加壓流體萃取-氣質(zhì)聯(lián)用法測定土壤中15種多環(huán)芳烴

林晶

摘? 要：建立加壓流體萃取-氣質(zhì)聯(lián)用法用于測定土壤中15種多環(huán)芳烴，對萃取溶劑、凈化洗脫、分析溫度等條件進行優(yōu)化比選，采用不分流和選擇離子模式進行測定。結(jié)果表明，此方法在5～1000μg/L范圍內(nèi)，15種多環(huán)芳烴相對響應(yīng)因子的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于20%;方法檢出限為0.1～0.4μg/kg，回收率為41.7～128%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差2.6%～13.3%。方法靈敏度高，優(yōu)于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)確度和精密度均滿足多環(huán)芳烴批量痕量檢測要求。

關(guān)鍵詞：土壤;多環(huán)芳烴;氣質(zhì)聯(lián)用法;優(yōu)化

中圖分類號：X833? ? ? ? ?文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）09-0121-05

Abstract： A pressurized fluid extraction-GC-MS method was established for the determination of 15 kinds of polycyclic aromatic hydrocarbons in soil. The extraction solvent， purification and elution and analysis temperature were optimized and determined by non-shunt and selective ion mode. The results show that in the range of 5～1000 μg/L， the relative standard deviations of the relative response factors of 15 polycyclic aromatic hydrocarbons are all less than 20%; the detection limit of the method is 0.1～0.4 μg/kg， the recovery is 41.7% 128%， and the relative standard deviation is 2.6%～13.3%. The method has high sensitivity and is superior to the existing standards， and its accuracy and precision can meet the requirements of batch trace detection of polycyclic aromatic hydrocarbons.

Keywords： soil; polycyclic aromatic hydrocarbons; GC-MS （Gas Chromatograph-Mass Spectrometer）; optimization

多環(huán)芳烴（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，PAHs）是煤、石油、木材、煙草、有機高分子化合物等有機物不完全燃燒時產(chǎn)生的含多個苯環(huán)結(jié)構(gòu)的碳氫化合物[1-2]，因其致癌、致畸、致突變的毒理特性，已越來越多地受到國內(nèi)外環(huán)保專家學(xué)者的關(guān)注。土壤作為生態(tài)系統(tǒng)中的基底載體，容易將自然環(huán)境中以氣態(tài)或被大氣粉塵吸附等方式存在的PAHs通過干濕沉降方式帶入土中[3]，PAHs的脂溶性特點使其容易進入生物體內(nèi)，經(jīng)過生物鏈的遷移、轉(zhuǎn)化、富集，最終對人類健康和安全造成威脅[4]。

目前多環(huán)芳烴檢測方法主要有高效液相色譜法和氣相色譜質(zhì)譜法[5-6]，其中氣相色譜質(zhì)譜法利用氣相色譜儀的高分離特性和質(zhì)譜儀對單一組分的準(zhǔn)確鑒定特性，能夠快速有效檢測出多組分多環(huán)芳烴。前處理方法有索氏提取法、超聲萃取法、微波萃取法、加壓流體萃取法等[7-8]，其中加壓流體萃取法是目前較為先進的處理方法，因其溶劑使用量相對少、提取速度較快等優(yōu)點而被廣泛使用。故本文選取加壓流體萃取-氣質(zhì)聯(lián)用法為檢測方法。但土壤實際樣品分析中還存在不少問題，由于土壤基質(zhì)成分復(fù)雜，分析干擾大，且土壤中的PAHs往往是痕量存在[9]，不少方法靈敏度無法滿足實際工作需要，例如現(xiàn)有的HJ805-2016《土壤和沉積物多環(huán)芳烴的測定氣相色譜質(zhì)譜法》中就是SCAN檢出限，檢出限值較大，無法滿足普通土壤樣品的微量檢測要求;同時實驗過程中大劑量有機溶劑的使用，很容易對環(huán)境造成二次污染。因此實驗過程中不斷總結(jié)經(jīng)驗，優(yōu)化各個環(huán)節(jié)至關(guān)重要。本文以提高檢測靈敏度、降低方法檢出限，以及獲得更優(yōu)的性能條件、更小的環(huán)境污染為目標(biāo)，探索實驗中的提取、凈化及儀器分析優(yōu)化手段，實現(xiàn)對土壤中苊烯、苊、芴、菲、蒽、熒蒽、芘、苯并[a]蒽、? 、苯并[b]熒蒽、苯并[k]熒蒽、苯并[a]芘、茚并[1，2，3-c，d]芘、二苯并[a，h]蒽和苯并[g，h，i]苝等15種多環(huán)芳烴的精準(zhǔn)微量測定。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

