土壤检测--土壤中挥发性有机化合物分析方法
一、吹扫捕集-气相色谱-质谱法(GC-MS)
(一)适用范围
(1)本方法测定的目标化合物包括二氯甲烷、四氯化碳、1,2-二氯乙烷、1,1-二氯乙烯、顺-1,2-二氯乙烯、1,1,1-三氯乙烷、1,1,2-三氯乙烷、三氯乙烯、四氯乙烯、1,3-二氯丙烯、苯、氯仿、反-1,2-二氯乙烯、1,2-二氯丙烷、p-二氯苯、甲苯、二甲苯。
(2)另外,通过选择适当的GC/MS选择离子检测方式中的监测离子,本方法还可以用于1,2-二溴-3-氯丙烷、苯乙烯、正丁基苯二溴氯甲烷、溴仿、乙苯、丙苯、3-氯丙烯、氯乙烷、氯乙烯、二氯甲烷、二氯丙二烯环戊烷、1,1-二氯乙烷、二溴氯甲烷、二溴甲烷、1,1,1,2-四氯乙烷、1,1,2,2-四氯乙烷、1,2,3-三氯丙烷、1,3-丁二烯、一溴一氯甲烷、一溴二氯甲烷、1-溴丙烷、2-溴丙烷、正己烷、甲基叔丁基醚、一氯苯、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、异丙烯、异丙苯、氧氯丙烯、苄基氯、1-辛烯、氯乙酸乙酯、对氯甲苯、乙酸乙烯酯、氧丙烯、1,2-二乙苯、13-二乙苯、1,4-二乙苯、1,2-二氯苯、1,3-二氯苯、1,2,3-三氯苯、1,2,4-三氯苯、1,3,5-三氯苯、二硫化碳、六氯丁二烯、五氯乙烷等化合物的测定。
(3)各目标化合物检测限如表所示。
表:目标化合物的检出限
(1)土壤样品经甲醇萃取后,其中一部分用纯水稀释,通入高纯氦气或氮气等惰性气体,使样品中挥发性有机物进入气相并被捕集管捕集,捕集管经加热将目标化合物脱附出,再经低温聚焦,引入到气相色谱-质谱仪中进行测定。(二)方法摘要
(2)由于挥发性有机物在操作过程中易挥发,必要时需要加入稳定同位素的替代物或其他合适的替代物,并根据GC-MS测定选择最佳离子。另外,如果所选用的目标化合物的定量或定性离子的质量数与替代物的质谱图中的离子有重复,需要确认二者的色谱峰是否完全分离。
(3)如果没有低温聚焦系统,目标化合物被捕集后,加热捕集管并直接引入到GC-MS仪中。
(4)如果灵敏度能够达到要求,也可以使用全扫描测定。
(三)试剂和标准溶液
1.纯水
矿泉水或纯净水,使用前必须经空白实验确认在目标化合物的保留时间区间内没有干扰色谱峰出现。如果需要纯化,按照下述步骤进行:取1~3L水放入到三角烧瓶中,加热并煮沸,直至液体体积降至原体积的1/3。将三角烧瓶直接放置在没有污染的场所冷却。也可以采用活性炭柱色谱纯化水。
2.甲醇
农药残留分析纯级或色谱纯级均可,但必须确认在目标化合物的保留时间区间内没有干扰色谱峰出现。由于甲醇开封后,会受到实验室的室内空气污染,必须放在未受污染的场所中保存。
3.混合标准贮备液(各1mg/ml)
使用购买的商品混合标准贮备液,存放在安培瓶中,保存在阴暗处。
4.混合标准溶液(各10μg/ml)
100ml容量瓶中加入少量甲醇,加入1ml混合标准贮备液(加入过程中注意不要产生气泡),用甲醇定容至刻度,使用时配制。
5.内标标准贮备液(1mg/ml)
使用商品氟代苯、4-溴氟苯标准溶液。
6.内标标准溶液(10μg/ml)
100ml容量瓶中加入50~90ml甲醇,加入1l内标标准贮备液(1mg/ml),用甲醇定容至刻度,使用时配制。
如果需要在实验室配制标准贮备液(1mg/ml)(替代物溶液(0.1mg/ml))时,依照下述方法进行:在100ml容量瓶中加入30~50ml甲醇,准确称量各标准化合物100mg(各替代物10mg),用甲醇定容至刻度,配制成混合标准贮备液,各化合物浓度为1mg/ml(替代物标准贮备液各化合物浓度为0.1mg/ml)。
