復(fù)墾土地樣品中石油類物質(zhì)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(wèi)亮， 李忠煜

(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心， 陜西 西安 710054)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，大量的石油類污染物排放到環(huán)境中，對(duì)水體、土壤、動(dòng)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(zhì)對(duì)人及動(dòng)物的毒性較大，尤其是以雙環(huán)和三環(huán)為代表的多環(huán)芳烴(PAHs)毒性更強(qiáng)，其通過(guò)呼吸、皮膚接觸等途徑進(jìn)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(zhì)對(duì)環(huán)境的嚴(yán)重污染，生態(tài)環(huán)境部在2018年將石油烴類列為地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)必測(cè)組分及土壤中的主要污染項(xiàng)目并加以限制[9]。

針對(duì)土壤樣品中石油類物質(zhì)的檢測(cè)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(lián)合萃取技術(shù)[18-19]等。測(cè)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(duì)象，各有優(yōu)缺點(diǎn)。如氣相色譜法，測(cè)定的是C10～C40正構(gòu)烷烴的含量，對(duì)多個(gè)組分進(jìn)行定量以及定性分析。該方法操作繁瑣，一個(gè)樣品檢測(cè)需30min且技術(shù)要求高，在不同色譜峰的確定、組分干擾以及最終的數(shù)據(jù)計(jì)算較為困難[32]。2020年4月24日實(shí)施的標(biāo)準(zhǔn)方法《土壤石油類的測(cè)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(jià)格及純化要求較高、保存期限短的缺點(diǎn)，仍然制約著該方法的推廣使用，亟需探索綠色、檢測(cè)效果更佳的土壤中石油類物質(zhì)的檢測(cè)方法。

熒光光譜法具有樣品使用少、預(yù)處理簡(jiǎn)單、快速等優(yōu)勢(shì)而發(fā)展迅速[35-38]。例如，F(xiàn)edotov等[39]采用激光熒光法在355nm激發(fā)波長(zhǎng)下分析了輸油管道泄漏的可能性，通過(guò)對(duì)熒光光譜的形狀分析，為石油泄漏檢測(cè)提供技術(shù)支持。谷艷紅等[40]以機(jī)油、潤(rùn)滑油和柴油為例，建立了土壤中石油烴物質(zhì)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(duì)土壤中石油成分和總含量的檢測(cè)更有效，其可為土壤石油烴污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供快速檢測(cè)方法。李靜[41]建立了熒光分光光度法測(cè)定海洋生物體中石油烴的方法，以鱈魚(yú)和三文魚(yú)為樣品，對(duì)方法的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了驗(yàn)證分析工作，證實(shí)該方法能夠滿足實(shí)驗(yàn)室的分析質(zhì)量要求，可以對(duì)常見(jiàn)海洋生物體中石油烴開(kāi)展監(jiān)測(cè)工作。

復(fù)墾土地經(jīng)過(guò)多年的再生利用及其生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)，樣品中的污染物組分較少，其中的易揮發(fā)性組分含量低，但基質(zhì)復(fù)雜、干擾因素多。本項(xiàng)目組前期對(duì)實(shí)際樣品的三維熒光圖譜研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)正己烷提取后的試液，有很強(qiáng)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(jì)測(cè)定的特定激發(fā)波長(zhǎng)和發(fā)射波長(zhǎng)的熒光強(qiáng)度來(lái)表征樣品中的石油類物質(zhì)含量。并系統(tǒng)探討了方法的技術(shù)指標(biāo)，與現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)方法(紅外分光光度法)進(jìn)行實(shí)際樣品的測(cè)定，對(duì)比方法的優(yōu)缺點(diǎn)，擬為我國(guó)復(fù)墾土壤中石油類物質(zhì)的分析檢測(cè)工作提供方法支持。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器和主要試劑

熒光分光光度計(jì)(LS55型，美國(guó)PerkinElmer公司)：激發(fā)波長(zhǎng)310nm，發(fā)射波長(zhǎng)360nm，狹縫5nm)。紅外測(cè)油儀(OIL-480型，北京華夏科創(chuàng)儀器股份有限公司)：波數(shù)2930cm-1、2960cm-1、3030cm-1。加速溶劑萃取儀(ASE350型,美國(guó)ThermoFisher公司)：萃取壓力8.3MPa，靜態(tài)時(shí)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(guó)Tedia公司)，四氯乙烯(天津市科密歐化學(xué)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(jí)，棕色)，玻璃漏斗(直徑60mm)，弗羅里硅土(450℃灼燒4h)。

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品

標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)石油成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)[GBW(E)080913]，四氯乙烯中紅外測(cè)油儀用標(biāo)準(zhǔn)溶液[GBW(E)130357]。

