土壤中含氧、含硫极性化合物预处理方法研究

含氧、含硫极性化合物主要包括含氧、含硫杂环芳烃和含氧、含硫非烃类化合物,它们在土壤中分布广泛,成因复杂,其中有些毒性化合物性质稳定,进入土壤后可能导致土壤长期污染,存在不同程度的环境危害与生态风险,同时一些含氧、含硫极性化合物还可作为环境介质中的污染源示踪物[1]。目前土壤中含氧、含硫极性化合物污染问题并未得到足够重视,其中部分原因是该类化合物极性较大,成分复杂,不易分离和鉴定。国外通常采用溶剂混合物或者超临界状态的二氧化碳进行抽提,进而将抽提物用薄色谱法 (TLC)等仪器自动分离成为不同极性的组分[2]。国内对该类化合物的研究多为针对矿物有机质样品、大气颗粒物样品或土壤中某1类或几类含氧、含硫极性化合物,因此对预处理的要求也相对较低[3],采用的预处理方法有柱色谱分离[4]、超声提取[5]等。为此,笔者主要探讨更加有效的土壤中极性有机化合物的预处理方法,为系统深入地开展土壤中极性有机化合物的研究,并利用有机示踪技术进行污染源解析奠定基础。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

1)仪器 气相色谱仪、微量进样器、色谱-质谱仪 (GC-MS)。

2)主要药品 正己烷、二氯甲烷、丙酮、甲醇和甲酸等有机溶剂均用分析纯,经2次蒸馏,并经气相色谱仪检验合格后使用。80～100目 (0.177～0.147mm)层析硅胶和 100～200目 (0.147～0.074mm)中性层析氧化铝;衍生化试剂:N,O-双-(三甲基硅烷基)-三氟乙 (BSTFA)和1%三甲基氯硅烷 (TMCS)的混合溶液(USA美国New Jersey);内标物:角鲨烷 (99%,德国Augsburg);回收率指示剂:氘代二苯并噻吩 (99.5%,德国Augsburg)、二十二烯酸甲酯 (99%,美国AccuStand Inc)、5β胆甾烷酸 (99%,德国SIGMA-ALDRISH Inc)。

1.2 样品采集

在北京地区选取了4个表层土壤样品 (表层至30cm深度范围),采用梅花式布点法,即每个样品在约100m×100m的地块中心和4角共采集5份子样,5份子样等量均匀混合成为1个土壤样品。采集的所有土壤子样品在室内风干后磨碎,过80目 (0.177mm)筛子,5个子样等量均匀混合成为一个土壤样品,进行随后的预处理及分析。

1.3 衍生化

土壤样品的非烃组分定量之后转入小样品瓶后加入定量内标物角鲨烷,再加入一定量硅烷化试剂(BSTFA+1%TMCS),盖密,于70℃下反应1h,自然冷却后用色谱-质谱仪 (GC-MS)进行分析。

1.4 定性和定量分析

含氧、含硫杂环芳烃化合物和非烃化合物采用内标法进行定量分析,部分化合物采用内外标相结合方法进行定量分析。通过标准物质回归直线图,X轴为标准物质峰面积和角鲨烷峰面积比,Y轴为标准物质浓度和角鲨烷质量比,计算回收率指示剂和标准物质的回归系数R的分布范围为0.9039～0.9981,平均值为0.9881。浓度比与峰面积比之间线形关系的斜率即所得的不同标准物质回归系数,用该回归系数可更精确地定量分析化合物。

2 结果和讨论

2.1 抽提溶剂的选取

采用索氏抽提方法对土壤样品中的有机物进行提取[5]。在索氏抽提过程中,最重要的影响因子之一是抽提溶剂的选择,由于研究对象不同,所采用的抽提溶剂也有所不同。根据该研究的特点和要求,选择3种混合试剂对比其抽提效率,分别是二氯甲烷-丙酮 (体积比为1∶1)、二氯甲烷-甲醇 (体积比为7∶1)、二氯甲烷-甲醇 (体积比为3∶1),用昌平化庄地区农田采集的土壤样品进行对比分析。

