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        超聲提取-氣相色譜質(zhì)譜法測(cè)定土壤中的多環(huán)芳烴

        2022-10-18 10:36:52胡德華劉小桐閆峻
        世界核地質(zhì)科學(xué) 2022年3期
        關(guān)鍵詞:檢測(cè)

        胡德華,劉小桐,閆峻

        (核工業(yè)北京地質(zhì)研究院,北京 100029)

        多環(huán)芳烴(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons,PAHs)是一類分子中含有兩個(gè)或兩個(gè)以上苯環(huán)的碳?xì)浠衔镆约捌溲苌锏目偡Q,可分為芳香稠環(huán)型及芳香非稠環(huán)型兩種,迄今為止,已發(fā)現(xiàn)有200多種的PAHs[1-2]。多環(huán)芳烴的來源分為自然源和人為源。自然源多環(huán)芳烴主要來自于陸生、水生植物和微生物的生物合成過程,以及森林、草場(chǎng)天然火災(zāi);人為源多環(huán)芳烴產(chǎn)生于工業(yè)生產(chǎn)、有機(jī)物熱解或不完全燃燒[3-4]。自然源多環(huán)芳烴可作為一類原油生物標(biāo)志物在石油地球化學(xué)中起到廣泛應(yīng)用,如判斷原油和生油巖成熟度、判斷石油母源和沉積環(huán)境、油源對(duì)比等[5]。此外,多環(huán)芳烴也是一類重要的污染物。人為源的多環(huán)芳烴廣泛分布于人類生活的自然環(huán)境如大氣、水體、土壤、作物和食品中,具有難降解、積累性強(qiáng)、半揮發(fā)性等特點(diǎn),通過呼吸道、皮膚、消化道進(jìn)入人體,極大地威脅著人類的健康,有很強(qiáng)的致畸、致癌、致突變作用[6-7]。目前多環(huán)芳烴已被列入建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值和管制值的基本項(xiàng)目及農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值其他項(xiàng)目中,受到廣泛關(guān)注[8]。

        目前對(duì)于土壤中多環(huán)芳烴的提取和檢測(cè)是研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。常用的多環(huán)芳烴檢測(cè)技術(shù)包括:高效液相色譜法(HPLC)、氣相色譜法(GC)、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法(GC-MS)、氣相色譜-三重四極桿質(zhì)譜聯(lián)用法(GC-MS/MS)等。HPLC分析多環(huán)芳烴時(shí)不需要高溫氣化樣品,樣品進(jìn)入儀器時(shí)不會(huì)被高溫分解,缺點(diǎn)是抗干擾能力弱,難以準(zhǔn)確判斷目標(biāo)物[9];GC具有儀器價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn),缺點(diǎn)同樣為抗干擾能力弱[10];GC-MS/MS具有高抗干擾能力和高選擇性,缺點(diǎn)為儀器價(jià)格昂貴,設(shè)備使用條件高[11]。GC-MS具有定性、定量準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn),且可以使用全掃描(Full Scan)和選擇離子掃描(Selective Ion Monitoring)兩種模式,抗干擾能力強(qiáng),是目前分析土壤中多環(huán)芳烴的重要手段[12-13]。

        在GC-MS檢測(cè)過程中,樣品在進(jìn)入儀器檢測(cè)前通常需要經(jīng)過提取、凈化、濃縮等前處理步驟,其中提取步驟對(duì)檢測(cè)效果起到了決定作用。目前,索氏提取法、加壓流體萃取法和超聲提取法是提取土壤中多環(huán)芳烴最常用的方法。索氏提取具有選擇性好、能耗低、操作簡(jiǎn)便、設(shè)備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是提取耗時(shí)過長(zhǎng),需要持續(xù)回流10 h以上才能提取完全,不利于大量樣品檢測(cè)[14]。加壓流體萃取法具有提取效率快、自動(dòng)化程度高、萃取效率高等優(yōu)點(diǎn),缺點(diǎn)是對(duì)溶劑使用量高,且需要使用專用設(shè)備,使用條件要求較高[15]。超聲提取法是基于超聲波的空化作用,在溶劑中形成無數(shù)氣泡快速形成內(nèi)爆[16],輔助溶劑對(duì)樣品進(jìn)行提取,具有操作簡(jiǎn)便,提取時(shí)間較短,提取效率較高等優(yōu)點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用于各類無機(jī)或有機(jī)物質(zhì)的提取中[17-19]。采用超聲提取,硅酸鎂小柱凈化,GC-MS定性、定量分析,建立了土壤中16種多環(huán)芳烴的檢測(cè)方法,并應(yīng)用于實(shí)際樣品的檢測(cè)中。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 儀器與試劑

