固相萃取-氣相色譜-質(zhì)譜法測(cè)定石油烴污染土壤中半揮發(fā)性有機(jī)物

黃國(guó)程,鄭瑤麗

(廣州市華測(cè)品標(biāo)檢測(cè)有限公司,廣州 510000)

對(duì)半揮發(fā)性有機(jī)物(SVOC)的定義不是唯一的,按照世界衛(wèi)生組織(WHO)對(duì)有機(jī)物的分類原則,SVOC 是指沸點(diǎn)為240～400 ℃,蒸氣壓為13.332 2～1.333 22×10-5Pa的有機(jī)物;而美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(EPA)規(guī)定,SVOC 是指在室溫下沸點(diǎn)高于水的有機(jī)物;還有將SVOC 定義為在氣相色譜(GC)上保留時(shí)間介于C16～C22間的有機(jī)物。SVOC容易在水、土壤、空氣和生物等介質(zhì)中遷移和轉(zhuǎn)化,通過生物富集而危害人體健康,其環(huán)境歸宿通常是土壤和沉積物。SVOC 的共性是具有脂溶性,易溶于有機(jī)溶劑,該類有機(jī)物通常包括有機(jī)氯農(nóng)藥、有機(jī)磷農(nóng)藥、除草劑,及多環(huán)芳烴類、酞酸酯類、多氯聯(lián)苯類、苯胺類、酚類、硝基苯類有機(jī)物等。美國(guó)EPA 8270E《氣相色譜法/質(zhì)譜分析法(氣質(zhì)聯(lián)用儀)測(cè)試半揮發(fā)性有機(jī)化合物》[1]為最新版的土壤、沉積物和固體廢物中SVOC 的分析方法,而我國(guó)關(guān)于SVOC的分析方法的最新版標(biāo)準(zhǔn)則為HJ 834-2017《土壤和沉積物半揮發(fā)性有機(jī)物的測(cè)定氣相色譜-質(zhì)譜法》[2]。

總石油烴(TPH)是目前環(huán)境中廣泛存在的有機(jī)污染物之一,包括汽油、煤油、柴油、潤(rùn)滑油、石蠟和瀝青等,為多種烴類(如正烷烴、支鏈烷烴、環(huán)烷烴、芳烴等)和少量其他有機(jī)物(如硫化物、氮化物、環(huán)烷酸類有機(jī)物等)的混合物[3]。所以石油烴在色譜中通常呈現(xiàn)出一系列連續(xù)或不連續(xù)的不規(guī)則峰,或者是保留時(shí)間跨躍很大的山丘狀的峰包[4]。另外石油烴中的部分化合物也是屬于SVOC,如多環(huán)芳烴。因此要對(duì)被石油烴污染過的土壤中的SVOC進(jìn)行定性和定量分析比較困難。

EPA 8270E和HJ 834-2017均給出了針對(duì)不同類型的目標(biāo)化合物而采用的不同的凈化方法,另外土壤中的多環(huán)芳烴[5]和有機(jī)氯農(nóng)藥[6]等均有相應(yīng)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的凈化方法。但這些凈化方法大都是除去土壤中的極性干擾物,而極少涉及石油烴這種非極性干擾物的去除。另外,如果要同時(shí)測(cè)定多種類型的SVOC,則需使用多種類型的固相萃取柱和洗脫溶劑,而使用凝膠滲透色譜法凈化則成本較高,不適用于大部分實(shí)驗(yàn)室。本工作建立了固相萃取-氣相色譜-質(zhì)譜法(GC-MS)測(cè)定被石油烴污染的土壤中SVOC含量的方法,通過對(duì)比3種常用的固相萃取小柱對(duì)被石油烴污染的土壤的凈化效果,并優(yōu)化淋洗、洗脫條件,一次凈化即可使絕大多數(shù)的SVOC目標(biāo)化合物達(dá)到理想的回收率,減少了試驗(yàn)流程,提高了測(cè)試效率。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

QP2020NX 型島津氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀;E-916型快速溶劑萃取儀;N-1300 EYEL4 型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀;N-EVAP11155 Organomation 型氮吹儀;LCD-A1000 型天平;Florisil弗羅里硅藻土小柱(1 g/6 mL);Silica硅膠小柱(1 g/6 mL);Alumina N 中性氧化鋁小柱(稱取1 g中性氧化鋁于固相萃取空柱,在上端放墊片并壓實(shí)制得)。

