不同耕種作物下土壤揮發性成分SPME-GC/MS分析

王 科，林昌虎，2，*，王道平，潘衛東，何騰兵，高曉宇

(1.貴州大學，貴州 貴陽 550025；2.貴州醫科大學，貴州 貴陽 550001；3.貴州省中國科學院天然產物化學重點實驗室，貴州 貴陽 550002)

不同耕種作物下土壤揮發性成分SPME-GC/MS分析

王 科1，林昌虎1，2，3*，王道平3，潘衛東3，何騰兵1，高曉宇1

(1.貴州大學，貴州 貴陽 550025；2.貴州醫科大學，貴州 貴陽 550001；3.貴州省中國科學院天然產物化學重點實驗室，貴州 貴陽 550002)

為了測定不同耕種作物下土壤中的揮發性成分，采用固相微萃取氣質聯用儀(SPME-GC/MS)進行了分析，并用歸一化法測定了其相對含量。從成熟期鉤藤、半夏、玉米和小麥種植地的土壤中分別鑒定出71、69、59、53個組分，共有揮發性成分28種，主要成分為2,4-二甲基庚烷、4,5-二甲基壬烷、2,6-二甲基壬烷、檸檬烯、十二烷、4,6-二甲基-十二烷，其中半夏、玉米和小麥種植地土壤中的揮發性成分種類大致相同，但成分相對含量有差異。SPME-GC/MS分析方法具有操作簡便、樣品量小、靈敏度高和無溶劑的特點，適用于土壤揮發性成分的快速測定，是對土壤動態環境進行檢測的一種有效方法。

固相微萃取；氣相色譜/質譜；土壤

揮發性有機化合物(Volatile organic compounds,VOCs)是指在標準大氣壓下，室溫下飽和蒸氣壓超過133.32 Pa，常溫下能以氣體的形式存在于空氣中的易揮發性有機化合物[1]。具有隱蔽性、揮發性、毒害性、累積性、多樣性的特點[2]。揮發性有機物能引起機體免疫水平失調，影響中樞神經系統功能，刺激眼睛和皮膚，嚴重時可損傷肝臟和造血系統，對人體健康造成嚴重危害[3-4]。近年來，由于化工生產和污染物肆意排放而致使大量揮發性有機化合物(VOCs)吸附在黏土或有機質中，造成了土壤污染。土壤中的揮發性有機物作為一類特殊的土壤污染物，因其成分復雜及其危害性，被列為環境中潛在危險性大、應優先控制的毒害性污染物[2]。

目前，測定土壤中揮發性有機化合物的前處理方法有常規溶劑萃取、吹掃捕集、靜態頂空、固相微萃取等，近年來，吹掃捕集法和靜態頂空法在研究與實際應用中均較為廣泛[1]。與其他應用比較廣泛的樣品前處理提取技術相比，本文所采用固相微萃取(Solid-phase microextraction,SPME)的土壤樣品前處理方法在國內的研究相對較為落后。目前，在固相微萃取法處理土壤VOCs樣品以進行分析的研究方面，國外有學者應用100 μm PDMS涂層分析了土壤樣品VOCs的情況，最低檢測限為0.002～1.000 μg/kg，可滿足精度的要求[1]。國內學者也只是建立了SPME-GC/MS測定土壤中13種揮發性芳香烴的方法[5]。本研究通過采用固相微萃取(SPME)與氣相色譜質譜(GC/MS)聯用，對不同耕種作物下土壤中揮發性有機物成分進行了分析和測定。探索了適用于土壤中揮發性成分的鑒定和監測方法，以期為土壤動態環境的檢測提供依據。

1 材料與方法

1.1 實驗儀器

Agilent 5975C/6890 GC/MS氣相色譜-質譜聯用儀 (美國安捷倫公司) ；手動固相微萃取裝置(美國Supelco公司) ，萃取纖維頭為70 μm PDMS。

1.2 土壤樣品的來源

土壤樣品1采自貴州省劍河縣柳川鎮鉤藤種植地，土壤樣品2采自貴州省赫章縣河鎮鄉半夏種植地，土壤樣品3采自貴州省開陽縣南江鄉玉米種植地，土壤樣品4采自貴州省威寧縣金斗鄉小麥種植地。

1.3 實驗方法

1.3.1 SPME 過程 本研究考察了固相微萃取條件(萃取涂層類型、萃取溫度、樣品量等)對土壤中主要揮發性成分的影響。通過多次實驗，確定了最佳萃取條件。即將采集的新鮮土壤2 g裝入10 mL采樣瓶，插入70 μm PDMS纖維頭，在50 ℃左右頂空萃取約20 min，快速移出萃取頭并立即插入氣相色譜儀進樣口(溫度250 ℃)中，熱解析3 min進樣。

1.3.2 GC-MS 測定條件 色譜柱為Zebron ZB-5MSI 5% Phenyl-95% DiMethylpolysiloxane (30 m×0.25 mm×0.25 μm)彈性石英毛細管柱，程序升溫，起始溫度40 ℃(保留2 min)，然后以4 ℃/min的速率升溫至250 ℃，氣化室溫度250 ℃；載氣為高純He(99.999%)，流量1.0 mL/min；柱前壓7.6 psi，不分流進樣；溶劑延遲時間為1.5 min。

