土壤中多氯联苯的前处理方法

土壤中多氯联苯的前处理方法
[摘要]
土壤污染已成为世界性问题。

我国的土壤污染问题也较严重，据初步统计，全国至少有1300 ~1600万公顷耕地受到农药等一些化合物的污染。

每年因土壤污染减产粮食1000多万吨，因土壤污染而造成的各种农业经济损失合计约200亿元。

一些持久性有机污染物(POPs)的残留最终也会通过食物链传递给人类[1-2]。

国际上规定的12种POPs物质包括艾氏剂、狄
氏剂、异狄氏剂、滴滴涕( DD T )、氯丹、六氯苯、灭蚁灵、毒杀芬、七氯、多氯联苯(PCBs)、
二恶英和苯并呋喃[3]。

这些化合物能在大气环境中长距离迁移并沉积回地球，对人类健康和
环境造成严重危害。

通过学习这一学期的环境样品前处理的课程，本文主要以土壤中多氯联苯的前处理技术的介绍作为本学期的结业作业。

一、多氯联苯概述
多氯联苯(PCBs)是具有209种同类物的持久性有机污染物(POPs)，具有高毒、难降解、强脂溶性和生物累积等特性，尽管20世纪70年代就禁止生产和使用PCBs，但全球已共生产出PCBs130万吨。

目前，世界各地的大气、水、土壤、底泥甚至两极地区均检测出PCBs[4]，南极空气检测出多氯联苯(PCBs)六氯苯(HCH)滴滴涕(DDT)和氯丹[5]Blanchard[6]调查发现，污水处理厂脱水污泥的PCBs（7种同系物）为0.000623kg/kg (干重)，每年大气沉降的PCBs是17.6kg，污泥中PCBs是21.1kg广州及附近地区大气中的多氯联苯以三氯联苯和四氯联苯为主，两者的总贡献率为86.41%[7]，长江三角洲典型地区农田土壤中多氯联苯残留总量介于每千克数十至数千纳克[8]。

二、土壤环境中多氯联苯前处理方法概述
2.1样品采集及处理
采集的样品应具有代表性，采样点应在对地区自然条件、农业生产状况、土壤性状及污染历史及现状调研的基础上确定；取样量依样品类型，污染水平，潜
在干扰物质与方法的检测限而定。

采集的土壤样品在运到实验室后，为避免受微生物的作用引起发霉变质，要立即将全部样品倒在塑料薄膜上或瓷盘内进行风干。

由于PCBs是半挥发性的并能够光解，所以要在阴凉处慢慢风干，避免阳光直接暴晒，且风干处应防止酸碱等气体及灰尘的污染。

风干后的土壤样品再进行磨碎，然后根据分析目的过筛、保存。

在样品的采集及处理过程中,应注意避免样品的交叉污染,特别是当待测物的污染水平相差很大时。

早期，人们把注意力集中于发展高灵敏度和高选择性的色谱分析方法上。

经过几十年来的实践，人们逐渐认识到样品的前处理在PCBs分析中的重要性，特别是对土壤、底泥等复杂环境样品中PCBs的分析，由于存在多种高浓度的干扰物,如有机农药，杀虫剂等，使得PCBs的测定难以准确定量。

因此在进行PCBs分析时除了使用高灵敏度和选择性的分析仪器外还需要使用复杂的前处理技术，而且样品前处理在很大程度上决定了分析结果的正确与否。

样品的萃取和净化属于样品的前处理阶段。

2.2样品萃取技术
2.2.1 索氏萃取法(SoxhletExtraction)
索氏萃取作为传统的萃取方法之一，至今仍受到人们的器重，在分析非极性和中等极性痕量有机物方面得到广泛应用，在分析PCBs方面的报道也有很多，如沉积物、土壤和动植物组织等。

