土壤中多環芳烴分析測定方案優化

陳瑤，黃孝明，潘琳琳，張兆涵

土壤中多環芳烴分析測定方案優化

陳瑤，黃孝明2，潘琳琳1，張兆涵1

（1. 黑龍江省齊齊哈爾生態環境監測中心，黑龍江 齊齊哈爾 161005；2. 齊齊哈爾大學 教學實驗設備管理中心，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

以土壤中16種多環芳烴（PAHs）為研究對象，通過萃取、濃縮和凈化方法比較，對相關參數進行優化．最佳條件為：快速溶劑萃取法，60目硅藻土作為基質分散劑，正己烷-丙酮（1∶1）為萃取劑，萃取溫度100℃，15 min循環萃取2次，40℃濃縮，丙酮-正己烷（40∶60）洗脫，經弗羅里硅土凈化柱凈化，結合氣相色譜-質譜．該方法檢出限為0.04～0.73 μg/kg，相關系數?0.992，精密度2.9%～7.2%，平均加標回收率85.1%～112.3%，實驗效果顯著．該法不僅適用于土壤中PAHs的檢測，同時也為其他環境介質中應用提供了參考．

快速溶劑萃取；氣相色譜-質譜；土壤；多環芳烴；優化

多環芳烴（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，PAHs）是廣泛存在于水質、大氣和土壤等環境要素中的一類持久性有機污染物（Persistent Organic Pollutants，POPs），可致癌、致畸、致突變．由于PAHs進入土壤極易吸附到有機質或顆粒物上，長期與土壤共存[1-3]．研究表明，通過土壤進入人體的PAHs數量要遠高于大氣和水等環境介質[4-5]，因此，土壤中的PAHs已成為學術界重點研究的對象[6]．

牛媛媛[7]等梳理了土壤中PAHs樣品預處理及分析檢測方法．預處理方法主要有索氏提取、微波萃取、超聲萃取、超臨界流體萃取、快速溶劑萃取及協同萃取等；凈化方法有硅膠層析柱法、弗羅里硅土柱層析法、硅酸鎂小柱層析法及凝膠滲透色譜法等；分析檢測方法有氣相色譜法、液相色譜法、液相色譜-質譜聯用法和氣相色譜-質譜聯用法等．

《土壤污染防治行動計劃》中明確指出，土壤中PAHs的監測將作為未來幾年環境污染防治工作的重點[8]．針對土壤介質的特殊性及PAHs的生物累積性特點，研究一種既簡便快捷，又高效的測試方法已成為當務之急．對不同的前處理方法進行比較，并對萃取、濃縮和凈化條件進行優化，結合氣相色譜-質譜聯用技術進行分析測試，極大地提高了土壤樣品的分析效率．

1　實驗部分

1.1　儀器、試劑與材料

氣相色譜-質譜聯用儀（GCMS QP 2010 ULTRA，日本島津公司）；HP-5毛細管柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm，美國安捷倫公司）；加速溶劑萃取儀（ASE350，美國戴安公司）；氮吹濃縮儀（TurboVapⅡ，瑞典Biotage公司）；超聲儀（SK2200H，上海科導有限公司）；旋轉蒸發儀（Laborota 4010 digital，德國Heidolph公司）．

PAHs標準溶液（200 mg/L，美國AccuStandard Inc）；甲醇，丙酮，二氯甲烷，正己烷，乙醚（農殘級，美國TEDIA）；無水硫酸鈉（優級純），硅藻土（40目/60目/100目，國藥集團）；弗羅里硅土柱（6 mL，美國安捷倫公司）；硅膠凈化柱（6 mL，日本島津公司）．

1.2　土壤樣品的采集、保存和制備

按照《土壤環境監測技術規范》[9]要求進行土壤樣品采集，將土壤樣品保存于潔凈具塞磨口棕色玻璃采樣瓶中，充滿裝實，全程密封，避光且在4℃下冷藏，可存放10 d．

按照《土壤和沉積物多環芳烴的測定氣相色譜-質譜法》[10]要求，將土壤樣品置于搪瓷托盤中，除去枝棒、葉片、石子等異物，充分混勻．稱取20 g（精確至0.01 g）新鮮樣品進行脫水，加入適量無水硫酸鈉，摻拌均勻，研磨成細粒狀．如果使用加壓流體萃取，須使用粒裝硅藻土脫水研磨．

