土壤中64种痕量半挥发性有机物的分析方法研究
苯系物、苯酚类、苯胺类、硝基芳香烃类、氯代芳烃类、多环芳烃类和酞酸酯类物质是广泛分布于环境土壤中的半挥发性有机污染物。其中多环芳烃类物质如苯并[a]芘、苯并[b]荧蒽、苯并[k]荧蒽、苯并[ghi]芘等均为致癌物；苯酚类尤其是多氯酚、苯胺类和硝基芳香烃类均是有毒物质；酞酸酯类物质是环境雌激素类污染物，能干扰人体和动物的内分泌系统，引起遗传变异，有生殖毒性，有致畸、致突变、致癌作用。这些污染物的半挥发性使其经过淋溶、挥发和沉降等过程，在土壤、水体和大气等环境介质中不停地迁移，并最终在土壤形成累积。我国目前测定土壤中半挥发性有机污染物的方法大多侧重于某一类有机污染物的分析，比如关于部分有机磷和有机氯农药的测定方法等，国内相关文献中介绍过多环芳烃、有机氯农药、有机磷农药及酞酸酯等的测定方法，未见同时测定土壤中64种半挥发性有机物的报道。
土壤样品的提取和净化在测定土壤中半挥发性有机物的过程中非常关键，传统方法多针对某类化合物采用索氏提取或长时间浸泡等方法提取待测物质，用浓硫酸净化或采用佛罗里硅土等净化柱净化提取物。超声提取技术具有提取时间短、提取效率高等优点，美国EPA方法3550B_8即采用该技术提取土壤中的半挥发性有机物。由于不同的净化剂对不同的化合物净化效率存在着差异，因此必须选择合适的净化剂对64种待测物的土壤提取液进行净化。本文参考美国环境标准方法EPA8270C、EPA3550B、EPA3600C等，在样品净化部分提出了新的处理方法，即用二氯甲烷提取后，用ODSC18柱作为净化柱净化提取液。该方法克服了EPA8270C规定方法繁琐及仪器费用高的缺点，一次处理可将所有待测有机污染物全部提取净化浓缩后取部分浓缩液注入气相色谱质谱仪分析。并且通过对比使用ODSC18与佛罗里硅土、中性氧化铝、硅胶净化相同环境土壤加标样质谱检测结果后，未发现使用ODSC18净化的样品有明显高于其它3种净化方法的背景干扰物。该测定方法操作简单、快速、回收率高、精密度好、检出限低，是一种方便实用的分析方法。
1 实验部分
1．1仪器和试剂
HP5890／5972气相色谱．质谱仪；KQ．250DB型数控超声波清洗器(山东昆山超声波仪器有限公司)；注射针：100、50、10若干；干燥管：若干。
64种半挥发有机物标准溶液(1000mg/L)、6种8270替代物标准溶液(4000mg/L)菲一dlO内标溶液(2OOOmg/L)：美国SUPELCO公司；调谐物质十氟三苯基膦(DFTPP)(2500mg/L)：美国Agilent公司；农残级二氯甲烷、甲醇、丙酮、正己烷溶剂：Fisher公司。ODSC18柱：美国Agilent公司；净化剂佛罗里硅土、中性氧化铝、硅胶：天津市化学试剂三厂；无水硫酸钠：北京化工厂，400℃烘4h。冷却后装瓶，于干燥器中保存。
净化柱的装填与净化：在直径10mm干燥管底部放人适量玻璃棉。装入5g净化剂，使用前必须使用50mL提取溶剂冲洗净化柱以消除杂质的干扰。
1．2仪器条件
1．2．1色谱条件色谱柱：DB一5ms(30m×0.32mmi.d．，1.0μm)；柱温：40℃(4min)，6℃／min升温到320℃(10min)；进样口温度：280℃；传输线温度280℃；载气为氦气，流速为：1.3mL／min；进样量:1.0μl；分流模式，分流比为5：1；数据采集方式：全扫描离子检测(SCAN)。
1．2．2质谱条件电子轰击源，电离能量70eV，扫描范围：40～500amu，扫描速度:1.66scans／s。
1．3校准溶液的配制
用微量注射器分别取一定量的半挥发标准溶液、替代物标准溶液和内标溶液至盛有4．0mL二氯甲烷的棕色玻璃储液瓶里，制备成内标质量浓度为20mg/L，其它校准物质和替代物质量浓度分别为:2.0、5.0、10.0、20.0、40.0mg/L的校准溶液；将DFTPP溶液配制成50mg/L的使用液。
1．4样品的测定
称取3Og自然风干的土样于三角瓶中，加人5Oml(二氯甲烷):(丙酮)=50：50混合液，摇匀，放人超声波清洗器中，在室温下用8OHz功率萃取3Omin。萃取液过2cm高无水硫酸钠柱(使用前须先用10mL二氯甲烷淋洗以除去干扰)，净化后的浓缩液收集在250mL烧瓶中。再分别用5OmL上述萃取混合溶液萃取样品2次，过无水硫酸钠柱，最后用50mL混合溶液洗土样及无水硫酸钠柱，萃取液合并收集在250mL烧瓶中。用旋转蒸发仪在40℃下浓缩到约5mL。用二氯甲烷2mL活化ODSC18净化柱，将浓缩液洗人净化柱中，用10mL混合溶液洗净化柱，合并净化液，转移到氮吹管中在40℃浓缩到1mL，加人lOμL20mg/L的内标标准溶液，取1.0注人气相色谱中，用DB一5ms柱分离，用气相色谱质谱仪(GC—MS)进行定性定量分析。
1．5定性定量分析方法
