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2010 年 12 月 December 2010 岩矿测试 ROCK AND MINERAL ANALYSIS Vol. 29,No. 6 757 ~762 收稿日期 2009- 12- 03; 修订日期 2010- 03- 10 基金项目 国土资源部海洋油气资源与环境地质重点实验室基金资助 RME200918 作者简介 贺行良 1982 - , 男, 安徽宿松县人, 硕士研究生, 研究实习员, 从事海洋环境有机地球化学研究工作。 E- mail qdhxl2008126. com。 通讯作者 夏宁 1964 - , 女, 上海人, 研究员, 主要从事海洋沉积物标准物质与分析方法研究工作。 E- mail chem266163. com。 文章编号 02545357 2010 06075706 环境样品中多环芳烃、 多氯联苯和有机氯农药 同时检测的分析方法 贺行良1, 2, 3,徐婷婷1, 3,张媛媛1, 3,王江涛2,夏宁1, 3* 1. 国土资源部海洋油气资源与环境地质重点实验室,山东 青岛266071; 2. 中国海洋大学海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室,山东 青岛266100; 3. 青岛海洋地质研究所,山东 青岛266071 摘要 系统地综述了土壤、 沉积物等环境样品中多环芳烃、 多氯联苯和有机氯农药同时测定的分析方法, 对快速同时提取技术、 同步分离与净化技术、 仪器同步测定技术分别进行了总结与评述, 并对三类化合物 同时测定技术的发展进行展望。 关键词 多环芳烃; 多氯联苯; 有机氯农药; 同时测定 中图分类号 S151. 93; O625. 1; O625. 21; S482. 32文献标识码 A Simultaneous Determination of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, Polychlorinated Biphenyls and Organochlorine Pesticides in Environmental Samples HE Xing- liang1, 2, 3,XU Ting- ting1, 3,ZHANG Yuan- yuan1, 3,WANG Jiang- tao2,XIA Ning1, 3* 1. Key Laboratory of Marine Hydrocarbon Resources and Environmental Geology, Ministry of Land and Resources,Qingdao266071,China; 2. Key Laboratory of Marine Chemistry Theory and Technology,Ministry of Education; Ocean University of China,Qingdao266100,China; 3. Qingdao Institute of Marine Geology,Qingdao266071,China Abstracts for simultaneous determination of polycyclic aromatic hydrocarbons, polychlorinated biphenyls and organochlorine pesticides in environmental samples are systematically reviewed. And the efficient sample preparation techniques,simultaneous separation and purification techniques for analytes and instrument analysis techniques were also presented respectively. Some prospects for the future developments of simultaneous determination techniques for these pollutants are also presented. Keywordspolycyclicaromatichydrocarbons;polychlorinatedbiphenyls;organochlorinepesticides; simultaneous determination 757 ChaoXing 多环芳烃 PAHs 、 多氯联苯 PCBs 和有机氯农 药 OCPs 是毒性较高的持久性有机污染物 POPs , 可长期存在于环境中, 通过食物链积聚, 对人类健康 及环境造成不利影响。