加速溶劑萃取和凈化-氣相色譜-串聯質譜法測定典型污染場地土壤中多氯聯苯殘留

田丙正，張 敏，張付海，胡雅琴，王 鑫，趙 彬

安徽省環境監測中心站，安徽 合肥 230071

多氯聯苯(PCBs)是聯苯在高溫下氯化形成的化合物，因其有良好的電絕緣性、耐熱性和惰性而廣泛用于電力、塑料、油漆等行業[1]。PCBs具有低水溶性、化學穩定性、生物毒性、難降解性、生物蓄積性和遠距離遷移等特點[2-3]，被列入《斯德哥爾摩公約》持久性有機污染物名單,并被劃為優先控制污染物[4]。環境中PCBs的來源主要是含PCBs產品(如電容器和變壓器等)歷史使用、封存、拆卸過程中的泄露，已污染地表環境(土壤和水體)的再釋放，含氯廢棄物的焚燒大氣沉降，高污染土壤或沉積物中PCBs的釋放[5]。目前中國PCBs 污染場地主要有使用含PCBs產品的廠家、下線PCBs設備臨時存儲場地、含PCBs設備的拆解點、含PCBs設備儲存庫及其周邊地區等，這些場地均會因含PCBs 物質的泄漏而導致周圍土壤和水體受到PCBs污染。含PCBs工業廢物的堆放封存和填埋是造成土壤PCBs污染的主要原因之一。

經濟發達的華東地區是我國使用含PCBs電力設備最多的地區之一，是PCBs典型污染地區。該地區的含PCBs報廢設備和含PCBs污染物主要以山洞封存、地下封存、廠區暫存3種形式貯存，其中地下封存是將含PCBs廢物封在水泥槽后埋入地下。由于當時這些填埋或封存場地大多未做好合理完善的防滲措施，有的填埋坑內已發現有大量積水，大量設備出現了內部液體泄漏的現象，對周圍環境的土壤和水體造成一定程度的污染。有研究表明，該地區局部點位土壤已存在不同程度的PCBs污染[6-9]。而且該地區的填埋場和封存場均已到達使用年限，潛在的環境污染日益嚴重[10]，急需加緊對其進行清理處置，以減少環境危險。污染場地土壤樣品基體復雜，樣品的提取、凈化和測定成為目前污染土壤中PCBs殘留分析的難點。土壤中PCBs的提取方法主要有索氏萃取、超聲萃取和加速溶劑萃取等。索氏萃取過程繁瑣耗時，超聲萃取效率有待提高，加速溶劑萃取(ASE)具有萃取效率高、溶劑用量少、耗時短、全自動化和回收率高等優點，在土壤目標物的提取中獲得越來越廣泛的應用[11]。土壤中PCBs的凈化方法主要有固相萃取柱法、濃硫酸磺化法等。固相萃取柱法操作繁瑣[12]，濃硫酸磺化法回收率偏低[13]。土壤中PCBs測定主要有氣相色譜法、氣相色譜-質譜法[14]、高分辨質譜法。氣相色譜只能通過保留時間定性，氣相色譜-質譜法的選擇離子模式可一定程度去除干擾，但在樣品基質復雜時，仍受到樣品基質的干擾。對于土壤基質比較復雜的樣品，氣相色譜法和氣相色譜-質譜法很容易出現假陽性的結果。高分辨質譜法儀器昂貴，易受污染，不適合大批量基質復雜樣品分析。氣相色譜-三重四極桿串聯質譜法在抗干擾能力、準確度和靈敏度等方面具有十分明顯的優勢，特別適合基質相對較為復雜樣品中痕量化合物的定性定量分析。目前土壤中PCBs的提取、凈化和測定均存在一定困難，建立快速準確的先進分析技術對環境中PCBs污染調查和防控具有重要意義，同時把該地區作為典型污染場地使用氣相色譜-串聯質譜法測定PCBs殘留的研究鮮有報道。本文運用網格法對華東某典型污染場地進行采樣，采用加速溶劑萃取同步凈化-氣相色譜-三重四極桿串聯質譜法，建立典型污染場地中7種指示性PCBs的測定方法，對污染場地區域PCBs的含量及分布特征進行研究，分析土壤中7種指示性多氯聯苯的總體殘留特征，對土壤中PCBs的污染狀況進行研究，探討典型污染場地土壤中PCBs對環境的影響。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Bruker 450GC-320MSMS氣相色譜儀和三重四極桿串聯質譜儀，美國；戴安ASE-300加速溶劑萃取儀，美國；四環LGJ-25冷凍干燥機，中國；LabTech MultiVap-8全自動定量濃縮儀，美國。

