加速溶剂萃取-磁固相萃取净化-气相色谱-质谱法测定土壤中16种多环芳烃和23种有机氯残留

魏 丹, 国 明, 吴慧珍, 张 菊

(1. 河北经贸大学生物科学与工程学院, 河北 石家庄 050061; 2. 浙江省化工研究院有限公司分析测试中心, 浙江 杭州 310023; 3. 浙江树人大学生物与环境工程学院, 浙江 杭州 310015)

多环芳烃(PAHs)和有机氯农药(OCPs)是一类具有致癌、致畸、致突变,且具有环境持久性、生物蓄积性、难降解性的亲脂类疏水性有机污染物,可在环境介质中相互迁移,通过生物富集和食物链对人类健康和生态环境构成了潜在危害。土壤是持久性有机污染物(POPs)的主要环境介质之一,对PAHs和OCPs有储藏和中转的作用。OCPs是斯德哥尔摩公约中优先控制的持久性有机污染物之一,而美国环保局(USEPA)也已将16种PAHs列入优先控制的持久性有机污染物名单[1-4]。

目前,土壤中的PAHs和OCPs的检测方法主要有气相色谱(GC)法和气相色谱-质谱(GC-MS)法等[5-7],其中,GC-MS法分离性能良好,抗干扰能力强，灵敏度高,是近年来应用日益广泛的一种检测方法[8]。目前国内外针对土壤中的PAHs和OCPs的样品前处理方法主要有QuEChERS法、加速溶剂法(ASE)、固相萃取法(SPE)和磁固相萃取法(MSPE)等[9-13],但是在对大量样品处理的适用性方面存在着一些问题,如QuEChERS方法的检出限高、价格高,ASE的净化效果较差,SPE操作较为繁琐等,并且其中大多样品前处理和分析仅是针对这两类有机污染物的一类或是几种。鉴于大规模的土壤质量调查任务中存在时间短、项目多的问题,提高土壤监测工作的时效性十分重要,因此开发土壤中PAHs和OCPs多组分化合物同时快速、灵敏的分析方法具有十分重要的意义。

随着样品前处理技术的不断发展,简单高效且成本低的精准测定是土壤中持久性有机污染物检测的发展趋势。ASE法具有萃取时间短、溶剂消耗少、操作自动化程度高、提取充分、速度快等优点,被广泛用于环境、食品样品中有机污染物的检测中[14-16]。作为一种新型SPE, MSPE具有操作简便、萃取速度快、有机溶剂用量少等优点,越来越受到人们的广泛关注[17-19]。选择合适的磁性萃取介质是MSPE的核心,新型多孔材料咪唑酯骨架结构(ZIFs)具有稳定性好、孔隙率高、比表面积大、孔结构可控、易修饰等特点,可以高效吸附土壤中的有机污染物,如染料、有机酸、芳烃化合物等有机溶质[20-22]。目前ASE结合MSPE应用于土壤中PAHs和OCPs多组分残留检测的研究报道较少。本文结合ASE和MSPE,利用ASE萃取土壤中的PAHs和OCPs,经室温溶剂搅拌法制备磁性金属有机骨架材料ZIF-8/nZVI进行磁固相萃取净化,采用GC-MS进行测定,建立同时测定土壤中16种PAHs和23种OCPs多组分残留的分析方法。

1 实验部分

1.1 仪器、试剂与材料

GCMS-TSQ 9000三重四极杆质谱仪、Chromeleon数据处理软件(配有自动进样器,美国Thermo Scientific公司),用于检测16种PAHs和23种OCPs; Agilent 1290 infinity高效液相色谱-6460 TripleQuad质谱仪(带自动进样器,美国Agilent公司),使用时未连接色谱柱,用于验证净化效果;IKA-RV10真空浓缩仪(德国IKA公司); ASE350型加速溶剂萃取仪,配置34 mL萃取池(美国Thermo Scientific公司); Milli-Q超纯水仪(美国Millipore公司); MS1003S电子天平(精确至0.000 1 g,瑞士Mettler Toledo公司); D8 Advance型X射线粉末衍射(XRD)(德国Bruker公司); Nicolet 5700型傅里叶变换红外(FT-IR)光谱仪(美国Nicolet公司); GeminiSEM 300型场发射扫描电子显微镜(FESEM)(德国Carl Zeiss公司)。

