快速溶劑萃取-氣相色譜法測定土壤中石油烴（C10～C40）方法研究

岳永麗,付 寧

（甘肅省環境監測中心站，甘肅 蘭州 730020）

石油烴是環境中普遍存在的有機污染物之一,包括汽油、柴油、煤油、潤滑油、石蠟和瀝青等,由多種烴類（正烷烴、支鏈烷烴、環烷烴、芳烴）和少量其他有機物組成[1-3]。與石油烴污染水環境不同，石油烴污染土壤環境后修復治理難度更大，修復成本也更高，《土壤環境質量 建設用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 36600—2018）中針對石油烴污染物規定了相應的篩選值和管制值[4-8]。

目前，土壤中石油烴的測定方法主要有熒光光度法、紫外分光光度法、非分散紅外光度法、紅外分光光度法和氣相色譜法等[9-12]。其中熒光光度法和紫外分光光度法只能測定石油烴中的芳烴成分；非分散紅外光度法只能測定石油烴中的甲基和亞甲基，不能測定石油烴中芳烴成分[13]；紅外分光光度法測定石油烴的范圍廣，不受油品限制，但是測定過程仍有一定的局限性。一是不能反映出石油烴的組分信息，容易出現假陽性干擾測定結果；二是樣品前處理過程中用到的萃取溶劑只能選擇臭氧層破壞物質（ODS）或類ODS物質（四氯化碳、四氯乙烯等），ODS 已被聯合國環境規劃署列入加速淘汰計劃[14]。相比而言氣相色譜法可以采集到石油烴的指紋特征，選擇性好且測定結果精確度高[15]。王如剛等[16]利用氣相色譜法測定土壤中石油烴，以加標回收率為判斷依據，對比了超聲波提取、索氏提取及超聲波-索氏提取結合3種萃取方法的萃取效率，發現超聲-索氏提取結合的提取效率最佳，但在實際分析檢測工作中索氏提取耗時較長，并不能及時有效地完成應急監測等工作。Tor等[17]驗證了超聲波萃取法-氣相色譜法測定土壤中石油烴具有效率高，分析快等特點；周瑞娟等[18]通過實驗驗證超聲波清洗儀與往復振蕩器結合能夠有效提取土壤中石油烴。

氣相色譜法測定土壤中石油烴的研究中，不同前處理方法對測定結果影響很大，同一前處理方式中不同的萃取條件也影響測定結果。現有研究中雖然對不同前處理方式進行了比較，但是缺乏系統詳細的前處理方法比較研究及條件優化，同時缺乏連續測定過程中數據結果準確度的質量控制研究，本研究比較了4種不同前處理方式索氏提取、超聲波提取、震蕩提取和快速溶劑萃取法（ASE）對氣相色譜法測定土壤中石油烴結果的影響，對快速溶劑萃取法提取土壤中石油烴的萃取條件進行了優化，同時采用質量控制圖對氣相色譜法測定土壤中石油烴的加標回收率進行了統計分析，通過檢查數據質量的準確度，觀察實驗數據的波動，從而確保分析結果準確性和可靠性，對于土壤中石油烴分析測定具有一定的借鑒作用。

1 實驗

1.1 儀器和試劑

氣相色譜儀（7890A，美國Agilent，氫火焰檢測器FID）；HP-5毛細管色譜柱（Agilent30 m×0.32 mm×0.25μm）；自動索氏提取儀（SoxtecTM 8000，丹麥FOSS）；ASE（ASE350，美國賽默飛）；數控超聲波儀（KH-500DE型）；震蕩器（HY-2A）；自動氮吹濃縮裝置（ATR AutoVapⅡ,美國ATR）。

石油烴（C10～C40）正構烷烴標準溶液（每種烷烴的質量濃度分別為1000 mg/L，溶劑為正己烷）；土壤中石油烴（C10～C40）有證標準物質（總石油烴濃度為1100 mg/kg，美國ERA公司）；二氯甲烷、正己烷、丙酮、石油醚（均為色譜純，J.T.BAKER，USA）；硅酸鎂凈化柱（美國Waters）；玻璃棉（馬弗爐中500 ℃下烘烤4 h）；無水硫酸鈉（于馬弗爐中500 ℃下烘烤4 h）；高純氮氣（純度＞99.999%）。

1.2 色譜條件

氣化室溫度：320 ℃,分流比5∶1；

柱溫箱程序升溫：60 ℃保持4 min,以10 ℃/min升至230 ℃保持2 min,再以20 ℃/min升至230 ℃保持20 min；

FID燃氣流量為400 mL/min，助燃氣流量為30 mL/min，尾吹氣流量為30 mL/min；柱流失控制為恒流模式，載氣流速為1.0 mL/min。

檢測器溫度：330 ℃。

1.3 實驗步驟

1.3.1 土壤樣品土壤樣品TR-1、TR-2、TR-3取自甘肅省平涼市涇川縣柴油罐車泄漏后附近土樣。

1.3.2 樣品制備

將新鮮土壤除去樣品中的異物（石子、樹枝）等，稱取兩份10.0 g新鮮土壤樣品，一份用來測定含水率及干物質含量，另一份用于土壤中石油烴的提取。

1.3.3 樣品前處理

1）樣品提取。索氏提取法：將樣品放入提取器中，加入40 mL正己烷/丙酮溶液（V/V=1），90 ℃水浴，提取16～18 h后，轉移氮吹濃縮至3～5 mL待凈化。

