復墾土地樣品中石油類物質加速溶劑萃取-熒光分光光度法分析方法研究

趙江華， 王鵬， 黎衛亮， 李忠煜

(中國地質調查局西安地質調查中心， 陜西 西安 710054)

隨著現代工業的發展，大量的石油類污染物排放到環境中，對水體、土壤、動植物和人類造成了巨大的危害和影響[1-3]。石油類污染物含有的芳香烴類物質對人及動物的毒性較大，尤其是以雙環和三環為代表的多環芳烴(PAHs)毒性更強，其通過呼吸、皮膚接觸等途徑進入人體，可造成肺功能下降，并威脅人體健康[4-8]。由于石油烴類物質對環境的嚴重污染，生態環境部在2018年將石油烴類列為地下水質量標準必測組分及土壤中的主要污染項目并加以限制[9]。

針對土壤樣品中石油類物質的檢測工作，常用的前處理方法主要有索氏提取[10]、振蕩提取[11]、超聲萃取[12-13]、超臨界流體萃取[14]、加速溶劑萃取(ASE)[15-17]及聯合萃取技術[18-19]等。測定方法主要有重量法[20]、氣相色譜法[21-23]、紅外分光光度法[24]、非分散紅外光度法[25]、紫外光譜法[26]和熒光光譜法[27-31]。各種方法均以不同的石油類組分為分析對象，各有優缺點。如氣相色譜法，測定的是C10～C40正構烷烴的含量，對多個組分進行定量以及定性分析。該方法操作繁瑣，一個樣品檢測需30min且技術要求高，在不同色譜峰的確定、組分干擾以及最終的數據計算較為困難[32]。2020年4月24日實施的標準方法《土壤石油類的測定紅外分光光度法》(HJ1051—2019)雖然以四氯乙烯替代被禁用的四氯化碳，但其致癌毒性[33-34]、價格及純化要求較高、保存期限短的缺點，仍然制約著該方法的推廣使用，亟需探索綠色、檢測效果更佳的土壤中石油類物質的檢測方法。

熒光光譜法具有樣品使用少、預處理簡單、快速等優勢而發展迅速[35-38]。例如，Fedotov等[39]采用激光熒光法在355nm激發波長下分析了輸油管道泄漏的可能性，通過對熒光光譜的形狀分析，為石油泄漏檢測提供技術支持。谷艷紅等[40]以機油、潤滑油和柴油為例，建立了土壤中石油烴物質的三維熒光分析方法，該法將土壤混合石油烴污染的平均回收率由85%提高至95%，對土壤中石油成分和總含量的檢測更有效，其可為土壤石油烴污染風險評估提供快速檢測方法。李靜[41]建立了熒光分光光度法測定海洋生物體中石油烴的方法，以鱈魚和三文魚為樣品，對方法的技術指標進行了驗證分析工作，證實該方法能夠滿足實驗室的分析質量要求，可以對常見海洋生物體中石油烴開展監測工作。

復墾土地經過多年的再生利用及其生態系統恢復，樣品中的污染物組分較少，其中的易揮發性組分含量低，但基質復雜、干擾因素多。本項目組前期對實際樣品的三維熒光圖譜研究發現，經正己烷提取后的試液，有很強的熒光吸收。本文采用正己烷為溶劑，ASE萃取作為前處理手段，用熒光分光光度計測定的特定激發波長和發射波長的熒光強度來表征樣品中的石油類物質含量。并系統探討了方法的技術指標，與現行的標準方法(紅外分光光度法)進行實際樣品的測定，對比方法的優缺點，擬為我國復墾土壤中石油類物質的分析檢測工作提供方法支持。

1 實驗部分

1.1 儀器和主要試劑

熒光分光光度計(LS55型，美國PerkinElmer公司)：激發波長310nm，發射波長360nm，狹縫5nm)。紅外測油儀(OIL-480型，北京華夏科創儀器股份有限公司)：波數2930cm-1、2960cm-1、3030cm-1。加速溶劑萃取儀(ASE350型,美國ThermoFisher公司)：萃取壓力8.3MPa，靜態時間5min，萃取溫度80℃。水平振蕩器(HY-10大型水平搖床，江蘇金壇市雙華儀器有限公司)。超聲振蕩器。硅酸鎂凈化柱(1g，6mL)。

正己烷(色譜純，美國Tedia公司)，四氯乙烯(天津市科密歐化學試劑有限公司，紅外光譜專用)。馬弗爐，天平，氣密性微量注射器，具塞錐形瓶，容量瓶(10mL，50mL，A級，棕色)，玻璃漏斗(直徑60mm)，弗羅里硅土(450℃灼燒4h)。

