气相色谱质谱法测定土壤中16种多环芳烃

张 利,杨 玖

(1.攀枝花市仁和区环境监测站，四川 攀枝花 617000；2. 攀枝花市环境监测中心站，四川 攀枝花 617000)

前 言

多环芳烃(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，以下简称PAHs)是一类持久性有机污染物，由于非线性排列以及大于五环的高分子量占很大比例，因此很难降解性，同时具有生物累积性、致癌性等特点[1-2]，随着工业的发展，PAHs 排放越来越多，其中大部分通过大气沉降、污水灌溉等途径进入土壤，并通过接触、食物链最终对人类健康造成危害。土壤是 PAHs的储藏库和中转站，且环境中90%以上的PAHs存在于土壤中[3]。PAHs可以在环境中持久存在，且很难被降解，我国 PAHs 污染问题相当突出。近年来，国务院印发的《土壤污染防治行动计划》(简称“土十条”)中指出土壤中PAHs监测将作为未来几年环境政治工作的重点[4-5]。因此，研究土壤中PAHs污染水平有较大的现实意义。常见的具有致癌作用的多环芳烃多为四到六环的稠环化合物。共有超过100种、具有10 000个不同的多环芳烃化合物。16 种常见的多环芳香烃为:萘、苊烯、苊、芴、菲、蒽、荧蒽、芘、苯并(a) 蒽、屈、苯并( b)荧蒽、苯并(k)荧蒽、苯并(a)芘、二苯并(a，h)蒽、苯并 (ghi) 苝、茚苯 (1,2,3-cd) 芘[6]。16种多环芳烃按苯环的个数划分，可分为两类，苯环的个数为2和3的多环芳烃为低分子量多环芳烃，苯环个数为4、5和6的多环芳烃为高分子量多环芳烃，其中茚并(1,2,3-cd)芘、二苯并(a,h)蒽、苯并[g,h,i]苝均为苯环个数较大的多环芳烃[7]，其沸点较高，因此在用气相色谱-质谱测定过程中需要考虑进样口温度、柱温等测定影响。

内标法是一种间接或相对的校准方法，在分析测定样品中某组分含量时，加入一种内标物质以校准和消除出于操作条件的波动而对分析结果产生的影响，以提高分析结果的准确性。外标法是以被测组分的纯品为标样，作出峰面积标准曲线。然后，在相同的条件下注入一定量的试样，根据峰面积，从标准曲线上查出待测组分浓度。本文选用快速溶剂萃取法提取，硅酸镁小柱进行净化，通过优化GC-MS参数，比较了外标法与内标法对土壤中PAHs定量的影响，建立了土壤中16种多环芳烃的分析方法，为土壤中PAHs监测工作提供技术支撑及得到更准确的监测结果。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

7890A GC-7000MS气相色谱质谱仪(Aglient)，旋转蒸发器(Caliper lifesciences Turbo VapoRⅡ)，振荡仪(EYELA MMV-1000w)，冷冻干燥机(美国S/P)，吉天APLE-2000快速溶剂萃取仪。

正己烷(HPLC级)、甲醇(HPLC级)、氯化钠(优级纯，经300℃灼烧4h，储存于密闭容器中)、无水硫酸钠(优级纯，经400℃灼烧4h，储存于密闭容器中)、丙酮(HPLC级)。石英砂，硅藻土，Florisil小柱(安谱)。

1.2 测定方法

色谱条件：DB-5MS(30m×0.25μm×0.25mm)，载气(高纯氦气，纯度≥ 99.999%)； 柱流速为1.0mL/min；柱温：由初始温度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℃。进样口温度310℃，进样方式:分流进样，分流比为10∶1，进样量：1μL。

质谱条件：离子源温度 230℃，EI 源，四级杆温度：150℃；接口温度310℃；离子化能量：70eV；扫描模式：全扫描Scan或选择离子(SIM)模式，溶剂延迟时间：3min。

1.3 标准曲线绘制

内标法：配制混标中间液、替代物中间液和内标中间液，用丙酮：正己烷混合溶剂定容，配置成以下浓度点标准系列，使得多环芳烃和替代物浓度均分别为10μg/L、20μg/L、50μg/L、100μg/L、200μg/L 、300μg/L 、500μg/L。内标物浓度为100μg/L。

