一种中低浓度典型有机污染土壤中多环芳烃提取、净化及检测的方法

技术领域

本发明涉及土壤中多环芳烃的提取、净化及检测领域，更具体地，涉及一种中低浓度典型有机污染土壤中多环芳烃提取、净化及检测的方法。

背景技术

多环芳烃(PAHs)是一种环境有机污染物，极易被分配到土壤有机质中，土壤已成为多环芳烃的重要归宿，承担着其90％以上的环境负荷，多环芳烃在环境中的持久性存在对人体健康构成重大风险，国际癌症研究机构(IARC)已将一些多环芳烃列为潜在的人类致癌物，美国环保署认为萘、苊烯、苊、菲、芴、蒽、荧蒽、芘、苯并(a)蒽、

目前，针对于土壤有机污染物多环芳烃的前处理方法主要包括提取和净化，在过去的几十年里，人们开发了许多基于土壤介质中有机污染物的提取技术，包括索氏提取、固相微萃取(SPME)、机械振动萃取、加压液体萃取(PLE)、加速溶剂萃取(ASE)和微波辅助提取(MAE)等。这些方法虽然能够满足有机污染场地中高浓度的多环芳烃(＞30mg/kg)提取和检测的需求，但是这些方法往往操作繁琐，耗时长，有机溶剂消耗量较大，对环境危害严重，更重要的是，传统方法对于中有机污染场地中低浓度多环芳烃的提取和定量分析存在较大难度，尤其是同时实现复杂现实环境土壤中残留浓度较低的16种多环芳烃快速测定。因此，需要寻找适合的萃取体系、快速的萃取方法、有效的分离净化步骤以及高灵敏度和高选择性的检测器等，以期研制一种高效、便捷的土壤中多环芳烃提取、净化的前处理方法来帮助人们解决现有的问题。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的主要目的在于提供一种中低浓度典型有机污染土壤中多环芳烃提取、净化及检测的方法。该方法不仅操作简单，而且可以同时提纯、净化16种多环芳烃，最终实现复杂环境土壤中低浓度多环芳烃的定量分析。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

本发明提供一种中低浓度典型有机污染土壤中多环芳烃提取、净化及检测的方法，包括以下步骤：

1)超声萃取：将土壤样品和无水硫酸钠混合均匀；加入萃取剂、超声、离心收集上清液，上清液旋转蒸发或氮吹浓缩，待净化；其中，所述萃取剂为丙酮和二氯甲烷的混合液；

2)净化处理：采用SPE小柱对收集的待净化进行净化处理；

3)浓缩定容：采用旋转蒸发或氮吹处理进行浓缩，定容，获得待测溶液；

4)上机检测：采用气相色谱质谱联用仪对所述待测溶液进行检测。

本发明的方法主要针对中低浓度有机污染土壤中的多环芳烃进行提取、净化及检测，首先，提取时采用超声配合特定萃取剂，可以快速且高效的提取多环芳烃；其次，采用SPE小柱对提取液进行净化，使多环芳烃得到进一步纯化；最后，利用气相色谱质谱联用仪进行准确检测。

进一步，在上述方法中，步骤1)中，所述土壤样品在使用之前经除杂、冷冻干燥和研磨过筛处理。

示例性地，所述除杂为将土壤样品中的植物组织、碎屑等外来物质除去；所述过筛为过200目筛。

所述冷冻干燥的条件为：冷冻干燥的温度为-30℃～-60℃，冷冻干燥的时长为4h～10h。

步骤1)中，所述土壤样品和无水硫酸钠的质量比为1:1～3。

步骤1)中，所述丙酮和二氯甲烷的体积比为1～2:1～2，优选为1:1。

步骤1)中，所用仪器为超声波清洗仪；超声的条件为：超声的时长为5min～15min，超声输入功率为500W～700W，超声频率为20kHz～40kHz。其中，超声波清洗仪的原理是空化作用产生的气泡呼吸式振动或脉动现象，气泡的产生需要一定的时间，适合的超声强度配合适合的超声时间可以使土壤表面吸附的多环芳烃快速脱落并进入有机溶剂。