正構(gòu)烷烴(C10～C40)混合標(biāo)準(zhǔn)溶液(替代石油烴):1 000 mg·L-1。

58種SVOC混合標(biāo)準(zhǔn)溶液:1 000 mg·L-1。

6種SVOC 內(nèi)標(biāo)混合標(biāo)準(zhǔn)溶液:1 000 mg·L-1。

混合標(biāo)準(zhǔn)溶液:5 mg· L-1,分別移取1 000 mg·L-1SVOC 混合標(biāo)準(zhǔn)溶液、1 000 mg·L-1正構(gòu)烷烴(C10～C40)混合標(biāo)準(zhǔn)溶液各5μL,用正己烷定容至1.0 mL。

正己烷、丙酮為農(nóng)殘級(jí);無(wú)水硫酸鈉為分析純;硅藻土粒徑為105～210μm(10～20目);中性氧化鋁粒徑為1.00～2.05 mm(100～200目)。

1.2 儀器工作條件

1.2.1 快速萃取條件

載氣壓力0.8 MPa;加熱溫度100 ℃;萃取池壓力10 MPa;預(yù)加熱平衡時(shí)間5 min;靜態(tài)萃取時(shí)間5～10 min;靜態(tài)萃取次數(shù)2次;溶劑為體積比1∶1的丙酮-正己烷混合溶液;溶劑淋洗體積為60%池體積;氮?dú)獯祾邥r(shí)間60 s。

1.2.2 氣相色譜-質(zhì)譜

1)色譜條件 DB-5MS 毛細(xì)管柱(30 m×0.25 mm,0.25μm);進(jìn)樣口溫度280 ℃;不分流進(jìn)樣;進(jìn)樣體積1μL;柱流量1.5 mL·min-1;載氣為高純氦氣(99.999%)。柱升溫程序:初始溫度為40 ℃,保持3.5 min;以15 ℃·min-1速率升溫至150 ℃,保持1 min;以20 ℃·min-1速率升溫至300 ℃,保持10 min。

2)質(zhì)譜條件 電子轟擊離子源,離子源溫度230 ℃;傳輸線溫度280 ℃;全掃描模式,質(zhì)量掃描范圍質(zhì)荷比(m/z)35～450;選擇離子監(jiān)測(cè)模式。

1.3 供試土壤

實(shí)驗(yàn)室取兩種不同類型土壤留樣,分別記為A樣和B樣;未檢出目標(biāo)化合物的空白土壤。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 樣品的提取

稱取供試土壤樣品5.00 g,加入適量硅藻土混勻、脫水并充分拌勻直到散粒狀,全部轉(zhuǎn)移至萃取池中,進(jìn)行快速溶劑萃取。萃取完成后,萃取液全部過無(wú)水硫酸鈉除水,然后旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮至約2.0 mL,將濃縮液轉(zhuǎn)移至具刻度濃縮器皿中,并用少量正己烷洗滌旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)瓶,合并全部濃縮液,用氮吹濃縮至小于1.0 mL,用正己烷定容至1.0 mL,混勻。

1.4.2 樣品的凈化和測(cè)定

取上述提取液,轉(zhuǎn)移至已用10 mL正己烷活化好的Silica硅膠小柱上,棄去流出液,用正己烷淋洗,棄去開始流出的1.0 mL 的正己烷淋洗液,用10 mL體積比1∶19的丙酮-正己烷混合溶劑洗脫,抽干,收集洗脫液,氮吹濃縮至小于1.0 mL,加入1 000 mg·L-1SVOC內(nèi)標(biāo)混合標(biāo)準(zhǔn)溶液5μL,用正己烷定容至1.0 mL,混勻,過聚四氟乙烯濾頭,按儀器工作條件進(jìn)行測(cè)定,計(jì)算各目標(biāo)化合物的含量,并換算其在樣品中的含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 色譜行為

選取58種SVOC 目標(biāo)化合物作為考察對(duì)象,包含有機(jī)氯農(nóng)藥、多環(huán)芳烴類、酞酸酯類、苯胺類、酚類、硝基苯類等化合物,試驗(yàn)參考HJ 834-2017的色譜條件[2]進(jìn)行分離測(cè)定,所得色譜圖見圖1。