外标法：与内标法配置一致，不加内标物，使得多环芳烃和替代物浓度均分别10μg/L、20μg/L、50μg/L、100μg/L、200μg/L 、300μg/L 、500μg/L，混匀，标准曲线现用现配。

1.4 样品前处理

将土壤样品放置于垫有锡纸的托盘中，除去枝棒、叶片、石子等异物并混匀，准确称取约 10.00 g(精确至 0.01g)新鲜样品，用冷冻干燥仪对样品进行脱水，将冷冻后的样品进行充分研磨、均化成细小的颗粒，加入适量硅藻土，拌匀混合后，转移至萃取池中，并加入替代物。萃取条件为载气压力1.0MPa，加热温度100℃，萃取压力1 500psi，静态萃取时间5min，淋洗体积为60% 池体积，氮气吹扫时间60s，萃取循环次数2次。将上述提取液转移至旋蒸瓶中，浓缩至约2mL，3次加入适量的正己烷置换溶剂。将浓缩后的提取液全部经过下端放置润湿的脱脂棉，上端约5g无水硫酸钠的漏斗中进行除水，并收集滤液于浓缩器皿中。将上述除水后的浓缩液进行氮吹浓缩至约2.0mL，待净化(详细见步骤1.6)，净化后的溶液再氮吹至约0.5mL，加入适量的内标中间液，使其的内标浓度和校准曲线中内标浓度保持一致，并用丙酮-正己烷(1∶1)混合溶剂，定容至1.0mL，混匀后待测。

1.5 样品净化

将硅酸镁净化小柱固定在固相萃取装置上，用4mL二氯甲烷淋洗净化小柱，加入5mL 正己烷，待柱充满后关闭流速控制阀浸润5min，缓慢打开控制阀，继续加入5mL 正己烷，在填料暴露于空气之前，关闭控制阀，弃去流出液。将浓缩后的提取液转移至小柱中，用2mL 正己烷分3次洗涤浓缩器皿，洗涤液全部转入小柱中。缓慢打开控制阀，在填料暴露于空气之前关闭控制阀，加入5mL 二氯甲烷-正己烷(1+9)混合溶剂进行洗脱，缓慢打开控制阀，待洗脱液浸满净化柱后，关闭控制阀，浸润2min，缓缓打开控制阀，继续加入5mL 二氯甲烷-正己烷(1+9)混合溶剂，并收集全部洗脱液，待再次氮吹浓缩。

1.6 数据处理

利用SPSS Statistics 19.0对内标法和外标法测定结果数据进行t检验分析。

2 结果与分析

2.1 色谱条件的选择

根据不同进样口温度对500μg/L 浓度中16种多环芳烃响应值色谱图见下图，前13种物质响应值均无明显差异，茚并(1,2,3-cd)芘、二苯并(a,h)蒽、苯并[g,h,i]苝等三种物质响应值差别较大，进样口温度为310℃，响应值最大。进样口温度为280℃、290℃、300℃与进样口温度310℃的峰面积有显著的差异。且在浓度较低(10μg/L)的情况下，进样口温度为310℃时，响应值较大，灵敏度较高。由于茚并(1,2,3-cd)芘、二苯并(a,h)蒽、苯并[g,h,i]苝均为苯环个数较大的多环芳烃，其沸点较高，适当提高进样口温度，该三种物质响应值较大。为降低目标物的干扰及目标物的检出限，采用选择离子方式SIM进行定量。分别对初始柱温保持时间、初始柱温、柱流速、程序升温速率、分流比、进样量等一系列优化实验得到最优色谱条件(同1.2)。

注：从左至右依次为1萘-D8; 2萘; 3 2- 氟联苯; 4苊烯; 5苊-D10; 6苊; 7芴; 8菲-D10; 9菲; 10蒽; 11荧蒽;12 芘; 13 对三联苯-D-14; 14苯并[a]蒽; 15-D12; 16-; 17苯并[b]荧蒽; 18苯并[k]荧蒽; 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 内标法与外标法的比较