7種PCBs標準貯備液為PCB28(2,4,4′-三氯聯苯)、PCB52(2, 2′,5,5′-四氯聯苯)、PCB101(2, 2′,4,5,5′-五氯聯苯)、PCB118(2, 3′,4,4′,5-五氯聯苯)、PCB153(2, 2′,4,4′,5,5′-六氯聯苯)、PCB138(2, 2′,3,4,4′,5′-六氯聯苯)、PCB180(2, 2′,3,4,4′,5,5′-七氯聯苯)，各組分質量濃度均為10.0 mg/L，美國，替代物為PCB13813C12(40 mg/L，美國)；正己烷、丙酮、二氯甲烷等，色譜純，美國；硅藻土、弗羅里硅土，0.150～0.250 mm。

1.2 樣品采集與前處理

選取了華東某典型PCBs污染場地(電容器封存點)為采樣地點，參照《土壤環境監測技術規范》(HJ/T 166—2004)和《農田土壤環境質量監測技術規范》(NY/T 395—2012)，運用網格法布設31個采樣點位(圖1)： ①背景點區域(1#)；②封存點外圍區域(2#～14#)；③封存點邊沿區域(15#～30#)；④封存點內區域(31#)。上述區域每個采樣點位按五點法分別采集表層20 cm的土壤樣品并混合為1個，得到31個混合樣品。土壤樣品以鋁膜包裹放入棕色玻璃瓶內，密封后4 ℃低溫冷藏。

圖1 污染場地土壤采樣點位示意圖Fig.1 Soil sampling sites in the polluted area

將采集的土壤樣品除去植物根莖等雜物后放入冷凍干燥機中，冷凍過夜，再干燥48 h，研磨過0.250 mm篩后裝入棕色瓶保存待用。稱取5 g左右的待測樣品，加入3 g硅藻土和3 g弗羅里硅土與樣品混勻，然后填裝至33 mL萃取小池中，加入替代物后進行萃取。ASE條件：提取溶劑為正己烷/丙酮(體積比1∶1)混合溶液，萃取溫度100 ℃，壓力10.342 MPa，靜態提取5 min，循環2次，淋洗體積為萃取池體積的60%，氮氣吹掃時間為60 s。萃取完成后，將萃取液濃縮至1.0 mL，待上機分析。

1.3 色譜和質譜條件

氣相色譜儀條件：DB-5HT MS毛細管柱(15 m×250 μm×0.1 μm)，進樣口溫度270 ℃，進樣體積1.0 μL，選擇不分流壓力脈沖方式進樣，載氣為高純氦氣(99.999%)，柱流速為1.2 mL/min。

程序升溫：初始溫度50 ℃，以15 ℃/min升溫至150 ℃，再以10 ℃/min 升溫至260 ℃，保持1 min。

質譜儀條件：電離方式為EI，離子源溫度 260 ℃，傳輸線溫度280 ℃，腔體溫度 40 ℃，離子源能量70 eV，溶劑延遲5 min，碰撞氣氬氣為0.266 Pa，檢測器電壓1 kV，多反應監測方式(MRM)，7種PCBs的質譜分析參數見表1。

表1 7種PCBs質譜分析參數Table 1 MS parameters for analysis of 7 PCBs

2 結果與討論

2.1 加速溶劑萃取條件和凈化條件的優化

研究了不同溶劑對7種PCBs提取效率的影響，正己烷/丙酮(體積比1∶1，下同)、二氯甲烷/丙酮(體積比1∶1，下同)、二氯甲烷/正己烷(體積比1∶1，下同)、100%丙酮和100%正己烷均可作為萃取溶劑對7種PCBs進行提取，土壤中7種PCBs提取效率如圖2所示。從圖2可見，單一溶劑的提取效率比混合溶劑要差?？紤]到二氯甲烷毒性較大，最終選擇正己烷/丙酮(體積比1∶1)作為萃取溶劑。

