测定土壤和农作物中有机污染物的液相微萃取样品预处理技术研究

中国环境学会  2011年 03月31日

  

  陈丽华,张丽君,   , 张占恩*

  (苏州科技学院 江苏省环境科学与工程重点实验室,苏州,215011)

   

  摘要:研究了一种用中空纤维膜液相微萃取气相色谱质谱法直接测定土壤和农作物中有机污染物残留的新方法。确定了不同固体样品中各污染物的最佳实验条件。在其最优化实验条件下,方法线性良好,相对标准偏差均低于9.6%,土壤中邻苯二甲酸酯类污染物的最低检出限可达0.00049mg/kg。本研究证明中空纤维膜液相微萃取气相色谱质谱法能够用于土壤及农作物中有机污染物的快速测定。

   

  关键词:液相微萃取;气相色谱-质谱;土壤;农作物;有机污染物

 

  液相微萃取(LPME)JeannotCantwell[1]1996年首次报道的一种利用悬挂于微量进样器针尖上的有机溶剂微滴进行萃取的新型样品预处理技术,它是微型化的液-液萃取技术[2,3]。该技术将被测物的分离、浓缩与后续的色谱分析有机地结合起来,在无须添加任何特殊设备的情况下,实现了对样品的简便、快速分析。其装置简单、操作简便、成本低廉、灵敏度高、只需几微升萃取溶剂,不造成二次污染,是一项环境友好的样品预处理新技术,但其针尖的悬挂液滴容易脱落。为了克服此缺点,1999Pedersen-Bjergaard[4]提出了以中空纤维为载体的液相微萃取技术(HF-LPME)HF-LPME不但具有悬滴萃取的全部优点,此外,纤维是一次性使用的,避免了萃取过程中可能存在的交叉污染问题。由于大分子、颗粒杂质等不能通过纤维壁孔,因此HF-LPME还具有固相萃取、单滴液相微萃取不具备的突出的样品净化功能,扩大了分析底物范围,可用于复杂基质样品的直接分析[5,6]

  目前测定土壤和农作物中有机物的最常用的样品预处理方法是有机溶剂提取法(如索式提取法[7]),该方法不仅操作繁琐、费时,而且需要使用大量的有机溶剂,提取后需将溶剂蒸发浓缩,浓缩后溶剂中所含的微量杂质得到高倍富集,致使溶剂杂质的背景很高,干扰测定。同时大量有机溶剂的使用不仅浪费,还易导致二次污染,对实验人员的身体产生损害。本实验利用HF-LPME特有的样品净化功能,直接分析土壤和农作物中样品中的有机污染物,方法简单、快速、无二次污染,且分析效果好。Jiang Shen[89]等人曾用HF-LPME直接测定土壤中的多环芳烃、三嗪类除草剂,而用HF-LPME直接测定土壤中的二苯醚类除草剂、邻苯二甲酸酯类增塑剂、农作物中三唑类杀菌剂还未见报道。

   

  1  实验部分

 

  1.1  仪器与试剂

  HP6890-5973MSD气相色谱/质谱仪(美国Agilent公司)HP-5MS石英毛细管色谱柱(30m×0.125mm0.125μm涂层,美国Agilent公司)10μL微量进样器(Agilent公司)SH23-2恒温磁力搅拌器(上海梅颖浦仪器仪表公司)OBY-2型可调高速匀浆机(苏州欧倍科学仪器有限公司);Milli-Q Academic纯水器(Millipore,美国) 聚丙烯中空纤维膜,内径为550μm,壁厚为50μm,纤维孔隙尺寸为0.020.2μm

  色谱纯丙酮,环己烷,二甲苯,正辛烷,二氯甲烷;实验用纯水为使用Milli-Q Academic 纯水器制得的去离子和去有机物纯水;其余所需试剂均为分析纯。

  二苯醚类除草剂标样:乙氧氟草醚,除草醚,甲羧除草醚,氟磺胺草醚,乙羧氟草醚,购自Ehrenstorfer Quality;邻苯二甲酸酯类增塑剂:邻苯二甲酸二甲酯(DMP)、邻苯二甲酸二乙酯(DEP)、邻苯二甲酸二正丁酯(DnBP)、邻苯二甲酸丁基苄酯(BBP)、邻苯二甲酸二(2-乙基已基酯)酯(DEHP),五种物质混标购自美国Supeclo公司;三唑类杀菌剂:三唑酮(triadimefon),多效唑(paclobutrazol),腈菌唑(myclobutanil),烯唑醇(diniconazole),丙环唑(propiconazole),购自上海市农药研究所。使用丙酮配制含各五种物质1000mg/L的储备液,冷藏于4冰箱中储存,临用时用丙酮稀释至需要的浓度。

