土壤中多环芳烃检测方案(微波萃取仪)

Table 4 Comparison of recovery of PAHs using closed microwave and open ultrasound-microwave extraction 微波-超声波协同萃取装置用于土壤中多环芳烃的分析 邹世春' 帅率1 张和清” 沈潜2 (中山大学化学与化学工程学院，广州，510275；上海新拓微波溶样测试技术有限公司，上海，200030) 摘要：本研究将开放式微波和直接超声波振荡两种不同的萃取方式相结合，研制开放式微波-超声波协同萃取装置，并将该技术和装置用于土壤中多环芳烃(PAHs)的萃取测定。实验结果表明，当使用 60mL 1：1二氯甲烷-正已烷混合萃取剂，100W微波辐射功率(超声振动功率固定为50 W)，协同萃取9 min 后，土壤中多环芳烃萃取回收率达80%以上，相对标准偏差为4%。与索氏抽提和高压密闭微波萃取方法相比，新仪器和方法具有样品容量大、萃取时间短、受受品中含水量影响小以及安全可靠等优点。 关键词：微波，超声波，协同萃取， PAHs， 土壤 1.引言 固相样品中包括多环芳烃 (PAHs)等有机物的萃取分析，常用索氏萃取、超声波萃取以及开放式和密闭式微波辅助萃取等方法。这些方法均具有各自的优点，但也存在一些不足。如索氏抽提法耗时较长、超声波萃取效率较低；高压微波辅助萃取对萃取罐材料的强度和密封性要求很高、样品处理量较小、安全性较差，且需较长冷却时间；开放式微波辅助萃取从-定程度上克服了密闭式微波辅助萃取的不足，但其萃取效率不高。近年来，有报道将超声波和开放式微波相结合，用于有机合成等方面的研究，但未见用于样品前处理方面的报道，而且其中的超声波能量是通过介质(如水等)传递，效率较低。 本研究将开放式微波与直接超声波振荡相结合，研制了相关仪器装置，尝试发展和建立常压条件下的开放式微波-超声波协同萃取方法。为验证该方法的可行性，将其用于土壤中微量多环芳烃的萃取，并与经典索氏萃取和高压密闭微波辅助萃取方法进行了比较。 2.实验部分 2.1主要仪器 微波-超声波协同萃取仪 (CW-2000型，超声波频率为40 KHz： 微波功率从 0~800W可调，中山大学与上海新拓微波溶样测试技术有限公司联合研制)，其工作原理如图1所示。高压密闭微波微解仪 (XT-9900 型，，上海新拓微波溶样测试技术有限公司) HP4890 型气相色谱仪(Angilent， USA)；VB-1型熔融石英毛细管柱(30m×0.25mm(id)×0.25um)；旋转蒸发仪。 2.2试剂 多环芳烃混合标准品： TCL PAHs mixtures (30ug/mL， Supelco. USA)，内含萘(NA)、烯(AC)、二氢氢(ACE)、芴(FL)、蔥(AN)、菲(PHE)、芘(PY)、荧蒽(FL)、苯 并千(BaA)、chrysene (Chry)、苯并[k]荧蒽(BkF)、苯并[ a]芘(BaP)、苯并[b]荧蒽(BbF)、苯并[g，h，i]芘、二苯并[a，h]蒽(D[a，h]A)、茚并[1，2，3-cd]芘(I[c，d]P) 16种PAHs， 根据需要配制成不同浓度的甲醇溶液待用。 正己烷、二氯甲烷、甲醇、无水硫酸钠均为分析纯(天津试剂厂)；正己烷、二氯甲烷均经重蒸净化；无水硫酸钠在使用前，在450℃灼烧8h 脱水；丙酮为 HPLC级色谱纯(天津试剂厂)。玻璃纤维、滤纸及无水硫酸钠等分别用甲醇、丙酮、、二氯甲烷、正己烷索氏抽提8h。所有玻璃器皿均在150℃干燥，使用前使用试剂进行淋洗。 加标土壤试样的制备：所用土壤样品采自校园内的表层的土壤和海底沉积物，经风干、去杂、研碎后过60目筛，再用甲醇、丙酮、、二二氯甲烷及正己烷分别索氏抽提24h。然后在经抽提的样品中加入 PAHs标准液，使样品中各 PAH含量为 0.1 ug/g。