1.2 實驗樣品

標準物質：海洋環境監測石油成分分析標準物質[GBW(E)080913]，四氯乙烯中紅外測油儀用標準溶液[GBW(E)130357]。

為了建立不同污染類型來源、不同污染程度的復墾土地樣品中石油類物質的測定方法，采集金屬礦區復墾土壤、煤田礦區復墾土壤、油田礦區復墾土壤(中國地質調查局南京地質調查中心提供)，將其陰干過篩，粒徑為0.380～0.177mm，均為多年復墾治理后土壤樣品，基質復雜，含量高低不等。樣品編號以下簡稱“金-1，金-2，煤-1，油-1，油-3”。

1.3 樣品前處理方法

1.3.1振蕩提取

準確稱取10.0g樣品，加入30mL正己烷溶劑，25℃條件下，置于水平振蕩器上，以200r/min振蕩30min。靜置至清澈，將上清液倒至比色管中，待凈化。

1.3.2超聲提取

準確稱取10.0g樣品，加入20mL正己烷溶劑，25℃條件下，置于超聲波發生器中，超聲提取15min，倒出上清液；再次加入10mL正己烷溶劑，超聲提取15min，合并提取液，待凈化。

1.3.3加速溶劑萃取提取

準確稱取5.0g樣品，采用正己烷為萃取溶劑，溫度80℃，壓力1200psi，靜態時間5min，循環2次進行樣品前處理。將萃取出的上清液轉入50mL具塞比色管中，定容。

所有提取液采用硅酸鎂凈化柱進行凈化，將前端流出的5mL部分棄去，剩下的流至比色管中，待測。

1.4 工作曲線的繪制

以正己烷為溶劑，配制濃度梯度為0、0.2、0.5、1.0、2.0、5.0、10、20mg/L的標準工作溶液，以310nm為激發波長，360nm為發射波長，狹縫5nm，用10mm石英比色皿進行熒光測定，依據濃度與熒光響應值繪制標準工作曲線。

1.5 方法性能指標的研究

根據《環境監測分析方法標準制修訂技術導則》(HJ 168—2010)的要求，開展方法的檢出限、精密度以及準確度等方法參數研究。

2 結果與討論

2.1 前處理方法對檢測結果的影響

為了研究不同前處理方法對檢測結果的影響，開展了以下試驗，通過1.3節中三種不同前處理方法得到的上清液，在激發波長310nm、發射波長360nm下檢測。振蕩提取、超聲提取與ASE提取測定的平均含量分別為18.3mg/kg、20.1mg/kg、121.3mg/kg。精密度分別為3.01%、3.76%、3.19%。三種提取方法的精密度(RSD)為3%左右，差異不大，但檢測結果有很大差異，其中ASE提取的檢測含量最高，約為振蕩和超聲提取的6倍。

由于ASE提取與傳統的振蕩提取法、超聲波提取以及索氏提取法相比，高溫高壓能明顯提高分子量大、結構復雜的芳烴類化合物的萃取效率，并且具有自動化程度高、條件控制精確、測定結果精密度好以及溶劑消耗少等優勢，與前人的研究結果一致[42-43]。

2.2 工作曲線繪制

按照1.4節標準工作曲線繪制步驟進行，標準溶液的濃度在0.0～20.0mg/L范圍內，曲線方程為y=40.877x+7.0619，相關系數r2=0.9997，線性關系良好。

2.3 方法檢出限

根據HJ 168—2010附錄A中有關方法檢出限的規定，按照ASE提取、熒光分光光度計測定分析的全部步驟，重復7次加標試驗，加標量為10μg，計算7次平行測定的樣品含量的標準偏差，按以下公式計算方法檢出限(MDL)。

MDL=t(n-1,0.99)×s

式中：t(n-1，0.99)為置信度99%、自由度為n-1時的t值；n為重復分析的樣品數，連續分析7個樣品，在99%的置信區間，t(6，0.99)=3.143；s為7次平行測定的標準偏差。

實驗測定結果見表1。熒光分光光度法測定土壤中石油類的檢出限為0.40mg/kg，測定下限為1.60mg/kg。低于《土壤 石油類的測定》(HJ 1051—2019》紅外分光光度法的檢出限4mg/kg。

表1 檢測方法的檢出限

2.4 方法精密度

分別對空白加標和實際樣品進行測試與結果統計，計算方法精密度。

2.4.1空白加標樣品精密度

稱取5g(精確至0.01g)已烘烤的弗羅里硅土5批，每批7份，分別加入石油類標準物質10μg、50μg、100μg、250μg和500μg，對應土壤石油類濃度為2mg/kg、10mg/kg、20mg/kg、50mg/kg和100mg/kg。按照本方法分析步驟進行測定，計算平均值、標準偏差和相對標準偏差(RSD)。空白加標樣品測試結果見表2。空白加標的方法精密度范圍在1.38%～8.87%之間，均小于10%。

