土壤中多环芳烃预处理及分析方法研究

牛媛媛，杨 凤，丁克强，王立红

（1.南京工程学院环境工程学院，江苏 南京 211167；2.河海大学环境学院，江苏 南京 210098）

综述与进展

土壤中多环芳烃预处理及分析方法研究

牛媛媛1，杨 凤1，丁克强1，王立红2

（1.南京工程学院环境工程学院，江苏 南京 211167；2.河海大学环境学院，江苏 南京 210098）

综述了土壤PAHs的预处理和测定分析方法。预处理方法主要介绍了索氏提取、超声波萃取、超临界流体萃取、加速溶剂萃取和协同萃取等。检测方法具体介绍了高效液相色谱法(HPLC)法、恒能量同步荧光法(CESF)、气相色谱-质谱(GC / MS)法等。重点分析比较了提取和纯化过程，为今后研究土壤中的多环芳烃提供一定的技术参考。

土壤；多环芳烃；提取纯化；检测分析

多环芳烃(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，PAHs)是一类持久性的有机污染物，在水、气、土壤及生物体环境中普遍存在，且具有致癌、致突变的毒性[1-2]。土壤中的PAHs主要通过大气沉降和降雨过程到达地表，通过地表径流等面源污染方式造成环境污染，并且在大范围上土壤面源污染是不可逆的过程。由于土壤结构和其性质较复杂，而且土壤中PAHs浓度较低且不稳定，检测难度较大，是研究土壤中PAHs吸附及降解行为的制约因素。

本文结合近年来对土壤中PAHs分析的研究报告，概述了土壤中PAHs提取、纯化及测定方法，同时对处理PAHs的方法及其优缺点和发展趋势进行了综述，为土壤PAHs污染治理和修复提供了关键性的研究基础。

1 土壤中PAHs的提取方法

PAHs是2个及2个以上苯环连接形成的有机化合物，具有较高的熔沸点和辛醇-水分配系数，蒸气压较低且难溶于水。PAHs在土壤中的浓度不高，直接对PAHs进行分析有一定的难度，因此常需在分析测定前对环境土壤样品做预处理，消除其他物质的干扰，以提高分析灵敏度，降低检测限[3-4]。土壤样品预处理过程最关键的是选择合适的提取和纯化方法。近年来，土壤PAHs的样品预处理技术发展迅速，一系列高效、快速、样品处理溶剂用量少的技术及其联用技术不断出现，如固相萃取法、微波萃取、超声萃取法、超临界流体萃取法、加速溶剂萃取及协同萃取法等。

1.1 索氏提取法

索氏提取方法利用溶剂的回流和虹吸原理，对土壤中的PAHs进行连续提取，是最经典的土壤多环芳烃提取方法。但提取过程中有机溶剂的使用量较大，且连续提取时间较长，一般需要连续提取24h，甚至达到72h[5]，因此近几年来对索氏提取方法的研究较为广泛，研究重点主要集中于改变提取试剂及其比例，以期达到减少试剂用量和缩短提取时间的目的。

陈皓等[6]将10g处理过后的土样用80mL正己烷-丙酮（体积比为1∶1）提取液进行自动索氏提取，热浸提60min，淋洗60min，提取时间较长。Jos é G ó mez等[7]在丙酮-正己烷（体积比为1∶1）混合物作提取剂的条件下，对土壤样品进行索氏提取24h，得到样品回收率在63.5%~83.1%之间，样品回收效率不高。

1.2 固相萃取法

固相萃取（Solid-Phase Extraction，简称SPE）主要用于样品的分离、纯化和浓缩，是近几年来刚发展的一种提取方法。与传统的固相萃取技术相比，该方法可以提高分析物的回收率，同时减少样品预处理的繁琐过程，操作简单，省时省力。

李可及等[8]用微固相萃取的方法提取土壤中4种PAHs，用异烟酸铜作萃取剂，少量纯水为有机溶剂作传质作用，以预试验确定的转速连续运转20min，将土壤中的PAHs与其他组分分散，回收率可达到90%。