16种PAHs混合标准储备溶液和23种OCPs混合标准储备溶液(均为2 000 mg/L,上海安谱实验科技股份有限公司),均于-10 ℃低温保存;丙酮、正己烷、二氯甲烷(均为农残级)、硅藻土(20～100目)均购自上海安谱实验科技股份有限公司;纳米零价铁(nZVI,纯度>99.5%)(深圳微纳科技有限公司); 2-甲基咪唑与醋酸锌(分析纯,上海阿拉丁试剂有限公司)。

标准溶液配制:分别移取质量浓度均为2 000 mg/L的16种PAHs和23种OCPs标准储备溶液,用正己烷稀释,配制成质量浓度均为100 mg/L的39 种目标物的混合标准中间液,于-10 ℃低温保存;然后根据实验要求移取适量的混合标准中间液,以空白土壤样品净化液为基底配制不同含量的基质匹配混合标准工作液,用正己烷-丙酮(1∶1, v/v)为溶剂配制不同质量浓度的混合标准工作液,现配现用。

磁性ZIF-8/nZVI材料的制备:参考文献[23],采用室温溶剂自组装法制备ZIF-8。取1.084 2 g醋酸锌加入100 mL水中得到溶液Ⅰ,取3.282 4 g 2-甲基咪唑于100 mL水中得到溶液Ⅱ,将溶液Ⅰ快速加入到溶液Ⅱ中,室温(25 ℃)搅拌24 h,静置,离心,得到白色沉淀,使用20 mL水洗涤3次,再使用20 mL甲醇洗涤3次,80 ℃烘干,得到片状ZIF-8;然后将ZIF-8和nZVI按1∶1(质量比)混合后研磨1 h,得到磁性材料ZIF-8/nZVI。

1.2 样品前处理

1.2.1样品采集及处理

采集土壤样品,挑除石子等异物,充分混匀后将样品放入-38 ℃的高低温试验箱进行4 h预冷冻,然后用真空冷冻干燥仪对样品进行脱水,冻干后充分研磨、过筛(20目)。

1.2.2样品萃取

称取20 g(精确至0.01 g)样品及适量硅藻土放入玻璃研钵中,掺拌均匀,研磨成细粒状,装入34 mL萃取池中进行加速溶剂萃取。萃取溶剂为二氯甲烷-正己烷(1∶1, v/v),萃取温度为100 ℃,萃取压力为11.032 MPa,加热时间为5 min,静态萃取时间为5 min,循环萃取3次,冲洗体积为60%萃取池体积,氮气吹扫100 s,收集全部萃取液,30 ℃旋转蒸发至近2 mL,用少量二氯甲烷-正己烷(1∶1, v/v)混合溶剂将旋转蒸发瓶底部冲洗2次,合并全部的浓缩液至10 mL试管中,氮吹至干,最后用二氯甲烷-正己烷(1∶1, v/v)混合溶剂定容至1 mL,待净化。

1.2.3样品净化

称取100 mg的ZIF-8/nZVI磁性材料置于50 mL烧杯中,然后加入1 mL处理后的样品溶液,室温下振荡15 min,待吸附完全后,利用磁铁将磁性粒子与样品溶液分离,收集上清液在氮气下吹干,定容至1 mL,混匀后转移至2 mL样品瓶中,GC-MS进行定量分析。

1.3 仪器条件

气相色谱条件:HP-5MS石英毛细管色谱柱(30 m×0.25 mm, 0.25 μm)(美国安捷伦科技公司),进样口温度280 ℃,分流比10∶1,进样量1.0 μL,柱流量1.2 mL/min(恒流);柱温:80 ℃保持2 min;以20 ℃/min速率升至180 ℃,保持5 min;再以10 ℃/min速率升至290 ℃,保持5 min。

