許成君 王 芳 鄭凱元 陳 清 李兵兵 李 寶 楊 柳 梁 莉

(大慶油田水務(wù)研究設(shè)計(jì)院)

0 引 言

多環(huán)芳烴(PAHs)由于其特殊的“三致效應(yīng)”[1-2]一直以來(lái)都是環(huán)境領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注的污染物。在我國(guó)土壤檢測(cè)領(lǐng)域中對(duì)PAHs檢測(cè)的相關(guān)研究也較為廣泛，涉及了PAHs的萃取[3-6](索氏抽提、加速溶劑萃取、微波萃取、超聲萃取)、濃縮(旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮、水浴氮吹濃縮)、凈化[7-8](硅酸鎂固相萃取柱、硅膠固相萃取柱、多環(huán)芳烴專用柱)、檢測(cè)儀器[9-10](HPLC、GC-MS)等多個(gè)方面。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，目前各實(shí)驗(yàn)室土壤中PAHs的檢測(cè)結(jié)果誤差主要源于PAHs的萃取、濃縮以及凈化步驟。我國(guó)生態(tài)環(huán)境部于2016年發(fā)布了HJ 784—2016《土壤和沉積物 多環(huán)芳烴的測(cè)定 高效液相色譜法》[11]，該標(biāo)準(zhǔn)中萃取方法引用了索式抽提法，對(duì)萃取液采取氮吹法進(jìn)行濃縮，濃縮液使用硅酸鎂固相萃取柱或硅膠固相萃取柱凈化，但在標(biāo)準(zhǔn)中也注明了在通過驗(yàn)證并達(dá)到質(zhì)控要求時(shí)，也可以采用其他提取、濃縮方法，這就使得相關(guān)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室及檢測(cè)人員在參照此方法時(shí)，需要對(duì)不同處理方法及處理?xiàng)l件下的檢測(cè)規(guī)律及結(jié)果有一定的掌握，從而可以結(jié)合實(shí)際情況和實(shí)驗(yàn)室條件來(lái)決定濃縮和凈化的方法。

本文采用高效液相色譜法來(lái)檢測(cè)土壤中16種PAHs，通過對(duì)不同萃取方法、濃縮方法及凈化方法的對(duì)比研究，優(yōu)化相關(guān)處理步驟的實(shí)驗(yàn)條件，建立了土壤中PAHs的測(cè)定方法。該方法加標(biāo)回收率高，操作耗時(shí)短，試劑用量少，重現(xiàn)性好，滿足分析測(cè)試的需求，可為相關(guān)實(shí)驗(yàn)室及其科研人員提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 儀器與試劑

VFFSE-6型加速溶劑萃取儀(中國(guó)維克托公司，66 mm不銹鋼萃取池)；HPLC1260型高效液相色譜儀(HPLC，美國(guó)安捷倫公司)；R-215型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(瑞士布奇公司)；DC-12型氮吹儀(上海安譜實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司)；固相萃取小柱(上海安譜實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司)；曼哈格PAH-Mix16 16種PAHs混標(biāo)；百靈威內(nèi)標(biāo)及替代物。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

取20 g石英砂作為空白基質(zhì)，在空白石英砂中分別加入混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，配制成0.5 mg/kg的加標(biāo)樣品，對(duì)樣品中PAHs進(jìn)行萃取得到萃取液，在萃取液中加入一定量無(wú)水硫酸鈉進(jìn)行干燥。將處理后的萃取液進(jìn)行濃縮，濃縮液通過活化固相萃取柱進(jìn)行凈化，凈化液濃縮定容至1 mL進(jìn)行HPLC檢測(cè)。

本實(shí)驗(yàn)主要是通過對(duì)樣品預(yù)處理?xiàng)l件進(jìn)行優(yōu)化，考察不同條件下樣品中PAHs的回收率，篩選出最佳的預(yù)處理?xiàng)l件，構(gòu)建合理的檢測(cè)方法，再對(duì)該方法進(jìn)行驗(yàn)證，具體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3 樣品預(yù)處理

