摘要: 随着对SCCPs环境行为和生态效应认识的深入，以及国际公约对POPs管控的加强，研究者们越来越关注土壤中SCCPs的含量、分布、迁移转化规律以及潜在的生态风险。因此，开发准确、灵敏的分析方法，如气相色谱质谱法，对于监测和控制土壤中SCCPs的污染具有重要意义。本文主要分析气相色谱质谱法测定土壤中短链氯化石蜡的含量，旨在为相关工作的开展提供助力。本文研究结果表明，气相色谱质谱法测定土壤中短链氯化石蜡的方法，检出限低，具有较高的精密度和加标回收率，操作简便，萃取效果好，能有效排除基体干扰。
Abstract: With the deepening understanding of the environmental behavior and ecological effects of SCCPs, as well as the strengthening of POPs control by international conventions, researchers are increasingly concerned about the content, distribution, migration and transformation patterns of SCCPs in soil, as well as potential ecological risks. Therefore, developing accurate and sensitive analytical methods, such as gas chromatography-mass spectrometry, is of great significance for monitoring and controlling the pollution of SCCPs in soil. This article mainly analyzes the determination of short chain chlorinated paraffin content in soil by gas chromatography-mass spectrometry, aiming to provide assistance for the development of related work. The results of this study show that the gas chromatography-mass spectrometry method for determining short chain chlorinated paraffins in soil has a low detection limit, high precision and spiked recovery rate, simple operation, good extraction effect, and can effectively eliminate matrix interference.
1. 引言
短链氯化石蜡(Short Chain Chlorinated Paraffins, SCCPs)是一类复杂的有机氯化合物，具有广泛的碳链长度(C10-C13)和氯含量(约40%~70%) [1]。由于具有良好的化学稳定性、耐热性和阻燃性，被广泛应用于塑料、橡胶、纺织品、油漆和金属加工等行业中。然而，由于SCCPs的持久性、生物累积性和潜在的毒性，已被列为持久性有机污染物(POPs)，并受到国际社会的广泛关注。土壤作为环境中重要的组成部分，是SCCPs的重要储存库和传输介质。由于SCCPs的疏水性和难降解性，在土壤中的积累可能导致长期的环境风险和生态健康问题[2]。因此，准确测定土壤中SCCPs的含量对于评估其环境风险和制定相应的管理措施至关重要。气相色谱质谱法(Gas Chromatography-Mass Spectrometry, GC-MS)是一种将气相色谱的分离能力和质谱的鉴定能力相结合的分析技术。GC-MS在环境样品中痕量有机污染物的分析中得到了广泛应用，包括SCCPs。通过GC-MS，可以实现对土壤样品中SCCPs的定性和定量分析。通过测定土壤中SCCPs的含量，可以评估其对环境的影响，为制定相应的环境保护政策和措施提供科学依据。了解土壤中SCCPs的含量有助于评估其对人类健康和生态系统的潜在风险，从而采取相应的风险控制措施。通过分析土壤中SCCPs的组成和含量，可以追踪其来源，为污染源的识别和治理提供依据。研究结果可为制定有关SCCPs的法规和标准提供科学依据，有助于限制其生产和使用，减少环境污染。了解SCCPs的危害和污染情况，有助于推动寻找和开发更安全、环保的替代品，促进绿色化学和可持续发展。
