微波辅助-微固相在线萃取/气相色谱质谱联用法对污泥中19种多氯联苯的测定

张　艳，江志彬，焦　哲，吕斯濠，范洪波，黄卫清

(东莞理工学院　化学与环境工程学院，广东　东莞　523808)



微波辅助-微固相在线萃取/气相色谱质谱联用法对污泥中19种多氯联苯的测定

张艳，江志彬，焦哲*，吕斯濠，范洪波，黄卫清

(东莞理工学院化学与环境工程学院，广东东莞523808)

建立了微波辅助-微固相在线萃取/气相色谱-质谱联用(GC-MS)测定污泥中19种多氯联苯(PCBs)含量的分析方法。对微波辅助-微固相在线萃取条件进行优化，得出最优萃取条件为：萃取温度60 ℃，萃取时间25 min，解吸溶剂为乙酸乙酯，解吸剂用量150 μL，解吸时间25 min。在优化条件下，方法的检出限为0.2～2.5 ng/g,相对标准偏差(RSD) 小于14%，回收率为81.4%～102.1%。与传统的微波萃取、微固相萃取、超声萃取等方法相比，该方法集萃取、净化和浓缩于一体，极大地缩短了分析时间，适合于复杂环境样品体系中痕量PCBs的分析检测。

微波辅助-微固相在线萃取；气相色谱-质谱联用(GC-MS)；多氯联苯(PCBs)；环境分析；污泥

污泥是城市生活污水及工业废水在处理过程中产生的固体废弃物。城市污泥的处置方式主要有填埋、焚烧和农业利用等。前两种方法由于场地的限制、费用昂贵、造成二次污染等因素而难以为继或被禁止。由于污泥中含有丰富的氮、磷、钾和有机质，在农用资源化方面前景广阔，但污泥中存在的重金属和有机污染物限制了其农业利用。多氯联苯(PCBs)是环境中一种人工合成的、典型的、广泛分布的持久性有机污染物[1]，是当今危害人类健康的重要有机污染因子，易于在土壤、底泥、污泥中富集。PCBs是联苯苯环上的若干氢原子被氯取代而形成的一类含209种弱极性有机氯化同系物的化合物的总称[2]。通常情况下，PCBs的化学性质非常稳定，不易分解，不易与酸、碱、氧化剂等发生反应，在自然界中很难降解，具有高富集、高致癌和高致畸等特性，已成为全球性的污染物之一，其对动物和人类构成的威胁成为环境科学领域研究的新热点[3-4]。因此，对环境中的PCBs进行研究、检测和监管具有非常重要的意义。复杂样品中PCBs的样品前处理方法主要有固相萃取[5-7]、加速溶剂萃取[8-9]、微波辅助萃取[10]等，但上述方法存在耗时长、试剂用量大、步骤繁琐等缺点。

近年来，微萃取方法(如液相微萃取、固相微萃取、固液微萃取)的发展使得分析方法更加省时省力和节省溶剂，因此得到了广泛应用[11]。其中微固相萃取是将固相萃取装置微型化的新型样品前处理技术[12-17]。在微固相萃取中分析物被固相吸附而无法返回萃取液，因此萃取液中的分析物浓度始终低于样品，从而促使微波萃取平衡向增大提取率的方向移动，因此提高了提取率和净化效果。常见的微萃取模式中分析物是以静态吸附或被动扩散方式进入萃取相，其传质速率低、平衡时间长，且分析物无法快速从样品基体中游离出[18-20]。因此，本课题组借助微波萃取先提取出目标物，然后再被微固相萃取相移走，变静态分配平衡为动态平衡，在样品提取过程中实现了净化和富集，有望同时提高萃取率和分析速度，目前已将该方法用于环境中四环素类抗生素、邻苯酯类塑化剂的提取[21-22]。本文拟建立微波辅助-微固相在线萃取(MAE-μ-SPE)/气相色谱-质谱联用(GC-MS)分析方法，对污泥样品中残留的19种PCBs进行分析检测。

1　实验部分

1.1仪器与试剂

加热搅拌器(IKAC-MAG HS7 digital)；CW-2000A超声微波协同萃取仪(上海新拓分析仪器科技有限公司)；超纯水机(Heal ForeNW，上海)；Agilent 7890A GC/5975C MS(美国Agilent 公司)；DZF-6021真空干燥箱(上海齐欣科学仪器有限公司)；氮吹仪(美国Organomation Associates 公司)。异烟酸、NaOH、Cu(NO3)2(分析纯，天津大茂化学试剂厂)；甲醇、二氯甲烷、正己烷、乙酸乙酯(色谱纯，Merck公司)；含有PCB-1，PCB-5，PCB-18，PCB-31，PCB-52，PCB-44，PCB-66，PCB-101，PCB-87，PCB-110，PCB-151，PCB-153，PCB-141，PCB-138，PCB-187，PCB-183，PCB-180，PCB-170，PCB-206的19种PCBs混合标准溶液(浓度为100 μg/mL，纯度为98%，美国Restek公司)。

