土壤中石油烃（C10~C40）方法检出限和测定下限的气相色谱法验证

张会

（河北中天环保技术有限公司，河北 石家庄 050000）

0 引 言

方法检出限是用特定分析方法在给定的置信度内可从样品中定性检出待测物质的最低浓度或最小量，需要按照特定分析方法的全部步骤处理和测定样品，是在给定置信度内区别于空白试样的被检出的最低浓度或最小量。测定下限是在限定误差能满足预定要求的前提下，用特定分析方法能够准确定量测定待测物质的最低浓度或最小量。方法检出限随实验室环境条件、试验人员技术水平、前处理方法、仪器设备条件等变化而变化。仪器检出限是基于待测物质最小分析信号所获得的最低浓度或最低量，仅与仪器性能有关，不受其他条件影响，故一般情况下测定的仪器检出限小于方法检出限。每个实验室环境条件、人员技术能力、仪器设备等均不相同，故不同实验室针对同一检测标准测定的方法检出限不同，所以方法验证应对方法检出限和测定下限进行验证，仪器检出限不能代替方法检出限。当实验室确定的方法检出限小于或等于标准方法所规定的检出限时，说明本实验室验证的方法检出限满足标准方法要求，有能力使用标准方法进行样品分析。国际上将石油烃分为挥发性、半挥发性、可萃取性石油烃（C10~C40）3类。石油烃进入土壤后会对微生物、动植物构成危害，并随着食物链进入人体，损害人体健康。可萃取性石油烃（C10~C40）含量是土壤环境质量调查的重要参数，有能力使用气相色谱法测定土壤中可萃取性石油烃（C10~C40）含量是决定测定结果是否可靠的关键，而方法检出限、测定下限验证结果是判断机构是否具有相关检测能力的重要指标。目前环境检测机构针对单一目标物质进行方法检出限验证较多，很少有针对总量进行验证；相对于单一目标物质，总量方法检出限和测定常常感觉无从下手。虽然单一物质方法检出限的估计和测定都比较成熟，但当结果需要以某类物质总量评价且检测参数较多时，检测分析及数据处理过程引入的不确定因素较多，往往会影响到检测结果的准确性；而总量方法检出限和测定下限将此类物质看做一个单一物质，从而可避免过多的参数检测及数据处理引入的不确定性，使结果表达更具科学性和适用性。本文将石油烃（C10~C40共31种烷烃）看做一种物质，进行了方法检出限和测定下限的测定，提供了某类物质总量方法检出限和测定下限验证的思路。

1 实验部分

1.1 主要仪器和试剂

1.1.1 仪 器

FA2004N电子天平（上海菁海仪器有限公司）；BSXT-02索氏提取器（上海争巧科学仪器有限公司）；1 000 mg 60 mm×15 mm硅酸镁净化柱（泰州康之达实验器材有限公司）；LC-DCY-12G氮吹浓缩仪（上海力辰邦西仪器有限公司）；UPB-10型高纯水机（石家庄泰斯特仪器设备有限公司）。

1.1.2 试 剂

正己烷（C6H14），GCS级，天津市科密欧化学试剂（批号，20200310）；二氯甲烷（CH2Cl2）,GCS级，安徽时联特种溶剂股份有限公司；丙酮（CH3COCH3），GCS级，欧普森（批号：D9002）；正己烷中31种正构烷烃类混标（石油烃C10~C40 31 000 mg/L，每种组分均为1 000 mg/L），北京坛墨质检科技有限公司（批号：2322003）；正己烷中正癸烷-正四十烷混标（50/150μg/mL），北京坛墨质检科技有限公司（批号：80939B）；无水硫酸钠（Na2SO4），天津市科密欧化学试剂（批号：20191203）。

1.2 GC测定条件

9790PLUS气相色谱仪，FL97plus-石油烃专用版工作站（浙江福立分析仪器股份有限公司）；氢火焰离子化检测器；KB-5HT色谱柱(30 m×0.32 mm×0.10 μm)；柱温设置：初始温度50℃保持2 min，以40℃/min速率升温至230℃，以20℃/min升温至320℃保持9 min。

GC测定条件见表1。

表1 GC测定条件一览表Table 1 Determination conditions of GC analysis

1.3 标准曲线绘制

用微量注射器移取适量的石油烃标准溶液，用正己烷稀释，混匀。配制成质量浓度为0、248、775、1 550、4 030、9 300 mg/L的标准系列，按照上述1.2色谱条件，从低浓度到高浓度依次测定，以浓度为横坐标，确定的保留时间窗内总峰面积（减去柱流失有效峰面积）为纵坐标，建立标准曲线。

