气相色谱/质谱法检测地表水中有机氯农药和多氯联苯

1 引 言 
　　有机氯农药（OCPs）和多氯联苯（PCBs）是环境中广泛存在的两类持久性有机污染物（POPs）。由于两类物质的使用，同时其具有生物累积性、环境难降解性以及对人体的“三致效应”（致癌、致畸、致突变）等，OCPs和PCBs对人体和生态环境造成了极大的危害[1～5]。20世纪60年代，我国曾使用OCPs和PCBs。仅滴滴涕（DDTs）和六六六（HCHs）的使用量就分别达到了4.0×105吨和4.9×106吨[6]，约占*使用量的20%和30%。根据文献调研，20世纪80年代前，*范围内工业PCBs的产量达到1.0×106吨，其中大约有1.0×104吨在我国生产[7]。由于OCPs和PCBs的不当管理及使用，我国环境的多种介质中均有两类物质被检测出[1]。水环境的污染尤为严重，OCPs和PCBs通过污水排放、农业灌溉径流、干湿沉降、大气/水交换等方式终富集进入水环境[8]。 
　　对土壤、大气、干湿沉降以及地表水中OCPs和PCBs含量及来源等方面的研究已多见报道[9～13]。总体而言，环境介质中OCPs和PCBs含量呈现下降趋势。例如，1993年北京郊区土壤中∑HCH和∑DDT 浓度分别为327和1420 ng/g[14]，2015年∑HCH和∑DDT浓度降低至16.1和275 ng/g[15]。北京地区大气环境中PCBs浓度由119.6 pg/m3下降至23.1 pg/m3[16，17]。同样地，在北京地区地表水中OCPs和PCBs含量也呈现类似的下降趋势。2002年通惠河水体中∑HCH、∑DDT和∑PCBs平均浓度分别为356.38， 91.81和105.5 ng/L[13]；2005年时，其浓度则下降至18.0， 6.22和20.8 ng/L[18]。潮白河则只能检测出极低浓度的PCBs[19]。目前环境样品中常用的处理方法包括液液萃取[12，20]、索氏提取[19]、固相萃取[21]等。虽然这些方法成熟、稳定，但是耗时、耗力，同时消耗有毒有害有机试剂。本研究利用XAD2树脂吸附水体中OCPs和PCBs，同时利用加速溶剂萃取（ASE）、硅胶柱净化、气相色谱/质谱联用的技术，检测地表水中痕量OCPs和PCBs。本方法萃取速度快、灵敏度高、检测限低、基质影响小，同时减少有毒有害试剂的使用量并实现自动化。 
　　2 实验部分 
　　2.1 仪器与试剂 
　　78905975C型气相色谱三重四级杆质谱仪（美国Agilent公司）；DB5MS色谱柱（60 m×0.25 mm i.d.×0.25 μm）；ASE300型加速溶剂萃取仪（美国Dionex公司）；EYELA1000旋转蒸发仪（日本Pikakikai公司）；氮吹仪（美国Organomation Associates Jnc.公司）；纯水仪（美国Millipore公司）。 
　　15种OCPs包括：γ六六六、δ六六六、七氯、顺氯丹、反氯丹、氧化氯丹、α硫丹、β硫丹、硫丹硫酸酯、4，4′滴滴涕、2，4′滴滴涕、4，4′滴滴伊、2，4′滴滴伊、4，4′滴滴滴和2，4′滴滴滴（德国Dr. Ehrenstorfer公司）。PCBs混合标样包括二氯至九氯共82种PCBs（美国Accustander公司）；丙酮、正己烷、二氯甲烷、甲苯（HPLC级，美国Fisher Scientific或J.T Baker公司）；XAD2树脂（美国Amberlite公司）；100～200目硅胶（德国Merck公司）经过300℃活化后， 加入3.5%硅胶质量浓度的纯水去活，备用。 
　　2.3 样品分析 
