超声辅助提取-固相萃取-气相色谱-质谱法测定污泥中12种多环芳烃

王 梓，杨兆光，李海普

(中南大学 环境与水资源研究中心，长沙410083)

多环芳烃(PAHs)是指由2个或2个以上稠环或非稠环的形式连接在一起所形成的具有半挥发性的有机化合物，具有较高的熔沸点，蒸汽压很低，难溶于水，易于在环境中远距离传输[1]，是一类具有典型“三致”(致癌、致畸、致突变)作用的有机污染物[2]。PAHs来源广泛，主要分为天然源和人为源[3-4]。天然源主要包括燃烧和生物的合成作用，如火灾、火山爆发等。人为源包括人类的排泄物、日用化学品、汽车燃料、润滑油、清洁剂、雨水径流等。环境中的PAHs能够在大气圈、水圈、土壤圈及生物圈中稳定的不断循环。PAHs具有疏水性和亲脂性，极易与固体颗粒结合而持久富集在沉积物中，从而对环境产生越来越严峻的风险。

污水处理厂对污水处理后产生的活性污泥基质复杂，所含污染物种类众多，且含量较高。如污染物种类超过一定限度，直接对污泥进行深土填埋极易对周围环境产生污染。因此，在对脱水污泥进行深土填埋之前，有必要对其中PAHs的含量进行测定，判断其是否达到国家规定的污泥的填埋标准，以防止土壤被污染[5]。

目前，沉积物中PAHs的前处理方法有很多种，根据沉积物的化学处理过程可分为提取和净化两个步骤[6]。在PAHs前处理的过程中，索氏提取、快速溶剂提取(ASE)[7-8]、超声辅助提取等提取方法在国内外有着广泛的应用[9]。文献[10]采用自动索氏提取-固相萃取-气相色谱-质谱法(GC-MS)测定土壤中的PAHs；文献[11]用自动索氏提取-固相萃取-高效液相色谱法(HPLC)测定油炸制品中的PAHs；文献[12]采用快速溶剂提取的方法，测定了土壤中PAHs。索氏提取在提取大分子和小分子时提取效果均较好，缺点在于耗时长、所需溶剂较多[13]；快速溶剂提取对装置要求较高，且容易发生堵塞；超声辅助提取利用超声波辐射压强产生的强烈空化效应、扰动效应、击碎和搅拌作用等多级效应，增大物质分子运动频率和速率，增加溶剂穿透力，从而加速目标成分进入溶剂，促进提取的进行[14]。

本工作采用超声辅助提取-固相萃取-气相色谱-质谱法对污泥中萘(NAP)、苊烯(ANY)、苊(ANA)、芴(FLU)、菲(PHE)、蒽(ANT)、荧 蒽(FLT)、芘(PYR)、苯并[a]蒽(Ba A)、苯并[a]芘(BaP)、茚并[1，2，3-cd]芘(IPY)和苯并[ghi]苝(BPE)等12种PAHs进行测定。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

Agilent 7890A 型气相色谱仪；Agilent 5975C型质谱仪；KQ 5200DE 型数控超声波清洗器；H1850型离心机；Silent Shake VM-01U 型涡旋仪。

12种PAHs的标准储备溶液:100 mg·L－1，以二氯甲烷为介质。

12种PAHs的混合标准溶液:100μg·L－1，分别移取适量的12种PAHs的标准储备溶液，用二氯甲烷稀释混合而成。

所用试剂均为色谱纯；试验用水为超纯水。

1.2 仪器工作条件

1)色谱条件 HP-5MS 石英毛细管色谱柱(60 mm×0.25 mm，0.25μm)；进样口温度290 ℃；载气为氦气(纯度为99.999 5%)；流量1.3 m L·min－1；恒压分流模式，分流比为20∶1；进样量1μL。柱升温程序:初始温度90 ℃，保持2 min；以15 ℃·min－1速率升温至180 ℃，保持15 min；以10 ℃·min－1速率升温至250 ℃，保持2 min；以10 ℃·min－1速率升温至290 ℃，保持10 min。

2)质谱条件 电子轰击离子源；溶剂延迟4 min；选择离子监测模式。其余质谱参数见表1。

1.3 试验方法

1.3.1 样品采集及保存

所有污泥样品均采集自某污水处理厂生物池中，将生物池中活性污泥脱水后得到脱水污泥。取适量的脱水污泥，冷冻干燥至污泥完全脱水后，将完全干燥后的污泥样品过0.150 mm(100目)筛，得到适当粒径大小的污泥样品，放冰箱冷冻保存。