1.3 微波萃取法

微波萃取（MAE）是一种利用在微波加热过程中产生的电磁场使溶质向溶剂界面加速扩散的一种分离技术，具有选择性高、节省溶剂、耗时少等优点，可以提高萃取效果。

近年来微波萃取土壤中PAHs已有部分报道。林琳等[9]用20mL二氯甲烷-丙酮（体积比1∶1）作萃取剂，在功率为600W的条件下，将2g土样进行微波萃取，萃取温度为20℃·min-1，并在120℃维持10min，萃取时间短且回收率最高可达97.8%。

1.4 超声萃取法

超声萃取法是目前提取土壤中多环芳烃普遍使用的一种方法，被美国国家环境保护局推荐使用。超声波萃取相比于其他萃取方法，具有效率高、有机溶剂使用量少的优点，同时还有较高的回收率。

章汝平等[10]采用超声萃取提取5g土壤样品，在样品中加入60mL二氯甲烷和正己烷混合液，超声下萃取20min，方法回收率为77.15%~100%，取得了较好的效果。M.A.Sánchez-Trujillo等[11]采用超声萃取的方法提取0.2g土壤中的PAHs，在10mL的正己烷-二氯甲烷（体积比为1∶1）混合溶液作萃取剂的条件下超声波萃取20min，大大减少了萃取时间，可更有效地进行分析。范福强等[12]对土壤超声萃取提取PAHs，用丙酮-二氯甲烷混合溶剂作萃取剂萃取3次，每次时间20min，回收率为94%~110%。

1.5 超临界流体萃取法

有着分离和萃取作用的超临界流体萃取法，是一种将有毒有害的四氯乙烯替换为无毒无污染的二氧化碳（CO2）的技术。超临界流体萃取技术工艺流程简单，提取时间短，萃取效率高，无有机溶剂残留，目前已渐渐被研究者采纳，但有关SFE提取PAHs的报道还是很少。

欧阳勋[13]采用超临界CO2流体萃取土壤中4种PAHs，先静态萃取40min，在收集装置中加入13mL丙酮进行回收，回收时间为50~65min，二苯并蒽的萃取率达到83.98%，较为理想，其余3种的萃取率不高，大概在50%左右。高连存等[14]对炼钢厂炼焦车间土壤中的PAHs利用超临界流体萃取法提取，先静态萃取15min，后动态萃取一定体积液态二氧化碳，用4mL丙酮定容至2mL，回收率均值为78.5%~104.1%。

1.6 加速溶剂萃取法

加速溶剂萃取（ASE）是一种在高温和高压的条件下，用溶剂萃取固体或半固体的土壤样品预处理方法。该方法能有效地提高样品的回收率，并且其有机溶剂使用量少，萃取速度快，现已广泛应用于土壤的预处理上。

王娜[15]在压力10.5MPa，温度100℃条件下，先预热5min，用正己烷-丙酮（体积比为1∶1）的混合液为萃取剂加速溶剂萃取5min，提取土壤中16种PAHs，回收率为72.5%~115.3%。刘梅[16]在压力10.3MPa，温度100℃条件下，加热8min，加速溶剂萃取5min，萃取剂为丙酮-正己烷（体积比为1∶1）混合液，土样加标回收率为85%~110%。

1.7 协同提取法

协同萃取是指同时使用2种或2种以上的萃取技术对样品进行萃取，相对于其他提取方法有着较高的回收率，具有提取时间短，有机溶剂消耗更少的优点。

A.I. Pelaez等[17]将索氏提取和固相萃取结合提取土壤中PAHs，大大提高了提取速度，样品回收率达到99.3%。张茜等[18]利用加速溶剂提取和固相萃取协同净化前处理的优化方法，提取10min后用二氯甲烷纯化，提取效率为83.1%~108.9%。

2 纯化方法

土壤中PAHs提取时其所使用的溶剂是非选择性的，因此提取液中除了含有PAHs之外，同时还含有一些干扰物质。这些同时被提取出来的物质干扰到PAHs的定量分析，因此提取液在进行定量分析之前必须要进行纯化。

纯化是分析土壤中PAHs含量相对重要的一步，纯化效果的好坏直接关系到定性和定量的准确性。通用的纯化技术是硅胶柱层析法和弗罗里硅土柱层析法。

2.1 硅胶柱层析法

硅胶在PAHs的分析纯化中应用最为广泛。饶竹等[19]用正己烷淋洗过的硅胶纯化提取液，经浓缩后，样品回收率达到76.4%~111%。李海燕等[20]用正己烷-丙酮（体积比为9∶1）活化硅胶柱，对微波萃取后的提取液进行淋洗，回收率在75.5%~108%之间。

