超聲波萃取-氣相色譜-質(zhì)譜法同時測定土壤中16種多環(huán)芳烴和18種多氯聯(lián)苯

車 凱，鄭宇超，范 輝，魏明磊，劉克成，周慧波，諶 楊

（1.國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學研究院，河北 石家莊 050021; 2.中油工程項目管理分公司廊坊中油朗威工程項目管理有限公司，河北 廊坊 065000; 3.國網(wǎng)河北省電力有限公司，河北 石家莊 050021）

0 引 言

絕緣油在變電站變壓器、電容器、油開關(guān)和電纜等設(shè)備中起絕緣、散熱、冷卻、滅弧等重要作用。經(jīng)統(tǒng)計，變電站每年有大量變壓器油更換退役。目前常用的環(huán)烷基變壓器油中芳香烴類化合物（多環(huán)芳烴（PAHs）和苯系物）占5%以上，并會隨在運時間增長而不斷產(chǎn)生[1]。芳香烴類化合物中的PAHs是公認的具有致癌和致突變危害的物質(zhì)。變電站在正常運行情況下，基本無油品外排或泄露，但當變壓器出現(xiàn)故障或檢修時可能產(chǎn)生少量變壓器油泄露，如果處理不及時將有滲入土壤危險。

多氯聯(lián)苯（PCBs）是土壤中典型的持久性有機污染物（POPs），且具有致畸、致癌風險。已被許多國家停止生產(chǎn)和使用。中國于1974年起，停止了PCBs化學品及含PCBs電力設(shè)備的生產(chǎn)，并于1979年起限制含PCBs電力設(shè)備的進口。20世紀80年代后，含PCBs電容器已經(jīng)被停止使用[2]。但由于長期使用和封存，部分早期運行變電站可能會出現(xiàn)PCBs污染土壤現(xiàn)象。鑒于此，將PAHs和PCBs作為在運時間年代較長的老舊變電站土壤特征污染物，對變電站及周邊土壤環(huán)境進行了檢測評估[3]。

國內(nèi)外對土壤中PAHs和PCBs檢測方法較成熟，相關(guān)標準和分析方法大都是對2類化合物分別提取、凈化和測定[4-5]。目前，國內(nèi)外主要用于土壤中PAHs檢測標準有HJ 805—2016、HJ 784—2016、EPA.Method 8270E、EPA.Method 8310等[6-9]，主要用于土壤中PCBs檢測標準有HJ 743—2015、EPA.Method 8082A等[10-11]。實際測試工作中，現(xiàn)有測試方法面對大批量保存時間短、測試項目多的土壤樣品，測定結(jié)果的準確性和時效性將大打折扣。針對土壤中多組分有機污染物同時提取、濃縮、凈化和測定的標準還未見頒布，相關(guān)分析檢測方法的研究僅有少量報道[12-13]，且主要針對PAHs和農(nóng)藥有機氯方面的，在針對土壤中PAHs和PCBs等多組分有機污染物同時提取、凈化和測定研究鮮有報道[14]。因此開發(fā)土壤中PAHs和PCBs多組分化合物同時快速測定的方法具有現(xiàn)實價值。

本文在國標HJ 805—2016和HJ 743—2015以及相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上建立了超聲波萃取結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜法（GC-MS）同時分析土壤中16種多環(huán)芳烴（PAHs）和18種多氯聯(lián)苯（PCBs）的方法，并比較了不同萃取方式、超聲萃取時間和萃取次數(shù)等對加標回收率的影響。同時將本文研究方法應(yīng)用于實際土壤樣品的分析測試，以期獲得一種高效、靈敏、低檢出限的PAHs和PCBs同時檢測方法。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

安捷倫7890B-5977B MSD氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（帶自動進樣器），色譜柱HP-5MS（30 m×0.25 mm×0.25 μm）；超聲波萃取儀；加壓流體萃取儀；索氏提取器；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀及其配套的100 mL濃縮瓶；冷卻水循環(huán)機：AS1600；固相萃取裝置；離心機；馬弗爐；烘箱：溫度可控制在（105±5）℃；硅酸鎂（SPE）凈化小柱：填料為硅酸鎂，1 000 mg，柱體積為6 mL；50 mL玻璃小瓶；一般實驗室常用器皿等。