把混合均匀的样品各取260g,用经抽提的滤纸包裹后,在索氏抽提器上抽提48h。溶剂分别采用上述3种比例抽提溶剂。将经正己烷稀释的浓缩液经3次超声波萃取后,放置2～4h,用塞有棉花的漏斗过滤沥青质,然后用层析柱过滤饱和烃、芳烃、非烃3组分。3种不同试剂有机物抽提效率比较如表1所示。从表1可以看出,二氯甲烷-甲醇混合液的萃取效率明显高于二氯甲烷-丙酮混合液,而二氯甲烷-甲醇 (体积比为3∶1)的抽提效率略高于二氯甲烷-甲醇 (体积比为7∶1)。甲醇作为抽提溶剂可以增加芳烃、非烃以及沥青质的抽提效率,尤其是对沥青质的抽提效率明显增加。综合考虑抽提效率、安全因素、易于操作等因素,采用二氯甲烷-甲醇 (体积比为7∶1)作为抽提溶剂比较合适。

表1 3种不同试剂有机物抽提效率比较

2.2 有机抽提物的分离

采用微型柱色谱法进行有机物族组分分离,依次分离饱和烃和芳烃组分,在淋滤非烃组分后再加入1ml甲酸,待液面接近层析柱后加入3ml二氯甲烷-甲醇 (体积比为9∶1)淋洗出部分酸性非烃化合物。试验表明,甲酸淋滤可以明显增加酸性非烃化合物的回收量,如非烃回收率指示剂5β-胆甾烷酸在未加入甲酸的情况下基本检测不到 (见图1)。

2.3 回收率控制

一般选用样品中没有的化合物如氘代化合物作为内标物和回收率指示剂,据文献 [6],采用角鲨烷作为芳烃组分和非烃组分的内标物,选择氘代二苯并噻吩作为芳烃组分回收率指示剂,5β-胆甾烷酸作为非烃酸性化合物回收率指示剂,二十二烯酸甲酯作为非烃中性化合物回收率指示剂。用滤纸包裹的土壤样品在经索氏抽提之前,使用微量进样器精确抽取芳烃类化合物回收率指示剂400μl(氘代二苯并噻吩 (10ng/μL))、非烃类化合物回收率指示剂100μl(5β-胆甾烷酸 (0.232ng/μL)和二十二烯酸甲酯(0.16ng/μL)的混合溶液)。含氧、含硫极性化合物回收率如表2所示,从表2可以看出,氘代二苯并噻吩回收率平均值0.84,二十二烯酸甲酯回收率平均值0.78,5β-胆甾烷酸回收率平均值0.56。由此说明芳烃化合物和中性非烃类化合物都具有较好的回收率,而非烃酸性化合物的回收率较差。

图1 同一样品加入甲酸后酸性化合物回收量对比

表2 含氧、含硫极性化合物回收率

3 结 论

1)通过对比不同溶剂的抽提效率发现,甲醇作为抽提溶剂可以提高芳烃、非烃以及沥青质的抽提效率,采用二氯甲烷-甲醇 (体积比为7∶1)作为抽提溶剂可以保证芳烃组分和非烃组分的回收效率。

2)增加甲酸淋滤可以明显增加酸性非烃化合物的回收量。

3)芳烃化合物和中性非烃类化合物都具有较好的回收率,而非烃酸性化合物的回收率较差。

4)利用层析柱进行族组分分离作为土壤样品有机物的预处理方法,具有较好的回收率,既不影响饱和烃组分和芳烃组分的检测,同时能对土壤中含氧、含硫极性化合物进行定性和定量分析。

[1]Simoneit B R T.Biomass burning-a review of organic tracers for smoke from incomplete combustion[J].Applied Geochemistry,2002,17(3):129-162.

[2]Simoneit Bernd R T.Biomassburning-a review of organic tracers for smoke from incomplete combustion[J].Applied Geochemistry,2002,17(3):129-162.

[3]何凌燕,胡敏,黄晓锋,等.北京市大气气溶胶PM25中极性有机化合物的测定 [J].环境科学,2004,25(5):15-20.

[4]樊改仙,徐元源,李莹,等.柱色谱分离、气相色谱-质谱法定性分析F-T合成油中的含氧化合物[J].色谱,2007,25(6):893-897.

[5]何凌燕,胡敏,黄晓锋,等.北京大气气溶胶PM2.5中的有机示踪化合物[J].环境科学学报,2005,25(1):23-29.

[6]王培荣.非烃地球化学和应用 [M].北京:石油工业出版社,2002.