在当今大规模环境地质调查 任务中, 样品采集数量多, 且有机污染物因其挥发性、 易降解性等不稳定因素, 故其分析需特别注重时效 性 一般水样采集后最好在 7 ~14 d 内完成前处理, 40 d内完成上机分析 [ 1 ]。而当前国内外关于 PAHs、 PCBs 和 OCPs 的标准分析方法大都是对三类化合物 进行分别提取、 净化与测定 [ 2 -6 ]。这些方法不仅分析 周期长, 影响样品测试的时效性, 而且实验消耗大, 增 加测试成本, 难以满足当前日益增长的海洋环境地质 调查大批样品的分析测试需求, 进而在很大程度上制 约着环境地质调查事业的开展规模。 以痕量和超痕量水平存在于环境中的 PAHs、 PCBs 和 OCPs, 在进行样品分析时, 有大量的基质干 扰, 而且三类化合物之间也存在相互干扰, 难以直接 测定 [ 7 ]。为实现准确定量, 单一利用样品纯化手段 或仪器分析技术来消除干扰, 要么仪器配置要求过 高, 要么分析流程过于繁琐, 因此分析测试中有必要 将样品纯化步骤与高分辨、 专属性的检测仪器妥善 结合起来。发展快速、 同时、 高效的样品预处理技术 及仪器联测技术是分析化学家们一直追求的目标, 将势必从实用性、 快速性、 有效性上突破传统测试技 术的制约。本文从样品预处理方法和仪器分析技术 出发, 对近年来国内外有关快速同时测定 PAHs、 PCBs 和 OCPs 的分析方法进行总结与评述。同时, 在前人研究基础上, 对三类化合物的同时分离进行 了探讨性研究。 1快速同时提取技术 样品的前处理在有机污染物分析中是最费时、 最关键的环节, 如何快速准确地获得目标待测化合 物, 一直是国内外学者所关注的问题。传统的萃取 方法, 如索氏提取由于其耗时长、 溶剂用量多等缺 点已被许多实验室所淘汰, 超声波提取也存在类似 的缺点, 因此先后出现了超临界流体萃取 SFE 、 微波辅助萃取 MAE 、 加速溶剂萃取 ASE 或 PLE 等快速提取技术 [8 ]。不同提取方法的特点比 较列于表 1。近年来, 为了实现土壤和底泥中 PAHs、 PCBs 和 OCPs 的快速同时提取, 提高萃取效 率和回收率, 缩短样品前处理的时间, 微波辅助萃 取和加速溶剂萃取技术得到了广泛应用, 而超临界 流体萃取因其设备昂贵应用较少。 表 1不同提取方法的特点比较[8 -9 ] Table 1The characteristics of different extraction s 提取方法索氏抽提超声波提取SFEMAEASE 样品量10 ~30 g30 g1 ~10 g2 ~5 g10 ~30 g 提取时间4 ~48 h0.5 ~1 h0.5 ~1 h 20 min 加冷却与 降压时间30 min 12 ~20 min 提取剂用量150 ~300 mL100 3 mL10 ~20 mL25 ~45 mL15 ~45 mL 提取方法加热超声波加温加压加温加压加温加压 操作规程可批量提取可批量提取逐个提取 可批量提取 14 个样品 逐个提取 自动化水平低低低 ~高中等高 可否在线净化否否否否可以 提取效率低低高高高 微波辅助萃取是指利用微波加热来加速溶剂 对固体样品中目标萃取物的萃取过程, 具有加热均 匀、 选择性和萃取效率高、 不破坏被测物质、 消耗溶 剂少及无污染等特点 [10 ]。另外, 土壤和沉积物中 水分含量对 MAE 萃取效率有较大影响, 适当增加 样品中水分含量可以提高萃取效率, 在水分质量分 数为 20 ~ 30 时萃取效率最高, 因而该方法不 需样品干燥步骤, 可以用于现场湿样分析 [11 ]。 