土壤中PAHs預處理方法研究進展

孫美辰 王重陽

摘 要：多環芳烴（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，簡稱PAHs）是一種常見的持久性有機污染物，廣泛存在于各種環境中，因其具有較高的生物毒性，受到研究者的廣泛關注。土壤作為地球表層系統的重要組成成分，其中蓄積了大量的多環芳烴。因此，對土壤中多環芳烴含量的準確檢測十分關鍵。本研究對土壤中多環芳烴預處理方式進行調研，著重介紹的提取方法有索氏提取（SOX）、快速溶劑萃?。ˋSE）、固相萃?。⊿PE）、QuEChERS法、超聲波萃?。║SE）等;濃縮方法有氮吹濃縮、旋轉蒸發儀濃縮等;凈化方法有柱層析法、磁固相萃取凈化等。通過對這些方法的原理和優缺點進行分析，為未來多環芳烴檢測預處理研究方向提供依據。

關鍵詞：多環芳烴（PAHs）;土壤;預處理方法;研究進展

中圖分類號：X53 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）10-0115-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.10.026

Research Progress on Pretreatment Methods of PAHs in Soil

SUN Meichen? ? WANG Chongyang

（Miami College of Henan University， Kaifeng 475004，China）

Abstract： Polycyclic Aromatic Hydrocarbons （PAHs） is a common persistent organic pollutant， which widely exists in various environments. Because of its high biological toxicity， it has attracted extensive attention of researchers. As an important component of the earth's surface system， soil accumulates a large amount of polycyclic aromatic hydrocarbons. It is very important to accurately detect the content of polycyclic aromatic hydrocarbons. This study investigated the pretreatment methods of polycyclic aromatic hydrocarbons in soil， focusing on the extraction methods， including SOX， ASE， SPE， QuEChERS， ultrasonic extraction （use）， etc. The concentration methods include nitrogen blowing concentration， rotary evaporator concentration， etc. Purification methods include column chromatography， magnetic solid phase extraction and so on. The principles， advantages and disadvantages of these methods are analyzed to provide a basis for the future research on the detection and pretreatment of polycyclic aromatic hydrocarbons.

Keywords： Polycyclic Aromatic Hydrocarbons （PAHs）; soil; pretreatment method pretreatment method; research progress

0 引言

多環芳烴（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，簡稱PAHs）是含有兩個及以上苯環的碳氫化合物的總稱，是一種典型的持久性有機污染物（Persistent Organic Pollutants，簡稱POPs），具有半揮發性、疏水性、親脂性等特征。PAHs主要來源為生物質、酶和石油類污染，且遷移性較強[1]。

環境中的PAHs可以通過直接或間接的方式進入人體，繼而破壞細胞膜，損壞DNA，使細胞遺傳物質發生改變，存在致畸、致癌和致突變型的潛在危險[2]，損害人體健康。

PAHs在土壤中含量處于痕量級或超痕量級。同時，由于土壤成分復雜，測定過程中存在的干擾物較多，會對測量結果產生一定影響。因此，在PAHs檢測過程中，選取合適的預處理方法對PAHs檢測具有重要意義。土壤中PAHs的預處理過程主要包括提取、濃縮和凈化三個步驟。本研究匯總對比了三個步驟中的不同方法及優缺點，為土壤中PAHs測定過程中預處理方法選擇提供依據。

1 提取方法

1.1 索氏提取（Soxhlet Extraction， SOX）

傳統的索氏提取法主要是利用虹吸原理使液體不斷回流，使土壤樣本不斷與新鮮溶劑接觸。這一過程主要是通過提取液在索氏提取管中不斷蒸出，冷凝回流實現[3]。在使用索氏提取法時，利用索氏提取器和加熱器即可，裝置相對簡單，李盛安等[4]開發了采用全自動索氏提取儀對PAHs萃取的方法。將土壤樣品放置于干凈濾紙桶中，放置棉花于表面并固定于提取杯內，正己烷和乙酸乙酯溶液1∶1混合加入提取杯，高出土壤樣品5 cm（約為80 mL），放入全自動索氏提取儀中。測得平均回收率為80.2%～92.4%，對土壤中多環芳烴的回收率較高，檢測效果良好。索氏提取法的缺點在于萃取時間長，一般在20 h左右。且消耗大量溶劑，成本較高，不利于大批量的土壤樣品檢測。