2.2 弗罗里硅土柱层析法

弗罗里硅土净化土壤中的PAHs，操作简单，重现性好，并且对高分子量的PAHs分离纯化效果更好。平华等[21]将经过加速溶剂萃取仪提取出来的土样过弗罗里硅土固相萃取柱，用正己烷淋洗活化，加标回收率均在87.2%~129%范围内，得到很好的效果。梁柱等[22]用丙酮-二氯甲烷（体积比为1∶1）混合液淋洗弗罗里硅土柱层析，将经过加速溶剂萃取后的萃取液进行纯化，样品最终回收率为78.8%~ 114%。

3 PAHs的分析方法

目前，PAHs的分析方法主要有气相色谱法(GC)、高效液相色谱-紫外/荧光检测器(HPLC-UV/ FLD)、高效液相色谱-质谱联用(HPLC-MS)和气相色谱质谱联用(GC-MS)等。另有报道采用毛细电泳(CE)、激光诱导荧光光谱(LIF)、酶联免疫吸附测定法(ELISA)和生物传感器(biosensor)等方法来测定PAHs。

3.1 高效液相色谱法

高效液相色谱法是20世纪60年代末70年代初发展起来的一项新的检测PAHs的技术，已逐渐成为重要的定性和定量的方法，不需高温，对某些PAHs的测定具有较高的分辨率和灵敏度，而且操作过程简单，被人们所惯用[23-24]。利用高效液相色谱法测定土壤中的PAHs，常常会选择荧光、紫外和二极管阵列这3种检测器检测。

3.1.1 荧光检测器

荧光检测器(FLD)是高效液相色谱仪最常使用的一种检测器，也是研究者们惯用的一种检测方法。当检测的试样组分具有荧光性能时可以检测出来，具有选择性高、灵敏度高的优点。

Mao等[25]利用高效液相色谱-荧光检测器法测定土壤中被生物修复的16种PAHs，检测出土壤含有9362.1μg·kg-1优先级PAHs。张晓梅等[26]在柱温30℃，乙腈和水为流动相，梯度洗脱的条件下，采用荧光检测法测定土壤样品中的15种PAHs，该方法的标准曲线有良好的相关性，其最低检出限为0.231×10-3~3.846×10-3mg·kg-1, 回收率为51.48%~69.84%。Sun等[27]采用高效液相色谱荧光检测器法检测被提取出的16种PAHs，方法检出限为0.12×10-3~1.57×10-3mg·kg-1, 回收率为74%~110%。倪进治等[28]以乙腈和水为流动相，柱温45℃下，超高效液相色谱(UPLC)荧光检测法测定土壤中15种PAHs，并且采用了梯度洗脱的方法。该方法最低检出限为0.03~1.53μg·L-1，除了萘和苊外，土样加标的平均回收率为82.9% ~103.4%。荧光检测器检测土壤中的PAHs，回收率较高，所以荧光检测器法在测定土壤中PAHs的研究上得到了广泛的应用。

3.1.2 紫外检测器

紫外检测器(UVD)是利用溶质可以吸收紫外光的原理而设计的一种检测器，具有灵敏度高、选择性好、噪音低、线性范围宽的优点。

由于PAHs具有共轭双键，因此可通过紫外光谱图对PAHs的性质进行分析。

张永兵等[29]在检测波长为254nm，柱温为30℃，乙腈和水为流动相的条件下，用紫外检测器对土壤中的16种PAHs进行分析检测。该方法线性关系良好，16种PAHs的检出限在0.32×10-2~1.98×10-2μg·g-1之间。该方法对PAHs的分离效果好，能够对土壤中的PAHs进行分析研究。Gong等[30]用乙腈和水作流动相，采用分离梯度的方法用紫外检测器检测利用FAME加标后的土样，加标回收率可达到90%。该方法快速稳定，测定土壤中的PAHs，出峰时的重现性较好。

