李小琳,賀行良,李 鳳,張媛媛,陳立雷,張培玉

(1.青島大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266071；

2.國(guó)土資源部海洋油氣資源和環(huán)境地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071；

3.中國(guó)海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山東 青島 266100)

脂肪酸是沉積物中含量最豐富的脂類標(biāo)記物之一，同時(shí)脂肪酸還是所有生物體的重要組分，廣泛存在于海洋浮游植物(如海洋微藻和大型海草)、浮游動(dòng)物、陸源高等植物以及細(xì)菌等生物中，其中海藻中的脂肪酸含量占有機(jī)質(zhì)的5%～25%[1-2]。脂肪酸分子中含有羥基官能團(tuán)，可以與沉積物中的大分子有機(jī)物、礦物等發(fā)生相互作用，因而沉積物中脂肪酸的存在形式主要有游離態(tài)脂肪酸和結(jié)合態(tài)脂肪酸(包括堿不穩(wěn)定態(tài)脂肪酸和酸不穩(wěn)定態(tài)脂肪酸)[3-10]。研究表明，不同海區(qū)的沉積物中其脂類物質(zhì)的形態(tài)分布不同，Wakeham[11]發(fā)現(xiàn)黑海沉積物中的脂肪酸以游離態(tài)和堿不穩(wěn)定態(tài)存在，其中游離態(tài)為主要存在形態(tài)。胡建芳[12]研究表明南海沉積物柱狀樣中的脂類物質(zhì)幾乎完全以游離態(tài)形式存在。而Zegouagh等[13]研究長(zhǎng)江口2個(gè)表層沉積物中的脂肪酸，發(fā)現(xiàn)結(jié)合態(tài)脂肪酸含量高于游離態(tài)。

目前針對(duì)中國(guó)海域沉積物中脂肪酸等脂類物質(zhì)的形態(tài)分布研究已有報(bào)道，但對(duì)于提取脂肪酸的方法探索研究較少。不同形態(tài)的脂肪酸其提取方法又有不同難點(diǎn)與差異：游離態(tài)脂肪酸可由溶劑直接萃取得到，結(jié)合態(tài)脂肪酸是在已提取出游離態(tài)脂肪酸的沉積物殘?jiān)屑尤胨釅A加熱后再用溶劑提取。目前地質(zhì)樣品生物標(biāo)志化合物分析方法中，索氏提取、超聲波提取和加速溶劑萃取(ASE)是使用廣泛的脂類化合物提取方法[14-17]。索氏提取是一種經(jīng)典高效的提取方法。Wakeham[11]提取黑海沉積物中的脂肪酸、胡建芳[12]提取南海沉積物中的脂肪酸以及Zegouagh等[13]對(duì)長(zhǎng)江口表層沉積物中脂肪酸的提取，均采用索氏提取法。但該法耗時(shí)長(zhǎng)、樣品需求量較大、溶劑使用量大，一些高沸點(diǎn)溶劑以及受熱易分解或變色的物質(zhì)不宜采用此方法[16]。超聲波提取法操作相對(duì)簡(jiǎn)單，設(shè)備較便宜，但殘?jiān)c抽提物的分離操作需消耗大量溶劑、消耗時(shí)間長(zhǎng)，尤其對(duì)于有機(jī)質(zhì)含量低的地質(zhì)樣品難以操作[17]。ASE是在較高的溫度和壓力下用有機(jī)溶劑萃取固體或半固體的自動(dòng)化方法，具有省時(shí)省溶劑、成本低和操作毒性小等優(yōu)點(diǎn)，且萃取效率不低于經(jīng)典的索氏提取[18]，此法在脂類生物標(biāo)志化合物研究中已經(jīng)得到了較廣泛的應(yīng)用。Andersson等[19]利用ASE法采用兩次加熱兩次循環(huán)的循環(huán)過(guò)程，同時(shí)提取樣品中正構(gòu)烷烴、芳烴、脂肪醇、脂肪酸以及磷脂等多種脂類生物標(biāo)志物，并應(yīng)用于東歐俄羅斯北極地區(qū)全新世泥炭序列的研究，極大地提高了工作效率。但ASE技術(shù)以海洋沉積物作為研究對(duì)象的方法研究報(bào)道較少。

