从沉积物中提取多环芳烃化合物的一种高效且更绿色的替代方法

《Separations》：An Efficient and Greener Alternative for the Extraction of Polycyclic Aromatic Compounds from Sediments Zhe Xia, Xinyu Gao, Thor Halldorson, Nipuni Vitharana, Chris Marvin, Philippe J. Thomas and Gregg T. Tomy

　　

本研究详细介绍了一种新型微珠研磨提取（microbead beating extraction, MBE）技术用于沉积物中多环芳烃化合物（polycyclic aromatic compounds, PACs）分析的验证过程。该方法性能根据国际分析验证标准进行评估，包括真度（trueness）、精密度（precision）、测量不确定度（measurement uncertainty）和稳健性（robustness）。检测限和定量限持续较低（分别≤6.5 ng g^?1和21 ng g^?1），大多数分析物的真度在可接受性能标准范围内，且多数分析物的重复性值通常低于10%。分析数据确认了该方法的可靠性，两个认证参考物质（certified reference materials, CRMs）中超过80%的认证分析物满足满意的z分数（|z| ≤ 2.0）。此外，由HorRat值衡量的方法实验室间重复性对于大多数分析物均落在官方分析化学家协会（Association for Official Analytical Chemist, AOAC）推荐的范围内，且组合测量不确定度与CRMs的认证不确定度无统计差异。通过引入原位净化步骤，MBE方法能够显著缩短提取时间（<15分钟），并与传统加压流体提取（pressurized fluid extraction, PFE）相比减少约60%的溶剂消耗，同时维持良好的数据质量目标。通过满足或超越良好实验室性能的既定指标，MBE方法证明了对沉积物中PACs常规分析的可靠性、效率及更绿色的方法。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**
多环芳烃化合物（polycyclic aromatic compounds, PACs）是一类由多个稠合芳香环组成的化学物质，广泛存在于环境中，主要通过有机质不完全燃烧及自然过程与人类活动（如化石燃料燃烧、工业排放和城市径流）产生。由于其疏水性和化学持久性，PACs倾向于在沉积物中累积，并通过致突变和致癌特性对生态和人类健康构成显著风险。然而，环境样品中持久性有机物的常规分析中，样品制备始终是瓶颈环节。传统提取方法如索氏提取（Soxhlet extraction）存在提取时间长（可达24小时）、溶剂消耗高（常>150 mL/样品）、选择性差等缺点；超声辅助提取（ultrasonic-assisted extraction, UAE）和快速、简便、廉价、有效、耐用、安全（Quick, Easy, Cheap, Effective, Rugged, and Safe, QuEChERS）方法则受限于溶剂兼容性、基质效应或污染风险；加压流体提取（pressurized fluid extraction, PFE）虽效率较高，但溶剂消耗和耗时仍可优化。因此，研究人员旨在开发一种更高效、更绿色的替代方法，以克服现有技术的局限性，提升沉积物中PACs分析的可靠性和可持续性。

**研究内容与结论**
研究人员提出并验证了一种新型微珠研磨提取（microbead beating extraction, MBE）技术，用于沉积物中PACs的分析。该研究使用两种海洋沉积物认证参考物质（certified reference materials, CRMs）：QPH121MS（总石油烃含量3.16%）和QPH122MS（总石油烃含量0.256%，并人为添加PACs），来源为Wepal-Quasimeme（荷兰瓦赫宁根）。通过系统的方法验证，包括检测限（LOD/LOQ）、真度（回收率）、精密度（重复性）、稳健性（ruggedness）和测量不确定度（measurement uncertainty, MU）的评估，并与传统PFE方法进行对比，研究得出以下结论：MBE方法在提取效率、时间（<15分钟）和溶剂消耗（比PFE减少约60%）方面均具有显著优势，同时满足或超越国际分析验证标准（如美国官方分析化学家协会AOAC和欧洲分析化学网络Eurachem指南）。该方法的可靠性通过超过80%的认证分析物在CRMs中达到满意z分数（|z| ≤ 2.0）、HorRat值落在0.3–1.30范围内以及组合测量不确定度与CRM认证不确定度无统计差异等指标得到证实。因此，MBE技术为沉积物中PACs的常规分析提供了一种高效、可靠且绿色的替代方案，并有望扩展应用于其他持久性有机污染物。该论文发表在《Separations》。

**关键技术与方法**
本研究采用的主要关键方法包括：
1. **微珠研磨提取（MBE）**：使用定制不锈钢微珠管（含2.5 g 2.8 mm氧化锆陶瓷微珠）、4.0 g硅胶和1.0 g 5%去活化氧化铝作为分散剂和原位净化吸附剂，以二氯甲烷:乙酸乙酯（DCM:EtOAc, 1:1, v/v; 8.0 mL）为提取溶剂，在Precellys Evolution均质器中以6800 rpm运行8个循环（每次20秒，间隔50秒），总提取时间8.5分钟。提取后离心、洗涤、除水并浓缩至1.0 mL。
2. **气相色谱-串联质谱（GC-MS/MS）分析**：使用Agilent 7890 GC-7000C三重四极杆质谱仪，配备电子电离（EI）源和HP-5ms Ultra Inert色谱柱，采用多反应监测（MRM）模式，针对不同PACs亚类（PAHs、APAHs、HPAHs、HPACs、HHPACs）设置专用升温程序。
3. **方法验证策略**：遵循Eurachem指南，基于CRM进行LOD/LOQ计算（3s₀′和10s₀′）、真度评估（通过加标回收和z分数）、精密度（日内和日间重复性及HorRat值）、稳健性测试（参数故意改变）和测量不确定度估计（ANOVA分析）。
样本队列来源为两个海洋沉积物CRM（QPH121MS和QPH122MS）。