　　气相色谱条件如下：进样口温度为290℃；进样量为1.0 μL；采用不分流模式进样；色谱质谱接口温度为280℃；升温程序为： 90℃保持1.0 min，以20℃/min升至170℃，以2℃/min升至280℃，并保持5.0 min；载气为纯度>99.999%的氦气；载气流速为0.8 mL/min。质谱条件如下：电离方式为EI模式；电离能量为70 eV；离子源温度为230℃；四极杆温度为150℃；选择离子监测模式（SIM）。气相色谱/质谱的保留时间、定量离子、定性离子如表1所示。标准溶液的色谱图见图1。 
　　3 结果与讨论 
　　3.1 ASE条件优化 
　　本研究中XAD2树脂ASE萃取条件的优化主要参考美国标准方法EPA354[23]，在萃取压力为1500 psi （10.4 MPa）、淋洗体积为60%、吹扫100 s的条件下优化了循环次数、萃取温度、萃取剂以及静态萃取时间。为性和精密度，每个条件的优化都研究了3个样品和1个样品。 
　　3.1.1 萃取循环次数的优化 萃取循环次数是影响ASE萃取效率的重要因素，大部分目标化合物都在*次循环中萃取出来[24，25]。但是，随着萃取的继续进行，目标化合物回收率也有提高。为了得到XAD2树脂中OCPs和PCBs萃取优循环次数，考察了1～5次循环对OCPs和PCBs萃取效率的影响。由图2可知，当循环次数从1次增加到3次时，OCPs和PCBs回收率明显提高，提高约21.1%～54.0%。回收率增加多的是β硫丹，提高54.0%。萃取循环3次时，回收率在57.3%～138%之间。萃取循环次数增加至4次、5次时，目标化合物回收率再无明显变化。综合考虑目标化合物的回收率和萃取试剂的使用量，本研究选取3次循环作为优萃取循环次数。　3.1.2 萃取温度的优化 萃取温度影响萃取速度和效率，温度提高，溶剂粘性降低，萃取能力增强，目标化合物更易于被萃取出样品基质。而萃取不同样品时，优的萃取温度则不同。比如，萃取沉积物中PCBs和PAHs，90℃时回收率佳[26]；萃取尘土中PCBs，140℃时回收率[27]；而萃取XAD2树脂中的农药表明，150℃为优萃取温度[28]。过高的萃取温度易造成部分OCPs分解。鉴于此，本研究考察了80℃、100℃、120℃分别对OCPs和PCBs萃取效率的影响。由图3可知，萃取温度为100℃时，OCPs和PCBs回收率，为60.4%～124.0%。萃取温度从80℃增加到100℃时，回收率增加范围在0.05% （β硫丹）～33.0% （CB5 & CB8）之间。而120℃时，回收率增加不再明显，而且随着温度升高，二氯代联苯回收率甚至降低至14.5%～36.1%。综上所述，本研究选取100℃为优的萃取温度。 
　　3.1.3 萃取剂的优化 萃取剂的选择是实现ASE萃取的另一重要条件。通过加标实验，研究了丙酮、正己烷、丙酮正己烷（1∶1， V/V）作为萃取剂时，对OCPs和PCBs回收率的影响。如图4所示，丙酮正己烷（1∶1， V/V）萃取时回收率，平均回收率在60.4%～124.0%之间；其次是丙酮、正己烷作为萃取剂时，平均回收率仅为46.7%。Ottonello等[24]研究了二氯甲烷、乙腈和丙酮正己烷（1∶1， V/V）对ASE萃取鱼肉中PCBs的影响，结果表明，应用丙酮正己烷（1∶1， V/V）时目标化合物的回收率。综上所述，本研究选取丙酮正己烷（1∶1， V/V）为优的萃取剂。 