為了建立不同污染類型來(lái)源、不同污染程度的復(fù)墾土地樣品中石油類物質(zhì)的測(cè)定方法，采集金屬礦區(qū)復(fù)墾土壤、煤田礦區(qū)復(fù)墾土壤、油田礦區(qū)復(fù)墾土壤(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心提供)，將其陰干過(guò)篩，粒徑為0.380～0.177mm，均為多年復(fù)墾治理后土壤樣品，基質(zhì)復(fù)雜，含量高低不等。樣品編號(hào)以下簡(jiǎn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(fā)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(zhǔn)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(tài)時(shí)間5min，循環(huán)2次進(jìn)行樣品前處理。將萃取出的上清液轉(zhuǎn)入50mL具塞比色管中，定容。

所有提取液采用硅酸鎂凈化柱進(jìn)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(cè)。

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(biāo)準(zhǔn)工作溶液，以310nm為激發(fā)波長(zhǎng)，360nm為發(fā)射波長(zhǎng)，狹縫5nm，用10mm石英比色皿進(jìn)行熒光測(cè)定，依據(jù)濃度與熒光響應(yīng)值繪制標(biāo)準(zhǔn)工作曲線。

1.5 方法性能指標(biāo)的研究

根據(jù)《環(huán)境監(jiān)測(cè)分析方法標(biāo)準(zhǔn)制修訂技術(shù)導(dǎo)則》(HJ 168—2010)的要求，開(kāi)展方法的檢出限、精密度以及準(zhǔn)確度等方法參數(shù)研究。

2 結(jié)果與討論

2.1 前處理方法對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

為了研究不同前處理方法對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，開(kāi)展了以下試驗(yàn)，通過(guò)1.3節(jié)中三種不同前處理方法得到的上清液，在激發(fā)波長(zhǎng)310nm、發(fā)射波長(zhǎng)360nm下檢測(cè)。振蕩提取、超聲提取與ASE提取測(cè)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(cè)結(jié)果有很大差異，其中ASE提取的檢測(cè)含量最高，約為振蕩和超聲提取的6倍。

由于ASE提取與傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)復(fù)雜的芳烴類化合物的萃取效率，并且具有自動(dòng)化程度高、條件控制精確、測(cè)定結(jié)果精密度好以及溶劑消耗少等優(yōu)勢(shì)，與前人的研究結(jié)果一致[42-43]。

2.2 工作曲線繪制

按照1.4節(jié)標(biāo)準(zhǔn)工作曲線繪制步驟進(jìn)行，標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度在0.0～20.0mg/L范圍內(nèi)，曲線方程為y=40.877x+7.0619，相關(guān)系數(shù)r2=0.9997，線性關(guān)系良好。

2.3 方法檢出限

根據(jù)HJ 168—2010附錄A中有關(guān)方法檢出限的規(guī)定，按照ASE提取、熒光分光光度計(jì)測(cè)定分析的全部步驟，重復(fù)7次加標(biāo)試驗(yàn)，加標(biāo)量為10μg，計(jì)算7次平行測(cè)定的樣品含量的標(biāo)準(zhǔn)偏差，按以下公式計(jì)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(shí)的t值；n為重復(fù)分析的樣品數(shù)，連續(xù)分析7個(gè)樣品，在99%的置信區(qū)間，t(6，0.99)=3.143；s為7次平行測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。熒光分光光度法測(cè)定土壤中石油類的檢出限為0.40mg/kg，測(cè)定下限為1.60mg/kg。低于《土壤 石油類的測(cè)定》(HJ 1051—2019》紅外分光光度法的檢出限4mg/kg。

表1 檢測(cè)方法的檢出限

2.4 方法精密度

分別對(duì)空白加標(biāo)和實(shí)際樣品進(jìn)行測(cè)試與結(jié)果統(tǒng)計(jì)，計(jì)算方法精密度。

2.4.1空白加標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)10μg、50μg、100μg、250μg和500μg，對(duì)應(yīng)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(jìn)行測(cè)定，計(jì)算平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)?？瞻准訕?biāo)樣品測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2?？瞻准訕?biāo)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(biāo)樣品精密度結(jié)果

2.4.2實(shí)際樣品精密度

實(shí)驗(yàn)室選取了不同濃度的實(shí)際復(fù)墾土壤樣品進(jìn)行方法精密度的測(cè)定，每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定7次，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3。不同濃度土壤實(shí)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(cè)定低含量油污染土壤中總石油烴的精密度(2.3%～6.4%)相當(dāng)，優(yōu)于李靜[41]采用振蕩提取法測(cè)定海洋生物體中石油類物質(zhì)的精密度(10.0%～11.4%)。

