土壤中多环芳烃类化合物检测方案(快速溶剂萃取)

綠色科技Journal of Green Science and Technology第22期2018年11月 李盛安，等：全自动索氏提取一气相色谱三重四极杆串联质谱法测定土壤中18种多环芳烃.3环境与安全 全自动索氏提取一气相色谱三重四极杆串联质谱法测定土壤中18种多环芳烃 李盛安，冯敏铃，张定煌，刘铭扬，张益文，邹学仁 (中山市农产品质量监督检验所，广东中山528400) 摘要：建立了全自动索氏提取一气相色谱三重四极杆串联质谱法测定土壤中18种多环芳烃的分析方法。土壤经正己烷和乙酸乙酯(1∶1vv)提取后，硅胶小柱净化，外标法定量。方法对土壤前处理和仪器条件进行了优化，实际测定结果表明：18种多环芳烃含量在2~50 ug/L间呈良好的线性关系，相关系数r²均大于0.997；添加0.05~0.50 mg/kg 浓度，平均回收率在80.2%~92.4%，相对标准偏差(RSD)为3.2%~8.9%，该方法的灵敏度、准确度和精密度均符合测定的技术要求。 关键词：土壤；索氏提取；气相色谱；三重四极杆串联质谱；多环芳烃 中图分类号：TQ450.6 文献标识码：A 文章编号：1674-9944(2018)22-0023-04 引言 多环芳烃( PolycyclicAromatic HydrocarbonsPAHs)是煤、石油、木材、烟草、有机高分子化合物等有机物不完全燃烧时产生的挥发性碳氢化合物，是重要的环境和食品污染物。美国环保署(EPA)已将16种PAHs确定为环境优先控制污染物。环境中的PAHs可以通过降雨等方式进入土壤，而且一般土壤中PAHs中的含量较低，给研究 PAHs 的分析方法带来了一定的困难，因此寻找适合 PAHs 的提纯、纯化及分析方法对在土壤中 PAHs 的来源调查、分布特征和迁移转化等研究工作至关重要。目前国内外对土壤中多环芳烃的研究已越来越多，准确的检测方法是研究 PAHs环境行为的重要手段。 PAHs前处理提取方法主要有 QuEChERS 法、超声波萃取法、加速溶剂萃取法、索氏提取法等，QuEChERS 法与超声波萃取法前处理虽简单、便捷但土壤的结构和性质复杂，对 PAHs并不能完全提取。相对而言，加速溶剂萃取法与索氏提取法是近年来萃取土壤污染物的新方法。加速溶剂萃取法是在提高温度和压力的条件下，加快有机溶剂萃取的方法，但因加压时容易出现漏液，需定期更换部件。 GC/MS 常用于 PAHs 检测分析，气相色谱三重四极杆串联质谱法(GC-MS/MS)通过监测目标物1一3个特征离子(母离子)裂解生成子离子的二级质谱(选择反应监测模式 SRM 或多反应监测模式MRM)进行检测2，基质干扰少，比 GC-MS 仅检测目标物一级质谱电离产生的特征碎片离子(SIM)，选择性、准确性和灵敏度更高31. 研究综合考虑，使用索氏提取法作为土壤的提取方法，采用加热浸泡与淋洗同时进行，能充分加快萃取过 程，且能批量处理样品。结合硅胶小柱净化，开发了全自动索氏提取一气相色谱三重四极杆串联质谱法测定土壤中18种 PAHs 的新测测方法，对土壤中常见的18种PAHs进行高效、可靠的检测。 2 实验部分 2.1 试验材料与仪器 2.1.1 试剂 18种 PAHs标准品(美国 Accustandard 公司)；乙酸乙酯、二氯甲烷、烷己烷(德国 merck 色谱纯)。 2.1.2 仪器与设备 气相色谱一三重四重杆串联质谱仪(Agilent7890B一7000C 美国安捷伦公司)；全自动索氏提取仪(德国Gerhardt Soxtherm 412)；电子天平(Precisa公司)；旋涡混合器(上海精科XW-80A)；氮吹仪(天津恒奥 HGC一24A)；超纯水制备仪(Millipore 公司 Mini-Q)；硅胶小柱(Agilent 1mg/6mL) 2.2 试验方法 2.2.1 样品处理 采集农田土壤，样品深度均为15 cm 以内的表层土壤。将采集的土壤除去石子、植物根茎等杂质，用木锤将成团土块打碎，自然风干，研磨粉碎过100目筛，用塑料样品瓶一18℃密封保存。 2.2.2 提取 准确称取10g土壤样品置于干净滤纸筒，加适量脱脂棉平铺于土壤表面。将滤纸筒固定于不锈钢架放入提取杯中，加入80 mL正己烷和乙酸乙酯(1：1)，以混合溶剂液面超过土壤表面约0.5 cm 左右为宜。将提取杯装入全自动索氏提取仪中，设定萃取参数：提取温度110℃、热浸提时间 25 min、淋洗时间 30 min。控制吹气次数使提取杯中剩余溶剂5mL左右，将其转移 ( 基金项目：中 山市科技计划项目(编号：20123A290) ) ( 作者简介： 李盛安(198 4 一)，男，工程师，主要从事农产品及农业环境检验检测工作。 ) ( 通讯作者： 冯敏铃(198 7 一)，女，高级农艺师，主要从事农产品质量安全检测工作。 ) 到试管中，再用2次3mL正己烷清洗提取杯，洗涤液装于试管，50℃氮吹至近干，用正己烷定容至5mL，旋涡混合，备用。 2.2.3 净化 将硅胶小柱用6mL正己烷预洗，弃去预洗液。待液面到达填料表面时，迅速加入上述5mL残渣溶解液，不收集。再用2次5 mL正己烷和二氯甲烷(1：1、)洗脱，挤干，收集。50℃氮吹至近干后，用2 mL正已烷溶解，过0.2 um 滤膜，待测。 2.2.4 仪器工作条件 色谱柱： Agilent HP-5MS(30 m×0.25 mm×0.25um)；进样口温度：250℃；载气为氮气，1.2 mL/min；不分 流进样；进样量：1pL。程序升温条件(见表1)。 表1 程序升温条件 升温速率/(℃/min) 温度/℃ 保持时间/min 70 20 220 5 280 2 质谱条件：离子源230℃，四极杆150℃；离子源及电压：电子轰击源(EI)70eV。数据采集：多反应监测扫描(MRM)模式，保留时间、定量离子对及碰撞能量(见表2)。 表2 18种 PAHs化合物质谱分析优化参数 序号 化合物名称 保留时间 定量离子对 碰撞能量 定性离子对 碰撞能量 中文名称 英文名称 RT/min /(m/z) /eV /(m/z) /eV 1 萘 Naphthalene 5.258 128/102.1 30 128/76.6 20 2 苊烯 Acenaphthylene 7.163 152/151.1 25 152/126 15 3 苊 Acenaphthene 7.385 153/151.9 20 153/126.6 25 4 芴 Fluorene 7.993 166/165 40 166/115 15 5 菲 Phenanthrene 9.214 178/151.9 20 178/176 25 6 蒽 Anthracene 9.275 178/151.9 20 178/176.1 20 7 荧蒽 Fluoranthene 11.458 202/200.1 35 101/88 10 8 芘 Pyrene 11.980 202/200 35 101/88 10 9 苯并(a)蔥 Bnezo(a)anthracene 15.625 228/226.1 30 228/201.9 20 10 䓛 Chrysene 15.761 228/226.1 30 113/112.5 10 11 苯并(b)荧蒽 Bnezo(b)fluoranthene 19.574 252/250.2 10 126/113 30 12 苯并(j)荧蔥 Bnezo(b)fluoranthene 19.574 252.1/250 30 252.1/226.2 30 13 苯并(k)荧蒽 Bnezo(k)fluoranthene 19.588 252/250.3 35 126/113 10 14 苯并(e)芘 Bnezo(e)pyrene 20.436 252.1/250.2 30 252.1/251.2 30 15 苯并(a)芘 Bnezo(a)pyrene 20.439 252/250.1 35 126/113 10 16 茚并(1，2，3-cd)芘 Indeno(1，2，3-cd)pyrene 25.255 276/274.1 40 138/125 15 17 二苯并(a，h)蒽 Dibenz(a，h)anthracene 26.206 278/276.3 35 139/125.9 10 18 苯并(g，h，i) Benzo(g，h，i)perylene 26.220 138/137.2 15 276/174.2 40 3 结果与分析 3.1 提取溶剂的选择 实验比较了甲醇、丙酮、二氯甲烷、正己烷乙酸乙酯、正己烷和乙酸乙酯(1：1)作为多环芳烃的提取液，结果表明：甲醇、丙酮的加标回收率低，甲醇不能完全提取二苯并(a，h)蒽；丙酮则对萘、回回收率低。二氯甲烷、正己烷和乙酸乙酯的加标回收率都有较高的回收，但在使用正己烷和乙酸乙酯(1：1)为提取溶剂时，加标回收率最高，18种 PAHs 相对稳定重复性好，且正己烷和 乙酸乙酯与仪器使用溶剂一致，方便使用。最后选择正己烷和乙酸乙酯(1：1)为本试验的提取溶剂。 3.2 18种多环芳烃的总离子流图 对18种 PAHs化合物进行保留时间及离子对的单标确认，再再化仪器参数将浓度均为100 ug/L 的 PAHs混合标准溶液进行分段扫描，在18种 PAHs 中苯并(b)荧蒽、苯并(j)荧蒽、苯并(k)荧蒽这三种化合物在 HP-5MS 柱上无法分离，采用分段扫描结合不同离子对目标化合物进行定性定量，通过选择多反应监测扫描模式(MRM)，得到18种 PAHs的总离子流图(见图3). 