·L-1，内标含量为20.0 mg·L-1的标准系列溶液。

1.5 样品的提取和制备

1.5.1样品提取

实验所用土壤取自北京周边地区，采样时间为2021年10月。土壤取回后，剔除其中的石子、枯枝和碎屑，阴干后，研磨过200目筛。称取10.0 g样品于100 mL碘量瓶中，加入5.0 g无水硫酸钠、1.0 g铜片，加入60 mL正己烷-二氯甲烷1：1混合溶液，加塞水封，超声震荡2 h。结束后将提取剂用高速离心机5 000 r·min-1离心10 min，分离出上清液，浓缩至1 mL待用。

1.5.2样品纯化

将硅酸镁小柱（6 mL，1g）固定在固相萃取装置上，用4 mL二氯甲烷淋洗净化柱，加入5 mL正己烷，待柱充满后关闭流速控制阀5 min浸润硅酸镁柱，打开控制阀，继续加入正己烷5 mL，在填料暴露于空气前关闭控制阀。加入浓缩后的提取液，用2 mL正己烷分3次洗涤储存浓缩液的容器，洗液转移入小柱中。缓慢打开控制阀，在填料暴露于空气前关闭控制阀，分两次各加入5 mL二氯甲烷-正己烷混合溶剂洗脱。收集全部洗脱液，再次浓缩至1 mL。

1.5.3空白土壤样品和加标土壤样品的制备

取一定量来自北京周边地区的土壤样品，剔除其中的石子、枯枝和碎屑，阴干后，研磨过200目筛，装入索氏提取器中，使用正己烷-二氯甲烷混合溶液提取12 h。结束后倒去索氏提取器下部烧瓶中的溶液，换上新的正己烷-二氯甲烷混合溶液重复提取。重复此操作5次得到空白土壤样品。留取部分空白土壤样品作为实验中全流程空白参比样品。利用此空白土壤样品配制多环芳烃加标土壤样品，以各多环芳烃组分加标水平均为2.0 mg·kg-1的加标土壤样品为例，加标方法为称取10.0 g空白土壤样品，使用10.0 μL进样针准确加入10.0 μL浓度为2 000 mg·L-1的多环芳烃标准溶液，充分搅拌均匀待用。

2 结果与讨论

2.1 多环芳烃标准色谱图

依照拟定的色谱条件，对标样中的多环芳烃成分进行分析，测得的色谱图如图1所示。图1中所标注的峰分别为：1）萘-d8（内标）；2）萘；3）苊烯；4）苊烯-d10（内标）；5）苊；6）芴；7）菲-d10（内标）；8）菲；9）蒽；10）荧蒽；11）芘；12）苯并［a］蒽；13）䓛-d12（内标）；14）䓛；15）苯并［b］荧蒽；16）苯并［k］荧蒽；17）苯并［a］芘；18）苝-d12（内标）；19）茚并［1，2，3-c，d］芘；20）二苯并［a，h］蒽；21）苯并［g，h，i］苝。可以看到，16种多环芳烃组分及5种内标物均能检出并分离。

图1 多环芳烃标准样品色谱流出图Fig.1 Chromatogram of polycyclic aromatic hydrocarbons in standard samples

2.2 校准曲线

根据各多环芳烃组分的保留时间对各组分峰进行定性分析。利用各组分质量浓度和附近内标物的质量浓度比值为横坐标；以各组分峰面积和内标化合物的峰面积的比值，与内标化合物的质量浓度为纵坐标，可用内标法测定各多环芳烃组分的含量。回归方程如表1所示。各组分平均回收率介于91.3%～101.2%之间，标准曲线的相关系数介于0.996 7～0.999 7之间。说明检测方法线性相关性好，符合定量分析要求。

表1 多环芳烃的分离、回收效果Table 1 Effect of separation and recovery of PAHs

2.3 提取条件的优化

土壤样品中多环芳烃类化合物含量通常较少，而且含有较多干扰物质，因此在土壤样品多环芳烃的检测过程中，提取效率的高低尤为重要。从节省溶剂和提高萃取速率考虑，本实验采用一次加入溶剂的方法进行提取。本实验考察了提取过程中，提取溶液种类、提取溶剂量、提取时间以及提取温度4个主要因素对提取效率的影响。

2.3.1提取溶剂种类选择

土壤中有机污染物常见的提取溶剂有乙酸乙酯、二氯甲烷、正己烷、石油醚，参考传统索氏提取、加压流体萃取等方法中溶剂的配制方法，配制了乙酸乙酯-二氯甲烷、乙酸乙酯-正己烷、乙酸乙酯-石油醚、二氯甲烷-正己烷、二氯甲烷-石油醚、正己烷-石油醚6种二元混合提取剂，混合体积比均为1：1。使用6种提取剂对土壤加标样品进行提取并检测。结果如表2所示。

表2 不同提取剂对多环芳烃的提取效率Table 2 Extraction efficiency of PAHs with different extraction solvents