氣相質(zhì)譜聯(lián)用儀（安捷倫7890A-5975C型）、加速溶劑萃取儀（Dionex ASE350）、氮吹濃縮儀（Biotage TurboVapⅡ）、真空冷凍干燥儀（空載真空度8Pa，北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司）、固相萃取儀（SUPELCO-6位萃取裝置）、高純氦（φ（He）=99.999%）、高純氮（φ（N2）=99.999%）、安捷倫HP-5MS色譜柱（長30m，內(nèi)徑0.25mm，膜厚0.25μm）。

正己烷（色譜純，SupraSolv）、二氯甲烷（色譜純，OCEANPAK）、丙酮（色譜純，OCEANPAK）、石英砂（150μm（100目），科密歐公司）、無水硫酸鈉（優(yōu)級純，科密歐公司）、硅酸鎂凈化小柱（1000mg，柱體積6mL，Agela Technologies）、內(nèi)標(biāo)物為苊-d10、菲-d10、? -d12和苝-d12（Accu Standard，Inc Z-014J-0.5X-1ml（217031403）（ρ=2000mg/L））、替代物為2-氟聯(lián)苯和對三聯(lián)苯-d14（o2si 114006-01-1mL（308102）（ρ=2000ug/mL））、多環(huán)芳烴標(biāo)準(zhǔn)溶液（Accu Standard，Inc Z-0.13-17-1ml（217041359）（ρ=200mg/L））。

1.2 樣品制備

采集土壤樣品，放置于搪瓷盤中，將其中的碎石、枝葉等異物去除，研磨混勻后放入真空冷凍干燥器內(nèi)干燥。干燥后稱取適量（精確至0.01g）樣品至ASE萃取池，加入50μl（4mg/L）替代物稀釋液，放上快速溶劑萃取儀。

1.3 分析條件

1.3.1 ASE萃取條件

載氣壓力：1.1MPa;加熱溫度：100℃;萃取池壓力：1200psi～2000psi（約合8.3MPa～13.8MPa）;預(yù)加熱平衡：5min;靜態(tài)萃取時間：5min;溶劑淋洗體積：60%池體積;氮氣吹掃時間：60s;靜態(tài)萃取次數(shù)：2次。萃取溶劑根據(jù)“2.1萃取條件優(yōu)化”中的實驗選擇而定。

1.3.2 氮吹濃縮條件

將氮氣開啟，使溶劑表面可見氣流波動，但要避免形成氣渦。氮吹過程中要關(guān)注露出的濃縮器管壁，用正己烷多次洗滌管壁，最后濃縮至約1ml。

1.3.3 凈化及濃縮條件

將硅酸鎂凈化小柱固定在固相萃取裝置上，用5ml二氯甲烷淋洗凈化小柱，加入5mL正己烷，待柱充滿后關(guān)閉流速控制閥浸潤5min，緩慢打開控制閥，繼續(xù)加入5mL正己烷在填料暴露于空氣之前，關(guān)閉控制閥，棄去流出液。將濃縮后的提取液轉(zhuǎn)移至小柱中，用0.7mL正己烷洗滌氮吹管，洗液全部轉(zhuǎn)入小柱中，重復(fù)三次。緩慢打開控制閥，在填料暴露于空氣之前關(guān)閉控制閥，加入適量（體積根據(jù)“2.2凈化條件優(yōu)化”中的實驗選擇而定）二氯甲烷-正己烷（2+8）混合溶劑進行洗脫，并收集全部洗脫液。凈化后的試液再次按照氮吹濃縮的步驟濃縮至1ml以下，加入適量內(nèi)標(biāo)并定容至1.0mL，使內(nèi)標(biāo)濃度為200μg/L，混勻后轉(zhuǎn)移至2mL樣品瓶中，待測。