制备的样品置于4℃以下的冰箱保存。 2.3实验方法及测量条件 2.3.1微波-超声波协同萃取步骤：定量称取10 g加标土壤试样，置于与50W 超声波换能器紧密粘结的250 mL 玻璃萃取容中，加入适量的萃取溶剂，将换能器卡入微波腔中央底部，萃取容器通过转换接头与一球形冷凝管相连(如图1所示)。设定萃取时间和微波辐射功率，开启仪器。当萃取完成后，再放置冷却片刻，取出。于萃取容器中加入适量无水硫酸钠以除去水分，倾出上层溶液于玻璃漏斗，过滤得澄清液。将滤液以旋转蒸发仪小心浓缩至近干，转移至细胞瓶后再用N2吹扫至1mL，待测。 图1开放式微波-超声波协同萃取原理图 Fig. 1 Schematic diagram of open microwave-ultrasound combined reactor 工作过程：将样品容器与功率为 50W 的超声波换能器紧密粘结后置入微波辐射腔内使其产生直接超声振动，与此同时，磁控管上发射天线上的微波通过波导管作用于样品及溶剂。受热溶剂蒸汽经冷凝管冷却并回流至样品容器。 2.3.2索氏抽提：准确称取10g加标土壤样品，加入约3g无水硫酸钠，，以100mL 丙酮-正己烷(1：1)混合溶剂，抽提8h。萃取完毕后，将滤液以旋转蒸发仪浓缩至近干，转移至细 胞瓶后再用N2吹扫至1mL， 待测。 2.3.3色谱分析条件：进样口温度280℃； FID 检测器温度，300℃；程序升温从90℃开始，保持1 min， 以20℃/min 升至200℃，再以3℃/min 升至210℃，最后以5℃/min 升至290℃，保持12 min； 进样1 min 后开启分流阀；进样量为1uL. 3.结果与讨论 3.1 微波-超声波协同萃取条件的选择 微波或超声波萃取效率与许多因素有关，如溶剂类型和体积、萃取时间和微波辐射功率等。根据各种萃取剂对微波能的吸收以及对目标物的溶解特性，比较常用于微波萃取剂的主要有甲醇、乙醇、丙酮、二氯甲烷和苯等。目前，用于萃取土壤中 PAHs 的溶剂多为二氯甲烷、丙酮、正己烷和甲苯等。本研究究择二氯甲烷、：二氯甲烷-正已烷和丙酮-正己烷三种不同的萃取体系，考查了溶剂体积、萃取时间和功率对萃对土壤中 PAHs 回收率的影响，设计了四因素三水平(辐射功率为拟三水平)的正交实验，结果如表1所示： 表1开放式微波-超声波协同萃取实验正交表及结果 Table 1 The results of orthogonal experiments 萃取时间 辐射功率 溶剂用量 平均回收率 实验序号 萃取溶剂 (min) (W) (mL) (%，n=3) 1 DCM 3 300 100 60.0 2 DCM 6 100 80 76.2 3 DCM 9 300 60 78.3 4 A/H 100 60 62.3 5 A/H 300 100 74.2 6 A/H 9 300 80 81.1 7 D/H 300 80 71.2 8 D/H 6 300 60 71.8 9 D/H 9 100 100 81.8 平均值1 71.500 64.500 72.767 72.000 平均值2 72.533 74.067 73.433 76.167 平均值3 74.933 80.400 70.800 极差 3.433 15.900 0.666 5.367 — DCM：二氯甲烷； A/H：丙酮-正一烷(1：1)； D/H：二氯甲烷-正己烷(1：1) 在所选择的二氯甲烷、、二氯甲烷-正已烷和丙酮-正己烷三种萃取体系对土壤中 PAHs 的回收率差别不大，但以二氯甲烷-正己烷萃取体系萃取效率略高。同时，考虑到二氯甲烷沸点较低，易蒸发浓缩，因此本研究采用二氯甲烷-正已烷(1：1)混合萃取剂。 实验表明，开放式微波-超声波协同萃取土壤中16种PAHs的平均回收率在60.0%~81.8%之间。