胡德華，劉小桐，閆峻

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029）

多環(huán)芳烴（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，PAHs）是一類分子中含有兩個(gè)或兩個(gè)以上苯環(huán)的碳?xì)浠衔镆约捌溲苌锏目偡Q，可分為芳香稠環(huán)型及芳香非稠環(huán)型兩種，迄今為止，已發(fā)現(xiàn)有200多種的PAHs［1-2］。多環(huán)芳烴的來(lái)源分為自然源和人為源。自然源多環(huán)芳烴主要來(lái)自于陸生、水生植物和微生物的生物合成過(guò)程，以及森林、草場(chǎng)天然火災(zāi)；人為源多環(huán)芳烴產(chǎn)生于工業(yè)生產(chǎn)、有機(jī)物熱解或不完全燃燒［3-4］。自然源多環(huán)芳烴可作為一類原油生物標(biāo)志物在石油地球化學(xué)中起到廣泛應(yīng)用，如判斷原油和生油巖成熟度、判斷石油母源和沉積環(huán)境、油源對(duì)比等［5］。此外，多環(huán)芳烴也是一類重要的污染物。人為源的多環(huán)芳烴廣泛分布于人類生活的自然環(huán)境如大氣、水體、土壤、作物和食品中，具有難降解、積累性強(qiáng)、半揮發(fā)性等特點(diǎn)，通過(guò)呼吸道、皮膚、消化道進(jìn)入人體，極大地威脅著人類的健康，有很強(qiáng)的致畸、致癌、致突變作用［6-7］。目前多環(huán)芳烴已被列入建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值和管制值的基本項(xiàng)目及農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值其他項(xiàng)目中，受到廣泛關(guān)注［8］。

目前對(duì)于土壤中多環(huán)芳烴的提取和檢測(cè)是研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。常用的多環(huán)芳烴檢測(cè)技術(shù)包括：高效液相色譜法（HPLC）、氣相色譜法（GC）、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法（GC-MS）、氣相色譜-三重四極桿質(zhì)譜聯(lián)用法（GC-MS/MS）等。HPLC分析多環(huán)芳烴時(shí)不需要高溫氣化樣品，樣品進(jìn)入儀器時(shí)不會(huì)被高溫分解，缺點(diǎn)是抗干擾能力弱，難以準(zhǔn)確判斷目標(biāo)物［9］；GC具有儀器價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)同樣為抗干擾能力弱［10］；GC-MS/MS具有高抗干擾能力和高選擇性，缺點(diǎn)為儀器價(jià)格昂貴，設(shè)備使用條件高［11］。GC-MS具有定性、定量準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，且可以使用全掃描（Full Scan）和選擇離子掃描（Selective Ion Monitoring）兩種模式，抗干擾能力強(qiáng)，是目前分析土壤中多環(huán)芳烴的重要手段［12-13］。

在GC-MS檢測(cè)過(guò)程中，樣品在進(jìn)入儀器檢測(cè)前通常需要經(jīng)過(guò)提取、凈化、濃縮等前處理步驟，其中提取步驟對(duì)檢測(cè)效果起到了決定作用。目前，索氏提取法、加壓流體萃取法和超聲提取法是提取土壤中多環(huán)芳烴最常用的方法。索氏提取具有選擇性好、能耗低、操作簡(jiǎn)便、設(shè)備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是提取耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)，需要持續(xù)回流10 h以上才能提取完全，不利于大量樣品檢測(cè)［14］。加壓流體萃取法具有提取效率快、自動(dòng)化程度高、萃取效率高等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是對(duì)溶劑使用量高，且需要使用專用設(shè)備，使用條件要求較高［15］。超聲提取法是基于超聲波的空化作用，在溶劑中形成無(wú)數(shù)氣泡快速形成內(nèi)爆［16］，輔助溶劑對(duì)樣品進(jìn)行提取，具有操作簡(jiǎn)便，提取時(shí)間較短，提取效率較高等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于各類無(wú)機(jī)或有機(jī)物質(zhì)的提取中［17-19］。采用超聲提取，硅酸鎂小柱凈化，GC-MS定性、定量分析，建立了土壤中16種多環(huán)芳烴的檢測(cè)方法，并應(yīng)用于實(shí)際樣品的檢測(cè)中。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