1.3.4 氣相色譜條件

進樣口溫度：根據(jù)“2.3分析條件優(yōu)化”中的實驗選擇而定;不分流;進樣量：1.0ul;柱流量：1.0ml/min（恒流）;柱溫：80℃保持2min，以20℃/min速率升至180℃，保持5min，以10℃/min速率升至290℃，保持10min。

1.3.5 質(zhì)譜條件

電子轟擊源（EI）;離子源溫度：根據(jù)“2.3分析條件優(yōu)化”中的實驗選擇而定;離子化能量：70eV;接口溫度：280℃;四級桿溫度：根據(jù)“2.3分析條件優(yōu)化”中的實驗選擇而定;溶劑延遲時間：5min;掃描模式：選擇離子模式（SIM）模式。

HJ805-2016方法中給出的苯并（a）芘同分異構(gòu)體定性離子用253、250、251，但實驗中發(fā)現(xiàn)，253是HP-5MS色譜柱的柱流失離子，不宜使用，故本次實驗苯并（a）芘同分異構(gòu)體定性離子用250、251，其他目標(biāo)物定性離子與HJ805-2016方法中的一致。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本文實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析利用EXCEL軟件和SPSS17.0完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 萃取條件優(yōu)化

《土壤和沉積物 有機物的提取 加壓流體萃取法》（HJ 783-2016）中使用（1+1）丙酮/正己烷為多環(huán)芳烴萃取溶劑[10]，考慮到丙酮毒性較大，本文嘗試用（1+1）二氯甲烷/正己烷為溶劑做比對實驗。實驗設(shè)計如下：對應(yīng)每種溶劑條件，分別稱取3組1.00g土樣（依據(jù)前期實驗結(jié)果，該土樣多環(huán)芳烴含量約為100μg/kg），按照1.3條件進行萃取、測定。以3組數(shù)據(jù)均值做柱狀圖，以標(biāo)準(zhǔn)差做誤差線，結(jié)果如圖1所示。

由圖1直觀看來，對于大部分目標(biāo)物來說，（1+1）二氯甲烷/正己烷溶劑的萃取效果看上去更優(yōu)。進一步對所有目標(biāo)物結(jié)果數(shù)據(jù)依次進行SPSS單因素方差分析，結(jié)果顯示兩種溶劑萃取效果無顯著差異。以苯并（a）芘為例，SPSS軟件分析結(jié)果截圖如圖2所示，方差齊性檢驗結(jié)果顯示顯著性大于0.05，認為方差齊性假設(shè)成立，進而進行單因素ANOVA方差分析，得出結(jié)果顯著性p值為0.148，大于0.05表示兩組實驗結(jié)果無顯著差異。各目標(biāo)物不同溶劑萃取結(jié)果統(tǒng)計見表1。

上述分析可得出結(jié)論：（1+1）丙酮/正己烷混合溶劑與（1+1）二氯甲烷/正己烷混合溶劑在該實驗條件下提取效果無顯著差異。考慮到丙酮毒性較大，且實驗成本更高，本文后續(xù)實驗選擇使用（1+1）二氯甲烷/正己烷混合溶劑作為萃取劑。

2.2 凈化條件優(yōu)化

洗脫溶劑和洗脫體積不同，會對凈化效果造成影響。本次實驗側(cè)重于洗脫劑體積因素影響，實驗設(shè)計如下：按1.3.3步驟，在6個固定于固相萃取裝置上的凈化小柱中，分別加入20微升10mg/L的多環(huán)芳烴和替代物混標(biāo)，分別以2ml、4ml、6ml、8ml、10ml、12ml（2+8）二氯甲烷/正己烷溶劑洗脫，收集洗脫液，濃縮，添加內(nèi)標(biāo)，轉(zhuǎn)移至進樣瓶，上機測定。結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，洗脫溶劑的體積從2ml至10ml梯度遞增過程中，對各目標(biāo)物的洗脫效果不斷增強，洗脫體積不宜少于10ml，但10ml和12ml洗脫效果無明顯差異。后續(xù)實驗洗脫條件選擇10ml（2+8）二氯甲烷正己烷。

