QuEChERS/GC-MS法快速测定城市污泥中4种多环芳烃

王娇娇，呼世斌，刘书慧，魏丽琼，柴琴琴

西北农林科技大学资源环境学院，陕西 杨凌 712100

QuEChERS/GC-MS法快速测定城市污泥中4种多环芳烃

王娇娇，呼世斌，刘书慧，魏丽琼，柴琴琴

西北农林科技大学资源环境学院，陕西 杨凌 712100

建立了快速、简便测定城市污泥中4种主要PAHs污染物(菲、荧蒽、芘、苯并[α]芘)含量的检测方法。利用QuEChERS提取方法，样品经乙腈并以超声波辅助提取，提取液过0.22 μm滤膜后，采用气相色谱-质谱法对4种物质进行测定。对QuEChERS萃取条件及超声时间进行了优化，确立最优试验条件，比较建立的萃取方法与传统索氏提取方法对加标样品中4种PAHs的萃取效率。结果表明，4种PAHs得到较好的分离效果，方法检出限为0.27～0.49 μg/kg，相对标准偏差为2.8%～8.6%(n=7)，加标回收率为81.9%～116.3%，对菲、荧蒽、芘、苯并[α]芘提取效率与索氏萃取方法相当。运用该方法对西安某污水处理厂的原污泥和堆肥处理后污泥进行检测，4种分析物均有检出。该方法具有操作简便、灵敏、环保等特点，适用于城市污泥中菲、荧蒽、芘、苯并[α]芘的定性定量分析。

QuEChERS；气相色谱-质谱；PAHs；城市污泥

多环芳烃是一类广泛存在于环境介质中的有机污染物，由两个或两个以上的苯环构成的线状、角状或簇状的中性或非极性化合物。其化学结构稳定，具有“三致”效应，难降解，易在生物体内蓄积。PAHs主要来源于工业生产、燃煤、人类活动以及能源污染等，因其高疏水性、难生物降解，极易被吸附在污泥颗粒物上[1-3]。城市污泥，一方面因其富含有机质、氧、磷和钾，而作为有机肥料广泛应用于农业、园林绿化业。然而，另一方面由于污泥含有有机污染物、病原体、重金属等污染物，也在一定程度上限制了其资源化利用的推广[ 4]。欧盟指令草案中规定，城市污泥农用时有10种PAHs含量不能超过6.0 mg/kg[5]。中国污泥农用时有关PAHs的污染物控制标准限值为苯并[α]芘不超过3.0 mg/kg干污泥[6]。据莫测辉等[7]，张雪英[8]等的报道，城市污泥中多环芳烃通常以2～4环化合物为主，高环难降解的化合物所占质量分数较低。故本文结合西安城市污泥的特点，选取含量较高的菲、荧蒽、芘以及高致癌性的苯并[α]为研究对象，建立4种物质的萃取检测方法，并对实际样品进行测定。

目前，国内外对环境样品中PAHs含量分析测定报道较多，污泥中多环芳烃的萃取方法包括传统的索氏提取、机械震荡提取，以及近年来比较常用的微波萃取、超声波萃取、加速溶剂萃取等方法[9-11]，但这些分析处理方法操作繁琐、费时，对仪器设备要求较高并且需要消耗大量的溶剂。QuEChERS是近年来国际上最新发展起来的一种用于农产品检测的快速样品前处理技术，由美国农业部Anastassiades 教授等于2003年开发。该方法是一种快速、简便、便宜、有效、可靠及安全的样品处理技术，较多应用于农产品、土壤、食品中农药残留测定[12-15]，但很少应用于污泥中多环芳烃检测方面。本文运用QuEChERS技术对样品进行前处理，以超声波辅助(超声时间10 min)强化萃取，并对试验条件进行了优化，建立了利用气相色谱-质谱法(GC-MS)同时测定城市污泥中菲、荧蒽、芘、苯并[α]芘的方法。另外，利用该萃取方法和传统索氏萃取对4种物质的萃取效率进行比较。结果显示，该方法能获得索氏提取法同样萃取回收率，且操作简单，极大减小了样品前处理时间和溶剂的消耗量，更适用于城市污泥等样品中菲、荧蒽、芘、苯并[α]芘的检测。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

