高效液相色譜法檢測土壤時前處理過程對低環多環芳烴損失的影響

曹燕燕,朱 晨,王 梅

(山東省生態環境監測中心,濟南 250101)

多環芳烴(PAHs)屬于持久性有機污染物(POPs),具有致癌、致突變、致畸、難降解、能遠距離傳輸等特點。PAHs是一類含有兩個或兩個以上苯環的化合物,依據其物理、化學性質,可分為低環(2～3環)和高環(4～7環)PAHs。森林火災,機動車尾氣,化石燃料和木材的不完全燃燒、焦化以及石化等的工業生產都會產生PAHs,PAHs排放在環境中后將不斷蓄積,最終通過食物鏈對人類帶來危害。美國環境保護署將16種PAHs確定為優先控制污染物,我國2018 年頒布實施的GB 36600－2018《土壤環境質量 建設用地土壤污染風險管控標準(試行)》及GB 15618－2018《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》均將PAHs納入了風險管控范圍。

目前用于土壤中PAHs測定的方法通常有氣相色譜-質譜法、液相色譜法、氣相色譜法、發光光譜法等[1-3]。PAHs在環境介質中含量普遍低微,為滿足測定要求,需要進行前處理富集,而土壤復雜的基質使這個過程變得較為繁瑣。據文獻[4]統計顯示,土壤樣品前處理時間約占總分析時間的70%,約50%的試驗誤差來自樣品制備和前處理階段。其中,萘、苊、苊烯、芴、菲、蒽等低環PAHs在前處理過程中更易損失,其回收率普遍偏低,主要和PAHs物理、化學性質的差異有關[5]。文獻[6]發現飽和蒸氣壓和沸點是影響低環PAHs回收率的主要因素;文獻[7]發現氮吹濃縮所得PAHs的回收率明顯低于旋轉蒸發濃縮的,特別是低環PAHs;文獻[8]發現采用加速溶劑萃取法(ASE)耗時短、平行樣品精密度好,萘、苊等低沸點PAHs的回收率優于索氏提取法的。

考慮到目前報道前處理環節對低環PAHs回收率影響的文獻較少,本工作以十氟聯苯為替代物進行質量控制(HJ 784－2016《土壤和沉積物 多環芳烴的測定 高效液相色譜法》要求其回收率達到60%～120%),探討了影響低環PAHs回收率的前處理環節并優化了前處理條件,最終采用ASE 提取,減壓濃縮＋氮吹濃縮分段富集,硅酸鎂固相萃取柱凈化,高效液相色譜法測定,既保證了測定準確度,又提高了工作效率。

1 試驗部分

1.1 儀器與試劑

1260型液相色譜儀,配二極管陣列及熒光串聯檢測器;BUCHI E-916 型自動加速溶劑萃取儀;EYEL4 VTX 型振蕩式旋渦減壓濃縮裝置;Biotage Turbo VapⅡ型氮吹濃縮儀;SUPELCO VISIPREPTM DL型12孔固相萃取裝置,Supelco硅酸鎂固相萃取柱;AX204型電子天平。

16種PAHs混合標準溶液:500 mg·L－1,包括萘、苊、苊烯、芴、菲、蒽等6種目標低環PAHs,介質為乙腈。

十氟聯苯標準溶液:5 000 mg·L－1,介質為乙腈。

16種PAHs混合標準使用液:20 mg·L－1,取適量500 mg·L－116種PAHs混合標準溶液,用乙腈稀釋而成。

十氟聯苯標準使用液:100 mg·L－1,取適量5 000 mg·L－1十氟聯苯標準溶液,用乙腈稀釋而成。

正己烷、丙酮、乙腈等均為色譜純;試驗用水為一級水。

1.2 儀器工作條件

SUPELCO LC-PAH 色譜柱(150 mm ×4.6 mm,5μm);柱溫35 ℃;流動相A 為乙腈,B為水;流量1.0 mL·min－1。梯度洗脫程序:0～15 min時,A 為55%;15～30 min時,A 由55%升至95%,保持10 min;40～41 min時,A 由95%降至55%,保持4 min。紫外檢測波長220 nm;熒光檢測器激發波長250～285 nm,發射波長350～500 nm;進樣量10μL。