圖2 萃取溶劑對7種PCBs提取效率的影響Fig.2 Effects of solvent on the extraction efficiency of 7 PCBs

研究了不同萃取溫度對7種PCBs提取效率的影響，結果如圖3所示。從圖3可見：發現萃取溫度由70 ℃升至100 ℃時，提取效率增加明顯；但當溫度由100 ℃升至110 ℃后，提取效率增加緩慢。因此，選擇萃取溫度為100 ℃較為合適。

圖3 萃取溫度對7種PCBs提取效率的影響Fig.3 Effects of temperature on the extraction efficiency of 7 PCBs

分別稱取1～5 g弗羅里硅土填裝至ASE萃取小池中，考察不同用量的弗羅里硅土作為凈化劑的凈化效果。結果表明，凈化效果隨凈化劑用量的增加而變好；但凈化劑用量過多，回收率有所下降。綜合考慮可靠的回收率和凈化效果，最終選擇弗羅里硅土凈化劑的用量為3 g，此時土壤中7種PCBs的回收率為85.4%～97.0%。

2.2 色譜柱的選擇

PCBs分析常用色譜柱有弱極性色譜柱(DB-5、DB-XLB等)和中等極性色譜柱(DB-1701等)。采用上述常用色譜柱(30 m)對7種PCBs進行測定，發現在3種色譜柱上均能對7種PCBs單體實現良好分離。由于DB-1701色譜柱和DB-XLB色譜柱選擇性高，而DB-5色譜柱應用范圍更廣、使用壽命長、可耐受更高的溫度，所以本研究選用DB-5色譜柱對PCBs進行分離。氣相色譜串聯質譜法一般常用長度30 m的色譜柱，7種PCBs在此長度的DB-5色譜柱上需要25 min才能實現所有組分的良好分離，且需要較高的柱溫，六氯聯苯和七氯聯苯的靈敏度也較低。而在15 m 長的DB-5色譜柱上，7種PCBs僅需12.5 min即可實現良好分離，高氯代聯苯的靈敏度有較大提高。這是因為，高氯代聯苯沸點較高，在15 m長的色譜柱上比在30 m長的色譜柱上保留時間較短，峰形較尖銳，響應值較大，所以在滿足色譜分離要求的情況下應選用較短的色譜柱。本方法最終選擇了長度15 m、內徑250 μm和0.1 μm薄液膜耐高溫的DB-5色譜柱，可提高分析效率和靈敏度，適合實際樣品大批量的測定。

2.3 串聯質譜條件的優化

采用多反應監測模式(MRM)測定目標化合物，在MRM中一級質譜選擇特定質荷比的離子，在碰撞池中生成碎片離子，再選擇特定的碎片離子通過二級質譜進行定性定量。串聯質譜能提供足夠的化合物信息用于定性分析，定性更為準確；特征母離子和子離子一一對應，通過監測多個離子對可以去除大部分背景干擾，一般出現與碎片離子多個離子對質荷比完全相同的干擾物幾率很小，定量時背景更低。氣相色譜-三重四極桿串聯質譜法相當于在氣相色譜-質譜法基礎上增加了子離子的質譜信息，增強了定性能力，二級質譜圖比一級質譜圖更加簡單，最大程度排除了基體干擾，可以有效排除干擾和解決假陽性問題，同時測定的準確性和靈敏度得到較大提高。質譜條件主要從掃描時間范圍、母離子、子離子、碰撞能量等進行優化。先進行質譜全掃描模式的初步分析，可確定每種化合物的掃描時間范圍，還可得知每種PCB主要的母離子碎片為(M)、(M+2)和(M+4)，考察各碎片離子的相對豐度，選擇一級質譜圖中質荷比大且豐度高的2～3個離子初定為母離子。經過碰撞誘導解離(CID)使母離子裂解產生子離子，每種PCB一般以失去1個氯原子或2個氯原子形成(M-Cl)或(M-2Cl)。在母離子產生的二級質譜碎片離子中，選擇2～3個響應最好的碎片離子作為子離子，從而確定響應最好的離子對(母離子/子離子)組合。對每一選定的離子對優化碰撞能量，分別以10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60 V進行實驗。對掃描峰寬和駐留時間進行優化可以提高測定靈敏度，掃描峰寬為8 amu、駐留時間為0.25 s時能滿足要求。優化后的質譜分析參數詳細結果見表1。7種PCBs質量濃度為10 μg/L的標樣在優化后的質譜條件下的MRM圖見圖4。