　　3.1.4 静态萃取时间的优化 通过加标实验，研究了静态萃取时间为5， 10和15 min对OCPs和PCBs回收率的影响（图5）。总体而言，随着静态萃取时间从5 min增加到10 min，每种物质平均回收率均有小幅提升，约5%～10%。静态萃取时间从10 min增加到15 min时，回收率增加不明显。利用ASE萃取土壤的研究中也发现了相似结果[29]。考虑到样品处理效率，本研究选取10 min作为优萃取时间。 
　　3.2 ASE与索氏提取、声萃取的对比 
　　本研究将ASE方法与传统的索氏提取、声萃取进行了对比。索氏提取过程如下[19]：加标水溶液经过XAD2树脂吸附后，树脂用150 mL丙酮正己烷（1∶1， V/V）进行索氏提取24 h。提取液经过旋转蒸发、净化后再检测。声萃取过程如下[30]：加标水溶液经过XAD2树脂吸附后，树脂通过100 mL丙酮正己烷（1∶1， V/V）声萃取30 min。重复声萃取过程两次后，合并萃取液。后续过程与索氏提取相同。ASE、索氏提取、声萃取3种方法对OCPs和PCBs萃取回收率分别为60.4%～124%、64.3%～133%和21.1%～123%， 结果如图6所示。ASE和声萃取对每种OCPs和PCBs的萃取均得到较好的回收率。如ASE对4，4′DDD、氧化氯丹、CB87和CB114回收率依次为111%、97.2%、87.3%和85.5%。声萃取对应的回收率依次为112%、99.9%、87.6%和86.4%。相比而言，索氏提取对二氯、三氯、四氯联苯和OCPs回收率较好，而对其它目标化合物的回收率均较差（<60%）。而且声萃取所用的有机试剂量是ASE的3倍，萃取时间则是1.5倍。此外，相比ASE而言，声萃取与索氏提取均不能够实现自动化操作。因此，新开发的ASE方法更适合地表水中OCPs和PCBs的快速检测。 
　　3.3 精密度和性 
　　通过6个加标水样验证了XAD2树脂在优化的条件下OCPs和PCBs回收率及方法精密度。结果表明，OCPs和PCBs混合标样在10～800 μg/L范围内线性相关系数（R2）均大于0.995。15种OCPs和82种PCBs的平均回收率分别为70.9%～130%和52.5%～89.1%。除CB6等个别二氯代联苯回收率偏低外（52.5%～68.7%），其余86%的目标化合物回收率均高于70%。OCPs和PCBs方法检出限分别为0.13～0.38 ng/L和0.10～0.32 ng/L。日内和日间相对标准偏差分别为1.7%～16.1%和2.4%～33.3%。结果表明，本方法萃取速度快、灵敏度高、线性好、有机试剂量消耗少，能够满足环境样品的痕量分析要求。 
　　3.4 实际样品的检测 
　　通过标准添加法对玉渊潭湖水水样进行检测。15种OCPs和82种PCBs总浓度分别为6.47和9.55 ng/L。样品中，含量多的有机氯农药为α硫丹（3.45 ng/L），其次为硫丹硫酸酯（2.86 ng/L）和β硫丹（0.048 ng/L）。CB45 （4.88 ng/L）在82种PCBs中含量多，其次为CB5 & CB8 （0.40 ng/L）和CB12 （0.34 ng/L）。玉渊潭湖水OCPs含量与潮河（5.08 ng/L）[19]地表水含量相似，低于太湖（205.6 ng/L）[31]、鄱阳湖（20.65～115 ng/L）[32]、长江下游（14.2 ng/L）[33]水体中OCPs含量。而PCBs则略高于潮河（<0.02 ng/L）[19]、青藏高原（1.35 ng/L）[34]等地水样。 
　　实验结果表明，XAD2树脂吸附ASE萃取固相萃取净化GC/MS检测相结合的方法速度快、灵敏度高，同时又具有线性好、重复性高、回收率相对较高等优点。实际样品分析结果表明， 本方法无基质影响、省时、有机试剂用量少，适用于地表水中OCPs和PCBs的检测。