步骤1)中，所述萃取剂的用量满足液固比例为2～5；其中，液固比具体为萃取剂(液)与土壤样品和无水硫酸钠(固)的比例。

步骤1)中，所述离心的转速为2000r/min～4000r/min，离心的时长为5min～15min。

步骤1)中，所述待净化液的体积为1～2mL。可以理解这里的待净化液体积由上清液旋转蒸发或氮吹浓缩的程度决定。

示例性地，步骤2)中，所述SPE小柱的填料为弗罗里硅土，净化处理的步骤为：采用所述萃取剂对弗罗里硅土柱进行活化；将浓缩液转入弗罗里硅土柱，并用萃取剂洗涤装样品的容器，弃去流出的溶剂；被测目标物吸附在柱上，用所述萃取剂浸泡，再进行洗脱，接收流出液。

步骤3)中，浓缩至液体的体积≦1mL；所述定容为加入所述萃取剂至待测溶液到1.5mL。

步骤4)中，所述检测的条件为：气相色谱质谱联用仪的初始温度为50～70℃，保持1～3min，以10～20℃/min速率升温至250℃，再以3～7℃/min速率升温至310℃，保持5～8min；色谱柱载气流速1.3～1.7mL/min，进样方式为不分流，离子源温度230℃，四极杆温度150℃，扫描方式为Scan扫描模式，质量数扫描范围为50.00m/z～500.00m/z。

所述多环芳烃包括萘、苊烯、苊、菲、芴、蒽、荧蒽、芘、苯并(a)蒽、

在本发中，以上浓缩优选为旋转蒸发，其参数设置为：水浴温度设置为30～40℃，旋转速度为100～120rpm；氮吹浓缩参数设置为：氮气流速设置为1.8～2.2L/min，将玻璃管倾斜一定角度以暴露尽可能大的液体表面，并随着溶剂蒸发定期调整氮气喷射的位置。

另外，如无特殊说明，本发明所记载的任何范围包括端值以及端值之间的任何数值以及端值或者端值之间的任意数值所构成的任意子范围。本发明中制备方法如无特殊说明则均为常规方法，所用的原料如无特别说明均可从公开的商业途径获得或根据现有技术制得，所述百分比如无特殊说明均为质量百分比，所述比例如无特殊说明均为体积比，所述溶液若无特殊说明均为水溶液。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明的方法针对多环芳烃采用特定的超声萃取技术进行提取，与传统索氏萃取相比，本发明的超声萃取时间短，且有机萃取剂用量过少，提取过程中不易发生分析物热降解，提取效率及安全性更高。

(2)本发明的方法不涉及复杂仪器设备，操作简单，有机溶剂消耗量小，对环境污染程度小。

(3)本发明的方法提取种类全面，能同时提纯16种多环芳烃，实现了土壤复杂环境介质中多种痕量多环芳烃的分析，与国标法相比，本发明对检出多环芳烃的种类增加了56％。

(4)采用本发明的方法对有机污染土壤中多环芳烃进行检测，检出限低至0.08ppm，灵敏且准确，弥补了目前该领域现有技术的不足，适用于中低浓度典型有机污染场地以及各种复杂环境中低浓度有机污染场地。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出探究一中不同萃取剂组合对多环芳烃萃取效果图；

图2示出探究一中不同萃取剂配比对多环芳烃萃取效果图；

图3示出探究二中不同萃取方法对多环芳烃萃取效果图；

图4示出探究三中索氏萃取多环芳烃萃取效果图；

图5示出探究四中超声萃取不同参数设置对多环芳烃提取效果图；

图6示出探究五中投加无机氮源对多环芳烃自然衰减实际土壤提取影响效果图；

图7示出探究五中改变碳氮比对多环芳烃自然衰减实际土壤提取影响效果图；

图8示出探究五中含水量对多环芳烃自然衰减实际土壤提取影响效果图；

图9示出探究五中光照条件对多环芳烃自然衰减实际土壤提取影响效果图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