3.1.3 二极管阵列检测器

二极管阵列检测器(DAD) 是20世纪80年代出现的一种光学多通道检测器，目前已广泛应用于高效液相色谱分析仪中，具有灵敏度高、噪音低、线性范围宽的特点。

周翔[31]在柱温40℃，检测器波长为254nm，采用二元高压梯度洗脱的条件下，用DAD检测土壤中16种PAHs。该方法可有效分离样品中的化合物，样品加标回收率为63%~116%，最低检出限在0.77~15.4 μg·kg-1之间。金玉等[32]在DAD检测器波长为254nm的条件下，将改进的EPA 3630二极管阵列和荧光检测器联用，柱温30℃，乙腈和水为流动相，梯度洗脱的条件下检测土壤中PAHs。该方法效果良好，测得空白加标回收率为67.5%~101.8%。叶朝霞等[33]以乙腈和水为流动相，采用梯度洗脱，在柱温30℃下将荧光检测器(FLD)和二极管阵列检测器(DAD)联用测定土壤中的PAHs。样品检测的灵敏度明显提高，16种PAHs的检出限在0.002 ~0.05μg·L-1之间，加标回收率在64%~108%之间。

3.2 气相色谱-质谱联用测定

气相色谱-质谱联用法是测定分析PAHs使用最多的一种测定方法，目前国内外很多环境研究者都在使用该方法检测土壤中PAHs。它具有分离要求高、灵敏度高等优点。检测器常用质谱检测器(MS)和火焰离子化检测器(FID)。MS对样品定性分析效果好，但对样品纯度要求高。FID灵敏度高，与碳原子质量流量成线性响应，但抗干扰能力弱，对样品预分离要求较高。GC-MS法是最常用的检测易挥发和半挥发性有机污染物的高灵敏度方法，简便易行,可同时进行定性、定量分析。但是，GC-MS法对样品纯度要求很高，对于PAHs中同分异构体的有效分离尚存在一定困难。

Xing等[34]以氦气为载气，采用程序升温的条件，利用气相色谱-质谱法测定土壤中PAHs，16种PAHs检出限在0.07~0.58μg·kg-1之间，平均回收率在74%~95%之间。孙剑英等[35]以氦气作载气，不分流进样，采用气相色谱-质谱法测定含油污泥污染土壤中的16种PAHs，该方法的线性关系良好，最低检出限为0.11~2.54μg·mL-1，回收率为70.5%~107.0%。

3.3 恒能量同步荧光法

在仪器分析中，荧光是灵敏度较高、选择性较好的一种方法。但是，由于PAHs系列化合物的激发和发射波长相近，出现大量的重叠峰，严重影响了这些方法的选择性。恒能量同步荧光法(CESF)操作方法简单，选择性高，且光谱的干扰少，比较适合PAHs系列化合物的分析。但是有关CESF测定分析土壤中PAHs的研究在国内很少有报道。史兵方等[36]运用恒能量同步荧光法对16种PAHs进行了分析，该方法的激发波长在200~500nm之间，测得检测限在0.07~64.2μg·mL-1之间。

4 小结

目前，随着工业生产及石油化工燃料的燃烧，土壤中的PAHs分析处理方法受到了越来越多种干扰物的影响。一直被广泛采用的索氏提取和超声提取已不能满足现在的分析及环境污染控制要求。近年来多种高效、快速的提取和纯化方法研究发展迅速，重点体现在借助压力、温度、硅胶层析技术及其联用手段。

除了选择合适的预处理方法外，还需要借助先进的检测技术才能达到土壤PAHs的高灵敏度和精确性的检测要求。目前主要用HPLC、GC/MS和CESF等方法来测定分析土壤中PAHs，HPLC用于一些需要较高的分辨率和灵敏度的样品；GC/MS主要是用于分离鉴定PAHs各个组分，且效果明显，但这种仪器设备操作过程相对繁琐且价格比较昂贵。

尽管国内外学者已经采用各类方法做了大量相关研究，但是仍然没有找到一种合适的方法来测定土壤中的PAHs含量。今后的研究重点在于综合利用不同的土壤样品前处理和分析检测手段，建立快捷、可靠的测定土壤中PAHs的方法，为土壤中持久性有机污染物的定量检测提供科学依据。

[1] Vinas L, Franco M A, Soriano J A, et al. Sources and distribution of polycyclic aromatic hydrocarbons in sediments from the Spanish northern continental shelf. Assessment of spatial and temporal trends[J].Environmental Pollution, 2009(158): 1551-1560.