2.3 分析條件優(yōu)化

2.3.1 質(zhì)譜掃描模式選擇

質(zhì)譜掃描模式有兩種：全掃描SCAN和選擇離子SIM模式。其中，HJ805-2016中對應(yīng)的操作是SCAN全掃描模式，該模式采集的離子多，容易因此造成背景值偏高、干擾大等問題，導(dǎo)致靈敏度無法滿足普通土壤樣品的微量檢測要求。相對而言，SIM模式是對目標(biāo)物進行特征離子掃描，采集的離子少，具備抗干擾、靈敏度高等優(yōu)點，在低含量組分定量中有很大優(yōu)勢。但HJ805-2016中對SIM模式?jīng)]有具體指導(dǎo)。本文采用SIM模式進行測定，對于降低方法檢出限，提高檢測靈敏度起到了重要作用。

2.3.2 不同溫度條件選擇

HJ805-2016方法中氣相色譜和質(zhì)譜的溫度參考條件為：進樣口280℃，四級桿150℃，離子源230℃。本文嘗試進行溫度條件優(yōu)化，按1.3.4和1.3.5設(shè)定兩組溫度條件：（1）進樣口300℃，四級桿180℃，離子源300℃;（2）進樣口280℃，四級桿150℃，離子源230℃。取200μg/L多環(huán)芳烴和替代物混標(biāo)溶液，在上述兩種溫度條件下分別測定3次，比較響應(yīng)值，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，不同溫度下，3次進樣的重復(fù)性均較好。對同一目標(biāo)物而言，不同溫度條件下，響應(yīng)值的標(biāo)準(zhǔn)偏差接近，但溫度較高的條件1響應(yīng)結(jié)果更大，其相對標(biāo)準(zhǔn)偏差更小。所以在該濃度下，認為溫度條件1更有利于測定。

2.4 方法性能評價

2.4.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線

取8個2ml進樣瓶，用微量進樣器預(yù)先加入適量正己烷溶劑，分別移取適量的多環(huán)芳烴標(biāo)準(zhǔn)溶液、替代物標(biāo)準(zhǔn)溶液和內(nèi)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)溶液，配制成8個濃度點的校準(zhǔn)系列，使得多環(huán)芳烴和替代物的質(zhì)量濃度均分別為5.0μg/L、25.0μg/L、50.0μg/L、100μg/L、200μg/L、500μg/L、1000μg/L，內(nèi)標(biāo)質(zhì)量濃度均為200μg/L。按照前述儀器條件，從低濃度到高濃度依次進樣分析。根據(jù)HJ805-2016第8.3.1計算平均相對響應(yīng)因子，同時計算響應(yīng)因子的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差，并繪制校準(zhǔn)曲線。結(jié)果見表2。

由表2可見，大部分目標(biāo)物RSD較小，基本在10%以內(nèi)，二苯并（a，h）蒽RSD相對較大，但仍在HJ805-2016要求的20%范圍內(nèi)。出現(xiàn)此種現(xiàn)象的可能原因有：一是由于儀器型號較老，靈敏度有限造成;二是由于30米柱長仍然不夠，對苯并（b）熒蒽/苯并（k）熒蒽以及茚并（123-c，d）芘/二苯并（a，h）蒽的分離能力有限，導(dǎo)致譜圖有小部分重疊，定量準(zhǔn)確度受到影響。今后可嘗試更換其他種類色譜柱或進行儀器改進，進一步提升檢測效果。

2.4.2 方法檢出限

查閱文獻發(fā)現(xiàn)，不少同類型研究以儀器檢出限代替方法檢出限，但是儀器檢出限反映的是不同儀器的性能差異，方法檢出限才能客觀反映樣品前處理及測定分析的全過程。本文按照HJ168-2010方法，以石英砂（預(yù)先于400℃烘4h）代替土壤樣品做7個空白，于ASE萃取前加入的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)PAHs稀釋液（ρ=100？滋g/L）50？滋L，按照樣品分析的全部步驟，重復(fù)7次空白加標(biāo)試驗，按MDL=t（n-1，0.99）×SD 計算7份空白加標(biāo)樣品中各個組分濃度的標(biāo)準(zhǔn)偏差（SD）和方法檢出限（MDL）。檢出限只保留一位有效數(shù)字，只進不舍。結(jié)果見表3。