以下实施例中所用仪器与试剂的信息如下：

气相色谱质谱联用仪，设备型号：QP2020，色谱柱型号及规格：DB-5ms，长度60m，内径0.25mm，膜厚0.25μm；

超声波清洗仪，厂商：昆山市超声仪器有限公司；

旋转蒸发仪，厂商：上海亚荣生化仪器厂；

振荡器，厂商：上海世平实验设备有限公司；

微波消解仪，厂商：高环优科(山东)精密仪器有限公司；

超声波细胞破碎仪，厂商：上海沪析实业有限公司；

冷冻干燥仪，厂商：长沙巴跃仪器有限公司；

离心机，厂商：上海安亭科学仪器厂；

电子天平，厂商：上海舜宇恒平科学仪器有限公司；

丙酮，色谱级，厂商：Sigma-Aldrich；

正己烷，色谱级，厂商：阿拉丁；

二氯甲烷，色谱级，厂商：阿拉丁；

无水硫酸钠，厂商：国药；

以下探究中所用土壤样品来源与中低浓度典型有机污染场地杭州市拱墅区运河新城单元GS1003-01地块，深度200cm处多环芳烃污染土壤。

探究一：不同萃取剂组合及不同配比对中低浓度典型有机污染场地中多环芳烃萃取的影响

提供一系列试验组分别进行中低浓度典型有机污染土壤中多环芳烃提取、净化及检测，分别包括以下步骤：

(1)样品处理：将取得的土壤样品在4℃下密封保存，运至实验室。将多环芳烃污染土壤去除植物组织、碎屑等外来物质，充分混合，将土壤置于冷冻干燥仪-60℃冷冻干燥4h去除水分，将冻干后的土壤进行研磨，过200目筛，留待下一步使用。

(2)多环芳烃提取：用分析天平准确称取3.0g土壤样品，与3.0g无水硫酸钠混合均匀，加入萃取剂(不同组别的萃取剂组成见表1所示)10mL采用超声波清洗仪进行萃取，超声萃取时长10min(超声输入功率为600W，超声频率为30kHz)，采用离心机进行离心，3000r/min，离心10min。重复操作3次，合并上清液。提取液氮吹浓缩至1～2mL，待净化。

(3)净化：采用SPE小柱进行净化处理，净化柱填料为弗罗里硅土，净化步骤为：采用5mL步骤(2)的萃取剂对弗罗里硅土柱进行活化；将浓缩液转入弗罗里硅土柱，并用2mL萃取剂洗涤装样品的容器，弃去流出的溶剂；被测目标物吸附在柱上，并用萃取剂浸泡，再进行洗脱，接收流出液。

(4)浓缩：收集的流出液置于旋转蒸发仪，浓缩至液体的体积≦1mL，用步骤(2)的萃取剂溶解，定容至1.5mL，过0.22μm滤膜，获得待测液。

(5)检测：采用气相色谱质谱联用仪(GC-MS)测定待测液，初始温度60℃，保持1min，以15℃/min速率升温至250℃，保持0min，再以5℃/min速率升温至310℃，保持6min。色谱柱载气流速1.50mL/min，进样方式为不分流，离子源温度230℃，四极杆温度150℃，扫描方式为Scan扫描模式，质量数扫描范围为50.00-500.00m/z。