质谱条件:电子轰击源(EI),离子源温度230 ℃,离子化能量70 eV,接口温度280 ℃,四极杆温度150 ℃,溶剂延迟时间5 min;扫描模式为选择离子监测(SIM)模式。16种PAHs和23种OCPs的质谱参数见表1。

2 结果与讨论

2.1 磁性材料的表征

图1a为室温法制备所得ZIF-8/nZVI的扫描电镜(SEM)图,该图揭示了材料的微观结构。以水为溶剂制备的ZIF-8的形状为片状,粒径大小约为1.5 μm,图1a中ZIF-8/nZVI表面粗糙说明了ZIF-8和nZVI的有效结合。图1b是nZVI、ZIF-8/nZVI、ZIF-8的FT-IR图,从中可以看出,ZIF-8的FT-IR光谱图与文献[23]中一致,其中2 925 cm-1处的吸收峰属于咪唑环中C-H键的伸缩振动峰;ZIF-8在2 600 cm-1和1 843 cm-1处没有发现氢键的吸收峰和咪唑环中N-H键的振动吸收峰,表明2-甲基咪唑已完全去质子化,与锌共价结合成ZIF-8,且ZIF-8/nZVI显示出和ZIF-8一样的特征吸收峰,进一步证明了ZIF-8和nZVI的有效结合。图1c是ZIF-8单晶粉末的XRD衍射图,从中可以看出,制备所得的ZIF-8出现衍射峰的位置与理论上ZIF-8特征衍射峰位置一致。

表 1 16种PAHs和23种OCPs的质谱条件

图 1 (a)ZIF-8/nZVI的SEM图,(b)nZVI、ZIF-8/nZVI、ZIF-8的FT-IR图与(c)ZIF-8的XRD图 Fig. 1 (a) SEM image of ZIF-8/nZVI, (b) FT-IR spectra of nZVI, nZVI/ZIF-8, ZIF-8, and (c) X-ray diffraction (XRD) patterns of ZIF-8

图 2 (a)萃取溶剂和(b)萃取温度对16种PAHs和23种OCPs回收率的影响Fig. 2 Effects of (a) extraction solvent and (b) temperature on recoveries of the 16 PAHs and the 23 OCPs

2.2 萃取条件的优化

2.2.1萃取溶剂

萃取溶剂对目标化合物的溶解性是影响萃取回收率的最重要因素,由于大多数PAHs和OCPs是非极性化合物,主要使用正己烷、二氯甲烷进行萃取[8,9,16],有时也会使用一定量的丙酮进行萃取[6]。本试验考察了正己烷、二氯甲烷、丙酮两两混合液对空白加标样品(100 μg/kg)萃取回收率的影响,结果见图2a所示。实验结果表明,二氯甲烷-正己烷(1∶1, v/v)和丙酮-正己烷(1∶1, v/v)对39种目标物的萃取效率相当,多数目标物的回收率在>80%区间范围内。但是,二氯甲烷-正己烷(1∶1, v/v)萃取液的颜色较浅,共提杂质较少,部分样品呈无色透明,而丙酮-正己烷(1∶1, v/v)萃取液的颜色偏深,可能含有大量色素等共提杂质。因此,本试验选择二氯甲烷-正己烷(1∶1, v/v)混合液作为ASE的萃取溶剂。

2.2.2萃取温度

加速溶剂萃取是一种高温高压的萃取方式,萃取温度对萃取效率影响较大。试验考察了萃取温度分别为60、80、100、120 ℃时对空白加标样品(100 μg/kg)萃取回收率的影响,结果见图2b。由图2b可知,当萃取温度从60 ℃升高至100 ℃时,回收率>80%的目标物个数逐渐增加(由25个增加至35个);当萃取温度为100 ℃时,大多数目标物的萃取回收率>80%;继续升高萃取温度至120 ℃时,回收率未见明显提高,低沸点的目标分析物萃取效率反而降低。由于过高的萃取温度可能导致低沸点目标物在加速溶剂萃取过程中挥发,从而造成损失,因此,本实验选择100 ℃为萃取温度。