加速溶剂萃取是全自动萃取方法, 利用提高温 度和增加压力来提高萃取效率, 可实现在线净化, 其结果大大加快了萃取的时间, 明显降低了萃取溶 剂的用量, 并且避免了使用索氏提取、 超声波萃取 所带来的多次清洗的问题 [12 ]。 目前, 国内外有关利用 MAE 和 ASE 技术同时 提取土壤、 沉积物等样品中 PAHs、 PCBs 和 OCPs 的 报道较少, 且主要集中在其中两类化合物的同时提 取。因此深入研究三类化合物的同时快速提取技 术, 有利于提高实验效率, 降低分析成本。表 2 归 纳了近年来 ASE 和 MAE 技术同时提取三类化合 物的部分应用实例。 表2 ASE 和MAE 技术同时提取三类化合物的部分应用实例 Table 2The partial application of simultaneous extraction of three kinds of compounds with ASE and MAE 样品 类型 目标 提取物 检测的化合物 数目 个 萃取 方法 提取溶剂 体积比 回收率 R/ 参考 文献 土壤PAHs、 OCPs26ASE二氯甲烷 -丙酮 1 ∶ 170 ~112 [13] 土壤OCPs、 PCBs20ASE正己烷 -丙酮 1 ∶ 171 ~98 [14] 鱼OCPs、 PCBs15ASE 正己烷 -二氯甲烷 1 ∶ 1 正己烷 -丙酮 4 ∶ 1 80 ~120 [15] 蔬菜PAHs、 OCPs31ASE二氯甲烷 -丙酮 1 ∶ 142 ~124 [16] 土壤PAHs、 OCPs26MAE正己烷 -丙酮 1 ∶ 161 ~126 [13] 沉积物OCPs、 PCBs26MAE正己烷 -丙酮 1 ∶ 185 ~100 [17] 沉积物PAHs、 PCBs22MAE丙酮-[18] 土壤、 沉积物 PAHs、 OCPs、 PCBs 33ASE乙腈 -甲醇 9 ∶ 1-[19] 857 第 6 期 岩矿测试 http ∥www. ykcs. ac. cn 2010 年 ChaoXing 2净化与分离技术 目前, 环境样品中 PAHs、 OCPs 和 PCBs 的提取 方法并不具专属性, 因此在一次提取过程中, 三类 化合物在一定程度上会被同时萃取出, 并且大量的 干扰杂质也是共萃物。另外, 仪器分析时, 三类化 合物之间可能存在一定的相互干扰, 如气相色谱 - 电子捕获检测法分析 OCPs 和 PCBs 时, PCBs 的测 定会受到部分 OCPs 的干扰 [7 ]。因此, 有必要对萃 取液进行有效的分类分离, 否则会影响某些化合物 的准确定量, 甚至会因杂质沾污而造成仪器检测器 损坏。但现有的国内外标准方法中, 对三类化合物 的净化方式各有不同。例如 US EPA 3630C 建议 测定 PAHs 时使用活化硅胶填料, 净化 PCBs 和 OCPs 时使用 3. 3的水去活化硅胶 [20 ]。故有关环 境样品中 PAHs、 OCPs 和 PCBs 净化分离的前处理 过程, 一直是分析方法中至关重要的步骤。本文总 结了三类化合物共萃液的净化与分类分离技术, 力 争实现一次净化过程中, 即可分别获取三类化合物 的净化液, 缩短净化流程。因受仪器分析技术的限 制, 目前三类化合物的仪器同步分析主要集中在 OCPs 和 PCBs、 PAHs 和 PCBs 两种组合上, PAHs、 OCPs 和 PCBs 的仪器同步分析报道较少, 且同步 分析的目标化合物种类、 数量有限, 仪器配备要求 较高。在获得三类化合物的净化液后, 根据本实验 室仪器配备状况、 技术水平与分析要求, 可任意搭 配组合三类化合物的净化液, 进行其中两类或三类 化合物的同步仪器分析, 提高分析效率。 环境样品中 OCPs 和 PCBs 的净化方法, 通常 有浓硫酸净化法和层析柱净化法。浓硫酸净化法 具有较好的去除干扰物 如色素、 脂类等 功能; 但 该法操作繁琐, 会使部分 OCPs 完全损坏或回收率 偏低, 如狄氏剂、 异狄氏剂、 硫丹 Ⅱ、 甲氧 DDT 等 [21 ]。层析柱净化分离法不破坏 OCPs 和 PCBs, 欲测定环境样品中种类齐全的 OCPs 和 PCBs, 还是 采用层析柱净化分离法更适宜些。 