1.3.2 样品前处理过程

沉积物中PAHs的测定过程可分为提取和净化两个部分。在提取过程中，使用30 m L的体积比为1∶1的乙酸乙酯和丙酮的混合液(提取溶剂)对适当粒径大小的污泥样品(约1 g)进行提取，然后将上述混合物在2 500 r·min－1转速下涡旋30 s、在40 k Hz的频率和200 W 的功率下超声1.0 h、在8 000 r·min－1转速下离心5 min，取上清液。在净化过程中，使用硅固相萃取柱对上清液进行净化，将净化后的溶剂进行氮吹至1.0 m L，最后按仪器工作条件进行测定。

表1 质谱参数Tab.1 MS parameters

2 结果与讨论

2.1 色谱行为

按仪器工作条件对12种PAHs的混合标准溶液进行测定，色谱图见图1。

按试验方法对污泥样品进行分析，污泥样品的色谱图见图2。

图1 12种PAHs的混合标准溶液的色谱图Fig.1 Chromatogram of mixed standard solution of 12 PAHs

图2 污泥样品的色谱图Fig.2 Chromatogram of sludge sample

2.2 提取溶剂的选择

根据“相似相溶”原理，作为有机物的PAHs可以使用极性相似的有机溶剂提取出来。用来作为沉积物中PAHs的提取溶剂一般有二氯甲烷、正己烷、丙酮和乙酸乙酯。试验分别使用上述纯溶剂或用上述其中两种溶剂等比例的混合液来对污泥中的PAHs进行提取，共有10种提取溶剂可供选择。当乙酸乙酯作为提取溶剂时，有机物有很好的提取效果，但同时也会从沉积物中带出大量杂质[15]，因此乙酸乙酯不适宜作为提取溶剂。二氯甲烷具有较大毒性，不能用二氯甲烷或者体积比为1∶1的二氯甲烷和乙酸乙酯的混合液作为提取溶剂。其余7种提取溶剂依次为体积比为1∶1的乙酸乙酯和丙酮的混合液、体积比为1∶1的二氯甲烷和丙酮的混合液、体积比为1∶1的正己烷和丙酮的混合液、体积比为1∶1的乙酸乙酯和正己烷的混合液、体积比为1∶1的二氯甲烷和正己烷的混合液、丙酮、正己烷。按试验方法考察了上述7 种提取溶剂对12 种PAHs回收率的影响，结果见图3，以回收率为60%～130%为有效回收率。

由图3可知:体积比为1∶1的乙酸乙酯和丙酮的混合液作为提取溶剂时，只有BPE 回收率达不到要求；体积比为1∶1的乙酸乙酯和正己烷的混合液作为提取溶剂时，只有ANT 和PYR 的回收率不满足要求，其余5种提取溶剂提取PAHs时，满足回收率要求的PAHs均比体积比为1∶1的乙酸乙酯和丙酮的混合液少。产生上述结果的原因可能是丙酮与二氯甲烷具有很强的亲核性，而PAHs具有较大的电子密度和强亲核性，因此与沉积物基质相比，丙酮与二氯甲烷对PAHs有更强的竞争力，同时丙酮具有很强的溶解能力，更加有利于PAHs进入到液相当中[16]。当乙酸乙酯与丙酮混合作为提取溶剂时，PAHs的提取效果均较好，可能是由于乙酸乙酯与丙酮混合时，两种溶剂相互接触，使得杂质不易转移到提取溶剂中。比较7 种提取溶剂的提取效果，试验选择提取溶剂为体积比为1∶1的乙酸乙酯和丙酮的混合液。

图3 提取溶剂对12种PAHs回收率的影响Fig.3 Effect of extraction solvent on values of recovery of 12 PAHs

2.3 超声时间的选择

提取溶剂与沉积物基质混合后，需经涡旋、超声等步骤使目标物更好地溶解到提取溶剂中。按试验方法考察了超声时间依次为0，0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 h时对12种PAHs回收率的影响，结果见图4，以回收率为60%～130%为有效回收率。

由图4可知:超声时间为0 h时，只有ANY 和BPE 的回收率在有效回收率范围内；超声时间为0.5 h时，ANY、PHE、Ba A、IPY 和BPE 的 回 收 率均在有效回收率范围内；超声时间为1.0 h时，满足回收率要求的PAHs迅速增加到11种，只有ANT的回收率不满足要求；当超声时间大于1.0 h时，满足回收率要求的PAHs稳定在11种，与超声时间1.0 h时的提取效果相似。这说明超声时间为1.0 h时，沉积物中的PAHs已经与提取溶剂充分接触，并最大程度地转移到提取溶剂中。试验选择超声时间为1.0 h，既可以节省整个前处理时间，也可以满足PAHs的测定需求。

