加壓流體萃取-氣質聯用法測定土壤中15種多環芳烴

林晶

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

關鍵詞：土壤;多環芳烴;氣質聯用法;優化

中圖分類號：X833? ? ? ? ?文獻標志碼：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生的含多個苯環結構的碳氫化合物[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外環保專家學者的關注。土壤作為生態系統中的基底載體，容易將自然環境中以氣態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，經過生物鏈的遷移、轉化、富集，最終對人類健康和安全造成威脅[4]。

目前多環芳烴檢測方法主要有高效液相色譜法和氣相色譜質譜法[5-6]，其中氣相色譜質譜法利用氣相色譜儀的高分離特性和質譜儀對單一組分的準確鑒定特性，能夠快速有效檢測出多組分多環芳烴。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、提取速度較快等優點而被廣泛使用。故本文選取加壓流體萃取-氣質聯用法為檢測方法。但土壤實際樣品分析中還存在不少問題，由于土壤基質成分復雜，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，例如現有的HJ805-2016《土壤和沉積物多環芳烴的測定氣相色譜質譜法》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，很容易對環境造成二次污染。因此實驗過程中不斷總結經驗，優化各個環節至關重要。本文以提高檢測靈敏度、降低方法檢出限，以及獲得更優的性能條件、更小的環境污染為目標，探索實驗中的提取、凈化及儀器分析優化手段，實現對土壤中苊烯、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種多環芳烴的精準微量測定。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

氣相質譜聯用儀（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（優級純，科密歐公司）、硅酸鎂凈化小柱（1000mg，柱體積6mL，Agela Technologies）、內標物為苊-d10、菲-d10、? -d12和苝-d12（Accu Standard，Inc Z-014J-0.5X-1ml（217031403）（ρ=2000mg/L））、替代物為2-氟聯苯和對三聯苯-d14（o2si 114006-01-1mL（308102）（ρ=2000ug/mL））、多環芳烴標準溶液（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）;預加熱平衡：5min;靜態萃取時間：5min;溶劑淋洗體積：60%池體積;氮氣吹掃時間：60s;靜態萃取次數：2次。萃取溶劑根據“2.1萃取條件優化”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，待柱充滿后關閉流速控制閥浸潤5min，緩慢打開控制閥，繼續加入5mL正己烷在填料暴露于空氣之前，關閉控制閥，棄去流出液。將濃縮后的提取液轉移至小柱中，用0.7mL正己烷洗滌氮吹管，洗液全部轉入小柱中，重復三次。緩慢打開控制閥，在填料暴露于空氣之前關閉控制閥，加入適量（體積根據“2.2凈化條件優化”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，加入適量內標并定容至1.0mL，使內標濃度為200μg/L，混勻后轉移至2mL樣品瓶中，待測。

1.3.4 氣相色譜條件

進樣口溫度：根據“2.3分析條件優化”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 質譜條件

電子轟擊源（EI）;離子源溫度：根據“2.3分析條件優化”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“2.3分析條件優化”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）芘同分異構體定性離子用253、250、251，但實驗中發現，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）芘同分異構體定性離子用250、251，其他目標物定性離子與HJ805-2016方法中的一致。

1.4 數據處理

本文實驗數據統計、分析利用EXCEL軟件和SPSS17.0完成。

2 結果與討論

2.1 萃取條件優化

《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。實驗設計如下：對應每種溶劑條件，分別稱取3組1.00g土樣（依據前期實驗結果，該土樣多環芳烴含量約為100μg/kg），按照1.3條件進行萃取、測定。以3組數據均值做柱狀圖，以標準差做誤差線，結果如圖1所示。

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

上述分析可得出結論：（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。本次實驗側重于洗脫劑體積因素影響，實驗設計如下：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的多環芳烴和替代物混標，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，添加內標，轉移至進樣瓶，上機測定。結果如圖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 分析條件優化

2.3.1 質譜掃描模式選擇

質譜掃描模式有兩種：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、靈敏度高等優點，在低含量組分定量中有很大優勢。但HJ805-2016中對SIM模式沒有具體指導。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化，按1.3.4和1.3.5設定兩組溫度條件：（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多環芳烴和替代物混標溶液，在上述兩種溫度條件下分別測定3次，比較響應值，結果如圖4所示。

由圖4可知，不同溫度下，3次進樣的重復性均較好。對同一目標物而言，不同溫度條件下，響應值的標準偏差接近，但溫度較高的條件1響應結果更大，其相對標準偏差更小。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 標準曲線

取8個2ml進樣瓶，用微量進樣器預先加入適量正己烷溶劑，分別移取適量的多環芳烴標準溶液、替代物標準溶液和內標標準溶液，配制成8個濃度點的校準系列，使得多環芳烴和替代物的質量濃度均分別為5.0μg/L、25.0μg/L、50.0μg/L、100μg/L、200μg/L、500μg/L、1000μg/L，內標質量濃度均為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HJ805-2016第8.3.1計算平均相對響應因子，同時計算響應因子的相對標準偏差，并繪制校準曲線。結果見表2。

由表2可見，大部分目標物RSD較小，基本在10%以內，二苯并（a，h）蒽RSD相對較大，但仍在HJ805-2016要求的20%范圍內。出現此種現象的可能原因有：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，導致譜圖有小部分重疊，定量準確度受到影響。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

查閱文獻發現，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萃取前加入的標準物質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7次空白加標試驗，按MDL=t（n-1，0.99）×SD 計算7份空白加標樣品中各個組分濃度的標準偏差（SD）和方法檢出限（MDL）。檢出限只保留一位有效數字，只進不舍。結果見表3。

表3列舉了本實驗的方法檢出限和HJ805-2016規定的檢出限要求，結果顯示，本實驗所有目標物檢出限均遠低于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，加標量為300ng，制備成加標土壤樣品。按前述實驗方法提取，并上機測定，得到各目標物的相對標準偏差范圍2.6%～13.3%，平均加標回收率范圍41.7～128%。實驗結果滿足HJ805-2016中關于“平行樣測定結果相對偏差應小于30%，基體加標回收率范圍為40%～150%”的質控要求。本實驗所有樣品都有加替代物，2-氟聯苯回收率范圍為49.9%～70.8%;對三聯苯-d14回收率范圍為73.8%～75.8%。各目標物精密度和回收率結果見表4。

3 結論

本研究建立了加壓流體萃取-氣質聯用法用于測定土壤中15種多環芳烴，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。結果表明，此方法在5～1000μg/L范圍內，15種多環芳烴相對響應因子的相對標準偏差均小于20%;方法靈敏度高，檢出限為0.1～0.4μg/kg，優于現有標準;方法準確度和精密度均滿足質控要求，加標回收率和相對標準偏差范圍分別為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-質譜聯用和高效液相色譜法對多環芳烴的分析和對比[J].河南化工，2018，35（5）：53-55.

[2]馮小康，朱強.氣相色譜-質譜法測定土壤中16種多環芳烴[J].安徽農業科學，2019，47（14）：220-223.

[3]李海燕，李楠，于丹丹.微波萃取-氣質聯用測定土壤中的16種多環芳烴[J].環境監控與預警，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）聯合固相萃取（SPE）凈化，高效液相色譜法測定土壤中的多環芳烴[J].環境化學，2011，30（4）：771-777.

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

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

[7]涂悅鴻，劉細祥.土壤中多環芳烴的預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-氣相色譜質譜法分析水稻土樣品中16種多環芳烴的含量[J].廣東化工，2018，45（21）：101-102.

[9]楊發忠，顏陽，張澤志，等.多環芳烴研究進展[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：中國環境科學出版社，2016.