索氏萃取法溶剂的选择原则是：对分析物选择性好；沸点低，便于纯化和浓缩：毒性低。

常用的溶剂包括：正己烷、丙酮、石油醚、二氯甲烷等。

该法的不足之处在于干燥过程耗时长，另外萃取时，硫也易从基质中萃取出来，从而影响检测器的测定，延长分析时间[9]。

自动索氏萃取技术的出现则在一定程度上降低了萃取溶剂用量，也缩短了萃取时间[10]。

2.2.2超声萃取法(Ultrasonic Extraction)
超声萃取法是分析固体基质最简单的技术之一。

其原理是在室温下用适当的有机溶剂和样品混合，超声萃取待测物质。

其最大优点是萃取速度快、操作简单，而且不需要特殊的仪器设备。

在优化条件下，可以基本达到甚至优于索氏萃取的回收率[11]。

尽管超声萃取样品的提取时问较短，但萃取结束后仍需要进一步离心
分离有机相，因而增加了人为误差的影响。

在批量处理样品时，它仍需要消耗大量时间阴。

常用溶剂有丙酮、正己烷、石油醚、二氯甲烷等。

2.2.3酸碱处理萃取法
有实验表明，在萃取混合液中加入有反应性的酸、碱或经酸碱处理过的硅胶可明显地改善萃取效果，提高萃取回收率。

Liang等曾在液-液萃取中加入HCL，研究了不同酸性对PCDD好CDF好CBs回收率的影响。

结果表明，前两者在碱性条件下的回收率高，而后者则在酸性条件下的回收率高。

但该种方法是建立在其它萃取方法之上的，并不能从根本上改善这些方法的局限性，且酸碱对环境也不利，故实际应用的不多。

2.2.4蒸汽相萃取法（Bleidner法）
蒸汽相萃取法的特点是所得萃取物不需进一步净化，可直接用于色谱分析。

该法已被应用于分析湖泊沉积物中PCBs和有机氯沉淀物、水中氯代农药和PCBs 等分析。

然而蒸汽蒸馏萃取对沉积物中PCBs的回收率要普遍低于溶剂振荡法和超声萃取法，且该法的回收率会随着PCBs氯化度的增高而降低。

邹世春等人[12]曾采用超声波技术与蒸汽蒸馏萃取相结合的方法萃取沉积物中氯代农药和PCBs，解决了蒸汽蒸馏萃取沉积物中氯代农药和PCBs等回收率低的问题，取得了满意的效果。

但该法在实际应用中并未得到很大推广。

2.2.5 超临界流体萃取
利用超临界流体在物理、化学方面的特性，根据样品类型、目标物的沸点、分子量等选择适当的操作条件可以有选择性地把目标化合物萃取出来。

由于全过程不使用或少使用有机溶剂，避免了萃取过程中溶剂对人体的损害和对环境的污
由于其合适的临界条件以及物理、化学特性而染。

在所有的超临界流体中，CO
2
最为常用，己经在土壤和沉积物中PCBs的萃取中得到了广泛应用。

[13]并且,SFE-CO
将萃取与分离合二为一，不需回收溶剂，操作方便；在萃取的同时，2
可实现萃取液的浓缩和定容，避免了浓缩步骤[14]。

如果SFE的条件优化的合适，可以将SEF的萃取物直接注射进GC/MS进行分析而不需要进一步净化。

早期，于
恩平对PCBs在超临界CO
中的溶解度和土壤湿含量对萃取效率的影响进行了研
2
中的溶解度很低，往往比一些常见的碳氢化究测定，结果表明PCB在超临界CO
2
合物，如萘、非、蒽等在相同条件下要低约一个数量级。

因此，要想把PCBs从样品中完全萃取出来，特别是对于实际样品,由于土壤中的老化行为，加大萃取强度以及适当改性剂的加入是非常必要的。

另外，土壤中水分的存在会大大降低
时，通常需要把适量样品与无水硫酸钠混PCBs的萃取效率，所以在进行SFE-CO
2
合后放入萃取池中以脱去水分；含硫化合物对定性定量分析产生的干扰则通常是在萃取时将样品中混入铜粉或者在萃取液中放入铜粉或插入铜棒以去除硫元素的干扰。

