大體積攪拌棒吸附萃取技術(shù)與熱脫附-氣相色譜-質(zhì)譜法測定地表水中多環(huán)芳烴

馮 利, 張勝軍, 朱國華, 李沐霏, 劉勁松,*

(1. 浙江工業(yè)大學化學工程學院, 浙江 杭州 310014; 2. 浙江省環(huán)境監(jiān)測中心, 浙江 杭州 310015)

技術(shù)與應(yīng)用

大體積攪拌棒吸附萃取技術(shù)與熱脫附-氣相色譜-質(zhì)譜法測定地表水中多環(huán)芳烴

馮 利1, 張勝軍2, 朱國華2, 李沐霏2, 劉勁松1,2*

(1. 浙江工業(yè)大學化學工程學院, 浙江 杭州 310014; 2. 浙江省環(huán)境監(jiān)測中心, 浙江 杭州 310015)

基于攪拌棒吸附萃取(SBSE)技術(shù)建立了氣相色譜-質(zhì)譜測定地表水中16種多環(huán)芳烴(PAHs)的分析方法。該法采用多攪拌吸附棒同時富集，依次熱脫附冷聚焦后進樣的方式有效解決了攪拌棒吸附時間長、富集水樣體積小等問題。優(yōu)化后的結(jié)果表明,在0.2～10 ng/L范圍內(nèi)(萘為0.5～10 ng/L范圍),16種PAHs的線性關(guān)系良好,相關(guān)系數(shù)(r)均>0.99,方法檢出限(MDL)為0.03～0.20 ng/L(萘為0.50 ng/L)。用該方法對錢塘江流域地表水進行測定,共檢測出11種PAHs,含量為0.13～1.57 ng/L,不同添加水平下的加標回收率為75.6%～108.9%。該法可應(yīng)用于地表水樣品中該類物質(zhì)的超痕量檢測。

氣相色譜-質(zhì)譜;熱脫附;攪拌棒吸附萃取;多環(huán)芳烴;地表水

多環(huán)芳烴(polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs)是煤等有機物不完全燃燒時產(chǎn)生的半揮發(fā)性碳氫化合物,廣泛存在于水體、土壤、沉積物等環(huán)境介質(zhì)中,具有較強的環(huán)境內(nèi)分泌干擾作用,會對人體健康產(chǎn)生危害。近年來受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注,在我國地表水環(huán)境質(zhì)量標準及環(huán)境風險評價中均對該類物質(zhì)的含量進行了嚴格限定。

目前,地表水中多環(huán)芳烴的前處理方法主要有液液萃取法(LLE)[1]和固相萃取法(SPE)[2,3]等。這些傳統(tǒng)的前處理方法操作復(fù)雜、萃取時間長、溶劑消耗量大。因此,研究人員開發(fā)了更簡單便捷、環(huán)境友好的樣品前處理技術(shù),如液相微萃取(LPME)、分散液液萃取(DLLME)、固相微萃取(SPME)和攪拌棒吸附萃取(stir bar sorptive extraction, SBSE)等技術(shù)[4]。

SBSE技術(shù)是一種集萃取、凈化、富集為一體,用于痕量有機物分離和濃縮的樣品前處理技術(shù)[5-7]。該技術(shù)萃取涂層體積大,是SPME技術(shù)最大涂敷量(0.5 μL)的50～250倍,理論吸附容量也遠大于SPME技術(shù)的吸附容量,具有靈敏度高、檢出限低、不使用有機溶劑等優(yōu)點,適用于較為清潔的環(huán)境樣品中揮發(fā)性及半揮發(fā)性有機物的痕量分析[8-10]。目前商品化的攪拌吸附萃取棒有聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚乙烯-乙二醇改良硅烷化(EG Silicon)兩種涂層,后者主要用于極性物質(zhì)的萃取[11]。

