陈瑶，黄孝明，潘琳琳，张兆涵

土壤中多环芳烃分析测定方案优化

陈瑶，黄孝明2，潘琳琳1，张兆涵1

（1. 黑龙江省齐齐哈尔生态环境监测中心，黑龙江 齐齐哈尔 161005；2. 齐齐哈尔大学 教学实验设备管理中心，黑龙江 齐齐哈尔 161006）

以土壤中16种多环芳烃（PAHs）为研究对象，通过萃取、浓缩和净化方法比较，对相关参数进行优化．最佳条件为：快速溶剂萃取法，60目硅藻土作为基质分散剂，正己烷-丙酮（1∶1）为萃取剂，萃取温度100℃，15 min循环萃取2次，40℃浓缩，丙酮-正己烷（40∶60）洗脱，经弗罗里硅土净化柱净化，结合气相色谱-质谱．该方法检出限为0.04～0.73 μg/kg，相关系数˃0.992，精密度2.9%～7.2%，平均加标回收率85.1%～112.3%，实验效果显著．该法不仅适用于土壤中PAHs的检测，同时也为其他环境介质中应用提供了参考．

快速溶剂萃取；气相色谱-质谱；土壤；多环芳烃；优化

多环芳烃（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，PAHs）是广泛存在于水质、大气和土壤等环境要素中的一类持久性有机污染物（Persistent Organic Pollutants，POPs），可致癌、致畸、致突变．由于PAHs进入土壤极易吸附到有机质或颗粒物上，长期与土壤共存[1-3]．研究表明，通过土壤进入人体的PAHs数量要远高于大气和水等环境介质[4-5]，因此，土壤中的PAHs已成为学术界重点研究的对象[6]．

牛媛媛[7]等梳理了土壤中PAHs样品预处理及分析检测方法．预处理方法主要有索氏提取、微波萃取、超声萃取、超临界流体萃取、快速溶剂萃取及协同萃取等；净化方法有硅胶层析柱法、弗罗里硅土柱层析法、硅酸镁小柱层析法及凝胶渗透色谱法等；分析检测方法有气相色谱法、液相色谱法、液相色谱-质谱联用法和气相色谱-质谱联用法等．

《土壤污染防治行动计划》中明确指出，土壤中PAHs的监测将作为未来几年环境污染防治工作的重点[8]．针对土壤介质的特殊性及PAHs的生物累积性特点，研究一种既简便快捷，又高效的测试方法已成为当务之急．对不同的前处理方法进行比较，并对萃取、浓缩和净化条件进行优化，结合气相色谱-质谱联用技术进行分析测试，极大地提高了土壤样品的分析效率．

1　实验部分

1.1　仪器、试剂与材料

气相色谱-质谱联用仪（GCMS QP 2010 ULTRA，日本岛津公司）；HP-5毛细管柱（30 m×0.25 mm×0.25 µm，美国安捷伦公司）；加速溶剂萃取仪（ASE350，美国戴安公司）；氮吹浓缩仪（TurboVapⅡ，瑞典Biotage公司）；超声仪（SK2200H，上海科导有限公司）；旋转蒸发仪（Laborota 4010 digital，德国Heidolph公司）．

PAHs标准溶液（200 mg/L，美国AccuStandard Inc）；甲醇，丙酮，二氯甲烷，正己烷，乙醚（农残级，美国TEDIA）；无水硫酸钠（优级纯），硅藻土（40目/60目/100目，国药集团）；弗罗里硅土柱（6 mL，美国安捷伦公司）；硅胶净化柱（6 mL，日本岛津公司）．

1.2　土壤样品的采集、保存和制备

按照《土壤环境监测技术规范》[9]要求进行土壤样品采集，将土壤样品保存于洁净具塞磨口棕色玻璃采样瓶中，充满装实，全程密封，避光且在4℃下冷藏，可存放10 d．

按照《土壤和沉积物多环芳烃的测定气相色谱-质谱法》[10]要求，将土壤样品置于搪瓷托盘中，除去枝棒、叶片、石子等异物，充分混匀．称取20 g（精确至0.01 g）新鲜样品进行脱水，加入适量无水硫酸钠，掺拌均匀，研磨成细粒状．如果使用加压流体萃取，须使用粒装硅藻土脱水研磨．

1.3　土壤样品前处理

1.3.1萃取方法（1）索氏提取法：利用有机溶剂回流和虹吸原理，将制备好的土壤样品转入滤筒并置于索氏提取器中，加入萃取剂提取17 h，回流速度控制在5次/h，冷却后，用萃取剂冲洗提取器和土壤样品，合并提取液．（2）超声萃取法：利用机械振动波来减少目标萃取物与样品基体之间的作用力，实现萃取分离，将待测的土壤样品放于离心管中，加入萃取剂超声抽提15 min后进行离心，重复3次操作，合并提取液．（3）快速溶剂萃取法（ASE）：利用溶解度不同，选择快速溶剂萃取仪及适当的有机溶剂，经高温、高压提取待测组分，先在萃取池内加入滤纸，称取干燥后的土壤样品与硅藻土混拌均匀，放入萃取池中，加盖滤纸，将盖旋紧，将装好的萃取池放入加热模块内，按照设定程序进行多次萃取，合并提取液．