徐恒振等 [ 22 ]研究了 Florisil 层析柱和活性炭层 析柱分离沉积物提取液中20 种 OCPs 和 10 种 PCBs 的方法, 通过比较 Florisil 和活性炭的活化温度、 活 化时间、 粒径以及淋洗剂的类型对 OCPs 和 PCBs 分 离效果的影响, 发现仅用10 mL 正己烷作为淋洗剂, 即可较好地洗脱分离2.0 g Florisil 粒径为60 ~100 目, 活化温度为200℃, 活化时间为 30 min, 加 5的 水失活 层析柱 柱长/柱径 230 mm/8 mm 上吸附 的 OCPs 和 PCBs。其 PCBs 的回收率大于 90, OCPs 的回收率约为5; 依次用20 mL 丙酮、 95的 丙酮 -二氯甲烷混合液为淋洗剂, 可以分离 2. 0 g 活性炭 粒径35 ~200 目, 活化温度 350 ℃, 活化时 间1 h 层析柱 柱长/柱径 230 mm/8 mm 上吸附 的 OCPs 和 PCBs, 其 OCPs 的回收率约为80, PCBs 的回收率约为 30。经海洋沉积物提取液中 OCPs 和 PCBs 的分离结果证实, 该方法可以分离海洋沉积 物样品中的 OCPs 和 PCBs。 黄园英等 [14 ]利用 Biobeads S - X3 柱 250 mm 20 mm 填料的自动凝胶渗透色谱和氟罗里硅土 及石墨碳黑填料的层析柱 30 cm 1. 0 cm i. d. 较好地净化了土壤基质提取液中的 6 种 PCBs 和 14 种 OCPs。其层析柱自下而上依次装入少量的 玻璃纤维 用丙酮 - 正己烷混合液抽提 , 1 cm 无 水 Na2SO4、 3 g Florisil、 0. 5 g Carb、 1 cm 无水 Na2SO4。上样后, 用 25 mL 乙酸乙酯 - 正己烷 体 积比 2 ∶ 8 进行溶剂淋洗。该净化方法所得替代 物的回收率为 80 ~ 93, 狄氏剂和异狄氏剂回 收率分别为 80和 97, 克服了磺化法狄氏剂、 异 狄氏剂、 异狄氏醛、 硫丹Ⅱ和甲氧 DDT 等回收率低 的缺点 [21 ], 实现了目标化合物同步净化。 Jang 等 [ 23 ]研究了硅胶层析柱同时分离净化 PAHs 与 PCBs 的方法。该方法利用完全活化的硅 胶填料层析柱 50 cm 1.1 cm i. d. , 用 60 ~65 mL 正戊烷淋洗即可将提取液中 PCBs 从 PAHs 组分中 分离 萘和苊除外 。另外, 经美国 NIST 有证标准 物质 SRM 1649 和 SRM 1939 验证, 该方法可同时 排除样品基体中的大部分干扰杂质。该研究同时还 指出, 用正戊烷淋洗时, PAHs 与 PCBs 在硅胶柱上 的洗脱行为如下 高氯代的 PCBs 较低氯代的 PCBs 先流出; 低分子质量的 PAHs 较高分子质量的 PAHs 先流出, 故萘、 苊与高氯代 PCBs 被共洗脱。另外, 硅 胶柱色谱分离 PAHs 与 PCBs 的选择性与硅胶去活 化程度有较大关系, 硅胶填料去活化度越高, 对高分 子质量 PAHs 的保留作用较低分子质量的 PAHs 更 弱, 即去活化程度越高, PAHs 与 PCBs 两个组分的 选择性洗脱将更困难。 方杰等 [ 24 ]建立了凝胶渗透色谱和铝硅胶柱前 处理, 气相色谱 - 离子阱质谱法测定海洋贝类体内 20 种OCPs、 28 种PCBs 和16 种PAHs 的多残留分析 方法。该方法将提取液经 GPC 凝胶渗透色谱初步 净化, 正己烷溶剂转换后加入碱性氧化铝/硅胶复合 柱 35 cm 1.0 cm i. d. 做进一步净化和组分分离, 分别用正戊烷和正戊烷 - 二氯甲烷 体积比 1 ∶ 1 957 第 6 期贺行良等 环境样品中多环芳烃、 多氯联苯和有机氯农药同时检测的分析方法第 29 卷 ChaoXing 洗脱得到 Fl 和 F2 两组淋洗组分。F1 含有 PCBs 和 3 种 OCPs, F2 含有 PAHs 和其余的17 种 OCPs, 实现 了样品提取液的凝胶渗透色谱初步净化、 铝硅胶柱色 谱的组分分离和进一步去除干扰物质。样品加标回 收率和相对标准偏差分别为 PCBs 84.1 ~120.2、 5. 6 ~ 15.9, PAHs 62. 5 ~ 123. 1、 8. 7 ~ 20.5, OCPs 77.3 ~127.5、 3.1 ~18.7。 总之, 对环境样品提取液中三类化合物的绝对 分离与净化还未见报道, 目前相关研究工作多停留 在 OCPs 与 PCBs、 PAHs 与 PCBs 的净化分离。