污染土壤樣品中提取多環芳烴優化方法

魏婕，侯曉晶

（西安西北有色地質研究院有限公司，陜西 西安 710000）

多環芳烴（PAHs），又稱聚烯烴，是一種廣泛分布的環境污染物。煤、石油、汽油和木材的不完全燃燒或石化工業的過程易產生PAHs。由于它們的持久性、疏水性、生物累積性以及幾種單獨的聚芳烴的致癌特性使其具有危害性。由于多環芳烴普遍存在于土壤和沉積物中，因此，多環芳烴在分析化學中的較受關注。

除取樣和樣品儲存外，樣品制備是分析周期中一個容易出錯且耗時的步驟,尤其應該特別注意樣品準確選擇、優化提取技術和凈化程序三個方面。近年來，從固體基質（如土壤和沉積物）中提取多環芳烴的經典索氏提取法已被更快、更少的溶劑消耗、自動化程度更高的技術所取代，這些技術包括一個或多個提取周期。如超聲萃取、超臨界流體萃取、加壓液相萃取（PLE）、微波輔助萃取（MAE）、固液流態化萃取。其中固液流態化萃取提供了一種相對簡單且經濟有效的替代方法，在提取多氯化合物方面顯示出良好的效果，并且其對氯化殺菌劑的提取效率與PLE 和MAE 等其他強化提取方法相當。本研究的目的是通過分析美國環境保護署（EPA）列出的土壤和沉積物中16 種多環芳烴,與傳統的索氏提取法相比，來研究流化床提取（FBE）的性能。由于流化床萃取技術的新穎性，目前缺乏對影響因素和統計方法的系統研究，本文選擇了一種新的實驗設計方案對固體萃取工藝進行了優化，開展了萃取溶劑（正己 烷-丙酮和環己烷-丙酮的混合物）的組成、萃取循環次數和加熱相的停留時間對萃取效率的影響研究。

在單離子監測模式（SIM）下采用氣相色譜（GC）、質譜（MS）對單個分析物進行選擇性測定，特別注意最終分析前的凈化過程。含有多環芳烴的土壤提取物的典型凈化程序是通過在florisil、二氧化硅、氧化鋁或二氧化硅和氧化鋁的組合上的開放柱液相色譜法進行的。在這項研究中，進行了固相萃取活化硅膠結合準備氰基相和無水鈉硫酸鹽凈化回收率實驗驗證了該方法的有效性。此外，還對含有多環芳烴的標準物質進行了分析，以驗證該方法以及優化的清潔和測量程序。

1 實驗方法及材料

1.1 實驗樣品及處理

優化實驗是在一個工業廢料場污染土壤進行的。土壤樣品在室溫下風干3 天，研磨并篩分至粒徑小于0.63 μm。將制備好的土壤裝入琥珀色玻璃瓶中，并儲存在干燥、黑暗的環境中。

萃取套管吸附150 mL 正己烷-丙酮（體積比4∶1），萃取時間24 h，并在干燥前風干，使用水將2.5 g 的污染土壤轉移到預提取的提取套管中。用玻璃棉覆蓋樣品（在300 ℃下預處理72 h），并將其插入100 mL 索氏抽提器中。用150 mL 正己烷-丙酮（體積比4∶1）的溶劑混合物進行萃取，萃取時間24 h，該實驗總共進行了200 多個萃取循環。此外設置平行萃取空套管，以提供有效空白值數據。提取后，通過旋轉蒸發器將提取物濃縮，最后將粗提物轉移至10 mL 容量瓶中，并用正己烷填充至刻度。

土壤萃取物與共萃物（如生物大分子、脂類和色素）的復雜組成要求在進行氣相色譜分析之前進行有效的樣品凈化，為此選擇了在開放柱吸附色譜柱上進行分餾的方法。二氧化硅凝膠（粒徑0.063～0.200 mm）在使用前，首先在105 ℃溫度下活化至少72 h，并在該溫度下儲存，以提供恒定的活性。空的6 mL 玻璃提取筒（內徑8 mm）底部裝有聚乙烯玻璃料，并在覆蓋有聚乙烯玻璃料的0.5 g硅膠中稱重，利用0.5 g Bondesil 材料和1 g NaSO4稱重制備。固體床用20 mL 正己烷-二氯甲烷6∶1（vh）預處理，然后用20 mL 正己烷預處理，并用一束n（2 巴）壓縮。最后，向預處理的吸附柱頂部添加1 mL 含有內標物的生提取物。將樣品體積滲透到柱床后，收集在50 mL 梨形容器中，剩余的固體床用氮氣吹干，含有分析物的洗脫液通過旋轉蒸發器濃縮到適當的體積。最后一滴用氮氣氣流吹干，加入500 μL 的苯中，轉移到自動進樣瓶中進行進一步的氣相色譜分析。

