仇秀梅, 董學林, 宋 洲,何海洋,楊 杰, 劉 田
(湖北省地質(zhì)實驗測試中心,湖北 武漢 430034)
經(jīng)濟快速發(fā)展過程中所面臨的大氣、水和土壤等環(huán)境污染問題日益突出,中國先后制定了《大氣污染防治行動計劃》、《水污染防治行動計劃》和《土壤污染防治行動計劃》。與早已開展的大氣和水污染治理相比,中國土壤污染治理工作相對滯后。2016年5月28日國務院印發(fā)了《土壤污染防治行動計劃》,簡稱“土十條”,揭開了土壤污染防治的序幕,隨后將多環(huán)芳烴(PAHs)作為重點項目列入詳查計劃[1]。PAHs是一系列芳香烴化合物及其衍生物,存在明顯的致突變、致癌、致畸等作用,美國環(huán)保署將其中16種列為優(yōu)先控制污染物[2-3]。在任何有機物使用、加工、燃燒的地方都可能產(chǎn)生PAHs。PAHs難于降解且易于在生物體內(nèi)積累,所以在自然環(huán)境中廣泛存在,特別是經(jīng)過污水、降水、降塵等途徑進入土壤生態(tài)系統(tǒng),受到嚴重污染的土壤會導致某些種類的PAHs在糧食中積累,并通過食物鏈危害人類健康。由于土壤結構和其性質(zhì)較復雜,且土壤PAHs濃度較低、部分組分不穩(wěn)定、檢測難度較大。因此,建立準確、可靠的土壤中多環(huán)芳烴的測試方法十分必要。
常見的土壤中PAHs前處理方法有索氏提取、加速溶劑萃取(ASE)等。索氏提取耗費溶劑多、提取時間長,對實驗人員健康危害較大[4]。加速溶劑萃取是一種在較高的溫度和較大的壓力下用溶劑萃取固體或半固體的樣品前處理方法,具有有機溶劑用量少、萃取速度快、樣品回收率高等優(yōu)點,已被廣泛應用于土壤樣品的前處理[5-6]。
土壤中PAHs的檢測一般使用液相色譜法[7]、氣相色譜法[8]、熒光法[9]、氣質(zhì)聯(lián)用法[10-12]等,其中以液相色譜法、氣質(zhì)聯(lián)用法較為常用。與液相色譜法相比,氣質(zhì)聯(lián)用法可以提供足夠的化合物定性分析,結果準確可靠,檢測靈敏度高。本文擬通過前處理條件優(yōu)化,采用加速溶劑萃取聯(lián)合氣相色譜/質(zhì)譜法(GC/MS)測定土壤中15種PAHs。
加速溶劑萃取儀(ASE 350型),配22 mL萃取池;Agilent 7890B GC-5977A MSD型氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用儀(美國安捷倫公司),帶自動進樣器;色譜柱為DB-5MS石英毛細管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm);正己烷、二氯甲烷、丙酮,均為農(nóng)殘級;硅藻土、石英砂,600 ℃加熱4 h;弗羅里硅土凈化柱,市售,1 g/6 mL。
PAHs標準儲備液:濃度1 000 mg/L,二氯甲烷 ∶苯(1∶1)混合溶劑,含熒蒽、苯并(a)蒽、、苯并(b)熒蒽、苯并(k)熒蒽、苯并(a)芘、二苯并(a,h)蒽、苯并(g,h,i)苝、萘、苊、芴、菲、蒽、茚并(1,2,3-cd)芘、芘、二氫苊。
內(nèi)標儲備液:濃度2 000 mg/L,二氯甲烷溶劑,含萘-d8、苊-d10、菲-d10、-d12、苝-d12。
1.2.1加速溶劑萃取法
準確稱取10.0 g土壤樣品放入研缽中,加入適量硅藻土,研磨均勻,裝入22 mL的萃取池中。萃取溶劑為丙酮和正己烷(v∶v,1∶1)的混合溶劑,提取溫度110 ℃,壓強10 MPa,加熱6 min,靜態(tài)提取7 min,循環(huán)3次,吹掃體積60%,吹掃時間90 s,提取液用無水硫酸鈉除水后,氮吹濃縮至1.0 mL。萃取條件優(yōu)化見2.1.1和2.1.2。
1.2.2樣品凈化
用弗羅里硅土凈化柱凈化樣品,依次用4 mL二氯甲烷、10 mL正己烷活化小柱,平衡5 min后上樣,用15 mL正己烷—二氯甲烷溶液(v∶v,7∶3)作為淋洗液進行淋洗,收集淋出液。條件優(yōu)化見2.1.3。
1.2.3樣品濃縮
收集的淋出液轉(zhuǎn)移至氮吹管中,40 ℃氮吹至0.5 mL。用少量正己烷沖洗管壁,加至氮吹管的2~3 mL處。繼續(xù)氮吹至小體積后,再用正己烷沖洗管壁,如此重復3次。加入50 μL的4.0 mg/L內(nèi)標溶液,并用正己烷—丙酮(1∶1)定容至1.0 mL。
(1) 進樣口溫度為280 ℃;進樣方式:不分流進樣;
(2) 程序升溫:柱箱初始溫度80 ℃保持2 min,以20 ℃/min升溫速率升至180 ℃,保持5 min后,以10 ℃/min升溫速率升至290 ℃,保持5 min;