1.4 样品制备

1.4.1 空白样品制备

称取无水硫酸钠10 g（代替土壤，精确到0.01 g）研磨均化成流沙状，放入玻璃纤维滤筒，将滤筒放入索氏提取器中，加入100 mL正己烷-丙酮混合试剂（1+1），提取16~18 h，回流速率控制在8~10次/h，收集提取液；将提取液转移至氮吹浓缩仪，浓缩至1.0 mL；硅酸镁净化柱依次用10 mL正己烷-二氯甲烷混合溶剂（1+1）、10 mL正己烷活化；将浓缩液转移至活化好的硅酸镁净化柱，收集流出液；用约2 mL正己烷洗涤浓缩液收集装置，转移至净化柱；再用12 mL正己烷淋洗净化柱，收集淋洗液，与流出液合并，浓缩至1.0 ml；待测。

1.4.2 空白加标样品制备

称取无水硫酸钠10 g（代替土壤，精确到0.01 g）共7份，放入研磨器中，每份加入4 μL石油烃标准溶液（根据预估出的方法检出限，使空白加标样品理论浓度为3.1倍预估的检出限）。按照上述空白样品处理方法对空白加标样品进行处理，得到净化液1.0 mL共7份，待测。

2 结果与讨论

2.1 定性保留时间窗口的确定结果

保留时间窗口直接决定着石油烃积分时间的长短和峰面积的大小，对方法检出限和检出下限影响很大。所以本实验考查了可萃取性石油烃中C10~C40共31种正构烷烃的出峰顺序，结果表明石油烃中C10~C40共31种正构烷烃出峰顺序按照碳原子个数C10~C40依次出峰，故保留时间窗确定以C10（正癸烷）开始出峰和C40（正四十烷）结束出峰时间确定。取1.0μL正己烷中正癸烷-正四十烷混标溶液，在选定的色谱条件下进行保留时间窗的确定如图1所示。

图1 保留时间窗口确定Fig.1 The selection of retention time range

由图1可见，确定正癸烷的出峰时间为4.452 min，正四十烷出峰结束时间为15.667 min，故将4.4~15.7作为测定石油烃（C10~C40）的积分时间。

2.2 柱流失的测定

分析石油烃（C10~C40）的气相色谱条件会引起显著的柱流失，使基线上升，导致空白背景值增加，影响测试结果，故测定石油烃（C10~C40）应测定柱流失，结果计算时石油烃（C10~C40）的总峰面积应扣除柱流失的面积。石油烃（C10~C40）柱流失测定图谱如图2所示。

图2 石油烃（C10~C40）柱流失测定图谱Fig.2 The column loss chromatogram of petroleum hydrocarbon(C10~C40)

2.3 线性范围

在1.2色谱条件下，31种石油烃（C10~C40）可以得到完全分离，这是后续石油烃（C10~C40）总量准确定性和总面积积分的前提。

在此基础上，进一步考察了石油烃（C10~C40）总浓度0~9 300 mg/L的线性情况，结果显示，在选定的保留时间窗内，石油烃总峰面积与总浓度线性良好。

C10~C40色谱分离图如图3所示。

图3 C10~C40色谱分离图Fig.3 The separation chromatogram of C10~C40

校准曲线方程w=-220.080+1.718×10-4A（w为石油烃浓度，A为峰面积），相关系数R=0.999 5。

石油烃（C10~C40）标准曲线如图4所示。

图4 石油烃（C10~C40）标准曲线Fig.4 The standard curve of petroleum hydrocarbon(C10~C40)

2.4 方法检出限及测定下限验证方法选择

气相色谱法方法检出限获得基于统计学方法，即对获得的数据按照《环境监测分析方法标准制定技术导则》HJ168-2020，用多次空白样品测定结果或空白加标样品测定结果来计算。

（1）使用空白样品测定结果进行计算。

当空白试验中能检出目标物质时，至少重复测定7份空白样品，每份空白样品测定1次。计算空白样品测定结果平均值、标准偏差，并按公式（1）计算方法检出限：

式中：MDL为方法检出限；S为n次测定的标准偏差；t为当自由度为n-1时，置信度为99%时的t分布（单侧），当n为7时，t值为3.143。

以空白试验测定结果计算的方法检出限结果有效前提为：任意空白样品测定值之间可允许的差异范围为“空白试验测定值的均值±计算出的检出限的1/2”以内。

测定下限为方法检出限的4倍。

（2）使用空白加标样品测定结果进行计算。

当空白试验中不能检出目标物质时，则对浓度值为估计方法检出限的3~5倍的相同浓度的空白加标样品（≥7份）进行测定，每份样品测定1次。计算空白加标样品测定结果平均值，计算标准偏差，并按公式1计算方法检出限。

