微波辅助萃取法提取滇池沉积物中的多氯联苯*

万 幸 王 彬 赵世民， 胡 平 李发荣 潘学军＊＊

(1.昆明理工大学环境科学与工程学院，昆明，650093;2.昆明市环境监测中心，昆明，650093)

微波辅助萃取法提取滇池沉积物中的多氯联苯*

万 幸1王 彬1赵世民1，2胡 平2李发荣2潘学军1＊＊

(1.昆明理工大学环境科学与工程学院，昆明，650093;2.昆明市环境监测中心，昆明，650093)

研究运用微波辅助萃取－固相萃取－气相色谱/质谱检测滇池沉积物中6种指示性多氯联苯(PCB28、PCB52、PCB101、PCB138、PCB153和PCB180).重点优化了微波辅助萃取技术，在萃取温度为100℃和萃取时间为30 min(升温和恒温各15 min)条件下，以30 mL正己烷∶二氯甲烷(1∶1，V∶V)的混合溶液为萃取溶剂，萃取5 g加标沉积物样品.本方法对PCB28、PCB52、PCB101和PCB138、PCB153、PCB180的线性范围分别为1—3000 pg·g(d.w.)－1和 5—3000 pg·g(d.w.)－1，相关系数 R2＞ 0.98，检出限和定量限分别为 41.7—62.3 pg·g(d.w.)－1、139.0—207.7 pg·g(d.w.)－1.浓度水平为 20 ng·g(d.w.)－1的滇池沉积物样品平均加标回收率在75.1%—93.9%之间，相对标准偏差为3.9%—12.8%(n=3).运用该方法对滇池环境样品进行了测定，结果表明滇池表层沉积物已受到多氯联苯的污染.

多氯联苯，沉积物，微波辅助萃取.

多氯联苯(polychlorinated biphenyls，PCBs)作为一种典型的持久性有机污染物(Persistent Organic Pollutants，POPs)广泛的分布在环境中，对人和动物的健康产生了潜在危害.为了深入研究其环境行为，特别是沉积物中的分布规律，灵敏、便捷和可靠的环境类固体样品的提取方法已成为人们关注的焦点.传统的提取方法主要是索氏萃取法(Soxhlet extraction，SE)，但该方法存在溶剂用量大和萃取时间长(多于20h)的缺点，已不能满足现代提取方法的要求［1］.近年来，一系列提取方法得到了快速发展，代表性的主要有超声波提取法(ultrasonic assisted extraction，UAE)［2］，超临界流体萃取法(supercritical fluid extraction，SFE)［3］，微波辅助萃取法 (microwave assisted extraction，MAE)［4］和加速溶剂萃取法(accelerated solvent extraction，ASE)［5］等，这些方法都具有溶剂用量少、耗时短、自动化程度高的特点，可以有效的适用于环境类固体样品的提取.

微波辅助萃取主要是利用极性分子在微波电磁场中快速旋转和离子在微波场中的快速迁移、相互摩擦而发热，从而加热与固态样品接触的极性溶剂，使所需要的化合物从样品中分配到溶剂里［6］.由于该方法是利用物质对微波的选择性吸收，可以有效提高选择性和萃取效率，减少萃取时间和溶剂用量，国外已广泛用于分析环境介质中的持久性污染物［7］，例如，采用正己烷∶丙酮(1∶1，V∶V)作为萃取溶剂，在110℃下萃取35 min，样品回收率可以达到61%［8］.但目前微波辅助萃取方法优化研究中存在着选用目标物质不统一，萃取升温时间和恒温时间没有分开研究而是直接用萃取时间笼统代替等不足之处.

目前在国内，有关沉积物中多氯联苯的分析方法大多数是直接沿用土壤的分析方法，对于沉积物特别是有关湖泊沉积物的应用较少，并且研究的不够系统完善.虽然土壤和沉积物在组成上都是由矿物质、有机质和活的生物有机体以及水分、空气等固、液、气三相组成，但两者在组成含量的比例上存在着一定的差异，土壤中有机质的含量高于沉积物，而沉积物中矿物质的含量则相对偏高，这些组成上的差异导致两者关于多氯联苯的分析方法还是存在着一定的不同.