(3) 載氣為氦氣;流量為1.0 mL/min;進樣量:1.0 μL;
(4) 離子源:EI源;離子源溫度:280 ℃;離子化能量:70 eV;掃描方式:SIM;溶劑延遲:5.0 min。
加速溶劑萃取的原理是在高溫條件下,溶劑穿透力強且表面張力下降,使得土壤中的有機物容易從基體解吸進入溶劑;壓力上升,使溶劑保持液態(tài),用少量溶劑可快速提取固體樣品中的目標物。萃取溶劑、萃取溫度是加速溶劑萃取的關鍵因素,必須進行前處理條件優(yōu)化。
2.1.1萃取溶劑的優(yōu)化
為考察不同溶劑對土壤中15種多環(huán)芳烴的提取效率,分別采用丙酮 ∶二氯甲烷(v∶v,1∶1)、正己烷 ∶二氯甲烷(v∶v,1∶1)和正己烷 ∶丙酮(v∶v,1∶1)對土壤中多環(huán)芳烴標準物質(zhì)(CDGK-SQCI-017)進行提取實驗,結果如圖1所示。三種萃取溶劑對15種多環(huán)芳烴的提取效果差別明顯,提取效率為:正己烷 ∶丙酮(1∶1)>正己烷 ∶二氯甲烷(1∶1)>丙酮 ∶二氯甲烷(1∶1)。
圖1 不同萃取溶劑對PAHs提取效果的影響Fig.1 The effect of different extraction solvents on extraction effects of PAHs
2.1.2萃取溫度的優(yōu)化
提高萃取溫度可以破壞溶劑與基質(zhì)間由于范德華力、氫鍵等引起的強吸引力,減少溶劑的粘性和表面張力,從而使得溶劑能更好地滲透到基質(zhì)中,快速、有效地萃取基質(zhì)中的目標物;而溫度過高時提取溶劑易損失,高壓也會造成組分分解,因此萃取溫度是目標物提取效率的重要影響因素。以正己烷∶丙酮(1∶1)為萃取溶劑,分別在100 ℃、110 ℃、120 ℃條件下對土壤多環(huán)芳烴標準物質(zhì)(CDGK-SQCI-017)進行萃取實驗,結果表明大部分PAHs化合物在溫度為110 ℃時的提取效率最優(yōu)(圖2)。
圖2 萃取溫度對PAHs提取效率的影響Fig.2 The effect of different extraction temperature onextraction effects of PAHs
2.1.3凈化條件的優(yōu)化
土壤樣品基質(zhì)復雜,在上機測試前通常需要經(jīng)過凈化處理。研究采用弗羅里硅土小柱進行固相萃取實現(xiàn)提取液的凈化,對所選凈化洗脫溶劑以及洗脫體積進行優(yōu)化。取1 mL濃度為500 μg/L的多環(huán)芳烴標準溶液過柱凈化,以10 mL正己烷∶二氯甲烷混合溶液(v∶v為1∶1、7∶3、9∶1)為洗脫溶劑進行實驗,研究比較洗脫溶劑比例對15種PAHs的洗脫效率的影響,結果如圖3所示。
圖3 不同比例洗脫溶劑對PAHs洗脫效率的影響Fig.3 The effect of eluting solvent with differentproportion on eluting effect of PAHs
由圖3可知,洗脫溶劑中正己烷比例較高時對二氫苊、苊、芴、菲、蒽、熒蒽等低沸點化合物洗脫效果好;二氯甲烷比例較高時對苯并(a)芘、茚并(1,2,3-cd)芘、二苯并(a,h)蒽、苯并(g,h,i)苝等高沸點化合物洗脫效果更佳。綜合考慮后選定正己烷∶二氯甲烷(7∶3)凈化洗脫溶劑。
從圖3可以看出,部分化合物的回收率不高,這可能是因為10 mL淋洗液無法完全洗脫目標化合物。因此對經(jīng)10 mL淋洗液洗脫后的凈化柱補加5 mL淋洗液進行洗脫,測定凈化柱的PAHs殘留量,結果如圖4所示。由圖可知,凈化柱經(jīng)3種洗脫溶劑15 mL洗脫后均有殘留的目標化合物,特別是正己烷∶二氯甲烷(9∶1)為洗脫溶劑時,苯并(a)芘、茚并(1,2,3-cd)芘、
圖4 15 mL淋洗液洗脫后PAHs殘留量Fig.4 The residue of PAHs after leaching by 15 mL eluting solvent
二苯并(a,h)蒽、苯并(g,h,i)苝等高沸點化合物的殘留量較高。經(jīng)驗證,以15 mL正己烷 ∶二氯甲烷(7∶3)為淋洗液時,加標回收率可滿足測試要求。
2.1.4萃取方法對比
目前較為常見的土壤前處理方法有加速溶劑萃取法、索氏提取法等。索氏提取法具有回收效率高、儀器簡便等優(yōu)點,但耗費溶劑多、提取時間長,對實驗人員危害大。由加速溶劑萃取法與索氏提取法提取土壤中15種多環(huán)芳烴的回收率結果(表1)可知,對于土壤中PAHs,以石英砂添加40 μL濃度為1 mg/L的PAHs標液,采用索氏提取法的回收率為61.1%~104%;而加速溶劑萃取法回收率為67.4%~102%。加速溶劑萃取法與索氏提取法的回收率相近,同時具有萃取速度快、溶劑用量少、選擇性高等優(yōu)點,本實驗選擇加速溶劑萃取法作為前處理方法。