1.2实验方法

1.2.1不同萃取方法的研究取污泥样品1.00 g加入5 μg/L的PCBs标准溶液10.0 mL，用于各种萃取方法的对比研究(表1)。其中微波功率为250 W，微波温度60 ℃，微波萃取时间25 min，超声时间25 min。吸附剂异烟酸铜的用量为60 mg，解吸溶剂为乙酸乙酯，用量150 μL，解吸时间25 min。平行3组实验。

表1　不同萃取方法的操作流程Table 1　The procedures of different extraction methods

1.2.2GC-MS检测条件DB-5MS 色谱柱(30 m×0.25 mm I.D.,膜厚0.25 μm，美国Agilent公司)。以流速为1.0 mL/min的氦气(纯度为99.9999%)为载气，不分流模式下注入待测样品1 μL(取样时间3 min，3 min后，分流出口流量为50 mL/min)。进样口温度为250 ℃，接口温度为280 ℃，离子源温度为290 ℃。气相色谱柱的升温程序：以25 ℃/min从70 ℃升至200 ℃，再以4 ℃/min升至280 ℃，然后在300 ℃下运行2 min。离子源为EI，采用选择离子模式进行定量分析。

2　结果与讨论

2.1微波辅助微固相萃取条件的优化

2.1.1萃取时间的影响采用空白加标样品(加标浓度为5 ng/mL)对不同分析方法进行研究。在萃取温度50 ℃，140 μL乙酸乙酯为解吸溶剂，解吸时间20 min的条件下，考察了萃取时间对萃取效果的影响。结果表明，随着萃取时间的增加，PCBs的响应值增大，萃取效率提高。当萃取时间分别为20，25，30 min时，溶液中PCBs的萃取效果基本相同。因萃取20 min不能保证PCBs被完全吸附，而萃取30 min虽可保证PCBs被完全吸附，但吸附时间太长。综合考虑选取25 min为最佳萃取时间。

2.1.2微波萃取温度的影响实验发现，随着萃取温度的升高，PCBs的响应值增大，萃取效率提高(图1)。当萃取温度达60 ℃和70 ℃时，PCBs的萃取效果基本相同。因PCBs标准溶液是用甲醇配制，甲醇的沸点为64.5 ℃，在70 ℃下萃取，溶液气化挥发，不易操作，萃取过程中损失较大。而60 ℃接近甲醇的沸点，萃取效果最好。综合考虑选取60 ℃为最佳萃取温度。

2.1.3解吸剂种类的影响在萃取时间25 min，萃取温度60 ℃，解吸剂体积140 μL，解吸时间20 min条件下，考察了甲醇、二氯甲烷、乙酸乙酯和正己烷4种解吸剂的解吸溶解效果。结果显示，乙酸乙酯和正己烷对PCBs的解吸溶解效果较好且相近。因乙酸乙酯性质较稳定且熔沸点较高，在使用过程中不易挥发损失，易操作，且解吸溶解效果好，综合考虑选取乙酸乙酯为最佳解吸溶剂。

2.1.4超声解吸时间的影响考察了超声解吸时间的影响，结果显示，随着超声解吸时间的延长，PCBs的响应值增大，解吸效果变好。当解吸时间在20～30 min范围时，PCBs的解吸效果基本相同。由于解吸时间为30 min时响应值呈略微下降的趋势，综合考虑，选取25 min为最佳解吸时间。

2.1.5解吸剂用量的影响在萃取时间25 min，萃取温度60 ℃，解吸时间20 min条件下,考察了解吸剂乙酸乙酯用量的影响。结果表明，随着解吸剂用量逐渐增加，PCBs的响应值增大，解吸效果越来越好。当解吸剂的用量达到140 μL和150 μL时，PCBs的解吸效果基本相同。因150 μL用量既可保证对PCBs的完全解吸溶解，又可避免因解吸剂用量太大而导致经萃取袋萃取富集后的PCBs被再次稀释，因此选取150 μL为解吸剂的最佳用量。

2.2线性范围、检出限、回收率及精密度

将空白污泥样品按照MIP-SPE 方法净化后进行基质配标，配制浓度分别为2，5，20，50，100 μg/kg 的PCBs溶液，在优化条件下进行测定。结果显示，在2～100 μg/kg范围内，19种PCBs的浓度(X，μg/kg)与其相应的峰面积(Y)具有良好的线性关系，相关系数均不小于0.991(见表2)。根据最小浓度响应的信噪比(S/N=3) 计算出方法的检出限(LOD)为0.2～2.5 ng/g，定量下限(LOQ)为0.7～8.3 ng/g。配制加标浓度分别为5，10，20 μg/kg的样品，测得回收率为81.4%～102.1%，相对标准偏差(RSD，n=3) 均小于14%。

