超聲萃取-氣相色譜法測定土壤中可萃取性石油烴的關鍵環節研究*

黃承韞，李 強，肖美玲，周雅琪，蔣文杰

(成都綜合巖礦測試中心/稀有稀土戰略資源評價與利用四川省重點實驗室/王雪蓮創新工作室，四川 成都 610081)

人類對石油的開采、運輸、加工等活動的同時也對環境造成污染，此類污染會造成受污染的土壤在較長的時間內寸草不生，對地質生態環境有重大危害[1-2]。在《土壤環境質量建設用地土壤污染風險管控標準(試行)》 (GB36600-2018)中，石油烴(C10～C40)被列為對人體健康有風險的土壤污染物，并規定了管制值。因此建立一種快速準確的土壤樣品中石油烴類含量的檢測方法，可滿足土壤調查工作需求，并為土壤石油污染狀況評估提供數據支撐。

由于石油烴是混合物，成分復雜，通常按照碳鏈長度或種類分段分類測定，常用方法有重量法[3-4]，分光光度法[5-6]，氣相色譜法[7-8]，氣相色譜質譜法等[9-10]。不同方法的選取標準不同，測定對象差異較大[11-12]，提取方式也不同[13]。常見提取方式包括機械振蕩[14]、超聲萃取[15]和加速溶劑萃取[16]等。除了對石油烴總量進行計算外，也可以按照碳數分段測定不同碳鏈長度烴類各自含量[17-18]。近年來也有基于快速氣相色譜儀的測定方法報告[19]。生態環境部2019年頒布《土壤和沉積物石油烴(C10～C40)的測定氣相色譜法》 (HJ1021-2019)中，推薦采用索氏提取或加速溶劑萃取進行樣品提取，凈化后進行測定。由于選取的標準物質和提取方式不統一，檢測結果可比性較差。分段檢測雖然能提供更加細化的結果，但是操作過程和結果計算繁瑣，檢測成本增加。索氏提取耗時長溶劑消耗量大，分析效率低，不適應于大量樣品的分析，并且新標準中對凈化步驟規定簡略，難以完全解決實際樣品檢測中遇到的問題。

本文針對土壤中沸點在175～525 ℃ 及的碳氫化合物(C10～C40)總量進行測定，使用市售正構烷烴(C10～C40)混合物作為標準物質，超聲萃取后用GC-FID測定，建立了土壤中可萃取性石油烴檢測方法。該方法涵蓋了石油污染物中非揮發性石油烴的主要成分，檢測結果具有代表性，滿足對土壤污染狀況評價標準需求。本文研究了樣品分析中的關鍵步驟，優化了提取條件和凈化流程，方法通過證實準確可靠。本方法操作步驟簡單，定量方式合理，檢測效率高，適宜于土壤調查等項目中大量樣品的檢測工作，檢測成本低，易于推廣，可作為石油烴污染物檢測方法重要補充。

1 實驗部分

1.1 儀器及工作條件

7890B氣相色譜儀(美國Agilent公司)，儀器工作條件：FID 檢測器溫度 330 ℃；進樣口溫度 320 ℃；色譜柱流量 2.0 mL/min；氫氣流量 40 mL/min；空氣流量 350 mL/min；尾吹氣流量 30 mL/min、色譜柱型號 DB-1 30 m×0.320 mm×0.25 μm；進樣量 1 μL，不分流進樣。

程序升溫條件：初始溫度 50 ℃ 保持 5 min，12 ℃/min 升至 180 ℃ 保持 2 min，7 ℃/min 升至 320 ℃ 保持 8 min。樣品超聲波提取儀：探針式，功率不小于 500 W，超聲波輸出功率可以調節。

1.2 實驗材料

石油烴標準溶液：市售C10～C40正構烷烴標準溶液，每種烷烴質量濃度為 1000 μg/mL，溶劑為正己烷；丙酮、正己烷、二氯甲烷，均為色譜純(美國Fisher)；弗羅里硅土，60目，在馬弗爐中 550 ℃ 灼燒至少 5 h；無水硫酸鈉(科密歐，分析純)，550 ℃ 灼燒 2 h 以上。