表3列舉了本實驗的方法檢出限和HJ805-2016規(guī)定的檢出限要求，結(jié)果顯示，本實驗所有目標(biāo)物檢出限均遠低于HJ805-2016檢出限要求，完全能夠滿足實際工作需要。

2.4.3 準(zhǔn)確度和精密度

精確稱量2.00g土樣，填充32.0g石英砂，平行制備6份樣品。對其中3份樣品進行基體加標(biāo)，加標(biāo)量為300ng，制備成加標(biāo)土壤樣品。按前述實驗方法提取，并上機測定，得到各目標(biāo)物的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍2.6%～13.3%，平均加標(biāo)回收率范圍41.7～128%。實驗結(jié)果滿足HJ805-2016中關(guān)于“平行樣測定結(jié)果相對偏差應(yīng)小于30%，基體加標(biāo)回收率范圍為40%～150%”的質(zhì)控要求。本實驗所有樣品都有加替代物，2-氟聯(lián)苯回收率范圍為49.9%～70.8%;對三聯(lián)苯-d14回收率范圍為73.8%～75.8%。各目標(biāo)物精密度和回收率結(jié)果見表4。

3 結(jié)論

本研究建立了加壓流體萃取-氣質(zhì)聯(lián)用法用于測定土壤中15種多環(huán)芳烴，通過萃取溶劑、凈化洗脫、分析溫度等條件的對比試驗，選擇對環(huán)境影響相對較小的1：1二氯甲烷/正己烷為ASE萃取溶劑，10ml（2+8）二氯甲烷/正己烷溶劑凈化洗脫，分析溫度為進樣口300℃、四級桿180℃、離子源300℃的優(yōu)化條件作為方法條件，采用不分流和選擇離子模式進行測定。結(jié)果表明，此方法在5～1000μg/L范圍內(nèi)，15種多環(huán)芳烴相對響應(yīng)因子的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于20%;方法靈敏度高，檢出限為0.1～0.4μg/kg，優(yōu)于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn);方法準(zhǔn)確度和精密度均滿足質(zhì)控要求，加標(biāo)回收率和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍分別為41.7～128%和2.6%～13.3%，符合實際工作中土壤多環(huán)芳烴批量痕量檢測要求。

參考文獻：

[1]王大陸，汪宏杰，王麗娜，等.氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用和高效液相色譜法對多環(huán)芳烴的分析和對比[J].河南化工，2018，35（5）：53-55.

[2]馮小康，朱強.氣相色譜-質(zhì)譜法測定土壤中16種多環(huán)芳烴[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2019，47（14）：220-223.

[3]李海燕，李楠，于丹丹.微波萃取-氣質(zhì)聯(lián)用測定土壤中的16種多環(huán)芳烴[J].環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警，2010，2（1）：20-23.

[4]張茜，劉瀟威，羅銘，等.快速溶劑（ASE）提取、凝膠滲透色譜（GPC）聯(lián)合固相萃?。⊿PE）凈化，高效液相色譜法測定土壤中的多環(huán)芳烴[J].環(huán)境化學(xué)，2011，30（4）：771-777.

[5]中華人民共和國環(huán)境保護部.HJ805-2016土壤和沉積物多環(huán)芳烴的測定氣相色譜質(zhì)譜法[S].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2016.

[6]中華人民共和國環(huán)境保護部.HJ784-2016土壤和沉積物多環(huán)芳烴的測定高效液相色譜法[S].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2016.

[7]涂悅鴻，劉細祥.土壤中多環(huán)芳烴的預(yù)處理及含量分析方法綜述[J].廣東化工，2010，37（11）：258-261.

[8]丁煒煒，楊文清，黃成，等.加壓流體萃取-氣相色譜質(zhì)譜法分析水稻土樣品中16種多環(huán)芳烴的含量[J].廣東化工，2018，45（21）：101-102.

[9]楊發(fā)忠，顏陽，張澤志，等.多環(huán)芳烴研究進展[J].云南化工，2005，32（2）：44-48.

[10]中華人民共和國環(huán)境保護部.HJ783-2016土壤和沉積物有機物的提取加壓流體萃取法[S].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2016.