本文研究的实际样品针对的主要是滇池水体中的沉积物，由于滇池水体的来源主要是37条入湖河流，这导致滇池水体沉积物的组成远远复杂于其它地区的土壤和沉积物，所以选用6种指示性多氯联苯作为研究物质，对微波萃取条件进行系统优化，建立了适用于沉积物特别是大型湖泊沉积物的微波辅助萃取－固相萃取－GC/MS检测多氯联苯的方法，经优化后的方法具有很好的回收率和重复性，可以有效满足分析的要求，并用优化后的方法首次对滇池沉积物中的多氯联苯进行了检测，从而得到滇池沉积物中多氯联苯的污染现状.

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

ETHOS 1微波辅助萃取仪(意大利Milestone公司)，配有聚四氟乙烯微波萃取罐，功率随着温度而变化;Supelco Visiprep TMDL十二管防交叉污染固相萃取装置(美国Supelco公司);Thermo Trace DSQ气相色谱－质谱联用仪(美国热电公司)，配有Triplus AS自动进样器.

多氯联苯标样(6种指示性多氯联苯:PCB28、PCB52、PCB101、PCB138、PCB153和PCB180)、替代物标样(2，4，5，6－四氯间二甲苯，TMX)和内标(PCB209)均购于美国 Sigma－Aldrich公司，所有标准品纯度都大于97%.用于样品处理与分析的有机溶剂均为色谱纯，其中甲醇(methanol)和丙酮(acetone)购于德国Merck公司，二氯甲烷(dichloromethane，DCM)和正己烷(hexane)由美国 J.T.Baker公司提供.Waters OASIS®HLB固相萃取柱由美国Water公司提供.实验过程中涉及到的所有玻璃器皿都经瑞士SalvisLab公司的SC 1160型自动洗瓶机洗涤，之后放入程序控温烘箱450℃条件下烘烤6 h以上，去除残留有机物对分析过程带来的影响.

1.2 实验方法

1.2.1 样品制备和萃取

取冷冻的空白沉积物样品放入日本Eyela FDU－1200冷冻干燥机中冷冻干燥72 h，取出样品以陶瓷研钵手工研磨后过10目筛，使样品充分混匀，装入棕色玻璃瓶备用.

准确称量5 g沉积物样品于聚四氟乙烯微波萃取罐中，加入适量替代物.为了使替代物充分吸附于沉积物上，静置48 h，使其达到自然吸附状态，最后加入一定体积的萃取溶剂，放入微波辅助萃取仪中以一定温度萃取.之后取出萃取罐冷却至室温，开罐取上清液经脱脂棉(已用二氯甲烷索氏提取12 h处理)过滤，接着用15 mL萃取溶剂润洗萃取罐3次，同样经脱脂棉过滤.萃取液(包括上清液和润洗液)经旋转蒸发至1 mL左右，为了提高目标物质的萃取效率，加入250 mL纯水，待下一步固相萃取净化使用.

1.2.2 样品净化

加有纯水的萃取物经固相萃取净化，以除去微量杂质，提高分析效率.通过浓HCl和浓NaOH调节水样pH值至7左右，可以增加目标物在固相萃取柱上的富集，提高回收率.首先用5 mL的二氯甲烷净化固定相，去除固相萃取柱中残留的粘合剂等，再用5 mL的甲醇浸泡，使固相萃取柱的填料完全浸泡于甲醇中，浸泡5 min后，用15 mL的纯水冲洗3次，每次5 mL，冲洗速度为3—5 mL·min－1，营造一个合适的固定相吸附环境以便目标物得到适当的保留.活化固相萃取柱后，真空过滤加标水样，过样速率约5 mL·min－1.过完样真空干燥萃取柱45 min，以去除HLB萃取柱中的水分，最后用12 mL正己烷∶二氯甲烷(1∶1，V∶V)对萃取柱进行洗脱，以提取目标物，洗脱速率约1 mL·min－1.洗脱液经氮吹浓缩，转入进样瓶中，吹干.加入100 μL内标，振荡摇匀，取1 μL进样分析.

