不同耕种作物下土壤挥发性成分SPME-GC/MS分析

王 科，林昌虎，2，*，王道平，潘卫东，何腾兵，高晓宇

(1.贵州大学，贵州 贵阳 550025；2.贵州医科大学，贵州 贵阳 550001；3.贵州省中国科学院天然产物化学重点实验室，贵州 贵阳 550002)

不同耕种作物下土壤挥发性成分SPME-GC/MS分析

王 科1，林昌虎1，2，3*，王道平3，潘卫东3，何腾兵1，高晓宇1

(1.贵州大学，贵州 贵阳 550025；2.贵州医科大学，贵州 贵阳 550001；3.贵州省中国科学院天然产物化学重点实验室，贵州 贵阳 550002)

为了测定不同耕种作物下土壤中的挥发性成分，采用固相微萃取气质联用仪(SPME-GC/MS)进行了分析，并用归一化法测定了其相对含量。从成熟期钩藤、半夏、玉米和小麦种植地的土壤中分别鉴定出71、69、59、53个组分，共有挥发性成分28种，主要成分为2,4-二甲基庚烷、4,5-二甲基壬烷、2,6-二甲基壬烷、柠檬烯、十二烷、4,6-二甲基-十二烷，其中半夏、玉米和小麦种植地土壤中的挥发性成分种类大致相同，但成分相对含量有差异。SPME-GC/MS分析方法具有操作简便、样品量小、灵敏度高和无溶剂的特点，适用于土壤挥发性成分的快速测定，是对土壤动态环境进行检测的一种有效方法。

固相微萃取；气相色谱/质谱；土壤

挥发性有机化合物(Volatile organic compounds,VOCs)是指在标准大气压下，室温下饱和蒸气压超过133.32 Pa，常温下能以气体的形式存在于空气中的易挥发性有机化合物[1]。具有隐蔽性、挥发性、毒害性、累积性、多样性的特点[2]。挥发性有机物能引起机体免疫水平失调，影响中枢神经系统功能，刺激眼睛和皮肤，严重时可损伤肝脏和造血系统，对人体健康造成严重危害[3-4]。近年来，由于化工生产和污染物肆意排放而致使大量挥发性有机化合物(VOCs)吸附在黏土或有机质中，造成了土壤污染。土壤中的挥发性有机物作为一类特殊的土壤污染物，因其成分复杂及其危害性，被列为环境中潜在危险性大、应优先控制的毒害性污染物[2]。

目前，测定土壤中挥发性有机化合物的前处理方法有常规溶剂萃取、吹扫捕集、静态顶空、固相微萃取等，近年来，吹扫捕集法和静态顶空法在研究与实际应用中均较为广泛[1]。与其他应用比较广泛的样品前处理提取技术相比，本文所采用固相微萃取(Solid-phase microextraction,SPME)的土壤样品前处理方法在国内的研究相对较为落后。目前，在固相微萃取法处理土壤VOCs样品以进行分析的研究方面，国外有学者应用100 μm PDMS涂层分析了土壤样品VOCs的情况，最低检测限为0.002～1.000 μg/kg，可满足精度的要求[1]。国内学者也只是建立了SPME-GC/MS测定土壤中13种挥发性芳香烃的方法[5]。本研究通过采用固相微萃取(SPME)与气相色谱质谱(GC/MS)联用，对不同耕种作物下土壤中挥发性有机物成分进行了分析和测定。探索了适用于土壤中挥发性成分的鉴定和监测方法，以期为土壤动态环境的检测提供依据。

1 材料与方法

1.1 实验仪器

Agilent 5975C/6890 GC/MS气相色谱-质谱联用仪 (美国安捷伦公司) ；手动固相微萃取装置(美国Supelco公司) ，萃取纤维头为70 μm PDMS。

1.2 土壤样品的来源

土壤样品1采自贵州省剑河县柳川镇钩藤种植地，土壤样品2采自贵州省赫章县河镇乡半夏种植地，土壤样品3采自贵州省开阳县南江乡玉米种植地，土壤样品4采自贵州省威宁县金斗乡小麦种植地。

