Simultaneous Analysis of Organochlorinated Pesticides and Polychlorinated Biphenyls from Animal Tissue using Gas Chromatography-Mass Spectrometry Combined with Accelerated Solvent Extraction
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摘要: 动物组织样品油脂含量大、干扰杂质多，对其中低含量有机氯农药及多氯联苯的分析会造成较大程度的影响。针对动物组织样品基质复杂的特点，本文以二氯甲烷-丙酮(体积比为1:1)的溶剂体系，采用加速溶剂萃取技术对样品进行提取，在提取过程中尽量减少脂肪的共提出，然后采用凝胶渗透色谱技术去除样品中的大部分油脂，再结合弗罗里硅土为填料的固相萃取方法对样品进一步净化，能够达到充分去除油脂和小分子杂质的目的。采用气相色谱-质谱分析17种有机氯农药及7种指示性多氯联苯，各化合物的回收率在81.6%~113.4%之间，检出限在1.02~3.59 ng/g之间，技术指标优于部分国家标准。本方法改进了动物样品的净化效果，建立了凝胶渗透色谱结合固相萃取技术的净化方法，达到了样品快速自动提取、溶剂用量少、基质净化彻底的目的，降低了方法检出限，能够满足快速、准确检测动物组织中低含量持久性有机污染物的要求。
Abstract:The majority of fat and impurities in animal tissues influence the analysis result for low concentration organic compounds. To overcome this issue, the animal sample was extracted by accelerated solvent extraction (ASE) with methylene chloride/acetone (V:V=1:1), which reduced the co-extraction lipids during the extraction process. Gel Permeation Chromatography (GPC) combined with solid phase extraction (SPE) was applied to remove lipids from the sample solution. The GPC can remove most of the macromolecular lipids in samples, and the SPE with florisil can sufficiently reduce fat and small molecule impurity. The accuracy and sensitivity of the method can be improved by this pretreatment process. The compounds, including 17 organochlorinated pesticides and 7 indicator polychlorinated biphenyls in animal tissue, can be simultaneously analysed by Gas Chromatography Mass Spectrometry. The recoveries of 25 of the target compounds were in the range of 81.6%-113.4% and the method detection limits for dry samples were 1.02-3.59 ng/g. These results were superior to those of the national standard. This method improved the purification effect of animal samples, reduced the method detection limit, and enhanced the accuracy. It can be used to quickly and accurately determine the low content of persistent organic pollutants in animals.