以空白加标样品测定结果计算的方法检出限有效前提为：任意空白加标样品测定浓度应在计算出的方法检出限的3~5倍内。当空白加标样品浓度不在计算出的方法检出限3~5倍内时，根据计算结果调整空白加标样品浓度并按照公式2计算方法检出限。此时方法检出限有效前提为：任意空白加标样品浓度应在计算出的方法检出限的3~5倍内，且

式中：SA为方差较大空白加标样品平行测定标准偏差；SB为方差较小空白加标样品平行测定标准偏差；Sp为组合标准偏差；t为自由度为nA+nB-2，置信度为99%时的t分布（单侧）；nA为方差较大的空白加标样品测定次数；nB为方差较小的空白加标样品测定次数。

一般情况下，只有在证明空白样品确实不能检出目标物质时，才能采用空白加标样品测定结果计算方法检出限。

相对于液态物质，土壤成分复杂，通常情况下，无法找到适宜作为空白样品的均质化土壤，通常会按照检测标准选用相应物质代替土壤进行空白试验。本实验按照《土壤和沉积物石油烃（C10~C40）的测定气相色谱法》（HJ1021-2019）规定选用石英砂代替土壤制作空白样品和空白加标样品。然后将1.3制备的空白样品按照1.2色谱条件进行测定，从正癸烷出峰开始到正四十烷出峰结束连接一条水平基线进行积分，计算总峰面积（减去柱流失有效峰面积），外标法定量，按下述公式3计算样品中石油烃（C10~C40）含量：

式中：C为样品中石油烃（C10~C40）含量，mg/kg；W为由校准曲线计算所得石油烃（C10~C40）的浓度，mg/L；V为提取液浓缩后的定容体积，mL；10为无水硫酸钠（代替土壤）质量，g。

结果显示，空白试验中未检出目标物石油烃（C10~C40）。故石油烃方法检出限的测定采用空白加标样品测定结果进行计算。

测定下限为方法检出限的4倍。

2.5 土壤样品方法检出限、测定下限测定

在保留时间窗内，以3倍噪音值为仪器检出限，将仪器检出限折算为取样10.0 g，定容体积1.0 mL，进样体积1.0μL时的土壤中石油烃的检出限，结果为1.5 mg/kg；由于《土壤和沉积物石油烃（C10~C40）的测定气相色谱法》（HJ1021-2019）“方法检出限为6 mg/kg”，所以本实验室气相色谱法测定土壤中石油烃方法检出限应在1.5~6 mg/kg之间，综合本实验室环境条件、人员技术水平及仪器设备性能等预估本实验室土壤石油烃（C10~C40）方法检出限为4 mg/kg。

按照2.4方法二要求及预估出的方法检出限，确定本实验空白样品（10.0 mg石英砂）石油烃（C10~C40）加标量为4μL，加标后石油烃总浓度为12.4 mg/kg，为预估方法检出限的3.1倍。

对上述制作的空白加标样品按照1.3.2进行处理并测定石油烃（C10~C40）浓度，按照公式1计算方法检出限，检出限的4倍作为测定下限，结果见表2。

表2 空白加标样品测定及方法检出限和测定下限计算结果Table 2 The results of method detection limit and determination limit for spiked blank sample

由表2可知，本实验测定出的土壤石油烃 （C10~C40）总量的方法检出限为2.97 mg/kg；测定下限为11.9 mg/kg。验证结果满足“任意空白加标样品浓度应在计算出的方法检出限的3~5倍内”，同时满足“当实验室计算出的检出限小于或等于方法所规定的检出限时，说明该实验室方法检出限及测定下限满足标准方法要求”。

3 结 语

选用空白加标样品测定结果计算方法检出限、测定下限，加标量应参考仪器检出限及待验证方法标准的方法检出限，一般预估检出限应大于仪器检出限，小于方法检出限；采用空白加标样品测算方法检出限时，空白样品加标量为预估方法检出限的3~5倍；土壤石油烃（C10~C40）总量的方法检出限测定，空白加标为C10~C40共计31种石油烃的总量加标，方法检出限计算以总量计算，不计算C10~C40中每一种烷烃检出限。