通过内标法和外标法分别对土壤中多环芳烃进行测定，并且通过检出限、精密度、加标回收及实际样品测定结果进行比较。

2.2.1 检出限的测定

在最佳色谱条件下进行测定，根据《环境监测分析方法标准制修订技术导则》(HJ168-2010)中方法和要求计算检出限。内标法测定结果表明在10～500μg/L内，目标化合物相对响应因子的相对标准偏差均小于20%(见表1)；本方法检出限均低于国标方法检出限，符合要求。由表2可知，外标法测定各目标化合物结果在10～500μg/L内线性较好，各目标化合物质曲线相关系数均>0.995，符合要求，各目标化合物检出限均高于内标法，低于国标方法检出限。

表1 16种多环芳烃测定平均相对响应因子、相对偏差和方法检出限(内标法)Tab.1 Average relative standards、relatively response factor and the detection limit of internal standard method

表2 16种多环芳烃测定的线性范围、相关系数和方法检出限(外标法)Tab.2 The range of linearity、the correlation coefficients and the detection limit of external standard method

续表2

2.2.2 精确度和准确度的测定

对空白样品进行加标，加标量为10μg/L，同时称取适量有证标准物质，通过前处理和上机分析，进行准确度和精密度分析(见表3和表4)，可以看出，各目标化合物相对标准偏差均在20%以下，根据标准方法(HJ805-2016)质控要求，该方法均能满足要求。对质控样的结果分析表明，内标法与外标法测定16种多环芳烃物质均在质量控制范围内，满足测定要求。

表3 精密度和准确度的测定结果(内标法)Tab.3 The results of accuracy and precision (internal standard method)

表4 精密度和准确度的测定结果(外标法)Tab.4 The results of accuracy and precision (external standard method)

2.3 实际样品加标回收率的分析

采用周边土壤样品进行分析，外标法定量，实际样品加标回收率在53%～103%之间，平行样品的相对偏差在20%以内；内标法定量，实际样品加标回收率在50%～110%，平行样品的相对偏差在20%以内满足质量管理控制要求。

2.4 两种定量方法的比较

通过对两组数据进行t检验，萘、苊烯、苊、芴、菲、蒽、芘、苯并[a]蒽、苯并[a]菲、苯并[k]荧蒽、苯并(a)芘、二苯并(a,h)蒽、苯并[g,h,i]苝测定结果显示不同定量方法存在显著性差异，其值分别为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；荧蒽、苯并(b)荧蒽和茚并(1,2,3-cd)芘定量结果显示无显著性差异。结果显示有差异，可能是土壤基体复杂，测定结果偏差较大。

外标法是最常用的标准曲线法，对标准样品及人员的操作要求较高，利用标准样品的浓度和峰面积制作标准曲线对样品进行定量分析。外标法要求仪器重复性很严格，会因不同操作人员、不同测定时间及仪器的使用均会变化，每批样品测定曲线差异较大，因此需要每次分析进行标准曲线校正。此方法的特点是操作简单，计算方便，不需测量校正因子，适于自动分析[7]。但仪器的重现性和操作条件的稳定性必须保证，否则，会影响实验结果。内标法即样品中加入内标物进行前处理及进样，同样对标准物质和人员要求高，内标物质的选择也很重要，内标法是测定有机物定量分析中的重要技术，可以消除由于系统误差及人为操作等原因引起的干扰而提高分析结果的准确性。

3 结 论

本文采用快速溶剂萃取法对土壤中16种多环芳烃的提取，通过优化色谱条件，比较了不同温度下，土壤中16种多环芳烃的响应值。通过优化后的色谱条件，在进样口温度为310℃条件下，茚并(1,2,3-cd)芘、二苯并(a,h)蒽、苯并[g,h,i]苝等3种物质峰面积以及响应值均高于国家标准方法。同时对不同的定量方法进行了比较，结果表明，内标法与外标法在各项指标均能满足实验室要求，对16中多环芳烃进行定量结果分析，经t检验部分项目存在差异性显著，但质控样定量结果均在标准值范围内，这可能跟有机物本身测定的范围较大，不确定较大。外标法步骤简单、快速，但受各种因素较大；但内标法抗抗干扰性较强，比较稳定，测定结果更加准确，虽2种定量方法各有优点，建议使用内标法定量，减少其他因素的干扰。