儀器：Clarus600T氣相色譜-質(zhì)譜儀（美國(guó)PerkinElmer公司）、KH-100E超聲波儀（中國(guó)昆山禾創(chuàng)超聲儀器有限公司）、吉艾姆A-200濃縮儀（北京吉艾姆科技有限公司）、HITACHI CP100NX高速離心機(jī)（日本株式會(huì)社日立制作所）。

試劑：二氯甲烷中16種多環(huán)芳烴混標(biāo)（2 000 mg·L-1）、二氯甲烷中5種同位素混合內(nèi)標(biāo)（2 000 mg·L-1）購(gòu)自壇墨質(zhì)檢科技股份有限公司（中國(guó)常州）；正己烷（色譜純）、丙酮（色譜純）、二氯甲烷（色譜純）、無(wú)水硫酸鈉購(gòu)自上海阿拉丁生化科技股份有限公司（中國(guó)上海）；高純He氣購(gòu)自北京氦普北分氣體工業(yè)有限公司（中國(guó)北京）

1.2 色譜條件

進(jìn)樣口：無(wú)分流進(jìn)樣，溫度250℃；色譜柱：HP-5MS彈性石英毛細(xì)管色譜柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）；進(jìn)樣量：1.0 μL；柱流量：1.0 mL·min-1；柱箱：80℃保持1 min，以15℃·min-1升至255℃并保持1 min，再以1℃·min-1升至265℃，保持1 min，最后以2.5℃·min-1升至295℃，保持2 min。

1.3 質(zhì)譜條件

離子源：EI；離子源溫度：250℃；離子化能量：70 eV；傳輸線溫度：280℃；質(zhì)量掃描范圍：45～450 u；溶劑延遲：3 min；掃描模式：全掃描模式和選擇離子（SIM）模式。

1.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制

使用正己烷-丙酮1：1混合溶液將16種PAHs混合標(biāo)準(zhǔn)溶液（2 000 mg·L-1）稀釋為500 mg·L-1的PAHs標(biāo)準(zhǔn)中間液；使用正己烷-丙酮1：1混合溶液將5種同位素混合內(nèi)標(biāo)（2 000 mg·L-1）溶液稀釋為200 mg·L-1的內(nèi)標(biāo)中間液。取5個(gè)氣相色譜進(jìn)樣瓶，使用5 μL的進(jìn)樣針移取適量多環(huán)芳烴標(biāo)準(zhǔn)中間液和內(nèi)標(biāo)中間液，用正己烷-丙酮混合溶劑定容，配置成多環(huán)芳烴含量為2.0、5.0、10.0、20.0和40.0 mg·L-1，內(nèi)標(biāo)含量為20.0 mg·L-1的標(biāo)準(zhǔn)系列溶液。

1.5 樣品的提取和制備

1.5.1樣品提取

實(shí)驗(yàn)所用土壤取自北京周邊地區(qū)，采樣時(shí)間為2021年10月。土壤取回后，剔除其中的石子、枯枝和碎屑，陰干后，研磨過(guò)200目篩。稱取10.0 g樣品于100 mL碘量瓶中，加入5.0 g無(wú)水硫酸鈉、1.0 g銅片，加入60 mL正己烷-二氯甲烷1：1混合溶液，加塞水封，超聲震蕩2 h。結(jié)束后將提取劑用高速離心機(jī)5 000 r·min-1離心10 min，分離出上清液，濃縮至1 mL待用。

1.5.2樣品純化

將硅酸鎂小柱（6 mL，1g）固定在固相萃取裝置上，用4 mL二氯甲烷淋洗凈化柱，加入5 mL正己烷，待柱充滿后關(guān)閉流速控制閥5 min浸潤(rùn)硅酸鎂柱，打開(kāi)控制閥，繼續(xù)加入正己烷5 mL，在填料暴露于空氣前關(guān)閉控制閥。加入濃縮后的提取液，用2 mL正己烷分3次洗滌儲(chǔ)存濃縮液的容器，洗液轉(zhuǎn)移入小柱中。緩慢打開(kāi)控制閥，在填料暴露于空氣前關(guān)閉控制閥，分兩次各加入5 mL二氯甲烷-正己烷混合溶劑洗脫。收集全部洗脫液，再次濃縮至1 mL。