1.3 GC/MS 分析

GC 参数:色谱柱为DB－5MS(30 m ×0.25 mm ×0.25 μm，美国Agilent公司);以氦气为载气，流速为1mL·min－1;不分流方式进样，进样口温度为280℃，进样体积1 μL;升温程序:初始温度100℃，保持1 min;以18℃·min－1升至 260 ℃，保持 2 min;再以 20 ℃·min－1升至 280 ℃，保持 3 min;最后以20 ℃·min－1升至 300 ℃，保持3 min.

MS参数:接口温度为275℃，传输线温度为250℃，离子源温度为250℃，电离方式为EI，电子轰击能量为70 eV，溶剂延迟时间为8 min，以全扫描模式(Full scan)定性，扫描范围m/z 50—500 mau，以选择离子扫描模式(Selected Ion Monitoring，SIM)定量.具体6种目标物质、替代物标样和内标的保留时间及选择离子列于表1.

表1 6种指示性多氯联苯、替代物和内标的保留时间及选择离子信息Table 1 The retention time and selected ions of the six indicator PCB congeners，the surrogate standard，and the internal standard

2 结果与讨论

2.1 微波辅助萃取参数的优化

为了更加有效的利用微波辅助技术提取滇池沉积物中的PCBs，本文选取了萃取溶剂、萃取温度、萃取升温时间和萃取恒温时间4个参数加以优化，从而系统建立沉积物中6种指示性多氯联苯固体样品的提取方法.

2.1.1 萃取溶剂的选择

由于极性溶剂能吸收微波，所以通常选用丙酮或二氯甲烷作为微波萃取多氯联苯的溶剂.多氯联苯偏弱极性，根据相似相溶原理，通常还添加适当比例的非极性类的正己烷，组成混合萃取溶剂.因为二氯甲烷比丙酮更接近于正己烷吸收微波的波长范围内，因此选择正己烷与二氯甲烷组成混合溶剂对多氯联苯进行萃取.而多氯联苯的极性随着氯原子数的增多而减弱，更容易被非极性的正己烷萃取;反之，含氯原子数较少的多氯联苯更易被偏极性的二氯甲烷萃取［9］.而本研究选用的6种指示性多氯联苯氯原子数较少，因此最终选定正己烷∶二氯甲烷(1∶1，V∶V)作为萃取溶剂，其回收率要高于文献中通常选用的以正己烷∶丙酮(1∶1，V∶V)为萃取溶剂萃取沉积物中多氯联苯的回收率.

2.1.2 萃取温度的选择

微波辅助萃取主要是依靠温度改变来增加待测物的溶解度和溶质扩散速率，从而提高萃取效率，因此萃取温度同样是一个非常重要的萃取条件.萃取温度的选择主要依据于所选萃取溶剂的沸点.一般说来，萃取温度越高，萃取效率会有所增加，但过高的萃取温度会导致目标萃取物质的降解，从而影响回收率.Milestone公司微波萃取设备要求其萃取温度不能超过萃取溶剂沸点的2倍.综合实际情况考虑，最佳萃取温度选为100℃.

2.1.3 萃取升温时间的选择

微波作为一种高能量的辐射源，能在较短时间内使温度快速上升，达到目标温度，因此可以有效缩短萃取时间，提高萃取效率.文献报道的微波辅助萃取方法优化研究中，只对总的萃取时间进行了研究，没有对萃取升温时间和萃取恒温时间分开进行讨论，这样不利于我们了解微波辅助萃取的具体过程以及如何进一步优化方法以提高萃取目标物质的回收率.