**研究结果**
**检测限（Limits of Detection and Quantitation, LOD/LOQ）**
除6-n-丙基-屈（6-n-Propyl-Chr）外，所有117种目标分析物的LOD/LOQ均≤6.5/21 ng g^?1，范围从0.3/1.1 ng g^?1（苯并[b]萘并[2,3-d]呋喃）到4.0/13.4 ng g^?1（苯并[g,h,i]苝，BghiP）。各亚类范围：PAHs 0.6/1.9–4.0/13.4 ng g^?1；APAHs 0.4/1.5–0.1/20.2 ng g^?1；HPAHs 0.5/1.6–2.0/6.5 ng g^?1；HPACs 0.3/1.1–2.4/8.1 ng g^?1；HHPACs 0.5/1.8–1.9/6.2 ng g^?1。表明方法具有高灵敏度。

**真度（Trueness）**
通过加标QPH122MS CRM（10、100、500 ng g^?1，n=8）评估回收率。PAHs在10 ng g^?1水平除蒽（Ant，57.1%）外均符合AOAC标准（60–115%）；100和500 ng g^?1水平全部达标。APAHs回收率范围81.5–153.0%；HPAHs 57.8–134.6%；HPACs 44.9–164.3%；HHPACs 60.7–138.7%。偏离主要出现在低加标水平和结构复杂分析物，但中高水平回收率均在可接受范围内，说明基质效应最小。

**精密度（Precision）**
日内重复性（8次/24 h）和日间重复性（12次/3天）以相对标准偏差（RSD）表示。PAHs日内RSD 4.6%–24.4%，仅BghiP（24.4%）和DahA（28.2%）在10 ng g^?1水平超过AOAC标准22%；其他两个加标水平PAHs日内RSD均<7%。HPAHs日内RSD<10%；APAHs多数<20%；HPACs和HHPACs日内RSD<20%。整体精密度符合复杂沉积物基质预期。

**稳健性（Ruggedness）**
通过故意改变参数（溶剂组成、提取循环次数、漂洗次数）并与标准方法比较。减少一次漂洗或增加一个提取循环分别导致<10%和<25%的分析物出现统计显著差异（Student t-test, p<0.05），但溶剂改为DCM:EtOAc（70:30, v/v）影响更显著（30种分析物）。方法对溶剂组成敏感，但优化后稳定。

**方法比较（Comparison with PFE）**
与已发表的PFE方法进行平行比较（n=3）。对高浓度CRM（QPH121MS），MBE方法中17种认证分析物有13种回收率无统计差异（p<0.05）；对低浓度未加标CRM（QPH122MS），超过80%认证分析物无统计差异（p<0.05）。证明MBE与PFE性能相当。

**z分数评估（z-Score）**
对两个CRM计算z分数。QPH121MS中所有17种认证分析物|z|<3，82%满意（|z|≤2）；QPH122MS中除C1-Nap外均满意。表明MBE方法在宽浓度范围内可靠。

**测量不确定度（Measurement Uncertainty, MU）**
组合测量不确定度与CRM认证不确定度无统计差异（见表2），说明MBE方法未引入额外不确定性源，精密度与参考标准一致。

**讨论与结论**
讨论部分指出，MBE方法依赖机械破碎和溶剂辅助解吸，适用于海洋沉积物，并预期可推广至其他细粒沉积物（如淡水沉积物），但高有机质或粗粒度基质可能需进一步优化。方法可转移性通过标准化商业设备得到支持。研究人员强调，溶剂组成是敏感参数，但保持优化比例可实现实验室间可靠实施。
研究结论部分（4. Conclusions）翻译如下：
总之，验证结果表明MBE方法是一种适用于沉积物中PACs提取的合适且高效的技术。其方法性能特征持续满足或超越公认标准，并通过显著减少溶剂消耗和大幅缩短提取时间，相比传统提取技术具有显著优势。在MBE管内引入分散剂可实现原位净化，进一步简化和优化整体样品制备流程。与索氏提取（每样品24–48小时）或PFE（每样品~30分钟）相比，MBE方法所需时间大幅减少，15分钟内完成提取。从操作角度，在常规环境监测实验室实施MBE方法无需额外质量控制程序，仅需使用同位素标记内标、程序空白和认证参考物质即可确保数据质量。此外，这项工作无疑可适用于沉积物中其他持久性有机污染物的提取。最终，MBE技术将增强环境实验室生成更快、更可靠数据的能力，同时最小化环境影响并维持良好数据质量目标。