1.5.3空白土壤樣品和加標(biāo)土壤樣品的制備

取一定量來(lái)自北京周邊地區(qū)的土壤樣品，剔除其中的石子、枯枝和碎屑，陰干后，研磨過(guò)200目篩，裝入索氏提取器中，使用正己烷-二氯甲烷混合溶液提取12 h。結(jié)束后倒去索氏提取器下部燒瓶中的溶液，換上新的正己烷-二氯甲烷混合溶液重復(fù)提取。重復(fù)此操作5次得到空白土壤樣品。留取部分空白土壤樣品作為實(shí)驗(yàn)中全流程空白參比樣品。利用此空白土壤樣品配制多環(huán)芳烴加標(biāo)土壤樣品，以各多環(huán)芳烴組分加標(biāo)水平均為2.0 mg·kg-1的加標(biāo)土壤樣品為例，加標(biāo)方法為稱取10.0 g空白土壤樣品，使用10.0 μL進(jìn)樣針準(zhǔn)確加入10.0 μL濃度為2 000 mg·L-1的多環(huán)芳烴標(biāo)準(zhǔn)溶液，充分?jǐn)嚢杈鶆虼谩?/p>

2 結(jié)果與討論

2.1 多環(huán)芳烴標(biāo)準(zhǔn)色譜圖

依照擬定的色譜條件，對(duì)標(biāo)樣中的多環(huán)芳烴成分進(jìn)行分析，測(cè)得的色譜圖如圖1所示。圖1中所標(biāo)注的峰分別為：1）萘-d8（內(nèi)標(biāo)）；2）萘；3）苊烯；4）苊烯-d10（內(nèi)標(biāo)）；5）苊；6）芴；7）菲-d10（內(nèi)標(biāo)）；8）菲；9）蒽；10）熒蒽；11）芘；12）苯并［a］蒽；13）?-d12（內(nèi)標(biāo)）；14）?；15）苯并［b］熒蒽；16）苯并［k］熒蒽；17）苯并［a］芘；18）苝-d12（內(nèi)標(biāo)）；19）茚并［1，2，3-c，d］芘；20）二苯并［a，h］蒽；21）苯并［g，h，i］苝?？梢钥吹?，16種多環(huán)芳烴組分及5種內(nèi)標(biāo)物均能檢出并分離。

圖1 多環(huán)芳烴標(biāo)準(zhǔn)樣品色譜流出圖Fig.1 Chromatogram of polycyclic aromatic hydrocarbons in standard samples

2.2 校準(zhǔn)曲線

根據(jù)各多環(huán)芳烴組分的保留時(shí)間對(duì)各組分峰進(jìn)行定性分析。利用各組分質(zhì)量濃度和附近內(nèi)標(biāo)物的質(zhì)量濃度比值為橫坐標(biāo)；以各組分峰面積和內(nèi)標(biāo)化合物的峰面積的比值，與內(nèi)標(biāo)化合物的質(zhì)量濃度為縱坐標(biāo)，可用內(nèi)標(biāo)法測(cè)定各多環(huán)芳烴組分的含量?；貧w方程如表1所示。各組分平均回收率介于91.3%～101.2%之間，標(biāo)準(zhǔn)曲線的相關(guān)系數(shù)介于0.996 7～0.999 7之間。說(shuō)明檢測(cè)方法線性相關(guān)性好，符合定量分析要求。

表1 多環(huán)芳烴的分離、回收效果Table 1 Effect of separation and recovery of PAHs

2.3 提取條件的優(yōu)化

土壤樣品中多環(huán)芳烴類化合物含量通常較少，而且含有較多干擾物質(zhì)，因此在土壤樣品多環(huán)芳烴的檢測(cè)過(guò)程中，提取效率的高低尤為重要。從節(jié)省溶劑和提高萃取速率考慮，本實(shí)驗(yàn)采用一次加入溶劑的方法進(jìn)行提取。本實(shí)驗(yàn)考察了提取過(guò)程中，提取溶液種類、提取溶劑量、提取時(shí)間以及提取溫度4個(gè)主要因素對(duì)提取效率的影響。