1.2 快速溶劑萃?。≧apid Solvent Extraction， ASE）

快速溶劑萃取是根據不同溶質在溶劑中的溶解度不同，利用快速溶劑萃取儀，實現高效、快速萃取固體中有機物的方法?？焖偃軇┹腿x可以在加入不同溶劑后滿足不同的萃取溫度和壓力條件[5]。相比于傳統的索氏提取法，ASE優點在于萃取時間相對較短，整個過程在10 min左右，環保且自動化較高，提取效率有很大提高。林晶[6]運用加壓流體萃取，稱取土壤樣品與50 μL替代物稀釋液一同放入快速溶劑萃取儀，選擇對環境影響相對較小的1∶1二氯甲烷/正己烷作為萃取溶劑，相對標準偏差2.6%～13.3%。該方法的缺點在于準備工序、操作相對復雜，除研磨外還需真空冷凍干燥，萃取液成本也相對較高。

1.3 固相萃?。⊿olid Phase Extraction， SPE）

固相萃取法操作主要包括吸附和洗脫兩部分。吸附指的是利用固體吸附劑使目標化合物與物體基質進行分離，之后利用洗脫劑洗脫，再對目標化合物進行富集[7]。固相萃取不需要有機溶劑，因而操作安全，且洗脫液無須濃縮，可直接進行分析。但價格昂貴、成本高且壽命短。周友亞等[8]將磁子、土樣以及微固相萃取料袋一同放入萃取溶劑中。加水封口后加熱至70 ℃持續運轉20 min，將料袋取出、清洗、烘烤，加入1 mL洗脫劑乙腈進行超聲洗脫，洗脫液直接進入氣相色譜分析。萃取過程中萃取時間、水溫和超聲萃取時間均對SPE結果產生影響。

1.4 QuEChERS法應用

QuEChERS（Quick、Easy、Cheap、Effective、Rugged、Safe）是一種分散固相萃取技術。主要是將固相萃取劑分散到樣品萃取液中，從而吸附干擾物，保留目標物進行檢測分析，具有高效分離、高選擇性、高靈敏度和高準確度優勢。為使其更符合有機物質檢測，提高檢測效率，目前QuEChERS在PAHs檢測預處理方面有許多適應性改進方法。其中比較有代表性的是微量QuEChERS法（μ-QuEChERS）和QuEChERS-分散液液微萃取法。

根據譚華東等[9]研究過程，微量QuEChERS 法的研究過程如下：準確稱取1.0 g（精確至0.001 g）土壤樣品，將其置于10 mL塑料離心管內，加入2.0 mL去離子水、2.0 mL V（1%乙酸的乙腈）∶V（二氯甲烷）=2∶1混合溶液。之后輔以超聲萃取。PAHs的加標回收率為70.3%～109.1%。在提取過程中，提取溶劑是影響目標物效率及基質效應的重要因素，根據目標提取物不同，可對提取溶劑做出調整。

分散液液微萃取為2006年ASSADI等發明，是通過分散劑作用將樣液和萃取劑充分混合，形成均相乳濁液體系，增大接觸比表面積，從而達到快速萃取目的。王傳咪等[10]運用QuEChERS-分散液液微萃取法對土壤中的PAHs進行萃取和濃縮，在土壤樣品中分次加入甲醇、二氯甲烷溶液進行多次離心，將離心液合并后加入4 g無水MgSO4和2 g NaCl渦旋30 s。減壓濃縮后加入甲醇超聲提取、離心，用正己烷稀釋后進行分析。其中，提取劑種類和配比均對提取效率和樣品回收率產生影響。且方法操作簡單，適合于PAHs的批量檢測。

1.5 超聲波萃取（Ultrasonic Extraction， USE）

超聲波萃取主要是根據超聲波的空化效應和機械振動增大分子運動速度，增大溶劑萃取能力，加速目標成分進入溶劑，從而提高萃取效率[11]。車凱等[12]在土壤樣品中加入約20 mL體積比為1∶1的正己烷和丙酮混合溶液，以保證提取劑液面高出液體樣本，放入到超聲波萃取儀中萃取。該試驗同時對索氏提取、加壓流體萃取和超聲萃取三種方法進行比較，發現三者的平均回收率無明顯差別，但超聲波萃取法耗時更短，溶劑萃取升溫小，功耗低。目前超聲波萃取技術仍存在自動化程度不高的問題，且在萃取過程中，其余非目標成分也會進入到萃取液中，從而降低了萃取的純度。萃取時間和萃取次數的選擇均對萃取效果產生影響。