表2 空白加標樣品精密度結果

2.4.2實際樣品精密度

實驗室選取了不同濃度的實際復墾土壤樣品進行方法精密度的測定，每個樣品重復測定7次，測定結果見表3。不同濃度土壤實際樣品的方法精密度(RSD)范圍在1.10%～8.76%之間，均小于10%，具有良好的精密度，與馬曉利等[16]利用快速溶劑萃取-紅外分光光度法測定低含量油污染土壤中總石油烴的精密度(2.3%～6.4%)相當，優于李靜[41]采用振蕩提取法測定海洋生物體中石油類物質的精密度(10.0%～11.4%)。

表3 實際樣品精密度結果

2.5 方法準確度

分別對空白加標和實際加標樣品進行測試與結果統計，計算方法準確度。

2.5.1空白樣品加標實驗準確度

稱取5g(精確至0.01g)烘烤過的石英砂5批，每批7份，分別加入石油類標準物質10μg、50μg、100μg、250μg和500μg，對應土壤石油類物質濃度為2mg/kg、10mg/kg、20mg/kg、50mg/kg和100mg/kg。按照本方法分析步驟進行測定，計算回收率，結果見表2。空白樣品測定的加標回收率在94.1%～99.6%之間。

2.5.2實際樣品加標實驗準確度

實驗室選取了3個濃度約為10mg/kg、80mg/kg和280mg/kg的油田復墾土壤和金屬礦復墾土壤實際樣品進行加標測定準確度，加標量為分別為50μg、400μg和1400μg，加標濃度分別為10mg/kg、80mg/kg和280mg/kg。按照本方法分析步驟進行測定，計算平均值和加標回收率。實際樣品加標回收率為89.0%～95.7%(表4)。由于土壤基質復雜，盡管對石油類物質有一定的吸附能力，但ASE高溫高壓密閉的條件有利于對石油類物質的提取，所得回收率較為理想。曹攽等[13]采用超聲萃取-氣相色譜法測定土壤中石油烴的回收率為83.2%～106%，采用HJ 1051—2019測定的回收率為83.6%～91.7%。趙昌平等[17]采用快速溶劑萃取-氣相色譜法測定土壤中石油烴的回收率為87.5%～96.0%。本方法回收率優于以上方法。

表4 實際樣品加標回收率

3 與現行標準方法的對比

采用本文研究的方法與現行標準方法(HJ 1051—2019)紅外分光光度法進行實際樣品的檢測對比。由表5的比對結果可以看出，針對5個含量梯度的實際樣品精密度數據，相比紅外法，熒光分光光度法精密度顯著提高了11.5%～67.3%，樣品待測組分含量越高，效果越明顯。

表5 熒光分光光度法與紅外分光光度法檢測實際樣品結果對比

從實際樣品的檢測結果來看，低含量樣品(如煤-1、油-1)熒光分光光度法的檢測值略低于紅外分光光度法，而高含量的樣品檢測值遠高于紅外分光光度法，如油-3樣品檢測值約為紅外法的5.6倍。

分析其原因有以下三個方面：①熒光分光光度法采用ASE前處理樣品，萃取溫度、時間、壓力均為電腦控制，每次萃取條件一致，重復誤差小[44]，而紅外分光光度法前處理為振蕩提取，人為影響大。②ASE提取條件為高溫高壓，使萃取溶劑極易達到土壤顆粒的間隙中，將石油類物質高效地提取出來，尤其是對于復雜的多環芳烴類化合物，且萃取罐的密閉條件不易造成有效成分的揮發損失。紅外分光光度法的振蕩提取，采用磨口三角瓶在常溫條件下進行，萃取效率不高[45]。③對于部分低含量的樣品，紅外分光光度法測定的是波數為2930cm-1、2960cm-1、3030cm-1譜帶處的特征吸收，其中包含了部分飽和烷烴組分，故測定值略高于熒光分光光度法。

4 結論

本文建立了加速溶劑萃取作為樣品前處理的方法，熒光分光光度法測定試樣，以特定熒光強度值表征石油類物質含量的分析方法。系統地探討了方法的主要技術參數，以海洋環境監測石油標準物質為標準樣品配制標準工作曲線，研究表明該方法檢出限低，精密度高，樣品加標回收率大于90%。以油田、煤礦、金屬礦區的復墾土壤實際樣品為對象，與現行有效的紅外分光光度法對比，實驗結果證實該方法顯著提高了樣品的萃取效率和檢測精密度，所用試劑毒性小，樣品前處理高效且自動化，測定過程及結果處理簡便，能夠滿足實驗室的分析質量要求，對我國復墾土壤中石油類物質的分析檢測工作提供了方法支持。

由于熒光分光光度計檢測器有檢測上限，對于高含量的復墾土地樣品，因樣品中有機污染物組分復雜，芳烴類物質含量高，測定過程中易造成超出儀器檢出范圍及標準曲線的上限，如何快速、有效地檢測需開展進一步研究。