如何测定农用地土壤中的多环芳烃、多氯联苯和有机氯农药

摘要 建立同时检测农用地土壤中 15 种多环芳烃、7 种多氯联苯和 8 种有机氯农药的方法，对样品前处理流程及仪器工作参数进行优化。样品经正己烷 – 二氯甲烷 (1∶1) 加速溶剂萃取，以硅酸镁小柱净化，二氯甲烷 – 正己烷(1∶4) 洗脱，用气相色谱 – 质谱法同时测定。各目标化合物在质量浓度在 5.0～500 μg／L 范围内相对响应因子的相对标准偏差均小于 9.3% ；平均加标回收率为 60.3%～105.6%，相对标准偏差为 1.7%～12.8%(n=6)，方法检出限为0.12～0.40 μg／kg。该方法快速、稳健，净化效果好，能满足农用地土壤中 30 种持久性有机污染物的检测要求。

土壤是持久性有机污染物的主要环境介质之一，对有机污染物起着储藏和中转的作用。目前多环芳烃 (PAHs)、多氯联苯 (PCBs) 和有机氯农药(OCPs) 是我国土壤中三类典型的持久性有机污染物 (POPs)，可在大气、地表水和地下水中相互迁移，通过生物富集和食物网对人体健康和生态环境构成潜在危害，已引起着人们的高度关注。其中多氯联苯和有机氯农药是斯德哥尔摩公约中优先控制的持久性有机污染物，来源广泛的多环芳烃则是世界上最早被认识的一类化学致癌物，我国对美国环保署 (EPA) 所确定的 16 种优先控制 PAHs 的来源及其在不同环境介质中的含量、形态、行为、生物有效性和生态毒理等愈加重视。

国内外测定土壤中上述 3 类持久性有机污染物的方法比较成熟，相关的标准分析方法大都是对3 类化合物分别提取、净化和测定。而针对土壤中 PAHs，PCBs，OCPs 多组分同时提取、净化和测定的分析方法较少，现有同时测定的方法也主要集中于其中一类或两类化合物，或者其它不同类型的环境样品，如沉积物和动物组织，大部分方法对大批量样品处理的适用性仍存在一些问题，如 QuEChERS 方法的检出限高，超声萃取的效率低以及串联质谱的仪器成本高等。目前在大规模土壤质量状况调查任务中 ( 如土壤污染状况详查 )，面对大批量保存时间短、测试项目多的土壤有机样品，分类测定的时效性将大打折扣，难以满足《土壤污染防治法》和土壤污染风险管控标准实施后对土壤环境监测工作的更高要求，因此开发土壤中持久性有机污染多组分化合物同时快速测定的方法具有重要意义。

笔者在相关标准和文献的基础上采用真空冷冻干燥仪批量预处理农用地土壤样品，利用具有溶剂使用少、萃取效率高、萃取时间短、在环境分析中有着广泛应用的加速溶剂萃取仪进行自动提取，经优化固相萃取条件后的硅酸镁小柱净化，结合气相色谱 – 质谱联用仪，建立同时测定农用地土壤中15 种多环芳烃、7 种多氯联苯和 8 种有机氯农药的方法，该方法缩短了批量样品的前处理时间，提高了土壤质量状况调查工作中上述三类有机污染物的快速监测能力。

