氣相色譜質譜法測定土壤中16種多環芳烴

張 利,楊 玖

(1.攀枝花市仁和區環境監測站，四川 攀枝花 617000；2. 攀枝花市環境監測中心站，四川 攀枝花 617000)

前 言

多環芳烴(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，以下簡稱PAHs)是一類持久性有機污染物，由于非線性排列以及大于五環的高分子量占很大比例，因此很難降解性，同時具有生物累積性、致癌性等特點[1-2]，隨著工業的發展，PAHs 排放越來越多，其中大部分通過大氣沉降、污水灌溉等途徑進入土壤，并通過接觸、食物鏈最終對人類健康造成危害。土壤是 PAHs的儲藏庫和中轉站，且環境中90%以上的PAHs存在于土壤中[3]。PAHs可以在環境中持久存在，且很難被降解，我國 PAHs 污染問題相當突出。近年來，國務院印發的《土壤污染防治行動計劃》(簡稱“土十條”)中指出土壤中PAHs監測將作為未來幾年環境政治工作的重點[4-5]。因此，研究土壤中PAHs污染水平有較大的現實意義。常見的具有致癌作用的多環芳烴多為四到六環的稠環化合物。共有超過100種、具有10 000個不同的多環芳烴化合物。16 種常見的多環芳香烴為:萘、苊烯、苊、芴、菲、蒽、熒蒽、芘、苯并(a) 蒽、屈、苯并( b)熒蒽、苯并(k)熒蒽、苯并(a)芘、二苯并(a，h)蒽、苯并 (ghi) 苝、茚苯 (1,2,3-cd) 芘[6]。16種多環芳烴按苯環的個數劃分，可分為兩類，苯環的個數為2和3的多環芳烴為低分子量多環芳烴，苯環個數為4、5和6的多環芳烴為高分子量多環芳烴，其中茚并(1,2,3-cd)芘、二苯并(a,h)蒽、苯并[g,h,i]苝均為苯環個數較大的多環芳烴[7]，其沸點較高，因此在用氣相色譜-質譜測定過程中需要考慮進樣口溫度、柱溫等測定影響。

內標法是一種間接或相對的校準方法，在分析測定樣品中某組分含量時，加入一種內標物質以校準和消除出于操作條件的波動而對分析結果產生的影響，以提高分析結果的準確性。外標法是以被測組分的純品為標樣，作出峰面積標準曲線。然后，在相同的條件下注入一定量的試樣，根據峰面積，從標準曲線上查出待測組分濃度。本文選用快速溶劑萃取法提取，硅酸鎂小柱進行凈化，通過優化GC-MS參數，比較了外標法與內標法對土壤中PAHs定量的影響，建立了土壤中16種多環芳烴的分析方法，為土壤中PAHs監測工作提供技術支撐及得到更準確的監測結果。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

7890A GC-7000MS氣相色譜質譜儀(Aglient)，旋轉蒸發器(Caliper lifesciences Turbo VapoRⅡ)，振蕩儀(EYELA MMV-1000w)，冷凍干燥機(美國S/P)，吉天APLE-2000快速溶劑萃取儀。

正己烷(HPLC級)、甲醇(HPLC級)、氯化鈉(優級純，經300℃灼燒4h，儲存于密閉容器中)、無水硫酸鈉(優級純，經400℃灼燒4h，儲存于密閉容器中)、丙酮(HPLC級)。石英砂，硅藻土，Florisil小柱(安譜)。

1.2 測定方法

色譜條件：DB-5MS(30m×0.25μm×0.25mm)，載氣(高純氦氣，純度≥ 99.999%)； 柱流速為1.0mL/min；柱溫：由初始溫度80℃，保持2min，以20℃/min的速率升高至180℃，保持5min，再以10℃/min 的速率升高至 290℃，保持5min，再以20℃/min 的速率升高至 310℃。進樣口溫度310℃，進樣方式:分流進樣，分流比為10∶1，進樣量：1μL。

質譜條件：離子源溫度 230℃，EI 源，四級桿溫度：150℃；接口溫度310℃；離子化能量：70eV；掃描模式：全掃描Scan或選擇離子(SIM)模式，溶劑延遲時間：3min。

1.3 標準曲線繪制

內標法：配制混標中間液、替代物中間液和內標中間液，用丙酮：正己烷混合溶劑定容，配置成以下濃度點標準系列，使得多環芳烴和替代物濃度均分別為10μg/L、20μg/L、50μg/L、100μg/L、200μg/L 、300μg/L 、500μg/L。內標物濃度為100μg/L。