根据保留时间和化合物质谱图与标准物质质谱库中对应化合物的标准质谱图匹配度被测化合物定性；计算每种化合物的特征离子峰面积与内标物质特征离子峰面积相对响应因子(RF)，计算2.0、5.0、10.0、20.0、40.0mg/L5种质量浓度校准溶液的RF值，每个化合物和替代物RF的相对标准偏箍(％RSD)要大于20％，根据平均响应因子()来作定量。
RF值的计算公式如下：
RF=Ax×ρis/(Ais×ρx)
其中：Ax为目标化合物特征离子峰面积；Ais为内标化合物特征离子峰面积；ρis为内标化合物的质量浓度,μg/ml；ρx为目标化合物的质量浓度，μg/ml。
目标化合物浓度的测定公式如下：
土样中化合物质量分数(μg/kg)=Ax×Pis×Vex/(Ais×RF×m0×D)
其中：Ax一目标化合物特征离子峰面积；Ais一相对应的内标化合物特征离子峰面积；ρis一内标化合物质量浓度,μg/ml；Vex一样品提取液的体积mL；m0一土样取样量，g；RF一由初始校准测定取得的被测物平均响应因子；D=(100一样品中湿度％)／100。
2 结果与讨论
2．1色谱柱的选择
由于半挥发性有机污染物(SVOC)的沸点在170—350℃，蒸汽压在(O．1～10-7)×133．322Pa，因此分离这些物质需要使用较高温度耐受性的柱子。分别选择了使用HP一1和DB一5ms柱，发现使用DB一5ms柱能很好的分离大部分的64种半挥发标准物质、6种替代物及1种内标物，并且离子丰度绝大部分都很好。图1是20.0mg/L的64种半挥发标准物质和6种替代物的总离子流图。
 图164种半挥发标准物质和6种替代物的总离子流图 |
2．2提取溶剂的选择
取6份同一种蔬菜基地土壤样品各30g，分别向其中加入2ng的标准物质和10ng替代物，选择二氯甲烷、(二氯甲烷)：(丙酮)=1：1、正己烷、(正己烷)：(丙酮)=1：14种溶剂作为萃取溶剂，用ODSC18作为净化小柱，分别按照样品测定方法测定回收率并作平行测定，结果使用(二氯甲烷)：(丙酮)=1：1作为萃取溶剂对于大部分目标化合物回收率最高。其中替代物加标回收率测定结果见表1。
|
表1 不同萃取溶剂对土壤样品替代物加标回收率的影响
|
2．3净化方法的选择
土壤样品中含有复杂的背景干扰物，在溶剂提取后必须进行足够的净化以消除对色谱柱及质谱检测器的污染，延长使用寿命同时使定性定量更加准确。EPA3640建议对酚类、硝基芳烃类、酞酸酯类、多环芳烃类等用GPC(凝胶渗透色谱)净化萃取液，该方法使用仪器昂贵，成本较高。本实验分别选取ODSC18、佛罗里硅土、中性氧化铝、硅胶作净化剂，先测试这几种净化剂对标准溶液的吸附情况：将10ng64种标准半挥发性有机物分别加入各净化剂中，再分别用10mL二氯甲烷淋洗净化柱，再按样品分析方法分析，结果发现用ODSC18净化的标准溶液各化合物回收率可达95％一105％，几乎是无保留的将标准物质洗脱出来，而用佛罗里硅土、中性氧化铝、硅胶对部分标准物质尤其是酚类物质的洗脱效率都非常低。为了进一步验证这几种净化剂对土壤样品的净化能力，取天津市蔬菜基地的土壤样品每份称取30g，分别加入10ng的标准物质和10ng替代物，按样品测定方法分别选取ODSC18、佛罗里硅土、中性氧化铝、硅胶作净化剂对土壤样品进行净化，测定其回收率，结果佛罗里硅土、中性氧化铝、硅胶对酚类化合物的回收率都较低，另外通过对其它化合物的回收率对比发现佛罗里硅土对某些酯类化合物的回收率也较低。而ODSC18对测定的7O种化合物回收均较好，符合EPA8270C规定的标准。并且经过ODSC18净化过的提取液在质谱图上未发现明显比用其它3种净化柱净化液的质谱图多背景干扰。因此选择ODSC18作为净化柱同时测定64种半挥发性有机物是可行的。表2是四种净化柱替代物加标回收率对比表。
|
表 2不同的净化剂净化样品替代物回收率对比
|
2．4校准曲线响应因子(RF值)及检出限
2．4．1校准曲线RF值在仪器的调谐和系统检验满足要求后，依次进行2．O、5．O、lO．O、2O．O、40.0mg／L5个不同浓度校准样品的测试；计算曲线的响应因子，并计算各响应因子的相对标准偏差，计算结果各化合物的响应因子RF值均大于O．05，RF值的相对标准偏差(RSD％)均小于15％。
2．4．2检出限连续分析7个接近于仪器检出限
浓度的实验室空白加标样品，计算其标准偏差s，再根据以下公式计算检出限。
MDL=St(n-1,0.99)
其中：t(n-1,0.99)为置信度为99％、自由度为n一1时的t值；n为重复分析的样品数。
2．5回收率和精密度实验
分别向5份同样的土壤样品中加入15.0ng6种替代物和15.0ng64种混合标准溶液，按照样品分析步骤进行操作，做基体加标(MS)和基体加标平行(MSD)分析，计算它们的相对标准偏差，来考察基体效应和精密度。结果MS与MSD的相对标准偏差均小于10％，符合EPA8270C的要求。
使用微信“扫一扫”功能添加“谷腾环保网”