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金矿尾矿是环境中砷污染的重要来源，尾矿中砷易随着雨水流失，从而严重污染土壤和地表水[1]，对周围环境造成很大的影响。我国是一个低品位、难处理黄金矿产资源分布较为广泛的国家，难处理金矿约占黄金探明总储量的25%[2]。而这些难处理金矿中砷的含量较高，特别是我国中西部地区生产的难浸金精矿中砷含量高达10%以上[3]。传统的浸金方法多为浮选法和浮选-氰化法，但是对于难处理金矿而言这两种方法的黄金产量并不高，为了提高其产量主要使用的浸金方法为氧化焙烧法、加压氧化法、化学氧化法和生物氧化法[4, 5, 6, 7]。由于浸提方法的不同, 尾矿的pH、Eh和主要成分等都会有所不同，其中的砷元素存在形态也具有很大差异，这种差异造成了砷环境行为的不同。
砷的生物毒性与生物可利用性在很大程度上取决于As的化学形态[8]。一般来讲，As(Ⅲ)比As(Ⅴ)的毒性更强[9]。研究发现，灌溉水中As的形态主要是无机As(Ⅴ)[10]，而还原态As(Ⅲ)则在土壤溶液中占优势[11]。研究表明，土壤的pH和As的形态对修复剂与其发生吸附行为具有很大的影响[12]。当土壤溶液pH为4~8时，As(Ⅴ)主要形态为H2AsO4-和HAsO42-，可以被黏土矿物稳定的吸附。而As(Ⅲ)在中性pH条件下主要以不带电荷的H3AsO30形态存在，具有较高的迁移性而不易被黏土矿物吸附[13]；但是在高pH条件下As(Ⅲ)则与黏土矿物的结合更为稳定[14, 15]。因此，确认砷的存在形态是修复砷污染场地的首要任务和重要内容。本文以中国北方某金矿浮选尾矿和生物氧化尾矿为例，应用X射线衍射、X射线荧光光谱和电子探针等表征手段相结合的方法，讨论了不同尾矿之间的差异及其中砷存在形态的差异。研究成果可以为今后的环境修复工作提供重要的信息和依据。
1. 样品和实验方法
1.1 样品采集
尾矿样品来源于中国北方某金矿，其中金矿1(N1) 浸金方法为浮选法；金矿2(N2) 为生物氧化浸金法。用铁锹分别采集不同堆置时间的两种尾矿封存于聚乙烯样品袋内，样品记录见表 1。将尾矿置于通风阴凉处风干，研磨过74 μm(200目)筛子，备用。
表 1 尾矿样品记录Table 1. Record of mine tailing samples浸金
方法样品
编号样品特征 堆置时间 采集方法 含水率(%) 颜色 浮选法 N1-1 新鲜尾矿 仪器上取得 22.47 灰白色 N1-2 堆置时间较短 尾矿堆采集 18.42 灰白色 N1-3 堆置时间较长 尾矿堆采集 17.13 灰白色 生物
氧化法N2-1 新鲜尾矿 尾矿堆采集 46.12 红褐色 N2-2 堆置时间较短 尾矿堆采集 40.09 红褐色 N2-3 堆置时间较长 尾矿堆采集 43.54 红褐色 注：含水率由烘干法测得(105℃，24 h)。 1.2 实验方法
样品的pH：采用pH计测量(水土比为2.5:1)[16]。
样品的氧化还原电位(Eh)：在采集现场采用FJA-6型氧化还原电位(ORP)去极化法全自动测定仪测量。
样品的零电荷点(pHPZC)测量：采用盐滴定法(ST)测量[17]。
样品的主矿物相分析：采用D/max 2500 X射线衍射分析仪(XRD，日本理学电机公司)测量。
样品的元素含量分析：采用AXIOS波长色散型X射线荧光光谱分析仪(XRF，荷兰PANalytical公司)测量。测量条件为：X射线管选用铜靶，管压为40 kV，管流100 mA，扫描范围：2.6°~45°，扫描速度为6°/min。
样品中砷的分析：砷形态分析采用JXA-8230超级电子探针显微分析仪(EPMA，日本JEOL电子公司)测定[18]。砷全量分析采用稀释的王水消解后，用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-AES，美国Thermo公司)测定砷的含量[19]。
2. 结果与讨论
2.1 尾矿的物理特征分析
表 2列出了样品的pH、Eh和pHPZC值。从表 2可以看出，所有样品的氧化还原电位(Eh)在250~350 mV之间，浮选法尾矿堆置时间较短的样品Eh最高(330.6 mV)；而生物氧化法新鲜尾矿样品的Eh最高(322.3 mV)，并且此类尾矿的Eh随着堆置时间的增加而降低。两种尾矿样品的pH在8~9.5之间，都属于碱性环境。浮选法尾矿中堆置时间较短的样品pH最大(8.50)，而生物氧化尾矿则是堆置时间较长的样品pH最大(9.08)。由此可见，两种尾矿都属于碱性环境，因此只能在酸性条件下进行的电动修复法和对环境、生态条件比较挑剔的植物修复法并不适合修复这两种尾矿中的砷污染物，而化学稳定化修复法和土壤淋洗修复法较为合理[20]。
