土壤中含氧、含硫極性化合物預處理方法研究

含氧、含硫極性化合物主要包括含氧、含硫雜環芳烴和含氧、含硫非烴類化合物,它們在土壤中分布廣泛,成因復雜,其中有些毒性化合物性質穩定,進入土壤后可能導致土壤長期污染,存在不同程度的環境危害與生態風險,同時一些含氧、含硫極性化合物還可作為環境介質中的污染源示蹤物[1]。目前土壤中含氧、含硫極性化合物污染問題并未得到足夠重視,其中部分原因是該類化合物極性較大,成分復雜,不易分離和鑒定。國外通常采用溶劑混合物或者超臨界狀態的二氧化碳進行抽提,進而將抽提物用薄色譜法 (TLC)等儀器自動分離成為不同極性的組分[2]。國內對該類化合物的研究多為針對礦物有機質樣品、大氣顆粒物樣品或土壤中某1類或幾類含氧、含硫極性化合物,因此對預處理的要求也相對較低[3],采用的預處理方法有柱色譜分離[4]、超聲提取[5]等。為此,筆者主要探討更加有效的土壤中極性有機化合物的預處理方法,為系統深入地開展土壤中極性有機化合物的研究,并利用有機示蹤技術進行污染源解析奠定基礎。

1 試驗部分

1.1 儀器與試劑

1)儀器 氣相色譜儀、微量進樣器、色譜-質譜儀 (GC-MS)。

2)主要藥品 正己烷、二氯甲烷、丙酮、甲醇和甲酸等有機溶劑均用分析純,經2次蒸餾,并經氣相色譜儀檢驗合格后使用。80～100目 (0.177～0.147mm)層析硅膠和 100～200目 (0.147～0.074mm)中性層析氧化鋁;衍生化試劑:N,O-雙-(三甲基硅烷基)-三氟乙 (BSTFA)和1%三甲基氯硅烷 (TMCS)的混合溶液(USA美國New Jersey);內標物:角鯊烷 (99%,德國Augsburg);回收率指示劑:氘代二苯并噻吩 (99.5%,德國Augsburg)、二十二烯酸甲酯 (99%,美國AccuStand Inc)、5β膽甾烷酸 (99%,德國SIGMA-ALDRISH Inc)。

1.2 樣品采集

在北京地區選取了4個表層土壤樣品 (表層至30cm深度范圍),采用梅花式布點法,即每個樣品在約100m×100m的地塊中心和4角共采集5份子樣,5份子樣等量均勻混合成為1個土壤樣品。采集的所有土壤子樣品在室內風干后磨碎,過80目 (0.177mm)篩子,5個子樣等量均勻混合成為一個土壤樣品,進行隨后的預處理及分析。

1.3 衍生化

土壤樣品的非烴組分定量之后轉入小樣品瓶后加入定量內標物角鯊烷,再加入一定量硅烷化試劑(BSTFA+1%TMCS),蓋密,于70℃下反應1h,自然冷卻后用色譜-質譜儀 (GC-MS)進行分析。

1.4 定性和定量分析

含氧、含硫雜環芳烴化合物和非烴化合物采用內標法進行定量分析,部分化合物采用內外標相結合方法進行定量分析。通過標準物質回歸直線圖,X軸為標準物質峰面積和角鯊烷峰面積比,Y軸為標準物質濃度和角鯊烷質量比,計算回收率指示劑和標準物質的回歸系數R的分布范圍為0.9039～0.9981,平均值為0.9881。濃度比與峰面積比之間線形關系的斜率即所得的不同標準物質回歸系數,用該回歸系數可更精確地定量分析化合物。

2 結果和討論

2.1 抽提溶劑的選取

采用索氏抽提方法對土壤樣品中的有機物進行提取[5]。在索氏抽提過程中,最重要的影響因子之一是抽提溶劑的選擇,由于研究對象不同,所采用的抽提溶劑也有所不同。根據該研究的特點和要求,選擇3種混合試劑對比其抽提效率,分別是二氯甲烷-丙酮 (體積比為1∶1)、二氯甲烷-甲醇 (體積比為7∶1)、二氯甲烷-甲醇 (體積比為3∶1),用昌平化莊地區農田采集的土壤樣品進行對比分析。