当选择丙酮-正己烷(1：1)萃取溶剂，萃取时间为9 min， 微波辐射功率为100W，溶剂用量为100mL时，平均回收率可达81.8%。萃取时间极差最大(15.900)，表明萃取时间是影响萃取效率的重要因素。进一步的实验表明，当萃取时间在 9-12min 时可获得令人满 意的回收率(图2)。 图2萃取时间对PAHs回收率的影响 The effect of extraction time on recovery of PAHs in soil 尽管微波辐射功率和溶剂用量对开放式微波-超声波协同萃取效率影响相对较小。但由于较高功率易使萃取液暴沸，有可能致萃取过程不易控制，从而造成回收率下降，重现性变差。因此，在保证合适回收率和较少偏差的情况下，应选用尽可能小的辐射功率；萃取回收率随着溶剂用量增加而增大，在80 mL时萃取回收率 最大(表1)。但当用量为 100 mL 或以上时，萃取回收率下降。这可能是因为溶剂过多，溶剂在萃取和浓缩过程中因沸腾或浓缩蒸发，使PAHs 中易挥发组分损失的缘故。实验表明，60 mL 萃取溶剂即可达到令人满意的萃取效果。 3.2样品湿度对萃取效率的影响 在密闭微波萃取体系中，土壤中的水分对萃取效率有很大的影响。同样的，在微波-超声波联合萃取体系中，也应考虑土壤样品含水量对萃取效率的影响。本实验以二氯甲烷一正己烷(1：1)为萃取溶剂，试验了土壤含水量对各种多环芳烃萃取效率的影响，其结果如表3所示。 表2土壤湿度对 PAHs 萃取回收率的影响 Table2The effect of water content on the recoveries of PAHs in soil sample各种PAH平均回收率(%，n=3) 目标物 0% 10% 20% 30% 苊烯 66.7 69.5 60.2 54.1 92.4 93.2 74.7 65.5 89.8 90.6 71.3 65.7 菲 97.0 97.4 83.5 76.1 蒽 86.0 89.5 78.9 68.5 荧蒽 92.9 91.7 83.1 72.7 芘 95.6 94.1 83.1 74.8 苯并[a]蒽 90.2 91.2 75.8 64.6 Chrysene 87.8 90.1 77.9 65.2 苯并[b]荧蒽及 苯并[k]荧蒽 78.0 79.6 69.5 56.0 苯并[a]芘 81.1 83.4 71.8 54.4 苯并[ghi]花 81.8 85.9 70.0 49.6 总平均回收率 86.6 88.0 75.0 63.9 可见，土壤中含有适量水分可以使萃取回收率提高，但提高并不明显。该结果表明，对微波萃取效率影响较大水含量，，当有超声波的协同作用时，该影响可忽略不计。换句话说，只要样品水含量少于10%，微波-超声波协同萃取可克服因样品含水量的差别对萃取的影响。 从表3亦发现，当含水量超过20%时， 萃取效率下降。这可能是因为大量水分的存在可吸收大量微波，使微波只起到加热作用，而失去原有的通过有机溶剂萃取 PAHs 的功能 3.3 开放式微波-超声波协同萃取方法与其它萃取方法的比较 在多数方法评价中，常将新方法的萃取结果与索氏抽提法的萃取结果进行比较，以考查萃取方法的可行性。本研究中，为进一步验证微波-超声波协同萃取方法的可行性，将该方法与传统索氏抽提法进行了比较。表4给出了两种方法对各 PAHs 萃取结果。从表中可见，采用微波-超声波协同萃取方法处理样品9 min 时的萃取回收率高于索氏抽提方法萃取8h的萃取回收率，而且微波-超声波协同萃取方法所需溶剂少、重现性高，表明微波-超声波协同萃取结果具有极大的优越性。 