微波萃取——气相色谱技术检测土壤中的硝基苯及其修复研究

谢 方，赵 健

（安徽省宿州生态环境监测中心，安徽 宿州 234000）

硝基苯是一种重要的化工原料，也属于我国52种优先控制的剧毒化学品。燃料、炸药、医药及农药等生产中广泛应用到硝基苯。据统计，全球每年有约3万吨硝基苯、硝基甲苯、硝基氯苯等硝基苯类化合物排入到环境中。硝基苯类化合物结构稳定，不易降解，排入到土壤中的硝基苯化合物残留累积经食物链被人体吸收，会直接破坏呼吸系统、皮肤和人体肝脏，损坏神经系统，引起贫血等症状，还具有致突变性、致癌性等高毒性物质。大气、水环境中的苯测定标准已确定，但土壤中的硝基苯检测难度较大，标准的检测方法还没统一。目前，试验有检测土壤中的硝基苯方法有超声波萃取-GC/MS法、水蒸气蒸馏萃取-气相色谱法、顶空气相色谱法等等[1-3]。

从报道的检测结果来看，这些检测方法普遍存在检测程序繁琐、操作时间长、溶剂使用量大，且检测精度不高、回收率低等不足，检测效果均不够理想。微波萃取是上世纪80年代后期出现的一种分离技术。微波萃取技术应用于土壤检测，其原理是利用不同物质介电常数不同对微波能吸收程度也存在差异，由此产生的热能传递至周围环境中热量也不同，利用这种微波能力吸收的差异使萃取体系中的部分组分被选择性加热，使被萃取物从基体或体系中分离出来。近年来，微波萃取技术已广泛应用于农药残留、土壤有机污染物分离分析，具有高效、快速，适用于多种固体、半固体试样中有机分析物提取[4]。

1 试验材料与方法

1.1 试验样品

2022年5月，在成宿州市空闲田间土壤取样。取样、布点、运输、制备均按照《土壤环境检测技术规范》（HJ/T166-2004）。采集0～30 cm表层土，共布设点位10个，分点混匀后用四分法取1 kg土壤样品，并将土壤取样置于棕色玻璃瓶，密闭冷藏待测。土样采集置于玻璃瓶运输至实验室，在实验室内阴凉通风处慢慢进行风干，土样中的杂质去除，选用玻璃钵将风干的土样进一步研细，并过筛（1.0 mm）。再装入玻璃瓶。由于硝基苯在土壤中具有较强的挥发性，过筛装瓶的土样需要在24 h称取并置于顶空瓶密封。根据试验用实际及时进行测定，未能及时检测的土样，应将其置于冷藏条件下保存。

1.2 试验器材

气相色谱四级杆联用质谱仪（Agilent 7890B-5977A）、自动进样器（安捷伦7693）、色谱柱（DB-1701）微波消解仪（美国CEM）、万能样品粉碎机（FW-80）、立式电热鼓风干燥箱（DGF-2A）。

其中，（1）色谱条件：色谱柱30 mm×320 μm×0.25 μm；温度85 ℃保持2 min至50 ℃保持2 min）；检测器温度：300 ℃；高纯（99.999%）氮载气流速5.5 ml/min；进样温度：280 ℃，选择分流进样方式，进样量未2 μl；外标法定量。（2）微波消解条件：初始温度5 ℃（1～5 ℃升幅）；时间：12 min；预置压力：1.5 MPa。

1.3 样品预处理

称取研磨过筛样品6份，每份2.0 g。将称取好的土样装入消解罐，加20 ml苯溶液。将测温探针插入测温萃取罐，将测温萃取罐置于转盘仪器，旋紧固定旋帽于固定螺丝后，关闭仪器炉门。先将土样进行微波消解，消解结束后静放至室温，打开并取出[5]。

1.4 方法原理

在进样瓶中加入制备的土壤样品，以及一定的基质溶液，加入苯溶液，密封检测样品。在一定温度下振荡，苯、硝基苯等物质在土壤样品中溢出，硝基苯等物质溢出进入水相再挥发至气相，气液平衡后在毛细管柱分离，测定。

2 结果与讨论

2.1 标准曲线

将容量瓶（100 mL，1个）、烧杯（1个）移液管（1 mL，1个；5 mL，1个）、比色管（10 mL，5个）烘干待用。选择内标法定量试验用样品，配置标准曲线系列标准溶液：称取100 mg/L的硝基苯标准物，将标准物移入容量瓶，将色谱纯苯加入容量品刻度，获得母液1 000 mg/L，逐级稀释依次配置标准曲线所需的浓度溶液1.0 mg/L、2.0 mg/L、5.0 mg/L、10 mg/L、20 mg/L。根据设置的色谱条件进行操作，并将色谱图数据记录。绘制标准曲线（横坐标为硝基苯浓度，纵坐标为峰面积），作线性回归，获得进样浓度与峰面积线性关系，说明检测土样在1.0～20 mg/L范围内线性关系良好，结果见表1。

表1 标准曲线与方法检出限

2.2 检出限、回收率及精密度

方法检出限测定采用空白基质加标法，称取30份空白样（1.0 g/份）中分别加入一定量的标准溶液（0.5 mL、1.0 mL、2.0 mL、4.0 mL），制成含硝基苯物质溶液浓度为10 ng/g、25 ng/g、50 ng/g、100 ng/g、200 ng/g污染土壤。重复分析7个空白加标样，计算每一组质量分数标准偏差s，MDL=3s，计算出方法检出限。该方法回收率平均值为55.2%～123.6%，相对标准差（RSD）为3.05%～6.55%。在前述色谱条件下，以2倍基线噪声获得最低检出限为0.011 mg/L，见表2。