[2] Wilcke W. Global patterns of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in soil[J]. Geoderma, 2007(141): 157-166.

[3] 张敏，李轶，陈东雨.加速溶剂萃取技术在土壤样品分析中应用的研究进展[J].土壤通报，2010，41(3)：757-760.

[4] GONG Z Q, WANG X G, TU Y, et al. Polycyclic aromatic hydrocarbon removal from contaminated soils using fatty acid methyl esters[J].Chemosphere, 2010(79): 138-143.

[5] 陈金花，宋春生，张建华.乙酸乙酯加速溶剂萃取-高效液相色谱法测定土壤中的多环芳烃[J].福建分析测试，2010，19(1)：19-23.

[6] 陈皓，刘颖，刘海玲，等.超高效液相色谱法检测土壤中的多环芳烃[J].色谱，2008，26(6)：769-711.

[7] José Gómez, M. Alcántara T, Pazos M, et al. Soil washing using cyclodextrins and their recovery by application of electrochemical technology[J]. Chemical Engineering Journal, 2010(159): 53-57.

[8] 李可及，周友亚，汪莉，等.异烟酸铜磁力搅拌微固相萃取-气相色谱法测定土壤中多环芳烃[J].环境科学研究，2010，23(2)：198-202.

[9] 林琳，王海，缪丽娜，等.微波提取高效液相色谱法测定土壤中15种痕量多环芳烃[J].中国环境监测，2009，25(2)：86-89.

[10] 章汝平，张夏红，何立芳，等.超声波萃取-同步荧光法同时测定土壤中的多环芳烃[J].环境科学与技术，2010，33(12)：495-498.

[11] Sánchez-Trujillo M A, Morillo E, Villaverde J, et al. Comparative effects of several cyclodextrins on the extraction of PAHs from an aged contaminated soil[J]. Environmental Pollution, 2013(178): 52-58.

[12] 范福强，豆俊峰，丁爱中，等.超声萃取-高效液相色谱法测定土壤中高环多环芳烃的研究[J].北京师范大学学报：自然科学版，2011，47(3)：296-299.

[13] 欧阳勋.超临界CO2萃取土壤中多环芳烃的研究[D].北京：中国地质大学，2010.

[14] 高连存，张春阳，崔兆杰，等.炼钢厂炼焦车间土壤中PAHs的超临界流体萃取-色质联用分析方法研究[J].环境科学研究，1998，11(1)：36-39.

[15] 王娜.加速溶剂萃取-固相萃取净化-色谱法测定土壤中的多环芳烃和有机氯[J].环境化学，2013，32(3)：524-525.

[16] 刘梅.ASE-GPC-GC-MS快速分析土壤中的PAHs[J].干旱环境监测，2012，26(2)：70-73.

[17] Pelaez A I, Lores I, Sotres A, et al. Design and field-scale implementation of an “on site” bioremediation treatment in PAH-polluted soil[J]. Environmental Pollution, 2013(181): 190-199.

[18] 张茜，刘潇威，罗铭，等.快速溶剂-ASE-提取、凝胶渗透色谱-GPC-联合固相萃取(SPE)净化，高效液相色谱法测定土壤中的多环芳烃[J].环境化学，2011，30(4)：771-777.

[19] 饶竹，李松，何淼，等.高效液相色谱-荧光-紫外串联测定土壤中16种多环芳烃[J].分析化学，2007，35(7)：954-958.

[20] 李海燕，李楠，于丹丹.微波萃取-气质联用测定土壤中的16种多环芳烃[J].环境监控与预警，2012(1)：20-23.

[21] 平华，李杨，潘立刚，等.加速溶剂萃取-气相色谱质谱法测定土壤中多环芳烃的含量[J].食品安全质量检测学报，2012(6)：695-699.

[22] 梁柱，余雯静，孙欣阳.加速溶剂萃取-色谱质谱联用法测定土壤中的多环芳烃[J].化学分析计量，2009，18(3)：45-48.