圖1 SVOC混合標(biāo)準(zhǔn)溶液總離子流色譜圖Fig.1 TIC chromatogram of the mixed standard solution of SVOC

由圖1可見:各目標(biāo)化合物的分離度良好,質(zhì)譜圖與標(biāo)準(zhǔn)Nist14庫(kù)匹配度高。證明1.2 節(jié)儀器工作條件可用于本試驗(yàn)中目標(biāo)化合物SVOC的分析。

2.2 凈化條件的選擇

石油烴是指各種烴類化合物的混合物,均屬于低極性或非極性化合物,而目標(biāo)化合物SVOC 大多含羥基、胺基、羰基、芳香環(huán)等極性基團(tuán),因此,凈化的原理是目標(biāo)化合物SVOC 在正己烷這種非極性溶劑中能與極性固相填料發(fā)生極性作用力而保留在固相萃取小柱上,棄去非極性溶劑正己烷淋洗掉的石油烴,再用不同洗脫強(qiáng)度的洗脫劑把目標(biāo)化合物從柱上洗脫下來(lái)而達(dá)到凈化目的。

試驗(yàn)使用5 mg·L-1的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液[其中正構(gòu)烷烴(C10～C40)作為SVOC的干擾物質(zhì)],對(duì)不同的固相萃取小柱、淋洗劑、洗脫劑種類和用量等凈化條件進(jìn)行比對(duì)。

2.2.1 固相萃取小柱和洗脫劑的種類

Silica硅膠小柱是未鍵合的硅膠柱,通常被認(rèn)為是極性最強(qiáng)的吸附劑,適合分離結(jié)構(gòu)相似的化合物;Alumina N 中性氧化鋁小柱是以氧化鋁為強(qiáng)極性吸附劑的小柱,易保留芳香族和脂肪胺等富電化合物,在高pH 下,比硅膠小柱穩(wěn)定[7];Florisil弗羅里硅藻土小柱是以硅酸鎂作為吸附劑的小柱,也具有強(qiáng)極性,其大顆粒填料在處理黏度大的樣品時(shí),可代替硅膠小柱,當(dāng)氧化鋁的路易斯酸性質(zhì)影響到萃取效果時(shí),也可用來(lái)代替中性氧化鋁小柱。

從正相萃取柱上洗脫目標(biāo)化合物通常是根據(jù)洗脫劑的極性指數(shù)、溶劑的選擇性和洗脫強(qiáng)度來(lái)決定的。正己烷在硅膠上的洗脫強(qiáng)度為0,極性指數(shù)為0.06,屬于弱洗脫劑;丙酮在硅膠上的洗脫強(qiáng)度為0.43,極性指數(shù)為5.4,屬于強(qiáng)洗脫劑[8]。丙酮和正己烷也是常用的樣品的萃取溶劑,另外兼顧溶劑沸點(diǎn)等理化參數(shù),以丙酮和正己烷組合的混合液作為洗脫劑也是比較便捷和合理的。

試驗(yàn)取Florisil弗羅里硅藻土小柱(F)、Silica硅膠小柱(S)和Alumina N 中性氧化鋁小柱(AL N)作為固相萃取小柱,分別各用10 mL 正己烷活化,待正己烷液面接近填料頂面時(shí),取1.0 mL 上述待測(cè)對(duì)象過柱,用正己烷作為淋洗劑進(jìn)行淋洗,再分別用正己烷、體積比1∶19 的丙酮-正己烷混合溶劑、體積比1∶9 的丙酮-正己烷混合溶劑、體積比3∶17的丙酮-正己烷混合溶劑、體積比1∶4 的丙酮-正己烷混合溶劑作為洗脫劑進(jìn)行洗脫,在儀器工作條件下測(cè)定各目標(biāo)化合物的回收率,正構(gòu)烷烴、多環(huán)芳烴類、硝基苯、鹵代醚類、氯代烴類化合物在不同固相萃取小柱上用正己烷洗脫的結(jié)果見表1,苯酚類化合物在不同固相萃取小柱上用上述5種洗脫劑洗脫的結(jié)果見表2。

表1 正構(gòu)烷烴、多環(huán)芳烴類、硝基苯、鹵代醚類、氯代烴類化合物在不同固相萃取小柱上用正己烷洗脫的回收率Tab.1 Recovery of n-alkanes,polycyclic aromatic hydrocarbons,nitrobenzene,halogenated ethers,and chlorinated hydrocarbon on the different solid phase extraction columns with n-hexane as eluent