 

  1.2  土壤和农作物样品预处理及加标样品制备

  将纯净的不含待测物质的土壤在空气中风干、粉碎,然后研磨、过200目孔径的网筛筛虑。处理好的样品放入4的冰箱中保存备用。

  苹果去核,切碎备用;橘子去皮和子;香蕉去皮,切碎;大白菜和鸡毛菜去根,切碎;取适量需要测定的以上样品,在高速匀浆机中匀浆2min,直至样品形成颗粒细小的浆状即可。处理好的样品放入4的冰箱中保存备用。

  加标实验中,取筛虑过的土样或匀浆后农作物样品100g,向其中加入丙酮直到把样品全部浸没,取所需测定样品混合标准溶液适量注入到丙酮样品中,在超声中震荡30s,以便目标物被样品充分吸附,搅拌均匀直到丙酮挥发至干,放入通风橱里风干平衡一昼夜。处理好的样品放入4的冰箱中保存以备分析。萃取时在样品瓶中按3:1的水固体样品比称取2.5g备用固体样品。

 

  1.3 中空纤维膜液相微萃取

  将中空纤维膜在丙酮中超声清洗10min以便去除污染物,风干后切成长度为2cm的小段备用;微量进样器先抽入3μL萃取剂,再抽入等体积的水;将微量进样器针尖插入中空纤维膜的一端然后浸入萃取剂中约10s,以便有机溶剂充满膜壁上的微孔;此时,憎水性的中空纤维膜膜管内也会充满有机溶剂,然后用微量进样器内的水冲洗膜管,移除其中的有机溶剂;取出中空纤维膜浸入浆状液中,小心地将进样器中的有机溶剂注入到中空纤维膜中;打开磁力搅拌器开关开始萃取。待萃取完成后,从中空纤维膜中抽取1μL萃取剂注入气相色谱质谱中进行分析。

 

  1.4  色谱及质谱条件

  色谱条件:载气(He)流速0.12 ml/min;进样口温度230;分流进样,分流比10:1;柱温为程序升温:初始温度为80,保留2min,以20/min升温至200,然后以10/min升温至260,保留6min

   质谱条件:质谱采用EI离子源 (电子能量69.9eV),离子源温度230,四极杆150。采用全扫描方式根据保留时间进行定性测定,离子选择方式进行定量测定。

   

  2  结果与讨论

 

  2.1  有机萃取剂的选择

  HF-LPME中选择一个合适的有机萃取溶剂可以大大提高对目标物的萃取效率。萃取溶剂的选取需要重点考察以下几个方面:有机溶剂必须能浸没在纤维膜孔壁上且稳定,不容易挥发;不溶于水,与目标物有相似的极性,亲和力好。本实验选用了环己烷、正辛烷、二甲苯和二氯甲烷四种有机溶剂萃取目标物,实验结果显示,萃取土壤中二苯醚类除草剂和农作物中三唑类杀菌剂时,环己烷的萃取效果明显好于其它三种,而二甲苯是萃取土壤中邻苯二甲酸酯类增塑剂的最佳溶剂。

 

  2.2  超声震荡时间对萃取效果的影响

  低频率超声震荡可以使土壤颗粒变小,有利于目标物从土壤样品解析到水中,缩短萃取时间。超声时间越长,颗粒越小,目标物越容易从土壤中解析出来;但随着超声时间的增加,固体粒径越来越小,比表面积增大,对目标物的吸附能力加强,萃取量降低。同时,固体颗粒越细小,萃取过程中,需要更高的搅拌速度来使泥浆混合均匀,容易引起萃取溶剂的损失。本实验把超声震荡与HF-LPME结合,研究了超声时间分别为13510 15min时对萃取效率的影响。实验结果显示,5min前随震荡时间的增加所测定土壤和蔬菜中目标物的峰面积均逐渐增大,5min之后峰面积略有减少但变化不大。为减少分析时间,并达到较好的分析效果,选择5min作为超声震荡时间。

 