在使用时配制混合标准贮备液和内标贮备液。但是,须将配制好的标准贮备液直接放入到液氮中冷却后,在液氮或者甲醇和干冰的冷冻液中边冷却边转移至安培瓶中,熔封后在阴暗处可以保存1~3个月。
7.氦气
使用99.999%以上纯度氦气。
8.氮气
使用纯度99.999%以上纯度的氮气。
9.冷却剂
液氮或液态二氧化碳。
(四)仪器和设备
萃取用器皿和设备
(1)离心管
容量为50ml的具塞玻璃离心管,洗干净后再用水冲洗,最后用甲醇洗涤,干燥。在约105℃的烘箱中加热3h,转入无污染的场所冷却。之后盖紧瓶盖,在无污染的场所中保存。
(2)离心机
转速可达3000r/min的离心机,最好是可以控制温度(约15℃以下)
2.制备空白水的器皿
烧瓶:用于制备蒸馏水的烧瓶。
3.配制标准溶液的器皿
容量瓶、移液管、滴管:洗干净后再用甲醇洗涤。
4.天平
准确称量至0.01g。
5.气密注射器(5~25ml)
6.微量注射针(1~100μL)
使用的气密注射器和微量注射器,最好分别分成空白实验用、低浓度测定用和高浓度测定用三只,另外需要确认气密注射器和微量注射器的准确度和精度。
7.吹扫捕集装置
(1)吹扫瓶:可以容纳0.5~25ml样品的玻璃容器。使用前用水洗涤之后,在(105±2)℃下加热约3h,放置在干燥器中冷却。
(2)吹扫瓶恒温装置:能够使吹扫瓶温度保持在20~40℃。
(3)捕集用管:内径0.5~5mm、长50~300m的石英玻璃管、不锈钢管或内部经钝化的不锈钢管。
(4)捕集管中的填充剂:2,6-二苯基-1,4-二苯氧基聚合物(粒径177~250μm或250~500μm)、硅胶(粒径250~500μm)及活性炭(粒径250~500μm),或其他性能相同的物质。
2,6-二苯基-1,4-二苯氧基聚合物为商品又被称为 Tenax GC Tenax TA等;作为填充剂的还有 VOCARB3000等活性炭系列的物质。所有填充剂都应当通过回收率实验确认其回收率良好。
(5)捕集管:将填充剂填入捕集管中,使用前先以20~40ml/min流速通入氦气,同时在老化温度下加热30~60min。
(6)捕集管加热装置:吹扫时捕集管在20~40℃保温,之后在1min内迅速加热至180~280℃,并在脱附温度下保持约4min,使集管中富集的挥发性有机物迅速脱附。
(7)吹扫气体:氦气或氮气,流量调节在20~60ml/min的范围内。
(8)低温聚焦装置:内径0.32~0.53mm的石英玻璃管或毛细管柱,在低温聚焦时可以冷却至-30℃以下。脱附时在1min内可以加热到进样口温度或200℃。有些吹扫捕集装置省去了低温聚焦部分。
8.气相色谱-质谱仪
(1)气相色谱仪(GC)
色谱柱:内径约0.2~0.7mm、长约25~120m熔融石英毛细管柱,固定相为苯基甲基聚硅氧烷(或二甲基聚硅氧烷),液膜厚度0.1~3μm。另外,具有同等分离度的色谱柱也可以使用。
载气:纯度99.999%以上的高纯氦气。
柱箱:温度控制范围为50~350℃,可以根据目标化合物选定最佳升温程序。
(2)质谱仪(MS)
离子化方式:电子轰击离子化法(EI法)
离子检出方式:选择离子检测(SIM),可以在定量范围内调节灵敏度。离子源温度:根据仪器设定最佳温度。
电子加速电压:70V
测定质量数:参见表。
表:目标化合物的测定质量数
(五)样品前处理
(1)用于挥发性有机物测定的土壤样品采集是与其他测定项目用样品的采集分开单独进行。