2. 短链氯化石蜡
短链氯化石蜡(Short-chain chlorinated paraffins，简称SCCPs)是一类复杂的有机化合物，属于氯化石蜡的一种。由碳链长度在10到13个碳原子之间的饱和烃链组成，这些烃链上部分或全部氢原子被氯原子取代[3]。SCCPs的氯含量一般在40%到70%之间，由于其结构的多样性，SCCPs实际上是一个化合物的混合物。
2.1. 定义
短链氯化石蜡(SCCPs)是一类具有广泛氯化程度和碳链长度的氯化饱和烃[4]。可以是线性的或支链的，且由于其结构的多样性，SCCPs通常被看作是一组混合物而不是单一化合物。
2.2. 机理
SCCPs的生产通常是通过氯气与石蜡烃(烷烃)的直接氯化反应来实现的。这个过程可以在光照或催化剂存在下进行，生成不同氯含量和不同碳链长度的氯化石蜡。由于反应条件的控制不完全，因此最终产品是一个复杂的混合物[5]。SCCPs的环境行为和生物累积性与其化学性质密切相关。具有低水溶性、高脂溶性，这使得容易在生物体内积累，并通过食物链放大。SCCPs在环境中相对稳定，不易被生物降解，因此可以在环境中长期存在。
2.3. 危害
SCCPs对环境和人类健康可能造成的危害包括：(1) 生物累积和食物链放大：由于SCCPs的脂溶性，容易在生物体内积累，并通过食物链放大，对高营养级的生物，包括人类，构成潜在威胁[6]。(2) 内分泌干扰：一些研究表明，SCCPs可能具有内分泌干扰特性，能够干扰正常的激素功能，影响生殖和发育[7]。(3) 毒性：SCCPs对水生生物具有一定的毒性，可能影响鱼类和其他水生生物的生存和繁殖[8]。(4) 持久性有机污染物(POPs)：SCCPs被认为是持久性有机污染物，因为在环境中难以分解，可以在大气、水体、土壤和沉积物中长期存在[9]。(5) 潜在的致癌性：虽然目前关于SCCPs致癌性的研究还不够充分，但一些初步研究提示可能具有潜在的致癌风险[10]。
3. 实验部分
3.1. 主要仪器与试剂
3.1.1. 仪器设备
Agilent 7890B-5977B气相色谱–负化学离子源–质谱联用仪；石英毛细管柱，长30 m，内径0.25 mm，膜厚0.25 µm，固定相为5%-苯基–甲基聚硅氧烷；FS-1800N超声波处理器(上海生析)。离心机：转速 ≥ 4000 r/min。旋涡混匀器。10ml具塞离心管：聚丙烯材料。步琦R-300旋转蒸发仪。一般实验室常用仪器和设备。LGJ-12真空冷冻干燥仪(北京松源华兴科技发展有限公司)，空载真空度达13 Pa以下。
3.1.2. 试剂
丙酮(C3H6O，农残级)；二氯甲烷(CH2Cl2，农残级)；二氯甲烷–丙酮混合溶剂(1 + 1)用二氯甲烷和丙酮按1:1体积比混合；浓硫酸：质量分数为98%；不同氯含量的SCCPs (C10-C13)标准溶液，浓度1000 mg/l。SCCP C10-C13含氯55.5%，工业级；SCCP C10-C13含氯63.0%，工业级；SCCPs (C10-C13)标准溶液(500 μg/ml，含氯59%)，分别取533 μL含氯55.5%的SCCP (C10-C13)标准溶液和467 μL含氯63%的SCCP (C10-C13)标准溶液移入2 ml容量瓶中，正己烷定容；优级纯无水硫酸钠(Na2SO4)或粒状硅藻土250 µm~150 µm (60目~100目)，置于马弗炉中400℃烘烤4 h，冷却后装入磨口玻璃瓶中密封，于干燥器中保存；石英砂：150 µm~850 µm (100目~20目)，置于马弗炉中400℃烘烤4 h，冷却后装入具塞磨口玻璃瓶中密封保存。
3.2. 试验方法
3.2.1. 样品准备
将样品放在搪瓷盘或不锈钢盘上，混匀，除去枝棒、叶片、石子等异物，按照HJ/T 166进行四分法粗分。
3.2.2. 样品前处理
使用新鲜样品进行处理，新鲜土壤样品可采用冷冻干燥和干燥剂方法干燥。如果土壤或沉积物样品中水分含量较高(大于30%)，应先进行离心分离出水相，再进行干燥处理。
冻干法。取适量混匀后样品，放入真空冷冻干燥仪中进行干燥脱水。干燥后的样品需研磨、过0.25 mm孔径的筛子，均化处理成250 µm (60目)左右的颗粒。