由表2可见，6种提取剂对土壤样品中多环芳烃的提取效率具有差异，其顺序为：二氯甲烷-正己烷＞二氯甲烷-石油醚＞乙酸乙酯-二氯甲烷＞乙酸乙酯-正己烷＞正己烷-石油醚。因此，采用二氯甲烷-正己烷=1：1混合溶剂作为超声提取溶剂。

此外，为了考察二氯甲烷和正己烷之间配比对回收率的影响，配制了二氯甲烷：正己烷=4：1；2：1；1：1；1：2；1：4五种混合溶液，对10.0 g各多环芳烃加标水平为2.0 mg·kg-1的土壤样品进行了提取，计算多环芳烃组分总量。不同配比的溶液提取效果如图2所示。由图2可见，二氯甲烷：正己烷=1：1时提取效果最佳。故选取此比例进行下一步优化。

图2 溶剂比例对萃取效果的影响Fig.2 Influence of solvent ratio on extraction effect

2.3.2提取温度的选择

为了确定最佳提取温度，使用二氯甲烷-正己烷混合溶剂作为提取剂，改变超声提取仪

的温度，在20、30和40℃时分别对10.0 g加标土壤样品进行了提取检测。每个温度检测3次，计算各组分平均回收率。各组分回收率结果见表3。由表3可见，在20～40℃范围内，各多环芳烃组分的回收率随提取温度的升高而显著提升，在40℃时达到最大值，温度升至50℃后回收率没有明显提高。因此选择40℃作为提取温度进行进一步优化实验。

表3 温度对多环芳烃的提取效率的影响Table 3 Extraction efficiency of PAHs with different temperatures

2.3.3提取溶剂量的选择

为了确定最佳提取溶剂量，在40℃提取温度下，分别使用30、40、50、60和80 mL二氯甲烷-正己烷混合溶剂对10.0g加标土壤样品进行了提取检测。加标土壤样品中，每种多环芳烃组分的加标水平均为2.0 mg·kg-1，多环芳烃总量为32.0 mg·kg-1。每个提取剂加入量下检测三次。计算每种提取剂加入量下多环芳烃组分总量，结果见图3a。由图3a可见，多环芳烃组分总量的含量随提取剂加入量的增多而增大，当提取剂加入量达到60 mL时，测得的多环芳烃组分总量基本达到最大值，为28.3 mg·kg-1，回收率为88.4%，满足检测需求。提取剂加入量提高到80 mL时，测得的多环芳烃组分总量为28.7 mg·kg-1，与加入量为60 mL时相比提升较小。为节省溶剂考虑，选择60 mL作为加入的提取剂量。

2.3.4提取时间的选择

为了确定最佳提取时间，在40℃提取温度下，分别使用60 mL二氯甲烷-正己烷混合溶剂对10.0g加标土壤样品分别提取10、30、60、120和180 min并检测，加标土壤样品中每种多环芳烃组分的加标水平均为2.0 mg·kg-1。每个提取时间下检测3次。计算每种提取剂加入量下多环芳烃组分总量，结果见图3b。由图3可见，多环芳烃组分总量的含量随提取时间增长而增大，当提取时间为120 min，测得的多环芳烃组分总量基本达到最大值，为28.5 mg·kg-1，回收率为89.1%，满足检测需求。提取剂时间为180 min时，测得的多环芳烃组分总量为29.1 mg·kg-1，回收率为90.9%。从整体提取时间效率考虑，选择120 min作为提取时间。

图3 提取剂加入量和提取时间对多环芳烃的提取效率的影响Fig.3 Extraction efficiency of PAHs with different solvent volumes and different times

2.4 精密度和准确度

根据优化实验结果，选择加入60 mL二氯甲烷-正己烷混合溶剂作为提取剂，提取时间为120 min，提取温度为40℃，对10.0 g加标土壤样品进行检测，计算每个多环芳烃组分的回收率。土壤样品平行测定3次，结果见图4。由图4可见，16种多环芳烃组分3次检测的平均回收率介于76.8%～101.0%之间，3次检测结果间相对标准偏差介于4.16%～7.26%之间，说明该方法具有良好的精密度和准确度。

图4 多环芳烃组分的回收率Fig.4 Recovery rate of polycyclic aromatic hydrocarbons

2.5 实际样品的检测

取来自北京周边实际含有多环芳烃化合物的土壤样品，使用优化好的方法进行提取检测。此外，对实际土壤样品进行了加标回收实验。加标方法为向20.0 g土壤样品中加入浓度为1 000 mg·L-1的多环芳烃标准溶液20 μL，充分混匀，即加标水平为1.00 mg·kg-1。实际土壤样品的检测结果与加标回收率见表4。由表4可见，该方法可以检测出实际土壤样品中的16种多环芳烃化合物，且具有较高的回收率，在实际土壤样品检测中应用良好。