同时测定土壤中多环芳烃和多氯联苯的方法
阅读说明：本技术 同时测定土壤中多环芳烃和多氯联苯的方法 (Method for simultaneously measuring polycyclic aromatic hydrocarbon and polychlorinated biphenyl in soil ) 是由 车凯 郁金星 刘克成 韩忠阁 牛向楠 侯海萍 宫云茜 于 2020-05-21 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种同时测定土壤中多环芳烃和多氯联苯的方法,包括对土壤样品进行除去异物、提取、萃取和小柱净化处理,得到待测样品溶液；利用气相色谱-质谱仪检测空白试样；利用气相色谱-质谱仪检测待测样品溶液；用待测样品溶液检测结果扣除空白试样检测结果,即得。本发明首先对待检测样品进行除去异物、提取、萃取和小柱净化处理,然后采用气相色谱-质谱仪法检测,可以同时分析土壤中16种PHAs和18种PCBs,且该方法高效、灵敏、检测限低、检测周期短,提高检测的准确定和实效性。(The invention provides a method for simultaneously measuring polycyclic aromatic hydrocarbon and polychlorinated biphenyl in soil, which comprises the steps of removing foreign matters, extracting and purifying a soil sample by a small column to obtain a sample solution to be measured; detecting a blank sample by using a gas chromatography-mass spectrometer; detecting a sample solution to be detected by using a gas chromatography-mass spectrometer; and deducting the detection result of the blank sample by using the detection result of the sample solution to be detected. The method firstly removes foreign matters, extracts and purifies the sample to be detected by a small column, then adopts a gas chromatography-mass spectrometer method for detection, can simultaneously analyze 16 PHAs and 18 PCBs in the soil, has high efficiency, sensitivity, low detection limit and short detection period, and improves the accurate determination and effectiveness of the detection.)
技术领域
本发明涉及土壤污染物分析检测技术领域，特别涉及一种同时测定土壤中多环芳烃和多 氯联苯的方法。
背景技术
土壤是人类耐以生存和发展的重要资源，土壤一旦受到污染，土壤中的污染物会对地表 水和地下水形成二次污染。土壤中的污染物会通过饮用水或土壤－植物系统，经由食物链进 入人体，直接危及人体健康。同时，国家对土壤环境污染重视程度大幅提高，生态环境部(原 国家环保部)、自然资源部(原国土资源部)等相关部门出台了《中华人民共和国环境保护 法》、《土壤污染防治法》、《固体废物污染环境法》、“土壤十条”等系列法律法规及政策， 在初步完成全国性土壤污染普测阶段性工作后，已开始转向土壤污染治理阶段。