1.6 微波萃取法（Microwave Extraction， MAE）

微波萃取法是利用電磁場等致使溶液中分子間摩擦產生熱量，從而增加分子本身的活躍性，使溶質加速進入溶液，進而增加萃取效率。由于萃取時溫度會升高，溫度對溶質品質和萃取效率有限制性影響，因此在選取微波萃取法時，溶液的溫度、萃取時間以及微波功率等都有比較嚴格的要求。侯善華等[13]將固體樣本和體積比為1∶1正己烷-丙酮一同置于萃取罐中，置于微波萃取器，升溫至100 ℃萃取20 min，選用相同溶液多次洗滌萃取后合并，平均加標回收率為87.1%～113.4%。微波萃取法具有選擇性高、節省時間和溶劑等優點。李海燕[14]選用微波萃取法對土壤中的PAHs進行萃取，微波萃取杯中加入有機溶劑量為30 mL，萃取時間同樣僅需20 min。但其萃取過程需要極性溶劑，且設備比較昂貴。

1.7 超臨界流體萃取法（Supercritical Extraction， SFE）

超臨界流體技術是通過改變壓力和溫度使得流體處于一種超臨界狀態，在這種狀態下流體具有相較于常溫、常壓下更強的溶解能力，萃取效率會隨之提高。如使溶質析出，可通過改變溫度與壓力，使溶質的溶解度再次發生改變而析出。高連存等[15]取土樣與無水硫酸鈉進行混合，加入少許酸化的銅屑防止硫化物進入限流器而導致堵塞。在一定條件下，先靜態萃取15 min，后動態萃取一定體積的二氧化碳，最后將萃取物收集于丙酮中，回收率均值為78.5%～104.1%。超臨界萃取具有萃取速度快、選擇性高等特點，且溶劑使用量相對較少，成本相對較低。但超臨界萃取法設備昂貴，且操作難度高，土壤中的水分含量對檢測結果也有一定影響。

1.8 亞臨界水萃取法（Subcritical Water Extraction， SCWE）

亞臨界水指的是在一定壓力和低于水的臨界溫度下，仍然保持液態的高溫度水。由于水在這種狀態下的極性較強，對于土壤中的目標污染物具有一定萃取能力。宓捷波[16]在固相吸附萃取的基礎上結合使用亞臨界水萃取。將樣品與固相萃取填料（海砂）一同放入萃取池中，萃取池于ASE上在90 ℃、10.3 MPa條件下進行亞臨界水萃取，靜態萃取3 min后置換沖洗體積60%，循環萃取兩次后乙腈洗脫，氮吹濃縮。該萃取方法流程中無有害溶劑，綠色環保。且相比于超臨界流體技術操作難度較低，具有更強的推廣性。但由于極性問題，在萃取過程中仍然存在萃取不充分的問題。

1.9 固相微萃取法（Solid Phase Microextraction ，SPME）

固相微萃取法以傳統的固相萃取方式為基礎，以纖維劑作為吸附劑中的固定相，運用吸收原理萃取目標物質。由于土壤本身屬于固體，可先進行加熱，運用固相微萃取法中的頂空萃取法對揮發性有機物進行測定。岳瑞江等[17]將土樣進行研磨，風干等預處理后放入頂空瓶中，加入蒸餾水混勻后置頂空進樣器中平衡30 min進行分析，相對標準偏差小于5.05%。萃取溫度、萃取時間和加水量都對萃取效果產生影響。在對不同目標物質進行萃取時，可選取多組平行試驗進行效果比較。固相微萃取法的纖維頭極易破壞，所以一般而言不可重復試驗。

1.10 協同萃取法

協同萃取法指的是同時使用多種萃取技術對樣本進行萃取分析。例如，用超聲微波協同萃取法對土壤中持久性有機污染物進行萃取時，相較于傳統的索氏提取法，操作更加簡單，萃取時間更短。鄒世春[18]將土壤樣品置于與超聲波換能器緊密黏結的250 mL玻璃萃取容器中，以正己烷-二氯甲烷混合溶液作為萃取劑，放入至超聲微波萃取儀中，冷卻后過濾濃縮，PAHs的平均回收率可達到86.9%，相較于傳統超聲波萃取方式，具有樣品容量大，重現性好等優點。

2 濃縮

濃縮是土壤萃取液處理的重要步驟。萃取液在濃縮過后，溶劑活度降低，濃縮液相較于萃取原液更加穩定，且能顯著提高純化速度和效率。土壤中多環芳烴萃取液濃縮方法主要有氮吹濃縮、旋轉蒸發儀濃縮和離心平行蒸發儀濃縮三種。