離子源為EI源；四極桿溫度150 ℃；離子源溫度230 ℃；電子能量70 eV；發射電流34.6 μA；倍增器電壓1350 V；接口溫度280 ℃；質量范圍20～450 amu。

2 結果與分析

采用固相微萃取技術進樣后，經過氣質聯用儀分析，得到的總離子流圖見圖1。

圖1 不同耕種作物下土壤揮發性成分的總離子流圖

對總離子流中的各峰進行MS掃描，得到了相應的MS裂片圖，結合NIST和Wiley 275標準質譜圖庫數據系統，檢索相關質譜信息。根據化合物出峰順序排列，化合物信息以及相對百分含量見表1。

通過質譜數據系統檢索和查對Nist 2008和Wiley 275標準質譜圖，從成熟期鉤藤、半夏、玉米和小麥種植地的土壤中分別鑒定出揮發性成分共計106種，其中鑒定出4種不同耕種土壤中共有的揮發性成分為28種，主要成分為2,4-二甲基庚烷、4,5-二甲基壬烷、2,6-二甲基壬烷、檸檬烯、十二烷、4,6-二甲基-十二烷。除共有成分之外，從鉤藤、半夏、玉米和小麥種植地的土壤中還分別鑒定出43、41、31、25種其他組分，鉤藤種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、順7-甲基-2-癸烯。半夏、玉米和小麥種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 不同耕種作物下土壤揮發性成分的相對含量

續表1:

編號揮發性成分英文名分子式分子量相對含量/%1-鉤藤2-半夏3-玉米4-小麥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-甲基異龍腦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///811，3，5-三甲基環己烷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鄰二甲苯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香檜烯SabineneC10H161360．292///912-甲基-1-壬烯2-Methyl-1-noneneC10H201400．136///92順4-甲基-2-癸烯(Z)-4-methyl-2-DeceneC11H221540．375///93順7-甲基-2-癸烯(Z)-7-methyl--2-DeceneC11H221543．226///94對傘花烴P-CymeneC10H141340．373///95反4-十一碳烯氧(E)-4-UndeceneC11H221541．183///96D-葑酮D-FenchoneC10H16O1521．008///97左樟腦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:/表示在儀器檢出限范圍內，該化合物未被檢出。

3 結論與討論

本實驗分別選擇了PA、100 μm PDMS、70 μm PDMS這3種涂層纖維對目標組分進行萃取，同時結合所有組分的多少、峰面積的影響進行了考察，最后確定采用70 μm PDMS涂層纖維進行SPME提取。在不同萃取溫度(20～60 ℃)的系列實驗中，發現在室溫至50 ℃之前，樣品總峰數隨萃取隨溫度的增加而明顯增加，但當溫度增加到50 ℃時，色譜峰數穩定，綜合考慮各組分的萃取結果，最終選定的萃取溫度為50 ℃。并在此萃取溫度下考察了萃取時間(10～40 min)對揮發性成分的影響，結果表明，萃取時間為20 min 時即有最佳效果。本研究還考察了樣品量(0.5～3.0 g)的影響，結果表明：樣品量為2.0 g時，即可滿足測定要求。

由于土壤環境本身是一種動態環境，介質復雜，化合物種類繁多，無法直接進行檢測分析，并且VOCs在土壤中的含量低，并且易揮發，因此，選擇合適的土壤樣品前處理方法對檢測分析過程是十分重要的。在目前檢測土壤樣品VOCs的前處理方法中，溶劑萃取法的回收率低，加熱會造成溶劑和土壤中VOCs損失；吹掃捕集法處理土壤樣品的過程復雜，并且需要頻繁更換吹掃管，不利于樣品的快速準確檢測[6]。靜態頂空法受平衡時間和溫度的影響較大，溫度越高，蒸汽壓越高，分析靈敏度就越高，但過高的溫度可能導致某些組分的分解或被氧化，從而影響檢測的準確度[7]。SPME前處理法是通過利用涂有吸附劑的石英纖維萃取頭吸附樣品中的待測物，通過樣品與固相涂層之間的平衡達到萃取濃縮的目的。在整個過程中，分析樣品的使用量少，不添加任何有機溶劑，操作簡便且靈敏度高，集萃取、濃縮、解吸、進樣等功能于一體[8-10]。對動態環境下的樣品進行檢測是相對較好的樣品前處理提取方法，與GC/MS聯用的結合，使得樣品中微量揮發性成分得以檢測。在土壤揮發性成分檢測中具有十分重要的應用意義。在實際應用過程中，由于土壤環境的特殊性，一種前處理手段很難取得理想的效果，往往需要多種技術手段結合使用，以提高實驗的準確度。

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(責任編輯：曾小軍)

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

貴州省科技計劃(黔科合省院合[2014]7001號)；貴州省中藥材現代農業產業技術體系建設項目(GZCYTX2015-0202)； 基于貴州特色藥用資源的創新藥物研發團隊及平臺建設(黔科合體Z字[2014]4007號)；貴州省科技廳2015年度科研機 構服務企業行動計劃項目(黔科合服企[2015]4008 號)。

王科(1991─)，男，山西晉城人，碩士研究生，研究方向：土壤肥力與作物生產。*通訊作者：林昌虎。

S153.6，X131.3

A

1001-8581(2017)04-0044-05