干燥剂法。称取20~30 g (精确到0.01 g)的新鲜样品，加入一定量的干燥剂混匀、脱水并研磨成细小颗粒，充分拌匀直到散粒状，全部转移至提取容器中待用。
3.2.3. 样品提取及浓缩
称取3.2.2中处理后的土壤样品20 g (精确到0.01 g)到250 mL玻璃瓶中，加入足量无水硫酸钠，用玻璃棒搅拌均匀，立即加入150 ml丙酮：二氯甲烷(1:1)，超声波提取仪探头插入至液面以下1 cm处，但必须在固体试样表面以上(可根据试样的体积，适当增加或减少溶剂的加入量)。超声波处理器频率为20 KHZ，最大强度为1800 W，调节超声波处理器的强度至60%，设置液体最高温度不超过35℃，使用冰块水浴降温，调整探头深度，保证试样在提取时能够被完全翻动，超声提取5 min。过滤萃取液。
使用旋转蒸发仪将萃取液浓缩至1~2 ml，转换溶剂为正己烷，再浓缩至1 ml。将浓缩液转移至离心管中，加入1 ml浓硫酸，在涡旋仪上涡旋2 min，在离心机上离心5 min，取上清液，待上机分析。
3.2.4. 仪器分析条件
(1) 气相色谱条件
进样口温度：280℃，不分流；进样量：1.0 μL，柱流量：1.2 mL/min (恒流)；柱温：100℃保存0.5 min，以20 ℃/min升至320℃，保存5.5 min；传输线温度：300℃。
(2) 质谱条件
电离方式：电子捕获负化学源电离；电子轰击源：离子扫描模式；离子源温度：150℃；四级杆温度：150℃。
3.2.5. 主要影响因素分析
样品采集后，应在4℃以下密封、避光冷藏保存，尽快完成提取。由于SCCPs特性的原因，溶剂种类及配比、超声频率及时间均会对测定结果产生一定影响。同时，浓硫酸的加入量以及涡旋时间也会对结果产生不同程度的影响。
4. 结果与讨论
4.1. 标准曲线及检出限
短链氯化石蜡曲线点的浓度分别为5.00、10.0、20.0、50.0和100 µg/mL。土壤样品中短链氯化石蜡的测定采用丙酮：二氯甲烷(1:1)溶剂进行超声提取，浓硫酸涡旋离心净化，旋转蒸发浓缩、定容，经气相色谱分离、质谱检测。根据保留时间、碎片离子质荷比及其丰度定性，内标法定量。校准曲线结果见表1。
3家实验室分别测定浓度为0.6 mg/kg实验室空白加标样品，将各自的7次测定结果计算其标准偏差，此时检出限MDL = S × 3.143。方法的测定下限：参照HJ168-2020，以4倍方法检出限确定为本方法目标物的测定下限。根据测定结果，确定短链氯化石蜡的方法检出限为0.12 mg/kg，测定下限为0.47 mg/kg。结果见表2。
Table 1. Determination Data for Calibration Curve
表1. 校准曲线的测定数据
项目 |
曲线方程 |
相关系数r2 |
相关系数r |
短链氯化石蜡 |
y = 13118.979741 * x − 27240.044057 |
0.9988 |
>0.999 |
Table 2. The determination data of method detection limit and determination lower limit
表2. 方法检出限及测定下限的测定数据
短链氯化石蜡(mg/kg) |
实验室1 |
实验室2 |
实验室3 |
测定次数 |
1 |
0.504 |
0.654 |
0.731 |
2 |
0.504 |
0.631 |
0.654 |
3 |
0.478 |
0.669 |
0.741 |
4 |
0.518 |
0.597 |
0.663 |
5 |
0.434 |
0.617 |
0.672 |
6 |
0.434 |
0.566 |
0.646 |
7 |
0.528 |
0.628 |
0.713 |
标准偏差 |
0.039 |
0.034 |
0.039 |
检出限(mg/kg) |
0.12 |
0.11 |
0.12 |
测定下限(mg/kg) |
0.48 |
0.43 |
0.49 |
4.2. 精密度和准确度实验
4.2.1. 精密度
3家实验室分别对0.5 mg/kg和2.0 mg/kg的土壤样品进行了测定，相对标准偏差为4.5%~10.2%。结果见表3。
Table 3. Determination data of method precision
表3. 方法精密度的测定数据
测定结果(mg/kg) |
短链氯化石蜡的浓度0.5 mg/kg |
短链氯化石蜡的浓度2.0 mg/kg |
实验室1 |
实验室2 |
实验室3 |
实验室1 |
实验室2 |
实验室3 |