表3 實(shí)際樣品精密度結(jié)果

2.5 方法準(zhǔn)確度

分別對(duì)空白加標(biāo)和實(shí)際加標(biāo)樣品進(jìn)行測(cè)試與結(jié)果統(tǒng)計(jì)，計(jì)算方法準(zhǔn)確度。

2.5.1空白樣品加標(biāo)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確度

稱取5g(精確至0.01g)烘烤過(guò)的石英砂5批，每批7份，分別加入石油類標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)10μg、50μg、100μg、250μg和500μg，對(duì)應(yīng)土壤石油類物質(zhì)濃度為2mg/kg、10mg/kg、20mg/kg、50mg/kg和100mg/kg。按照本方法分析步驟進(jìn)行測(cè)定，計(jì)算回收率，結(jié)果見(jiàn)表2?？瞻讟悠窚y(cè)定的加標(biāo)回收率在94.1%～99.6%之間。

2.5.2實(shí)際樣品加標(biāo)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確度

實(shí)驗(yàn)室選取了3個(gè)濃度約為10mg/kg、80mg/kg和280mg/kg的油田復(fù)墾土壤和金屬礦復(fù)墾土壤實(shí)際樣品進(jìn)行加標(biāo)測(cè)定準(zhǔn)確度，加標(biāo)量為分別為50μg、400μg和1400μg，加標(biāo)濃度分別為10mg/kg、80mg/kg和280mg/kg。按照本方法分析步驟進(jìn)行測(cè)定，計(jì)算平均值和加標(biāo)回收率。實(shí)際樣品加標(biāo)回收率為89.0%～95.7%(表4)。由于土壤基質(zhì)復(fù)雜，盡管對(duì)石油類物質(zhì)有一定的吸附能力，但ASE高溫高壓密閉的條件有利于對(duì)石油類物質(zhì)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(cè)定土壤中石油烴的回收率為83.2%～106%，采用HJ 1051—2019測(cè)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(cè)定土壤中石油烴的回收率為87.5%～96.0%。本方法回收率優(yōu)于以上方法。

表4 實(shí)際樣品加標(biāo)回收率

3 與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)方法的對(duì)比

采用本文研究的方法與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)方法(HJ 1051—2019)紅外分光光度法進(jìn)行實(shí)際樣品的檢測(cè)對(duì)比。由表5的比對(duì)結(jié)果可以看出，針對(duì)5個(gè)含量梯度的實(shí)際樣品精密度數(shù)據(jù)，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(cè)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(cè)實(shí)際樣品結(jié)果對(duì)比

從實(shí)際樣品的檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，低含量樣品(如煤-1、油-1)熒光分光光度法的檢測(cè)值略低于紅外分光光度法，而高含量的樣品檢測(cè)值遠(yuǎn)高于紅外分光光度法，如油-3樣品檢測(cè)值約為紅外法的5.6倍。

分析其原因有以下三個(gè)方面：①熒光分光光度法采用ASE前處理樣品，萃取溫度、時(shí)間、壓力均為電腦控制，每次萃取條件一致，重復(fù)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(dá)到土壤顆粒的間隙中，將石油類物質(zhì)高效地提取出來(lái)，尤其是對(duì)于復(fù)雜的多環(huán)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(fā)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(jìn)行，萃取效率不高[45]。③對(duì)于部分低含量的樣品，紅外分光光度法測(cè)定的是波數(shù)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(cè)定值略高于熒光分光光度法。

4 結(jié)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(cè)定試樣，以特定熒光強(qiáng)度值表征石油類物質(zhì)含量的分析方法。系統(tǒng)地探討了方法的主要技術(shù)參數(shù)，以海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)石油標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為標(biāo)準(zhǔn)樣品配制標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，研究表明該方法檢出限低，精密度高，樣品加標(biāo)回收率大于90%。以油田、煤礦、金屬礦區(qū)的復(fù)墾土壤實(shí)際樣品為對(duì)象，與現(xiàn)行有效的紅外分光光度法對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)該方法顯著提高了樣品的萃取效率和檢測(cè)精密度，所用試劑毒性小，樣品前處理高效且自動(dòng)化，測(cè)定過(guò)程及結(jié)果處理簡(jiǎn)便，能夠滿足實(shí)驗(yàn)室的分析質(zhì)量要求，對(duì)我國(guó)復(fù)墾土壤中石油類物質(zhì)的分析檢測(cè)工作提供了方法支持。

由于熒光分光光度計(jì)檢測(cè)器有檢測(cè)上限，對(duì)于高含量的復(fù)墾土地樣品，因樣品中有機(jī)污染物組分復(fù)雜，芳烴類物質(zhì)含量高，測(cè)定過(guò)程中易造成超出儀器檢出范圍及標(biāo)準(zhǔn)曲線的上限，如何快速、有效地檢測(cè)需開(kāi)展進(jìn)一步研究。