1　实验部分

1.1　主要仪器与试剂

气相色谱 – 质谱联用仪：7890B–5977B 型，配有 G4567A 自动进样器及 MassHunter 定量分析软件，美国安捷伦科技公司；

加速溶剂萃取仪：APLE–2000 型，北京吉天仪器有限公司；

15种PAHs，7种PCBs，8种OCPs标准储备溶液：质量浓度均为2000mg／L，上海安谱实验科技股份有限公司；

4种氘代内标标准储备液(IS) ：苊-d10、菲-d10、苊-d12、苝-d12，质量浓度均为2000mg／L，上海安谱实验科技股份有限公司；

替代物标准储备液(SS)：2- 氟联苯、四氯间二甲苯、对 - 三联苯d14、绿茵酸二丁酯，质量浓度均为2000mg／L，上海安谱实验科技股份有限公司；

正己烷、丙酮、二氯甲烷：农残级，上海安谱实验科技股份有限公司；

硅酸镁固相萃取小柱：1g／(6mL)，天津博纳艾杰尔科技有限公司；

多环芳烃、多氯联苯和有机氯农药土壤有证标准物质：编号分别为S0218，S1017和S220236，上海安谱实验科技股份有限公司；

硅藻土：375~850μm(20～40目 )，北京吉天仪器有限公司；

无水硫酸钠：优级纯 ( 国药集团化学试剂有限公司 )，于400℃烘烤4h后装入磨口玻璃瓶中，置于干燥器中备用。

1.2　样品前处理

1.2.1　样品采集及处理

土壤样品采集后置于搪瓷中，挑除枝棒、叶片、石子等异物，充分混匀后用真空冷冻干燥仪进行脱水，冻干后充分研磨、过850μm（20目）孔径筛。

称取10g样品及一定量的硅藻土置于小烧杯中，充分混匀，装填至萃取池中，添加100ng替代物进行萃取。

1.2.2　萃取

（1）ASE 萃取条件。溶剂：正己烷 – 二氯甲烷( 体积比 1∶1) ；加热温度：100℃；萃取池压力：10.3MPa(1 500 psi) ；预加热平衡时间：5 min；静态萃取时间：5min；溶剂淋洗体积分数：60%；吹扫时间：60 s ；循环次数：2。（2）提取。将提取液在室温下用氮吹仪柔和浓缩，并用正己烷换相定容至约2mL，待 SPE 小柱净化。净化条件：依次用 5 mL 二氯甲烷和 10 mL 正己烷淋洗和活化净化柱，弃去流出液。待填料液面近干时，用玻璃巴式吸管将样品完全转移至已活化好的硅酸镁小柱，再用 10 mL 20% 二氯甲烷 – 正己烷混合溶液洗脱，收集洗脱液柔和氮吹浓缩至 1.0mL，加入10μL(20μg／mL) 进样内标，供GC–MS测定。

1.3　仪器工作条件

1.3.1 气相色谱仪

色谱柱：HP–5MS 毛细管柱 (30 m×0.25 mm，0.25 μm，美国安捷伦科技有限公司 ) ；升温程序：80℃（保持 2 min），以 20℃／min 升至 180℃（保持5 min），再以 20℃／min 升至 290℃（保持 6 min）；

进样口温度：280℃；载气流量：1.0 mL／min ；进样方式：不分流进样；进样体积：1.0 μL。

1.3.2 质谱仪

电子轰击源 (EI) ；离子源温度：230℃；离子化能量：70 eV ；传输线温度：280℃；四级杆温度：150℃；溶剂延迟时间：5 min ；以校准曲线内标法、选择离子监控模式 (SIM) 定量。

1.4　质量保证与质量控制

采取全程流程空白试验、有证标准物质分析、平行样分析、基体加标回收率试验及替代物回收率控制图等方式进行内部质量控制，确保监测数据的可靠性。

2　结果与讨论

2.1 GC–MS 定性定量条件优化

图 1 为选择离子扫描下，质量浓度为 100 μg／L 的 15 种多环芳烃、7 种多氯联苯和 8 种有机氯及其内标 (IS 为 200 μg／L) 和替代混合标准溶液的总离子流图，总分析时间为 30 min，各化合物色谱峰编号及保留时间见表 1。

由图 1 和表 1 可知，除替代物对 - 三联苯 -d14和 p，p’-DDE 色 谱 柱 上 共 流 出 (19，20 号 峰 )，保留时间相同外，其余组分均可达到基线分离。因替代物对 - 三联苯 -d14 和 p，p’-DDE 定性定量离子不同，不影响其同时分析，对 - 三联苯 -d14 会产生m／z=246 的离子碎片，p，p’-DDE 定性定量离子碎片选择时应避免。由于检测组分较多，为保证每种组分具有足够的灵敏度，在 SIM 定量分析时将其分为 8组，每组选择 2～4 个辅助离子作为定性离子，见表 1。

2.2　预处理、提取方法和提取溶剂的选择

新鲜样品直接提取虽可防止易挥发组分的损失和交叉污染，但样品的均一性难以保证，水分的存在会增加繁琐的除水步骤，也不利于样品的固相萃取净化，本实验采用冷冻干燥后筛分的方式进行土壤样品预处理。索氏提取为土壤中持久性有机物传统的提取方法，批量处理样品时，人力与时间成本较高，且消耗的有机溶剂较多，因此选择绿色环保的加速溶剂萃取方式进行自动提取。

加速萃取过程溶剂体系的选择是决定萃取效率的关键，对含有水分的湿样，需要添加与水相溶的极性溶剂才能获得良好的回收率。实验在相关标准和文献的基础上对比了正己烷 – 丙酮 ( 体积比 1∶1)及正己烷 – 二氯甲烷 ( 体积比为 1∶1) 对冻干土壤( 含水率小于 3%，平行测定 3 次 ) 中 30 种目标组分提取效率的影响，结果显示两种溶剂体系对 30 种目标组分的 ASE 提取效率无显著性差别，见图 2。

正己烷 – 二氯甲烷体系萃取液颜色较浅，共提杂质较少，部分样品甚至无色透明；正己烷 – 丙酮体系萃取液颜色较深，共提杂质较多。在样品充分真空冷冻干燥的前提下，本实验选用二氯甲烷 – 正己烷 (1∶1) 作为萃取溶剂。

2.3　固相萃取条件优化

净化是定性定量准确的基础，净化过程既要保证目标组分的回收率，又要最大限度的去除干扰测定的杂质，减少基体效应，有效降低假阳性和假阴性，增加定量的准确性。实验采用基体加标方式对比了不同溶剂体系及不同溶剂配比下固相萃取小柱的净化效果，绘制洗脱曲线，见图 3。