多环芳烃(Polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs)是指由两个或两个以上的苯环通过线 状、角状或簇状组合而成的碳氢化合物。多环芳烃主要来源于石油、煤等有机污染物的不完 全燃烧，广泛存在于空气、土壤及水环境中。多环芳烃具有极强的疏水性，且具有较高的稳 定性，使得其容易累积于土壤中。多氯联苯(Polychlorinated biphenyls；Polychlorodiphenyls， PCBs)，属于致癌物质，容易累积在脂肪组织，造成脑部、皮肤及内脏的疾病，并影响神经、 生殖及免疫系统。多环芳烃和多氯联苯是土壤中典型的具有致癌、致畸、致突变性的持久性 有机污染物(Persistent organic pollutants,POPs)。多环芳烃具有极强的疏水性，且具有较高的 稳定性，使得其容易累积于土壤中，土壤是多环芳烃在自然环境中的仓库和中转站。多环芳 烃一旦进入土壤中，将会通过饮用水或土壤－植物系统，经由食物链进入人体，直接危及人 体健康。迄今为止已发现多种具有致癌性的多环芳烃，如苯并蒽、苯并芘等，动物实验表明 这些多环芳烃能够诱发皮肤癌、肝癌、胃癌、甲状腺癌、恶性淋巴癌及口腔癌等，具有很强 的致畸、致癌、致突变作用，在其形成、迁移、转化和降解过程中会通过皮肤、呼吸道和消 化道进入人体，最终严重危害人体健康。因此，PAHs和PCBs的定性和定量检测方法作为 基础研究方法得到了国内外广泛关注和研究。
国内外对土壤中PAHs和PCBs检测方法较成熟，相关标准和分析方法大都是对2类化 合物分别提取、净化和测定。目前，国内外主要用于土壤中PAHs检测标准有HJ805-2016、HJ784-2016、EPA.Method 8270E、EPA.Method 8310等，国内外主要用于土壤中PCBs检测 标准有HJ 743-2015、EPA.Method 8082A等。实际测试工作中，现有测试方法面对大批量保 存时间短、测试项目多的土壤样品，测定结果的准确性和时效性将大打折扣。针对土壤中多组分有机污染物同时提取、浓缩、净化和测定的标准还未见颁布，相关分析检测方法的研究仅有少量报道，且主要针对PHAs和农药有机氯方面的，在针对土壤中PAHs和PCBs等多 组分有机污染物同时提取、净化和测定研究鲜有报道。
因此，开发一种能够同时快速测定土壤中PAHs和PCBs多组分化合物的方法，提高检 测的准确定和实效性，成为本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种同时测定土壤中多环芳烃和多氯联苯的方法，以同时快 速测定土壤中PAHs和PCBs多组分化合物的方法，提高检测的准确定和实效性。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种同时测定土壤中多环芳烃和多氯联苯的方法，包括
a、对土壤样品进行预处理，所述预处理的步骤包括除去异物、提取、萃取和小柱净化， 得到待测样品溶液；
b、选用石英砂作为空白试样，利用气相色谱-质谱仪检测空白试样；
c、利用气相色谱-质谱仪检测待测样品溶液；
d、将待测样品溶液检测结果扣除空白试样检测结果，即得。
进一步的，步骤a包括下列步骤：
a1、除去异物：将土壤样品除去异物，充分混匀；加入无水硫酸钠搅拌均匀，直至待检 测试样呈流沙状；于4℃以下冷藏48小时；
a2、提取：冷藏后加入多环芳烃替代物、四氯间二甲苯25μL；后加入等体积的正己烷 和丙酮进行提取；
a3、萃取：采用索氏提取、加压流体萃取或超声波萃取中的任意一种方法进行萃取；
a4、小柱净化：对小柱进行预处理；将步骤a3得到的液体转移至小柱中，用正己烷分 三次洗涤浓缩器皿，洗液全部转入小柱中；加入5mL二氯甲烷-正己烷混合溶剂进行洗脱； 继续加入5mL二氯甲烷-正己烷混合溶剂，并收集全部洗脱液，浓缩洗脱液；加入内标物， 得到待测样品溶液。
进一步的，步骤a2中，所述正己烷和丙酮的液面高于土壤样品表面2cm。
进一步的，步骤a3中，萃取方式为超声波萃取。
进一步的，所述超声波萃取的条件为：萃取剂为体积比为1:1的正己烷和丙酮，超声波 频率为600W，温度为25℃。
进一步的，所述超声波萃取的萃取时间为15min。
进一步的，所述超声波萃取的萃取次数为4次。
进一步的，步骤a4中，所述内标物为萘-d8、苊烯-d10、菲-d10、-d12和苝-d12五种 氘代多环芳烃，所述PHAs替代物混标为2-氟联苯(2-Fluoro-1)和4,4’-三联苯-d14 (P-Terphenyl-d14)；所述PCBs替代物为混标四氯间二甲苯，所述内标物的浓度为200μg/L， 所述PHAs替代物混标和所述PCBs替代物的浓度分别为2000μg/L和100μg/L。
进一步的，气相色谱条件为：进样口温度280℃，不分流；进样量1.0μL，柱流量1.0mL/min；离子源温度230℃；升温程序为：柱温80℃保持2min；以20℃/min速率升至 180℃，保持5min；再以10℃/min速率升至290℃，保持10min。