1)快速溶劑萃?。狠d氣壓力1.5 MPa；加熱溫度100，110，120℃；萃取時(shí)間12，16，20 min；萃取劑為1∶1(體積比)的正己烷、丙酮溶液，萃取次數(shù)1，2，3次。

2)索式抽提：將試樣放入玻璃套管內(nèi)，將套管放入索式抽提器中，加入100 mL萃取劑(體積比為1∶1的正己烷、丙酮溶液)，加熱回流18 h。

3)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮：取萃取液置于圓底燒瓶中，在40℃條件下用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀旋蒸至約1 mL，加入1 mL乙腈再次旋蒸至約1 mL，重復(fù)加入1 mL乙腈3次，將萃取劑完全轉(zhuǎn)化為乙腈，經(jīng)硅酸鎂固相萃取柱凈化后待測(cè)。

4)水浴氮吹：開啟氮?dú)?，設(shè)置水浴氮吹溫度分別為30，40，50℃，將提取液吹掃濃縮至1 mL，加入5 mL正己烷并濃縮至約1 mL，重復(fù)此濃縮過程3次，使溶劑完全轉(zhuǎn)化為正己烷，經(jīng)硅酸鎂固相萃取柱凈化后待測(cè)。

5)SPE柱凈化：將濃縮液用硅膠柱或硅酸鎂固相萃取柱進(jìn)行凈化。將1 mL提取液加入凈化柱，用25 mL體積比為1∶1的正己烷、二氯甲烷溶液洗脫，收集洗脫液，氮吹濃縮至1.0 mL，加入3 mL乙腈濃縮至1.0 mL以下待測(cè)。

1.4 HPLC分析條件

ZORBAX Eclipse PAH色譜柱(5 mm，4.6 mm×250 mm)，柱流速1.20 mL/min，柱溫箱溫度35℃，進(jìn)樣量10 μL；乙腈和水梯度洗脫，熒光檢測(cè)器(RF-10AXL型)掃描波長(zhǎng)見表2。

表2 洗脫時(shí)間及熒光檢測(cè)器檢測(cè)波長(zhǎng)

2 結(jié)果與討論

2.1 快速溶劑萃取溫度優(yōu)化

考察不同萃取溫度條件下土壤中16種PAHs的回收率，判斷萃取溫度對(duì)萃取效率的影響，實(shí)驗(yàn)中選取萃取溫度為100，110，120℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 萃取溫度對(duì)各PAHs回收率的影響

由圖1可見，萃取溫度對(duì)低環(huán)芳烴萃取效果影響大于高環(huán)芳烴，高環(huán)芳烴在100～120℃的回收率變化不大，但是2～3環(huán)的低環(huán)芳烴的萃取效果隨萃取溫度的變化較為明顯。由整體數(shù)據(jù)對(duì)比得出，在萃取溫度為120℃時(shí)，各PAHs的回收率達(dá)到最高，為67.4%～109.1%，故在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中選取萃取溫度為120℃。

2.2 快速溶劑萃取時(shí)間優(yōu)化

考察不同萃取時(shí)間條件下土壤中16種PAHs的回收率，判斷萃取時(shí)間對(duì)萃取效率的影響，實(shí)驗(yàn)中選取萃取時(shí)間為12，16，20 min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 萃取時(shí)間對(duì)各PAHs回收率的影響

由圖2可見，多數(shù)PAHs回收率隨著萃取時(shí)間增長(zhǎng)先增高后降低，推斷出現(xiàn)此現(xiàn)象的主要原因是萃取時(shí)間過短，部分PAHs溶解不充分，沒有萃取完全，而萃取時(shí)間過長(zhǎng)，部分PAHs又會(huì)出現(xiàn)損失而導(dǎo)致回收率降低，通過實(shí)驗(yàn)比對(duì)，確定快速溶劑萃取的最佳萃取時(shí)間為16 min，16種PAHs的回收率可達(dá)70.3%～110.2%。同時(shí)觀察圖2各PAHs回收率隨萃取時(shí)間變化的情況，可知萃取時(shí)間的變化對(duì)低環(huán)數(shù)PAHs的影響較大。