氮吹濃縮主要是用儀器將氮氣加壓，使其可控地吹向加熱液體樣品表面，使得樣品中的水分迅速蒸發，進而達到濃縮的目的[19]。氮吹濃縮一般使用氮吹儀進行操作，在濃縮過程中，根據濃縮對象不同，水浴溫度和氮氣氣流壓力均對濃縮效果產生影響。該濃縮方法操作相對便捷，但單個樣品的壓縮時間較長，不適用于需要進行大量蒸發的前處理樣品。

旋轉蒸發儀主要是在減壓的狀態下循環蒸發易揮發性的溶劑而達到濃縮目的。水浴溫度、旋轉速度等都對旋轉蒸發儀濃縮有著一定的影響。楊美玉等[20]將二氯甲烷作為提取液萃取后，放入旋轉蒸發儀濃縮旋蒸至約1 mL，過程中重復加入1 mL乙腈3次后進行測定。

離心平行蒸發儀主要是利用離心力使得液料分離，再通過加熱進行蒸發達到濃縮目的。馮麗等[21]運用ROCKET離心平行蒸發儀，選擇Low BP & Mix模式，通過ΔT的變化判斷剩余溶劑體積。并考察旋轉蒸發儀和離心平行蒸發儀對目標物回收率的影響，具體結果如圖1所示。結果顯示，離心平行蒸發儀回收效果更好。選用離心平行蒸發儀，只需將收集瓶直接放入儀器中，且無須轉移，可多個樣品同時進行，因而操作相對簡單。

3 純化

在提取土壤中PAHs的過程中所選取的萃取溶劑大多數具有半選擇性，由于土壤中成分復雜，提取液中除PAHs外，還有許多干擾性物質，對后續的定量分析產生影響。因此提取液在進行分析之前必須要進行純化，以避免雜質干擾。純化方法的選擇對純化效果和定性、定量的準確性產生重要影響。

3.1 柱層析法

柱層析法是PAHs凈化過程中的常用方法。由于混合物中各物質的性質不同，導致各組分從材料轉移到流動相中的性質不同，提取液在充滿材料的柱體中流動，洗脫其所經過的材料顆粒[22]。根據中心填料不同，柱層析法可分為弗羅里硅土柱（F）、硅膠柱（Si）、PAHs專用柱（MIP-PAHs）、硅酸鎂凈化小柱凈化、活性氧化鋁柱層析法等，具體不同填料的使用條件和效果見表1。柱層析法操作簡單，且推廣性好。

3.2 磁固相萃取凈化

磁固相萃取法是固相萃取法的一種，中心萃取物質選取磁性物質，除保留固相萃取操作簡單的優點之外，萃取效率更高，有機溶劑用量更少。魏丹等[23]取100 mg的ZIF-8/nZVI磁性材料放入燒杯后加入樣品溶液，在室溫下震蕩至完全吸附，利用磁鐵將磁性粒子分離后氮吹，裝入樣品瓶中進行分析測定。該方法操作性強，準確度和精確度好，具有較高的應用性。

3.3 凝膠滲透色譜法

凝膠滲透色譜法主要運用了體積阻滯的分離原理，根據分子性質不同，分子篩分離出與原物質分子不同的物質。張茜等[24]在測定PAHs的過程中先氮吹濃縮，而后將提取液旋轉濃縮至近干，再用環己烷∶乙酸乙酯（體積比為50∶50）溶解后使用自動凝膠滲透色譜系統和在線濃縮系統凈化，使用弗羅里硅土固相萃取柱凈化，二氯甲烷活化后上樣，再使用二氯甲烷洗脫，獲得了良好的凈化效果。

4 結語

本研究對于土壤中PAHs的前處理流程與方法進行描述。土樣中的PAHs經萃取后，萃取液經濃縮、純化等過程可直接進入測定。目前，檢測多環芳烴的方法中被廣泛應用的有高效液相色譜法（HPLC）、氣相色譜-質譜聯用法（GC-MS）、恒能量同步熒光法（CESF）等。在選取合適的多環芳烴的預處理方法的基礎上，要選擇具有選擇性好、快速等優點的檢測方法。

通過對前期萃取、濃縮和純化等方法進行匯總對比，以期為多環芳烴前處理方法的選擇提供依據，也為未來多環芳烴的檢測方法研究提供方向。隨著工業生產和研究需求的不斷發展，PAHs的提取純化方法向高效、快速的方向不斷進步，檢測方法的選擇也從單一轉向多種方法聯用，不斷提高檢測效率。

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