进一步的，质谱条件为：电子轰击源(EI)；离子化能量0eV；接口温度280℃；四级杆温度150℃；扫描范围45amu～450amu；溶剂延迟时间5min；扫描模式为全扫描-选择离 子模式。
相对于现有技术，本发明具有以下优势：
1、本发明首先对待检测样品进行除去异物、提取、萃取和小柱净化处理，然后采用气 相色谱-质谱仪法检测，可以同时分析土壤中16种PHAs和18种PCBs，且该方法高效、灵敏、检测限低、检测周期短，提高检测的准确定和实效性。
2、本发明采用超声波萃取法同时对土壤中多环芳烃和多氯联苯进行萃取，利用超声波 辐射产生的机械振动效应、空化效应和扰动效应，通过破坏有机物在土壤和沉积物表面的吸 附，增加物质分子运动的频率和速度，提高溶剂的穿透力，从而加速有机物在有机相中的溶 解，可有效提高萃取效率，进一步提高检测的准确性和实效性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有 技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明 的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根 据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为本发明实施例2.1PHAs和PCBs SIM模式色谱图；
图2为本发明实施例2.2.1不同萃取方式下16种PAHs和18种PCBs回收率示意图；
图3为本发明实施例2.2.2超声萃取次数对回收率的影响示意图；
图4为本发明实施例2.2.3超声萃取时间对回收率的影响示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描 述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发 明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例， 都属于本发明保护的范围。
在本发明中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、 “上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、 “逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本 发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位 构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术 语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机 械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元 件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明 中的具体含义。
本发明中，采用安捷伦7890B-5977B MSD气相色谱-质谱联用仪(美国Agilent公司) 进行分析检测。
本发明中，16种多环芳烃混标为萘(Nap)、苊烯(ACL)、苊(AC)、芴(FL)、 菲(PHE)、蒽(AN)、荧蒽(FA)、芘(PY)、苯并(a)蒽(BaA)，(CHR)、苯 并(b)荧蒽(BbFA)、苯并(k)荧蒽(BkFA)、苯并(a)芘(BaP)、二苯并(a,h)蒽 (DBahA)、苯并(g,h,i)苝(BghiP)、茚并(1,2,3-c,d)芘(IP)。
本发明中，18种PCBs混标为PCB28、PCB52、PCB101、PCB81、PCB77、PCB123、 PCB118、PCB114、PCB153、PCB105、PCB138、PCB126、PCB167、PCB156、PCB157、 PCB180、PCB169、PCB189。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
实施例1
本实施例涉及一种同时测定土壤中多环芳烃和多氯联苯的方法，包括
a、对土壤样品进行预处理，所述预处理的步骤包括除去异物、提取、萃取和小柱净化， 最大限度的去除干扰测定的杂质，得到待测样品溶液。优选的，各预处理步骤如下：