16種 PAHs混標 （產(chǎn)品編號 80017JOM）和 18種PCBs混標（產(chǎn)品編號80010EB）；5種氘代PAHs內(nèi)標 （產(chǎn)品編號 80663QM）為萘-d8（Nap-d8）、苊（ACE-d10）、菲-d10（PHE-d10）、?-d12（CHR-d12）、苝-d12（PYL-d12）；2種 PAHs替代物混標 （產(chǎn)品編號80020KDB）為 2-氟聯(lián)苯 （2-Fluoro-1）和 4,4′-三聯(lián)苯-d14（P-Terphenyl-d14）；PCBs替代為四氯間二甲苯（產(chǎn)品編號BW901294-100-B）（2,4,5,6-Tetrachloro-mxylene），以上標準物質(zhì)均購自北京壇墨質(zhì)檢標準物質(zhì)中心；正己烷、丙酮和二氯甲烷，均為色譜純（購自科密歐化學試劑有限公司）；無水硫酸鈉為優(yōu)級純（購自國藥集團化學試劑有限公司），用前需在馬弗爐內(nèi)450 ℃下焙燒4 h。

1.2 分析方法

1）供試樣品

本研究于2019年8月在河北省南部典型變電站站內(nèi)及周邊按照國標 HJ/T 166—2004[15]的相關(guān)要求采集了土壤樣品，并保存于潔凈的磨口棕色玻璃瓶中，土壤樣品含水率9.86%～21.35%。用石英砂代替實際樣品作為基體開展條件優(yōu)化和方法精密度、準確度實驗。以供試土壤樣品作為基體，開展土壤樣品PAHs和PCBs的分析測試驗證。

2）樣品前處理方法

稱取適量土壤樣品于50 mL玻璃小瓶中，按照國標HJ 911—2017[16]相關(guān)要求加入一定量的無水硫酸鈉并在4 ℃以下冷藏48 h使其充分脫水。待下一步處理。

在裝有試樣的玻璃瓶中準確加入2 000 mg/L的PAHs替代物10 μL和2 mg/L的四氯間二甲苯25 μL。然后加入約20 mL的正己烷∶丙酮（體積比1∶1）提取，保證加入的提取劑液面高出固體試樣表面約2 cm。分別采用索氏提取、加壓流體萃取和超聲萃取方式進行萃取，然后經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮至1 mL左右，用SPE小柱凈化[17-18]。并收集全部洗脫液，濃縮至1.0 mL，準確加入200 ng內(nèi)標物，待測定。

用石英砂代替實際土壤樣品，按照上述步驟測定空白試樣，土壤樣品結(jié)果需要扣除空白值。同時建立替代物回收率控制圖，實時監(jiān)測替代物回收率，剔除離群值。

3）樣品測試

GC進樣口溫度：280 ℃，不分流；進樣量：1.0 μL，柱流量：1.0 mL/min（恒流）；離子源溫度：230 ℃；電子轟擊源 （EI）；離子化能量：70 eV；接口溫度：280 ℃；四級桿溫度：150 ℃。柱溫：80 ℃ 保持2 min；以20 ℃/min速率升至180 ℃，保持5 min；再以10 ℃/min 速率升至290 ℃，保持10 min。質(zhì)量掃描范圍：45～450 amu；溶劑延遲時間：5 min；掃描模式：全掃描Scan和選擇離子模式（SIM）模式。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品前處理過程的優(yōu)化

1）萃取方式選擇

國標HJ 805—2016規(guī)定土壤或沉積物中的多環(huán)芳烴采用適合的萃取方法為索氏提取和加壓流體萃取提取，而國標HJ 743—2015規(guī)定多氯聯(lián)苯合適的萃取方法為微波萃取和超聲波萃取。針對不同的目標物選擇合適的萃取方式不僅可以提高萃取效率，還可以節(jié)約時間和成本。該研究采用最常用的3種土壤前處理方式索氏提取、加壓流體萃取和超聲萃取來考察不同提取方式對PAHs回收率的影響[19-20]。