1.3 試驗方法

按照HJ/T 166－2004《土壤環境監測技術規范》的相關要求采集和保存土壤樣品,除去樣品中的枝棒、葉片、石子等異物。

分取10 g土壤樣品,用適量粒狀硅藻土脫水,置于自動加速溶劑萃取儀中,按照如下程序萃取:萃取劑為體積比1∶1的丙酮-正己烷混合溶液,萃取劑用量50 mL,載氣壓力0.7 MPa,萃取池壓力10 MPa,萃取溫度100 ℃,靜態萃取時間5 min,氮氣吹掃時間60 s,萃取次數2次。合并萃取液,置于振蕩式旋渦減壓濃縮裝置中,設置真空度0.06～0.07 MPa,轉速200 r·min－1,溫度30 ℃,將上述萃取液減壓濃縮至5.0 mL(一次濃縮),并全部轉入氮吹濃縮管中,設定氮吹濃縮儀氮氣壓力100 kPa,水浴溫度30 ℃,將萃取液進一步氮吹濃縮至約1.0 mL(二次濃縮)。當樣品不需要凈化時,在上述1.0 mL濃縮液中加入3 mL 乙腈,再氮吹濃縮至約1.0 mL,將溶劑完全置換為乙腈,并用乙腈將所得溶液定容至1.0 mL,按照儀器工作條件測定;當樣品需要凈化時,依次用4.0 mL 二氯甲烷、10.0 mL正己烷活化Supelco 硅酸鎂固相萃取柱,將上述1.0 mL濃縮液全部過柱,用10.0 mL 體積比1∶1的二氯甲烷-正己烷混合溶液洗脫,收集洗脫液,于30 ℃氮吹濃縮至約1.0 mL,加入3 mL 乙腈,再氮吹濃縮至約1.0 mL,將溶劑完全置換為乙腈,并用乙腈將所得溶液定容至1.0 mL,按照儀器工作條件測定。

2 結果與討論

2.1 減壓濃縮條件的選擇

2.1.1 真空度

16種PAHs的揮發性存在較大差異,25 ℃時6種低環PAHs飽和蒸氣壓為10－3～10 Pa,其飽和蒸氣壓較高。文獻[7]研究結果表明,真空度會影響減壓濃縮時間及蒸氣壓,真空度越高,有機溶劑揮發越快,濃縮時間越短,但是體系壓力和PAHs沸點會同步降低,導致飽和蒸氣壓較高的低環PAHs回收率偏低。用體積比1∶1的丙酮-正己烷混合溶液稀釋16種PAHs混合標準使用液和十氟聯苯標準使用液,配制6種低環PAHs和十氟聯苯的質量濃度分別為1.00 mg·L－1和5.00 mg·L－1的ASE加標模擬液50 mL,并以此為待測對象優化了真空度。最終試驗選擇的真空度為0.06～0.07 MPa,該真空度下ASE 加標模擬液中的有機溶劑能以25～30滴·min－1速率緩慢穩定地滴入廢液收集瓶中。

2.1.2 減壓濃縮溫度

試驗進一步考察了減壓濃縮溫度分別為25,30,35 ℃時對6種低環PAHs和十氟聯苯回收率的影響,結果見圖1。

圖1 減壓濃縮溫度對7種目標物回收率的影響Fig.1 Effect of vacuum concentration temperature on the recovery of the 7 targets

由圖1可知:減壓濃縮溫度為30℃時的目標物的回收率較25 ℃時的略有上升,其中菲、蒽的回收率上升較多,這可能和25 ℃時減壓濃縮時間長、目標物損失較多有關;減壓濃縮溫度為35℃時7種目標物的回收率較30 ℃時的下降較多(均低于80.0%),這可能與這些目標物隨萃取溶劑共揮發有關[9]。因此,試驗選擇的減壓濃縮溫度為30 ℃。