1.3.2浓缩方法（1）旋转蒸发浓缩：若提取液体积较大，适合选用旋转蒸发仪浓缩待测样品．根据有机溶剂和待测样品设定温度进行浓缩，之后用有机溶剂洗涤旋转蒸发瓶3次，合并浓缩液，定容至1 mL，待测．（2）氮吹浓缩：开启氮气至溶剂表面有气流波动，避免形成气涡及样品飞溅造成损失，用正已烷多次洗涤露出的浓缩管壁，定容至1 mL，待测．

1.3.3净化方法（1）硅胶净化柱：将浓缩后的提取液转至预洗制备好的硅胶层析柱中，打开活塞，缓缓加入洗脱液，弃去，另用混合洗脱液洗脱，并全部收集．（2）凝胶渗透净化柱：校准后，将浓缩提取液用凝胶渗透色谱的流动相定容至定量环指定的体积，按照设置自动净化、收集．（3）弗罗里硅土净化柱：将净化小柱固定在固相萃取装置上，用溶剂淋洗浸润，弃去流出液．将提取液转移至小柱中，用溶剂分3次洗涤浓缩器皿，转入小柱，加入混合溶剂洗脱、浸润，反复操作2次，合并洗脱液．

1.4　气相色谱-质谱分析条件

HP-5 30 m×0.25 mm×0.25 µm，溶剂延迟时间5 min；进样口温度280℃，离子化能量70 eV；不分流进样，离子源温度230℃；进样量1.0 μL，接口温度280℃；柱流量1.0 mL/min，四级杆温度150℃；高纯氦气（99.999%），电子轰击源（EI）；程序升温：柱温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，全扫描（Scan）45～450 amu，选择离子模式（SIM）．

2　结果与讨论

2.1　前处理优化

2.1.1萃取方法比较分别采用索氏提取法、ASE和超声萃取法萃取，结果见图1．由图1可见，对于PAHs组分而言，回收率分别为43.5%～87.3%，66.4%～91.4%，68.6%～111.3%，萃取效果为：ASE＞超声萃取法＞索氏提取法．鉴于快速溶剂萃取法具有省时、高效和溶剂用量少的特点，故采用ASE，并对其参数优化．

图1　萃取方法比较

2.1.2基质分散剂比较分别选取40，60，100目硅藻土作为基质分散剂，结果见图2．由图2可见，对于大多数PAHs组分而言，40目硅藻土的回收率低于60，100目硅藻土的回收率；对于多数低环PAHs组分而言，60目硅藻土的回收率较高，而对于高环PAHs组分，回收率相差无几，但考虑到硅藻土目数越大，颗粒越细，易堵塞萃取管路，导致萃取液体积出现偏差，故采用60目硅藻土作为基质分散剂．

图2　基质分散剂比较

2.1.3萃取剂选择萃取剂的选择遵循“相似相溶”原理，由于丙酮的强亲核性适合于萃取较大电子密度和强亲核性的物质，对低环PAHs有较好的萃取效果；正己烷适合萃取弱极性和高环PAHs．对于混合有机物也可选择不同极性的混合物以适当的比例混合作为萃取剂以提高萃取效率．本实验拟采用正己烷、丙酮、正己烷-丙酮（1∶1）作为萃取溶剂，结果见图3．由图3可见，3种萃取剂的回收率分别为49.6%～76.5%，61.5%～90.2%，71.9%～91.3%．对于多数PAHs组分而言，萃取效果为：正己烷-丙酮（1∶1）＞丙酮＞正己烷，故选取正己烷-丙酮（1∶1）作为萃取剂．

图3　萃取剂与回收率关系

2.1.4萃取温度优化通常ASE的萃取温度升高，利于土壤样品的润湿，提高有机溶剂扩散和穿透能力，进而提高萃取效率．本实验拟采用80，100，120℃作为ASE的萃取温度，正己烷-丙酮（1∶1）作为萃取剂，结果见图4．由图4可见，回收率分别为62.4%～93.4%，76.3%～103.0%，65.7%～104.3%，萃取温度对低环芳烃影响较大，在100，120℃高环芳烃的回收率没有显著变化，故选择最佳萃取温度为100℃．