應(yīng)用攪拌棒吸附萃取技術(shù)檢測水樣中PAHs的文獻[10,12-16]報道很多。如León等[10]應(yīng)用SBSE-熱脫附(thermal desorption, TD)-GC-MS法對地表水、地下水和自來水中6種五環(huán)或六環(huán)多環(huán)芳烴的檢出限、重復(fù)性、方法不確定度等進行了驗證,結(jié)果顯示該方法具有良好的重復(fù)性和回收率,但吸附萃取時間較長(14 h); Kolahgar等[12]應(yīng)用SBSE-TD-GC-MS法測定水中的16種PAHs,并對萃取時間、脫附后殘留量參數(shù)等進行了優(yōu)化,實驗結(jié)果表明,方法具有良好的線性和檢出限,但3.5 h的萃取時間仍較長;Guart等[16]應(yīng)用SBSE-GC-MS/MS法對來自全球27個國家的77個代表性瓶裝水中的69種有機污染物進行了測定,其中包含了13種PAHs。雖然SBSE技術(shù)具有高靈敏度的特點,但現(xiàn)有報道的方法均存在萃取時間長、萃取量小等缺點,限制了其在實際中的應(yīng)用。

本文采用SBSE技術(shù),并以多個攪拌棒同時萃取吸附的方式,建立了TD-GC-MS檢測地表水中16種PAHs的分析方法。該方法靈敏、高效，適用于超痕量PAHs的快速測定。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

Agilent 6890氣相色譜-質(zhì)譜儀(美國Waters公司),配有熱脫附模塊(thermal desorption unit, TDU)和冷進樣系統(tǒng)(cooled injection system, CIS)(德國Gerstel公司);固相萃取攪拌棒(10 mm×0.5 mm, 20 mm×0.5 mm, PDMS吸附涂層,德國Gerstel公司); HJ-6A多頭磁力攪拌器(江蘇科析儀器公司); Milli-Q超純水系統(tǒng)(美國Millipore公司)。

1.2 樣品前處理

準確量取500 mL水樣于1 L錐形瓶中,將2個10 mm×0.5 mm和1個20 mm×0.5 mm PDMS涂層的固相萃取攪拌棒同時吸附于清洗后的磁力攪拌子上,放入水樣密封后,置于磁力攪拌器上,以600 r/min常溫攪拌60 min。固相萃取攪拌棒使用前,于TDU中以280 ℃老化60 min。

萃取完成后,使用干凈的鑷子取出攪拌棒,用少許蒸餾水沖洗攪拌棒上的附加物質(zhì)(如懸浮物、可溶性鹽和其他附著物等),按規(guī)格分別放入2個熱脫附管中,待儀器分析。

1.3 儀器分析

TDU條件:初始溫度50 ℃,以200 ℃/min升溫至290 ℃,保持5 min;不分流模式。CIS條件:初始溫度-20 ℃(冷聚集溫度),以12 ℃/s升溫至300 ℃,保持1 min;溶劑放空模式。

GC-MS條件:色譜柱為DB-5MS毛細管柱(30 m×0.25 mm, 0.25 μm);載氣為氦氣;流速為1 mL/min;程序升溫條件為初始溫度50 ℃,保持1 min,以10 ℃/min升溫至260 ℃,再以15 ℃/min升溫至310 ℃,保持3 min。離子源為EI源;離子源溫度為200 ℃;接口溫度為250 ℃;電離能量為70 eV;掃描方式為全掃描;掃描范圍為m/z45～550。

2 結(jié)果與討論

2.1 方法原理

用涂覆有PDMS吸附涂層的固相萃取攪拌棒對水中的PAHs進行攪拌吸附,然后通過熱脫附裝置對攪拌棒上吸附的目標物進行脫附。脫附后的物質(zhì)經(jīng)CIS重新冷聚焦富集后,再快速升溫進入氣相色譜柱進行分離,最后進入質(zhì)譜檢測器分析。