2.3 快速溶劑萃取次數(shù)優(yōu)化

考察不同萃取次數(shù)條件下土壤中16種PAHs的回收率，判斷萃取次數(shù)對(duì)萃取效率的影響，實(shí)驗(yàn)中選取萃取次數(shù)分別為1，2，3次，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 萃取次數(shù)對(duì)各PAHs回收率的影響

由圖3可見，各PAHs的回收率隨萃取次數(shù)的增加而增加，當(dāng)萃取次數(shù)達(dá)到兩次后，再繼續(xù)增加萃取次數(shù)，PAHs的回收率增加不顯著，推斷當(dāng)萃取次數(shù)達(dá)到兩次后萃取效果已比較完全，結(jié)合經(jīng)濟(jì)成本及環(huán)保性，確定快速溶劑萃取次數(shù)為兩次，在該條件下16種PAHs的回收率可達(dá)68.1%～110.4%。同時(shí)觀察圖3各PAHs回收率隨萃取次數(shù)的變化情況，可知快速溶劑萃取次數(shù)的變化對(duì)高環(huán)數(shù)PAHs影響較大。

2.4 快速溶劑萃取與索氏抽提萃取效果對(duì)比

針對(duì)同一樣品分別考察快速溶劑萃取及索氏抽提萃取后各PAHs的回收率，對(duì)比兩種萃取方法的處理效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 快速溶劑萃取與索氏抽提萃取效果對(duì)比

由圖4可以看出，對(duì)于大多數(shù)PAHs而言，快速溶劑萃取的回收效果更好，尤其是針對(duì)低環(huán)數(shù)的PAHs，與索氏抽提萃取相比，快速溶劑萃取樣品的PHAs回收率明顯提高，回收率為68.4%～109.8%，索式抽提的回收率僅為44.1%～104.1%。由此可見，與傳統(tǒng)的索氏抽提相比，快速溶劑萃取具有萃取效果好、萃取時(shí)間短、溶劑使用量低的優(yōu)點(diǎn)。

2.5 樣品濃縮方法對(duì)比

此部分實(shí)驗(yàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)與水浴氮吹兩種濃縮方法的效果進(jìn)行了對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖5 樣品濃縮方法對(duì)比

由圖5可見，水浴氮吹處理后的樣品各PAHs的回收率更高，尤其是低環(huán)數(shù)的PAHs的回收率明顯高于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮，水浴氮吹處理的樣品回收率可達(dá)68.1%～110.4%，而旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)的回收率僅為54.1%～109.1%。與旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)相比，水浴氮吹濃縮適合處理液體體積少，定容體積小的樣品，該濃縮方法可以實(shí)現(xiàn)樣品無(wú)氧濃縮，具有同時(shí)處理多個(gè)樣品、濃縮時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)。

2.6 水浴氮吹溫度條件優(yōu)化

考察不同水浴氮吹溫度條件下土壤中16種PAHs的回收率，判斷水浴氮吹溫度對(duì)萃取效率的影響，實(shí)驗(yàn)選取水浴氮吹溫度為30，40，50℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖6 水浴氮吹溫度對(duì)各PAHs回收率的影響

由圖6可見，水浴氮吹溫度主要是對(duì)低環(huán)芳烴的回收率影響較大，而高環(huán)數(shù)PAHs的回收率隨氮吹溫度的變化并不大。由整體數(shù)據(jù)對(duì)比得出，在水浴氮吹溫度為30，40℃時(shí)，各PAHs的回收率相近，回收率為68.3%～110.3%，進(jìn)一步提高氮吹溫度，部分低環(huán)芳烴的回收率會(huì)降低，50℃時(shí)回收率為68.3%～110.3%。綜合考慮回收效果以及實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)，后續(xù)實(shí)驗(yàn)中選取水浴氮吹溫度為40℃。

2.7 固相萃取柱類型優(yōu)化

比較了硅酸鎂固相萃取柱及硅膠固相萃取柱(填料均為1 g)對(duì)萃取效率的影響，結(jié)果見圖7。

圖7 固相萃取柱對(duì)PAHs回收率的影響

水浴氮吹濃縮后的樣品經(jīng)硅膠柱凈化后PAHs的回收率在62.1%～104.3%，而經(jīng)硅酸鎂固相萃取柱處理回收率更高，為68.1%～110.4%，故選擇硅酸鎂固相萃取柱作為凈化固相萃取柱更為適合。