2.2.3循环萃取次数

本实验考察了循环萃取次数(1、2、3和5次)对16种PAHs和23种OCPs萃取回收率的影响,结果表明,循环萃取3次时萃取回收率为67.1%～110.9%,其中30个目标物萃取回收率>80%;增加循环次数,回收率并没有明显增加;考虑到时间和成本问题,最终选择加速溶剂萃取的循环次数为3次。

2.3 净化条件的优化

土壤样品基质较为复杂,萃取过程中可能有部分腐殖酸、脂类、色素和其他共萃物溶入萃取液中,影响目标物的分析测定。本试验通过MSPE对ASE提取浓缩液进行净化,减少干扰物质对目标物测定的影响。试验主要考察了磁性净化材料ZIF-8/nZVI的用量和净化时间对净化效果的影响。

2.3.1磁性材料使用量和净化时间的优化

对目标物无吸附作用或吸附作用小是净化剂选择的重要因素之一,因此,试验首先考察了磁性材料ZIF-8/nZVI对39种目标物的吸附作用,取1 mL混合标准溶液(100 μg/L),按照1.2.3节样品净化步骤进行处理,GC-MS定量分析,平行3次试验,结果显示,ZIF-8/nZVI对目标物几乎不存在吸附作用,吸附率<10% (RSD<3.9%)。

由于ESI离子源适用范围较广,相较于EI离子源,无需气化,可以直接进质谱仪分析,对仪器污染较小,因此本试验采用Agilent 1290 infinity高效液相色谱-6460 TripleQuad质谱仪,在不连接色谱柱的条件下,使用ESI离子源验证MSPE的净化效果。取1 mL空白土壤样品ASE萃取液按照1.2.3节样品净化步骤进行处理,对净化前后的萃取液进行ESI+、ESI-全扫描,平行3次试验,比较质谱响应值的大小,质谱响应值大则说明杂质干扰多,反之杂质少。试验考察了不同用量(20、50、100、120、150 mg)的磁性材料对净化效果的影响。当磁性材料从20 mg增加至100 mg时,基质在ESI+和ESI-模式下的质谱响应信号均有明显下降,净化效果有明显提高;继续增加磁性材料用量至150 mg,质谱响应信号基本保持恒定。因此,磁性材料的最优使用量为100 mg。同时,试验考察了净化时间为1～10 min对目标物净化效果的影响。当净化时间为由1 min增加到5 min时,基质在ESI+和ESI-模式下的质谱响应信号均有明显下降,基质净化效果明显提高;当吸附时间超过5 min时,质谱响应信号没有明显下降,因此,考虑到净化效率,最终选择ZIF-8/nZVI的使用量为100 mg,净化时间为5 min,图3为最优条件下ESI+和ESI-模式下的色谱图。

图 4 16种PAHs和23种OCPs混合标准溶液(100 μg/L)的选择离子色谱图Fig. 4 Selected ion chromatogram for a standard mixture of the 16 PAHs and the 23 OCPs (100 μg/L) Peaks: 1. naphthalene; 2. acenaphthylene; 3. acenaphthene; 4. fluorene; 5. α-HCH; 6. hexachlorobenzene; 7. β-BHC; 8. γ-BHC; 9. phenanthrene; 10. anthracene; 11. δ-BHC; 12. heptachlor; 13. aldrin; 14. heptachlor epoxide; 15. fluoranthene; 16. α-chlordane; 17. pyrene; 18. endosulfanⅠ; 19. γ- chlordane; 20. dieldrin; 21. p,p′-DDE; 22. endrin; 23. endosulfanⅡ; 24. p,p′-DDD; 25. p,p′-DDT; 26. endrin aldehyde; 27. endosulfan sulfate; 28. p,p′-DDT; 29. endrin ketone; 30. benzo(a)anthracene; 31. chrysene; 32. methoxychlor; 33. mirex; 34. benzo(b)fluoranthene; 35. benzo(k)fluoranthene; 36. benzo(a)pyrene; 37. indeno(1,2,3-cd)pyrene; 38. dibenzo(a,h)anthracene; 39. benzo(g,h,i)perylene.