a1、除去异物：将土壤样品放在搪瓷盘中，除去枝棒、叶片、石子、玻璃、废金属等异物，充分混匀样品。称取约10g(精确到0.01g)样品于50mL玻璃小瓶中，加入一定量的 无水硫酸钠(无水硫酸钠的加入量视样品的水分含量而定，但要保证总量不超过容量的一半，一般为5g)，用不锈钢角匙搅拌均匀，使搅拌后的试样呈流沙状，4℃以下冷藏48小时充 分使土壤的水分充分被无水硫酸钠吸收，充分搅拌防止结块，待进行下一步处理。
a2、提取：在装有试样的玻璃瓶中准确加入2000mg/L的多环芳烃替代物10μL和2mg/L 的四氯间二甲苯25μL。然后加入约20mL的体积比为1:1的正己烷和丙酮作为提取剂进行 提取。优选的，所加入的提取剂液面高出固体试样表面约2cm。
a3、萃取：采用索氏提取、加压流体萃取或超声波萃取中的任意一种方法进行萃取。优 选的，萃取方式为超声波萃取。更优选的，所述超声波萃取的条件为：萃取剂为体积比为1:1 的正己烷和丙酮，超声波频率为600W，温度为25℃。萃取完成后，然后在3000r/min转速 下离心2min，取上清液过滤。在滤纸上加入适量无水硫酸钠，并干燥过滤。再重复提取三 次，合并四次提取液，旋转蒸发浓缩至1mL左右。
a4、小柱净化：首先对小柱进行预处理，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。将步骤a3得到的液体转移至小柱中，用2mL正己烷分三次洗涤浓缩器皿，洗液全部转入 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 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-正己烷混合溶剂，并收集全部洗脱液，浓缩洗脱液至1.0mL，准确加入内标物，得到待测样品溶液。优选的，所述5种氘代多环芳烃内标物为萘 -d8、苊烯-d10、菲-d10、-d12、苝-d12，所述PHAs替代物混标为2-氟联苯(2-Fluoro-1) 和4,4’-三联苯-d14(P-Terphenyl-d14)；所述PCBs替代物混标为四氯间二甲苯。所述内标 物的浓度为200μg/L，所述PHAs替代物混标和所述PCBs替代物的浓度分别为2000μg/L和 100μg/L。
b、选用石英砂代替实际土壤样品作为空白试样，利用气相色谱-质谱仪检测空白试样。
c、利用气相色谱-质谱仪检测待测样品溶液。
d、用石英砂代替实际样品作为基体开展条件优化和方法精密度、准确度实验。
为了进一步增加同时测定土壤中多环芳烃和多氯联苯方法的性能，在本发明的其中一种 具体实施方式中，所述超声波萃取的萃取时间为15min。优选的，所述超声波萃取的萃取次 数为4次。气相色谱条件为：进样口温度280℃，不分流；进样量1.0μL，柱流量1.0mL/min； 离子源温度230℃；升温程序为：柱温80℃保持2min；以20℃/min速率升至180℃，保持5min；再以10℃/min速率升至290℃，保持10min。质谱条件为：电子轰击源(EI)； 离子化能量70eV；接口温度280℃；四级杆温度150℃；扫描范围45amu～450amu；溶剂 延迟时间5min；扫描模式为全扫描-选择离子模式(SIM)模式。
实施例2
本实施例涉及一种同时测定土壤中多环芳烃和多氯联苯方法的表征与优化。
实施例2.1
本实施例涉及GC-MS定性定量条件的优化，选用实施例1中的步骤b、c和d，在全扫描选择离子模式(SCAN/SIM模式)下，对PHAs和PCBs及其内标和替代物在内的42种化 合物进行定性和定量检测，其检测条件如表1所示，表1示出了各化合物色谱峰标号和保留 时间，总分析时间为30min。其检测得到的色谱图见图1。由图1可知，本发明的方法能够 使PHAs和PCBs及其内标和替代物在内的42种化合物进行很好的分离，且峰形良好，分离 度满足方法要求。
表1 GC-MS选择离子模式(SIM)下PAHs和PCBs检测条件
实施例2.2
本实施例涉及萃取条件的表征与优化。
实施例2.2.1
本实施例采用最常用的3种土壤前处理方式索氏提取、加压流体萃取和超声萃取来考察 不同萃取方式对PHAs和PCBs回收率的影响。具体步骤如下：称取3组10.0g石英砂，每 组取3份平行样，经400℃烘烤4h后分别加入等量PCBs和PAHs标准溶液配制成20μg/kg待测样品，参考相关标准中提取条件对样品进行提取，结果见图2。