图4　萃取温度与回收率关系

2.1.5萃取时间优化分别选取10，15，20 min进行萃取，结果见图5．由图5可见，回收率分别为64.8%～111.2%，66.6%～111.6%，63.2%～110.8%．对于多数PAHs组分而言，回收率随时间的延长先升高后降低，萃取时间过短萃取不充分，而萃取时间过长，部分组分损失降低回收率，故选择最佳萃取时间为15 min．

图5　萃取时间与回收率关系

2.1.6萃取次数优化ASE遵循少量多次的原则，利用溶剂对土壤样品进行多次静态循环，以提高萃取效率，通常2～3次循环效果较好，结果见图6．由图6可见，回收率分别为65.9%～82.5%，72.6%～104.2%，73.0%～101.4%，73.6%～106.6%，其中2，3，4次循环的回收率明显好于1次循环，2次循环后，回收率没有显著变化，故最佳循环次数为2次．

图6　萃取次数与回收率关系

2.1.7浓缩条件优化选取氮吹仪水浴温度分别为30，40，50℃，结果见图7．由图7可见，回收率分别为67.8%～110.6%，68.0%～113.8%，63.4%～112.0%．在30，40℃时，回收率没有显著变化，当温度升至50℃时，部分回收率降低，故最佳水浴温度为40℃．

图7　氮吹仪水浴温度与回收率关系

2.1.8净化柱选择选择硅胶净化柱、凝胶渗透净化柱和弗罗里硅土净化柱对土壤样品进行净化处理，结果见图8．由图8可见，回收率分别为62.4%～108.5%，60.9%～100.7%，68.9%～116.8%，净化效果为：弗罗里硅土净化柱˃硅胶净化柱˃凝胶渗透净化柱，故选取弗罗里硅土净化柱．

图8　净化柱与回收率关系

2.1.9洗脱剂优化选取二氯甲烷-正己烷、丙酮-正己烷和乙醚-正己烷作洗脱剂，结果见图9．由图9可见，洗脱率分别为68.9%～111.2%，72.9%～115.7%，70.5%～100.4%，二氯甲烷-正己烷和乙醚-正己烷洗脱率线性较差，洗脱效果弱于丙酮-正己烷混合洗脱剂，故选择最优洗脱剂为丙酮-正己烷．

图9　洗脱剂与洗脱率关系

2.1.10洗脱剂梯度配比优化选取丙酮-正己烷作为洗脱剂，不同梯度配比为：20∶80，30∶70，40∶60，50∶50，结果见图10．由图10可见，洗脱率分别为68.6%～96.9%，72.5%～109.3%，75.7%～116.6%，72.9%～115.7%，洗脱效果为：40∶60˃50∶50˃30∶70˃20∶80，随着丙酮比例增加洗脱率提升，当比例增至40%时，洗脱率达到最高，随后下降，故选择最佳洗脱剂为丙酮-正己烷（40∶60）．

图10　不同配比与洗脱率关系

2.2　特征离子的选择与总离子流图

16种PAHs的定量离子与参考离子见表1．

表1　16种PAHs选择离子扫描特征离子

16种PAHs混合标准溶液的总离子流图见图11．

图11　16种PAHs组分总离子流图

2.3　性能指标

将配制好的标准溶液和实际土壤样品用优化条件萃取后进行测定，性能指标见表2．由表2可见，检测限为0.04～0.73 μg/kg，相关系数˃0.992，精密度2.9%～7.2%，平均加标回收率85.1%～112.3%，16种PAHs性能指标较为理想．

表2　16种PAHs性能指标

3　结论

实验以土壤中16种多环芳烃（PAHs）为研究对象，通过对索氏提取法、超声提取法和ASE进行比较，最终选定快速溶剂萃取法，并对各参数进行优化．结果表明，将ASE与气相色谱-质谱联用技术结合，能够建立出测定土壤中PAHs分析方法，实验效果比较显著．该法不仅适用于土壤环境中PAHs的检测，同时也为其他环境介质中的应用提供了参考．

[1] 王学军，任丽然，戴永宁，等．天津市不同土地利用类型土壤中多环芳烃的含量特征[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．

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[9] 国家环境保护总局科技标准司．土壤环境监测技术规范：HJ/T166—2004[S]．北京：中国环境科学出版社，2004：19-20．

[10] 环境保护部科技标准司．土壤和沉积物多环芳烃的测定气相色谱-质谱法：HJ805—2016[S]．北京：中国环境科学出版社，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

齐齐哈尔市科技计划创新激励项目（CSFGG-2022292）；黑龙省省属高等学校基本科研业务费科研项目面上项目（135409315）

陈瑶（1980-），女，黑龙江齐齐哈尔人，高级工程师，硕士，从事生态环境监测、污染防治研究．E-mail：chenyao58600@163.com

黄孝明（1983-），男，黑龙江绥化人，高级实验师，硕士，从事环境化学及材料化学研究．E-mail：hxm9311@163.com