污染土壤样品中提取多环芳烃优化方法

魏婕，侯晓晶

（西安西北有色地质研究院有限公司，陕西 西安 710000）

多环芳烃（PAHs），又称聚烯烃，是一种广泛分布的环境污染物。煤、石油、汽油和木材的不完全燃烧或石化工业的过程易产生PAHs。由于它们的持久性、疏水性、生物累积性以及几种单独的聚芳烃的致癌特性使其具有危害性。由于多环芳烃普遍存在于土壤和沉积物中，因此，多环芳烃在分析化学中的较受关注。

除取样和样品储存外，样品制备是分析周期中一个容易出错且耗时的步骤,尤其应该特别注意样品准确选择、优化提取技术和净化程序三个方面。近年来，从固体基质（如土壤和沉积物）中提取多环芳烃的经典索氏提取法已被更快、更少的溶剂消耗、自动化程度更高的技术所取代，这些技术包括一个或多个提取周期。如超声萃取、超临界流体萃取、加压液相萃取（PLE）、微波辅助萃取（MAE）、固液流态化萃取。其中固液流态化萃取提供了一种相对简单且经济有效的替代方法，在提取多氯化合物方面显示出良好的效果，并且其对氯化杀菌剂的提取效率与PLE 和MAE 等其他强化提取方法相当。本研究的目的是通过分析美国环境保护署（EPA）列出的土壤和沉积物中16 种多环芳烃,与传统的索氏提取法相比，来研究流化床提取（FBE）的性能。由于流化床萃取技术的新颖性，目前缺乏对影响因素和统计方法的系统研究，本文选择了一种新的实验设计方案对固体萃取工艺进行了优化，开展了萃取溶剂（正己 烷-丙酮和环己烷-丙酮的混合物）的组成、萃取循环次数和加热相的停留时间对萃取效率的影响研究。

在单离子监测模式（SIM）下采用气相色谱（GC）、质谱（MS）对单个分析物进行选择性测定，特别注意最终分析前的净化过程。含有多环芳烃的土壤提取物的典型净化程序是通过在florisil、二氧化硅、氧化铝或二氧化硅和氧化铝的组合上的开放柱液相色谱法进行的。在这项研究中，进行了固相萃取活化硅胶结合准备氰基相和无水钠硫酸盐净化回收率实验验证了该方法的有效性。此外，还对含有多环芳烃的标准物质进行了分析，以验证该方法以及优化的清洁和测量程序。

1 实验方法及材料

1.1 实验样品及处理

优化实验是在一个工业废料场污染土壤进行的。土壤样品在室温下风干3 天，研磨并筛分至粒径小于0.63 μm。将制备好的土壤装入琥珀色玻璃瓶中，并储存在干燥、黑暗的环境中。

萃取套管吸附150 mL 正己烷-丙酮（体积比4∶1），萃取时间24 h，并在干燥前风干，使用水将2.5 g 的污染土壤转移到预提取的提取套管中。用玻璃棉覆盖样品（在300 ℃下预处理72 h），并将其插入100 mL 索氏抽提器中。用150 mL 正己烷-丙酮（体积比4∶1）的溶剂混合物进行萃取，萃取时间24 h，该实验总共进行了200 多个萃取循环。此外设置平行萃取空套管，以提供有效空白值数据。提取后，通过旋转蒸发器将提取物浓缩，最后将粗提物转移至10 mL 容量瓶中，并用正己烷填充至刻度。

土壤萃取物与共萃物（如生物大分子、脂类和色素）的复杂组成要求在进行气相色谱分析之前进行有效的样品净化，为此选择了在开放柱吸附色谱柱上进行分馏的方法。二氧化硅凝胶（粒径0.063～0.200 mm）在使用前，首先在105 ℃温度下活化至少72 h，并在该温度下储存，以提供恒定的活性。空的6 mL 玻璃提取筒（内径8 mm）底部装有聚乙烯玻璃料，并在覆盖有聚乙烯玻璃料的0.5 g硅胶中称重，利用0.5 g Bondesil 材料和1 g NaSO4称重制备。固体床用20 mL 正己烷-二氯甲烷6∶1（vh）预处理，然后用20 mL 正己烷预处理，并用一束n（2 巴）压缩。最后，向预处理的吸附柱顶部添加1 mL 含有内标物的生提取物。将样品体积渗透到柱床后，收集在50 mL 梨形容器中，剩余的固体床用氮气吹干，含有分析物的洗脱液通过旋转蒸发器浓缩到适当的体积。最后一滴用氮气气流吹干，加入500 μL 的苯中，转移到自动进样瓶中进行进一步的气相色谱分析。