        儀器:Clarus600T氣相色譜-質(zhì)譜儀(美國(guó)PerkinElmer公司)、KH-100E超聲波儀(中國(guó)昆山禾創(chuàng)超聲儀器有限公司)、吉艾姆A-200濃縮儀(北京吉艾姆科技有限公司)、HITACHI CP100NX高速離心機(jī)(日本株式會(huì)社日立制作所)。

        試劑:二氯甲烷中16種多環(huán)芳烴混標(biāo)(2 000 mg·L-1)、二氯甲烷中5種同位素混合內(nèi)標(biāo)(2 000 mg·L-1)購(gòu)自壇墨質(zhì)檢科技股份有限公司(中國(guó)常州);正己烷(色譜純)、丙酮(色譜純)、二氯甲烷(色譜純)、無水硫酸鈉購(gòu)自上海阿拉丁生化科技股份有限公司(中國(guó)上海);高純He氣購(gòu)自北京氦普北分氣體工業(yè)有限公司(中國(guó)北京)

        1.2 色譜條件

        進(jìn)樣口:無分流進(jìn)樣,溫度250℃;色譜柱:HP-5MS彈性石英毛細(xì)管色譜柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm);進(jìn)樣量: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 質(zhì)譜條件

        離子源:EI;離子源溫度:250℃;離子化能量:70 eV;傳輸線溫度:280℃;質(zhì)量掃描范圍:45~450 u;溶劑延遲:3 min;掃描模式:全掃描模式和選擇離子(SIM)模式。

        1.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制

        使用正己烷-丙酮1:1混合溶液將16種PAHs混合標(biāo)準(zhǔn)溶液(2 000 mg·L-1)稀釋為500 mg·L-1的PAHs標(biāo)準(zhǔn)中間液;使用正己烷-丙酮1:1混合溶液將5種同位素混合內(nèi)標(biāo)(2 000 mg·L-1)溶液稀釋為200 mg·L-1的內(nèi)標(biāo)中間液。取5個(gè)氣相色譜進(jìn)樣瓶,使用5 μL的進(jìn)樣針移取適量多環(huán)芳烴標(biāo)準(zhǔn)中間液和內(nèi)標(biāo)中間液,用正己烷-丙酮混合溶劑定容,配置成多環(huán)芳烴含量為2.0、5.0、10.0、20.0和40.0 mg·L-1,內(nèi)標(biāo)含量為20.0 mg·L-1的標(biāo)準(zhǔn)系列溶液。

        1.5 樣品的提取和制備

        1.5.1樣品提取

        實(shí)驗(yàn)所用土壤取自北京周邊地區(qū),采樣時(shí)間為2021年10月。土壤取回后,剔除其中的石子、枯枝和碎屑,陰干后,研磨過200目篩。稱取10.0 g樣品于100 mL碘量瓶中,加入5.0 g無水硫酸鈉、1.0 g銅片,加入60 mL正己烷-二氯甲烷1:1混合溶液,加塞水封,超聲震蕩2 h。結(jié)束后將提取劑用高速離心機(jī)5 000 r·min-1離心10 min,分離出上清液,濃縮至1 mL待用。

        1.5.2樣品純化

        將硅酸鎂小柱(6 mL,1g)固定在固相萃取裝置上,用4 mL二氯甲烷淋洗凈化柱,加入5 mL正己烷,待柱充滿后關(guān)閉流速控制閥5 min浸潤(rùn)硅酸鎂柱,打開控制閥,繼續(xù)加入正己烷5 mL,在填料暴露于空氣前關(guān)閉控制閥。加入濃縮后的提取液,用2 mL正己烷分3次洗滌儲(chǔ)存濃縮液的容器,洗液轉(zhuǎn)移入小柱中。緩慢打開控制閥,在填料暴露于空氣前關(guān)閉控制閥,分兩次各加入5 mL二氯甲烷-正己烷混合溶劑洗脫。收集全部洗脫液,再次濃縮至1 mL。