1.3　土壤樣品前處理

1.3.1萃取方法（1）索氏提取法：利用有機溶劑回流和虹吸原理，將制備好的土壤樣品轉入濾筒并置于索氏提取器中，加入萃取劑提取17 h，回流速度控制在5次/h，冷卻后，用萃取劑沖洗提取器和土壤樣品，合并提取液．（2）超聲萃取法：利用機械振動波來減少目標萃取物與樣品基體之間的作用力，實現萃取分離，將待測的土壤樣品放于離心管中，加入萃取劑超聲抽提15 min后進行離心，重復3次操作，合并提取液．（3）快速溶劑萃取法（ASE）：利用溶解度不同，選擇快速溶劑萃取儀及適當的有機溶劑，經高溫、高壓提取待測組分，先在萃取池內加入濾紙，稱取干燥后的土壤樣品與硅藻土混拌均勻，放入萃取池中，加蓋濾紙，將蓋旋緊，將裝好的萃取池放入加熱模塊內，按照設定程序進行多次萃取，合并提取液．

1.3.2濃縮方法（1）旋轉蒸發濃縮：若提取液體積較大，適合選用旋轉蒸發儀濃縮待測樣品．根據有機溶劑和待測樣品設定溫度進行濃縮，之后用有機溶劑洗滌旋轉蒸發瓶3次，合并濃縮液，定容至1 mL，待測．（2）氮吹濃縮：開啟氮氣至溶劑表面有氣流波動，避免形成氣渦及樣品飛濺造成損失，用正已烷多次洗滌露出的濃縮管壁，定容至1 mL，待測．

1.3.3凈化方法（1）硅膠凈化柱：將濃縮后的提取液轉至預洗制備好的硅膠層析柱中，打開活塞，緩緩加入洗脫液，棄去，另用混合洗脫液洗脫，并全部收集．（2）凝膠滲透凈化柱：校準后，將濃縮提取液用凝膠滲透色譜的流動相定容至定量環指定的體積，按照設置自動凈化、收集．（3）弗羅里硅土凈化柱：將凈化小柱固定在固相萃取裝置上，用溶劑淋洗浸潤，棄去流出液．將提取液轉移至小柱中，用溶劑分3次洗滌濃縮器皿，轉入小柱，加入混合溶劑洗脫、浸潤，反復操作2次，合并洗脫液．

1.4　氣相色譜-質譜分析條件

HP-5 30 m×0.25 mm×0.25 μm，溶劑延遲時間5 min；進樣口溫度280℃，離子化能量70 eV；不分流進樣，離子源溫度230℃；進樣量1.0 μL，接口溫度280℃；柱流量1.0 mL/min，四級桿溫度150℃；高純氦氣（99.999%），電子轟擊源（EI）；程序升溫：柱溫80℃保持2 min，以20℃/min升至180℃保持5 min，再以10℃/min升至290℃保持5 min，全掃描（Scan）45～450 amu，選擇離子模式（SIM）．

2　結果與討論

2.1　前處理優化

2.1.1萃取方法比較分別采用索氏提取法、ASE和超聲萃取法萃取，結果見圖1．由圖1可見，對于PAHs組分而言，回收率分別為43.5%～87.3%，66.4%～91.4%，68.6%～111.3%，萃取效果為：ASE＞超聲萃取法＞索氏提取法．鑒于快速溶劑萃取法具有省時、高效和溶劑用量少的特點，故采用ASE，并對其參數優化．

圖1　萃取方法比較

2.1.2基質分散劑比較分別選取40，60，100目硅藻土作為基質分散劑，結果見圖2．由圖2可見，對于大多數PAHs組分而言，40目硅藻土的回收率低于60，100目硅藻土的回收率；對于多數低環PAHs組分而言，60目硅藻土的回收率較高，而對于高環PAHs組分，回收率相差無幾，但考慮到硅藻土目數越大，顆粒越細，易堵塞萃取管路，導致萃取液體積出現偏差，故采用60目硅藻土作為基質分散劑．

圖2　基質分散劑比較

2.1.3萃取劑選擇萃取劑的選擇遵循“相似相溶”原理，由于丙酮的強親核性適合于萃取較大電子密度和強親核性的物質，對低環PAHs有較好的萃取效果；正己烷適合萃取弱極性和高環PAHs．對于混合有機物也可選擇不同極性的混合物以適當的比例混合作為萃取劑以提高萃取效率．本實驗擬采用正己烷、丙酮、正己烷-丙酮（1∶1）作為萃取溶劑，結果見圖3．由圖3可見，3種萃取劑的回收率分別為49.6%～76.5%，61.5%～90.2%，71.9%～91.3%．對于多數PAHs組分而言，萃取效果為：正己烷-丙酮（1∶1）＞丙酮＞正己烷，故選取正己烷-丙酮（1∶1）作為萃取劑．