1.3 实验方法

1.3.1 SPME 过程 本研究考察了固相微萃取条件(萃取涂层类型、萃取温度、样品量等)对土壤中主要挥发性成分的影响。通过多次实验，确定了最佳萃取条件。即将采集的新鲜土壤2 g装入10 mL采样瓶，插入70 μm PDMS纤维头，在50 ℃左右顶空萃取约20 min，快速移出萃取头并立即插入气相色谱仪进样口(温度250 ℃)中，热解析3 min进样。

1.3.2 GC-MS 测定条件 色谱柱为Zebron ZB-5MSI 5% Phenyl-95% DiMethylpolysiloxane (30 m×0.25 mm×0.25 μm)弹性石英毛细管柱，程序升温，起始温度40 ℃(保留2 min)，然后以4 ℃/min的速率升温至250 ℃，气化室温度250 ℃；载气为高纯He(99.999%)，流量1.0 mL/min；柱前压7.6 psi，不分流进样；溶剂延迟时间为1.5 min。

离子源为EI源；四极杆温度150 ℃；离子源温度230 ℃；电子能量70 eV；发射电流34.6 μA；倍增器电压1350 V；接口温度280 ℃；质量范围20～450 amu。

2 结果与分析

采用固相微萃取技术进样后，经过气质联用仪分析，得到的总离子流图见图1。

图1 不同耕种作物下土壤挥发性成分的总离子流图

对总离子流中的各峰进行MS扫描，得到了相应的MS裂片图，结合NIST和Wiley 275标准质谱图库数据系统，检索相关质谱信息。根据化合物出峰顺序排列，化合物信息以及相对百分含量见表1。

通过质谱数据系统检索和查对Nist 2008和Wiley 275标准质谱图，从成熟期钩藤、半夏、玉米和小麦种植地的土壤中分别鉴定出挥发性成分共计106种，其中鉴定出4种不同耕种土壤中共有的挥发性成分为28种，主要成分为2,4-二甲基庚烷、4,5-二甲基壬烷、2,6-二甲基壬烷、柠檬烯、十二烷、4,6-二甲基-十二烷。除共有成分之外，从钩藤、半夏、玉米和小麦种植地的土壤中还分别鉴定出43、41、31、25种其他组分，钩藤种植地的土壤中主要是1,3-二甲基叔丁基苯、7-甲基-1-十一碳烯、2,4-二甲基庚烯、辛烷、顺7-甲基-2-癸烯。半夏、玉米和小麦种植地的土壤中主要是2,4,6-三甲基癸烷、2,6,11-三甲基十二烷、3,7-二甲基-癸烷。

表1 不同耕种作物下土壤挥发性成分的相对含量

续表1:

编号挥发性成分英文名分子式分子量相对含量/%1-钩藤2-半夏3-玉米4-小麦524，6-二甲基-十二烷4，6-dimethyl-DodecaneC14H301981．4240．8430．9890．994532，3，5，8-四甲基癸烷2，3，5，8-tetramethyl-DecaneC14H301980．3120．7490．9060．872542，4-二甲基-十二烷2，4-dimethyl-DodecaneC14H30198/1．7352．2542．506552，6，11-三甲基十二烷2，6，11-trimethyl-DodecaneC15H322120．1784．5894．9345．67756刺伯烯JunipeneC15H24204/0．1850．2600．30157十八烷OctadecaneC18H38254/0．1590．2820．296584-甲基-2，6-二甲基叔丁基苯酚4-Methyl-2，6-di-tert-butylphenolC15H24O220/0．0970．162/592，4-二甲基叔丁基苯酚2，4-di-tert-butylphenolC14H22O206//0．159/602-甲基呋喃2-methyl-FuranC5H6O82/0．070//612，4，6-三甲基庚烷2，4，6-trimethyl-HeptaneC10H221420．3690．067//623，4，5-三甲基庚烷3，4，5-trimethyl-HeptaneC10H221420．0640．074//63甲氧基苯酮肟Methoxy-phenyl-OximeC8H9N2O151/0．051//642，6-二甲基辛烯2，6-dimethyl-OcteneC10H201400．1080．082//651，2，4-三甲基苯1，2，4-trimethyl-BenzeneC9H201200．0670．068//662，4，6-三甲基辛烷2，4，6-trimethyl-OctaneC11H24156/0．170//671，2-二乙苯1，2-diethylbenzeneC10H14134/0．882//682-甲基异龙脑2-methylisoborneolC10H18O154/0．108//693，5-二甲基-十二烷3，5-dimethyl-DodecaneC14H30198/0．259//704-甲基十四烷4-methyl-TetradecaneC15H32212/0．364//712-甲基戊烯2-Methyl-1-penteneC6H12840．063///722-乙氧基-2-甲基丙烷2-ethoxy-2-methyl-PropaneC6H14O1020．148///732，3，4-三甲基戊烷2，3，4-TrimethylpentaneC8H181140．280///742，3，3-三甲基戊烷2，3，3-TrimethylpentaneC8H181140．521///752，3-二甲基己烷2，3-DimethylhexaneC8H181140．112///763-甲基庚烷3-methyl-HeptaneC8H181140．589///772，2，5-三甲基己烷2，2，5-Trimethyl-hexaneC9H201280．431///782-甲基-1-庚烯2-Methyl-1-hepteneC8H161120．214///792-辛烯(E)-2-OcteneC8H161120．108///802，6-二甲基庚烷2，6-dimethyl-HeptaneC9H201280．060///811，3，5-三甲基环己烷1，3，5-Trimethyl-cyclohexaneC9H181260．045///822，3-二甲基庚烯2，3-dimethyl-HepteneC9H181260．180///832，2，4-三甲基庚烷2，2，4-trimethyl-HeptaneC10H221420．796///842，2-二甲基辛烷2，2-dimethyl-OctaneC10H221420．589///85邻二甲苯o-XyleneC8H101060．156///863，3，5-三甲基庚烷3，3，5-trimethyl-HeptaneC10H221420．384///872，3，6-三甲基-庚烷2，3，6-trimethyl-HeptaneC10H221420．179///883，5-二甲基辛烷3，5-dimethyl-OctaneC10H221420．080///89α-蒎烯α-PineneC10H161360．077///90香桧烯SabineneC10H161360．292///912-甲基-1-壬烯2-Methyl-1-noneneC10H201400．136///92顺4-甲基-2-癸烯(Z)-4-methyl-2-DeceneC11H221540．375///93顺7-甲基-2-癸烯(Z)-7-methyl--2-DeceneC11H221543．226///94对伞花烃P-CymeneC10H141340．373///95反4-十一碳烯氧(E)-4-UndeceneC11H221541．183///96D-葑酮D-FenchoneC10H16O1521．008///97左樟脑L-CamphorC10H16O1520．107///984，6-二甲基十一烷4，6-dimethyl-UndecaneC13H281840．141///992，6-二甲基十一烷2，6-dimethyl-UndecaneC13H281840．137///100β-葑基乙酸酯β-FenchylacetateC12H20O21960．394///1014-甲基十三烷4-MethyltridecaneC14H301980．823///1022-乙基-1-十二烯2-ethyl-1-dodeceneC14H281960．309///1031，3-二甲基叔丁基苯1，3-Di-tert-butylbenzeneC14H221907．067///104乙酸冰片酯BorneolacetateC12H20O21960．273///1051-十四烯1-TetradeceneC14H281960．115///106β-石竹烯β-CaryophylleneC15H242040．063///

