土壤中半挥发性有机物前处理方法的比较研究

张理扬

（大连市环境监测中心，辽宁大连 116023）

土壤中半挥发性有机物前处理方法的比较研究

张理扬

（大连市环境监测中心，辽宁大连 116023）

现阶段索氏萃取法、超声波萃取法、微波辅助萃取法和加压流体萃取法是主流的土壤样品前处理技术，每种方法有着各自的特点。以多环芳烃和有机氯农药为目标化合物，通过研究每种萃取方法的萃取效率，进行横向比较研究后发现，索氏萃取法的萃取效率较高，但是自动化程度不高；而加速溶剂萃取法和微波辅助萃取法在保证了样品萃取效率的前提下，具有节省溶剂、自动化程度高等特点，特别适合于大批量样品的前处理工作。

索氏萃取法；超声波萃取法；加压流体萃取法；微博辅助萃取法；半挥发性有机物

现阶段对于土壤中半挥发性有机物的分析主要是通过前处理技术提取土壤中半挥发性有机物，利用气相色谱技术或气相色谱质谱联用技术对其进行分析。科技的进步与发展，使分析仪器的灵敏度得到了很大程度的提高，样品的检出限得以降低。目前有机物分析所面临的技术难点是样品的前处理技术，这也是影响准确度的重要因素[1]。

对于土壤中半挥发性有机物的提取，最为经典的方法是索氏萃取法(Soxhlet Extraction)[2]，而超声波萃取法（Ultrasonic Extraction）[3]、微波辅助萃取法（Microwave Assisted Extraction,MAE）[4]和加压流体萃取法（Pressurezed Liquid Extraction，PLE）[5]则是近年新兴的有机物提取技术，这些新技术具有耗时短、溶剂使用量少、自动化程度高等特点，逐步替代了传统经典的索氏萃取法，成为现在各实验室的主要提取方法。

笔者通过查找文献发现，不同前处理方法只是单一的包含于不同的分析方法之中，而提取方法之间的横向比较研究较少。本研究以16种多环芳烃（PAHs）和8种有机氯农药（OCLs）作为研究对象，对土壤样品中常用的4种前处理技术进行系统的比较研究。

1 实验部分

1.1 实验原理

分别采取4种前处理方法萃取同一样品，提取液用相同方法进行净化浓缩，利用气相色谱质谱法进行分析。同时进行样品加标回收率的测定分析，用于比较研究。

1.2 实验仪器

气相色谱质谱联用仪（GC/MS）：美国安捷伦Agilent 7890A GC/5975C MS，配有四级杆离子源。

色谱柱：DB-5 ms（30 m×250 μm×0.25 μm）或其他等效毛细柱。

加速溶剂萃取仪：戴安ASE300，配有33 ml或者66 ml萃取池。

超声波萃取仪：Ultrasonics FS-450探针式超声波萃取仪。

微波萃取仪：美国CEM公司，MarsX微波萃取仪。

索氏提取仪：经典式玻璃索氏提取装置。

凝胶色谱净化仪：美国J2公司凝胶色谱净化装置。

1.3 试剂与材料

无水硫酸钠：使用前需在马弗炉中450℃下加热5 h，冷却后装入玻璃瓶中，密封备用。

硅藻土：加速溶剂萃取法中用于分散土壤样品。

多环芳烃（PAHs）标准溶液——16种多环芳烃标准溶液：市售有证标准溶液，浓度为500 μg/ml。

有机氯农药（OCLs）标准溶液：8种有机氯标准溶液100 μg/ml。

二氯甲烷、丙酮、甲醇、正己烷均为农残级。

1.4 样品前处理

为了尽可能地减少土壤背景对实验的影响，取自然风干后的土壤样品，过60目筛后，经马弗炉450℃烘烤3 h，凉后迅速装瓶密封，制备成空白土样。

由于土壤样品的特殊性，直接加标很难保证土壤样品的均一性，所以样品加标采用溶剂稀释法。首先取一定量的PAHs和OCLs标准溶液加入适量的甲醇中，然后由滴管将混标甲醇溶液慢慢滴加到制备好的空白土样中，静置2 h，振荡3 h，确保土壤样品能够得到充分混合，制成标准土样样品，每组目标化合物的目标浓度值为10 μg/g。

1.4.1 索氏萃取法

准确称取标准土样10.0 g，放入滤纸筒中，再将滤纸筒置于索氏提取器中。在500 ml圆底烧瓶中加入150 ml丙酮/正己烷（1/1）混合溶剂，同时加入2～3粒沸石，防止加热过程中暴沸，加热回流18 h，同时按此方法萃取空白土壤。

1.4.2 超声波萃取法

准确称取10 g的标准土样样品置于100 ml烧杯中，加入约30 ml丙酮/正己烷（1/1）混合溶剂，超声波萃取5 min，离心分离出萃取液，重复3次，将3次萃取液混合，备浓缩净化，同时按此方法萃取空白土壤。

