不同耕種作物下土壤揮發(fā)性成分SPME-GC/MS分析

王 科，林昌虎，2，*，王道平，潘衛(wèi)東，何騰兵，高曉宇

(1.貴州大學(xué)，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.貴州醫(yī)科大學(xué)，貴州 貴陽(yáng) 550001；3.貴州省中國(guó)科學(xué)院天然產(chǎn)物化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550002)

不同耕種作物下土壤揮發(fā)性成分SPME-GC/MS分析

王 科1，林昌虎1，2，3*，王道平3，潘衛(wèi)東3，何騰兵1，高曉宇1

(1.貴州大學(xué)，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.貴州醫(yī)科大學(xué)，貴州 貴陽(yáng) 550001；3.貴州省中國(guó)科學(xué)院天然產(chǎn)物化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550002)

為了測(cè)定不同耕種作物下土壤中的揮發(fā)性成分，采用固相微萃取氣質(zhì)聯(lián)用儀(SPME-GC/MS)進(jìn)行了分析，并用歸一化法測(cè)定了其相對(duì)含量。從成熟期鉤藤、半夏、玉米和小麥種植地的土壤中分別鑒定出71、69、59、53個(gè)組分，共有揮發(fā)性成分28種，主要成分為2,4-二甲基庚烷、4,5-二甲基壬烷、2,6-二甲基壬烷、檸檬烯、十二烷、4,6-二甲基-十二烷，其中半夏、玉米和小麥種植地土壤中的揮發(fā)性成分種類(lèi)大致相同，但成分相對(duì)含量有差異。SPME-GC/MS分析方法具有操作簡(jiǎn)便、樣品量小、靈敏度高和無(wú)溶劑的特點(diǎn)，適用于土壤揮發(fā)性成分的快速測(cè)定，是對(duì)土壤動(dòng)態(tài)環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)的一種有效方法。

固相微萃?。粴庀嗌V/質(zhì)譜；土壤

揮發(fā)性有機(jī)化合物(Volatile organic compounds,VOCs)是指在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，室溫下飽和蒸氣壓超過(guò)133.32 Pa，常溫下能以氣體的形式存在于空氣中的易揮發(fā)性有機(jī)化合物[1]。具有隱蔽性、揮發(fā)性、毒害性、累積性、多樣性的特點(diǎn)[2]。揮發(fā)性有機(jī)物能引起機(jī)體免疫水平失調(diào)，影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能，刺激眼睛和皮膚，嚴(yán)重時(shí)可損傷肝臟和造血系統(tǒng)，對(duì)人體健康造成嚴(yán)重危害[3-4]。近年來(lái)，由于化工生產(chǎn)和污染物肆意排放而致使大量揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)吸附在黏土或有機(jī)質(zhì)中，造成了土壤污染。土壤中的揮發(fā)性有機(jī)物作為一類(lèi)特殊的土壤污染物，因其成分復(fù)雜及其危害性，被列為環(huán)境中潛在危險(xiǎn)性大、應(yīng)優(yōu)先控制的毒害性污染物[2]。

目前，測(cè)定土壤中揮發(fā)性有機(jī)化合物的前處理方法有常規(guī)溶劑萃取、吹掃捕集、靜態(tài)頂空、固相微萃取等，近年來(lái)，吹掃捕集法和靜態(tài)頂空法在研究與實(shí)際應(yīng)用中均較為廣泛[1]。與其他應(yīng)用比較廣泛的樣品前處理提取技術(shù)相比，本文所采用固相微萃取(Solid-phase microextraction,SPME)的土壤樣品前處理方法在國(guó)內(nèi)的研究相對(duì)較為落后。目前，在固相微萃取法處理土壤VOCs樣品以進(jìn)行分析的研究方面，國(guó)外有學(xué)者應(yīng)用100 μm PDMS涂層分析了土壤樣品VOCs的情況，最低檢測(cè)限為0.002～1.000 μg/kg，可滿(mǎn)足精度的要求[1]。國(guó)內(nèi)學(xué)者也只是建立了SPME-GC/MS測(cè)定土壤中13種揮發(fā)性芳香烴的方法[5]。本研究通過(guò)采用固相微萃取(SPME)與氣相色譜質(zhì)譜(GC/MS)聯(lián)用，對(duì)不同耕種作物下土壤中揮發(fā)性有機(jī)物成分進(jìn)行了分析和測(cè)定。探索了適用于土壤中揮發(fā)性成分的鑒定和監(jiān)測(cè)方法，以期為土壤動(dòng)態(tài)環(huán)境的檢測(cè)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

Agilent 5975C/6890 GC/MS氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀 (美國(guó)安捷倫公司) ；手動(dòng)固相微萃取裝置(美國(guó)Supelco公司) ，萃取纖維頭為70 μm PDMS。

