ASE快速溶剂萃取对滤膜中PAHs前处理分析能力的建设

高媛 张勇

（中检集团理化检测有限公司 上海 200436）

1 背景简介

1.1 快速溶剂萃取（ASE）

目前，针对大气样品中多环芳烃的提取，常用二氯甲烷、乙腈、苯、甲苯、环乙烷、乙醚、正己烷及其混合物为提取剂，进行索式提取或超声波提取、K-D浓缩或旋转蒸发浓缩后用硅胶或玻璃纤维棉柱层析的方法对多环芳烃（PAHs）样品进行预处理。索式提取是经典的提取方法，由于提取效率高，被当作我国环境空气测定的标准提取方法。然而索式提取操作烦琐且费时，且所用溶剂量大，需进一步浓缩。因此，该方法用于大气颗粒物中多环芳烃前处理的研究并不多。超声波萃取省时、溶剂用量相对较少，是目前PAHs 样品处理中较为常用的萃取方法。然而，超声波萃取法萃取不完全，用于多环芳烃的研究也相对较少。

传统的提取方法适用于大多数样品，但需消耗大量的溶剂且费时，对大分子量PAHs 回收率较低。为此，近几年ASE 技术逐渐替代了传统的提取方法。ASE 具有萃取效率高、萃取时间短（0.5 h 以内一个样品）、后处理简单且无二次污染、对人员有机溶剂伤害小、选择性好等特点，易与高效液相色谱（HPLC）联用，可尝试应用于环境样品多环芳烃的检测。

ASE 技术是20 世纪90 年代问世，近些年发展起来的一种快速有机提取技术。其工作原理是：使用少量有机溶剂利用提高温度（50～200℃）和增加压力（10.3～20.6 MPa）[1]来提高样品中有机物的萃取效率，显著地简化了样品前处理过程，其结果大大加快了萃取的时间并明显降低了萃取溶剂的使用量。用泵抽取常用的溶剂到装有样品的萃取池中，而后加温加压，萃取数分钟后，萃取液从加热池中转移到标准收集瓶以待净化或分析。整个过程都是全自动的，且萃取几分钟即可完成，消耗溶剂较少。例如，国标方法GB/T 14550—2003《土壤中六六六和滴滴涕测定 气相色谱法》[2]使用了索氏提取法，样品需要溶剂约100 mL 左右，浸泡12 h，萃取时间4 h；而加压流体萃取一个样品需要溶剂量20~40 mL，时间20 min 左右[3]。

与现有的萃取技术相比，ASE 萃取环境滤膜PM2.5样品中的多环芳烃更方便、快捷，溶剂消耗更少，具有高效、快速、节省溶剂、自动化程度高、相对污染较小等特点。ASE 萃取的回收率等同于索式提取法，且高于超声萃取。在国外，ASE 技术已经有了10 多年的应用历史，被广泛应用在环境、制药、聚合物、消耗品和食品工业。由于ASE快速溶剂萃取技术大大改变了传统萃取方法的费时、费力、费钱、高误差等缺点，一经问世，就迅速得到市场的认可，有关ASE提取固体、半固体样品中有机氯农药、多环芳烃、多氯联苯等半挥发性有机物的实验条件已相对成熟，美国环境保护署（EPA）于1996 年将该技术收入前处理标准方法。

1.2 ASE 在大气多环芳烃分析前处理方面应用

多环芳烃（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，PAHs）是煤、石油、木材、烟草、有机高分子化合物等有机物不完全燃烧时产生的挥发性碳氢化合物，是重要的环境污染物。迄今已发现有200 多种PAHs，其中有相当一部分具有致癌性，如苯并（α）芘、苯并（α）蒽等。PAHs 广泛分布于环境中，任何有有机物加工、废弃、燃烧或使用的地方都有可能产生PAHs，世界各国都非常重视环境中尤其是大气中PAHs 的污染。

进入21 世纪，随着我国经济的发展，分析仪器设备和技术迅速发展，先进的前处理仪器设备也在逐步引进实验室。目前我国已有约上百家实验室拥有ASE 仪器设备。但由于仪器目前主要由国外少数企业生产，价格不菲，制约了很多实验室的使用。目前在大气滤膜前处理方面，仅有的几个国标分析方法中的前处理技术大多采用索氏提取，使用ASE萃取方法前处理的标准方法较少。传统萃取技术萃取环境样品如土壤、水及PM2.5 大气颗粒物中的PAHs一般需要大量的有机溶剂或前处理时间太长，或者面临提取不完全的缺点，例如，索式萃取环境样品一般需要8～16 h[4]、超声萃取耗时虽短可是萃取却不完全等。开发ASE 方法在滤膜前处理方面的应用可在处理环境样品时大大减少溶剂和时间消耗。