图 3 当ZIF-8/nZVI的使用量为100 mg净化时间为5 min时ZIF-8/nZVI净化前后的色谱图Fig. 3 Chromatograms of ASE extracts before and after ZIF-8/nZVI purification with 100 mg ZIF-8/nZVI for 5 min Drying gas temperature: 300 ℃; sheath gas temperature: 250 ℃; drying gas flow rate: 5 L/min; sheath gas flow rate: 10 L/min; nebulizer pressure: 310.275 kPa; capillary voltage: 3500 V; nozzle voltage: 0 V. Drying gas; sheath gas and nebulizer gas: high pure nitrogen.

2.3.2重复利用性

为考察自制磁性材料的重复利用性,将处理过土壤提取液的吸附剂依次用1 mL的甲醇和水清洗,再进行下一次净化试验。经过5次试验,16种PAHs和23种OCPs的回收率变化较小(RSD<19.2%),结果表明,ZIF-8/nZVI具有良好的稳定性。

2.4 GC-MS定性定量条件的建立

参照土壤中OCPs和PAHs的标准分析方法[24,25],对混合标准溶液进行分析,得到16种PAHs和23种OCPs (100 μg/L)的选择离子色谱图(见图4), 39种物质峰形尖锐对称,除p,p-滴滴滴和o,p′-滴滴涕,硫丹硫酸酯和p,p′-滴滴涕共流出,保留时间相近外,其余组分分离度良好,因定性定量离子不同,不影响同时分析。由于待测组分较多,为了提高各组分检测的灵敏度,在SIM模式下同时确定了各组分的定量离子和定性离子,16种PAHs和23种OCPs的质谱条件参数见表1。

2.5 方法验证

在最佳萃取条件下,以空白土壤样品为基底,配制5、20、80、100、120、160、200 μg/kg的混合标准工作液系列,以峰面积(y)对其质量浓度(x)进行线性回归,建立基质匹配工作曲线,减少基质对检测结果的影响。对方法的线性范围、检出限(LOD,S/N=3)、定量限(LOQ,S/N=10)等参数进行考察,结果见表2。结果表明,16种PAHs和23种OCPs的线性范围为5～200 μg/kg,线性相关性良好,相关系数(r2)均大于0.99; 39种目标物的LOD为0.04～1.21 μg/kg。

表 2 16种多环芳烃和23种有机氯农药的线性回归方程、相关系数、检出限(LOD)、定量限(LOQ)、加标回收率和RSD(n=6)

对空白土壤样品进行加标回收率试验,在3个加标水平(5、50、150 μg/kg)下得到的回收率为63.9%～112.1%,RSD为0.4%～26.2%(<30%),满足土壤测定要求[24,25]。

2.6 实际样品的测定

采集浙江省某工业用地不同点位的地表土样品,编号为1～3,按照最优实验方法对3个土壤样品中16种PAHs和23种OCPs进行测定,在3个样品中均检出不同浓度的残留,其中PAHs和六氯苯的污染较为明显,结果见表3。

表 3 实际土壤样品分析结果

3 结论

本文利用加速溶剂萃取结合磁固相萃取净化的样品前处理技术,采用气相色谱-串联质谱进行测定,建立了土壤样品中多环芳烃和有机氯农药残留的检测方法。通过优化实验条件,使得本方法具有操作性强、快速简便、准确度高和精密度好的优点,能够满足对土壤样品中的16种多环芳烃和23种有机氯农药残留同时检测的要求。