表1：不同试验组的萃取剂组合及配比

结果：不同萃取剂组合对多环芳烃的萃取效果(即各组待测液的检测结果)见图1所示，图中显示，16种多环芳烃中有14种均采用二氯甲烷和丙酮组合萃取效果最佳。不同萃取剂配比对多环芳烃的萃取效果见图2所示，图中显示，通过改变二氯甲烷与丙酮的配比对土壤中16种多环芳烃进行萃取，其中有15种选择萃取剂为二氯甲烷:丙酮(1:1)萃取效果最好；因此，萃取土壤多环芳烃萃取剂应优选为二氯甲烷:丙酮(1:1)。

探究二：萃取剂组合为二氯甲烷：丙酮(v:v＝1:1)时，对中低浓度典型有机污染场地中多环芳烃的检测限探究

操作同实施例1，区别仅在于：多环芳烃进样浓度不同，检测限为信噪比(S/N)为3:1时的浓度，(S/N)通过工作站自动分析获得，计算公式如下：

D＝3N/S

式中：D为检测限；S为检测器灵敏度；N为噪音。

最终获得的提取检出限总结于表2。

表2：检出限

探究三：使用不同萃取方法对中低浓度典型有机污染场地中多环芳烃萃取的影响试验1：具体步骤如下：

(1)样品处理：将取得的土壤样品在4℃下密封保存，运至实验室。将多环芳烃污染土壤去除植物组织、碎屑等外来物质，充分混合，将土壤置于冷冻干燥仪-60℃冷冻干燥4h去除水分，将冻干后的土壤进行研磨，过200目筛，留待下一步使用。

(2)多环芳烃提取：用分析天平准确称取3.0g土壤样品，与3.0g无水硫酸钠混合均匀，用量筒量取色谱级二氯甲烷和丙酮各5mL，超声15min使其混合均匀配成萃取剂。采用超声波清洗仪进行萃取，萃取时长10min，采用离心机进行离心，3000r/min，离心10min。重复操作3次，合并上清液。提取液氮吹浓缩至1～2mL，待净化。

(3)净化：采用SPE小柱进行净化处理，净化柱填料为弗罗里硅土，净化步骤为：采用5mL步骤(2)的萃取剂对弗罗里硅土柱进行活化；将浓缩液转入弗罗里硅土柱，并用2mL萃取剂洗涤装样品的容器，弃去流出的溶剂；被测目标物吸附在柱上，并用萃取剂浸泡，再进行洗脱，接收流出液。

(4)浓缩：收集的流出液置于旋转蒸发仪，浓缩至液体的体积≦1mL，用步骤(2)的萃取剂溶解，定容至1.5mL，过0.22μm滤膜，待测。

(5)检测：采用气相色谱质谱联用仪(GC-MS)测定待测液，初始温度60℃，保持1min，以15℃/min速率升温至250℃，保持0min，再以5℃/min速率升温至310℃，保持6min。色谱柱载气流速1.50mL/min，进样方式为不分流，离子源温度230℃，四极杆温度150℃，扫描方式为Scan扫描模式，质量数扫描范围为50.00-500.00m/z。

试验2：一种中低浓度典型有机污染场地中多环芳烃萃取方法优化实验，与试验1不同之处在于：步骤(2)采用索氏萃取方法进行提取(参照HJ 805-2016土壤和沉积物多环芳烃的测定气相色谱质谱法)，具体方法如下：取20g污染土壤样品，加入80.0uL的替代中间体(丙酮-正己烷(1:1)混合溶剂)，将所有样品小心地转移到纸套中，并将纸套放在索氏提取器的回流管中，在圆底溶剂瓶中加入100mL的丙酮-正己烷(1:1)混合溶剂，回流速度控制在每小时4次～6次。收集提取液。

试验3：一种中低浓度典型有机污染场地多环芳烃萃取方法优化实验，与试验1不同之处在于：步骤(2)采用超声波细胞破碎仪萃取方法进行提取，方法如下：①设置多组平行试验筛选最优条件：精确分别称取3.0g土壤样品，分别与3.0g无水硫酸钠混合均匀，用量筒量取色谱级二氯甲烷和正己烷各5mL，超声15min使其混合均匀配成萃取剂。采用超声波细胞破碎仪进行萃取(输入功率为1800W，超声频率为20.5kHz)，每组设置不同时长条件，通过比对萃取结果，最终确定最优条件为：取时长5min，参数设置超声开2s，超声关2s；