SFE作为上世纪80年代才发展起来的一种新技术，仍然存在许多不成熟的地方,如超临界流体的萃取压力较高，萃取能力小而且能耗较大。

因此，如何解决高压带来的一些不利因素，使得该技术可以可靠、安全地生产是非常重要的。

[15]
2.2.6微波辅助苹取
微波辅助萃取技术在有机化合物萃取上的应用是近几年发展起来的。

与传统的萃取方法不同的是，微波加热的能量直接作用于被加热物质，空气及容器对微波基本上不吸收和反射，从而保证了能量的快速传导和充分利用。

且微波萃取能对体系中的不同组分进行选择性加热，从而使目标组分直接从基体分离，具有很好的选择性。

在溶剂的选择上,微波萃取一般选用极性有机溶剂，因为非极性溶剂不吸收微波能，或者选择非极性溶剂和极性溶剂的混合溶剂；并且要求所选溶剂对目标萃取物具有较强的溶解能力，对萃取成分的后续操作干扰较少。

对于土壤中PCBs的萃取，常见报道是用丙酮/正己烷混合溶剂[16]作为萃取溶剂的，也有的采用甲苯/水混合溶剂[17]。

微波萃取快速(通常10-30min)、溶剂用量少(约25-50mL)、重现性提高,副反应少，溶剂利用率高，对PCBs的萃取回收率在6min 钟内可达83%以上，且微波对PCBs无显著降解影响[18]，但可以有效的碱解土壤等样品中的有机氯农药，消除其对测定PCBs的干扰。

与超临界流体萃取不同的是，微波萃取可以同时分析14个样品,大大提高了工作效率，因此受到不同领域研究人员的重视。

但迄今为止,还不能像超临界流体萃取那样实现与检测仪器的在线联机。

2.3 样品萃取液净化技术
由于PCBs的同系物、异构体较多，而且在环境样品中，六六六、DDT及其降解产物经常干扰PCBs的测定，因此，测定土壤等环境样品中的PCBs，除了需要高效能的富集技术，高分辨率、高选择性及高灵敏度的色谱技术外，如何将样品萃取物净化，以去除其中的干扰组分，是准确分析PCBs的关键步骤。

净化程度取决于被测组分的数目、基质干扰及定量分析仪器的状态。

常用的方法有:化学法、柱层析法等。

2.3.2 化学法
化学法是利用化学试剂与干扰物发生化学反应，将其分解或转化成有利于PCBs测定的物质，从而达到去除干扰的目的。

常用的化学试剂主要有浓硫酸、KOH、NaOH、高锰酸钾等。

浓硫酸洗涤法能去除样品中存在的大量干扰PCBs测定的类脂化合物和多环芳烃等，且对PCBs的影响很小。

它的主要优点是快速、有效。

但浓硫酸不能破坏六六六和DDT及其降解产物，而在一般的气相色谱条件下，这些物质都对PCBs的测定存在一定的干扰。

采用KOH、NaOH等强碱性溶液虽能破坏六六六的各异构体，但可使一些PCBs的同族体发生化学反应，造成PCBs 的损失[19]。

高锰酸钾处理法在国外较为常见。

美国环保局方法同在萃取样品中的PCBs时采用硫酸-高锰酸钾复合净化法成功地去除了包括艾氏剂、狄氏剂、异狄氏剂、硫丹在内的大多数有机化合物，取得了很好的测定结果。

2.3.3 柱层析法
柱色谱法是分离净化PCBs最常用的一种方法。

它主要是根据目标组分与干扰组分的性质，选择固体吸附剂将液体样品中的化合物吸附，然后再用合适的洗脱液洗脱，达到分离净化的目的。

在使用柱色谱法时，不仅要选择合适的固定相和洗脱液，还要确定洗脱液体积、洗脱时间，绘制洗脱曲线以达到最佳净化分离
效果。

因此，柱色谱法与传统的萃取方法一样，也是一个耗时长、溶剂用量大的过程。

常用的色谱填料主要有弗罗里土、硅胶、活性炭、氧化铝、凝胶等。

柱色谱法分离净化PCBs操作简单、安全，但由于目前所使用的色谱柱都是手工制备而成，不易实现自动化，因此色谱柱的稳定性较差，虽然现在已经有了一次性使用商品化柱，但因成本较高而限制了它的广泛使用。