Shimadzu GC-MS-QP2010 Ultra气相色谱-质谱联用仪(日本)；XW-80A涡旋震荡仪(30 W，2 800 r/mim，上海)；TDL-60C型低速台式离心机(上海)；KQ-250超声波提取仪(美国)；N-EVAP氮吹仪(美国)；索氏提取器(丹麦)；旋转蒸发仪(上海)；ND系列行星式球磨机(南京)；700系列 250 μL微量进样器(瑞士)。

多环芳烃标准品：菲(>99.9%)、荧蒽(>99.9%)、芘(>99.5%)、苯并[α]芘(>99%)，美国Sigma-Alorich公司；乙腈、乙酸乙酯、甲醇、二氯甲烷、丙酮(色谱纯，国药集团)；氯化钠，硫酸镁，硫酸钠(优级纯，北京百灵威化学科技有限公司)；弗罗里硅土：5%水脱活中性氧化铝；英国尼龙660.22 μm针筒式有机滤膜过滤器(北京)。

实验用水经Integral3超纯水制备系统(美国)处理的超纯水。

标准溶液的制备：准确称取PAHs标准品10 mg(精确到0.1 mg)，用甲醇配成1.0 mg/mL储备溶液，-20 ℃避光保存。

1.2 样品前处理

1.2.1 样品采集制备

实际样品：污泥样品于2014年11月在西安某污水处理厂采集。空白基质样品：采于西北农林科技大学校园，该空白基质中菲、芘、荧蒽、苯并[α]芘均未检出。采集后样品经自然风干，除杂，磨碎后过0.3 mm目筛，装入棕色试剂瓶中，于-18 ℃冷藏。

1.2.2 样品提取净化

QuEChERS萃取方法：准确称取8.0 g样品于50 mL聚乙烯离心管中，依次加入12.0 mL超纯水，20.0 ml乙腈，置于涡旋振荡仪，以2 500 r/min涡旋振荡1 min混匀后，于30 ℃条件下超声提取10 min。然后加入8.0 g硫酸镁(MgSO4)，3.2 g氯化钠(NaCl)，继续涡旋振荡1 min混匀后，取出试管放进离心机中，以5 000 r/min，离心3 min，吸出约19 mL上清夜，加入适量干燥的无水硫酸钠。取上层液10.0 mL，通入温和的氮气流使萃取液蒸发至近干[16-17]，用1.0 mL乙腈定容后过0.22 μm滤膜，待测。

索氏萃取方法：准确称取8.0 g样品于索氏提取器中，加入200 ml二氯甲烷/丙酮(体积比1∶1)，40 ℃连续提取8 h。待冷却后，将提取液转移至梨形瓶中，旋转浓缩至干，加4 mL 环己烷，浓缩定容至2 mL[18-19]。提取液净化浓缩步骤参照周雯等[20]关于底泥中有机污染物的测定。

1.3 样品检测

1.3.1 气相色普条件

进样口温度：290 ℃，分流进样；载气为高纯氦气，进样量为1 μL；柱流量为1.0 ml/min(恒流)，柱温分别为80 ℃(2 min)、20 ℃/min、180 ℃(5 min) 、10 ℃/min、290 ℃(5 min)；色谱柱为30 m×0.25 mm×0.25 μm。

1.3.2 质谱条件

扫描模式：选择离子(Sim)模式，离子化能量：70 eV，四极杆：150 ℃，离子源温度：230 ℃，接口温度：280 ℃，溶剂延迟时间：5 min，调谐方式：DFTPP。4种多环芳烃的主离子和特征离子，详见表1。

表1 4种多环芳烃的主离子和特征离子

2 结果与讨论

2.1 试验条件的优化

所有优化条件试验采用菲、荧蒽、芘、苯并[α]芘各添加浓度均为1.0 μg/g的空白基质进行实验。

2.1.1 萃取剂的选择

萃取剂的种类显著影响回收率、富集系数和对目标化合物的选择性。研究选取乙腈、乙酸乙酯、二氯甲烷∶甲醇(v:v=1∶1)作为萃取剂，按照表2的实验方案进行萃取实验。结果表明，相同条件下各萃取剂对多环芳烃总量的萃取效果不同，萃取效果为乙腈>乙酸乙酯>二氯甲烷∶甲醇。采用乙酸乙酯提取时，对样品中的杂质提取较多，在氮吹浓缩过程中会残留很多杂质吹不干，使目标物的回收率不稳定；二氯甲烷∶甲醇(v:v=1∶1)提取回收率较低，无法满足提取要求；乙腈提取后溶液澄清，同时通过盐析作用很容易将乙腈与水分离，且可以得到较好的色谱分离结果和峰形，回收率较高，所以选取乙腈作为萃取剂。