②将上述最优萃取条件组获得的产品采用离心机进行离心，3000r/min，离心10min。萃取、离心重复操作3次，合并上清液。

试验4：一种中低浓度典型有机污染场地多环芳烃萃取方法优化实验，与试验1不同之处在于：步骤(2)采用微波萃取方法进行提取，方法如下：精确称取3.0g土壤样品，与3.0g无水硫酸钠混合均匀。用量筒量取色谱级二氯甲烷和丙酮各5mL，超声15min使其混合均匀配成萃取剂。在土壤样品中加入萃取剂，置于微波消解罐，最优条件设置为以5℃/min升温至60℃，维持30min，冷却至室温。采用离心机进行离心，3000r/min，离心10min。重复操作3次，合并上清液。

试验5：一种中低浓度典型有机污染场地多环芳烃萃取方法优化实验，与试验1不同之处在于：步骤(2)采用机械振动萃取方法进行提取，如下：精确称取3.0g土壤样品，与3.0g无水硫酸钠混合均匀，用量筒量取色谱级二氯甲烷和丙酮各5mL，超声15min使其混合均匀配成萃取剂。将土壤样品放入玻璃瓶中，加入萃取剂，然后将玻璃瓶放入多功能摇床，回旋摇动处理，转速为180r/min，时间为10min，然后转入离心管，离心处理转速为3000r/min，离心10min。重复操作3次，合并上清液。

表3试验2的检测结果

试验2的检测结果见表3及图4，试验1、3～5的检测结果见图3，综合以上结果可以得知，中低浓度典型有机污染场地多环芳烃污染土壤采用超声萃取的萃取效果优于传统的索氏萃取，而且采用索氏萃取具有以下缺陷：对中低浓度典型有机污染场地16种多环芳烃进行提取时，对7种低浓度多环芳烃(萘、苊烯、苊、芴、蒽、荧蒽、苯并(k)荧蒽)未检测到，检测范围不够全面；误差较大；琐事操作比较繁琐，萃取时间较长，约24小时以上；萃取剂用量过多。

对试验1的超声萃取和试验3的超声波细胞破碎仪萃取进行对比，结果显示，试验1的超声萃取效果更佳，分析其原因可能是：普通超声的原理是空化作用产生的气泡呼吸式振动或脉动现象，气泡的产生需要一定的时间，如果超声时间不够，气泡难以产生，不足以使土壤表面吸附的多环芳烃脱落进入有机溶剂；采用超声波细胞破碎仪提取，会引起气泡发生剧烈的收缩运动，由此产生的强烈冲击波造成局部性的高温高压环境，有机溶剂的温度也随之升高，有机溶剂在加速挥发的同时，也形成了强大的破坏力，这不利于多环芳烃的提取，会造成提取率的降低。

探究四：超声萃取中低浓度典型有机污染场地中多环芳烃不同参数萃取的影响

试验6：一种中低浓度典型有机污染场地多环芳烃萃取方法优化实验，与探究一试验组1的不同之处仅在于：步骤(2)中超声萃取时长为5min。

试验7：一种中低浓度典型有机污染场地多环芳烃萃取方法优化实验，与探究一试验组1的不同之处仅在于：步骤(2)中超声萃取时长为10min。

试验8：一种中低浓度典型有机污染场地多环芳烃萃取方法优化实验，与探究一试验组1的不同之处仅在于：步骤(2)中萃取剂用量为6mL。

试验9：一种中低浓度典型有机污染场地多环芳烃萃取方法优化实验，探究一试验组1的不同之处仅在于：步骤(2)中萃取剂用量为15mL。

试验6-9的检测结果见图5，综合以上结果可以得知，中低浓度典型有机污染场地多环芳烃污染土壤采用超声萃取参数优化结果为：超声时间为15min，萃取效果最好，萃取剂用量为10mL最好，萃取剂用量过少，提取不充分，用量过多，可能在浓缩过程中增加多环芳烃的损耗，且增加对环境的污染。