表1 土壤中PAHs的加速溶劑萃取和索氏提取回收率Table 1 The recoveries of PAHs extracted from soil through ASEand soxhlet extraction
實驗選定15種PAHs的定量離子、參考離子,見表2。濃度為100 μg/L的PAHs標準溶液中的目標化合物和內(nèi)標的總離子流圖見圖5。在實驗設定的色譜條件下,目標化合物和內(nèi)標能得到較好地分離。
表2 15種多環(huán)芳烴化合物的定量離子、參考離子Table 2 Quantitative ion and reference ion of 15 PAHs
圖5 目標化合物和內(nèi)標物的總離子流圖Fig.5 Total ion chromatogram of target compound and internal standard出峰順序:1.萘-d8(內(nèi)標物);2.2-氟聯(lián)苯(替代物);3.二氫苊;4.苊-d10(內(nèi)標物);5.苊;6.芴;7.菲-d10(內(nèi)標物);8.菲;9.蒽;10.熒蒽;11.芘;12.對三聯(lián)苯-d14(替代物);13.苯并[a]蒽;14.-d12(內(nèi)標物)、;15.苯并[b]熒蒽;16.苯并[k]熒蒽;17.苯并[a]芘;18.苝-d12(內(nèi)標物);19.茚并[1,2,3-cd]芘;20.二苯并[a,h]蒽;21.苯并[g,h,i]苝。
考慮到氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用儀的靈敏度,以及在實際樣品檢測中的應用情況,配成濃度為5、10、20、50、100、200、500、1 000 μg/L的標準系列,以各組分的峰面積與內(nèi)標峰面積的比值對質(zhì)量濃度繪制標準曲線。同時分析低水平空白加標樣品,以3倍信噪比的對應濃度作為方法的檢出限。由表3結果可見,在5~1 000 μg/L質(zhì)量濃度范圍內(nèi),15種目標化合物、8個濃度水平的響應值與濃度的線性關系良好,線性擬合相關系數(shù)均>0.995,可用于化合物的定量。15種目標化合物的最低檢出限為0.12~0.37 μg/kg,測定下限為0.48~1.48 μg/kg,均滿足土壤樣品中PAHs的測試要求(HJ 805—2016)。
表3 目標化合物的平均相對響應因子與檢出限(n=7)Table 3 Average relative response factor and detection limit oftarget compound (n=7)
使用石英砂替代土壤樣品,在相同的實驗條件下進行全流程空白實驗,多環(huán)芳烴各組分均未檢出。對石英砂中分別添加不同含量水平的15種多環(huán)芳烴的加標樣品進行回收率實驗,平行實驗7次,使用加速溶劑萃取—氣相色譜/質(zhì)譜法分析,結果表明(表4):方法的空白加標回收率在61.0%~134%范圍內(nèi),色譜圖中也沒有其他干擾峰,說明實驗過程沒有引入干擾成分,可滿足多環(huán)芳烴殘留分析要求。
表4 多環(huán)芳烴的加標回收率、相對標準偏差(RSD)Table 4 The recovery percentage of standard samples andrelative standard deviations of PAHs(RSD)
2.5在土壤樣品分析中的應用
為進一步考察本方法對土壤樣品測定的適用性,將實驗建立的加速溶劑萃取聯(lián)合GC/MS方法應用于實際農(nóng)田土壤中PAHs的測定,并進行了基體加標回收實驗,加標濃度20.0 μg/kg,結果見表5。農(nóng)田土壤樣品的加標回收率在43.1%~131%范圍內(nèi),表明該方法適用于實際土壤樣品中15種PAHs的準確測定。
表5 農(nóng)田土壤中PAHs的測定結果Table 5 The determination result of PAHs from farmland soil
通過對土壤中15種多環(huán)芳烴的前處理條件、分析條件進行優(yōu)化,研究建立了適合于分析土壤樣品中多環(huán)芳烴的加速溶劑萃取—氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用方法,方法檢出限低(0.12~0.37 μg/kg),靈敏度高,加標回收率和精密度均能滿足土壤樣品中多環(huán)芳烴的質(zhì)量控制要求。