2.4 多氯联苯分析方法现状
从开展的时间来看，国外对PCBs的分析开展较早。

从文献上看，最初的PCBs 的分析技术，使用的分析仪器主要是GC/MS，仅限于分析样品中PCBs的总量。

到80年代，对PCBs分析方法的研究逐渐增多，分析方法更呈现出多样性。

在这一时期，出现了用液相色谱测定PCBs总量以及用GC/MS将PCBs按取代氯的个数定量的研究。

到1984年已经有少量单体PCBs分析的研究成果出现。

90年代，在分析上更注重应用方面的研究，另外出现了毒性PCBs分析方法的研究报告。

由于研究主要针对真实样品的测定，所以很多研究中增加了关于不同基质样品的前处理手段的讨论，为建立可行的实样分析方法打下了基础。

最近几年的方法研究，主要目的在于单体PCBs的分析，以及实际样品中稳定可行的单体分析方法的建立。

从90年代初期开始，国内对PCBs的分析方法和应用的研究逐渐增多并出现了一些具有国际先进水平的研究成果[20]。

从所用的分析方法来说，从最早使用的气相色谱法，到气相色谱/质谱(GC/MS)法、薄层色谱法(TLC)和高效液相色谱(HP LC)法等等，现在都在使用，不能说那一种方法更好，针对不同的分析要求，选择合适的方法和仪器设备，才能使我们对不同基质样品中的PCBs的分析更准确。

2.4.1气象色谱法（GC-ECD）
气相色谱法是目前分析PCBs常用的有效方法,一方面是因为它具有高效、灵敏、快速等优点；另一方面是由于一般样品中所含的PCBs大都是痕量级水平。

PCBs本身包括209种组分，且各组分之间存在着物理和化学性质的相似性，加
之样品中也有其它成分的干扰，一般的方法难于满足分离分析要求。

气相色谱法所具有的特点而使其在分析PCBs方面得以极其广泛的应用,尤其是近年来高效毛细管柱CC和新型检测器的广泛应用，不仅提高了检测灵敏度，还大大缩短了分析时间。

2.4.2气相色谱/质谱（GC/MS）
法谱分析(MS)是现代物理与化学领域内使用的一个极为重要的工具，具有高灵敏度、高选择性和高可信度等优点，被广泛用于土壤、水、空气、生物，切等基质中PCBs的测定。

对土壤中PCBs的测定，其检测限可达0.007-0.052m/kg[21]。

MS的基本原理是使所研究的混合物或单体形成离子，然后使形成的离子按质荷比进行分离，是目前确证一个化合物最实用的鉴定方法。

MS包括高分辨质谱(HRMs)和低分辨质谱(LRMS)，既可对复杂样品进行总离子扫描(SCAN)，也可以进行选择离子扫描(SIM)。

SIM比多离子检测(TIM)能提高1-3个数量级的灵敏度，因此，定量分析时一般采用SIM。

2.4.3 薄层色谱法（TLC）
TLC法是应用液体作流动相和厚度大致为100-250nm的固体吸附剂作固定相的色谱方法。

早期，TLC法曾广泛用于对PCBs的分析[22]。

EPA手册将TLC法定为对人体组织中PCBs的半定量分析的一种可替代技术，我国也将TLC法推荐为废物中PCBs的一种测定方法。

据报道，对变压器油中PCBs的分析，反相TLC法要比GC-ECD法的测定结果偏低，两方法的平均偏差为月±20%[23]。

三、总结
综上所述,由于PCBs对土壤环境的污染日益引起全球性的关注，所以各国的研究人员都在探索更快捷、更准确的检测方法,先进的前处理技术及分析方法不断被采用，但其成本相对较高。

因此，常规的前处理及分析方法的研究仍是各个实验室方展的方向。

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