探究五：使用超声萃取方法对中低浓度多环芳烃自然衰减实际土壤萃取应用

试验10：对中低浓度典型多环芳烃污染土壤投加碳氮磷，强化土壤多环芳烃自然衰减，对土壤进行萃取，具体步骤如下：

(1)营造自然衰减条件：取中低浓度多环芳烃污染土壤，置于锥形瓶中，投加碳源为葡萄糖，无机氮源为氯化铵，磷源为磷酸二氢钾，碳氮磷比为(100:30:1)，保持土壤含水量为30％，光照下进行进行自然衰减，在第3、14天提取样品。

(2)自然衰减污染土壤置于冷冻干燥仪-60℃冷冻干燥4h去除水分，将冻干后的土壤进行研磨，过200目筛，留待下一步使用。

(3)多环芳烃提取：用分析天平准确称取3.0g土壤样品，与3.0g无水硫酸钠混合均匀，用量筒量取色谱级二氯甲烷和丙酮各5mL，超声15min使其混合均匀配成萃取剂。采用超声波清洗仪进行萃取，萃取时长10min(超声输入功率为500～700W，超声频率为20～40kHz)，采用离心机进行离心，3000r/min，离心10min。重复操作3次，合并上清液。提取液氮吹浓缩至1～2mL，待净化。

(4)净化：采用SPE小柱进行净化处理，净化柱填料为弗罗里硅土，净化步骤为：采用5mL步骤(2)的萃取剂对弗罗里硅土柱进行活化；将浓缩液转入弗罗里硅土柱，并用2mL萃取剂洗涤装样品的容器，弃去流出的溶剂；被测目标物吸附在柱上，并用萃取剂浸泡，再进行洗脱，接收流出液。

(5)浓缩：收集的溶液置于旋转蒸发仪，浓缩至液体的体积≦1mL，用步骤(2)的萃取剂溶解，定容至1.5mL，过0.22μm滤膜，待测。

(6)检测：采用气相色谱质谱联用仪(GC-MS)测定该样品，初始温度60℃，保持1min，以15℃/min速率升温至250℃，保持0min，再以5℃/min速率升温至310℃，保持6min。色谱柱载气流速1.50mL/min，进样方式为不分流，离子源温度230℃，四极杆温度150℃，扫描方式为Scan扫描模式，质量数扫描范围为50.00-500.00m/z。

试验11：取中低浓度典型多环芳烃污染土壤投加碳氮磷，强化土壤多环芳烃自然衰减，对土壤进行萃取，与试验10不同之处仅在于：步骤(1)中碳氮磷比为(100:10:1)。试验12：取中低浓度典型多环芳烃污染土壤投加碳氮磷，强化土壤多环芳烃自然衰减，对土壤进行萃取，与试验10不同之处仅在于：步骤(1)中自然衰减土壤含水量为10％。

试验13：取中低浓度典型多环芳烃污染土壤投加碳氮磷，强化土壤多环芳烃自然衰减，对土壤进行萃取，与试验10不同之处仅在于：步骤(1)中的光照替换为避光处理。

试验10的检测结果见图6，试验11的检测结果见图7，试验12的检测结果见图8，试验13的检测结果见图9，综合以上结果可以得知，在对中低浓度污染土壤进行自然衰减条件探究中，通过改变碳氮磷比，含水量，光照条件各个因素，使土壤中多环芳烃浓度由中低浓度逐渐降低，采用此方法进行萃取仍能获得更好的萃取效果，并且能够有效的对土壤中多环芳烃进行定性和定量。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。