本文首先选取萃取升温时间作为优化研究对象，萃取升温时间与萃取目标物向萃取溶剂扩散的速率有关，延长萃取升温时间有利于目标物从样品扩散到萃取溶剂中去.本文对比研究了升温时间分别为10 min、15 min、20 min和25 min条件下多氯联苯回收率的变化情况，实验结果见图1.从图1中可以看出，初期随升温时间的延长，回收率升高，在15 min以后变化不大，基本可认为保持不变.这主要是因为随着升温时间的延长，使得待测目标物质与萃取溶剂有着更为充裕的接触，可以有效提高萃取效率，但同时由于待分离组分的减少，导致传质动力的降低，继续延长升温时间，对回收率的提高影响不大.因此，在尽可能提高分析流程效率的前提下，确定本研究的萃取升温时间为15 min.

2.1.4 萃取恒温时间的选择

萃取升温之后为了使溶剂与样品充分接触，以便在最佳萃取温度下尽可能萃取出沉积物中的多氯联苯，提高回收率，会在最佳萃取温度条件下保持一段时间.一般来说，恒温时间越长，多氯联苯的萃取效率越高.本文在确定了最佳萃取升温时间后，又对萃取恒温时间进行了讨论，比较了恒温时间分别为5 min、10 min、15 min、20 min和25 min时多氯联苯回收率的变化情况，以求进一步提高物质的回收率，结果见图2.恒温时间由5 min延长至15 min时，多氯联苯的回收率随着时间的延长而明显提高，然而随着恒温时间的继续延长，多氯联苯的回收率都有较大的下降.由于恒温时间的延长，加速了萃取溶剂的挥发，导致液固比的减少和多氯联苯的高温降解，从而造成回收率降低.所以本文选择微波恒温时间为15 min.

图1 不同萃取升温时间对加标沉积物中多氯联苯回收率的影响Fig.1 The effect of heating time on the recovery of PCBs from spiked sediment samples

图2 不同萃取恒温时间对加标沉积物中多氯联苯回收率的影响Fig.2 The effect of holding time on the recovery of PCBs from spiked sediment samples

2.1.5 其它萃取条件的选择

微波萃取过程中，萃取基质与萃取溶剂之间的液固比以及微波萃取功率也是很重要的影响因素.液固比一般选择1∶4—1∶8之间.一般说来，液固比偏小会导致溶剂不能完全浸没基质，液固比偏大又会导致由于溶剂的挥发而造成萃取罐内部压力过大，产生罐泄漏.本实验采用的100 mL萃取罐适用的萃取溶剂体积范围在10—30 mL之间.本研究选定的萃取基质量为5 g，结合液固比进行考虑，最终选定萃取溶剂的体积为30 mL.而微波功率的选择与萃取罐的数目有关，一般选3个或少于3个萃取罐时，最大功率为500 W，4—6个萃取罐时为800 W，而当萃取罐为7—12个时则选择最大功率1200 W.

2.2 分析方法评价

2.2.1 相关系数、线性范围、检出限和定量限

将不含PCBs目标物质的空白沉积物样品配制成一系列浓度梯度的样品基质，在优化的实验条件下，进行微波辅助萃取－固相萃取－GC/MS分析.以各组分RRF(Relative Response Factor，相对响应因子)为纵坐标、相应浓度(pg·g(d.w.)－1)为横坐标进行线性回归分析，具体6种目标分析物的线性方程、相关系数和线性范围，见表2.由表2可知，各目标物质RRF与其质量浓度均呈良好的线性关系，相关系数(R2)高于 0.98，线性范围为 1—3000 pg·g(d.w.)－1(PCB28、PCB52、PCB101)和 5—3000 pg·g(d.w.)－1(PCB138、PCB153、PCB180).方法的检出限以信噪比(S/N)为3来确定，方法的定量限以S/N为10计算，具体结果见表2，本方法的检出限为41.7—62.3 pg·g(d.w.)－1，定量限为139.0—207.7 pg·g(d.w.)－1.