由图 3 可知，10% 二氯甲烷 – 正己烷对极性相对较强的组分 δ- 六六六及茚并［1，2，3-cd］芘、二苯并［a，h］蒽和苯并［g，h，i］苝等组分洗脱效果差，将其完全洗脱需要较大的淋洗体积；增加洗脱体系极性，10 mL 20% 或 30% 二氯甲烷 – 正己烷洗脱液对各组分能获得满意的回收率，净化效果较好，但二氯甲烷淋洗体系对标准中替代物绿茵酸二丁酯的洗脱效果差，随着淋洗体系中二氯甲烷含量的增加，洗脱液的颜色变重，杂质的去除效率降低。当用2% 丙酮 – 正己烷作洗脱体系时，对一般土壤样品净化效果较好，10 mL 便能满足相关标准中对目标组分及替代物回收率的要求，但对一些腐殖质含量较高的土壤，其效果不如 20% 二氯甲烷 – 正己烷体系，净化后的待测溶液往往还略带颜色，这与史双昕等的实验结果一致。

3 种洗脱溶剂的净化效果全扫描对比见图 4。

由图 4 可知，20% 二氯甲烷 – 正己烷洗脱体系能获得更好的净化效果。张烃等采用 2% 丙酮 –正己烷体系优化了 22 种有机氯农药的 GC–MS 测定方法，而标准方法中使用较强的丙酮 – 正己烷体系 (10%) 洗脱 23 种有机氯农药，主要考虑 β- 硫丹、硫丹硫酸酯、异狄氏剂醛和异狄氏剂酮等较强极性组分在硅酸镁小柱上有较强的保留性，但对大多数其它有机氯农药会造成过度洗脱。值得注意的是用正己烷 – 丙酮 (1∶1) 作萃取溶剂时萃取液净化前溶剂置换步骤很关键，丙酮极性大，如净化前未将丙酮置换完全，将会出现“穿透”现象，影响固相萃取柱的净化效率。

过多的洗脱溶剂意味着降低 SPE 小柱的浓缩功能，不仅耗费试剂，更不利于后续处理；过度洗脱的样品易在进样口引发 o，p’-DDT 和 p，p’-DDT的分解，导致测定结果偏离，增加仪器维护压力，影响分析效率，也是制约样品批量处理的关键。综合考虑，选择 20% 二氯甲烷 – 正己烷作洗脱溶剂，替代物绿茵酸二丁酯可更换为氘代 p，p’-DDT。

2.4　方法检出限及基体加标试验

配制质量浓度为 5.0，20，50，100，200，500 μg／L的系列混合标准工作溶液 ( 含 SS)，分别测定，绘制校准曲线，各浓度点内标 (IS) 质量浓度为 200 μg／L，按内标法计算平均相对响应因子，依此进行定量。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，以石英砂为空白基体，平行测定 7 次空白加标样品 (1.0 μg／kg)，计算测定结果的标准偏差，按 MDL=t(n–1，0.99)s 计算检出限。

基体加标试验采用实际土壤 ( 各组分均值均低于定量限 )，添加水平分别为 2.5，10 μg／kg，平行测定 6 次。方法检出限及基体加标试验结果见表 2。

由表 2 可见，30 种化合物的方法检出限为 0.12～0.40μg／kg，平均回收率在 60.3%～105.6% 之间，相对标准偏差在 1.7%～12.8% 之间，相对响应因子的相对标准偏差为 3.8%～9.3%。方法各技术指标均满足环办土壤函［2017］1625 号《全国土壤污染状况详查土壤样品分析测试方法技术规定》的要求。

2.5　土壤样品测定及质控结果

采用所建方法同时测定了湖南省内农用地采集的 7 000 余件土壤详查样品，典型土壤样品测定谱图见图 5。

以不大于 20 个样品编为一批次，每批样品插入内部 QC 样和委托方统一监控样，同时随机选取两个样品进行平行分析，同步分析全程序空白样品监控全流程本底，并对每份样品加入替代物，绘制替代物回收率控制图，见图 6。由图 6 可知，每批次内部QC 样各组分值均合格，多批次间苯并［a］芘测定结果的相对标准偏差小于 15%，全流程空白样品各组分测定值绝大部分低于检出限，替代物回收率基本处于控制线范围内。

来源于湖南省土壤污染状况详查工作组的外部质量控制数据统计结果 ( 见表 3) 表明，外部质量控制结果满意。

3　结语

采用加速溶剂萃取 – 气相色谱 – 质谱法建立了农用地土壤中15种多环芳烃、7 种多氯联苯和 8种有机氯农药的同时分析方法，实现了土壤中此 3类物质的同时提取、净化和测定，提高了样品分析检测效率，降低了实验成本。通过大批量实际样品及实验室内外一系列质控措施的分析验证，表明该方法灵敏度高，准确性好，抗干扰能力强，适用于农用地土壤中多环芳烃、多氯联苯和有机氯农药的同时快速测定。