圖3　萃取劑與回收率關系

2.1.4萃取溫度優化通常ASE的萃取溫度升高，利于土壤樣品的潤濕，提高有機溶劑擴散和穿透能力，進而提高萃取效率．本實驗擬采用80，100，120℃作為ASE的萃取溫度，正己烷-丙酮（1∶1）作為萃取劑，結果見圖4．由圖4可見，回收率分別為62.4%～93.4%，76.3%～103.0%，65.7%～104.3%，萃取溫度對低環芳烴影響較大，在100，120℃高環芳烴的回收率沒有顯著變化，故選擇最佳萃取溫度為100℃．

圖4　萃取溫度與回收率關系

2.1.5萃取時間優化分別選取10，15，20 min進行萃取，結果見圖5．由圖5可見，回收率分別為64.8%～111.2%，66.6%～111.6%，63.2%～110.8%．對于多數PAHs組分而言，回收率隨時間的延長先升高后降低，萃取時間過短萃取不充分，而萃取時間過長，部分組分損失降低回收率，故選擇最佳萃取時間為15 min．

圖5　萃取時間與回收率關系

2.1.6萃取次數優化ASE遵循少量多次的原則，利用溶劑對土壤樣品進行多次靜態循環，以提高萃取效率，通常2～3次循環效果較好，結果見圖6．由圖6可見，回收率分別為65.9%～82.5%，72.6%～104.2%，73.0%～101.4%，73.6%～106.6%，其中2，3，4次循環的回收率明顯好于1次循環，2次循環后，回收率沒有顯著變化，故最佳循環次數為2次．

圖6　萃取次數與回收率關系

2.1.7濃縮條件優化選取氮吹儀水浴溫度分別為30，40，50℃，結果見圖7．由圖7可見，回收率分別為67.8%～110.6%，68.0%～113.8%，63.4%～112.0%．在30，40℃時，回收率沒有顯著變化，當溫度升至50℃時，部分回收率降低，故最佳水浴溫度為40℃．

圖7　氮吹儀水浴溫度與回收率關系

2.1.8凈化柱選擇選擇硅膠凈化柱、凝膠滲透凈化柱和弗羅里硅土凈化柱對土壤樣品進行凈化處理，結果見圖8．由圖8可見，回收率分別為62.4%～108.5%，60.9%～100.7%，68.9%～116.8%，凈化效果為：弗羅里硅土凈化柱?硅膠凈化柱?凝膠滲透凈化柱，故選取弗羅里硅土凈化柱．

圖8　凈化柱與回收率關系

2.1.9洗脫劑優化選取二氯甲烷-正己烷、丙酮-正己烷和乙醚-正己烷作洗脫劑，結果見圖9．由圖9可見，洗脫率分別為68.9%～111.2%，72.9%～115.7%，70.5%～100.4%，二氯甲烷-正己烷和乙醚-正己烷洗脫率線性較差，洗脫效果弱于丙酮-正己烷混合洗脫劑，故選擇最優洗脫劑為丙酮-正己烷．

圖9　洗脫劑與洗脫率關系

2.1.10洗脫劑梯度配比優化選取丙酮-正己烷作為洗脫劑，不同梯度配比為：20∶80，30∶70，40∶60，50∶50，結果見圖10．由圖10可見，洗脫率分別為68.6%～96.9%，72.5%～109.3%，75.7%～116.6%，72.9%～115.7%，洗脫效果為：40∶60?50∶50?30∶70?20∶80，隨著丙酮比例增加洗脫率提升，當比例增至40%時，洗脫率達到最高，隨后下降，故選擇最佳洗脫劑為丙酮-正己烷（40∶60）．

圖10　不同配比與洗脫率關系

2.2　特征離子的選擇與總離子流圖

16種PAHs的定量離子與參考離子見表1．

表1　16種PAHs選擇離子掃描特征離子

16種PAHs混合標準溶液的總離子流圖見圖11．

圖11　16種PAHs組分總離子流圖

2.3　性能指標

將配制好的標準溶液和實際土壤樣品用優化條件萃取后進行測定，性能指標見表2．由表2可見，檢測限為0.04～0.73 μg/kg，相關系數?0.992，精密度2.9%～7.2%，平均加標回收率85.1%～112.3%，16種PAHs性能指標較為理想．