超聲波提取法：將樣品放入250 mL三角瓶中，加入40 mL正己烷/丙酮溶液（V/V=1），超聲頻率為40 kHz，超聲30 min，超聲提取兩次合并有機相，后轉移氮吹濃縮至3～5 mL待凈化。

震蕩提取法：將樣品放入250 mL三角瓶中加40 mL正己烷/丙酮溶液（V/V=1），以200次/min往復振蕩30 min，振蕩提取兩次合并有機相，后轉移氮吹濃縮至3～5 mL待凈化。

ASE萃取法：將樣品與硅藻土攪拌均勻后放入萃取池（33 mL）中，設置萃取溫度、靜態萃取次數及萃取時間后，利用有機溶劑萃取，萃取液濃縮至3～5 mL待凈化。ASE萃取優化條件實驗中利用正交實驗系統分析萃取有機溶劑，萃取溫度、靜態萃取次數及萃取時間對萃取效率的影響。

2）樣品凈化。利用硅酸鎂柱凈化，依次用10 mL正己烷/二氯甲烷溶液（V/V=4）的混合溶劑、10 mL正己烷活化凈化小柱，待正己烷近干時，將提取濃縮液轉移至硅酸鎂柱上，用2 mL的正己烷洗滌氮吹管，再用10 mL正己烷/二氯甲烷溶液（V/V=4∶1）的混合溶劑淋洗，收集洗脫液并氮吹濃縮定容至1 mL上機。

2 結果與討論

2.1 石油烴（C10～C40）標準色譜圖

氣相色譜法測定石油烴（C10～C40）是以C10～C40出峰時間段內出峰的總面積進行定量分析。程序升溫會引起柱流失而導致色譜峰基線升高，影響色譜分析定量結果，因此，需要扣除柱流失。圖1（a）和圖1（b）分別為石油烴標準溶液（1550 mg/kg）扣除柱流失前、后的色譜圖，結果顯示扣除柱流失后色譜圖基線明顯降低，色譜峰的響應減小，色譜峰總面積減小。

圖1 石油烴（C10～C40）標準溶液扣除柱流失前（a）及扣除柱流失后（b）的色譜圖

2.2 石油烴（C10～C40）標準曲線

將石油烴（C10～C4）0正構烷烴標準溶液用正己烷溶劑配制質量濃度為155、310、620、1 550、2 480、3 100、6 200 μg/mL的石油烴（C10～C40）正構烷烴的標準曲線系列點，按照1.5的儀器工作條件進行上機分析。以石油烴（C10～C40）正構烷烴之間31個色譜峰的總面積對其質量濃度繪制外標法校準曲線，圖2為扣除柱流失后的校正總峰面積與濃度繪制的外標法標準曲線圖，結果表明石油烴（C10～C40）線性關系良好，能夠滿足分析需要。

圖2 石油烴（C10～C40）線性方程及相關系數

2.3 實驗條件的優化

2.3.1 提取方法

準確稱取10.0 g石英砂，加入20 μL石油烴（C10～C40）標準溶液（加標濃度為62 mg/kg），40 mL正己烷與丙酮（V/V=1）為萃取劑，分別利用快速溶劑萃取、索氏提取、超聲波提取和水平震蕩提取4種萃取方式平行測定6次，測定加標回收率，結果表明（見表1），快速溶劑萃取和索氏提取的平均回收率分別為100%和99.0%，超聲提取和水平震蕩提取的平均回收率分別為85.6%及78.0%，ASE和索氏提取的萃取效率更高，但是鑒于快速溶劑萃取具有萃取溶劑消耗量少、萃取時間短、萃取速度快、萃取效率高、自動化程度高等優勢，ASE更適合萃取土壤中石油烴。

表1 不同萃取方式提取效率比較

2.3.2 ASE萃取條件優化

影響ASE萃取效率的主要條件有萃取溶劑、萃取溫度、靜態萃取次數及萃取時間，因此，為了進一步研究ASE萃取條件對萃取效率的影響，選擇正己烷與丙酮（V/V=1）的混合溶劑、二氯甲烷: 丙酮的混合溶劑（V/V=1）、石油醚三種不同萃取溶劑，設計四因素三水平正交試驗，見表2。根據正交試驗設計法對萃取溶劑、萃取溫度、循環次數以及靜態萃取時間同時進行優化，根據極差分析確定影響因素的主次順序，最終確定最優條件的組合。表3中正交試驗設計的極差分析結果可知，影響萃取效率因素的主次順序依次為：萃取溫度（B）＞萃取試劑（A）＞靜態萃取時間（C）＞循環次數（D）。在設定的水平范圍內，萃取試劑與萃取溫度項的極差最大，對萃取效率最為明顯；循環次數項的極差最小，對萃取效率影響不明顯。石油醚的極性較弱，萃取效果不理想，萃取效率最低；因此，正交試驗表明ASE最佳萃取條件為：正己烷：丙酮（V/V=1）的混合溶劑為萃取劑，萃取溫度為105 ℃，靜態萃取時間為10 min，循環萃取為3次。