本文研究ASE 萃取和自动索氏提取大气颗粒物中16 中多环芳烃，包括萘、苊烯、苊、芴、菲、蒽、荧蒽、芘、苯并（a）蒽、、苯并（b）荧蒽、苯并（k）荧蒽、苯并（a）芘、二苯并（a,h）蒽、苯并（g,h,i）苝、茚并（1,2,4-c,d）芘，通过对比2 种前处理方法的检出限、精密度、准确度和加标回收率验证ASE 萃取在大气颗粒物中多环芳烃前处理中的优势。目前监测分析环境中多环芳烃的方法主要有气相色谱-质谱联用（GC-MS）和高效液相色谱法，但使用GC-MS 检测过程中温度发生变化，部分多环芳烃结果不能保证完整性，且灵敏性相对高效液相色谱法低[5]。本文采用高效液相色谱法同时测定大气颗粒物中16 种多环芳烃的方法，具有特异性强、灵敏度高、操作简便、成本较低的特点，应用于实际样品检测可获得满意结果[6]。

2 方法研究及实验分析

2.1 方法原理

当环境空气以100 L/min 流速通过具有一定切割特性的采样器时，环境空气中气相和颗粒物中的多环芳烃就收集于于石英纤维滤膜中，采样后的滤膜用快速溶剂萃取仪提取，提取液经过浓缩、氟罗里硅土柱净化，进入高效液相色谱仪（HPLC）中分析[7]；对比样经自动索氏提取后进入高效液相色谱仪（HPLC）中分析。

2.2 试剂和材料

实验所用试剂和材料详见表1。

2.3 仪器和设备

实验主要仪器和设备详见表2。

2.4 样品的采集与保存

现场采样前首先要对采样器进行流量的校准，依次安装好滤膜夹、吸附剂套筒，调节流量之后开始采集样品，以100 L/min 的速率采集样品24 h。采样结束之后，取下石英纤维滤膜，对折之后放入原来的密封袋中，取出采样套筒之后，用铝铂纸包好，放入密封袋中，同时记录编号和当时的气相条件。采样后进行流量校正。

样品采集后，最好在24 h 内完成分析，否则应在4℃下冷藏保存，7 d 内提取完毕。

2.5 样品前处理

2.5.1 ASE 提取

小心使用陶瓷剪刀将1/4～1 张颗粒物滤膜样品剪碎放入66 mL ASE 萃取池中，添加适量硅藻土，加入100 μg/mL 的十氟联苯10 μL，使用适量1+1（V/V）丙酮/正己烷提取液。上机萃取3 个循环，将提取液转移至氮吹浓缩管中，将氮吹浓缩管置于氮吹浓缩仪内，在30℃下用高纯氮气将其氮吹至近1.0 mL，加入3 mL 乙腈，升温至45℃，再浓缩至0.5～1 mL，最后用乙腈准确定容至1.0 mL，0.45 μm 滤头过滤后上机待测（必要时选择净化）。

表1 实验试剂和材料

表2 实验主要仪器和设备

2.5.2 快速溶剂萃取参数

系统压力：1 500 psi（10.3 MPa）；加热炉温度：100℃；加热时间：5 min；静态萃取时间：5 min；静态萃取次数：3 次；溶剂：丙酮/正己烷（1∶1）；冲洗体积：60%（萃取池体积）；氮气吹扫时间：2 min。

2.5.3 ASE 质控样品制备

（1）制备方法空白，重复步骤2.5.1，使用洁净玻璃纤维滤膜代替样品。

（2）制备空白加标控制样、样品加标控制样：在已经装入空白滤膜和样品滤膜的萃取池中加入50 μL 20.0 mg/L 多环芳烃标准使用液，重复步骤2.5.1。

2.5.4 自动索氏提取

小心剪取1/4～1 张颗粒物滤膜样品，放入索氏提取器中，每次剪样之前用沾有乙醇的棉签擦拭陶瓷剪刀。加入100 μL 40 mg/L 十氟联苯标准使用溶液，再加入适量1+9（V/V）乙醚/正己烷提取液，以每h回流不少于4 次的速度提取16 h 或等效64 个回流循环。回流完毕，冷却至室温，取出瓶底，清洗提取器及接口处，合并提取液，将提取液转移至氮吹浓缩管中，将氮吹浓缩管置于氮吹浓缩仪内，在45℃下用高纯氮气将其氮吹至近1.0 mL，加入3～5 mL 乙腈，再浓缩至0.5～1 mL，最后用乙腈准确定容至1.0 mL，用0.45 μm 滤头过滤后上机待测（必要时选择净化）。