本文采集東海近海海域沉積物作為研究樣本，由于樣品中游離態(tài)脂肪酸含量豐富，而結(jié)合態(tài)脂肪酸由于含量過(guò)低，測(cè)定結(jié)果精密度差[10,20]，難以作為方法研究對(duì)象，因此本文針對(duì)游離態(tài)脂肪酸應(yīng)用ASE法進(jìn)行提取，并對(duì)ASE萃取劑的選擇、萃取溫度、靜態(tài)萃取時(shí)間和循環(huán)次數(shù)等實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行了優(yōu)化，以期建立一種簡(jiǎn)單、快速地提取海洋沉積物樣品中游離態(tài)脂肪酸的方法。這對(duì)于今后進(jìn)一步研究沉積物中脂肪酸的遷移、轉(zhuǎn)化和降解，乃至脂肪酸對(duì)環(huán)境變化指示作用的應(yīng)用等均有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器及工作條件

ASE200型加速溶劑萃取儀(美國(guó)Dionex公司)；7890A-5975C型氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS，美國(guó)Aglient公司)；KL512/509J型恒溫水浴氮吹儀(北京康林公司)。

氣相色譜條件：HP-5石英毛細(xì)管柱(50 m×0.25 mm×0.25 μm)；進(jìn)樣口溫度300℃；升溫程序：60℃保持1 min，然后5 ℃/min升溫至310℃并保持14 min；載氣為高純氦氣(99.999%)，柱流速1.5 mL/min，進(jìn)樣量1 μL，不分流進(jìn)樣。

質(zhì)譜條件：電子轟擊(EI)離子源，電子能量70 eV；傳輸線溫度280℃；離子源溫度230℃；四極桿溫度150℃；溶劑延遲6 min；全掃描模式[21]。

1.2 主要試劑

硅膠填料(SiO2，0.147～0.175 mm，美國(guó)Supelco公司)；1-十九酸(C19H38O2，上海Sigma-Aldrich貿(mào)易有限公司)；衍生化試劑BF3-MeOH(上海安譜科學(xué)儀器有限公司)；二氯甲烷、甲醇、氯仿、正己烷(HPLC級(jí)，德國(guó)Merck公司)。

1.3 樣品采集與保存

本研究取得沉積物樣品是位于閩浙沿岸泥質(zhì)區(qū)的褐色黏土。取樣器為多管式重力采樣器。樣品采集后，現(xiàn)場(chǎng)按密集型 1 cm間距分割成子樣，放入已于450℃灼燒過(guò)的鋁箔中包裹封裝，冷凍保存(-20℃)至分析。

1.4 分析方法

將海洋沉積物樣品冷凍干燥、磨碎、過(guò)篩，稱量適量處理好的樣品并加入替代物1-十九酸。設(shè)定萃取溶劑為甲醇-二氯甲烷(V/V，1∶3)，靜態(tài)萃取時(shí)間5 min，萃取溫度110℃，循環(huán)2次等條件進(jìn)行ASE萃取，得到總可萃取有機(jī)質(zhì)。萃取液加入銅片過(guò)夜脫硫。高純氮?dú)?99.99%)吹干后加入6%氫氧化鉀-甲醇溶液于80℃加熱水解2 h，再以正己烷萃取分液，得到上層清液為中性-非極性組分，向萃取剩余液中加入鹽酸使其pH<2。正己烷萃取分液，得到上層清液為酸性-極性組分。氮?dú)獯蹈杉尤胙苌噭〣F3-MeOH溶液于90℃下進(jìn)行2 h衍生化反應(yīng)。取出后于干燥器內(nèi)降至室溫，正己烷萃取分液，得到上層清液，氮吹濃縮轉(zhuǎn)移到樣品瓶中，用正己烷潤(rùn)洗吹干定容，上機(jī)分析。

