沉积物样品中干扰物的去除及多种持久性有机污染物气相色谱分析_佟玲.pdf

2011 年 10 月 October 2011 岩矿测试 ROCK AND MINERAL ANALYSIS Vol． 30，No． 5 601 ～605 收稿日期 2010 －06 －02;接受日期 2010 －08 －16 基金项目中国地质调查局地质调查工作项目 1212010816028 作者简介佟玲， 硕士， 主要从事农药残留分析工作。E- mailwinter_tl sina． com。 通讯作者吴淑琪， 研究员， 主要从事地球化学分析工作。E- mailwushuqi cags． net． cn。 文章编号 02545357 2011 05060105 沉积物样品中干扰物的去除及多种持久性有机污染物气相色谱 分析 佟玲，杨佳佳，吴淑琪*，张玲金 国家地质实验测试中心，北京100037 摘要建立了沉积物样品中 17 种有机氯农药和 8 种多氯联苯持久性有机污染物的气相色谱分析方法。针对沉 积物样品基质复杂、 含有大量硫干扰的特点， 重点研究了前处理技术。采用加速溶剂提取 ASE 技术提取样品中 的有机污染物， 比较了加入铜粉后 ASE 在线除硫和超声波提取除硫的效果。结果表明， 加入铜粉 ASE 提取不能 完全去除硫的干扰， 需进一步采用超声波提取 10 min 除硫才能大大减少杂质对目标化合物的干扰。沉积物样品 中的色素类及小分子干扰物质采用凝胶渗透色谱结合固相萃取技术进行净化， 满足了气相色谱 － 电子捕获检测 器分析的要求。25 种化合物的平均添加回收率为 68 ～131， 方法精密度 RSD， n 6 小于 22． 3， 检出限为 0． 10 ～0． 51 μg/kg。建立的样品前处理技术净化彻底， 适合用于不同地区、 不同类型的沉积物样品气相色谱 分析。 关键词沉积物;有机氯农药;多氯联苯;气相色谱法 A Gas Chromatography for Determination of Persistent Organic Pollutants in Sediment and the Research on the Removal of Contaminants TONG Ling，YANG Jia- jia，WU Shu- qi*，ZHANG Ling- jin National Research Center for Geoanalysis，Beijing100037，China AbstractSediment matrices containing a large amount of sulfocompound are complex． In this paper，the pre- treatment s for analysis of organic pollutants in sediment are presented． The extraction technology uses the accelerated solvent extraction ASEtechnique and different s were compared to eliminate sulfocompound． The results indicate that the additional 10 minute step by ultrasonic extraction with copper powder is necessary． Gel permeation chromatography GPCcombined with solid phase extraction SPEwas used to clean- up． This pre- treatment meets the requirements of analysis by Gas Chromatography- Electron Capture Detector GC- ECD ． The for the determination of persistent organic pollutants including 17 organochlorine pesticides and 8 polychlorinated biphenyls in sediment by gas chromatography was established． The average recoveries of the 25 compounds ranged from 68 to 131． The relative standard deviation RSDfor all the compounds was lower than 22． 