表 2 尾矿样品Eh、pH、pHpzc和砷总量Table 2. Record of Eh, pH, pHpzc and total arsenic content of mine tailing samples浸金
方法样品
编号Eh(mV) pH pHPZC 表面
电荷性质As总量
(μg/g)浮选法 N1-1 321.4 8.42 8.6 + 940 N1-2 330.6 8.50 8.2 - 616 N1-3 264.9 8.49 8.7 + 706 生物氧化法 N2-1 322.3 8.23 9.3 + 27010 N2-2 314.1 8.37 8.0 - 26810 N2-3 279.0 9.08 8.2 - 25230 零电荷点(point of zero charge，PZC)是在一定条件下，当颗粒表面电荷密度为零时介质的pH值。当尾矿介质的pH < pHPZC时，尾矿可变电荷表面带净正电荷；当尾矿介质的pH>pHPZC时，尾矿可变电荷表面带净负电荷；当尾矿介质的pH=pHPZC时，可变电荷表面带的净电荷为0[17]。从表 2可以看出，所有样品的pHPZC和pH值比较接近，所以尾矿表面所带电荷性质会因环境的变化而变化。砷在矿物表面的吸附、解吸作用会受pH的影响[21]。因此，原位修复砷污染场地土壤的pH值和零电荷点的大小对修复试剂的选择具有很大的限制，例如Fe的氧化物(氢氧化物)在酸性或碱性场地中都可以吸附As，而Al、Mn的氧化物(氢氧化物)和黏土矿物等只有在酸性条件下对As才有较好的吸附效果[21, 22, 23, 24, 25, 26]。
2.2 尾矿的总砷含量
用稀释的王水消解尾矿，ICP-AES测试其中砷的含量[19]。从表 2可以看出，生物氧化尾矿(N2) 的砷含量远远超过浮选尾矿(N1) 的砷含量约35倍左右，造成这种含量的差异可能就是选金工艺不同造成的。
浮选法是对原矿石的初步浮选，应用不同矿物自身物理化学性质的差异来进行选矿。这种选矿工艺不能破坏矿物晶格，只能选出大颗粒的金，尾矿中一些含砷矿物并不能被破坏，因此尾矿中游离出来的砷含量相对较少。而生物氧化法是利用微生物将金精矿中含金的矿物从结构上进行破坏，从而使金和其他重金属释放出来以提高选金品位。相对于原矿石来说，金精矿中的金和其他重金属的含量本来就扩大了多倍，因此生物氧化法尾矿中检测出来的As含量相对于浮选法尾矿而言也增加了高达几十倍。
2.3 尾矿的矿物物相分析
使用X射线衍射技术检测尾矿中主要的矿物物相及其含量。通过对衍射图谱进行解析标定，尾矿样品可能包含的矿物成分及含量结果见图 1。从图 1可以看出，浮选尾矿中，矿物种类主要为石英、白云石和黏土矿物，三者总和约占矿物总量的80%以上；而生物氧化尾矿中的石膏是矿物主要成分，约占矿物总量的90%以上。受到X射线衍射技术本身的限制，两种尾矿都没有检测到含As的矿物，所以As有可能是以非晶质的形态存在于尾矿当中。
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图 1 尾矿样品X射线衍射分析主要矿物相对比图Figure 1. Comparison of main mineral phases in mine tailing samples by XRD analysis2.4 尾矿的主要化学成分分析
运用X射线荧光光谱检测尾矿的主要化学成分及其含量，分析结果见图 2，以进一步验证X射线衍射分析结果，综合讨论尾矿的主要组成。从图 2可以看出，浮选尾矿中，主要成分为Si、Al和少量的Mg、Ca和Fe；而生物氧化尾矿中Fe、Ca和S为主要成分，Si和Al只占小部分。
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图 2 尾矿样品X射线荧光光谱分析主要成分对比图Figure 2. Comparison of main ingredients in mine tailing samples by XRF analysis两种尾矿主矿物相和主要成分差异的主要原因可能是由于浸提方法的不同而造成的。在生物氧化浸金过程中(微生物为氧化亚铁硫杆菌、氧化硫硫杆菌等)，反应环境为高温(30~40℃)、低pH(1.8~2)[3]，所以在浸金结束后要向尾矿中投入大量的生石灰来调节pH，再将其堆置在尾矿库内以防止对环境造成更大的污染，因此在生物氧化尾矿样品内主要成分为Ca和S，通过XRD分析结果也显示了对应的矿物相为石膏。而浮选法主要是通过对原矿石的磨碎、浮选、脱水等工艺进行浸金提取，并没有外加大量的生石灰，所以浮选尾矿并没有存在大量的石膏或Ca和S成分。不论是浮选法尾矿还是生物氧化法尾矿，不同堆置时间的尾矿样品主矿物相和主要成分基本一致，只是含量上稍有改变，说明尾矿的堆置时间并不影响砷和其他矿物种类的形态，只是伴随着风化作用、雨水浸泡等会对它们的含量有所影响。