表1 (續(xù))

表2 苯酚類化合物在不同固相萃取小柱上被不同洗脫劑洗脫的回收率Tab.2 Recovery of phenols on the different solid phase extraction columns with different eluents

由表1可知:Florisil弗羅里硅藻土小柱和Alumina N 中性氧化鋁小柱在上樣的步驟就已損失了部分目標(biāo)化合物,且Alumina N 中性氧化鋁小柱對(duì)苯酚類化合物有較強(qiáng)的保留,所以使用Silica硅膠小柱比較合適,故試驗(yàn)選擇Silica硅膠小柱作為固相萃取小柱。

此外,由表1和表2結(jié)果還可知:正構(gòu)烷烴、多環(huán)芳烴類、硝基苯、鹵代醚類、氯代烴類等化合物幾乎均能被正己烷完全洗脫;除了Alumina N 中性氧化鋁小柱上的苯酚類化合物無(wú)法完全洗脫外,其余小柱上的苯酚類化合物均能被體積比1∶19 的丙酮-正己烷混合溶劑完全洗脫,故試驗(yàn)選擇用體積比1∶19的丙酮-正己烷混合溶劑作為洗脫劑。

2.2.2 淋洗劑用量

由于正己烷能洗脫多環(huán)芳烴類、硝基苯類、鹵代醚類、氯代烴類化合物而導(dǎo)致這些目標(biāo)化合物回收率低,所以按1.4.2節(jié)試驗(yàn)方法操作,使用正己烷淋洗小柱時(shí),待流出1.0 mL 正己烷后,更換收集瓶,反復(fù)收集到3個(gè)1.0 mL 的正己烷洗脫液后再用體積比1∶19的丙酮-正己烷混合溶劑進(jìn)行洗脫,來(lái)考察了正己烷淋洗體積與石油烴清除量、目標(biāo)化合物SVOC損失量間的關(guān)系,結(jié)果見表3。

表3 正己烷淋洗體積優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Optimal results of rinse volume by n-hexane

由表3結(jié)果可知:1.0 mL正己烷流出固相萃取小柱時(shí),能洗脫90%的正構(gòu)烷烴,而多環(huán)芳烴類、硝基苯類和鹵代醚類化合物的損失率基本小于10%,但氯代烴類化合物損失率達(dá)50%以上。推斷原因是由于未鍵合的硅膠填料表面有大量硅羥基Si-OH,能與目標(biāo)化合物的極性官能團(tuán)發(fā)生極性作用,其中氫鍵是最顯著的極性作用力;特別是其中的六氯丁二烯和六氯苯,由于這兩種化合物是丁二烯和苯上的氫全部被氯取代,氯的原子半徑較大,不易形成氫鍵,另外由于分子結(jié)構(gòu)對(duì)稱,極性鍵的作用力相互抵消,使整個(gè)分子呈現(xiàn)非極性狀態(tài),所以六氯丁二烯和六氯苯不被極性填料硅膠柱保留,導(dǎo)致回收率低。綜合考慮各物質(zhì)的測(cè)定,試驗(yàn)選擇淋洗劑正己烷用量為1.0 mL。

2.3 凈化對(duì)SVOC目標(biāo)化合物損失的影響

為考察樣品在固相萃取凈化過程中,是否發(fā)生了目標(biāo)化合物的損失,選取A 樣和B樣兩種不同類型的土壤樣品,按試驗(yàn)方法進(jìn)行凈化處理,凈化后加入混合標(biāo)準(zhǔn)溶液,進(jìn)行加標(biāo)回收試驗(yàn),其凈化效果見圖2。

由圖2可見:A 樣主要為C10～C19化合物的不連續(xù)的峰,經(jīng)過凈化后,可出看出8～16 min間的雜峰明顯減少;B 樣主要為C16～C33化合物的連續(xù)包狀峰,經(jīng)過凈化后,14 min之后的基線明顯降低,而且包狀峰上的小雜峰也明顯減少。