3． The minimum detection limits MDLwere between 0． 1 and 0． 51 μg/kg． This can remove most of the contaminants in co- extractions， minimize the possibility of releasing false positive results and can be applied in analysis of different types of sediment． Key wordssediment;organochlorine pesticides;polychlorinated biphenyls;gas chromatography 106 ChaoXing 河流、 湖泊和海洋底部广泛分布的沉积物是地球 表层生态和地质环境系统中有机的组成部分。随着工 农业生产的快速发展， 大量的有机污染物通过工业废 水和生活污水、 农用化学品的土壤渗漏、 地表径流和大 气沉降进入到水体中， 沉积物中大量动植物的残体被 微生物分解为腐蚀质， 其中的有机质易于吸附环境中 的疏水性有机化合物， 并使其长久蓄积于沉积物中， 不 但对水生生态系统带来长远危害， 并且通过食物链的 传递对人类健康造成严重影响［1 －3 ］。沉积物中含有大 量硫， 其电负性较强会严重干扰气相色谱 － 电子捕获 检测器 GC － ECD 对目标化合物的分析 ［4 －5 ］， 由于沉 积物中有机污染物含量很低、 干扰物质多， 所以对净化 过程要求较高。 目前国内外关于沉积物样品中持久性有机污染物 分析方法的报道较多 ［6 －10 ］， 但有些方法处理过程繁 琐。由于沉积物中干扰物质较多， 给前处理过程带来 很大的困难。本文借鉴土壤中有机污染物的分析方 法 ［11 －12 ］， 针对沉积物含有大量硫的特点， 重点研究了 样品的净化技术， 采用加速溶剂萃取 ASE 技术进行 提取 ［13 －14 ］， 铜粉超声波提取除硫， 并且优化了除硫的 条件。采用凝胶渗透色谱技术结合固相萃取技术进行 净化， 得到了很好的分析结果。该方法适合地质行业 的需求， 能够解决目前地质调查样品分析测试中存在 的问题。 1实验部分 1． 1仪器设备 DIONEX ASE 200 型加速溶剂萃取仪 美国戴安 公司 。 KL 512/ 509J 型12 位恒温水浴氮吹仪 北京康林 科技股份有限公司 。 R210 型旋转蒸发仪 瑞士 BUCHI 公司 。 凝胶渗透色谱仪 内径 20 mm， 长 250 mm， 填料为 Bio － Beads SX －3 LabTech 公司 。 GC 2010 气相色谱仪， 配有电子捕获检测器 日本 岛津公司 。 DM －5 毛细管色谱柱30 m 0． 25 mm 0． 25 μm 迪马公司 。 1． 2标准和主要试剂 28 种 化 合 物 分 别 为α － HCH、β － HCH、 γ － HCH、 δ － HCH、 六氯苯、 七氯、 环氧七氯、 艾氏剂、 反式 － 氯丹、 顺式 － 氯丹、 p， p － DDE、 狄氏剂、 异狄氏 剂、 p， p － DDD、 o， p － DDT、 p， p － DDT、 灭蚁灵、 PCB 15、 PCB 28、 PCB 52、 PCB 101、 PCB 103、 PCB 118、 PCB 138、 PCB 153、 PCB 180、 PCB 204、 2， 4， 5， 6 － 四氯间二 甲苯。其中2， 4， 5， 6 － 四氯间二甲苯、 PCB 103 和 PCB 204 为替代物， 用于考察方法的回收率。所有标准溶 液浓度均为 10 μg/g， 购自国家标准物质研究中心。 25 种目标化合物用正己烷稀释配制成 0． 2 μg/mL混 合标准工作溶液， 备用。 正己烷、 丙酮、 乙酸乙酯、 环己烷、 甲苯均为色谱 纯; 无水 Na2SO4 分析纯 ; 铜粉 0． 074 mm， 分析纯 。 石英砂 分析纯 作为空白样品的替代品。 固相 萃 取 SPE小 柱 Bound Elut Carb/NH2， 6 mL， 500 mg 美国 Varian 公司 。 