表3微波-超声波协同萃取与索氏抽提方法对各 PAH 的回收结果比较 Table 3 Comparison of mean recoveries of PAHs in soil using Soxhlet and ultrasound-microwave extractions 目标物 微波-超声波协同萃取(n=3) 索氏抽提(n=3) 平均回收率 对标准偏差 平均回收率 相对标准偏差 (%) (%) (%) (%) 苊烯 66.7 2.6 64.6 3.4 苊 92.4 4.4 67.9 7.2 芴 89.8 6.5 76.4 4.7 97.0 6.5 89.3 5.6 86.0 4.0 77.9 5.2 荧蒽 92.9 3.9 82.7 3.5 芘 95.6 4.0 77.3 7.8 苯并[a]蔥 90.2 9.8 81.7 7.4 Chrysene 87.8 1.8 72.5 3.2 苯并[b]荧蒽及 苯并[k]荧蒽 78.0 1.7 72.5 3.8 苯并[a]芘 81.1 1.3 72.4 2.5 苯并[ghi]莊 81.8 2.0 70.6 2.3 平均回收率 86.6 3.3 75.5 4.7 近年来， MAE 方法作为一种有效的前处理的方法而得到广泛应用。相对索氏抽提等传统萃取方法，它具有快速、高效、环境友好等特点。但是由于它价格昂贵，萃取样品量少(通常情况下小于10g)，萃取罐易老化，安全性较差，因此其应用也受到了一定的限制。本研究提出的开放式微波-超声波萃取结合了开放式微波(MW)和常常超声波(US)各自的优点，克服了 MAE方法的一些不足。 表5比较了 US-MW 和 MAE 方法对 PAHs 的萃取效果。可见，尽管MAE 方法的萃取回收率在80%以上，但我们在实验中也时常发现，高压条件下的 MAE 方法，经常使萃取容 表4 微波辅助萃取与开放式微波-超声波协同萃取的结果比较 萃取方法 密闭微波协助萃取 本研究 (MAE) (US-MW) 萃取样品量/g 2.0 10.0 20g 溶剂类型 A/H D/H D/H 萃取时间/min 9 9 9 微波功率/W 400 100 100 平均回收率(%) 82.1 86.6 84.4 RSD(%) 6.2 4.0 3.1 器内的溶剂泄漏，从而导致回收率降低或重现性变差，尤其是使用低沸点，易挥发溶剂的泄漏较为严重；另·-方面， MAE 方法可使用的萃取罐的容量较小(通常为30-50 mL)，较少用于>10g的样品萃取，不适于含量低，比重小的样品前处理，而且需要较长时间的冷却减压。 与高压密闭微波萃取相比，开放式超声一微波协同萃取一个主要优点是其萃取的样品量较大，从而可提高测定的灵敏度。使用60mL二氯甲烷一正己烷(1：1)依次萃取10、20、50g 土壤样品得到的总 PAHs 的回收率分别为 86.6、84.4、和73.1%，结果令人满意。但在样品量达到50g时回收率有一定程度的下降，这主要是因为萃取完成并倾出萃取液后，仍有较大量溶剂留存于样品中，从而使萃取不完全所致。如果再加入适量萃取溶剂，并开启超声波“清洗”几分钟后合并萃取液，回收率仍可达80%以上。进一步的实验表明，新方法对海洋沉积物中 PAHs 的萃取结果与土壤的萃取结果相似。 值得指出的是，与开放式微波萃取相比，协同萃取方法对多数 PAHs 的萃取回收率提高并不十分显著。这可能是由于实验采用的合成土壤样品含沙量高、有机质较少且经过有机溶剂净化处理，土壤对 PAHs 的吸附能力不强，使之较容易被萃取，从而使协同萃取的作用难以得到体现； 同时也说明，在超声波和微波两种协同作用中，尤其是当微波功率(100W)比超声波振荡功率(50W)大的情况下，仍以微波作用为主。此时的超声波协同作用主要表现在克服溶剂的极性和样品湿度等因素对回收率的影响。需要指出的是，将新装置用于其它各实际样品中有机污染物的萃取，进一步探讨本文所提出方法和装置的可行性是十分必要的。 ( 参考文献： ) ( [1] ] EBelardi R. 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