2.2 濃縮方式的選擇

以2.1.1節ASE加標模擬液為待測對象,試驗比較了4種濃縮方式下7種目標物的回收率:①將待測對象減壓濃縮至5.0 mL 后直接上機測定;②將待測對象一次減壓濃縮至約1.0 mL,后續凈化、乙腈置換、定容步驟同試驗方法;③將待測對象一次氮吹濃縮至約1.0 mL,后續凈化、乙腈置換、定容步驟同試驗方法;④ 將待測對象先減壓濃縮至5.0 mL,再氮吹濃縮至約1.0 mL,后續凈化、乙腈置換、定容步驟同試驗方法。每種濃縮方式均進行6次平行試驗,計算7種目標物測定值的相對標準偏差(RSD),分別為2.1%～5.1%、60%～82%、6.0%～12%和3.1%～6.5%,回收率結果見圖2。

圖2 濃縮方式對7種目標物回收率的影響Fig.2 Effect of concentration method on the recovery of the 7 targets

由圖2 可知:一次減壓濃縮至約1.0 mL 時,7種目標物的回收率為21.2%～36.8%,同時濃縮時間較長且平行測定的精密度較差;一次氮吹濃縮至約1.0 mL時,7種目標物的回收率較一次減壓濃縮至約1.0 mL 時的稍高,但均在70.0%以下(56.0%～64.8%),低于按照試驗方法進行分段濃縮至約1.0 mL時的(82.2%～93.8%),該結果與文獻[10]的一致,文獻[11-12]認為這是由于氮吹濃縮大體積萃取液時,濃縮時間較長,濃縮液表面氣液平衡被打破,低沸點目標物會隨著氮氣快速轉移到空氣中,導致其回收率降低;和減壓濃縮至約1.0 mL的相比,減壓濃縮至5.0 mL時所得7種目標物的回收率均較高(87.7%～95.2%),耗時較短,平行測定精密度均較好,推測減壓濃縮時丙酮先蒸出,剩余溶劑正己烷沸點較高,減壓濃縮至約1.0 mL 需要更高的真空度,導致目標物與正己烷共揮發,從而使目標物的回收率下降,該結果與文獻[6]的(減壓濃縮萃取液剩余量會對回收率產生影響,萃取液剩余量越多,目標物損失率越低)一致;分段濃縮至約1.0 mL所得回收率和一次減壓濃縮至5.0 mL的基本一致,說明對小體積萃取液進行二次氮吹濃縮不會導致目標物較大損失。綜合考慮濃縮時間、減壓濃縮萃取液剩余量以及檢測低含量樣品時二次濃縮的必要性,試驗選擇先用減壓方式將萃取液濃縮至5.0 mL,再用氮吹方式進行二次濃縮。

2.3 氮吹濃縮條件的選擇

2.3.1 氮氣壓力

在正己烷中加入適量16種PAHs混合標準使用液和十氟聯苯標準使用液,配制6種低環PAHs和十氟聯苯的質量濃度分別為1.00 mg·L－1和5.00 mg·L－1的減壓濃縮加標模擬液5 mL,保持水浴溫度30 ℃,考察了氮氣壓力分別為30,100,200,300 kPa時對7種目標物回收率的影響,結果見圖3。

圖3 氮氣壓力對7種目標物回收率的影響Fig.3 Effect of nitrogen pressure on the recovery of the 7 targets

由圖3可知:氮氣壓力為30 kPa時,7 種目標物的回收率均在70.0%以上,但是濃縮時間過長;氮氣壓力為100 kPa時,7種目標物的回收率均較高(93.6%～98.0%);氮氣壓力為200 kPa時,7種目標物回收率略有下降;氮氣壓力增至300 kPa時,雖然濃縮時間較短,但是7種目標物的回收率降至54.9%～75.6%。推測隨著氮氣壓力的增加,氮氣流量增大,濃縮液表面的氣、液相平衡不穩定程度增加,目標物易逃逸到氣相中,造成回收率降低[6]。綜合考慮回收率和濃縮時間,試驗選擇的氮氣壓力為100 kPa。