1.4.3 加速溶剂萃取法

准确称取20 g的标准土壤样品于66 ml萃取池中，加速溶剂萃取仪温度为100℃，压力为1 500 Psi，静态萃取时间为5 min，循环3次，冲洗体积为60%，氮气吹扫时间为2 min，溶剂为丙酮/正己烷（1/1）混合溶剂，同时按此方法萃取空白土壤。

1.4.4 微波辅助萃取法

准确称取10 g标准土壤于聚四氟乙烯微波萃取罐中，加入30 ml丙酮/正己烷（1/1）混合溶剂，在120℃下微波萃取30 min，同时按此方法提取空白土壤。

1.5 样品的浓缩与净化

凝胶渗透色谱（GPC）则是利用化合物中各组分分子大小不同而淋洗顺序先后也不同的原理，使各组分分离[6，7]。所有样品统一采用凝胶色谱净化浓缩，浓缩为1 ml，备用分析。

1.6 气相色谱质谱法分析

气相色谱质谱法分析所有空白样品和加标样品。采用升温程序为：起始温度40℃，保持4 min，以10℃/min的速率升温到280℃，保持12 min；恒流模式1.0 ml/min，进样口温度280℃，质谱扫描采用全扫描方式。PAHs和OCLs准谱图见图1和图2。

I—萘-D8；II—苊-D10；III—菲-D10；IV—屈-D12；V—苝-D12；1—萘；2—苊烯；3—二氢苊；4—芴；5—菲；6—蒽；7—荧蒽；8—芘；9—苯并[a]蒽；10—屈；11—苯并[b]荧蒽；12—苯并[k]荧蒽；13—苯并[a]芘；14—茚并[1,2,3-cd]芘；15—二苯并[a,h]蒽；16—苯并[g,h,i]苝图1 多环芳烃标准色谱图

1—α-六六六；2—β-六六六；3—γ-六六六；4—δ-六六六；5—p,p'-DDE；6—p,p'-DDD；7—o,p'-DDT；8—p,p'-DDT图2 有机氯农药标准色谱图

2 结果与讨论

2.1 超声波萃取法萃取时间的探讨

陈蓓蓓等[8]认为在超声萃取中萃取时间是一个影响样品萃取效率的重要因素，为了更好地研究萃取时间对萃取效率的影响，实验分为4个时间段，分别为5 min3次、10 min3次、15 min3次和20 min3次进行。结果表明，70%以上的目标化合物能够在超声时间为15 min时得到很好的回收率，且OCLs的回收率要大于PAHs的回收率。具体趋势关系见图3。

图3 超声波萃取法的结果比较

2.2 微波辅助萃取法功率的研究

微波辅助萃取的原理是利用介质吸收微波能量的差异，通过选择不同的溶剂和调节微波加热参数，对样品中的目标成分进行选择性萃取，使样品中的某些有机成分与基体物质有效分离[9，10]，所以功率是微波萃取中的重要条件。微波的功率越大意味着溶剂可以获得的能量越大。MarsX有3种功率，低中高分别为300 W、600 W和1 200 W。实验表明，功率的增大使得样品回收率得到很大的提升，所以本研究选择最大功率1 200 W为设置参数，详见图4。

图4 微波萃取法的结果比较

2.3 加速溶剂萃取法循环萃取时间的探讨

加速溶剂萃取法（Accelerated Solvent Extraction，ASE）是加压流体萃取法（PLE）的具体应用，其原理是利用升高温度和压力增加土壤样品的溶解度和溶质扩散效率，升高压力能够使溶液的沸点提高，使溶剂在较高的温度下保持液态，由于压力的作用使溶剂能够进入基质的微孔，与基质更全面地接触，提高萃取效率[11]。在静态萃取时间相同的情况下，循环次数决定着萃取效率的高低。在萃取溶剂和萃取时间相同的情况下，分别进行循环次数为1次、2次、3次和4次的萃取实验研究。结果表明，静态萃取次数3次和4次的回收率基本接近，对于1次和2次的回收率有较为明显的提高，为节约时间成本采用循环3次的设置。

图5 加速溶剂萃取法的结果比较

2.4 溶剂的选择

由于土壤样品基质的不尽相同和半挥发性有机物的种类过于繁多，提取液的选择成为了提高样品萃取回收率的重要因素。为了尽可能高效率地提取全部有机物，根据溶液极性强弱，选择两种不同极性的溶液以不同比例配置成混合提取液要比单一的提取液效果更佳[12]。为了使4种提取方法更具可比性，本研究中所有方法所采用的提取液统一为丙酮/正己烷（1/1）。