稱取3組10.0 g石英砂，每組取3份平行樣，經(jīng)400 ℃烘烤4 h后分別加入等量PCBs和PAHs標準溶液配制成20 μg/kg待測樣品，參考相關(guān)標準中提取條件對樣品進行提取，結(jié)果見圖1。從圖中可以看出，采用索氏萃取法16種PAHs和18種PCBs的回收率在72.5%～92.1%之間，平均回收率為84.6%；采用加壓流體萃取法回收率在77.2%～94.5%之間，平均回收率為86.7%；采用超聲萃取法回收率在74.2%～92.0%之間，平均回收率為85.5%。3種萃取方式回收率無明顯差別，但是索氏提取耗時長，需要的溶劑量大，成本高，操作繁瑣，效率低。加壓流體萃取效率較高，萃取速度快，但設(shè)備昂貴，需要的耗材較多，增加了測試成本，如大量連續(xù)測試可選用該法。超聲波萃取法耗時較短，功耗低，萃取溶劑升溫小，對PCBs和PAHs類溶劑萃取效果好，所以本研究選擇使用超聲波萃取法。

圖1 不同萃取方式下16種PAHs和18種PCBs回收率

2）萃取次數(shù)選擇

稱取5組10.0 g石英砂，每組取3份平行樣，經(jīng)400 ℃烘烤4 h后分別加入等量PCBs和PAHs標準溶液配制成20 μg/kg待測樣品。萃取液采用丙酮和正己烷（體積比為1∶1）混合液，采用超聲波萃取法萃取，每個樣品萃取過程分別重復(fù)2～6次，再合并提取溶液。研究萃取次數(shù)對回收率的影響，平均回收率見圖2。結(jié)果表明PCBs和PAHs平均回收率隨萃取次數(shù)增加而增加，當萃取次數(shù)為4次時PCBs和PAHs平均回收率分別為90.47%和86.25%，且超過4次時所得回收率差異不大，綜合考慮萃取時間和回收率，本研究選擇萃取次數(shù)為4次。

圖2 超聲萃取次數(shù)對回收率的影響

3）萃取時間選擇

稱取6組10.0 g石英砂，每組取3份平行樣，經(jīng)400 ℃烘烤4 h后分別加入等量PCBs和PAHs標準溶液配制成20 μg/kg待測樣品。萃取液采用丙酮和正己烷（體積比為1∶1）混合液，采用超聲波萃取法分別萃取 5，10，15，20，25，30 min，萃取過程重復(fù)4次，合并提取溶液，研究萃取時間對回收率的影響，平均回收率見圖3。結(jié)果表明PCBs和PAHs平均回收率隨超聲時間延長而增加，但當超聲時間超過15 min時所得回收率差異不大，且隨時間不斷延長，超聲回收率有所下降，可能是超聲波衰減因素制約導(dǎo)致。因此選擇超聲時間為15 min。

圖3 超聲萃取時間對回收率的影響

2.2 PCBs和PAHs混合標準色譜圖

根據(jù)PAHs和PCBs的性質(zhì)，優(yōu)化儀器檢測方法，能使PAHs和PCBs及其內(nèi)標和替代物在內(nèi)的42種化合物進行很好的分離[21]。首先對所有待測物質(zhì)標準品（包括PAHs混標、PCBs混標以及混合內(nèi)標）采用全掃描-選擇離子檢測模式（SCAN/SIM模式）進行定性和定量，SIM模式色譜圖見圖4。可見峰形良好，分離度滿足方法要求。