注:/表示在仪器检出限范围内，该化合物未被检出。

3 结论与讨论

本实验分别选择了PA、100 μm PDMS、70 μm PDMS这3种涂层纤维对目标组分进行萃取，同时结合所有组分的多少、峰面积的影响进行了考察，最后确定采用70 μm PDMS涂层纤维进行SPME提取。在不同萃取温度(20～60 ℃)的系列实验中，发现在室温至50 ℃之前，样品总峰数随萃取随温度的增加而明显增加，但当温度增加到50 ℃时，色谱峰数稳定，综合考虑各组分的萃取结果，最终选定的萃取温度为50 ℃。并在此萃取温度下考察了萃取时间(10～40 min)对挥发性成分的影响，结果表明，萃取时间为20 min 时即有最佳效果。本研究还考察了样品量(0.5～3.0 g)的影响，结果表明：样品量为2.0 g时，即可满足测定要求。

由于土壤环境本身是一种动态环境，介质复杂，化合物种类繁多，无法直接进行检测分析，并且VOCs在土壤中的含量低，并且易挥发，因此，选择合适的土壤样品前处理方法对检测分析过程是十分重要的。在目前检测土壤样品VOCs的前处理方法中，溶剂萃取法的回收率低，加热会造成溶剂和土壤中VOCs损失；吹扫捕集法处理土壤样品的过程复杂，并且需要频繁更换吹扫管，不利于样品的快速准确检测[6]。静态顶空法受平衡时间和温度的影响较大，温度越高，蒸汽压越高，分析灵敏度就越高，但过高的温度可能导致某些组分的分解或被氧化，从而影响检测的准确度[7]。SPME前处理法是通过利用涂有吸附剂的石英纤维萃取头吸附样品中的待测物，通过样品与固相涂层之间的平衡达到萃取浓缩的目的。在整个过程中，分析样品的使用量少，不添加任何有机溶剂，操作简便且灵敏度高，集萃取、浓缩、解吸、进样等功能于一体[8-10]。对动态环境下的样品进行检测是相对较好的样品前处理提取方法，与GC/MS联用的结合，使得样品中微量挥发性成分得以检测。在土壤挥发性成分检测中具有十分重要的应用意义。在实际应用过程中，由于土壤环境的特殊性，一种前处理手段很难取得理想的效果，往往需要多种技术手段结合使用，以提高实验的准确度。

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(责任编辑：曾小军)

Analysis of Volatile Components in Soil of DifferentCrop Cultivated Land by SPME-GC/MS

WANG Ke1, LIN Chang-hu1,2,3*, WANG Dao-ping3, PAN Wei-dong3, HE Teng-bing1, GAO Xiao-yu1

(1. Guizhou University, Guiyang 550025, China; 2. Guizhou Medical University, Guiyang 550001, China; 3. Key Laboratory of Chemistry for Natural Products, Guizhou Province and Chinese Academy of Sciences, Guiyang 550002, China)

The volatile components in the soil of different crop cultivated land were analyzed by solid-phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometry (SPME-GC/MS), and their relative contents were further determined by normalization method. A total of 71, 69, 59 and 53 components were identified separately from the soil of mature uncaria, pinellia, maize and wheat field, and 28 volatile components were found among them. These volatile components were mainly 2,4-dimethyl-heptane, 4,5-dimethyl-nonane, 2,6-dimethyl-nonane, limonene, dodecane, and 4,6-dimethyl-dodecane. The volatile components in the soil of pinellia, maize and wheat cultivated land were substantially the same, but their relative contents were different. SPME-GC/MS analysis method has the characteristics of simple operation, small sample size, high sensitivity and solvent-free use, and it is suitable for the rapid determination of soil volatile components and for the monitoring of soil dynamic environment.

SPME; GC-MS; Soil

2016-11-14

贵州省科技计划(黔科合省院合[2014]7001号)；贵州省中药材现代农业产业技术体系建设项目(GZCYTX2015-0202)； 基于贵州特色药用资源的创新药物研发团队及平台建设(黔科合体Z字[2014]4007号)；贵州省科技厅2015年度科研机 构服务企业行动计划项目(黔科合服企[2015]4008 号)。

王科(1991─)，男，山西晋城人，硕士研究生，研究方向：土壤肥力与作物生产。*通讯作者：林昌虎。

S153.6，X131.3

A

1001-8581(2017)04-0044-05