外標法：與內標法配置一致，不加內標物，使得多環芳烴和替代物濃度均分別10μg/L、20μg/L、50μg/L、100μg/L、200μg/L 、300μg/L 、500μg/L，混勻，標準曲線現用現配。

1.4 樣品前處理

將土壤樣品放置于墊有錫紙的托盤中，除去枝棒、葉片、石子等異物并混勻，準確稱取約 10.00 g(精確至 0.01g)新鮮樣品，用冷凍干燥儀對樣品進行脫水，將冷凍后的樣品進行充分研磨、均化成細小的顆粒，加入適量硅藻土，拌勻混合后，轉移至萃取池中，并加入替代物。萃取條件為載氣壓力1.0MPa，加熱溫度100℃，萃取壓力1 500psi，靜態萃取時間5min，淋洗體積為60% 池體積，氮氣吹掃時間60s，萃取循環次數2次。將上述提取液轉移至旋蒸瓶中，濃縮至約2mL，3次加入適量的正己烷置換溶劑。將濃縮后的提取液全部經過下端放置潤濕的脫脂棉，上端約5g無水硫酸鈉的漏斗中進行除水，并收集濾液于濃縮器皿中。將上述除水后的濃縮液進行氮吹濃縮至約2.0mL，待凈化(詳細見步驟1.6)，凈化后的溶液再氮吹至約0.5mL，加入適量的內標中間液，使其的內標濃度和校準曲線中內標濃度保持一致，并用丙酮-正己烷(1∶1)混合溶劑，定容至1.0mL，混勻后待測。

1.5 樣品凈化

將硅酸鎂凈化小柱固定在固相萃取裝置上，用4mL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2mL 正己烷分3次洗滌濃縮器皿，洗滌液全部轉入小柱中。緩慢打開控制閥，在填料暴露于空氣之前關閉控制閥，加入5mL 二氯甲烷-正己烷(1+9)混合溶劑進行洗脫，緩慢打開控制閥，待洗脫液浸滿凈化柱后，關閉控制閥，浸潤2min，緩緩打開控制閥，繼續加入5mL 二氯甲烷-正己烷(1+9)混合溶劑，并收集全部洗脫液，待再次氮吹濃縮。

1.6 數據處理

利用SPSS Statistics 19.0對內標法和外標法測定結果數據進行t檢驗分析。

2 結果與分析

2.1 色譜條件的選擇

根據不同進樣口溫度對500μg/L 濃度中16種多環芳烴響應值色譜圖見下圖，前13種物質響應值均無明顯差異，茚并(1,2,3-cd)芘、二苯并(a,h)蒽、苯并[g,h,i]苝等三種物質響應值差別較大，進樣口溫度為310℃，響應值最大。進樣口溫度為280℃、290℃、300℃與進樣口溫度310℃的峰面積有顯著的差異。且在濃度較低(10μg/L)的情況下，進樣口溫度為310℃時，響應值較大，靈敏度較高。由于茚并(1,2,3-cd)芘、二苯并(a,h)蒽、苯并[g,h,i]苝均為苯環個數較大的多環芳烴，其沸點較高，適當提高進樣口溫度，該三種物質響應值較大。為降低目標物的干擾及目標物的檢出限，采用選擇離子方式SIM進行定量。分別對初始柱溫保持時間、初始柱溫、柱流速、程序升溫速率、分流比、進樣量等一系列優化實驗得到最優色譜條件(同1.2)。

注：從左至右依次為1萘-D8; 2萘; 3 2- 氟聯苯; 4苊烯; 5苊-D10; 6苊; 7芴; 8菲-D10; 9菲; 10蒽; 11熒蒽;12 芘; 13 對三聯苯-D-14; 14苯并[a]蒽; 15-D12; 16-; 17苯并[b]熒蒽; 18苯并[k]熒蒽; 19苯并[a]芘; 20苝-D12; 21茚并 [1,2,3-c,d]芘; 22-二苯并[a,h]蒽; 23苯并[g,h,i]芘

2.2 內標法與外標法的比較

通過內標法和外標法分別對土壤中多環芳烴進行測定，并且通過檢出限、精密度、加標回收及實際樣品測定結果進行比較。

2.2.1 檢出限的測定

在最佳色譜條件下進行測定，根據《環境監測分析方法標準制修訂技術導則》(HJ168-2010)中方法和要求計算檢出限。內標法測定結果表明在10～500μg/L內，目標化合物相對響應因子的相對標準偏差均小于20%(見表1)；本方法檢出限均低于國標方法檢出限，符合要求。由表2可知，外標法測定各目標化合物結果在10～500μg/L內線性較好，各目標化合物質曲線相關系數均>0.995，符合要求，各目標化合物檢出限均高于內標法，低于國標方法檢出限。