        1.5.3空白土壤樣品和加標(biāo)土壤樣品的制備

        取一定量來自北京周邊地區(qū)的土壤樣品,剔除其中的石子、枯枝和碎屑,陰干后,研磨過200目篩,裝入索氏提取器中,使用正己烷-二氯甲烷混合溶液提取12 h。結(jié)束后倒去索氏提取器下部燒瓶中的溶液,換上新的正己烷-二氯甲烷混合溶液重復(fù)提取。重復(fù)此操作5次得到空白土壤樣品。留取部分空白土壤樣品作為實(shí)驗(yàn)中全流程空白參比樣品。利用此空白土壤樣品配制多環(huán)芳烴加標(biāo)土壤樣品,以各多環(huán)芳烴組分加標(biāo)水平均為2.0 mg·kg-1的加標(biāo)土壤樣品為例,加標(biāo)方法為稱取10.0 g空白土壤樣品,使用10.0 μL進(jìn)樣針準(zhǔn)確加入10.0 μL濃度為2 000 mg·L-1的多環(huán)芳烴標(biāo)準(zhǔn)溶液,充分?jǐn)嚢杈鶆虼谩?/p>

        2 結(jié)果與討論

        2.1 多環(huán)芳烴標(biāo)準(zhǔn)色譜圖

        依照擬定的色譜條件,對(duì)標(biāo)樣中的多環(huán)芳烴成分進(jìn)行分析,測(cè)得的色譜圖如圖1所示。圖1中所標(biāo)注的峰分別為:1)萘-d8(內(nèi)標(biāo));2)萘;3)苊烯;4)苊烯-d10(內(nèi)標(biāo));5)苊;6)芴;7)菲-d10(內(nèi)標(biāo));8)菲;9)蒽;10)熒蒽;11)芘;12)苯并[a]蒽;13)?-d12(內(nèi)標(biāo));14)?;15)苯并[b]熒蒽;16)苯并[k]熒蒽;17)苯并[a]芘;18)苝-d12(內(nèi)標(biāo));19)茚并[1,2,3-c,d]芘;20)二苯并[a,h]蒽;21)苯并[g,h,i]苝??梢钥吹剑?6種多環(huán)芳烴組分及5種內(nèi)標(biāo)物均能檢出并分離。

        圖1 多環(huán)芳烴標(biāo)準(zhǔn)樣品色譜流出圖Fig.1 Chromatogram of polycyclic aromatic hydrocarbons in standard samples

        2.2 校準(zhǔn)曲線

        根據(jù)各多環(huán)芳烴組分的保留時(shí)間對(duì)各組分峰進(jìn)行定性分析。利用各組分質(zhì)量濃度和附近內(nèi)標(biāo)物的質(zhì)量濃度比值為橫坐標(biāo);以各組分峰面積和內(nèi)標(biāo)化合物的峰面積的比值,與內(nèi)標(biāo)化合物的質(zhì)量濃度為縱坐標(biāo),可用內(nèi)標(biāo)法測(cè)定各多環(huán)芳烴組分的含量?;貧w方程如表1所示。各組分平均回收率介于91.3%~101.2%之間,標(biāo)準(zhǔn)曲線的相關(guān)系數(shù)介于0.996 7~0.999 7之間。說明檢測(cè)方法線性相關(guān)性好,符合定量分析要求。

        表1 多環(huán)芳烴的分離、回收效果Table 1 Effect of separation and recovery of PAHs

        2.3 提取條件的優(yōu)化

        土壤樣品中多環(huán)芳烴類化合物含量通常較少,而且含有較多干擾物質(zhì),因此在土壤樣品多環(huán)芳烴的檢測(cè)過程中,提取效率的高低尤為重要。從節(jié)省溶劑和提高萃取速率考慮,本實(shí)驗(yàn)采用一次加入溶劑的方法進(jìn)行提取。本實(shí)驗(yàn)考察了提取過程中,提取溶液種類、提取溶劑量、提取時(shí)間以及提取溫度4個(gè)主要因素對(duì)提取效率的影響。