1. PCB28; 2. PCB52; 3. PCB101; 4. PCB118;5.PCB153; 6.PCB138; 7.PCB180圖4 7種PCBs標樣的MRM圖Fig.4 MRM TIC of 7 PCBs standard samples

2.4 標準曲線、方法檢出限、準確度和精密度

將7種PCBs標準貯備液分別配制成0.1、1、5、10、50、100 μg/L標準系列，以各組分的峰面積(y)對質量濃度(x，μg/L)繪制標準曲線，得到7種PCBs的線性回歸方程及其相關系數，見表2。結果表明，在0.1～100 μg/L質量濃度范圍內，該方法的線性關系良好，7種PCBs的線性相關系數(r)為0.999 80～0.999 99，完全滿足定量分析的要求。根據檢出限的確定方法[15]，對濃度值為估算方法檢出限值2～5倍的樣品進行多次平行測定，按公式MDL=t(n-1,0.99)×S計算方法檢出限。在5 g不含目標化合物的空白土壤樣品中加標質量濃度為0.020 μg/kg進行檢出限測定，測定7次，檢出限計算結果見表2。結果顯示，7種PCBs的檢出限為0.004～0.010 μg/kg，測定下限為0.016～0.040 μg/kg?！锻寥篮统练e物 多氯聯苯的測定 氣相色譜-質譜法》(HJ 743—2015)采用氣相色譜-單四極桿質譜法測定土壤中PCBs，當取樣量為10 g、采用選擇離子掃描模式時，多氯聯苯的檢出限為0.4～0.6 μg/kg。取樣量同為10 g時，本方法采用氣相色譜-三重四極桿串聯質譜法的檢出限比HJ 743—2015中氣相色譜-單四極桿質譜法低114～240倍，提高了2個數量級，說明本方法具有很高的靈敏度。采用實際土壤樣品進行基體替代物加標量為20.0 μg/kg，其平均回收率為91.8%。對空白土壤樣品進行加標回收實驗，平行測定6次，計算結果見表2，回收率分別為84.8%～97.3%，相對標準偏差(RSD)為2.4%～8.5%。

表2 7種PCBs的線性方程、相關系數、檢出限、回收率和精密度Table 2 Regression equations, correlation coefficients, detection limits, recovery and precision of 7 PCBs

2.5 實際樣品測定

2.5.1 研究區土壤中多氯聯苯濃度分析

在采集的31個點位土壤樣品中，7種指示性PCBs的檢出率為100%，質量分數為0.096～3 661 μg/kg，各點平均值為307 μg/kg。各采樣點中，31#為封存點內樣品，質量分數為3 661 μg/kg；1#為背景點區域樣品，質量分數為0.096 μg/kg；2#～14#為封存點外圍區域樣品，質量分數為1.18～65.7 μg/kg，均值為17.5 μg/kg；15#～30#為封存點邊沿區域樣品，質量分數為16.3～728 μg/kg，均值為352 μg/kg。 每個采樣點土壤樣品中PCBs質量分數見圖5。

圖5 污染場地土壤中各采樣點PCBs質量分數Fig.5 Concentrations of PCBs from soil sampling sites of the polluted area