1． 3样品的提取 沉积物样品滤去水分后， 于阴凉处干燥， 然后在研 钵中磨碎过 0． 420 mm 目筛， 样品充分混合均匀后待 用。称取沉积物样品 15 g， 与1 g 弗罗里硅土和 3 g 铜 粉混匀 其中弗罗里硅土起到分散剂的作用 ， 依次向 22 mL 萃取池中加入萃取膜、 混合后的样品及 50 μL 的 1 μg/mL 替代物， 平衡几分钟后采用 ASE 提取。提 取溶剂为正己烷 － 丙酮混合溶液 体积比为 1 ∶ 1 。 ASE 系统压力为 10 MPa， 温度为 110 ℃， 加热时间 5 min， 静态时间 5 min， 冲洗体积 60， 循环 2 次。 1． 4样品的净化 1 铜粉除硫。采用铜粉除硫法， 上述提取液经 浓缩至 3 ～5 mL 后， 加入 1 g 铜粉， 进行超声波提取以 除去提取液中的大量硫化物。超声时间为10 min。提 取液过滤除去铜粉， 并多次淋洗铜粉合并滤液， 待下一 步净化。 2 凝胶渗透色谱 GPC 净化。收集的提取溶液 经浓缩后， 用注射器过 0． 45 μm 有机滤膜并用环己烷 － 乙酸乙酯混合溶液 体积比为 1 ∶ 1 混合溶剂定容 至 3 mL， 待下一步 GPC 净化。GPC 定量环为2 mL 上 样量相当于 10 g ， 流动相为环己烷 － 乙酸乙酯 体积 比 1 ∶ 1 ， 流速为 4 mL/min， 收集 11 ～ 20 min 的流出 液。浓缩至 1 ～2 mL， 待下一步固相萃取 SPE 净化。 3 固相萃取 SPE 净化。采用商品 SPE 小柱进 行净化， 具体淋洗方法为 分别用淋洗液和正己烷各 10 mL 预淋洗 SPE 柱， 然后上样， 再用含 3 体积分 数 甲苯的正己烷 － 乙酸乙酯 体积比 8 ∶ 2 淋洗液进 行淋洗， 收集20 mL淋洗溶液， 浓缩后用正己烷定容至 1 mL， 待 GC － ECD 进行检测。 1． 5气相色谱分析条件 气相色谱 － 电子捕获检测器 GC － ECD 进样口 206 第 5 期 岩矿测试 http ∥www． ykcs． ac． cn 2011 年 ChaoXing 温度 250 ℃， ECD 温度 320 ℃， 载气的柱流速为 0． 65 mL/min 恒线速度模式 。程序升温条件 初始温度 120℃， 以 10 ℃ /min 升温到 220 ℃， 保持 20 min， 以 3℃ /min升温到 250℃， 保持 3． 69 min， 再以 50 ℃ /min 升温到 300 ℃， 保持 5． 31 min， 共 50 min。不分流进 样， 进样体积为 1 μL。 2结果与讨论 2． 1提取液中硫的去除 沉积物样品中含有大量的无机硫和有机硫化合 物 ［15 －16 ］。这些物质常常与目标化合物成为共提物， 用 柱层析方法很难去除， 严重影响 ECD 的测定。美国 EPA 方法中推荐了3 种消除硫干扰的除硫剂 ①铜粉; ②汞; ③四丁基铵一亚硫酸盐。由于汞和四丁基铵一 亚硫酸盐比较繁琐且不易操作， 本文选用铜粉除硫。 首先研究了 ASE 提取时加入铜粉在线除硫的效 果。在 ASE 萃取池中加入样品及 3 g 铜粉混匀， 进行 提取， 净化后 GC － ECD 测定， 结果如图 1 所示。其中 A 为沉积物样品提取时未加入铜粉后经 SPE 净化的 色谱图， B 为样品加入 3 g 铜粉 ASE 提取、 SPE 净化的 色谱图， C 为标准品溶液色谱图。比较图 1 A 和 图 1 B ， 结果表明， ASE 提取时加入铜粉能够去除一 部分硫， 但由于沉积物样品中硫含量大， 在线除硫不完 全， 仍然会对 GC － ECD 的分析产生严重的干扰， 所以 还需进一步除硫。 图 1沉积物样品不加铜粉 A 和加铜粉 B 经 ASE 提取净化 后的色谱图比较 Fig． 1Comparison of chromatograms between sample extra- ctions with copper powder and without copper powder by ASE 将上述图 1 B 提取液浓缩后再加入 1 g 铜粉， 采 用超声波提取法进一步除硫， 对超声时间进行了研究。 在不同超声时间样品的色谱图基线情况见图 2， 其中 A、 B、 C 分别为超声 5 min、 10 min、 20 min 的色谱图。 