表2 不同萃取剂萃取效果

2.1.2 正交试验优化

以萃取剂体积A、加入水的体积B、添加盐(NaCl)的量C为3个变量，每个变量取3个水平，如表3所示。按L9(34)正交表进行试验，结果如表4所示。通过极差计算分析可知，3个因素对萃取效果的影响大小为A>C>B，萃取剂体积为主要影响因素。当乙腈体积为20.0 mL时，回收率在一个很高的水平，主要是达到了萃取平衡。随着萃取剂体积继续增加，萃取效果反而下降，可能是由于随之增大的吸出体积造成的。添加盐，一方面是改变溶液的离子强度从而改变分析物的溶解性，另一方面是实现萃取剂与水溶液更好的分层，从而有利于萃取剂的吸出。QuEChERS最初的设计是针对水果、 蔬菜、生物体等含水率较高的环境基质，而由于土壤、污泥等固相基质中含水量很低，萃取前向其中添加一定量的水可以使样品获得必要的水分，且萃取剂更容易渗入基质孔隙中，增大接触面积[21-22]。试验得出加水量为12.0 mL时萃取效果较好，虽然随盐度的增强回收率有上升趋势，但12.0 mL水溶液对应3.2 g的NaCl时，萃取效果较好且水与有机相分层明显，所以最终选择A2B2C3条件，即萃取剂体积为20.0 mL，水用量为12.0 mL，加NaCl为3.2 g。

表3 因素水平的确定

表4 正交试验结果及分析

2.1.3 超声时间的选择

在正交试验得到的结果基础上，继续考察超声时间对萃取效果的影响。研究在同等条件下，选取超声温度为30 ℃，时间分别为5、10、15、20min，比较了超声时间对回收率的影响。结果表明，超声10min时，萃取效率最好。随着时间的延长，萃取效率有所下降，可能是因为超声时间过长，溶剂温度升高，乙腈挥发导致萃取率降低。因此，研究选定超声时间10min。经超声处理后4种分析物的提取率均有提高，约10～20%。

2.1.4 线性范围与灵敏度

配置浓度为0.1、0.5、1.0、2.0、5.0、10.0μg/mL的系列标准工作溶液，以待测物的浓度X(μg/mL)为横坐标，以待测物的峰面积值Y为纵坐标绘制标准曲线图，得到4种多环芳烃的线性方程和相关系数(表5)。4种多环芳烃呈良好线性关系，相关系数(R2)为0.998 7～0.999 8，以信噪比(S/N)=3计算仪器检出限(IDL)。该线性范围比较宽，在实际样品测定中，应根据样品中多环芳烃的含量配置标准工作溶液浓度。

称取10.0 g空白基质样品，添加5 μg/kg的PAHs标准溶液，做7个平行处理，求得7个测定值的标准偏差，以信噪比(S/N)=10计算该方法检出限(MDL)，结果见表5。

表5 4种PAHs的线性方程、相关系数、仪器检出限、方法检出限

2.1.5 精密度与加标回收率

称取10.0 g空白基质样品，分别添加0.1、0.5 μg/g两个水平浓度的多环芳烃标准溶液，按照1.3实验方法进行测定，每个水平浓度重复7次，计算平均回收率和相对标准偏差。结果如表6所示。 4种PAHs回收率为 81.9%～116.3%，相对标准偏差为2.8%～8.6%。