封存點內的含量是封存點邊沿的10.4倍，是外圍周邊土壤的209倍，表明封存點中很大程度存在PCBs泄露?！锻寥拉h境質量 建設用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 36600—2018)第一類用地中PCBs的土壤污染風險篩選值為140 μg/kg，封存點外圍區域13個采樣點均未超出建設用地第一類用地中PCBs的土壤污染風險篩選值140 μg/kg。但封存點邊沿區域16個采樣點中有12個超過限定值140 μg/kg。以封存點內點位土壤中PCBs殘留最高，與封存點相近的部分點位殘留較其他位置高，封存點邊沿區域采樣點PCBs含量明顯高于封存點外圍區域采樣點，可能是因為這些采樣點距離封存點較近所致，說明封存點邊沿土壤已經受到PCBs污染，只是現狀還是以點污染為主，根據濃度分布的不同，可以看出污染范圍已經呈現擴散態勢。雖然各采樣點PCBs污染濃度均未達到《含多氯聯苯廢物污染控制標準》(GB 13015—2017)中PCBs的污染控制標準(50 mg/kg)，但也應及時研究風險管控措施，阻止污染趨勢進一步擴大。

從結果看，各點平均含量遠高于我國背景地區/農村中PCBs的土壤背景值(0.424 μg/kg)[16]和全球土壤背景值(5.41 μg/kg)[17]，其中有64.5%(20個)的測試土壤的PCBs殘留量高于瑞典土壤中PCBs的指導值20 μg/kg。與國內外相關土壤比較，鄭群雄等[18]報道長江三角洲某廢舊電容器封存點土壤中PCBs質量分數為2.01～5 201.20 μg/kg，平均值為229.38 μg/kg；在泰國某電容器封存點周邊土壤的PCBs質量分數為0.095～370 mg/kg，平均值為78 mg/kg[19]，該污染場地土壤樣品中PCBs含量高于國內某些封存點土壤樣品，但遠低于國外平均值。與這些區域相比，本污染場地土壤中PCBs含量處于中等濃度水平。

2.5.2 研究區土壤多氯聯苯的組成特征

土壤PCBs的組成與其來源和同系物性質有關，各種PCBs單體的組成特征見表3。

表3 污染場地土壤中PCBs同系物組成特征Table 3 Composition of PCBs congenersin soil of the polluted area

7種PCBs同系物中，各單體均有不同程度的檢出。三氯聯苯PCB28、四氯聯苯PCB52、五氯聯苯PCB101和PCB118檢出率高，殘留量也很高；而六氯聯苯PCB153和PCB138、七氯聯苯PCB180檢出率較高，但殘留量較小。檢出量最高的是PCB28，其質量分數平均值為226 μg/kg，占PCBs總量的73.5%，三氯聯苯PCB28的普遍檢出和高殘留量可能與我國生產和進口的PCBs大部分是三氯聯苯有關。三氯聯苯主要用于電流生產、傳輸所需的電容器中，這些產品的歷史使用會使PCBs在環境中長期殘存。 其他殘留量較高的幾種PCBs同系物有PCB52、PCB101和PCB118，在PCBs總量中占比分別為15.5%、4.30%、4.91%。高氯代苯檢出量很低，主要在封存點內區域和封存點邊沿區域這些離污染源較近的點位，封存點外圍周邊土壤中幾乎沒有相應物質的檢出，這主要是因為高氯代化合物水溶性極低，揮發性較弱，吸附性更強，較容易在土壤中長期積累，難以與空氣交換和遷移，也難以自然降解，因而主要在污染源附近檢出。

將土壤中PCBs濃度按氯取代數的同系物進行統計，可以得到封存點區域各采樣點土壤PCBs同系物的分布圖，如圖6所示。

圖6 污染場地各采樣點土壤中PCBs同系物的分布Fig.6 Distributions of PCBs congeners from soil sampling sites of the polluted area