(2)如果上述采集的样品含水较高时,准确称取20g土壤湿样放入到离心管中,在3000r/min下离心20min,弃去上层水。一般土壤直接进行下一步的操作。
(3)离心后的土壤样品中加入10ml甲醇,超声波萃取10min,在3000r/min下离心10min,上层液相全部转移至容量瓶中,离心管中再加入10ml甲醇,超声萃取10min也放入容量瓶中。该过程中最好加入合适的替代物,替代物的加入量应与单位重量样品中加入的内标量相当。
(4)再加入10ml甲醇在3000r/min下离心10min,上层液相同样转移至容量瓶中,用甲醇定容至刻度(25~50ml),作为样品溶液。
(5)吹扫瓶中按照水与样品溶液体积比9.8:0.2的比例,加入4.9~49ml水,并缓慢加入0.1~1ml的样品溶液(注意不要产生气泡)和内标溶液,作为测定溶液。或者事先在容量瓶中加入容量瓶总体积90%的水,按照水与样品溶液体积比9.8:0.2的比例,缓慢加入样品溶液,之后用水定容至刻度。在不产生气泡的前提下混合该水溶液,之后取其中5~50ml静静地转移至吹扫瓶中。GC/MS测定时需注意甲醇的影响。内标的添加量应与目标化合物的浓度、测定条件等相适应。
(六)测定步骤
1.吹扫捕集条件
本参照吹扫捕集装置的操作说明进行操作。使用没有低温聚焦的装置,当目标化合物在捕集管中捕集后,加热捕集管,直接引入到gc-ms中吹扫捕集的最佳条件下使用的吸附剂的种类、填充量等会有不同。因此,样品分析前应当找到最佳回收率的条件。注意在选定的吹扫条件下捕集管不会发生容量穿透。作为捕集管的示例,室温下捕集时可使用 Tenax TA、硅胶以及活性炭三层充填的捕集管,-20℃左右捕集时可以使用 Tenax TA。
设定吹扫捕集的分析条件,举例如下,仅作参考。许
(1)吹扫时间:10min。
(2)吹扫温度:室温。
(3)干吹时间:4min。
(4)捕集温度:-150℃。
(5)捕集管加热时间:2min。
(6)捕集管加热温度:220℃。
(7)进样时间:3min。
(8)进样温度:220℃。
(9)捕集管烘烤时间:20min。
(10)捕集管烘烤温度:260℃。
2.GC-MS分析条件设定和仪器调谐
设定GC-MS的分析条件。举例如下,仅作参考。
(1)气相色谱(GC)
1)色谱柱:苯基甲基聚硅氧烷,内径0.25mm,长60m,液相膜厚1.0μm(AQUATIC、DB-1、DB-1301、DB-624、DB-WAX、 VOCOL等)。
2)色谱柱温:40℃保持7min,以5℃/min速度上升至180℃,再以15℃/min速度升温至250℃;量。
3)进样口温度:180℃;
4)进样方式:低温聚焦;
5)载气:氦气(25psi)。
(2)质谱(MS)
1)离子化方式:E1法;
2)电子加速电压:70V;
3)离子源温度:255℃;
4)检测方式:SIM方式。
导入用于MS质量校准的标准物质(PFTBA或PFK),根据MS质量校准的谱图等校正质量和分辨率,进行仪器灵敏度检查。质量校准结果与测定结果同时保存。调整灵敏度使得各VOC的测定灵敏度能够达到0.5ng以下。
3.校准曲线
(1)在0ml、0.2~10ml的范围内取混合标准溶液(10μg/ml)5~6份,分别加入到10ml容量瓶中,用甲醇定容至刻度,配制成校准用标准溶液。
(2)GC-MS中引入的样品量应当在校准曲线的中间范围,求出各测定目标化合物的定量离子和定性离子的强度比,确认各浓度的强度比是否一致。比较待测定的目标化合物的强度比与校准曲线中间浓度的强度比,如果在90%~110%的范围以外,需要重新测定该浓度的校准用标准溶液。