        2.3.1提取溶劑種類選擇

        土壤中有機(jī)污染物常見的提取溶劑有乙酸乙酯、二氯甲烷、正己烷、石油醚,參考傳統(tǒng)索氏提取、加壓流體萃取等方法中溶劑的配制方法,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種二元混合提取劑,混合體積比均為1:1。使用6種提取劑對(duì)土壤加標(biāo)樣品進(jìn)行提取并檢測(cè)。結(jié)果如表2所示。

        表2 不同提取劑對(duì)多環(huán)芳烴的提取效率Table 2 Extraction efficiency of PAHs with different extraction solvents

        由表2可見,6種提取劑對(duì)土壤樣品中多環(huán)芳烴的提取效率具有差異,其順序?yàn)椋憾燃淄?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混合溶劑作為超聲提取溶劑。

        此外,為了考察二氯甲烷和正己烷之間配比對(duì)回收率的影響,配制了二氯甲烷:正己烷=4:1;2:1;1:1;1:2;1:4五種混合溶液,對(duì)10.0 g各多環(huán)芳烴加標(biāo)水平為2.0 mg·kg-1的土壤樣品進(jìn)行了提取,計(jì)算多環(huán)芳烴組分總量。不同配比的溶液提取效果如圖2所示。由圖2可見,二氯甲烷:正己烷=1:1時(shí)提取效果最佳。故選取此比例進(jìn)行下一步優(yōu)化。

        圖2 溶劑比例對(duì)萃取效果的影響Fig.2 Influence of solvent ratio on extraction effect

        2.3.2提取溫度的選擇

        為了確定最佳提取溫度,使用二氯甲烷-正己烷混合溶劑作為提取劑,改變超聲提取儀

        的溫度,在20、30和40℃時(shí)分別對(duì)10.0 g加標(biāo)土壤樣品進(jìn)行了提取檢測(cè)。每個(gè)溫度檢測(cè)3次,計(jì)算各組分平均回收率。各組分回收率結(jié)果見表3。由表3可見,在20~40℃范圍內(nèi),各多環(huán)芳烴組分的回收率隨提取溫度的升高而顯著提升,在40℃時(shí)達(dá)到最大值,溫度升至50℃后回收率沒有明顯提高。因此選擇40℃作為提取溫度進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。

        表3 溫度對(duì)多環(huán)芳烴的提取效率的影響Table 3 Extraction efficiency of PAHs with different temperatures

        2.3.3提取溶劑量的選擇

        為了確定最佳提取溶劑量,在40℃提取溫度下,分別使用30、40、50、60和80 mL二氯甲烷-正己烷混合溶劑對(duì)10.0g加標(biāo)土壤樣品進(jìn)行了提取檢測(cè)。加標(biāo)土壤樣品中,每種多環(huán)芳烴組分的加標(biāo)水平均為2.0 mg·kg-1,多環(huán)芳烴總量為32.0 mg·kg-1。每個(gè)提取劑加入量下檢測(cè)三次。計(jì)算每種提取劑加入量下多環(huán)芳烴組分總量,結(jié)果見圖3a。由圖3a可見,多環(huán)芳烴組分總量的含量隨提取劑加入量的增多而增大,當(dāng)提取劑加入量達(dá)到60 mL時(shí),測(cè)得的多環(huán)芳烴組分總量基本達(dá)到最大值,為28.3 mg·kg-1,回收率為88.4%,滿足檢測(cè)需求。提取劑加入量提高到80 mL時(shí),測(cè)得的多環(huán)芳烴組分總量為28.7 mg·kg-1,與 加入量為60 mL時(shí)相比提升較小。為節(jié)省溶劑考慮,選擇60 mL作為加入的提取劑量。