1.5 定性分析和定量分析

為了方便討論，現(xiàn)將脂肪酸(游離態(tài)脂肪酸，下文統(tǒng)一簡(jiǎn)稱脂肪酸)分成如下5類[22-24]。

LSFA(長(zhǎng)鏈飽和脂肪酸)：碳數(shù)大于 20的偶數(shù)碳正構(gòu)飽和脂肪酸。

MSFA(中等鏈長(zhǎng)飽和脂肪酸)：碳數(shù)不大于 20的偶數(shù)碳正構(gòu)飽和脂肪酸。

MUFA(單不飽和脂肪酸)：含有一個(gè)不飽和雙鍵的脂肪酸。

BRFA(支鏈脂肪酸)：帶有支鏈的脂肪酸。

OFA(奇數(shù)碳脂肪酸)：碳鏈長(zhǎng)度為奇數(shù)的正構(gòu)飽和脂肪酸。

脂肪酸的含量= 1-十九酸含量×脂肪酸的峰面積/1-十九酸的峰面積。

單體化合物的定性分析可根據(jù)保留時(shí)間、色譜圖與本儀器數(shù)據(jù)系統(tǒng)內(nèi)NIST08譜庫(kù)中的譜圖進(jìn)行自動(dòng)檢索確定。

2 結(jié)果與討論

2.1 萃取條件優(yōu)化

為優(yōu)化ASE法的實(shí)驗(yàn)條件，分別改變萃取條件：萃取溶劑為甲醇-二氯甲烷(，1∶3)、甲醇-二氯甲烷(1∶9)和氯仿，靜態(tài)萃取時(shí)間為5、10和15 min，萃取溫度為70℃、110℃和150℃，循環(huán)次數(shù)是1、2和3次。不同條件下的樣品做3次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)。最終以脂肪酸的提取效率為依據(jù)，選擇ASE法的最佳實(shí)驗(yàn)條件。

2.1.1萃取溶劑

固定靜態(tài)萃取時(shí)間5 min，循環(huán)2次，萃取溫度110℃，利用3種不同極性的萃取劑：甲醇-二氯甲烷(1∶3)、甲醇-二氯甲烷(1∶9)和氯仿，提取海洋沉積物中脂肪酸，經(jīng)3次重復(fù)性試驗(yàn)，ASE提取脂肪酸總量的精密度分別為10%、13%和5%。取3次實(shí)驗(yàn)平均值，ASE提取脂肪酸總量分別為24.68、19.21、16.71 μg/g。如圖1所示，甲醇-二氯甲烷(1∶3)、甲醇-二氯甲烷(1∶9)、氯仿作為萃取劑提取的各脂肪酸的總量、不同類別的脂肪酸的含量以及單體脂肪酸的含量均依次遞減；相對(duì)于含量較低的脂肪酸類別，含量最高的MSFA(特別是C14、C16和C18的單體脂肪酸)的規(guī)律最為明顯；甲醇-二氯甲烷作為萃取劑的提取效率相對(duì)于氯仿更為明顯。對(duì)比不同體積比的甲醇-二氯甲烷萃取劑，甲醇-二氯甲烷(1∶3)的提取效率高于甲醇-二氯甲烷(1∶9)，這可能是由于甲醇的極性更大，與脂肪酸的極性接近，基于相似相容原理使脂肪酸更容易在甲醇溶液中被提取出來(lái)。因此，本文選擇具有優(yōu)勢(shì)的甲醇-二氯甲烷溶劑(1∶3)對(duì)ASE萃取條件進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 不同溶劑對(duì)脂肪酸提取效率的影響