表2 正交試驗設計表

表3 正交試驗極差分析結果

2.4 檢出限、精密度及準確度實驗

準確稱取10.0 g石英砂，利用優化后的ASE萃取方法，按照實驗方法平行測定7份空白加標樣品，根據《環境監測分析方法標準制修訂技術導則》（HJ 168—2010）[19]中附錄A1.1的計算公式MDL=3.143×S計算檢出限，氣相色譜法測定土壤中石油烴的檢出限為6 mg/kg。同時利用ASE最佳萃取條件進行了精密度、準確度實驗，選擇石油烴低質量濃度31.0 mg/kg、中質量濃度62.0 mg/kg和高質量濃度155 mg/kg進行空白加標實驗，每組各做了6個平行實驗，計算相對標準偏差（RSD）和回收率；測定土壤中石油烴有證標準物質（1100 mg/kg），每組平行測定6次，計算其相對誤差，精密度和準確度測定結果見表4，三個不同濃度空白加標測定結果的平均值分別為29.8 mg/kg、58.3 mg/kg和150 mg/kg，平均回收率分別為96.3%、94.0%和96.9%，RSD分別為5.24%、2.06%和5.52%。土壤有證標準物質測定結果的平均值為1138 mg/kg，相對誤差為14.1%。結果表明利用ASE-GC分析土壤中石油烴具有較好的精確度和準確度。

表4 精密度和準確度測定結果

2.5 實際樣品分析

分別對實際土壤樣品TR-1，TR-2，TR-3進行分析，并進行樣品加標的測定（加標濃度為62 mg/kg），測定結果見表5，結果顯示土壤樣品TR-1，TR-2，TR-3平行樣測定結果相對偏差均＜20%，且樣品加標回收率均＞80.0%。圖4為TR-3實際樣品及加標樣品色譜圖，由于TR-3樣品為石油泄漏后污染土壤，實際樣品明顯具有特征石油烴柴油色譜峰，加標樣品譜圖中具有實際樣品柴油特征色譜峰，同時具有石油烴（C10～C40）特征色譜峰，峰面積明顯增加，因此該分析方法可以準確有效測定污染土壤中石油烴。

表5 實際樣品分析結果

圖4 土壤TR-3實際樣品（a）及加標樣品（b）色譜圖

2.6 質量控制圖分析

環境監測分析過程中，質量控制圖可以有效檢查分析過程的準確性，確保分析數據準確可控[20-23]。通過對連續40個批次的實際樣品加標回收率統計，計算40組樣品加標回收率的算術平均值（X）和標準偏差（S），上、下控制限（X±3S），上、下警戒限（X±2S），上、下輔助限（X±S）（見表6）并繪制質量控制圖（圖5）。結果顯示土壤中石油烴的受控范圍為65.9%～119%，警戒限為74.6%～110%，輔助限為83.5%～101%。質量控制圖結果表明，所有數據點都落在上下警戒限范圍內；數據結果均在中心線兩側隨機排列，上、下輔助限內有29個數據點，占統計點數的72.5%，大于68.3%，符合正態分布概率；沒有出現連續6個點出現在中心線（平均值）的同一側，也沒有連續6個點出現遞增或遞減趨勢。質量控制圖統計分析結果表明實際樣品分析過程處于統計控制狀態，分析結果準確可靠[24]。

圖5 土壤中石油烴分析數據質量控制圖

表6 土壤中石油烴（C10～C40）樣品加標回收率質量控制圖數據/%

續表6

3 結論

（1）通過比較不同萃取方法并優化萃取條件，建立了有效的ASE-GC/FID測定土壤中石油烴（C10～C40）的分析方法。

（2）在最優快速溶劑萃取條件下，氣相色譜法測定土壤中石油烴的檢出限為6 mg/kg，該方法準確度、精密度良好，實際樣品測定平行樣的相對偏差＜20%，且加標回收率均＞80%，定量準確，能夠滿足土壤中石油烴（C10～C4）0的分析要求。

（3）實際分析過程中的質量控制圖結果表明土壤中石油烴實際樣品加標回收率的受控范圍為65.9%～119%，警戒限為74.6%～110%，輔助限為83.5%～101%，所有數據點都落在上下警戒限范圍內；數據結果均在中心線兩側隨機排列，上、下輔助限內有29個數據點，占統計點數的72.5%，大于68.3%，符合正態分布概率。沒有出現連續6個點出現在中心線（平均值）的同一側，也沒有連續6個點出現遞增或遞減趨勢，說明分析過程處于統計控制狀態，能有效地控制該方法測定土壤中石油烴（C10～C40）測定結果的準確性。