1.3 實驗方法

土壤樣品充分混勻后，稱取 20.00 g 放入三角燒瓶中，加入 40 mL 丙酮/正己烷混合溶劑(3+5)。將超聲波提取儀探頭插入至液面以下，調節超聲提取儀功率和探頭深度，保證試樣在提取時能夠完全翻動。超聲提取 5 min，靜置后轉移提取液，再次加入溶劑重復上述提取步驟。合并后的提取液，干燥過濾后使用旋轉蒸發儀進行濃縮并將溶劑轉變為正己烷。濃縮液轉移至活化后的弗羅里硅土層析柱，使用 10 mL 正己烷/二氯甲烷(4+1)洗脫；收集洗脫液濃縮并準確定容至 1.0 mL，上機分析。

當濃縮液出現渾濁時，說明樣品硫化物含量較高，向濃縮液中加入適量銅粒并浸泡 5 min，再將濃縮液轉移至凈化柱，完成凈化及后續處理分析過程。

空白試樣的測定：使用石英砂替代土壤樣品按照上述流程完成樣品提取和上機分析。

1.4 標準曲線的測定

使用正己烷稀釋標準溶液，配制C10～C40正構烷烴總質量濃度為62、155、310、620、1550、3100 μg/mL 系列的標準樣品，按照儀器方法進行分析；對包括從正癸烷到正四十烷在內所有峰面積進行積分，以C10～C40總峰面積扣除空白柱流失后的校正峰面積為縱總坐標，以石油烴質量濃度為橫坐標，繪制外標法校準曲線。

柱流失的測定：使用正己烷溶劑上機測定相同程序升溫條件下的柱流失峰面積，繪制校準曲線和計算樣品結果時均應使用扣除柱流失后的峰面積進行計算。

2 結果討論

2.1 樣品萃取條件的研究

2.1.1 萃取劑的選擇

針對土壤樣品中的石油烴類物質，常用正己烷、二氯甲烷、丙酮及其組合作為提取劑。通過樣品加標回收實驗的方式考察溶劑單因素影響，加標量為 620 μg/mL，重復4次取平均值，結果如表1所示。結果表明：正己烷/丙酮溶液體系萃取效果最佳。二氯甲烷體系雖然常見于報道[8,15]，考慮到二氯甲烷毒性較大對環境造成負擔，本文采用正己烷/丙酮體系作為提取液，在提取液體積為 40 mL 條件下，調整溶劑比例進行加標實驗，結果如圖1所示。

表1 不同提取劑回收率結果

圖1 萃取劑比例條件實驗結果

由于石油烴類為長碳鏈非極性物質，可使用類似極性的正己烷作為溶劑從土壤中提取出來。為了保證提取效率，加入一定量的極性溶劑丙酮可以更好的提取含氧、氮等雜原子的烴類，提升萃取效率。實驗表明，正己烷/丙酮比例為1∶1和5∶3時，萃取效率差異不大，由于丙酮為易制毒管制試劑、毒性較大、在萃取過程中會引入極性干擾物質。因此本方法選擇正己烷/丙酮(5+3)體系作為萃取劑，在保證萃取效率的前提下，減少丙酮的使用量，方法適用于批量樣品的檢測。

2.1.2 提取方式的選擇和參數優化

根據實驗室常見提取設備，分別考察了加壓流體萃取、超聲萃取和機械振蕩三種方式對土壤中石油烴的萃取效果。其中，超聲萃取分別使用超聲清洗儀和探針式超聲提取儀進行實驗，采用對加標樣品按照前述實驗條件進行萃取分析并計算回收率。萃取條件和回收率結果如表2所示。其中，回收率結果為4次平行實驗結果平均值。

表2 不同萃取方式石油烴回收率結果

表2表明，加速溶劑萃取效率和超聲萃取效率相當，并顯著優于機械振蕩的方式。由于加速溶劑萃取儀設備成本較高，樣品制備步驟繁瑣，在處理污染土壤等高含量樣品時容易污染管路發生交叉污染，因此本文采用更易于推廣的超聲萃取作為樣品提取方式。對比兩種不同的超聲萃取方式發現，超聲清洗儀雖然一次能處理多個樣品，但是能量分散、萃取效果不均一；超聲探頭會隨著使用時間增加功率發生明顯衰減，影響提取效率；探針式超聲儀通過的探針直接作用于樣品上，能量集中，萃取效率優于超聲清洗儀；并且萃取時間短，操作方便，樣品處理效率高，易于推廣。本文使用探針式超聲儀對樣品進行提取。