2.3.1提取溶劑種類選擇

土壤中有機(jī)污染物常見(jiàn)的提取溶劑有乙酸乙酯、二氯甲烷、正己烷、石油醚，參考傳統(tǒng)索氏提取、加壓流體萃取等方法中溶劑的配制方法，配制了乙酸乙酯-二氯甲烷、乙酸乙酯-正己烷、乙酸乙酯-石油醚、二氯甲烷-正己烷、二氯甲烷-石油醚、正己烷-石油醚6種二元混合提取劑，混合體積比均為1：1。使用6種提取劑對(duì)土壤加標(biāo)樣品進(jìn)行提取并檢測(cè)。結(jié)果如表2所示。

表2 不同提取劑對(duì)多環(huán)芳烴的提取效率Table 2 Extraction efficiency of PAHs with different extraction solvents

由表2可見(jiàn)，6種提取劑對(duì)土壤樣品中多環(huán)芳烴的提取效率具有差異，其順序?yàn)椋憾燃淄?正己烷＞二氯甲烷-石油醚＞乙酸乙酯-二氯甲烷＞乙酸乙酯-正己烷＞正己烷-石油醚。因此，采用二氯甲烷-正己烷=1：1混合溶劑作為超聲提取溶劑。

此外，為了考察二氯甲烷和正己烷之間配比對(duì)回收率的影響，配制了二氯甲烷：正己烷=4：1；2：1；1：1；1：2；1：4五種混合溶液，對(duì)10.0 g各多環(huán)芳烴加標(biāo)水平為2.0 mg·kg-1的土壤樣品進(jìn)行了提取，計(jì)算多環(huán)芳烴組分總量。不同配比的溶液提取效果如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，二氯甲烷：正己烷=1：1時(shí)提取效果最佳。故選取此比例進(jìn)行下一步優(yōu)化。

圖2 溶劑比例對(duì)萃取效果的影響Fig.2 Influence of solvent ratio on extraction effect

2.3.2提取溫度的選擇

為了確定最佳提取溫度，使用二氯甲烷-正己烷混合溶劑作為提取劑，改變超聲提取儀

的溫度，在20、30和40℃時(shí)分別對(duì)10.0 g加標(biāo)土壤樣品進(jìn)行了提取檢測(cè)。每個(gè)溫度檢測(cè)3次，計(jì)算各組分平均回收率。各組分回收率結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可見(jiàn)，在20～40℃范圍內(nèi)，各多環(huán)芳烴組分的回收率隨提取溫度的升高而顯著提升，在40℃時(shí)達(dá)到最大值，溫度升至50℃后回收率沒(méi)有明顯提高。因此選擇40℃作為提取溫度進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。

表3 溫度對(duì)多環(huán)芳烴的提取效率的影響Table 3 Extraction efficiency of PAHs with different temperatures

2.3.3提取溶劑量的選擇

為了確定最佳提取溶劑量，在40℃提取溫度下，分別使用30、40、50、60和80 mL二氯甲烷-正己烷混合溶劑對(duì)10.0g加標(biāo)土壤樣品進(jìn)行了提取檢測(cè)。加標(biāo)土壤樣品中，每種多環(huán)芳烴組分的加標(biāo)水平均為2.0 mg·kg-1，多環(huán)芳烴總量為32.0 mg·kg-1。每個(gè)提取劑加入量下檢測(cè)三次。計(jì)算每種提取劑加入量下多環(huán)芳烴組分總量，結(jié)果見(jiàn)圖3a。由圖3a可見(jiàn)，多環(huán)芳烴組分總量的含量隨提取劑加入量的增多而增大，當(dāng)提取劑加入量達(dá)到60 mL時(shí)，測(cè)得的多環(huán)芳烴組分總量基本達(dá)到最大值，為28.3 mg·kg-1，回收率為88.4%，滿足檢測(cè)需求。提取劑加入量提高到80 mL時(shí)，測(cè)得的多環(huán)芳烴組分總量為28.7 mg·kg-1，與 加入量為60 mL時(shí)相比提升較小。為節(jié)省溶劑考慮，選擇60 mL作為加入的提取劑量。