测定次数 |
1 |
0.413 |
0.491 |
0.488 |
1.87 |
2.45 |
2.23 |
2 |
0.378 |
0.537 |
0.465 |
1.72 |
2.01 |
2.28 |
3 |
0.452 |
0.558 |
0.421 |
1.90 |
2.32 |
2.14 |
4 |
0.381 |
0.418 |
0.491 |
2.11 |
1.99 |
2.09 |
5 |
0.411 |
0.487 |
0.502 |
1.67 |
2.29 |
2.01 |
6 |
0.489 |
0.489 |
0.399 |
1.98 |
2.12 |
2.15 |
平均值(mg/kg) |
0.421 |
0.497 |
0.461 |
1.88 |
2.20 |
2.15 |
相对标准偏差(%) |
10.2 |
9.8 |
9.1 |
8.7 |
8.4 |
4.5 |
4.2.2. 准确度
3家实验室分别对加标量为2.0 μg、50.0 μg的土壤样品进行了加标测定，回收率为83.7%~105.5%。结果见表4。
Table 4. Determination data of method trueness
表4. 方法正确度的测定数据
测定结果(μg) |
加标量为2.0 μg |
加标量为50.0 μg |
实验室1 |
实验室2 |
实验室3 |
实验室1 |
实验室2 |
实验室3 |
测定次数 |
1 |
1.67 |
2.14 |
1.87 |
46.6 |
54.2 |
46.5 |
2 |
1.78 |
2.25 |
1.91 |
48.7 |
55.6 |
43.7 |
3 |
1.52 |
1.93 |
1.82 |
43.0 |
51.3 |
49.7 |
4 |
1.83 |
1.67 |
1.71 |
47.5 |
49.5 |
45.3 |
5 |
1.63 |
2.10 |
1.63 |
48.1 |
53.7 |
47.3 |
6 |
1.61 |
2.27 |
2.13 |
45.9 |
52.3 |
45.2 |
平均值(μg) |
1.67 |
2.06 |
2.13 |
46.6 |
52.8 |
46.3 |
加标回收率(%) |
83.7 |
103 |
92.2 |
93.3 |
106 |
92.6 |
4.3. 实际样品分析
土壤中短链氯化石蜡的测定有吹扫捕集气相色谱质谱联用法、索氏提取气相色谱法、索氏提取气相色谱质谱法等[11]。短链氯化石蜡的挥发性较弱，采用吹扫捕集测定时容易造成捕集井污染[12]。USEPA 8270E则釆用气相色谱质谱法进行测定，釆用的预处理方法多为通用的预处理方法，即对水、土壤等均釆用相同或相似的方法，土壤和沉积物中的短链氯化石蜡主要釆用传统的液液提取、索式提取及加压流体萃取进行前处理[13]。USEPA的方法细则较宽泛且不明确，对于方法检出限、检出下限、质量控制与质量保证等方面，均未作出明确的规定[14]。另外，对于复杂环境介质样品，气相色谱法在定性分析上存在假阳性的可能，准确度相对较低[15]。本文结果表明，采用丙酮：二氯甲烷(1:1)溶剂进行超声提取，浓硫酸涡旋离心净化，旋转蒸发浓缩、定容，经气相色谱分离、质谱检测对土壤样品中短链氯化石蜡进行分析测定，能较好地去除干扰，准确地定性定量分析[16]。
5. 结论
本文建立了气相色谱质谱法测定土壤中短链氯化石蜡的方法，检出限低，具有较高的精密度和加标回收率，操作简便，萃取效果好，能有效排除基体干扰，可广泛应用到不同浓度土壤样品中短链氯化石蜡的测定。前人研究已经开发了多种样品前处理技术，如索氏提取、微波辅助提取等，用于从土壤中提取SCCPs。研究者已经研究了电子轰击(EI)对SCCPs分析的影响。对SCCPs在环境中的行为、分布、迁移和转化进行了研究。本研究的改进之处包括：(1) 优化萃取条件：使用超声萃取进行目标物提取，以减少溶剂污染提高萃取效率。(2) 改进分析方法：使用GC-MS化学电离(CI)技术，以提高分析的灵敏度和选择性。(3) 方法验证：对新方法进行全面的验证，包括方法的检出限、准确度、精密度、实际样品测试等。(4) 环境样品的代表性：确保所用土壤样品能够代表不同环境条件和污染水平，以提高研究结果的普适性。(5) 风险评估和暴露评估：除了测定含量，本研究可能还涉及对环境风险和人类暴露水平的评估。
基金项目
湘江流域区域产地镉砷污染活化及调控机制课题资助(2022YFD1700102)。