1萘；2范烯；3；4芴；5菲；6；7荧蒽；8芘；9苯并(a)蒽；10 ；11苯并(b)荧蒽；12苯并(j)荧蒽；13苯并(k)荧蒽；14苯并(e)芘；15苯并(a)芘；16茚并(1，2，3-cd)芘；17二苯并(a，h)蒽；18苯并(g，h，i)花 3.3 18种 PAHs的标准曲线方程、相关系数和方法检出限 由于购买的18种PAHs标准品出厂浓度不一致，可先用正己烷将18种PAHs标准品单独配制为1000ug/L，-18℃保存，有效期为1个月。用正己烷配制工作液上机测试，配制浓度为2、5、10、20、50 ug/L的PAHs 混合标准溶液，按2.2.4仪器工作条件进样检测， 以混标的浓度为横坐标，各定量离子色谱峰的峰面积为纵坐标，绘制标准曲线。线性关系良好，相关系数r²均大于0.997。最低检出限按最低浓度点 2 ug/L 的响应值与空白样品中的噪声响应的3倍计算(S/N=3)。结果表明，18种 PAHs 的方法检出限为0.09~0.32 ug/kg(见表3)，能满足土壤中微量 PAHs分析检测。 表3 18种PAHs的标准曲线方程、相关系数和方法检出限 序号 PAHs 化学物 线性方程 相关系数r² 方法检出限 /(ug/kg) 1 萘 y=22652.716436x+11981.297829 0.997 0.22 2 苊烯 y=18996.943390x36459.282991 0.998 0.12 3 苊 y=37790.302241x+36007.132410 0.997 0.09 4 芴 y=46966.110246x+57709.674879 0.997 0.09 5 菲 y=23771.290169x+50459.824735 0.998 0.09 6 蒽 y=36712.919161x+42968.210202 0.997 0.10 7 荧蒽 y=28831.579543x+60916.127489 0.997 0.10 8 芘 y=25939.340733x+62719.108844 0.997 0.10 9 苯并(a)蒽 v=49685.488555x+93235.749459 0.999 0.18 10 䓛 y=34443.744377x+149615.401264 0.999 0.18 11 苯并(b)荧蒽 y=4646.872861x+13462.790737 0.999 0.20 12 苯并(j)荧蒽 y=34692.268534x+45979.453568 0.998 0.20 13 苯并(k)荧蒽 y=43795.143293x+70258.953132 0.999 0.20 14 苯并(e)芘 y=15354.706743x+22617.145675 0.999 0.20 15 苯并(a)芘 y=19207.718626x+34466.731460 0.999 0.26 16 茚并(1，2，3-cd)芘 y=5025.121112x+9988.577180 0.997 0.32 17 二苯并(a，h)蒽 y=3080.178196x+11788.881254 0.997 0.32 18 苯并(g，h，i)花 y=3332.783615x+2811.583558 0.997 0.32 3.4 试验方法加标回收率和精密度 以不含多环芳烃化合物的土壤作空白基质添加50、100、500 ug/kg 混合标准品做添加回收试验，每个浓度做3个平行，样品放置过夜让土壤充分吸附标准溶 液，同时做空白试验。结果表明，添加平均回收率在80.2%~92.4%，相对标准偏差(RSD)为 3.2%~8.9%，回收率及重现性良好(见表4)。说明该方法具有较好的回收率和精密度，可以满足相关检测要求。 表4 18种PAHs标标回收率和精密度 PAHs化学物 加标浓度 50 pg/kg 加标浓度100 ug/kg 加标浓度500 ug/kg 回收率/% RSD/% 回收率/% RSD/% 回收率/% RSD/% 萘 86.4 6.0 91.3 5.7 85.8 7.3 苊烯 85.0 5.7 92.4 6.1 89.0 8.3 苊 82.9 4.3 84.6 5.5 81.3 7.2 芴 83.8 3.8 83.8 6.6 80.5 8.7 菲 85.2 5.9 82.4 5.9 85.6 6.5 蒽 84.3 4.9 82.5 6.6 84.3 7.1 荧蒽 80.3 5.1 81.1 7.8 85.7 8.9 芘 82.6 3.2 84.7 6.9 81.1 7.1 苯并(a)蒽 82.2 6.5 80.6 5.8 83.2 6.3 䓛 83.2 5.8 82.7 6.5 80.7 7.3 苯并(b)荧蒽 82.1 3.6 84.5 5.5 81.4 6.2 苯并(j)荧蒽 83.5 3.4 83.4 6.2 80.1 7.7 苯并(k)荧蒽 85.4 5.5 83.3 5.1 82.6 8.5 苯并(e)芘 84.1 7.9 85.5 6.4 80.5 6.1 苯并(a)芘 80.2 5.3 83.1 7.6 85.4 7.9 茚并(1，2，3一cd)芘 82.0 8.4 82.7 6.6 87.3 8.1 二苯并(a，h)蒽 87.2 6.4 87.3 5.3 81.7 6.4 苯并(g，h，i)菲 85.1 5.9 82.4 6.2 82.0 7.3 3.5 样品分析 采集中山市某地区48个农用土壤进行测定，按照本方法的仪器条件进行测试。