从图 2 A 可以看出超声 5 min 时， 由于样品与铜粉接 触时间不够， 还有大量硫的存在使得 10 ～20 min 色谱 图的基线仍然很高， 无法对目标化合物进行定性分析。 超声10 min 和20 min 时基线明显下降， 大大减少了杂 质对目标化合物的干扰。 图 2不同超声时间对沉积物样品提取色谱图的比较 Fig． 2Comparison of chromatograms of sediment sample under different ultrasound extraction time 同时在空白样品中添加 20 ng/mL 标准溶液及相 应替代物， 比较了不同超声时间对目标化合物回收率 的影响， 结果见图 3。超声时间为 5 min 和 10 min 时， 回收率没有显著区别。而20 min时， 回收率则明显下 降。综合考虑目标化合物的回收率及除硫效果等因 素， 最终采用超声 10 min 提取进行除硫。 2． 2净化方法的优化 由于沉积物样品中含有大量动植物腐殖质样品的 共提物中有色素、 脂肪等大分子干扰物质， 采用 GC － ECD 进行检测时定性较为困难。本研究比较了 GPC、 SPE、 GPC 结合 SPE 三种净化方法的净化效果， GC － ECD 检测， 其色谱图见图 4。 研究选用的沉积物样品采自北京官厅水库， 其基 质较为复杂， 具有一定代表性。本文在以前土壤样品 研究 ［11， 14 ］的基础上， 针对沉积物样品更为复杂的特点 采用了 GPC 净化方法， 先除去大分子干扰物［17 ］。收 集目标化合物流出时间段 11 ～ 19 min 的淋洗液， 能 够减少大分子干扰物质， 但小分子干扰物质无法去除， 306 第 5 期佟玲， 等 沉积物样品中干扰物的去除及多种持久性有机污染物气相色谱分析第 30 卷 ChaoXing 见图 4 中色谱图 B。 SPE 净化选用 Bound Elut Carb/NH2小柱， 该填料 能够很好地去除样品中的色素、 有机酸以及糖等小分 子物质。从图 4 可以看出， 采用 GPC 结合 SPE 的净化 方法 色谱图 C 对于沉积物这种复杂基质的样品， 其 GC － ECD 的基线干扰最小， 定性、 定量更准确。样品 最终的净化步骤见 1． 4 节。 图 3不同超声时间对目标化合物回收率的影响 Fig． 3Recovery of compounds extracted by ultrasound extraction under different ultrasound time 12， 4， 5， 6 － 四氯间二甲苯;2α － HCH;3六氯苯;4β － HCH;5γ － HCH;6PCB 15;7δ － HCH;8PCB 28;9七氯;10PCB 52; 11艾氏剂; 12PCB 103; 13环氧七氯; 14反式 － 氯丹; 15PCB 101; 16顺式 － 氯丹; 17p， p － DDE; 18狄氏剂; 19异狄氏剂; 20PCB 118; 21p， p － DDD; 22o， p － DDT; 23PCB 153; 24p， p － DDT; 25PCB 138; 26PCB 204; 27PCB 180; 28灭蚁灵。 图 4沉积物样品不同净化方法的色谱图比较 Fig． 4Comparison of chromatograms by different clean- up s A SPE 的净化结果;B GPC 的净化结果;CGPC 结合 SPE 的净化 结果。 2． 3方法的确证 向 15 g 空白样品中添加 2 个浓度水平的混合标 准溶液 0． 7 ng/g 和 2． 8 ng/g， 其中 PCB 15 由于响应 较低， 添加浓度为其他化合物的 3 倍 以及相应的标 准替代物， 按照上述优化的前处理方法进行提取、 净 化。GC － ECD 检测， 用外标法进行定量， 标准曲线的 线性范围为 2 ～ 80 ng/mL， 各化合物的线性相关系数 R2均大于 0． 993。添加回收率数据见表 1。方法检出 限 LD 根据 EPA 推荐公式计算得出。从表 1 中可以 看出， 3 种替代物的平均添加回收率在 68． 07 ～ 90． 75， 满足质控分析的要求。 应用该方法对安徽河口沉积物、 黑龙江滩涂沉积 物、 南京海洋沉积物等不同地区、 不同类型的沉积物 样品进行测试， 以验证方法的适用性。样品测试结果 中替代物的回收率在 63． 