许多学者的研究表明，尾矿中砷有多种形态，如毒砂、含砷黄铁矿、砷酸盐及砷与铁形成的氧化物或氢氧化物等[11]。XRD和XRF分析中所有尾矿样品中并没有检测到砷，这可能是由于砷的含量低于检测方法测定砷的检出限[27]。本文研究XRF结果显示，浮选尾矿检测到少量的Fe，而生物氧化尾矿中检测到大量的Fe；但XRD分析结果中只有样品N1-1检测到少量的黄铁矿，其余样品都没有检测到黄铁矿或结晶态铁的氧化物或氢氧化物。外国学者在应用XRD分析金矿尾矿样品时也有类似的发现，这可能是由于尾矿中铁的氧化物或氢氧化物主要以非晶质的形态存在或者是因为结晶态铁的氧化物或氢氧化物被黏土矿物(如:石膏等)包裹了起来[16]。
XRD分析尾矿中的矿物物相，而XRF分析尾矿中主要成分和含量，两种手段的表征结果比较一致。两种尾矿的矿物物相和主要成分有很大的差异，主要就是由于浸提方法的不同而造成的，这种差异也会对尾矿中As的存在形态造成影响。
2.5 尾矿的砷形态分析
XRD和XRF确定了尾矿的矿物物相和主要成分，但是这两种表征手段并没有检测到砷或含砷矿物。为了确定尾矿中砷的存在形态，本文对可能存在砷矿物的区域进行电子探针分析(EPMA)[18]。EPMA分析主要进行的是点扫描，每个点进行元素定量分析，通过原子配比计算得出每个点的矿物形态，结果见表 3。尾矿中砷有多种形态，如毒砂、含砷黄铁矿等[11]。通过点扫描和计算分析得出，浮选法尾矿中As的主要存在形态为与黄铁矿(FeS2)伴生的毒砂(FeAsS)，并没有检测到As2O5，但检测到了两种其他形式的砷矿物(Fe4AsS8、Fe6AsS11)；而生物氧化法新鲜尾矿(N2-1) 没有检测到As的矿物，短时间放置的尾矿(N2-2) 中只存在毒砂一种形态，较长时间放置的尾矿(N2-3) 中的砷以As2O5形式存在，没有检测到其他形式的砷矿物。
表 3 尾矿样品电子探针分析结果Table 3. EPMA analysis results of mine tailing samples浸金方法 样品编号 FeS2 FeAsS As2O5 其他形式 浮选法 N1-1 - √ - Fe4AsS8 N1-2 √ √ - - N1-3 √ √ - Fe6AsS11 生物氧化法 N2-1 - - - - N2-2 √ √ - - N2-3 √ - √ - EPMA结果表明浮选法尾矿(样品N1) 中的As主要以毒砂形式存在。由于在难处理金矿中，通常是以极分散的显微金和次显微金的形态嵌布在黄铁矿(FeS2)和毒砂(FeAsS)的晶格中，这两种硫化物属于极难分解的顽固矿物[27, 28]。而对于浮选浸金法来说，很难破坏这两种硫化物的晶格，因此经过浮选法处理的尾矿中As还是以毒砂为主要存在形态。而生物氧化浸金法，主要是利用微生物将金属硫化物氧化分解，并以可溶性硫酸盐的形式进入液相，将砷氧化成五价砷[3]，所以理想的生物氧化法尾矿不含或含有极少的毒砂或黄铁矿。但是由于实际生产条件的限制，浸矿微生物并不能完全分解硫化物，只是部分地分解了硫化物，因此造成了生物氧化尾矿中As存在形态的多样性(毒砂和As2O5)。
EPMA定量结果显示，浮选法尾矿中的As主要以毒砂形式存在；而生物氧化法尾矿中的As以毒砂和五氧化二砷两种形式存在。两种浸金工艺每一道工序的不同，都会造成两种尾矿在矿物相、主要成分和其中砷存在形态上的差异。
3. 结语
浮选法尾矿和生物氧化法尾矿的Eh、pH和零电荷点都大致相同。X射线衍射分析和X射线荧光光谱分析确定了两种尾矿的主要矿物相和主要成分，但是这两种表征手段并没检测到砷或含砷矿物，因此为了确定尾矿中砷的存在形态，进一步进行了电子探针分析。定量分析结果显示，浮选法尾矿中的As主要以毒砂形式存在；生物氧化法尾矿中的As则以毒砂和五氧化二砷(As2O5)两种形式存在。因此，浸提工艺中每一道工序的不同都会对两种尾矿造成影响。
浮选浸金法并不能完全破坏黄铁矿(FeS2)和毒砂(FeAsS)两种硫化物，因此浮选尾矿的As主要存在形式仍为毒砂；而生物氧化浸金法可以分解大部分的两种硫化物，其分解部分以可溶性硫酸盐的形式进入到液相中，因而对于堆置时间较短的生物氧化尾矿中只可以检测到少量毒砂，随着堆置时间的推移，其尾矿中残存液相中的As重新以As2O5形式结晶析出，因而堆置时间较长的生物氧化法尾矿中的As主要为As2O5。其结晶析出时间尺度的界定需要进一步的研究进行确认。