2.1.2萃取溫度

以甲醇-二氯甲烷(1∶3)為萃取溶劑，固定靜態(tài)萃取時(shí)間5 min，循環(huán)2次，改變萃取溫度(70℃、110℃、150℃)，研究不同溫度下脂肪酸提取效率，經(jīng)3次重復(fù)性試驗(yàn)，ASE提取脂肪酸總量的精密度分別為3%、11%和8%。取3次實(shí)驗(yàn)平均值，ASE提取脂肪酸的總量分別是20.89、21.73、21.23 μg/g。如圖2所示，不同類別脂肪酸的提取量對(duì)于溫度條件所呈現(xiàn)的規(guī)律有所不同：MUFA以及BRFA的提取量隨著溫度的增加逐漸提高；LSFA、MSFA以及OFA的提取量在110℃條件下最高，而在70℃和150℃條件下其提取量差距較小且在誤差范圍內(nèi)；單體脂肪酸與其對(duì)應(yīng)的脂肪酸類型所呈現(xiàn)的規(guī)律相同。ASE提取不同類型的脂肪酸其所需的最適溫度不同，由于MUFA的雙鍵以及BRFA中的支鏈增強(qiáng)了脂肪酸的極性，減弱其穩(wěn)定性，而LSFA、MSFA以及OFA作為飽和脂肪酸結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，極性差距造成了其最適溫度的變化[18]。根據(jù)樣品中脂肪酸的種類及含量不同，可以選擇不同的反應(yīng)溫度，本文作為脂肪酸的方法研究，選擇涵蓋脂肪酸種類更多的最適溫度為110℃。

圖2 不同萃取溫度對(duì)脂肪酸提取效率的影響

2.1.3靜態(tài)萃取時(shí)間

圖3 不同靜態(tài)萃取時(shí)間對(duì)脂肪酸提取效率的影響

以甲醇-二氯甲烷(1∶3)為萃取溶劑，固定萃取溫度110℃，循環(huán)2次，改變靜態(tài)萃取時(shí)間(5、10、15 min)，研究不同靜態(tài)萃取時(shí)間下脂肪酸提取量的變化，經(jīng)過(guò)3次重復(fù)性試驗(yàn)，ASE提取脂肪酸總量的精密度分別為10%、4%和14%。取3次實(shí)驗(yàn)平均值，ASE提取脂肪酸的總量分別是21.83、24.23、23.56 μg/g。從圖3可以看出，不同靜態(tài)萃取時(shí)間條件下，不同類別脂肪酸的提取量所呈現(xiàn)的規(guī)律有所不同：MUFA以及BRFA的提取量隨著萃取時(shí)間的增加逐漸降低，這可能是由于MUFA的雙鍵以及BRFA中的支鏈影響，萃取時(shí)間加長(zhǎng)反而不容易保持其穩(wěn)定性致使萃取效率降低；LSFA以及OFA的提取量在10 min條件下最高，而在5 min和15 min條件下其提取量差距較小且在誤差范圍內(nèi)；脂肪酸含量最高的MSFA，其最適靜態(tài)萃取時(shí)間為15 min，由于其含量相對(duì)較高，長(zhǎng)時(shí)間靜態(tài)萃取有利于提取更多樣品中的脂肪酸。各單體脂肪酸與其對(duì)應(yīng)的脂肪酸類型所呈現(xiàn)的規(guī)律相同，根據(jù)樣品中脂肪酸的種類含量，可以選擇不同的靜態(tài)萃取時(shí)間，本文作為脂肪酸的方法研究，綜合考慮時(shí)間因素，選擇最適條件需涵蓋更多種類的脂肪酸，最終選擇10 min。

2.1.4循環(huán)次數(shù)

以甲醇-二氯甲烷(1∶3)為萃取溶劑，固定萃取溫度110℃，靜態(tài)萃取時(shí)間5 min，改變循環(huán)次數(shù)(1、2、3次)，研究不同循環(huán)次數(shù)下脂肪酸提取效率的變化，經(jīng)過(guò)3次重復(fù)性試驗(yàn)，ASE提取脂肪酸總量的精密度分別為2%、11%和0.4%。取3次實(shí)驗(yàn)平均值，ASE提取脂肪酸的總量分別是22.60、23.45、24.77 μg/g。如圖4所示，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，脂肪酸的提取量逐級(jí)增加，循環(huán)3次時(shí)對(duì)于脂肪酸的提取量略高于其他條件的提取量。可見(jiàn)，多次循環(huán)有利于提高脂肪酸的萃取效率，本文作為方法研究，選擇最優(yōu)條件循環(huán)3次。