2.8 方法學(xué)驗(yàn)證

2.8.1 空白實(shí)驗(yàn)

使用20～50目的石英砂，在400℃馬弗爐中烘烤4 h，放置至室溫后，采用體積比1∶1的丙酮、正己烷溶液超聲洗滌，烘干后密封保存?zhèn)溆谩＝?jīng)過前文優(yōu)化條件后的快速溶劑萃取-水浴氮吹-硅酸鎂固相萃取柱凈化預(yù)處理步驟后，上機(jī)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果均小于方法檢出限。

2.8.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線制作

采用曼哈格PAH-Mix16的16種PAHs混標(biāo)，百靈威5種內(nèi)標(biāo)，替代物兩種。分別移取適量的PAHs標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、替代物中間液，使用體積比1∶1的丙酮、正己烷溶液定容，使得PAHs及替代物的質(zhì)量濃度分別為0.6，1.0，2.0，5.0，8.0，10.0 mg/L，內(nèi)標(biāo)的質(zhì)量濃度為5.0 mg/L，繪制的標(biāo)準(zhǔn)曲線見表3。

表3 標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性方程及相關(guān)系數(shù)

2.8.3 方法回收率、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差及替代物回收率

使用國(guó)際實(shí)驗(yàn)室能力驗(yàn)證機(jī)構(gòu)(ERA)土壤質(zhì)控樣品，加入替代物，使用加壓流體萃取法，硅酸鎂小柱凈化后，使用氮吹儀濃縮后定容至1 mL，上機(jī)檢測(cè)，連續(xù)9次進(jìn)樣，計(jì)算16種PAHs的平均回收率、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差，結(jié)果見表4。計(jì)算替代物回收率及相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差，結(jié)果見表5。

表4 方法回收率、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差 %

表5 替代物回收率及相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差 %

由表4、表5可知，各目標(biāo)物檢測(cè)值均在參考值范圍內(nèi)，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為 0.69%～11.8%，均小于30%，目標(biāo)物回收率為72.66%～113.90%，替代物的加標(biāo)回收率為69.25%，108.63%，均滿足HJ 784—2016《土壤和沉積物多環(huán)芳烴的測(cè)定高效液相色譜法》中“各組分加標(biāo)回收率在50%～120%之間，替代物加標(biāo)回收率在60%～120%之間”的要求，可用于實(shí)際土壤樣品中PAHs的檢測(cè)。

2.8.4 方法檢出限及測(cè)定下限

按照前文優(yōu)化后樣品分析的全部步驟，對(duì)含量為估計(jì)檢出限2～5倍的樣品進(jìn)行7次平行測(cè)定，計(jì)算7次平行測(cè)定的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差，計(jì)算檢出限，4倍檢出限為測(cè)定下限，檢出限及測(cè)定下限分別為：0.21～0.47 μg/kg，0.84～1.88 μg/kg，具體計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 方法檢出限及測(cè)定下限 μg/kg

3 結(jié) 論

建立了快速溶劑萃取-水浴氮吹-高效液相色譜法檢測(cè)土壤樣品中16種PAHs的方法，通過對(duì)萃取過程、濃縮過程及凈化過程的對(duì)比優(yōu)化，得到如下結(jié)論。

1)快速溶劑萃取、水浴氮吹、硅酸鎂固相萃取柱凈化相較于索氏抽提、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)、硅膠固相萃取有著更為良好的處理效果。

2) 經(jīng)條件優(yōu)化實(shí)驗(yàn)確定最佳處理?xiàng)l件為：萃取溫度120℃，靜態(tài)萃取時(shí)間16 min，萃取次數(shù)兩次，水浴氮吹溫度40℃，氮吹后濃縮液經(jīng)硅酸鎂固相萃取柱凈化。

3)采用優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行加標(biāo)實(shí)驗(yàn)，目標(biāo)物回收率高，可達(dá)72.66%～113.90%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.69%～11.8%，該方法適合實(shí)際土壤樣品中PAHs的檢測(cè)。