由于浸金方法的多样性以及砷的毒性与它的存在形态有很大关系，所以确认不同浸金方法尾矿中As的存在形态对于后期尾矿原位修复工作来说具有重大的意义。然而每种分析手段都有其局限性，如X射线衍射只可以分析结晶态矿物，所以为了得到全面而准确的结果还需要综合利用不同的表征手段来进行分析。
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图 1 ASE不同提取温度时各化合物的提取回收率
Figure 1. The recoveries of extraction for 25 compounds by ASE at different temperatures
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图 2 鱼肉、牛肉、鸡肉、猪肉的GPC紫外色谱图
Figure 2. The chromatograms of UV by GPC for fish, beef, chicken, pork
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图 3 牛肉样品采用GPC及GPC结合SPE净化后的全扫描色谱图
Figure 3. The full scan chromatograms of beef by clean-up method with GPC or GPC combined with SPE
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图 4 28种化合物GC-SIS-MS的TIC色谱图
Figure 4. The total ions chromatogram for 28 compounds by GC-SIS-MS
表 1 采用不同净化方法时样品提取液的脂肪含量
Table 1 The lipids content of the sample extracted by different clean-up methods
样品 脂肪含量(g) 脂肪含量 SEP 净化后的
脂肪含量GPC净化后的
脂肪含量GPC 结合SEP净化后的
脂肪含量猪肉 0.4048 0.3465 0.0032 0.0007 牛肉 0.4072 0.3759 0.0038 0.0006 鸡肉 0.1015 0.0801 0.0034 0.0007 鱼肉 0.2263 0.1903 0.0023 0.0006 
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表 2 25种化合物的GC-SIS-MS分析定性、定量离子及标准曲线相关系数
Table 2 The quantitative ions and qualitative ions of GC-SIS-MS and correlation coefficient of standard work curve for 25 compounds
化合物 时间窗口
(min)定量离子
(m/z)定性离子
(m/z)相关系数
(r2)α-HCH 10.00~10.51 217+219 183,217,219 0.999 六氯苯 284 284,286,288 0.998 β-HCH 10.51~11.41 217+219 183,217,219 0.998 γ-HCH 217+219 183,217,219 0.998 PCB 15 222 152,222,224 0.999 δ-HCH 217+219 183,217,219 0.994 PCB 28 11.41~12.08 256 186,256,258 0.997 七氯 272 235,237,272 0.999 PCB 52 12.08~12.43 292 220.222,292,294 0.998 艾氏剂 12.43~12.85 263 261,263,265，291,293, 0.999 环氧七氯 12.85~13.82 353 353,355,357 0.999 反式-氯丹 13.82~14.86 375 373,375,377 0.997 PCB 101 326 254,256,326,328 1.000 顺式-氯丹 13.82~14.86 375 373,375,377 0.999 p,p'-DDE 14.86~15.81 246 246,248316,318 0.999 狄氏剂 263 235,237, 263,265 0.997 异狄氏剂 15.81~17.21 263 