該電容器封存點土壤中PCBs以三氯聯苯、四氯聯苯、五氯聯苯為主(圖7)，三者占PCBs總量的98.2%。這與國內用于電容器包括進口電力設備的介質油主要是低氯取代的PCBs相一致。封存點內區域樣品(31#)最主要的組分為三氯PCBs，占79.2%，其次是五氯PCBs，占13.4%，接下來是四氯PCBs，占5.13%。封存點邊沿區域樣品(15#～30#)最主要的組分為三氯PCBs，占69.5%，其次是四氯PCBs，占22.3%，再次是五氯PCBs，占6.65%。封存點外圍區域樣品(2#～14#)最主要的組分為三氯PCBs，占82.0%，其次是四氯PCBs，占12.3%，再次是五氯PCBs，占4.77%。背景點區域樣品(1#)PCBs總殘留量很少，最主要的組分為三氯PCBs，占81.0%，其次是四氯PCBs，占12.7%，再次是五氯PCBs，占6.33%。封存點邊沿區域采樣點低氯代PCBs比例下降，高氯代PCBs比例升高，可能是來源不同，也有可能是由于不同氯代PCBs揮發能力不同，低氯代PCBs揮發而隨大氣遷移，而高氯代PCBs更易停留在本地土壤中富集，遷移能力較弱，說明封存點邊沿土壤已受到污染。

本污染場地土壤樣品中PCBs主要單體分布和報道的長江三角洲某廢舊電容器封存點土壤[18]、某典型電力電容器污染土壤[20]和長江三角洲某電子垃圾拆解區土壤中PCBs污染[1]的研究結果相似，PCBs單體以三氯聯苯、四氯聯苯、五氯聯苯為主，尤以三氯聯苯PCB28、四氯聯苯PCB52、五氯聯苯PCB101和PCB118殘留量最高。但與報道中的長江三角洲典型地區農田土壤中多氯聯苯殘留量和檢出率最高的分別是PCB138和PCB180等單體[9]明顯不同，原因可能是來源不同，也可能是PCBs在環境遷移轉化過程中不同的環境因素相互作用，其分布和組成發生了變化。

土壤中不同PCBs化合物的毒性不同，可以PCBs毒性效應為基準研究不同點位土壤樣品的污染水平。LONG等[21]提出PCBs毒性效應低值(ERL，22.7 μg/kg)和毒性效應中值(ERM，180 μg/kg)，當目標污染物濃度低于ERL 值時，引起生態風險概率小于10%；當目標污染物濃度高于ERM值時,引起生態風險概率大于50%；當目標污染物濃度介于兩者之間時，引起生態風險概率為10%～50%。此研究結果已被美國環保署采用，成為美國的國家標準，該標準因簡便易行而得到廣泛應用[22-23]。本文研究區土壤31個點位中有20個點的PCBs含量大于ERL值，有13個點的PCBs含量均大于ERM 值，從各點平均含量來看，該污染場地土壤中PCBs的毒性效應評估處于中等水平，說明土壤已經受到一定程度的PCBs污染。

3 結論

建立了加速溶劑萃取同步凈化-氣相色譜-三重四極桿串聯質譜法測定污染場地土壤中7種指示性多氯聯苯的方法，將土壤樣品萃取和凈化合二為一，有效排除干擾和解決假陽性的問題，靈敏度得到很大提高。該方法具有前處理簡便、靈敏度高、重現性和準確度好等特點，適合基質較為復雜的土壤中多氯聯苯的測定，也適用于土壤中其他持久性有機物(如多溴聯苯醚、多環芳烴等)的監測，并為其提供借鑒和參考。

運用網格法采集了華東某典型污染場地土壤中31個土壤樣品，分析了該場地土壤中7種指示性多氯聯苯的殘留特征。7種PCBs的檢出率為100%，檢出范圍為0.096～3 661 μg/kg，各點平均質量分數為307 μg/kg。各采樣點中PCBs的殘留程度存在很大的差異，局部點位受到了較重污染，封存點邊沿區域的部分點位殘留較其他位置高。土壤中PCBs同系物以三氯聯苯、四氯聯苯、五氯聯苯為主， PCB28、PCB 52、PCB101和PCB 118是最主要的單體，它們的含量占PCBs同系物總量的98.2%。部分采樣點位PCBs含量較高，雖都沒達到相關標準限值，但有趨勢表明PCBs在封存點已出現擴散跡象。該污染場地土壤PCBs主要是低氯代聯苯污染，土壤中PCBs的毒性效應評估處于中等水平，污染以點源污染為主，且已有較大程度擴散，必須及時采取針對性的措施進行環境風險管控。