2.2 分析條件的優(yōu)化

2.2.1 TDU熱脫附時間的考察

熱脫附時間會影響PAHs的脫附情況,一般來說,固相萃取攪拌棒的吸附涂層越厚,脫附越困難。本實驗考察了熱脫附時間對脫附量的影響(見圖1a)。結(jié)果顯示,16種PAHs中大部分物質(zhì)隨著熱脫附時間的增加,峰面積先增大后減小,但最佳脫附時間不盡相同,這可能是因為過度的熱脫附會導(dǎo)致目標物流失。綜合考慮圖1a中曲線的變化情況,最終將熱脫附時間設(shè)為5.0 min。

圖 1 (a)熱脫附時間、(b)冷聚焦溫度、(c)冷阱脫附時間和(d)萃取時間對16種PAHs色譜峰峰面積的影響Fig. 1 Effect of (a) thermal desorption time, (b) cryofocusing temperature, (c) cold trap desorption time and (d) extraction time on the chromatographic peak areas of the 16 PAHs Conditions: a. -20 ℃ cryofocusing temperature, 1 min cold trap desorption time, 1 h stir bar sorptive extraction (SBSE) time, 10 ng/L polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) spiked in 500 mL blank water sample; b. 5 min thermal desorption time, 1 min cold trap desorption time, 10 μg/L standard test solution, direct injection; c. 5 min thermal desorption time, -20 ℃ cryofocusing temperature, 10 μg/L standard test solution, direct injection; d. 5 min thermal desorption time, -20 ℃ cryofocusing temperature, 1 min cold trap desorption time, 10 ng/L PAHs spiked in 500 mL blank water sample. Nap: naphthalene; Acy: acenaphthylene; Ace: acenaphthene; Fle: fluorene; Phe: phenanthrene; An: anthracene; Flu: fluoranthene; Pyr: pyrene; BaA: 1,2-benzanthracene; Chr: chrysene; BbF: benzo[b]fluoranthene; BkF: benzo[k]fluoranthene; BaP: benzo[a]pyrene; Ind: indeno[1,2,3-cd]pyrene; DahA: dibenz[a,h]anthracene; BghiP: benzo[g,h,i]perylene.

2.2.2 CIS冷聚焦溫度的考察

本實驗分別考察了不同冷聚焦溫度(20、0、-20、-40和-80 ℃)對PAHs色譜峰峰面積的影響(見圖1b)。結(jié)果顯示,當冷聚焦溫度為-20 ℃時,絕大部分PAHs的峰面積相對較高,因此最終將冷聚焦溫度設(shè)為-20 ℃。

2.2.3 CIS冷阱脫附時間的考察

本實驗考察了不同冷阱脫附時間(1.0、2.0、4.0、6.0和8.0 min)對目標分析物峰面積的影響(見圖1c)。結(jié)果表明,脫附時間在1.0～8.0 min之間,PAHs的峰面積變化不大。因此,從提高分析效率、節(jié)約分析時間的角度考慮，最終將冷阱脫附時間設(shè)為1.0 min。

2.2.4 攪拌棒吸附萃取時間的考察

本文考察了分析500 mL水樣時,不同的攪拌棒吸附萃取時間(10、30、60、120和150 min)對PAHs色譜峰峰面積的影響(見圖1d)。結(jié)果顯示,隨著萃取時間的增加,PAHs的峰面積不斷增加。由Kolahgar等[12]的研究結(jié)果可知,10 mL的水樣用一個PDMS攪拌棒于室溫下以500 r/min攪拌,達到吸附平衡需3～4 h。而本實驗的樣品量為500 mL,則需更長的時間才能達到吸附平衡。為提高分析效率,達到快速測定的目的,在保證靈敏度的情況下,本實驗將攪拌棒吸附萃取時間設(shè)為60 min。