图4 超声时间对12种PAHs回收率的影响Fig.4 Effect of ultrasonic time on values of recovery of 12 PAHs

2.4 固相萃取柱的选择

C18、HLB等填料柱为反相固相萃取柱，填料物质极性小，可用来分析非极性到中等极性的化合物；硅、Florisil、Alumina等填料柱为正相固相萃取柱，填料物质极性大，可用来分析中等极性到极性的化合物。在沉积物中，相比PAHs而言，杂质极性较大，因此应尽量选择正相固相萃取柱，利用其中的极性填料来吸附杂质，达到除杂的目的。一般常用的正相固相萃取柱有硅、Florisil、AL-A、AL-B、AL-N等，依次选用以上5种固相萃取柱与C18反相固相萃取柱(作为对比)，总共6种固相萃取柱作为净化柱，考察了PAHs在不同种类的固相萃取柱上的净化能力。每种固相萃取柱分别做3组空白样品及3组加标量为200μg·L－1的基质加标样品，分别计算每种固相萃取柱对于PAHs的回收率，回收率为60%～130%为有效回收率，固相萃取柱对12 种PAHs回收率的影响见图5。

由图5 可知:硅固相萃取柱作为净化柱时，11种PAHs均满足回收率要求；其他种类的固相萃取柱作为净化柱时，不是所有PAHs都在有效回收率范围之内；当C18固相萃取柱作为净化柱时，NAP、ANY、FLU、PHE、FLT、Ba A 和BPE 等7种PAHs均不满足回收率要求。PAHs为一类弱极性的化合物，填料物质为强极性的正相固相萃取柱对PAHs有更好的净化效果。因此，硅、Florisil、ALA、AL-B、AL-N 固相萃取柱相比C18固相萃取柱有更好的净化作用。AL-A、AL-B、AL-N 等3种固相萃取柱中，中性AL固相萃取柱净化效果最好，酸性或者碱性都会影响填料对PAHs的净化效果。硅和Florisil固相萃取柱对PAHs的净化效果差不多，但硅固相萃取柱有更好的精密性，且硅固相萃取柱相比较中性AL 固相萃取柱而言，精密性也较好。因此，试验选用硅固相萃取柱作为PAHs的净化柱。

图5 固相萃取柱对12种PAHs回收率的影响Fig.5 Effect of solid phase extraction column on values of recovery of 12 PAHs

2.5 标准曲线和检出限

按仪器工作条件对PAHs的混合标准溶液系列进行测定，并绘制标准曲线。结果表明:12 种PAHs的质量分数均在5～500μg·kg－1内与其对应的峰面积呈线性关系，线性回归方程和相关系数见表2。

根据MDL＝t(n－1，0.99)×s[其 中，t(n－1，0.99)为 置信度99%、自由度(n－1)时的t 值，n 为重复测定的次数]计 算 方 法 的 检 出 限。当n＝7时，t(n－1，0.99)为3.143，检出限结果见表2。

2.6 精密度和准确度

以污水处理厂的脱水污泥作为空白样品，按试验方法进行加标回收试验，计算回收率和测定值的相对标准偏差(RSD)，结果见表3。

表2 线性回归方程、相关系数和检出限Tab.2 Linear regression equations，correlation coefficients and detection limits

表3 回收试验结果(n＝7)Tab.3 Results of test for recovery(n＝7) %

由表3可知:回收率为54.9%～108%，RSD 为0.10%～5.4%。

2.7 样品分析

按试验方法对某污水处理厂的脱水污泥样品进行分析，平行测定3次，测定结果见表4。∑PAHs为12种PAHs测定值的总和。

由表4可知:污泥中PAHs的单体质量分数为8.77～592 μg·kg－1，∑PAHs 的 质 量 分 数 为2 000μg·kg－1左右；根据土壤中PAHs污染标准(PAHs质量分数小于200μg·kg－1，为无污染土壤；PAHs质量分数为200～600μg·kg－1，为轻污染土壤；PAHs质量分数为600～1 000μg·kg－1，为污染土壤；PAHs质量分数大于1 000μg·kg－1，为重污染土壤)，污泥样品中PAHs平均质量分数为2 065μg·kg－1，属于重污染土壤，在进行深土填埋时，要通过必须的生物化学手段，将污泥中的PAHs含量进行吸附或者降解，以降低污泥中PAHs对周围环境的影响，保证污泥能够达到规定的深土填埋标准[17-18]。

表4 样品分析结果Tab.4 Analytical results of the samples μg·kg－1

本工作建立了超声辅助提取-固相萃取-气相色谱-质谱法测定污泥中12种PAHs的分析方法，为沉积物中PAHs的测定提供了试验方案，为污泥中PAHs对环境的影响提供了测定依据。