(3)求出各挥发性有机物的峰强度与内标峰强度比值,以各VOC的量(ng)对该比值作图,得到校准曲线。样品测定时制作校准曲线。
4.样品测定
(1)调节吹扫气流速为20~40ml/min,吹扫装置中的空气用吹扫气置换完全。
(2)调节吹扫气流速为20~40ml/min,加热捕集管至捕集管上限温度以下,并保持30min。
(3)将装有测定溶液的吹扫瓶放入到吹扫瓶恒温槽中,保持样品温度一定(例如20℃或40℃以下)。
(4)确认捕集管的温度为室温,以吹扫气吹扫测定溶液同时,被吹扫出的VOCs被捕集管捕集。
(5)低温聚焦装置预先降温(例如-50℃或-120℃,捕集管加热装置的温度在1min之内快速升温(如至180℃或280℃)、通载气约4min将捕集管中的VOCs脱附出来,在低温聚焦装置处聚焦。
(6)加热低温聚焦装置,VOCs被载气带入到GC-MS中。记录选择离子谱图。
(7)确认样品中VOCs和内标的保留时间与制作校准曲线时记录的VOCs和内标的保留时间是否一致,读取各目标化合物相应保留时间处的离子强度(峰高或峰面积)。
(8)准备下一个样品,按照本部分(1)和(2)的操作步骤,老化再生捕集管。
(9)作为空白实验,使用与测定溶液相同体积的水,按照水与甲醇体积比9.8:0.2的比例,配制空白样品,进行本部分(3)~(7)的操作。如果在制作标准校准曲线时记录的VOCs和内标的保留时间位置上检出色谱峰,并且该峰的强度在定量限以上时,应当再进行一次空白实验,同时修正样品的离子强度。在准备下一个样品的同时,按照本部分(1)和(2)的操作,老化和再生捕集管。
5.定量和计算
由目标化合物与内标的峰面积比,根据校准曲线求出样品中VOCs的检出量。再由样品重量、样品含水率(%),依照下式计算样品中VOCs的浓度。
二、顶空-气相色谱-质谱(GC-MS)法
(一)适用范围
同吹扫捕集-气相色谱-质谱法。
(二)方法摘要
土壤样品经甲醇萃取,其中一部分经水稀释后作为样品溶液。顶空样品瓶中加入样品溶液和氯化钠,一定温度下经过气液平衡,抽取一定体积的气相物质注射入GC-MS中,以选择离子方式检测,测定各选择离子的色谱峰,求出VOCs的浓度。
(三)试剂和标准溶液
(1)纯水:同吹扫捕集-气相色谱-质谱法中(三)之1项。
(2)氯化钠(特纯)。
10g水中加入3g氯化钠,进行空白实验,确认没有干扰物质存在,如果空白实验中检测出VOCs,应在使用前在450℃下加热26h后,放置在干燥器中冷却,并且尽快使用。
(3)甲醇:同吹扫捕集-气相色谱-质谱法中(三)之2项。
(4)混合标准贮备液(各1mg/ml):同吹扫捕集-气相色谱-质谱法中(三)之3项。
(5)内标贮备液:同吹扫捕集-气相色谱质谱法中(三)之5项。
(6)内标标准溶液(10μg/ml):同吹扫捕集-气相色谱质谱法中(三)之6项
(7)氦气:同吹扫捕集-气相色谱-质谱法中(三)之7项。
(8)氮气:同吹扫捕集-气相色谱-质谱法中(三)之8项。
(四)仪器和设备
(1)萃取用器皿和设备
1)离心管:同吹扫捕集-气相色谱-质谱法中(四)之1项(1)。
2)离心机:同吹扫捕集-气相色谱-质谱法中(四)之1项(2)。
(2)制备空白水的器皿
同吹扫捕集-气相色谱-质谱法中(四)之2项。
(3)配制标准溶液的器皿
容量瓶、移液管、滴管:同吹扫捕集-气相色谱-质谱法中(四)之3项(1)
(4)天平:同吹扫捕集-气相色谱-质谱法中(四)之4项。
(5)顶空样品瓶:玻璃制样品瓶,加入10~100ml样品后,瓶中剩余15%~60%的空间。以硅橡胶垫密封,加热时有良好的气密性,使用前用水洗涤后,在(105±2)℃下加热约3h,在干燥器中放置冷却。