仅就 三类化合物而言, 这些研究所关注的目标组分覆盖 面并不广泛, 而是各有侧重。一般是侧重某一类有 机污染物时, 涉及另两类化合物的种类就相当少。 本文在前人的研究基础上, 对当前关注较多的 21 种OCPs、 28 种PCBs 和16 种PAHs 的同步净化 - 分类分离技术作了初步研究。图 1 是 65 种化合物 的混合标准溶液在 “ 3去活化硅胶 2 g 3去活 化氧化铝 1 g ” 层析柱 15 cm 1. 0 cm i. d. 上用 正己烷淋洗的洗脱曲线。从图 1 可见, 前 10 mL 正 己烷即可将 28 种 PCBs 与多数 OCPs 和 PAHs 组分 分离。在前 10 mL 正己烷的洗脱液中包含了全部 PCBs, 仅有2 个 PAHs 组分 80萘、 20苊 和 4 个 OCPs 组分 30 ~90的 o, p’- DDT、 p, p’- DDE、 七氯和艾氏剂 共流出, 与徐恒振等 [ 22 ]和 Jang 等[ 23 ] 研究成果类似。详细实验数据将另文发表。 图 165 种化合物中几种代表性物质的淋洗曲线 Fig. 1Elution order and cumulative recovery of several typical composition from 65 compounds 3仪器同时检测技术 PAHs 的仪器分析技术主要有高效液相色谱 - 紫外/荧光检测法 HPLC - PDA/FLD 、 气相色 谱 - 火焰离子化检测法 GC - FID 和气相色谱 - 质谱法 GC - MS [25 ]; PCBs 和 OCPs 主要使用气 相色谱 - 电子捕获检测器 GC - ECD 和气相色谱 - 质量选择检测器 GC - MSD [25 ]。 表 3 归纳了近年来仪器同步分析 PAHs、 OCPs 和 PCBs 的部分应用。 表 3仪器同步分析 PAHs、 OCPs 和 PCBs 的部分应用 Table 3The application of simultaneous analysis of PAHs, OCPs and PCBs by different instruments 仪器方法仪器主要工作参数同步分析物 参考文献 GC -ECD 色谱柱DB-5 30 m0.32 mm0.25 μm 程序升温初始80℃, 20℃/min 升至160℃; 再4℃/min 升至250℃ 1.0 min ; 最后20℃/min 升至270℃ 2.5 min 20 种OCPs, 10 种PCBs [ 22 ] GC-ECD 色谱柱DB-5 MS 30 m0.32 mm0.25 μm 程序升温初始70℃ 1.0 min , 25℃/min 升至 190℃ 6.0 min ;再5℃/min 升至220℃ 6.0 min ;最后15℃/min 升至270℃ 15 min 16 种OCPs, 13 种PCBs [ 26 ] GC-ECD 色谱柱DB-XLB60 m0.25 mm0.25 μm 程序升温初始90℃1 min , 50℃/min升至 210℃5 min ;再1℃/min升至235℃;2℃/min 升至245℃;最后5℃/min升至320℃2 min 28 种OCPs, 20 种PCBs [ 27 ] GC-ECD 色谱柱DB-5 30 m0.25 mm0.25 μm 程序升温初始100℃ 2 min , 4℃/min 升至 220℃ 5 min ;再3℃/min 升至280℃; 最后50℃/min 升至300℃ 14 种OCPs, 6 种PCBs [ 14 ] GC-MSD SIM 色谱柱DB-5MS 50 m0.25 mm0.25 μm 程序升温初始100℃ 1.0 min , 7℃/min 升至 210℃;再2℃/min 升至260℃; 最后30℃/min 升至300℃ 1 min 质谱EI 源 70 eV , 离子源温度200℃, 传输线温度260℃ 14 种OCPs, 8 种PCBs [ 28 ] GC-QqQ- MS/MS① 色谱柱DB-5MS30 m0.25 mm0.25 μm VF-5ht 毛细管柱30 m0.25 mm0.1 μm 程序升温初始100℃1.0 min , 10℃/min升至 160℃2.0 min ;再8℃/min升至240℃; 最后20℃/min升至290℃1 min 质谱EI 源70 eV , 离子源温度230℃, 传输线 温度280℃, 腔体温度40℃, 碰撞能量10~45 eV 17 种OCPs, 19 种PCBs [ 29] , [ 30 ] GC-MSD SIM 色谱柱HP-1MS 30 m0.25 mm0.10 μm 程序升温初始40℃4.0 min, 5℃/min 升至270℃;再15℃ /min 升至300℃ 5 min 质谱 EI 源 70 eV , 离子源温度230℃, 传输线温度300℃ 13 种 PAHs, 8 种 PCBs [31] GC -MSD 色谱柱 HP -5MS 30 m 0.25 mm 0.10 μm 程序升温 初始70℃ 2 min , 30℃ /min 升至 200℃ 1 min ; 再3℃ /min 升至280℃ 2 min 质谱 全扫描测定, 选择离子定量 16 种 OCPs, 14 种 PAHs, 5 种 PCBs [32] ① GC - QqQ - MS/MS 为串联四极杆质谱。 067 第 6 期 岩矿测试 http ∥www. ykcs. ac. cn 2010 年 ChaoXing 这些联测方法多集中于 OCPs 和 PCBs 的 GC - ECD 联测, 且同测组分较过去 [33 -35 ]数量越来越 多。这是因为随着色谱柱技术的发展, 越来越多的 PCBs 和 OCPs 组分可在同一色谱柱上得到较好的 分离度, 且均属氯代有机化合物, 具有较大的电负 性, 在 ECD 检测器上有较好的响应, 可获得较低的 检出限。有关 PAHs 与 OCPs 或 和 PCBs 的同时 检测技术, 俞是聃 [31 ] 和 Erkuden Prez - Carrera 等 [32 ]分别有所研究, 主要采用 GC - MSD 技术。 GC - MSD技术定性能力强于气相色谱 或液相色 谱 , 但利用该技术时, 要么同时测定的组分较少, 要么难以获得较低的检出限。有研究报道, 高效液 相色谱 - 光电二极管阵列/荧光检测器 HPLC - PDA/FLD 测定土壤中 PAHs 的检出限为 0. 005 ~ 1. 33 μg/kg[36 ], GC - FID 法测定 PAHs 检出限为 0. 04 ~ 20 μg/kg[37 ], GC - ECD 法测定 PCBs 检出 限为 0. 027 ~ 0. 087 μg/kg[38 ], OCPs 为 0. 003 ~ 0. 025 μg/kg[39 ]。而 GC - MSD 法测定三类化合物 的检出限差距悬殊, 有文献报道 PAHs 的检出限为 0. 05 ~0. 12 μg/kg[40 ], 也有报道为 200 μg/kg[41 ]; PCBs 和 OCPs 的检出限为 0. 25 ~ 0. 72 μg/kg[28 ], 也有报道为 20 μg/kg[25 ]。总之, GC - MSD 法较色 谱法的检出限至少高出 1 ~ 2 个数量级, 但在检出 限要求不十分高时, GC - MSD 技术也不失为一种 良好的选择, 对待测组分的定性判别能力较色谱技 术强, 尤其适用于多组分的同时检测 [32 ]。随着分 析仪器技术的不断突破与革新, 尤其是多级串联质 谱技术 GC - MS/MS 的应用 [29 -30 ], PAHs、 PCBs 和 OCPs 的同时检测技术必将会得到长足发展, 且 所联测的化合物种类也将会越来越多。 4展望 作为 斯德哥尔摩公约 缔约方, 我国对环境 保护问题日益重视, 在全国范围内环境地质调查工 作已全面铺开, 这些调查对持久性有机污染物提出 了更严格的要求。环境样品中痕量和超痕量水平 有机污染物的现有分析方法, 大都实验消耗大, 分 析周期长, 不仅容易带来二次污染, 而且严重制约 样品测试的时效性, 因此针对环境样品中 PAHs、 PCBs 和 OCPs 等持久性有机污染物的测定, 发展 快速、 同时、 高效的样品预处理及仪器联测技术, 不 仅对于标准方法的改进和实验效率的提高有举足 轻重的实际意义, 而且能为国家环境地质大调查事 业提供更好的技术支撑。 5参考文献 [ 1]中国地质调查局. 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