表2　16種PAHs性能指標

3　結論

實驗以土壤中16種多環芳烴（PAHs）為研究對象，通過對索氏提取法、超聲提取法和ASE進行比較，最終選定快速溶劑萃取法，并對各參數進行優化．結果表明，將ASE與氣相色譜-質譜聯用技術結合，能夠建立出測定土壤中PAHs分析方法，實驗效果比較顯著．該法不僅適用于土壤環境中PAHs的檢測，同時也為其他環境介質中的應用提供了參考．

[1] 王學軍，任麗然，戴永寧，等．天津市不同土地利用類型土壤中多環芳烴的含量特征[J]．地理研究，2003，22（3）：360-366．

[2] Kipopoulou A M，Manoli E， Samara C．Bioconcentration of polycyclic aromatic hydrocarbons in vegetables grown in an industrial area[J]．Environmental Pollution，1999，106（3）：369-380．

[3] Wilcke W．Polycyclic Aromatic Hydrocarbons（PAHs）in Soil：a Review[J]．Journal of Plant Nutrition and Soil Science，2000，163（3）：229-248．

[4] Moon H S， Kahng H Y， Kim J Y，et al．Determination of biodegradation potential by two culture-independent methods in PAH contaminated soils[J]．Environmental Pollution，2006，140（3）：536-545．

[5] Thorsen W A，Cope W G，Shea D．Bioavailability of PAHs：Effects of soot carbon and PAH source[J]．Environmental Science and Technology，2004，38（7）：2029-2037．

[6] 吳健，王敏，靳志輝，等．土壤環境中多環芳烴研究的回顧與展望：基于Web of Science大數據的文獻計量分析[J]．土壤學報，2016，53（5）：1085-1096．

[7] 牛媛媛，楊鳳，丁克強．土壤中多環芳烴預處理及分析方法研究[J]．環境研究與監測，2016，29（1）：21-25．

[8] 翟有朋，顧云，丁金美．高效液相色譜法測定土壤中多環芳烴的條件優化[J]．環境監控與預警，2018，10（1）：17-21．

[9] 國家環境保護總局科技標準司．土壤環境監測技術規范：HJ/T166—2004[S]．北京：中國環境科學出版社，2004：19-20．

[10] 環境保護部科技標準司．土壤和沉積物多環芳烴的測定氣相色譜-質譜法：HJ805—2016[S]．北京：中國環境科學出版社，2016：3．

Optimization of analysis and determination of polycyclic aromatic hydrocarbons in soil

CHEN Yao1，HUANG Xiaoming2，PAN Linlin1，ZHANG Zhaohan1

（1. Qiqihar Ecological Environment Monitoring Center of Heilongjiang Province，Qiqihar 161005，China；2. Teaching and Experimental Equipment Management Center，Qiqihar University，Qiqihar 161006，China）

16 kinds of polycyclic aromatic hydrocarbons（PAHs）in soil were studied，the relative parameters were optimized by comparing extraction，concentration and purification methods．The optimal conditions were as follows，rapid solvent extraction method，60 mesh diatomite as the dispersant，hexan-acetone（1∶1）as the extractant，extraction temperature 100℃，15 min cycle extraction twice，40℃ concentration，acetone-hexane（40∶60）elidation，purification by Flori silica column，combined with gas chromatography and mass spectrometry．The detection limit of this method is 0.04～0.73 μg/kg，correlation coefficient was greater than 0.992，precision 2.9%～7.2%，average recoveries 85.1%～112.3%，the experimental effect is significant．This method is not only suitable for the detection of PAHs in soil，but also provides a reference for other environmental media．

ASE；GC-MS；soil；PAHs；optimization

1007-9831（2023）07-0052-07

X833

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2023.07.011

2023-03-02

齊齊哈爾市科技計劃創新激勵項目（CSFGG-2022292）；黑龍省省屬高等學校基本科研業務費科研項目面上項目（135409315）

陳瑤（1980-），女，黑龍江齊齊哈爾人，高級工程師，碩士，從事生態環境監測、污染防治研究．E-mail：chenyao58600@163.com

黃孝明（1983-），男，黑龍江綏化人，高級實驗師，碩士，從事環境化學及材料化學研究．E-mail：hxm9311@163.com