从图2可以看出，采用索氏萃取法16种PAHs和18种PCBs的回收率在72.5～92.1％之 间，平均回收率为84.6％；采用快速溶剂萃取法回收率在77.2～～94.5％之间，平均回收率为 86.7％；采用超声萃取法回收率在74.2～92.0％之间，平均回收率为85.5％。三种萃取方式回 收率无明显差别，但是索氏提取耗时长，需要的溶剂量大，成本高，操作繁琐，效率低。加 压溶剂萃取效率较高，萃取速度快，但设备昂贵，需要的耗材较多，增加了测试成本，如大 量连续测试可选用该法。超声波萃取法耗时较短，功耗低，萃取溶剂升温小，对PCBs和PAHs 类溶剂萃取效果好，所以本实施例优先选择的萃取方法为超声波萃取法。由此证明，针对不 同的目标物选择合适的萃取方式不仅可以提高萃取效率，还可以节约时间和成本。
实施例2.2.2
本实施例采用不同的萃取次数来考察其对PHAs和PCBs回收率的影响。具体步骤如下： 称取5组10.0g石英砂，每组取3份平行样，经400℃烘烤4h后分别加入等量PCBs和PAHs标准溶液配制成20μg/kg待测样品。萃取液采用丙酮和正己烷体积比为1:1混合液，采用超声波萃取法萃取，每个样品萃取过程分别重复2、3、4、5、6次，再合并提取溶液。研究萃 取次数对回收率的影响，平均回收率见图3。
从图3可以看出，PCBs和PAHs平均回收率随萃取次数增加而增加，当萃取次数为4次时PCBs和PAHs平均回收率分别为90.47％和86.25％，且超过4次时所得回收率差异不大，综合考虑萃取时间和回收率，本实施例优先选择的萃取次数为4次。
实施例2.2.3
本实施例采用不同的萃取次数来考察其对PHAs和PCBs回收率的影响。具体步骤如下： 称取6组10.0g石英砂，每组取3份平行样，经400℃烘烤4h后分别加入等量PCBs和PAHs标准溶液配制成20μg/kg待测样品。萃取液采用丙酮和正己烷体积比为1:1混合液，采用超声波萃取法分别萃取5、10、15、20、25、30min，萃取过程重复四次，合并提取溶液，研 究萃取时间对回收率的影响，平均回收率见图4。
从图4可以看出，PCBs和PAHs平均回收率随超声时间延长而增加，但当超声时间超过15min时所得回收率差异不大，且随时间不断延长，超声回收率有所下降，可能是受超声波衰减因素的制约导致。因此本实施例优先选择的超声时间为15min。
实施例2.3
本实施例涉及同时测定土壤中多环芳烃和多氯联苯方法的表征。具体步骤为：配置浓度 分别为0,10,20,50,100,200和500μg/L的34个目标化合物和3个替代物的标准溶液，使内标 物的浓度为200μg/L。用内标法建立线性回归方程，线性方程及检出限列于表2。由表2可 知，16种PAHs和18种PCBs在0～500μg/L范围内线性关系良好，相关系数(R2)均大于 0.999。
称取10g石英砂，分别加入20ng PCBs和PHAs目标物，按实施例1的处理过程分别测定9个浓度为2μg/kg和20μg/kg的加标平行样(基体加标试验)，计算出回收率、精密度和 检出限。方法检出限按HJ 168–2010《环境监测分析方法标准制修订技术导则》的规定。 MDL＝S×(n-1，0.99)，n＝9，在99％置信区间t(8，0.99)＝2.896。再称取10g石英砂，分 别加入200ngPCBs和PHAs目标物，按实施例1的处理过程测定9个加标平行样，计算出回 收率和精密度。结果详见表2。由表2可知，16种PAHs和18种PCBs样品平均回收率为69.7～123.4％，相对标准偏差在1.1％～9.1％之间，方法检出限为0.9～2.5μg/kg。
表2标准曲线线性方程、相关系数(R2)、回收率和精密度(n＝9)
实施例3
本实施例涉及同时测定土壤中多环芳烃和多氯联苯方法的表征。具体步骤为：用实施例 1的方法对河北省南部地区部分变电站周围的土壤中的PHAs和PCBs进行测定，16的样品 各取10g，结果下表所示。可以看出，在土壤样品检测过程中，化合物的分离度较好、响应 较高、基线噪声平稳。结果显示，大部分土壤中检出多种PHAs，个别土壤中检出PCBs。样品加标回收率为64.6％～134.1％，替代物回收率在72.1％～119.6％之间。相对标准偏差为 5.1％～15.7％。通过对实际样品的测定，说明该方法具有较低的检出限及较强的抗干扰能力， 能满足土壤中PHAs和PCBs的检测要求。
表3 16个实际土壤样品中PHAs和PCBs同时进行测定的结果
注：空白表示未检出。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原 则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。