表2 加标回收率试验数据

2.3 测定结果

从某市空闲田间土壤10个点位取样，取样范围处在郊区附近，具有较强的代表性。根据实验室检测结果来看，土样中未检出硝基苯污染物，见表3。

表3 土壤中硝基苯含量检测情况

2.4 结果分析

5个样地的50份试验样品均未检出硝基苯污染物。究其原因，一是温度原因。低温条件下降解菌降解硝基苯含量；二是易挥发性。从点位取样的土壤样品中，由于硝基苯沸点低，极易挥发而无法检出；三是光照因素。取样时间为5月，光照充足，有利于降解土壤硝基苯，将硝基苯降解为亚硝酸根离子，被土壤中的其它生物利用，在土壤中累积量少[6-7]。

3 土壤中硝基苯污染危害及修复治理

虽然本次土壤环境中硝基苯未检出，但作为一种重要化工原料、精细化工中间体，硝基苯属于难生物降解、剧毒化学品，随着工业废气、废水进入生态环境，吸附于土壤、河流沉积物造成生态环境污染。因此，要运用先进技术做好土壤中的硝基苯污染修复治理工作，为土壤环境保护提供参考。

土壤中硝基苯污染物会影响农作物生长及其农作产品的产量和品质。一方面，影响农作物生长。主要表现在：影响种子萌发及幼苗生长。研究发现，土壤中的硝基苯污染物会抑制豆类、麦类、稻类、油菜类农作物根部生长，诱导其畸形生长，导致须根增多；一定浓度的硝基苯污染物会抑制农作物出苗率，延缓其出苗。如，当土壤中的硝基苯浓度在50 mg/h，小麦种子就会停止发芽。也会影响农作物的理化指标。土壤中的硝基苯污染物会影响农作物叶片中叶绿素含量，当硝基苯浓度达到一定浓度值时，促使农作物体内活性氧产生，打破农作物体内活性氧产生与清除平衡，伤害植物细胞[8]。另一方面，土壤中的硝基苯污染物也会影响农作物的产量和品质。硝基苯作为我国58种优先控制的有毒化学品，其分子结构稳定，在土壤中挥发缓慢，会造成农作物的持久危害。据相关报告，含硝基苯污染物灌溉农作物，其产量和品质不同程度受到影响[9]。硝基苯污染物浓度较高时会抑制小麦麸皮中的氨基酸、可溶性糖含量的增加，影响小麦的品质。硝基苯还会影响农作物荚数，瘪荚数增加，影响农作物的产量。

3.1 表面活性剂增效修复技术[10]

利用表面活性剂溶液对疏水性有机污染物增溶、增流作用，使吸附于土壤中的有机污染物解吸溶解、迁移，实现土壤修复的目的。将十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、聚氧乙烯山梨醇酐单油酸酯作为表面活性剂，研究发现，表面活性剂与土壤中含硝基苯粒子发生竞争修复，由于占据了部分表面活性剂吸附位点，降低含硝基苯土壤颗粒表面活性剂吸附量，土壤粒子中的硝基苯污染物与表面活性剂疏水链相互作用，增加土壤粒子中硝基苯吸附量，实现土壤硝基苯洗脱效果。其中十二烷基苯磺酸钠表面活性剂的洗脱效果最为显著。

3.2 热脱附[11]

热脱附修复土壤硝基苯污染物，其修复原理是直接或间接热交换，通过土壤加热，将土壤加热至硝基苯污染物所需沸点上，使其中的硝基苯有机污染组分达到足够高温度，硝基苯通过气化方式挥发并产生裂解，利用抽提方式使硝基苯污染物与土壤介质分离，实现修复效果。其中，影响热脱附技术修复土壤硝基苯污染物的因素主要有：温度、土壤含水率、加热时间及土壤性质等。研究表明，热脱附温度300 ℃、土壤含水率2%、加热30 min，土壤硝基苯污染物热脱附效率达85%以上。

3.3 吸附法

吸附法处理土壤硝基苯污染物，是通过某些介质表面对硝基苯有机物的吸附工作，将硝基苯污染物从土壤中除去的处理技术。膨润土作为蒙脱石主要成分的黏土矿物，用膨润土为吸附剂能显著提升原土吸附性能。

4 结论

（1）该方法检测效果好，选用微波萃取——气相色谱法检测土壤硝基苯含量，检测效果好。检测方式简单，从土壤取样中投加1～20.0 mg/L浓度的硝基苯标准液，检测土壤样品，测定其回收率为93.6%～99.0%，最小检出限0.084 mg/kg。

（2）方法易操作，微波萃取、气相色谱使用条件简单，易操作。利用微波萃取技术，萃取土壤样品中的硝基苯，回收率高，操作效率高、简便。硝基苯挥发性强，溶剂消耗量少，可从土壤样品中萃取出其它有机物。萃取试剂用量少，不会产生二次污染。

（3）影响因素少，采用微波萃取——气相色谱法检测土壤中的硝基苯，检测效率高，物质分离效果好，不受土壤其它物质影响。但在实际检测过程中也需要注意，一是基质修正液添加及密封应迅速完成，防止硝基苯挥发。振荡应保持充分，让土样散开，使其与基质修正液充分接触，以提升待测组分回收率。