圖4 不同循環(huán)次數(shù)對(duì)脂肪酸提取效率的影響

2.2 方法精密度與回收率

利用ASE提取游離態(tài)脂肪酸所選擇的優(yōu)化條件：萃取溶劑甲醇-二氯甲烷(1∶3)，萃取溫度110℃，靜態(tài)萃取時(shí)間10 min，循環(huán)3次。在選定的優(yōu)化條件下重復(fù)操作5次，表1分析結(jié)果表明，大部分脂肪酸的方法精密度(RSD)為3.3%～19.0%，而C28和C30的脂肪酸可能因?yàn)楹康椭率咕芏绕螅珻12和C13的脂肪酸可能由于碳鏈短，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中易揮發(fā)損失造成精密度略大。替代物在樣品預(yù)處理前定量加入樣品中，隨樣品經(jīng)過(guò)預(yù)處理和儀器分析的全過(guò)程。由于替代物不存在于樣品中，可以認(rèn)為替代物的損失或沾污的程度，即回收率，能夠準(zhǔn)確測(cè)量[25]。以1-十九酸作為樣品替代物，得到替代物回收率為72.2%～104.6%。

表1 方法精密度

3 實(shí)際樣品分析

采集東海海域及黃海近海海域中不同位置的海洋沉積物樣品各3個(gè)，其中東海海域的褐色黏土樣品中脂肪酸含量相對(duì)高于黃海海域，而且不同海域中的脂類物質(zhì)均以游離態(tài)脂肪酸為主。6個(gè)不同樣品中均含有飽和脂肪酸、支鏈脂肪酸和單不飽和脂肪酸，種類較復(fù)雜，符合實(shí)際樣品分析條件。

按上述實(shí)驗(yàn)方法的最佳方案提取、分析海洋沉積物中的脂肪酸，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2，ASE法可作為海洋沉積物中脂肪酸的分析方法。由不同海域、不同位置的沉積物樣品中脂肪酸的含量分布情況可見(jiàn)，實(shí)際樣品中檢測(cè)到的脂肪酸，包含了C12～C30的所有飽和脂肪酸、C13～C17的部分支鏈脂肪酸以及常見(jiàn)C16∶1(n-7)、C18∶1(n-7)、C18∶1(n-5)、C22∶1(n-9)等不飽和脂肪酸。

表2 實(shí)際樣品中脂肪酸的分析

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)選擇萃取劑，優(yōu)化萃取溫度、靜態(tài)萃取時(shí)間、循環(huán)次數(shù)等參數(shù)，建立了ASE快速提取海洋沉積物中游離態(tài)脂肪酸的方法。對(duì)于萃取溫度及靜態(tài)萃取時(shí)間兩個(gè)條件，不同類型的脂肪酸所呈現(xiàn)的規(guī)律性有所差異，該方法以提取脂肪酸含量最大化(提取效率最高)為依據(jù)，優(yōu)化了最佳實(shí)驗(yàn)條件。大部分游離態(tài)脂肪酸的方法精密度為3.3%～19.0%，替代物回收率為72.2%～104.6%。實(shí)際樣品分析結(jié)果顯示，本文針對(duì)游離態(tài)脂肪酸選擇ASE進(jìn)行萃取，對(duì)比文獻(xiàn)[10-13]中傳統(tǒng)的索氏提取法，該方法流程簡(jiǎn)單，極大地提高了工作效率，同時(shí)具備精密度良好等特點(diǎn)，適用于海洋沉積物樣品中游離態(tài)脂肪酸的定量分析。

應(yīng)用ASE測(cè)定海洋沉積物中的游離態(tài)脂肪酸，由于脂肪酸的種類繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)含不同種類脂肪酸的樣品要分別改變實(shí)驗(yàn)條件，以減少測(cè)定誤差。各種脂肪酸的結(jié)構(gòu)、含量、穩(wěn)定性千差萬(wàn)別，難以用一種方法涵蓋所有類型的脂肪酸，此方法主要是針對(duì)游離態(tài)脂肪酸萃取條件的優(yōu)化，而結(jié)合態(tài)脂肪酸由于含量較低難以提取等因素未作研究，該方法精確度還有待提高以備將來(lái)測(cè)定含量偏低的結(jié)合態(tài)脂肪酸。

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