245,261,263,265 0.997 PCB 118 326 254,256,326, 328 0.999 p,p'-DDD 237 165,235,237 0.999 o,p'-DDT 237 165,235,237 0.996 PCB 153 17.21~20.15 360 290,292,360，362 0.999 p,p'-DDT 237 165,235,237 0.999 PCB 138 360 290,292,360，362 1.000 PCB 180 20.15~22.71 396 359,361,394,396 0.998 灭蚁灵 22.71~23.98 272 235,237,272,274 0.999 替代物 时间窗口
(min)定量离子
(m/z)定性离子
(m/z)相关系数
(r2)TCMX
(2,4,5,6-
四氯间二甲苯)9.00~10.00 242 207,209,242,244 - PCB 103 12.85~13.82 326 254,256,326,328 - PCB 204 20.15~22.71 358 358,360,428,432 -
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表 3 精密度、准确度及方法检出限
Table 3 The precision, accuracy and detection limits of the method
化合物 低添加浓度水平(n=7) 高添加浓度水平(n=7) 检出限
(ng/g)平均回收率
(%)RSD
(%)平均回收率
(%)RSD
(%)α-HCH 84.3 11.9 86.1 8.0 3.48 六氯苯 98.1 10.2 83.9 7.1 3.46 β-HCH 102.0 4.3 98.1 11.1 1.52 γ-HCH 85.7 6.8 88.1 10.0 2.01 PCB 15 93.7 6.5 98.6 7.6 1.06 δ-HCH 90.1 11.0 90.9 9.8 3.40 PCB 28 105.1 12.0 93.6 6.8 2.18 七氯 95.5 7.6 88.8 8.4 2.51 PCB 52 101.5 9.4 89.5 7.4 1.66 艾氏剂 99.3 7.1 81.6 3.2 2.45 环氧七氯 108.5 9.0 91.3 7.0 3.39 反式-氯丹 113.4 4.7 91.5 9.5 1.84 PCB 101 106.6 9.9 95.9 7.1 1.84 顺式-氯丹 106.8 5.8 91.6 6.7 2.14 p,p'-DDE 95.7 7.6 96.0 10.9 2.53 狄氏剂 92.5 4.5 96.9 9.8 3.59 异狄氏剂 106.3 3.0 88.2 5.8 2.24 PCB 118 98.5 6.0 101.8 7.1 1.02 p,p'-DDD 90.4 9.5 95.3 12.1 2.98 o,p'-DDT 100.0 9.6 92.9 4.5 3.35 PCB 153 101.7 6.4 94.3 7.5 1.13 p,p'-DDT 95.6 6.2 96.8 9.3 2.04 PCB 138 92.6 10.5 96.5 9.7 1.68 PCB 180 93.2 7.2 96.9 11.8 1.16 灭蚁灵 100.4 3.7 91.3 9.7 1.29 替代物 平均回收率
(%)RSD
(%)平均回收率
(%)RSD
(%)- TCMX 74.3 4.1 73.3 4.2 - PCB 103 103.3 4.2 86.9 7.2 - PCB 204 104.9 5.7 94.0 5.8 -
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表 4 实际样品检测结果
Table 4 Analysis results of actual samples
化合物 含量(ng/g) 鲤鱼 虾 牛肉 猪肉 六氯苯 5.00 1.26 - - p,p'-DDE 15.36 2.97 4.76 3.57 p,p'-DDD 6.31 - - - o,p'-DDT 4.37 - - - p,p'-DDT 5.61 - - - 替代物 回收率(%) 2,4,5,6-四氯间二甲苯 80.3 83.2 73.0 79.9 PCB 103 93.0 95.7 107.1 97.9 PCB 204 105.9 100.4 107.9 99.5
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