1.2 土壤樣品的來(lái)源

土壤樣品1采自貴州省劍河縣柳川鎮(zhèn)鉤藤種植地，土壤樣品2采自貴州省赫章縣河鎮(zhèn)鄉(xiāng)半夏種植地，土壤樣品3采自貴州省開(kāi)陽(yáng)縣南江鄉(xiāng)玉米種植地，土壤樣品4采自貴州省威寧縣金斗鄉(xiāng)小麥種植地。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 SPME 過(guò)程 本研究考察了固相微萃取條件(萃取涂層類(lèi)型、萃取溫度、樣品量等)對(duì)土壤中主要揮發(fā)性成分的影響。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，確定了最佳萃取條件。即將采集的新鮮土壤2 g裝入10 mL采樣瓶，插入70 μm PDMS纖維頭，在50 ℃左右頂空萃取約20 min，快速移出萃取頭并立即插入氣相色譜儀進(jìn)樣口(溫度250 ℃)中，熱解析3 min進(jìn)樣。

1.3.2 GC-MS 測(cè)定條件 色譜柱為Zebron ZB-5MSI 5% Phenyl-95% DiMethylpolysiloxane (30 m×0.25 mm×0.25 μm)彈性石英毛細(xì)管柱，程序升溫，起始溫度40 ℃(保留2 min)，然后以4 ℃/min的速率升溫至250 ℃，氣化室溫度250 ℃；載氣為高純He(99.999%)，流量1.0 mL/min；柱前壓7.6 psi，不分流進(jìn)樣；溶劑延遲時(shí)間為1.5 min。

離子源為EI源；四極桿溫度150 ℃；離子源溫度230 ℃；電子能量70 eV；發(fā)射電流34.6 μA；倍增器電壓1350 V；接口溫度280 ℃；質(zhì)量范圍20～450 amu。

2 結(jié)果與分析

采用固相微萃取技術(shù)進(jìn)樣后，經(jīng)過(guò)氣質(zhì)聯(lián)用儀分析，得到的總離子流圖見(jiàn)圖1。

圖1 不同耕種作物下土壤揮發(fā)性成分的總離子流圖

對(duì)總離子流中的各峰進(jìn)行MS掃描，得到了相應(yīng)的MS裂片圖，結(jié)合NIST和Wiley 275標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜圖庫(kù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)，檢索相關(guān)質(zhì)譜信息。根據(jù)化合物出峰順序排列，化合物信息以及相對(duì)百分含量見(jiàn)表1。

通過(guò)質(zhì)譜數(shù)據(jù)系統(tǒng)檢索和查對(duì)Nist 2008和Wiley 275標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜圖，從成熟期鉤藤、半夏、玉米和小麥種植地的土壤中分別鑒定出揮發(fā)性成分共計(jì)106種，其中鑒定出4種不同耕種土壤中共有的揮發(fā)性成分為28種，主要成分為2,4-二甲基庚烷、4,5-二甲基壬烷、2,6-二甲基壬烷、檸檬烯、十二烷、4,6-二甲基-十二烷。除共有成分之外，從鉤藤、半夏、玉米和小麥種植地的土壤中還分別鑒定出43、41、31、25種其他組分，鉤藤種植地的土壤中主要是1,3-二甲基叔丁基苯、7-甲基-1-十一碳烯、2,4-二甲基庚烯、辛烷、順7-甲基-2-癸烯。半夏、玉米和小麥種植地的土壤中主要是2,4,6-三甲基癸烷、2,6,11-三甲基十二烷、3,7-二甲基-癸烷。

表1 不同耕種作物下土壤揮發(fā)性成分的相對(duì)含量

續(xù)表1:

編號(hào)揮發(fā)性成分英文名分子式分子量相對(duì)含量/%1-鉤藤2-半夏3-玉米4-小麥524，6-二甲基-十二烷4，6-dimethyl-DodecaneC14H301981．4240．8430．9890．994532，3，5，8-四甲基癸烷2，3，5，8-tetramethyl-DecaneC14H301980．3120．7490．9060．872542，4-二甲基-十二烷2，4-dimethyl-DodecaneC14H30198/1．7352．2542．506552，6，11-三甲基十二烷2，6，11-trimethyl-DodecaneC15H322120．1784．5894．9345．67756刺伯烯JunipeneC15H24204/0．1850．2600．30157十八烷OctadecaneC18H38254/0．1590．2820．296584-甲基-2，6-二甲基叔丁基苯酚4-Methyl-2，6-di-tert-butylphenolC15H24O220/0．0970．162/592，4-二甲基叔丁基苯酚2，4-di-tert-butylphenolC14H22O206//0．159/602-甲基呋喃2-methyl-FuranC5H6O82/0．070//612，4，6-三甲基庚烷2，4，6-trimethyl-HeptaneC10H221420．3690．067//623，4，5-三甲基庚烷3，4，5-trimethyl-HeptaneC10H221420．0640．074//63甲氧基苯酮肟Methoxy-phenyl-OximeC8H9N2O151/0．051//642，6-二甲基辛烯2，6-dimethyl-OcteneC10H201400．1080．082//651，2，4-三甲基苯1，2，4-trimethyl-BenzeneC9H201200．0670．068//662，4，6-三甲基辛烷2，4，6-trimethyl-OctaneC11H24156/0．170//671，2-二乙苯1，2-diethylbenzeneC10H14134/0．882//682-甲基異龍腦2-methylisoborneolC10H18O154/0．108//693，5-二甲基-十二烷3，5-dimethyl-DodecaneC14H30198/0．259//704-甲基十四烷4-methyl-TetradecaneC15H32212/0．364//712-甲基戊烯2-Methyl-1-penteneC6H12840．063///722-乙氧基-2-甲基丙烷2-ethoxy-2-methyl-PropaneC6H14O1020．148///732，3，4-三甲基戊烷2，3，4-TrimethylpentaneC8H181140．280///742，3，3-三甲基戊烷2，3，3-TrimethylpentaneC8H181140．521///752，3-二甲基己烷2，3-DimethylhexaneC8H181140．112///763-甲基庚烷3-methyl-HeptaneC8H181140．589///772，2，5-三甲基己烷2，2，5-Trimethyl-hexaneC9H201280．431///782-甲基-1-庚烯2-Methyl-1-hepteneC8H161120．214///792-辛烯(E)-2-OcteneC8H161120．108///802，6-二甲基庚烷2，6-dimethyl-HeptaneC9H201280．060///811，3，5-三甲基環(huán)己烷1，3，5-Trimethyl-cyclohexaneC9H181260．045///822，3-二甲基庚烯2，3-dimethyl-HepteneC9H181260．180///832，2，4-三甲基庚烷2，2，4-trimethyl-HeptaneC10H221420．796///842，2-二甲基辛烷2，2-dimethyl-OctaneC10H221420．589///85鄰二甲苯o-XyleneC8H101060．156///863，3，5-三甲基庚烷3，3，5-trimethyl-HeptaneC10H221420．384///872，3，6-三甲基-庚烷2，3，6-trimethyl-HeptaneC10H221420．179///883，5-二甲基辛烷3，5-dimethyl-OctaneC10H221420．080///89α-蒎烯α-PineneC10H161360．077///90香檜烯SabineneC10H161360．292///912-甲基-1-壬烯2-Methyl-1-noneneC10H201400．136///92順4-甲基-2-癸烯(Z)-4-methyl-2-DeceneC11H221540．375///93順7-甲基-2-癸烯(Z)-7-methyl--2-DeceneC11H221543．226///94對(duì)傘花烴P-CymeneC10H141340．373///95反4-十一碳烯氧(E)-4-UndeceneC11H221541．183///96D-葑酮D-FenchoneC10H16O1521．008///97左樟腦L-CamphorC10H16O1520．107///984，6-二甲基十一烷4，6-dimethyl-UndecaneC13H281840．141///992，6-二甲基十一烷2，6-dimethyl-UndecaneC13H281840．137///100β-葑基乙酸酯β-FenchylacetateC12H20O21960．394///1014-甲基十三烷4-MethyltridecaneC14H301980．823///1022-乙基-1-十二烯2-ethyl-1-dodeceneC14H281960．309///1031，3-二甲基叔丁基苯1，3-Di-tert-butylbenzeneC14H221907．067///104乙酸冰片酯BorneolacetateC12H20O21960．273///1051-十四烯1-TetradeceneC14H281960．115///106β-石竹烯β-CaryophylleneC15H242040．063///

注:/表示在儀器檢出限范圍內(nèi)，該化合物未被檢出。

3 結(jié)論與討論

本實(shí)驗(yàn)分別選擇了PA、100 μm PDMS、70 μm PDMS這3種涂層纖維對(duì)目標(biāo)組分進(jìn)行萃取，同時(shí)結(jié)合所有組分的多少、峰面積的影響進(jìn)行了考察，最后確定采用70 μm PDMS涂層纖維進(jìn)行SPME提取。在不同萃取溫度(20～60 ℃)的系列實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)在室溫至50 ℃之前，樣品總峰數(shù)隨萃取隨溫度的增加而明顯增加，但當(dāng)溫度增加到50 ℃時(shí)，色譜峰數(shù)穩(wěn)定，綜合考慮各組分的萃取結(jié)果，最終選定的萃取溫度為50 ℃。并在此萃取溫度下考察了萃取時(shí)間(10～40 min)對(duì)揮發(fā)性成分的影響，結(jié)果表明，萃取時(shí)間為20 min 時(shí)即有最佳效果。本研究還考察了樣品量(0.5～3.0 g)的影響，結(jié)果表明：樣品量為2.0 g時(shí)，即可滿(mǎn)足測(cè)定要求。