1.2 实验方法

使用配备有HP7683 自动进样器的Hewlett-Packard HP6890 气相色谱仪进行分析，并将少量进样注入到分体式lessinjector 中（Hewlett-Packard，Waldbronn，德国）。注射器配有一个单锥形玻璃嵌件，内装少量农药级玻璃棉（Supelco，Bellefonte，USA），并在280 ℃下恒温。使用的毛细管柱为HP-5MS，内径30 m×250 um，膜厚0.25 um。载气为氦气（奥地利格拉茨液化空气公司，5.0），流速为1.1 mL·min-1。气相色谱烘箱的初始温度为60 ℃，保温2.50 min，然后升温至280 ℃，在280 ℃下保温8 min，总运行时间为29 min。气相色谱仪与HP5973 质量选择检测器耦合在电子碰撞、单离子监测模式（SIM）下运行，使用13 个时间窗口，界面温度保持在280 ℃。

使用G1034C Hewlett-Packard MS ChemStation的自动调谐设备，每天使用全氟三乙胺（PFTBA）对仪器进行调谐。

2 实验结果及分析

2.1 净化和气相色谱-质谱法

通过索氏萃取和FBE 分别获得有机溶剂提取物，由于含有共萃取非目标基质成分而呈淡黄色至浅棕色。在硅胶/氰基相材料上经吸附层析纯化后，提取物澄清无色。为了检验净化程序的性能，用标准溶液进行了回收实验。

实验结果表明回收率均大于80%，精密度优于5%。一方面，这种精确和选择性的净化方法可以净化提取物，另一方面，在GC-MS 测量中，检测和定量的限度较低。在优化实验中，样品负载量固定在2.5 g 土壤和3 g 硅藻土，提取溶剂体积保持在60 mL恒定。6 个实验采用4 种二元溶剂混合物（环己烷-丙酮90∶10 和30∶70；正己烷-丙酮90∶10 和40∶60）进行，纯环己烷和n-己烷，最大值选择每种化合物相对于索氏提取所获得值的回收率百分比作为优化程。Optima 通过绘制每种分析物和每种萃取溶剂的主效应图，得到萃取周期和保留时间的平均值。所有六个实验设计的主效应图的典型例子如图1、图2所示。

图1 环己烷萃取溶剂图

图2 正己烷萃取溶剂图

为了确定萃取溶剂的最佳选择，根据实验数据完成了两个表面响应设计（用户指定），一个用于正己烷-丙酮混合溶剂的实验装置，一个用于环己烷-丙酮混合溶剂的实验装置。结果表明，其他化合物的主效应图均相似，但不完全相同。通过实验数据可以清楚地看出，萃取溶剂的影响主要是对萃取周期和静态萃取时间的影响。然而，正己烷或环己烷的体积百分比、萃取循环次数以及静态萃取时间这3 个变量都对萃取有显著影响。3 个参数都达到了最大值，萃取溶剂的最大值非常明显。从两组溶剂的混合物来看，环己烷的设置似乎更好。因此，在正己烷-丙酮萃取溶剂混合物中，将11 个萃取循环（保持时间为5 min）与65%（体积分数）正己烷混合物混合，可提供最佳条件，以及7 个萃取循环（保温时间为6 min）和60%（体积分数）环己烷-丙酮萃取溶剂混合物的组合。

2.2 标准物质中多环芳烃的萃取效率

为了验证FBE 法从固体环境样品中提取聚芳烃的性能，提取3 个2.5 g 标准物质样品，即沉淀S10A，在上述两个最佳条件下进行提取。为了进行比较，还根据DIN 38414-21，采用常规索氏技术平行提取了3 个2.5 g 样品。获得的数据表明，这两个最佳条件下FBE 提取法与索氏提取法所得结果与文献报道值吻合较好，仅苯并芘有轻微的高估。特别是以环己烷-丙酮6∶4（体积比）为萃取溶剂，7个萃取周期，静态萃取时间6 min 的FBE 法，具有较高的精密度，效率优化为所有16 种聚芳烃的提取提供了最佳的仪器条件。

3 结束语

1）流化床萃取法是从土壤和沉积物中提取多酚类物质的一种有效提取方法。流化床萃取法产生的回收率和相对标准偏差均在可接受的范围内，提供的结果与标准索氏提取法的结果相当。在高精度和高效率的情况下运行条件，比较索氏提取法，流化床萃取法提取过程大大减少了时间和溶剂消耗。运用标准DIN 索氏程序提取2.5 g 样品量时，总共需要24 h 和150 mL 溶剂，而相比之下，优化的流化床萃取法1 h 内完成，且仅消耗60 mL 溶剂体积。通过对几种二元溶剂的优化，以体积分数为60%的环己烷-丙酮混合液为萃取剂，7 次萃取循环，静态萃取时间为6 min，效果最佳。

2）采用硅胶/氰基材料上的开放柱吸附色谱法对提取物进行选择性和高效的净化研究，结果表明，其与快速GC-MS 方法相结合，是测定受污染土壤样品中多环芳烃的一种非常有用的方法。进一步考虑到操作的方便性、索氏条件的卡西接管和FBE 设备的低采购成本，使其成为其他强化萃取系统的一个有价值的替代品。因此，基于FBE 的萃取可能成为从固体样品中提取非挥发性和半挥发性有机化合物的常用方法。