2.3 大體積攪拌棒吸附萃取問題的解決

攪拌棒的長度只有10 mm和20 mm兩種型號,受到接觸面積和萃取容量的限制,文獻[10-13]中記載的萃取水樣的體積一般為10～100 mL。本實驗為了提高分析效率，同時獲得較高的靈敏度,將水樣體積提高至500 mL。但是增大水樣的體積，受吸附棒體積過小、在大體積水樣中擾動程度不高的影響,會帶來吸附效果變差的問題。為解決該矛盾,本方法將固相萃取攪拌棒的數(shù)量增加至3個,并添加一個大號的聚四氟乙烯磁攪拌子,將攪拌棒吸附在攪拌子上,并在高轉(zhuǎn)速(600 r/min)下進行攪拌,水樣的擾動速度明顯加快,樣品中污染物的遷移速率和攪拌棒的吸附速率也相應(yīng)地加快。在保證吸附效果的同時縮短樣品富集時間、提高分析效率，獲得較高的靈敏度。

樣品萃取完成后,需要將攪拌棒轉(zhuǎn)移至熱脫附設(shè)備中進行高溫熱脫附,并進入CIS冷阱中進行冷聚焦富集。由于熱脫附管體積較小,每次只能脫附1～2個10 mm或1個20 mm的攪拌棒。本方法使用熱脫附裝置將兩個熱脫附管中的被吸附物質(zhì)先后脫附下來,由CIS冷阱進行冷聚焦合并后,經(jīng)熱脫附進入氣相色譜分離,如此可以有效解決多個攪拌棒無法在一根熱脫附管中同時脫附的問題。而且理論上可以使用多根攪拌棒同時進行吸附,再將攪拌棒順次經(jīng)熱脫附進入同一個冷阱中進行冷聚焦合并,擴大了攪拌棒的吸附容量。

2.4 方法學驗證

2.4.1 線性關(guān)系

分別量取10、25、50、250、500 μL 10 μg/L的PAHs標準工作液,配制500 mL質(zhì)量濃度為0.2、0.5、1、5、10 ng/L的加標空白水樣,并按優(yōu)化后的實驗條件和方法進行測定。在0.2～10 ng/L的線性范圍內(nèi),以色譜峰面積為縱坐標(y)、對應(yīng)的質(zhì)量濃度為橫坐標(x, ng/L),繪制標準曲線,得到線性方程和相關(guān)系數(shù)(r)(見表1)。結(jié)果表明,各目標物的線性關(guān)系良好,除萘以外的r均>0.994。萘在0.5 ng/L以下時,標準曲線出現(xiàn)彎曲,水樣中0.2 ng/L的萘的峰面積與水樣中0.5 ng/L的萘的峰面積接近。利用超純水代替地表水進行空白試驗,發(fā)現(xiàn)500 mL空白水樣中存在一定含量的萘,且含量較為穩(wěn)定。雖然使用了超純水制備工藝及其他凈化手段,但依然很難完全消除萘的干擾,這可能和萘在環(huán)境中大量存在及揮發(fā)性高有關(guān)。但萘在0.5～10 ng/L范圍內(nèi)線性關(guān)系良好,r為0.999 0。

2.4.2 方法檢出限與精密度

對含有16種PAHs(1.0 ng/L)的500 mL空白加標水樣按優(yōu)化后的方法連續(xù)測定5次,計算16種PAHs的含量，其含量的相對標準偏差為4.69%～17.92%(見表1)。以3倍標準偏差確定方法檢出限(MDL),為0.03～0.20 ng/L(n=7),其中萘以線性較好的0.50 ng/L為方法檢出限。本實驗獲得的方法檢出限明顯優(yōu)于Guart等[16]測得的MDL(13種PAHs,5～11 ng/L)和Kolahgar等[12]測得的MDL(0.1～2.0 ng/L),且檢測時間更短、操作更簡單；完全滿足GB 3838-2002地表水環(huán)境質(zhì)量標準(苯并芘限值2.8 ng/L)、GB 5749-2006生活飲用水衛(wèi)生標準(多環(huán)芳烴總含量限值2 000 ng/L)以及美國環(huán)保局(16種PAHs總含量,0.2 μg/L)[4,17]等規(guī)范要求。