由于土壤環(huán)境本身是一種動(dòng)態(tài)環(huán)境，介質(zhì)復(fù)雜，化合物種類(lèi)繁多，無(wú)法直接進(jìn)行檢測(cè)分析，并且VOCs在土壤中的含量低，并且易揮發(fā)，因此，選擇合適的土壤樣品前處理方法對(duì)檢測(cè)分析過(guò)程是十分重要的。在目前檢測(cè)土壤樣品VOCs的前處理方法中，溶劑萃取法的回收率低，加熱會(huì)造成溶劑和土壤中VOCs損失；吹掃捕集法處理土壤樣品的過(guò)程復(fù)雜，并且需要頻繁更換吹掃管，不利于樣品的快速準(zhǔn)確檢測(cè)[6]。靜態(tài)頂空法受平衡時(shí)間和溫度的影響較大，溫度越高，蒸汽壓越高，分析靈敏度就越高，但過(guò)高的溫度可能導(dǎo)致某些組分的分解或被氧化，從而影響檢測(cè)的準(zhǔn)確度[7]。SPME前處理法是通過(guò)利用涂有吸附劑的石英纖維萃取頭吸附樣品中的待測(cè)物，通過(guò)樣品與固相涂層之間的平衡達(dá)到萃取濃縮的目的。在整個(gè)過(guò)程中，分析樣品的使用量少，不添加任何有機(jī)溶劑，操作簡(jiǎn)便且靈敏度高，集萃取、濃縮、解吸、進(jìn)樣等功能于一體[8-10]。對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境下的樣品進(jìn)行檢測(cè)是相對(duì)較好的樣品前處理提取方法，與GC/MS聯(lián)用的結(jié)合，使得樣品中微量揮發(fā)性成分得以檢測(cè)。在土壤揮發(fā)性成分檢測(cè)中具有十分重要的應(yīng)用意義。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，由于土壤環(huán)境的特殊性，一種前處理手段很難取得理想的效果，往往需要多種技術(shù)手段結(jié)合使用，以提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度。

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(責(zé)任編輯：曾小軍)

Analysis of Volatile Components in Soil of DifferentCrop Cultivated Land by SPME-GC/MS

WANG Ke1, LIN Chang-hu1,2,3*, WANG Dao-ping3, PAN Wei-dong3, HE Teng-bing1, GAO Xiao-yu1

(1. Guizhou University, Guiyang 550025, China; 2. Guizhou Medical University, Guiyang 550001, China; 3. Key Laboratory of Chemistry for Natural Products, Guizhou Province and Chinese Academy of Sciences, Guiyang 550002, China)

The volatile components in the soil of different crop cultivated land were analyzed by solid-phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometry (SPME-GC/MS), and their relative contents were further determined by normalization method. A total of 71, 69, 59 and 53 components were identified separately from the soil of mature uncaria, pinellia, maize and wheat field, and 28 volatile components were found among them. These volatile components were mainly 2,4-dimethyl-heptane, 4,5-dimethyl-nonane, 2,6-dimethyl-nonane, limonene, dodecane, and 4,6-dimethyl-dodecane. The volatile components in the soil of pinellia, maize and wheat cultivated land were substantially the same, but their relative contents were different. SPME-GC/MS analysis method has the characteristics of simple operation, small sample size, high sensitivity and solvent-free use, and it is suitable for the rapid determination of soil volatile components and for the monitoring of soil dynamic environment.

SPME; GC-MS; Soil

2016-11-14

貴州省科技計(jì)劃(黔科合省院合[2014]7001號(hào))；貴州省中藥材現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)項(xiàng)目(GZCYTX2015-0202)； 基于貴州特色藥用資源的創(chuàng)新藥物研發(fā)團(tuán)隊(duì)及平臺(tái)建設(shè)(黔科合體Z字[2014]4007號(hào))；貴州省科技廳2015年度科研機(jī) 構(gòu)服務(wù)企業(yè)行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目(黔科合服企[2015]4008 號(hào))。

王科(1991─)，男，山西晉城人，碩士研究生，研究方向：土壤肥力與作物生產(chǎn)。*通訊作者：林昌虎。

S153.6，X131.3

A

1001-8581(2017)04-0044-05