通過對(duì)樣品A 和B背景值的測(cè)定,A 樣中鄰苯二甲酸二(2-二乙基己基)酯檢出1.037 mg·L-1,B樣中鄰苯二甲酸二正丁酯檢出12.348 mg·L-1和鄰苯二甲酸二(2-二乙基己基)酯檢出4.668 mg·L-1,在計(jì)算目標(biāo)化合物回收率時(shí),應(yīng)做相應(yīng)的折算處理。

圖2 樣品凈化前后效果對(duì)比Fig.2 Comparison of effect before and after sample purification

2.4 線性曲線和檢出限

取SVOC混合標(biāo)準(zhǔn)溶液系列,按試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)定,采用內(nèi)標(biāo)法定量。結(jié)果表明:所有目標(biāo)化合物的質(zhì)量濃度在1～20 mg·L-1內(nèi)與內(nèi)標(biāo)的質(zhì)量濃度比與其對(duì)應(yīng)的峰面積比呈線性關(guān)系,線性參數(shù)見表4。

當(dāng)取樣量為5.0 g,定容體積為1.0 mL,按標(biāo)準(zhǔn)HJ 168-2010《環(huán)境監(jiān)測(cè)分析方法標(biāo)準(zhǔn)制修訂技術(shù)導(dǎo)則》規(guī)定,以自由度(n)為7-1,置信度為99%時(shí)的t分布(單側(cè))與7次平行測(cè)定所得測(cè)定值的標(biāo)準(zhǔn)偏差(s)的乘積計(jì)算方法檢出限(t(n-1,0.99)×s),以4倍檢出限作為測(cè)定下限,結(jié)果見表4。

表4 線性參數(shù)、檢出限和測(cè)定下限Tab.4 Linearity parameters,detection limits and lower limits of determination

表4 (續(xù))

表4 (續(xù))

由表4可見:線性回歸方程的相關(guān)系數(shù)均大于0.990 0,方法的檢出限為0.06～0.30 mg·kg-1。

2.5 方法的精密度和準(zhǔn)確度

分別取土壤樣品A 樣和B樣,在0.2,1,4 mg·kg-1的加標(biāo)水平下進(jìn)行加標(biāo)回收試驗(yàn),按試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)定,平行測(cè)定6次,計(jì)算測(cè)定值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)和回收率,結(jié)果見表5[表中A 樣中鄰苯二甲酸二(2-二乙基己基)酯,B 樣中鄰苯二甲酸二正丁酯和鄰苯二甲酸二(2-二乙基己基)酯)的結(jié)果為扣除本底值后的折算值]。

表5 精密度和回收試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Results of tests for precision and recovery

表5 (續(xù))

表5 (續(xù))

表5 (續(xù))

由表5可知:目標(biāo)化合物的RSD 為0.60%～15%,方法的精密度能達(dá)到HJ 834-2017 的測(cè)試要求。此外,兩種不同類型的土壤樣品凈化后的加標(biāo)回收率相近。除氯代烴類化合物外,其余化合物回收率均可達(dá)80.0%以上,和混合標(biāo)準(zhǔn)溶液過柱試驗(yàn)結(jié)果基本一致。不同加標(biāo)水平下的回收率顯示,低濃度水平下的加標(biāo)回收率(35.8%～145%)略高于高濃度水平下的加標(biāo)回收率,這可能是填料規(guī)格影響目標(biāo)化合物回收率。在實(shí)際應(yīng)用中可對(duì)回收率偏低的化合物進(jìn)行定性分析,加入相應(yīng)的替代物,通過對(duì)替代物回收率的折算來(lái)進(jìn)行定量分析。根據(jù)預(yù)測(cè)樣品中目標(biāo)化合物的含量選擇合適的填料規(guī)格。

本工作通過采用固相萃取技術(shù)對(duì)SVOC 和石油烴進(jìn)行分離,完成了一項(xiàng)比較困難的操作。試驗(yàn)建立了一種僅使用實(shí)驗(yàn)室最常規(guī)的Silica硅膠小柱和體積比為1∶19的丙酮-正己烷混合溶劑作洗脫劑就能使大部分SVOC 與石油烴達(dá)到良好分離效果的凈化方法。在今后的實(shí)際應(yīng)用中,可根據(jù)需要測(cè)定SVOC的種類,在本試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,靈活改變淋洗劑的淋洗體積,而達(dá)到最優(yōu)凈化效果。方法具有快速、便捷、可廣泛使用等特點(diǎn)。