表1 16種多環芳烴測定平均相對響應因子、相對偏差和方法檢出限(內標法)Tab.1 Average relative standards、relatively response factor and the detection limit of internal standard method

表2 16種多環芳烴測定的線性范圍、相關系數和方法檢出限(外標法)Tab.2 The range of linearity、the correlation coefficients and the detection limit of external standard method

續表2

2.2.2 精確度和準確度的測定

對空白樣品進行加標，加標量為10μg/L，同時稱取適量有證標準物質，通過前處理和上機分析，進行準確度和精密度分析(見表3和表4)，可以看出，各目標化合物相對標準偏差均在20%以下，根據標準方法(HJ805-2016)質控要求，該方法均能滿足要求。對質控樣的結果分析表明，內標法與外標法測定16種多環芳烴物質均在質量控制范圍內，滿足測定要求。

表3 精密度和準確度的測定結果(內標法)Tab.3 The results of accuracy and precision (internal standard method)

表4 精密度和準確度的測定結果(外標法)Tab.4 The results of accuracy and precision (external standard method)

2.3 實際樣品加標回收率的分析

采用周邊土壤樣品進行分析，外標法定量，實際樣品加標回收率在53%～103%之間，平行樣品的相對偏差在20%以內；內標法定量，實際樣品加標回收率在50%～110%，平行樣品的相對偏差在20%以內滿足質量管理控制要求。

2.4 兩種定量方法的比較

通過對兩組數據進行t檢驗，萘、苊烯、苊、芴、菲、蒽、芘、苯并[a]蒽、苯并[a]菲、苯并[k]熒蒽、苯并(a)芘、二苯并(a,h)蒽、苯并[g,h,i]苝測定結果顯示不同定量方法存在顯著性差異，其值分別為t=4.6666，P=0.001<0.01、t=17.00，P=0.000<0.01、t=-10.111，P=0.000<0.01、t=-3.444，P=0.005<0.01、t=-9.955，P=0.000<0.01、t=-8.324，P=0.000<0.01、t=-3.70，P=0.003<0.01、t=-3.455，P=0.004<0.01、t=9.496，P=0.001<0.01、t=9.344，P=0.001<0.01、t=-3.306，P=0.001<0.01、t=6.562，P=0.001<0.01、t=7.096，P=0.001<0.01；熒蒽、苯并(b)熒蒽和茚并(1,2,3-cd)芘定量結果顯示無顯著性差異。結果顯示有差異，可能是土壤基體復雜，測定結果偏差較大。

外標法是最常用的標準曲線法，對標準樣品及人員的操作要求較高，利用標準樣品的濃度和峰面積制作標準曲線對樣品進行定量分析。外標法要求儀器重復性很嚴格，會因不同操作人員、不同測定時間及儀器的使用均會變化，每批樣品測定曲線差異較大，因此需要每次分析進行標準曲線校正。此方法的特點是操作簡單，計算方便，不需測量校正因子，適于自動分析[7]。但儀器的重現性和操作條件的穩定性必須保證，否則，會影響實驗結果。內標法即樣品中加入內標物進行前處理及進樣，同樣對標準物質和人員要求高，內標物質的選擇也很重要，內標法是測定有機物定量分析中的重要技術，可以消除由于系統誤差及人為操作等原因引起的干擾而提高分析結果的準確性。

3 結 論

本文采用快速溶劑萃取法對土壤中16種多環芳烴的提取，通過優化色譜條件，比較了不同溫度下，土壤中16種多環芳烴的響應值。通過優化后的色譜條件，在進樣口溫度為310℃條件下，茚并(1,2,3-cd)芘、二苯并(a,h)蒽、苯并[g,h,i]苝等3種物質峰面積以及響應值均高于國家標準方法。同時對不同的定量方法進行了比較，結果表明，內標法與外標法在各項指標均能滿足實驗室要求，對16中多環芳烴進行定量結果分析，經t檢驗部分項目存在差異性顯著，但質控樣定量結果均在標準值范圍內，這可能跟有機物本身測定的范圍較大，不確定較大。外標法步驟簡單、快速，但受各種因素較大；但內標法抗抗干擾性較強，比較穩定，測定結果更加準確，雖2種定量方法各有優點，建議使用內標法定量，減少其他因素的干擾。