2.4.3 加標回收率

采集錢塘江流域的地表水樣品,按優(yōu)化后的方法進行實際樣品測定和不同添加水平的回收率試驗,結(jié)果見表2。由此可知,地表水樣中三環(huán)或四環(huán)PAHs多有檢出,大環(huán)PAHs除苯并[a]芘外,其余均未檢出,平均檢出含量為0.13～1.57 ng/L,RSD為3.5%～19.0%(n=3)。在該水樣中分別加入0.2 ng/L和1.0 ng/L的16種PAHs標準工作液進行加標回收率試驗,其加標回收率分別為79.6%～108.9%和75.6%～95.4%,RSD為2.4%～10.3%和0.2%～9.4%(n=3)。此外，考慮到廢水中基質(zhì)復(fù)雜、干擾物多，競爭性吸附可能導(dǎo)致超痕量的PAHs無法有效吸附。因此，該方法目前僅適用于地表水等潔凈水樣的分析。

表 1 16種PAHs的線性方程、相關(guān)系數(shù)(r)、相對標準偏差(RSD)及方法檢出限(MDL)

Ref.: reference;y: peak area;x: mass concentration, ng/L; * naphthalene with a good linearity of 0.5 ng/L as its MDL; /: not included.

表 2 16種PAHs在地表水樣中的含量及加標回收率(n=3)

Nos. 1-16 are the same as in Table 1; ND: less than MDL; /: no data.

3 結(jié)論

本文應(yīng)用SBSE技術(shù),建立了TD-GC-MS檢測地表水中16種PAHs的分析方法,并對熱脫附時間、冷聚焦溫度、CIS冷阱熱脫附時間、萃取時間等條件進行了優(yōu)化。本文采用多個攪拌棒同時富集、依次熱脫附冷聚焦后合并的方式有效解決了攪拌棒吸附時間長、富集水樣體積小等問題。應(yīng)用此方法可對地表水中的PAHs進行快速簡便的測定。

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Determination of polycyclic aromatic hydrocarbons in surface water using large volume stir bar sorptive extraction coupled with thermal desorption-gas chromatography-mass spectrometry

FENG Li1, ZHANG Shengjun2, ZHU Guohua2, LI Mufei2, LIU Jinsong1,2*

(1.CollegeofChemicalEngineering,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou310014,China;2.ZhejiangEnvironmentalMonitoringCenter,Hangzhou310015,China)

A fast and sensitive analytical method for the ultra trace determination of 16 kinds of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in surface water based on stir bar sorptive extraction (SBSE) coupled with gas chromatography-mass spectrometry was established. Multiple stir bars simultaneous enrichment with sequential cryofocusing and merged injection technique was used to effectively solve the problem of long adsorption time and small sample volume with SBSE. The conditions of thermal desorption time, cryofocusing temperature of cooled injection system (CIS), CIS desorption time and extraction time were investigated. Under the optimized conditions, the results showed that the linear range was between 0.2 ng/L and 10 ng/L (naphthalene, 0.5-10 ng/L), and the method detection limits (MDLs) of the 16 PAHs ranged from 0.03 ng/L to 0.20 ng/L (naphthalene, 0.50 ng/L). The 11 PAHs were determined in the Qiantang River surface water samples, and the contents were between 0.13 ng/L and 1.57 ng/L. The recoveries of the 16 PAHs spiked in surface water samples at different levels were between 75.6% and 108.9%. The method can be efficiently applied to the determination of PAHs.

gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS); thermal desorption (TD); stir bar sorptive extraction (SBSE); polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs); surface water

10.3724/SP.J.1123.2016.11013

2016-11-14

浙江省重大科技專項(2014C03026);浙江省環(huán)?？萍柬椖?2014A011).

Foundation item: Zhejiang Major Program of Science and Technology (No. 2014C03026); Zhejiang Environmental Protection Program of Science and Technology (No. 2014A011).

O658

A

1000-8713(2017)04-0466-06

* 通訊聯(lián)系人.E-mail:liu70923@163.com.