2.5.5 SS 质控样品制备

（1）制备方法空白，重复步骤2.5.4，使用洁净玻璃纤维滤膜代替样品。

（2）制备空白加标控制样：在索式提取器中滤膜样品上加入50 μL 20.0 mg/L 多环芳烃标准使用液，重复步骤2.5.4，使用洁净玻璃纤维滤膜代替样品。

（3）制备样品加标控制样：在索式提取器中滤膜样品上加入50 μL 20.0 mg/L 多环芳烃标准使用液，重复步骤2.5.4。

2.5.6 仪器分析条件

液相色谱采用二元高压梯度洗脱和二极管阵列检测器的组合方式，详见表3。

表3 梯度洗脱程序

流动相流量：1.50 mL/min；柱温箱：30℃；进样量：10 μL；紫外检测器波长：220 nm、230 nm；荧光检测器波长：激发波长260 nm，发射波长340 nm，16 min后激发波长294nm，发射波长400nm、430nm、480nm。

16 种多环芳烃在紫外检测器上对应的最大吸收波长及在荧光检测器特定的条件下最佳的激发波长和发射波长详见表4 和表5。

表4 用紫外检测器检测多环芳烃时对应的波长

2.5.7 标准曲线的绘制

取一定量多环芳烃标准使用液和十氟联苯标准使用溶液于乙腈中，制备至少5 个浓度点的标准系列，多环芳烃质量浓度分别为0.00 μg/mL、0.05 μg/mL、0.10 μg/mL、0.20 μg/mL、0.50 μg/mL、1.00 μg/mL，贮存在棕色小瓶中待用。通过自动进样器分别移取5 种浓度的标准使用液10 μL，注入液相色谱，得到各不同浓度的多环芳烃的色谱图。以峰面积为纵坐标，浓度为横坐标，回执标准曲线，标准曲线的相关系数R≥0.999，否则重新绘制标准曲线。

表5 荧光检测器多环芳烃对应波长

在此方法色谱条件下，两种不同检测器串联的16 种多环芳烃标准色谱结果详见图1。

图1 PAHs 16 种化合物标样高效液相色谱图

2.5.8 样品测定

取10 μL 待测样品注入高效液相色谱仪中。记录色谱峰的保留时间和峰高（峰面积）。ASE 前处理和SS 前处理分别测定6 个样品。2 种方法信息对比详见表6。

表6 索氏提取与快速溶剂萃取多环芳烃前处理过程信息对比

2.6 结果计算与表示

计算公式为

其中，ρi—样品中多环芳烃组分的浓度，μg/m3；ρx—样品中多环芳烃组分的仪器分析结果，μg/mL；V—样品浓缩后体积，mL；f—稀释倍数；V′—标准状况下的采样体积，m3。

2.7 方法检出限结果统计（表7、表8、图2）

表7 快速溶剂萃取多环芳烃方法检出限

续表7

表8 索氏提取多环芳烃方法检出限

图2 16 种多环芳烃方法检出限对比

续表8

ASE 前处理和SS 前处理分别测定浓度为0.050 μg/mL 的实验室空白加标样品，剔除离群值后将7 次测定结果计算其标准偏差S，此时检出限MDL=S×1 mL×3.143/144 m3。

2.8 方法精密度和准确度结果统计

取实际滤膜加标0.50 μg 和1.0 μg 多环芳烃标准溶液，对上述两种溶液测定结果剔除离群值后将用ASE 前处理和SS 前处理分别各平行测定6 次的结果，计算平均值、标准偏差、相对标准偏差、加标回收率等，以确定其精密度和准确度。结果详见表9 和表10。

表9 快速溶剂萃取多环芳烃方法精密度和准确度

续表9

表10 索氏提取多环芳烃方法精密度和准确度

由表9 和表10 可知，ASE 前处理和SS 前处理精密度均符合标准要求，2 种方法准确度即方法加标回收率的比较详见图3。

3 结果与讨论

本文经过多次实验验证，快速溶剂萃取前处理方式提取测定滤膜中16 种多环芳烃的技术要求可以达到标准推荐的索式提取前处理方式测定滤膜中16 种多环芳烃的水平，建立了快速溶剂萃取-液相色谱（ASE-HPLC）分析大气滤膜中16 种多环芳烃（PAHs）的分析方法。比较快速溶剂萃取（ASE）和索氏提取两种前处理分析方法检出限、精密度、准确度和加标回收率，验证了ASE 萃取在大气颗粒物中多环芳烃前处理中的优势，测定结果表明，快速溶剂萃取较索式提取更具有消耗有机溶剂少、提取效率高、操作简易等优点。

图3 16 种多环芳烃加标回收率对比