4 ～ 122， 样品中大部分 有机污染化合物均未检出， 检出率较高的化合物有 六氯苯、 α － HCH、 DDT 及其降解产物 p， p － DDE 和 p， p － DDD ， 尤其是 p， p － DDE 含量达 5． 12 ng/g。 结果表明该方法快速、 可行、 适用于批量样品的分析。 3结语 本文研究了沉积物样品中有机氯农药及多氯联苯 的多残留气相色谱分析方法， 其中包括 17 种有机氯农 药和 8 种代表性多氯联苯。针对沉积物样品中存在大 量硫干扰的特点， 采用铜粉除硫， 并优化了其超声提取 条件。根据沉积物样品基质复杂的特性， 采用 GPC 结 合 SPE 方法对样品净化， 优化了 GPC 净化的条件， 结 合 Carb/NH2小柱进行固相萃取净化， 能够很好地去 除样品中大分子以及有机酸、 糖等杂质。 应用该方法 406 第 5 期 岩矿测试 http ∥www． ykcs． ac． cn 2011 年 ChaoXing 表 1添加回收率和方法检出限数 Table1Recovery tests and detection limits of the 化合物 名称 低浓度添加水平 n 6 平均回收率/ RSD/ 高浓度添加水平 n 6 平均回收率/ RSD/ LD/ ngg －1 α －HCH72．44 15．3880．586．600．26 六氯苯68．918．7475．968．000．14 β －HCH86．95 18．04103．5412．300．36 γ －HCH72．46 10．0283．756．940．17 PCB 1569．418．7480．255．290．15 δ －HCH74．66 7．3589．818．290．13 PCB 2880．488．1983．245．960．15 七氯76．6013．3691．037．690．24 PCB 5286．227．8490．335．850．16 艾氏剂79．179．5082．939．120．17 环氧七氯91．8914．7899．4620．930．32 反式 －氯丹79．5410．5888．595．560．20 PCB 10180．549．0689．295．060．17 顺式 －氯丹85．965．2090．876．360．10 p， p －DDE82．7210．3790．287．990．20 狄氏剂80．538．3889．387．190．16 异狄氏剂104．6216．02131．8911．530．39 PCB 11879．6211．4989．743．910．21 p， p －DDD77．4713．1183．084．590．24 o， p －DDT88．8118．74103．346．150．39 PCB 15374．4116．7374．876．070．29 p， p －DDT99．0122．32114．638．240．51 PCB 13884．1010．6791．834．780．21 PCB 18083．8312．5993．675．280．24 灭蚁灵83．4310．4290．845．650．20 替代物 2， 4， 5， 6 －四氯 间二甲苯 68．0713．0774．186．13 PCB 10380．4711．2687．335．97 PCB 20483．5214．1390．756．18 对采集的河底、 海底沉积物样品进行了分析， 验证了方 法的适用性， 该方法能够满足不同地区、 不同类型的实 际沉积物样品的分析检测。 4参考文献 ［ 1］王炳一， 吴玉英． 水体沉积物对有机污染物的吸附作用 概述［ J］ ． 现代农业科学， 2009， 16 2 67 －68． ［ 2］孙剑辉， 王国良， 张干， 柴艳， 孙胜鹏． 水体沉积物中有毒 有机污染物的监测研究进展［ J］ ． 中国环境监测， 2007， 23 1 30 －34． ［ 3］罗雪梅， 杨志峰， 何孟常， 刘昌明． 土壤/沉积物中天然有 机质对疏水性有机污染物的吸附作用［ J］ ． 土壤， 2005， 37 1 25 －40． ［ 4］施治， 潘波， 范巍， 刘宇， 曹军， 李本纲， 徐福留， 沈伟然， 秦宝平， 孙韧， 张震， 陶澍． 含硫沉积物中有机氯农药的 样品提取、 净化与测定［J］ ． 农业环境科学学报， 2003， 22 6 689 －692． ［ 5］朱雪梅， 郭丽青， 崔艳红， 陶澍． 污灌水稻土有机氯农药残留 分析的样品净化 ［ J］ ． 