(6)硅橡胶垫:可使顶空样品瓶密封。
(7)聚四氟乙烯膜:厚度约50μm,放在硅橡胶垫和样品瓶口之间,保证样品不与硅橡胶接触。
(8)铝质卡口瓶盖:固定样品瓶和硅橡胶垫。
(9)铝质卡口瓶盖封盖器:使铝质卡口瓶盖盖紧样品瓶的工具。
(10)恒温槽:恒温范围25~60℃,在设定温度下控温精度达到±0.5℃,在30~120min保持恒温温度。
(11)气密注射器:容量为20~5000μL。
(12)微量注射器:1~5μL。
(13)气相色谱-质谱仪:同吹扫捕集-气相色谱-质谱法中(四)之8项,但是,进样方式和进样口温度有区别。
1)进样方式:分流进样、不分流进样等。进样体积大时,最好采用分流进样。
2)进样口温度:150~250℃。
(五)样品前处理
(1)同吹扫捕集-气相色谱-质谱法中(五)之1项至4项,制备样品溶液。
(2)顶空样品瓶中加入氯化钠,按照9.4ml对0.6ml样品溶液的比例,向顶空瓶中加入9.4~94ml的水和0.6~6ml的样品溶液(加入时保证无气泡产生),按照每10ml中加入1μl内标的比例添加内标标准溶液,作为测定溶液。样品瓶口放聚四氟乙烯膜、硅橡胶垫和铝质卡口瓶盖,用封盖器密封顶空样品瓶。
1)氯化钠的加入量应使测定溶液中氯化钠的浓度为30%左右。
2)或者在容量瓶中加入容量瓶体积的90%的水,按照9.4ml水兑0.6ml样品溶液的比例,慢慢加入样品溶液,用水定容至刻度。混合后,取其10~100ml,加入氯化钠。GC-MS测定时,甲醇可能会产生影响,请注意。
(六)测定步骤
1.GC/MS的分析条件设定与仪器调谐
设定GC/MS的分析条件,举例如下。
(1)气相色谱(GC)
同吹扫捕集-气相色谱-质谱法。但是进样口温度为150℃。
(2)质谱仪
同吹扫捕集-气相色谱-质谱法。
2.校准曲线
(1)在0ml、0.2~10ml的范围内分取混合标准溶液(10μg/ml)5~6份,分别加入到10ml容量瓶中,用甲醇定容至刻度。顶空样品瓶中加入氯化钠,加入与测定溶液相同体积的水,用微量注射器按照10ml液体中加入1μl标准溶液和内标溶液分别加入标准溶液和内标溶液。按照本部分(三)之3项(1)至(3)操作进行实验。
(2)GC-MS中引入的样品量应当在校准曲线的中间范围,求出各测定目标化合物的定量离子和定性离子的强度比,确认各浓度的强度比是否一致。比较待测定的目标化合物的强度比与校准曲线中间浓度的强度比,如果在90%~110%的范围以外,需要重新测定该浓度的校准用标准溶液。
(3)求出各挥发性有机物的峰强度与内标峰强度比值,以各VOC的量(ng)对该比值作图,得到校准曲线。样品测定时制作校准曲线。
3.样品测定
(1)顶空样品瓶中的氯化钠经振动溶解混合后,将恒温槽的温度调节在(25±5)~(60±0.5)℃的范围内,静置加热30~120min。
(2)气密注射器穿过硅橡胶垫,抽取一定体积(如1000μl),直接注射到GC-MS仪中,记录定量离子和定性离子的选择离子色谱图。
(3)确认样品中VOCs和内标的保留时间与制作校准曲线时记录的VOCs和内标的保留时间是否一致,读取各目标化合物相应保留时间处的离子强度(峰高或峰面积)。
(4)作为空白实验,使用与测定溶液相同体积(如10ml)的水,进行(六)之3项(1)至(3)的操作。修正(六)之3项(3)样品的离子强度。
4.定量和计算
由目标化合物与内标的峰面积比,根据校准曲线求出样品中VOOCs的检出量。再由样品重量、样品含水率(%),依照下式计算样品中VOCs的浓度。