        2.3.4提取時(shí)間的選擇

        為了確定最佳提取時(shí)間,在40℃提取溫度下,分別使用60 mL二氯甲烷-正己烷混合溶劑對(duì)10.0g加標(biāo)土壤樣品分別提取10、30、60、120和180 min并檢測(cè),加標(biāo)土壤樣品中每種多環(huán)芳烴組分的加標(biāo)水平均為2.0 mg·kg-1。每個(gè)提取時(shí)間下檢測(cè)3次。計(jì)算每種提取劑加入量下多環(huán)芳烴組分總量,結(jié)果見圖3b。由圖3可見,多環(huán)芳烴組分總量的含量隨提取時(shí)間增長(zhǎng)而增大,當(dāng)提取時(shí)間為120 min,測(cè)得的多環(huán)芳烴組分總量基本達(dá)到最大值,為28.5 mg·kg-1,回收率為89.1%,滿足檢測(cè)需求。提取劑時(shí)間為180 min時(shí),測(cè)得的多環(huán)芳烴組分總量為29.1 mg·kg-1,回收率為90.9%。從整體提取時(shí)間效率考慮,選擇120 min作為提取時(shí)間。

        圖3 提取劑加入量和提取時(shí)間對(duì)多環(huán)芳烴的提取效率的影響Fig.3 Extraction efficiency of PAHs with different solvent volumes and different times

        2.4 精密度和準(zhǔn)確度

        根據(jù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果,選擇加入60 mL二氯甲烷-正己烷混合溶劑作為提取劑,提取時(shí)間為120 min,提取溫度為40℃,對(duì)10.0 g加標(biāo)土壤樣品進(jìn)行檢測(cè),計(jì)算每個(gè)多環(huán)芳烴組分的回收率。土壤樣品平行測(cè)定3次,結(jié)果見圖4。由圖4可見,16種多環(huán)芳烴組分3次檢測(cè)的平均回收率介于76.8%~101.0%之間,3次檢測(cè)結(jié)果間相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差介于4.16%~7.26%之間,說明該方法具有良好的精密度和準(zhǔn)確度。

        圖4 多環(huán)芳烴組分的回收率Fig.4 Recovery rate of polycyclic aromatic hydrocarbons

        2.5 實(shí)際樣品的檢測(cè)

        取來自北京周邊實(shí)際含有多環(huán)芳烴化合物的土壤樣品,使用優(yōu)化好的方法進(jìn)行提取檢測(cè)。此外,對(duì)實(shí)際土壤樣品進(jìn)行了加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)。加標(biāo)方法為向20.0 g土壤樣品中加入濃度為1 000 mg·L-1的多環(huán)芳烴標(biāo)準(zhǔn)溶液20 μL,充分混勻,即加標(biāo)水平為1.00 mg·kg-1。實(shí)際土壤樣品的檢測(cè)結(jié)果與加標(biāo)回收率見表4。由表4可見,該方法可以檢測(cè)出實(shí)際土壤樣品中的16種多環(huán)芳烴化合物,且具有較高的回收率,在實(shí)際土壤樣品檢測(cè)中應(yīng)用良好。

        表4 實(shí)際土壤樣品的檢測(cè)結(jié)果和加標(biāo)回收率Table 4 Test results and recovery rate of real soil samples

        3 結(jié)論

        本實(shí)驗(yàn)建立了一種超聲提取-氣相色譜質(zhì)譜儀檢測(cè)土壤中多環(huán)芳烴的方法,通過優(yōu)化超聲提取過程中加入的提取劑種類、提取劑體積、提取時(shí)間和提取溫度,可以得出以下結(jié)論:

        1)本方法可以高效快速地檢測(cè)出土壤樣品中的16種多環(huán)芳烴;

        2)本方法在實(shí)際樣品中加標(biāo)實(shí)驗(yàn)回收率介于71.6%~96.6%之間,具有良好的精密度和準(zhǔn)確度。

        3)本方法與傳統(tǒng)多環(huán)芳烴檢測(cè)方法相比,操作簡(jiǎn)單、耗時(shí)少、消耗溶劑量少,對(duì)于提高多環(huán)芳烴樣品的檢測(cè)效率具有實(shí)際意義。

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