表2 6种指示性多氯联苯的线性方程、相关系数、线性范围、检出限和定量限Table 2 Linear equation，correlation coefficient，linear range，LOD and LOQ of six indicator PCBs

2.2.2 方法的回收率和精密度

为了评价分析方法的准确度和精密度，通常采用空白加标实验来控制实验过程的准确性.具体实验方法是:取5 g空白沉积物样品，加入100 ng PCBs标准溶液，按上述优化后的微波萃取条件进行3次平行测定，结果见表3.实验结果表明，6种指示性多氯联苯的平均回收率在75.1%—93.9%之间，相对标准偏差均小于15%，说明优化后的方法具有良好的重复性.具体加标沉积物样选择离子色谱图见图3.

表3 方法回收率和相对标准偏差(n=3)Table 3 Mean recovery and relative standard deviations of the analytical method(n=3)

图3 滇池加标沉积物样选择离子色谱图(加标浓度20 ng·g(d.w.)－1)Fig.3 SIM chromatograms of Dianchi Lake sediment samples spiked at 20 ng·g(d.w.)－1

2.3 本萃取方法与其它提取方法的比较

选取索氏萃取法、超声波提取法和加速溶剂萃取法3种提取方法文献报道最优条件的结果与本方法进行了比较(表4).结果表明，经优化后的方法与其它3种提取方法相比较，在萃取基质量与溶剂用量之间的液固比、萃取时间和回收率方面都要明显优于索氏提取法和超声波提取法，与加速溶剂萃取法相类似.但加速溶剂萃取法存在溶剂选择性较差、容易产生共萃取物、仪器价格高昂等缺点，所以本方法更适用于环境类固体样品中多氯联苯的提取分析.

表4 本萃取方法与其它3种提取方法的比较Table 4 Comparison of this extraction method with three other extraction methods

2.4 滇池实际样品的分析

2010年4月16日采集滇池唯一一个“食藻鱼”养殖基地的表层底泥，该采样点位于滇池北部靠中间地区，风浪较小，人为活动少，沉积物受扰动程度低，其结果可以客观反映整个滇池表层沉积物受多氯联苯污染的状况.采用优化后的分析方法对滇池表层沉积物环境样品中的多氯联苯类持久性有机污染物进行了检测.结果表明(表5)，6种指示性多氯联苯均有检出.

表5 滇池表层沉积物样品中多氯联苯的分析结果/(pg·g－1，d.w.)Table 5 The results of the PCBs concentration in surface sediment samples from Dianchi Lake

3 结论

采用微波辅助萃取－固相萃取－气相色谱/质谱测定滇池沉积物中多氯联苯类持久性有机污染物的分析方法，并对微波辅助萃取进行了优化.微波辅助萃取的最佳条件为:取5 g沉积物样品，在100℃下萃取30 min(升温15 min后恒温15 min)，选用30 mL正己烷∶二氯甲烷(1∶1，V∶V)的混合溶液为萃取溶剂.该方法可使6种指示性多氯联苯的回收率达到75%以上，能够有效地减少溶剂用量和缩短萃取时间，操作简单，具有良好的重现性.

利用该方法对滇池沉积物中多氯联苯的含量进行了测定，虽滇池表层沉积物采样点远离城区，但6种PCBs指示物均有检出，可推断整个滇池沉积物已受多氯联苯污染，其环境风险性应引起人们的重视.

［1］Parera J，Santos F J，Galceran M T.Microwave－assisted extraction versus Soxhlet extraction for the analysis of short－chain chlorinated alkanes in sediments［J］.J Chromatogr A，2004，1046(1－2):19－26

［2］Bianco G，Novario G，Bochicchio D，et al.Polychlorinated biphenyls in contaminated soil samples evaluated by GC－ECD with dual－column and GC－HRMS［J］.Chemosphere，2008，73(1):104－112

［3］Rodil R，Carro A M，Lorenzo R A，et al.Multicriteria optimisation of a simultaneous supercritical fluid extraction and clean－up procedure for the determination of persistent organohalogenated pollutants in aquaculture samples［J］.Chemosphere，2007，67(7):1453－1462

［4］Bartolomé L，Cortazar E，Raposo J C，et al.Simultaneous microwave－assisted extraction of polycyclic aromatic hydrocarbons，polychlorinated biphenyls，phthalate esters and nonylphenols in sediments［J］.J Chromatogr A，2005，1068(2):229－236