环境化学， 2002， 21 2 177 －182． ［ 6］Fatoki O S，Awofolu R O． s for selective determin- ation of persistent organochlorine pesticide residues in water and sediments by capillary gas chromatography and electron- capture detection［ J］ ． Journal of Chromatography A， 2003， 983 225 －236． ［ 7］Hawthorne S B，Grabanski C B，Hageman K J，Miller D J． Simple forestimatingpolychlorinatedbiphenyl concentrations on soils and sediments using subcritical water extraction coupled with solid- phase microextraction ［J］ ． Journal of Chromatography A， 1998， 814 151 －160． ［ 8］Verweij F，Booij K，Satumalay K，Molen van der N，Oost van der R． Assessment of bioavailable PAH，PCB and OCP concentrations in water，using semipermeable membrane devices SPMDs ， sediments and caged carp ［J］ ． Chemosphere， 2004， 54 1675 －1689． ［ 9］Chee K K，Wong M K，Lee H K． Determination of organo- chlorine pesticides in water by membranous solid- phase extraction，and in sediment by microwave- assisted solvent extraction with gas chromatography and electron- capture and massspectrometricdetection［ J ］ ．Journalof Chromatography A， 1996， 736 211 －218． ［ 10］ Samara F，Tsai C W，Aga D S． Determination of potential sources of PCB s and PBDEs in sediments of the Niagara River［ J］ ． Environmental Pollution， 2006， 139 489 －497． ［ 11］黄园英， 佟玲， 张玲金， 吴淑琪， 汪雨． 用 ASE 提取和 GPC 净化气相色谱法快速测定土壤中痕量有机氯代 化合物［ J］ ． 生态环境， 2008， 17 1 184 －189． ［ 12］ 佟玲， 吴淑琪， 杨佳佳， 张玲金． 土壤中 25 种有机氯农药 和多氯联苯的气相色谱分析方法研究［J］ ． 岩矿测试， 2010， 29 3 277 －281． ［ 13］ 朱雪梅， 崔艳红， 郭丽青， 龚忠明， 陶澍， 沈伟然， 赵喜梅， 韩兰香． 用加速溶剂提取仪提取污染土壤中的有机氯 农药［ J］ ． 环境科学， 2002， 23 5 113 －116． ［ 14］ 佟玲， 黄园英， 张玲金， 吴淑琪． 土壤中持久性有机污染物分 析的前处理方法 ［ J］ ． 岩矿测试， 2008， 27 2 81 －86． ［ 15］ 李庆玲， 徐晓琴， 黎先春， 王小如． 加速溶剂萃取/气相色 谱 － 质谱测定海洋沉积物中的痕量多环芳烃［J］ ． 分析 测试学报， 2006， 25 5 33 －37． ［ 16］ 祁铭华， 马绍赛， 曲克明， 辛福言． 沉积环境中硫化物的 形成及其与贝类养殖的关系［ J］ ． 海洋水产研究， 2004， 25 1 87 －89． ［ 17］ 王敏， 叶非． 凝胶渗透色谱在农药残留分析前处理中的 应用进展［ J］ ． 农药科学与管理， 2008， 29 6 9 －13． 506 第 5 期佟玲， 等 沉积物样品中干扰物的去除及多种持久性有机污染物气相色谱分析第 30 卷 ChaoXing