表2　PCBs的GC-MS分析方法参数Table 2　Analytical method parameters of GC-MS for the determination of PCBs

2.3与常见萃取方法的比较

研究了微波萃取(方法1)、微波-超声-微固相萃取在线联用(方法2)、微波超声萃取(方法3)、微波-微固相在线联用(方法4，即本方法)、微波萃取后-微固相萃取(方法5)、超声萃取(方法6)、超声后-微固相萃取(方法7)等不同方法在提取污泥中多氯联苯中的差异。从图2可以看出，微固相萃取可以在传统的微波萃取法、超声萃取法和微波超声联合萃取法的基础上，再次实现对目标物的富集浓缩，因此方法2，4，5，7比传统方法1，6，3的萃取效率高。在方法2，4，5和7中，虽然均结合了微固相萃取方法，但由于结合的方式不同，萃取效率也有差异。方法4省略了离线方法中的过滤步骤，减少了过程中目标物的损失，同时也大大缩短分析时间，因此方法4的效果最好。方法2和方法4并未使萃取效率增加，分析原因是由于超声本身有洗脱和解吸的作用，因此削弱了异烟酸铜对PCBs的富集效果。研究表明，微波萃取和微固相萃取在线联用的方法(方法4)不仅结合了传统微波萃取的优势，且在此基础上实现了在线富集浓缩，同时减少了过滤等步骤，因此该方法在提取污泥中痕量多氯联苯中具有很大的优势。

3　结　论

本文建立了MAE-μ-SPE/GC-MS联用测定污泥中19种PCBs的分析方法。研究表明:MAE-μ-SPE结合了微波辅助提取效率高和微固相萃取富集效果好的优点，通过在线联用，可以同步实现萃取、净化和浓缩。19种PCBs的检出限为0.2～2.5 ng/g，对污泥加标样品的回收率为81.4%～102.1%，RSD小于14%。与传统的微波辅助萃取、超声萃取和微固相萃取方法相比，该方法操作简单，试剂消耗量少，前处理时间短，适合在复杂环境样品体系中提取痕量PCBs。

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Determination of 19 Polychlorinated Biphenyls in Environmental Sludge Samples by Microwave-assisted Micro-solid Phase Extraction Combined with Gas Chromatography-Mass Spectrometry

ZHANG Yan,JIANG Zhi-bin，JIAO Zhe*,LÜ Si-hao，FAN Hong-bo，HUANG Wei-qing

(College of Chemistry and Environmental Engineering,Dongguan University of Technology,Dongguan523808，China)

A microwave assisted micro-solid phase extraction(MAE-μ-SPE) combined with gas chromatography-mass spectrometric(GC-MS) method was developed for the determination of 19 polychlorinated biphenyls(PCBs) in environmental sludge sample.Target PCBs compounds were extracted from the sludge sample into extraction solvent enhanced by microwave field,followed by adsorption with adsorbent in the micro-solid phase extraction device.The copper(Ⅱ) isonicotinate(Cu(4-C5H4N-COO)2(H2O)4) coordination polymer was prepared and used as the adsorbent.Variables affecting extraction procedures were systematically investigated,and the experimental conditions of MAE-μ-SPE were optimized.The major optimized parameters were as follows:extraction temperature:60 ℃,extraction time:25 min,desorption time:25 min,desorption solvent:150 μL ethyl acetate.Then,a GC-MS method for determination of 19 PCBs was studied.The detection limits(S/N=3) of the method ranged from 0.2 ng/g to 2.5 ng/g,and the relative standard deviations(RSD) were lower than 14%.The mean recoveries were in the range of 81.4%-102.1%.The experimental results demonstrated that the developed MAE-μ-SPE/GC-MS method combining extraction,cleanup,and concentration in one step,was suitable for analysis of trace PCBs in complex samples.

microwave-assisted micro-solid phase extraction;gas chromatography-mass spectrometry(GC-MS);polychlorinated biphenyls(PCBs);environmental analysis；sludge

2016-01-04；

2016-03-03

国家自然科学基金项目(21305013)；广东省自然科学基金(2015A030310235)；广东省教育厅青年创新人才项目(2014KQNCX218)

焦哲，博士，副教授，研究方向：复杂样品前处理方法，Tel：0769-22861232，E-mail：jiaoz@dgut.edu.cn

10.3969/j.issn.1004-4957.2016.08.019

O657.63;O625.13

A

1004-4957(2016)08-1036-05