根据 Maliszewska -Kordybach在1996年提出的土壤污染分类标准4~8J，含量低于 200 ug/kg 的为未污染，200~600 ug/kg的为轻度污染，结果表明，本次采集的48个土壤样品中18种PAHs 化合物有个别有检出，但含量均低于 200 ug/kg，表明该地区未被 PAHs 污染。 4 结论 本文建立了全自动索氏提取一气相色谱三重四极杆串联质谱法测定土壤中18种PAHs的检测方法。采用全自动索氏提取和硅胶小柱对样品进行前处理，配合气相色谱三重四极杆串联质谱仪高灵敏性进行检测，该方法较高的灵敏度和精密度满足实际样品检测的需要，可以作为常规残留检测方法使用。 ( 参考文献： ) ( [1] 赵 洁，何 强，姚秉 华，等 .改进 Q u E Ch E R S -气相 色 谱 一 质谱法 ) ( 快速分析 测 定农 用土 壤 中 多环芳烃[J].分 析 试验 室 ，2 0 1 2 (2)：33 ) ( [2]An d erson K A ，Szele w s k i M J ， W i l s o n G，et a l . Mo d i f i ed ion s o urce - t r iple q ua dr u p ole m ass s p e ctromete r gas c h r o m a t ogra ph fo r p o l y- cyclica r o m atic h y dr o carbon anal ys es [ J ] . 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After extractionof hexane and ethyl acetate (1：1)， the soil was purified by silica gel column and quantified by external standardmethod. Methods Soil pretreatment and instrumental conditions were optimized. The results showed that 18 PAHshad a good linear relationship between 2一50 g/L， and the correlation coefficient R2 was greater than 0.997. The av-erage recovery was 80.2%-92.4% when 0.05人0.50 mg/kg was added， and RSD was 3.2%-8.9%. The sensitivityand accuracy of the method were satisfactory. And precision meet the technical requirements of the determination. Key words： soil； Soxhlet extraction； gas chromatography； triple quadrupole tandem massspectrometry；polycyclic ar-omatic hydrocarbons 多 环 芳 烃 ( P olycyclic A rom atic H ydrocarbonsPA H s)是煤 、石油 、木材 、烟草 、有 机高分 子化合物 等有机物不完全燃烧时产生 的挥发性 碳氢化合物 ，是重要的环境 和 食 品 污 染 物 。美 国环 保 署 (EPA )已 将 16 种PA H S 确 定 为 环 境 优 先 控 制 污 染 物 一。环 境 中 的P A IIs 可以通过 降雨 等方式进入上壤 ，而且 一般上壤 中PA H s 中的含量较低 ，给研究 PA H s 的分析方法带 来 了一定 的困难 ，因此 寻找适 合 P A H s 的提纯 、纯化及 分析方法对在土 壤 中 PA H s 的来 源调 查 、分 布特 征和迁 移转化等研究工作 至关重 要 。目前 国内外 对土壤 中多环芳烃 的研究 已越来越 多 ，准确的检测方 法是研究 PA H s环境行为 的重要手段