把混合均勻的樣品各取260g,用經抽提的濾紙包裹后,在索氏抽提器上抽提48h。溶劑分別采用上述3種比例抽提溶劑。將經正己烷稀釋的濃縮液經3次超聲波萃取后,放置2～4h,用塞有棉花的漏斗過濾瀝青質,然后用層析柱過濾飽和烴、芳烴、非烴3組分。3種不同試劑有機物抽提效率比較如表1所示。從表1可以看出,二氯甲烷-甲醇混合液的萃取效率明顯高于二氯甲烷-丙酮混合液,而二氯甲烷-甲醇 (體積比為3∶1)的抽提效率略高于二氯甲烷-甲醇 (體積比為7∶1)。甲醇作為抽提溶劑可以增加芳烴、非烴以及瀝青質的抽提效率,尤其是對瀝青質的抽提效率明顯增加。綜合考慮抽提效率、安全因素、易于操作等因素,采用二氯甲烷-甲醇 (體積比為7∶1)作為抽提溶劑比較合適。

表1 3種不同試劑有機物抽提效率比較

2.2 有機抽提物的分離

采用微型柱色譜法進行有機物族組分分離,依次分離飽和烴和芳烴組分,在淋濾非烴組分后再加入1ml甲酸,待液面接近層析柱后加入3ml二氯甲烷-甲醇 (體積比為9∶1)淋洗出部分酸性非烴化合物。試驗表明,甲酸淋濾可以明顯增加酸性非烴化合物的回收量,如非烴回收率指示劑5β-膽甾烷酸在未加入甲酸的情況下基本檢測不到 (見圖1)。

2.3 回收率控制

一般選用樣品中沒有的化合物如氘代化合物作為內標物和回收率指示劑,據文獻 [6],采用角鯊烷作為芳烴組分和非烴組分的內標物,選擇氘代二苯并噻吩作為芳烴組分回收率指示劑,5β-膽甾烷酸作為非烴酸性化合物回收率指示劑,二十二烯酸甲酯作為非烴中性化合物回收率指示劑。用濾紙包裹的土壤樣品在經索氏抽提之前,使用微量進樣器精確抽取芳烴類化合物回收率指示劑400μl(氘代二苯并噻吩 (10ng/μL))、非烴類化合物回收率指示劑100μl(5β-膽甾烷酸 (0.232ng/μL)和二十二烯酸甲酯(0.16ng/μL)的混合溶液)。含氧、含硫極性化合物回收率如表2所示,從表2可以看出,氘代二苯并噻吩回收率平均值0.84,二十二烯酸甲酯回收率平均值0.78,5β-膽甾烷酸回收率平均值0.56。由此說明芳烴化合物和中性非烴類化合物都具有較好的回收率,而非烴酸性化合物的回收率較差。

圖1 同一樣品加入甲酸后酸性化合物回收量對比

表2 含氧、含硫極性化合物回收率

3 結 論

1)通過對比不同溶劑的抽提效率發現,甲醇作為抽提溶劑可以提高芳烴、非烴以及瀝青質的抽提效率,采用二氯甲烷-甲醇 (體積比為7∶1)作為抽提溶劑可以保證芳烴組分和非烴組分的回收效率。

2)增加甲酸淋濾可以明顯增加酸性非烴化合物的回收量。

3)芳烴化合物和中性非烴類化合物都具有較好的回收率,而非烴酸性化合物的回收率較差。

4)利用層析柱進行族組分分離作為土壤樣品有機物的預處理方法,具有較好的回收率,既不影響飽和烴組分和芳烴組分的檢測,同時能對土壤中含氧、含硫極性化合物進行定性和定量分析。

[1]Simoneit B R T.Biomass burning-a review of organic tracers for smoke from incomplete combustion[J].Applied Geochemistry,2002,17(3):129-162.

[2]Simoneit Bernd R T.Biomassburning-a review of organic tracers for smoke from incomplete combustion[J].Applied Geochemistry,2002,17(3):129-162.

[3]何凌燕,胡敏,黃曉鋒,等.北京市大氣氣溶膠PM25中極性有機化合物的測定 [J].環境科學,2004,25(5):15-20.

[4]樊改仙,徐元源,李瑩,等.柱色譜分離、氣相色譜-質譜法定性分析F-T合成油中的含氧化合物[J].色譜,2007,25(6):893-897.

[5]何凌燕,胡敏,黃曉鋒,等.北京大氣氣溶膠PM2.5中的有機示蹤化合物[J].環境科學學報,2005,25(1):23-29.

[6]王培榮.非烴地球化學和應用 [M].北京:石油工業出版社,2002.