圖4 PAHs和PCBs SIM模式色譜圖

2.3 標準曲線和方法的檢出限、精密度、回收率

配置質(zhì)量濃度分別為 0，10，20，50，100，200，500 μg/L的34個目標化合物和3個替代物的標準溶液，使內(nèi)標物的濃度為200 μg/L。用內(nèi)標法建立線性回歸方程[22]。16種PAHs和18種PCBs在0～500 μg/L范圍內(nèi)線性關(guān)系良好，相關(guān)系數(shù)均大于0.999，線性方程及檢出限列于表1。

稱取10 g石英砂，分別加入 20 ng PCBs和PAHs目標物，按前處理過程測定9個加標平行樣，計算出回收率、精密度和檢出限，MDL=S×（n-1，0.99），n=9，在99%置信區(qū)間t（8，0.99）=2.896。再稱取10 g石英砂，分別加入200 ng PCBs和PAHs目標物，按前處理過程測定9個加標平行樣，計算出回收率和精密度。16種PAHs和18種PCBs樣品平均回收率為69.7%～123.4%，相對標準偏差在1.1%～9.1%之間，方法檢出限為0.9～2.5 μg/kg。結(jié)果詳見表1。

表1 標準曲線線性方程、相關(guān)系數(shù)、回收率和精密度（n=9）

續(xù)表1 標準曲線線性方程、相關(guān)系數(shù)、回收率和精密度（n=9）

2.4 土壤樣品的測定結(jié)果

用該方法對河北省南部多座變電站站內(nèi)及周邊336個土壤樣品中PAHs和PCBs進行檢測。實際土壤樣品加標后測試譜圖如圖5所示。在樣品測試中基線噪聲平穩(wěn)，由加標物濃度可以算出信號與噪聲的比值均大于20（一般認為信噪比大于3時可定性檢出）。一般來說，當R（分辨率）＜1時，兩峰有部分重疊；當R=1.0時，分離度可達98%；當R=1.5時，分離度可達99.7%。通常用R=1.5作為相鄰兩組分已完全分離的標志。R≥1.5稱為完全分離。實際土壤樣品加標后測試性能參數(shù)如表2所示，結(jié)合譜圖可以看出，除了為同分異構(gòu)體的BbFA和BkFA，以及PCB 118和PCB 114定量離子相同分離度小于1.0外，其他分離度均大于等于1.0。此外，PCB 101和PCB 105雖然分離度沒有達到1.0，但是由于兩種物質(zhì)定性離子和定量離子完全不同，因此相互無干擾。由此可以看出在實際樣品中化合物的分離較好、響應(yīng)較高、基線噪聲平穩(wěn)。

表2 實際土壤樣品加標后測試性能參數(shù)

續(xù)表2 實際土壤樣品加標后測試性能參數(shù)

圖5 實際土壤樣品加標后測試譜圖

實測結(jié)果顯示大部分土壤中檢出多種PAHs，變電站場地土壤中PAHs總量為43.66～1 681.17 μg/kg，平均值為443.94 μg/kg。個別土壤樣品中檢出微量PCBs，變電站場地土壤中PCBs總量為0～152.81 μg/kg。檢測樣品加標回收率為64.6%～134.1%，替代物回收率在72.1%～119.6%之間。相對標準偏差為5.1%～15.7%。通過對實際樣品的測定，說明該方法具有較低的檢出限及較強的抗干擾能力，能滿足土壤中PAHs和PCBs的同時檢測要求。

3 結(jié)束語

本文建立了超聲波萃取結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜法（GC-MS）同時分析土壤中16種PAHs和18PCBs的方法，并比較不同萃取方式、超聲萃取時間和萃取次數(shù)等對加標回收率的影響。從結(jié)果可知，超聲波萃取法適合16種PAHs和18種PCBs同時萃取，且通過優(yōu)化萃取次數(shù)和萃取時間可以取得較好的萃取效果。萃取液經(jīng)過濃縮、凈化后，采用GC-MS對樣品進行定性和定量分析，42種化合物得到了有效分離，并且峰型尖銳，重現(xiàn)性好。該方法實用性強，檢測周期短，回收率和檢出限均能滿足樣品分析質(zhì)量控制要求，適合土壤中PAHs和PCBs的同時測定。