［5］Ken L，Michael L，Merv F，et al.Accelerated solvent extraction(ASE)of environmental organic compounds in soils using a modified supercritical fluid extractor［J］.J Hazard Mater，2003，102(1):93－104

［6］吴瞻英，饶竹，李夏，等.微波萃取/气相色谱一质谱测定土壤中的多氯联苯［J］.分析试验室，2008，27(6):61－63

［7］王英，陈晓斌，丛春林.MAE/GC－MS测定底泥中PCBs的研究［J］.环境科学与管理，2007，32(7):141－143

［8］Soporring S，Bøwadt S，Svensmark B，et al.Comprehensive comparison of classic soxhlet extraction with soxtec extraction，wltrasonication extraction，supercritical fluid extration，microwave assistex extraction and accelerated solvent extraction for the determination of polychlorinated biphenyls in soil original Research Article［J］.J Chromatogr A，2005，1090(1/2):1－9.

［9］宋喜红，宋吉德，曾艳霞，等.海洋沉积物中多氯联苯微波萃取优化条件的选择［J］.淮海工学院学报(自然科学版)，2009，18(4):88－91

［10］Howell N L，Suarez M P，Rifai H S，et al.Concentrations of polychlorinated biphenyls(PCBs)in water，sediment，and aquatic biota in the Houston Ship Channel，Texas［J］.Chemosphere，2008，70(4):593－606

［11］Ahmed F E.Analysis of polychlorinated biphenyls in food products［J］.TrAC Trends Anal Chem，2003，22(3):170－185

［12］Samara F，Tsai C W，Aga D S.Determination of potential sources of PCBs and PBDEs in sediments of the Niagara River［J］.Environ Pollut，2006，139(3):489－497

MICROWAVE-ASSISTED EXTRACTION OF PCBS IN SEDIMENT FROM DIANCHI LAKE

WAN Xing1WANG Bin1ZHAO Shimin1，2HU Ping2LI Farong2PAN Xuejun1

(1.Faculty of Environmental Science and Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming，650093，China;2.Kunming Environmental Monitoring Center，Kunming，650228，China)

A method for simultaneous determination of six indicative polychlorinated biphenyls(PCB28，PCB52，PCB101，PCB138，PCB153 and PCB180)in sediments of Dianchi Lake by microwave－assisted extraction(MAE)，solid phase extraction(SPE)and gas chromatography－mass spectrometry(GC－MS)detection was developed.Based on systematic optimization of MAE conditions，the most efficient extraction was achieved at 100 ℃ for 30 min(heating for 15 min and then holding for 15 min)，using 30 mL of hexane∶DCM(1∶1，V∶V)as the solvent for 5 g sediment sample.Under the optimal conditions，linear range was 1—3000 pg·g(dry weight)－1for PCB28，PCB52 and PCB101，while 5—3000 pg·g(dry weight)－1for PCB138，PCB153 and PCB180.The correlation coefficient(R2)was above 0.98 for all the analytes，with the limit of detection(LOD)and the limit of quantification(LOQ)of 41.7—62.3 pg·g(dry weight)－1and 139.0—207.7 pg·g(dry weight)－1，respectively. The proposed method was further verified by performing spiking experiments in sediment samples at 20 ng·g(dry weight)－1，with the overall recoveries ranging from 75.1%to 93.9%and relative standard deviations(RSD)(n=3)of 3.9%—12.8%for the entire procedure.The proposed method was applied to the determination of PCBs in surface sediment samples from Dianchi Lake，showing that the sediment had been contaminated by PCBs.

polychlorinated biphenyls，sediment，microwave－assisted extraction.

2010年12月2日收稿.

*国家自然科学基金(20767002)，云南省自然科学基金(2007B035M)和环境化学与生态毒理学国家重点实验室开放基金(KF2008－09号)资助.

＊＊通讯联系人，Tel:0871－5189022;E－mail:xjpan@kmust.edu.cn