2.5 前处理方法之间的横向比较

索氏萃取被视为最经典、最成熟的有机物前处理技术，所以可以作为其他萃取技术与之比较的标杆，但是其自身也存在着一些缺点，例如溶剂使用量大、耗费时间长、自动化程度不高、工作效率比较低下等。现在新兴的前处理技术，如加速溶剂提取和微波萃取技术，具有试剂用量小、自动化程度高、人员参与程度小等特点，可以轻松应付大批量的样品前处理。详细的技术特点参见表1。

表1 4种土壤前处理技术特点比较

4种萃取方法采用相同的萃取溶剂，且每种萃取方法都采用各自萃取效率最高的条件，每种萃取方法萃取同一加标样品3次，以其平均样品加标回收率用于比较分析。其具体数值可参见表2。

表2 4种土壤前处理技术加标回收率比较（n=3）%

从数据中可以看出索氏提取对土壤中PAHs的提取效果优势较明显，而与有OCLs的提取效果和微波辅助萃取法相当，但稍逊色于加速溶剂萃取法；加速溶剂萃取法对有机氯农药类的萃取效率在设定的条件下回收效率是最好的，索氏萃取法和微波辅助萃取法相当。

3 结论

本研究选定的每种萃取方法的条件是为了尽可能满足于绝大多数半挥发性有机物，以便于各个方法的横向比较，但是对于特定的组分其萃取效率不一定是最好的。如单独测定有机氯农药时，丙酮/二氯甲烷（1/1）的混合萃取液要略好于丙酮/正己烷（1/1）萃取液。所以要根据被测化合物的极性来考虑选择萃取液的极性，混合溶剂的萃取效果一般要优于单一溶剂，这是因为不同溶剂极性的不同、渗透力的不同，可以互相弥补彼此的不足，从而能够产生较好的萃取能力。

就萃取方式的选择上要根据实验室自身条件进行取舍。如加速溶剂萃取法高效、自动化程度高，但仪器本身成本也较高，而经典的索氏萃取装置简单，但是其自动化程度不高，工作效率远不如ASE、MAE。不管选用何种前处理方式，都需要根据目标化合物的性质选择相应的前处理条件。

[1]郭峰洲.测定土壤中有机物前处理方法的探讨[J].黑龙江环境通报，2011，35（3）：34-36.

[2]EPA Method 3540C（SW-846），Soxhlet Extraction[S].1996.

[3]EPA Method 3550C（SW-846），Ultrasonic Extraction[S].2007.

[4]EPA Method 3546（SW-846），Microwave Assisted Extraction[S]. 2007.

[5]EPA Method 3545A（SW-846），Pressurized Liquid Extraction [S].2007.

[6]MARIANA GONZALEZ，KARINA S.B.MIGLIORANZA，JULIA E.AIZPúN de MORENO，et al.Evaluation of conventionally and organically produced vegetables for high lipophilic organochlorine pesticide（OCP）residues[J].Food and Chemical Toxicology，2005，43（2）：261-269.

[7]ANNIKA SMEDS，PEKKA SAUKKOO.Identification and quantification of polychlorinated biphenyls and some endocrine disrupting pesticides in human adipose tissue from Finland[J]. Chemosphere，2001，44（6）：1463-1471.

[8]陈蓓蓓，李冰清，朱观良，等.超声波萃取-SPE净化－双柱双检测器测定土壤和沉积物中的20种有机氯[J].分析试验室，2012，31（9）：99-105.

[9]吴瞻英，饶竹，李夏，等.微波萃取/气相色谱-质谱测定土壤中的多氯联苯[J].分析实验室，2008，27（6）：61-63.

[10]戴晖.微波萃取-毛细管气相色谱法快速分析土壤中有机氯农药[J].分析仪器，2004（2）：31-34.

[11]佟百红，依海波，于丽萍.几种环境样品前处理方法[J].黑龙江环境通报，2008，32（3）：46-47.

[12]国家环境保护总局.HJ/T 166-2004土壤环境监测技术规范[S].北京：中国环境科学出版社，2005.

Comparative Study on Pretreatment Method of Semi-volatile Organic Compounds in Soils

Zhang Liyang
（Dalian Environmental Monitoring Center,Dalian Liaoning 116023,China）

At present,Soxhlet extraction,ultrasonic extraction,microwave assisted extraction and pressurized fluid extraction methods are the main techniques for the pretreatment of soil samples. Each experimental approach has its own pros and cons.In order to compare the four methods,the rate of recovery of each method was analyzed.Results showed the Soxhlet extraction has a higher rate of recovery and a lower automation degree.Accelerated solvent extraction and microwave assisted extraction has some advantages,such as a higher recovery rate,a solvent saving feature and higher automation degree,and the methods were especially suitable for large quantities of samples.

Soxhlet extraction；ultrasonic extraction；microwave assisted extraction；pressurezed liquid extraction；SVOC

X53

：A

：1008-813X（2013）03-0043-05

2013-04-08

张理扬（1978-），男，辽宁锦州人，毕业于瑞典乌普萨拉大学国际卫生专业，硕士，工程师，主要从事有机污染物分析工作。