1.2 實驗方法

使用配備有HP7683 自動進樣器的Hewlett-Packard HP6890 氣相色譜儀進行分析，并將少量進樣注入到分體式lessinjector 中（Hewlett-Packard，Waldbronn，德國）。注射器配有一個單錐形玻璃嵌件，內裝少量農藥級玻璃棉（Supelco，Bellefonte，USA），并在280 ℃下恒溫。使用的毛細管柱為HP-5MS，內徑30 m×250 um，膜厚0.25 um。載氣為氦氣（奧地利格拉茨液化空氣公司，5.0），流速為1.1 mL·min-1。氣相色譜烘箱的初始溫度為60 ℃，保溫2.50 min，然后升溫至280 ℃，在280 ℃下保溫8 min，總運行時間為29 min。氣相色譜儀與HP5973 質量選擇檢測器耦合在電子碰撞、單離子監測模式（SIM）下運行，使用13 個時間窗口，界面溫度保持在280 ℃。

使用G1034C Hewlett-Packard MS ChemStation的自動調諧設備，每天使用全氟三乙胺（PFTBA）對儀器進行調諧。

2 實驗結果及分析

2.1 凈化和氣相色譜-質譜法

通過索氏萃取和FBE 分別獲得有機溶劑提取物，由于含有共萃取非目標基質成分而呈淡黃色至淺棕色。在硅膠/氰基相材料上經吸附層析純化后，提取物澄清無色。為了檢驗凈化程序的性能，用標準溶液進行了回收實驗。

實驗結果表明回收率均大于80%，精密度優于5%。一方面，這種精確和選擇性的凈化方法可以凈化提取物，另一方面，在GC-MS 測量中，檢測和定量的限度較低。在優化實驗中，樣品負載量固定在2.5 g 土壤和3 g 硅藻土，提取溶劑體積保持在60 mL恒定。6 個實驗采用4 種二元溶劑混合物（環己烷-丙酮90∶10 和30∶70；正己烷-丙酮90∶10 和40∶60）進行，純環己烷和n-己烷，最大值選擇每種化合物相對于索氏提取所獲得值的回收率百分比作為優化程。Optima 通過繪制每種分析物和每種萃取溶劑的主效應圖，得到萃取周期和保留時間的平均值。所有六個實驗設計的主效應圖的典型例子如圖1、圖2所示。

圖1 環己烷萃取溶劑圖

圖2 正己烷萃取溶劑圖

為了確定萃取溶劑的最佳選擇，根據實驗數據完成了兩個表面響應設計（用戶指定），一個用于正己烷-丙酮混合溶劑的實驗裝置，一個用于環己烷-丙酮混合溶劑的實驗裝置。結果表明，其他化合物的主效應圖均相似，但不完全相同。通過實驗數據可以清楚地看出，萃取溶劑的影響主要是對萃取周期和靜態萃取時間的影響。然而，正己烷或環己烷的體積百分比、萃取循環次數以及靜態萃取時間這3 個變量都對萃取有顯著影響。3 個參數都達到了最大值，萃取溶劑的最大值非常明顯。從兩組溶劑的混合物來看，環己烷的設置似乎更好。因此，在正己烷-丙酮萃取溶劑混合物中，將11 個萃取循環（保持時間為5 min）與65%（體積分數）正己烷混合物混合，可提供最佳條件，以及7 個萃取循環（保溫時間為6 min）和60%（體積分數）環己烷-丙酮萃取溶劑混合物的組合。

2.2 標準物質中多環芳烴的萃取效率

為了驗證FBE 法從固體環境樣品中提取聚芳烴的性能，提取3 個2.5 g 標準物質樣品，即沉淀S10A，在上述兩個最佳條件下進行提取。為了進行比較，還根據DIN 38414-21，采用常規索氏技術平行提取了3 個2.5 g 樣品。獲得的數據表明，這兩個最佳條件下FBE 提取法與索氏提取法所得結果與文獻報道值吻合較好，僅苯并芘有輕微的高估。特別是以環己烷-丙酮6∶4（體積比）為萃取溶劑，7個萃取周期，靜態萃取時間6 min 的FBE 法，具有較高的精密度，效率優化為所有16 種聚芳烴的提取提供了最佳的儀器條件。

3 結束語

1）流化床萃取法是從土壤和沉積物中提取多酚類物質的一種有效提取方法。流化床萃取法產生的回收率和相對標準偏差均在可接受的范圍內，提供的結果與標準索氏提取法的結果相當。在高精度和高效率的情況下運行條件，比較索氏提取法，流化床萃取法提取過程大大減少了時間和溶劑消耗。運用標準DIN 索氏程序提取2.5 g 樣品量時，總共需要24 h 和150 mL 溶劑，而相比之下，優化的流化床萃取法1 h 內完成，且僅消耗60 mL 溶劑體積。通過對幾種二元溶劑的優化，以體積分數為60%的環己烷-丙酮混合液為萃取劑，7 次萃取循環，靜態萃取時間為6 min，效果最佳。

2）采用硅膠/氰基材料上的開放柱吸附色譜法對提取物進行選擇性和高效的凈化研究，結果表明，其與快速GC-MS 方法相結合，是測定受污染土壤樣品中多環芳烴的一種非常有用的方法。進一步考慮到操作的方便性、索氏條件的卡西接管和FBE 設備的低采購成本，使其成為其他強化萃取系統的一個有價值的替代品。因此，基于FBE 的萃取可能成為從固體樣品中提取非揮發性和半揮發性有機化合物的常用方法。