[23] Viglianti C, Hanna K, Brauer C, et al. Removal of polycyclic aromatic hydrocarbons fromaged-contaminated soil using cyclodextrins: Experimental study[J]. Environmental Pollution, 2006(40): 472-435.

[24] 赵有政，裔兆军.江苏盐城滩涂土壤中多环芳烃的测定[J].污染防治技术，2011(5)：41-43.

[25] MAO J, LUO Y M, YING Teng, et al. Bioremediation of polycyclic aromatic hydrocarbon-contaminated soil by a bacterial consortium and associated microbial community changes[J]. International Biodeterioration & Biodegradation, 2012(70): 141-147.

[26] 张晓梅，张竹青，黄文鹏.超声萃取-高效液相色谱法测定土壤中多环芳烃[J].环境科学与管理，2010，35(7)：124-127.

[27] SUN M M, LUO Y M, Christie P, et al. Methyl-βcyclodextrin enhanced biodegradation of polycyclic aromatic hydrocarbons and associated microbial activity in contaminated soil[J].Journal of Environmental Sciences, 2012, 24(5): 926-933.

[28] 倪进治，王军，李小燕，等.超高效液相色谱荧光检测器测定土壤中多环芳烃[J].分析试验室，2010，29(5)：25-28.

[29] 张永兵，陈军，张钧，等.固相萃取-高效液相色谱法快速测定土壤中多环芳烃[J].环境工程，2013(s1)：608-610.

[30] GONG Z Q, WANG X G, TU Y, et al. Polycyclic aromatic hydrocarbon removal from contaminated soils using fatty acid methyl esters[J].Chemosphere, 2010(79): 138-143.

[31] 周翔.快速溶剂萃取-SPE硅胶柱净化-高效液相色谱法测定土壤中多环芳烃16种化合物的研究[J].河南化工，2010，27(10)：57-58.

[32] 金玉，铁程，刘宏静，等. SPE净化-HPLC法测定新鲜土壤中的多环芳烃[J].云南环境科学，2012(2)：113-116.

[33] 叶朝霞，李莉，胡文凌，等.分散液相微萃取-高效液相色谱法测定水和土壤中多环芳烃[J].理化检验：化学分册，2012(4)：467-470.

[34] XING X L, QI S H, ZHANG J Q, et al. Spatial distribution and source diagnosis of polycyclic aromatic hydrocarbons in soils from Chengdu Economic Region, Sichuan Province, western China[J].Journal of Geochemical Exploration, 2011(110): 146-154.

[35] 孙剑英，刘五星，骆永明，等.气相色谱-质谱法测定含油污泥污染土壤中的多环芳烃[J].土壤，2013， 45(1)：111-115. [36] 史兵方，杨秀培，兰翠玲，等.恒能量同步荧光法测定土壤中多环芳烃的研究[J].环境科学与技术，2010， 33(5)：120-123.

Study of Pretreatment and Determination Methods of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons in Soil

NIU Yuan-yuan1, YANG Feng1, DING Ke-qiang1, WANG Li-hong2
(1.College of Environmental, Nanjing Institute of Technology, Nanjing 211167, China; 2.College of Environmental, Hohai University, Nanjing 210098, China)

In this paper, the methods of pretreatment and determination of polycyclic aromatic hydrocarbons in soil were reviewed. The pretreatment methods such as soxhlet extraction, ultrasonic extraction, supercritical fluid extraction, accelerated solvent extraction and synergistic extraction were mainly introduced. Determination methods such as high performance liquid chromatography (HPLC), constant energy synchronous fuorescence method (CESF), gas chromatography mass spectrometry (GC/ MS), were analyzed and compared. The technical references for the future study of polycyclic aromatic hydrocarbons in soil were provided by this study.

soil; polycyclic aromatic hydrocarbons; pretreatment; determination

X 53

A

1671-9905(2016)04-0031-05

国家自然科学基金项目（41271329）；南京工程学院大学生科技创新基金2016年挑战杯支撑项目（TZ20161204）

牛媛媛（1996-）,女，E-mail: 1820876794@qq.com

丁克强（1968-），男，教授，博士，从事土壤污染物生物修复研究，电话：025-86118974，E-mail: dingkq@njit.edu.cn

2016-02-26