2.2 凈化條件的研究

本方法使用弗羅里硅土吸附樣品中的極性物質排除其在FID檢測器上的響應對檢測結果的正干擾。由于萃取劑中的丙酮殘留會影響凈化柱的吸附效率，在ISO16703:2011[12]和《全國土壤污染狀況詳查土壤樣品分析測試方法技術規定》中，均采用水洗萃取液的方式去除丙酮；HJ 1021-2019中缺乏去除丙酮相關步驟和內容。本研究發現，在旋轉蒸發儀濃縮樣品時，加入正己烷置換溶液中的丙酮，可以有效的去除樣品中的丙酮，簡化檢測流程，同時減少了樣品水洗和轉移過程中目標物的損失。

圖2是同一土壤樣品采用兩種處理方式后的色譜圖，結果發現，兩種方式凈化效果相當，未發現多出的雜質峰，并且采用溶劑置換方式處理的樣品儀器響應高于水洗處理的樣品，萃取效率更高，結果與預期一致。

(a)溶劑置換方式去除丙酮 (b)水洗萃取方式去除丙酮

由于硫化物在FID檢測器上沒有響應不會對結果造成干擾，通常不作為石油烴檢測中的凈化目標；然而實際工作中發現，當土壤樣品中含有較高濃度的硫化合物時，往往造成萃取濃縮液渾濁，直接進入氣相色譜儀分析時會污染進樣口，影響峰形和靈敏度，因此本方法中針對硫化物含量高的樣品進行脫硫處理。

現行土壤樣品分析標準和文獻報道[20-21]中，通常使用銅粉去除硫化物。由于市售銅粉通常為200目左右，純度高但是顆粒很細，操作不便，通常為一次性使用，成本較高并對環境造成負擔。本文采用市售銅粒代替銅粉，使用前用酸溶液去除表面氧化物質。當萃取液出現渾濁時，向萃取液中加入適量處理好的銅粒，浸泡 5 min 以上，觀察銅粒表面變化添加合適的銅粒數量，完成脫硫過程。該凈化方法操作更加簡便，銅粒可方便回收再利用，節約成本的同時環境友好，此操作方式為本文首次提出。

2.3 方法檢出限、精密度，回收率和質控樣品結果

按照實驗方法繪制標準曲線，結果見表3，標準曲線線性關系良好。

表3 石油烴線性回歸方程和相關系數

對加標量為 7.75 mg/kg 的7份空白加標樣品，按照樣品分析步驟進行測定，以t為3.143計算檢出限。當取樣量為 20.0 g 時，本方法檢出限為 1.48 mg/kg，測定下限為 5.92 mg/kg。檢出限優于目前標準檢出限。

制備3個質量分數的石油烴加標樣品平行測定6次，計算方法精密度(表4)；選擇三個不同的土壤樣品加入同濃度的石油烴標準，平行測定6次計算平均回收率(表5)。結果表明，本方法精密度2.9%～9.6%，加標回收率為86.4%～106%，結果良好。

使用本文方法測定有證標準物質(表6)，實驗結果均在標準值范圍內，證明方法可靠。

表4 精密度結果

表5 樣品加標回收率結果

表6 石油烴(C10～C40)質控土壤測定結果

3 結論

本文采用探針式超聲萃取的方式，提取土壤樣品中C10～C40范圍的石油烴類物質，凈化后使用氣相色譜-FID分析樣品。結果表明，本方法操作簡單，結果可靠；方法減少了丙酮的使用量，降低了提取劑的毒性；使用銅粒代替銅粉凈化硫化物，環保而且降低了檢測成本。本方法檢出限低于現行標準，精密度和回收率好，結果可靠；滿足目前土壤評價標準中對石油烴含量限值的要求。方法推廣性強，尤其適用于土壤調查項目開展中大批量樣品的檢測工作；目前，應用本方法對石油烴污染規律的研究正在進行中。