2.1.6 QuEChERS萃取方法与索氏萃取方法的比较

比较了QuEChERS萃取法与索氏提取法的加标回收率，结果如图1所示。由图1可以看出，对于4种多环芳烃，2种萃取方法回收率相近，QuEChERS方法对苯并[α]芘萃取效率高于索氏提取法。索氏萃取耗时8～9 h和200 mL溶剂，而QuEChERS萃取法仅需几十分钟时间和20 ml溶剂，由此可见，QuEChERS萃取加标样品中4种多环芳烃的模式优于索氏萃取法，故采用QuEChERS萃取的方法来处理实际样品更加简便、快捷快捷、准确。

表6 4种PAHs的加标回收率、相对标准偏差

注：相对标准偏差(n=7)。

图1 2种方法萃取效率对比

2.2 实际污泥样品的测定

采用本方法对西安市某城市污水处理厂污泥样品进行测定，并对污泥堆肥前后样品中4种PAHs含量进行了分析比较，如表7所示。结果表明，污泥样品中菲、荧蒽、芘、苯并[α]芘均有检出，其中荧蒽含量最高，达到2.53 mg/kg，苯并[α]芘含量为0.083 mg/kg，其值显著低于国内规定的城市污泥农用标准3.0 mg/kg；但菲、荧蒽、芘3者之和为6.45 mg/kg，由于3种污染物总量已高于欧盟指令草案中所规定的城市污泥农用时10种PAHs含量限值6.0 mg/kg，故此污泥不可直接农用，否则会导致土壤和农作物的污染。污泥堆肥后，4种检测物的含量都明显降低，降解率分别高达79.03%，85.52%，85.27%，67.15%。实际样品离子流色谱图，见图2。

表7 实际污泥样品4种PAHs含量

① 原污泥样品色谱图; ② 堆肥后污泥样品色谱图；1.菲; 2.荧蒽; 3.芘; 4.苯并[α]芘。

3 结论

研究建立了QuEChERS/GS-MS法测定城市污泥中4种主要多环芳烃污染物(菲、荧蒽、芘、苯并[α]芘)含量的检测方法，并优化了QuEChERS提取的萃取剂体积、水体积、加盐量、超声时间等参数，在试验条件范围内方法检出限为0.27～0.49 μg/kg，相对标准偏差为2.8%～8.6%(n=7)，加标回收率达到81.9%～116.3%，该方法萃取效率能够达到传统的索氏提取方法萃取效率。结果表明，该方法操作简单，耗溶剂量少，灵敏度高，适用于城市污泥中菲、荧蒽、芘、苯并[α]芘的快速检测。

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Rapid Determination of 4 Polycyclic Aromatic Hydrocarbons in Sewage Sludge by QuEChERS /GC-MS

WANG Jiaojiao，HU Shibin，LIU Shuhui，WEI Liqiong，CHAI Qinqin

College of Resource & Environment, Northwest A&F University, Yangling 712100, China

A rapid method for the determination of 4 primary PAHs (Phenanthrene， Fluoranthene， Pyrene， Benzo(a)pyrene )in sewage sludge was presented. Samples were extracted by QuEChERS assisted by sonication with acetonitrile and after centrifugation of the extract, the supernatant was concentrated and filtrated through a 0.22 μm filter before analysis by GC-MS. The effects of various operational parameters on the performance of QuEChERS procedure were carefully investigated.The comparison of this method and the conventional Soxhlet extraction (SE) was carried out. Under the optimized conditions, the four PAHs were separated well, and the detection limit of the method ranged from 0.27 to 0.49 μg/kg. The proposed method exhibited good relative standard deviation from 2.8% to 8.6% (n=7) and recovery from 81.9% to 116.3%. The QuEChERS extraction efficiency was equivalent to that of SE. The proposed analytical method was applied to determine PAH levels in sewage sludge samples collected from a water treatment plants located in Xi’an. The 4 PAHs were all detected in the samples. This method proved to be rapid, sensitive, environmental protection and so on, and could be more suitable to determine Phenanthrene, Fluoranthene, Pyrene and Benzo(a)pyrene in sewage sludge.

QuEChERS；GC-MS；PAHs；sewage sludge

2015-09-16;

2015-12-25

十二五国家“863”计划课题-污灌农田及退化土壤修复关键技术(2012AA101404)

王娇娇(1990-)，女，河北沧州人，硕士。

呼世斌

X830.2

A

1002-6002(2016)06- 0089- 06

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.06.14