2.3.2 水浴溫度

水浴溫度對飽和蒸氣壓高的化合物影響較大[13],進而影響其回收率。試驗以2.3.1節減壓濃縮加標模擬液為待測對象,考察了水浴溫度分別為28,30,35,40,45 ℃時7種目標物回收率的影響,結果見圖4。

圖4 水浴溫度對7種目標物回收率的影響Fig.4 Effect of water bath temperature on the recovery of the 7 targets

由圖4可知:當水浴溫度為28℃時,萘、苊和苊烯的回收率較低;當水浴溫度為30 ℃時,7種目標物的回收率均較高(90.0%以上);水浴溫度繼續升高,濃縮時間縮短,但是7種目標物回收率均有不同程度降低?？傮w來看,5種水浴溫度下7種目標物的回收率均大于80.0%,說明水浴溫度對7種目標物的準確度影響不顯著。綜合考慮回收率和濃縮時間,試驗選擇的水浴溫度為30 ℃。

2.4 萃取、濃縮和凈化環節的影響

試驗綜合考察了萃取、濃縮和凈化環節對目標物測定的影響。加標模擬樣品用石英砂模擬樣品基質,配制與2.1.1節相同加標量的加標模擬樣品,按照試驗方法測定。用正己烷稀釋16種PAHs混合標準使用液和十氟聯苯標準使用液,配制與2.1.1節相同加標量的模擬凈化液,后續乙腈置換、定容步驟同試驗方法,回收結果見圖5。

圖5 前處理過程對7種目標物回收率的影響Fig.5 Effect of pretreatment process on the recovery of the 7 targets

結合圖2 和圖5 結果可知,增加萃取步驟后7種目標物的回收率(78.0%～91.2%)和濃縮方式④所得結果(82.2%～93.8%)基本一致,低于模擬凈化液中的7 種目標物的回收率(92.1%～97.4%),說明萃取和凈化環節對目標物準確測定影響不大,減壓濃縮環節影響更大。這是由于:ASE過程是在加壓、加熱、密閉環境中自動完成的,萃取用時短,能有效避免低沸點PAHs的損失[14];減壓濃縮過程操作流程繁復,影響因素復雜,更易導致目標物的損失。

2.5 標準曲線和檢出限

取適量16種PAHs混合標準溶液和十氟聯苯標準溶液,用乙腈逐級稀釋,配制成6 種目標低環PAHs 的質量濃度為0.04,0.10,0.5,1.00,2.00 mg·L－1,十氟聯苯的質量濃度為0.20,0.50,2.50,5.00,10.0 mg·L－1的混合標準溶液系列。以7種目標物的質量濃度為橫坐標,其對應的峰面積為縱坐標繪制標準曲線,外標法定量,所得線性范圍、線性回歸方程、相關系數見表1。

表1 線性參數和檢出限Tab.1 Linearity parameters and detection limits

用石英砂模擬樣品基質,按照試驗方法重復進行7次空白加標試驗(加標量0.6～7μg·kg－1),計算7次平行測定結果的標準偏差(s),以3.143s計算檢出限,所得結果見表1。

2.6 樣品分析

按照試驗方法分析土壤標準樣品CRM141-50G,重復測定5 次,計算測定值的RSD,結果見表2。

表2 土壤標準樣品分析結果(n＝5)Tab.2 Analytical results of the soil standard sample(n＝5)

由表2可知,6種目標物的測定值均在認定值的不確定度范圍內,測定值的RSD 為1.4%～5.7%,說明本方法的準確度和精密度較好。

本工作優化了高效液相色譜法分析土壤樣品時的前處理條件,并探討了萃取、濃縮、凈化等前處理環節對萘、苊、芴、菲、蒽、苊烯等6種低環PAHs及替代物十氟聯苯回收率的影響。優化后的方法準確度和精密度較好,能用于土壤樣品中PAHs的準確、高效測定。