2.3.4提取時(shí)間的選擇

為了確定最佳提取時(shí)間，在40℃提取溫度下，分別使用60 mL二氯甲烷-正己烷混合溶劑對(duì)10.0g加標(biāo)土壤樣品分別提取10、30、60、120和180 min并檢測(cè)，加標(biāo)土壤樣品中每種多環(huán)芳烴組分的加標(biāo)水平均為2.0 mg·kg-1。每個(gè)提取時(shí)間下檢測(cè)3次。計(jì)算每種提取劑加入量下多環(huán)芳烴組分總量，結(jié)果見(jiàn)圖3b。由圖3可見(jiàn)，多環(huán)芳烴組分總量的含量隨提取時(shí)間增長(zhǎng)而增大，當(dāng)提取時(shí)間為120 min，測(cè)得的多環(huán)芳烴組分總量基本達(dá)到最大值，為28.5 mg·kg-1，回收率為89.1%，滿足檢測(cè)需求。提取劑時(shí)間為180 min時(shí)，測(cè)得的多環(huán)芳烴組分總量為29.1 mg·kg-1，回收率為90.9%。從整體提取時(shí)間效率考慮，選擇120 min作為提取時(shí)間。

圖3 提取劑加入量和提取時(shí)間對(duì)多環(huán)芳烴的提取效率的影響Fig.3 Extraction efficiency of PAHs with different solvent volumes and different times

2.4 精密度和準(zhǔn)確度

根據(jù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇加入60 mL二氯甲烷-正己烷混合溶劑作為提取劑，提取時(shí)間為120 min，提取溫度為40℃，對(duì)10.0 g加標(biāo)土壤樣品進(jìn)行檢測(cè)，計(jì)算每個(gè)多環(huán)芳烴組分的回收率。土壤樣品平行測(cè)定3次，結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn)，16種多環(huán)芳烴組分3次檢測(cè)的平均回收率介于76.8%～101.0%之間，3次檢測(cè)結(jié)果間相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差介于4.16%～7.26%之間，說(shuō)明該方法具有良好的精密度和準(zhǔn)確度。

圖4 多環(huán)芳烴組分的回收率Fig.4 Recovery rate of polycyclic aromatic hydrocarbons

2.5 實(shí)際樣品的檢測(cè)

取來(lái)自北京周邊實(shí)際含有多環(huán)芳烴化合物的土壤樣品，使用優(yōu)化好的方法進(jìn)行提取檢測(cè)。此外，對(duì)實(shí)際土壤樣品進(jìn)行了加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)。加標(biāo)方法為向20.0 g土壤樣品中加入濃度為1 000 mg·L-1的多環(huán)芳烴標(biāo)準(zhǔn)溶液20 μL，充分混勻，即加標(biāo)水平為1.00 mg·kg-1。實(shí)際土壤樣品的檢測(cè)結(jié)果與加標(biāo)回收率見(jiàn)表4。由表4可見(jiàn)，該方法可以檢測(cè)出實(shí)際土壤樣品中的16種多環(huán)芳烴化合物，且具有較高的回收率，在實(shí)際土壤樣品檢測(cè)中應(yīng)用良好。

表4 實(shí)際土壤樣品的檢測(cè)結(jié)果和加標(biāo)回收率Table 4 Test results and recovery rate of real soil samples

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)建立了一種超聲提取-氣相色譜質(zhì)譜儀檢測(cè)土壤中多環(huán)芳烴的方法，通過(guò)優(yōu)化超聲提取過(guò)程中加入的提取劑種類、提取劑體積、提取時(shí)間和提取溫度，可以得出以下結(jié)論：

1）本方法可以高效快速地檢測(cè)出土壤樣品中的16種多環(huán)芳烴；

2）本方法在實(shí)際樣品中加標(biāo)實(shí)驗(yàn)回收率介于71.6%～96.6%之間，具有良好的精密度和準(zhǔn)確度。

3）本方法與傳統(tǒng)多環(huán)芳烴檢測(cè)方法相比，操作簡(jiǎn)單、耗時(shí)少、消耗溶劑量少，對(duì)于提高多環(huán)芳烴樣品的檢測(cè)效率具有實(shí)際意義。