  2.3  水与固体样品的比例

  萃取过程中水固体样品比小,浆状样品不容易搅拌均匀,影响传质过程,若提高搅拌速度又容易引起萃取溶剂的损失;水固体样品比过大,浆状样品中土或农作物的含量降低,传质到水中的目标物质减少,所以选取最佳水固体样品比尤为重要。本实验在水与固体样品总质量为10g的情况下,考察了水固体样品比分别为2:13:14:15:17:1时对萃取效果的影响。实验结果表明:水固体样品比为3:1时各种目标物的萃取效果都达到最大,选择3:1为最佳的水固体样品比。

 

  2.4  最佳萃取时间

  萃取达到动态平衡时通常萃取量最大。萃取时间短,目标物在水和溶剂中达不到平衡;萃取时间过长,萃取溶剂容易损失,分析结果稳定性变差。研究了萃取时间分别为510 15 20 253035min时对萃取效率的影响。实验结果表明萃取时间为30min时土壤中五种二苯醚类除草剂的峰面积达到最大值,土壤中邻苯二甲酸酯类增塑剂最佳萃取时间为15min,农作物中三唑类杀菌剂的萃取量在萃取时间为20min时达到最大值。

 

  2.5 搅拌速率的影响

  搅动浆状样品可以改善传质过程,加快目标物进入萃取溶剂的速度,提高萃取效率,但搅动过快会加速有机溶剂的挥发,增大实验误差。测定土壤样品时,本实验在6001200 r/ min范围内改变搅拌速度,考察了搅拌速率对萃取效果的影响,由实验数据知萃取土壤样品中二苯醚类除草剂和邻苯二甲酸酯类增塑剂的最佳搅拌速度分别为1100r/min750r/min。萃取农作物样品中三唑类杀菌剂时,选用500r/min做为最佳搅拌速度。

 

  2.6 萃取温度的影响

  温度升高,目标物向有机相的扩散系数增大,对流过程加强,利于缩短达到平衡的时间,但升温会使目标物的分配系数变小,减少了其在溶剂中的萃取量,且高温有机溶剂易挥发。本实验考察了萃取温度为15202530354050时的萃取效果,土壤中二苯醚类除草剂的最佳萃取温度为30,土壤中邻苯二甲酸酯类增塑剂和农作物中三唑类杀菌剂均为40

  通过对上述实验条件的研究,得出土壤和农作物样品中有机污染物的最佳萃取条件,如下表1所示:

  1:固体样品中有机污染物最佳萃取条件

  固体样品及污染物种类

萃取溶剂及用量

超声震荡时间(min

水与固体样品比(总质量10g

萃取时间(min

萃取温度(

搅拌速度(r/min

土壤中二苯醚类除草剂

环己烷3μL

5

3:1

30

30

1100

土壤中邻苯二甲酸酯类增塑剂

二甲苯3μL

5

3:1

15

40

750

农作物中三唑类杀菌剂

环己烷3μL

5

3:1

20

40

500

   

  2.7 方法的线性范围、检出限和精密度 

  取适量1000mg/L标准储备液按照1.2所示步骤准确配置一系列合适浓度的标准固体样品,按照1.3所示步骤萃取,在本实验选定的各自最佳萃取条件下,测定土壤和农作物中各标准物质,线性范围、相关系数、最低检出限、相对标准偏差如下表2所示。在选择离子检测方式下目标物的最低检出限能达到0.00049mg/kg。同时为考察方法的重现性,连续测定浓度为10mg/kg的标准样品各6次,测定的相对标准偏差(RSD)4.39.6%之间。

  2:固体样品中目标物的线性范围、相关系数、最低检出限和相对标准偏差

  固体样品

分析物

线性范围/(mg/kg)

相关系数

最低检出限/(mg/kg)

相对标准偏差

土样

乙氧氟草醚

0.525

0.9882

0.051

5.4%

除草醚

0.525

0.9964

0.050

7.9%

甲羧除草醚

125

0.9999

0.091

7.1%

氟磺胺草醚

125

0.9981

0.480

4.3%

乙羧氟草醚

0.525

0.9966

0.480

8.1%

土样

邻苯二甲酸二甲酯

0.055

0.9992

0.00049

7.7%

邻苯二甲酸二乙酯

0.055

0.9981

0.00058

6.4%

邻苯二甲酸二正丁酯

0.055

0.9996

0.0005

6.9%

邻苯二甲酸丁基苄酯

0.15

0.9993

0.0009

4.7%

邻苯二甲酸二(2-乙基已基酯)酯

0.15

0.9987

0.0008

9.6%

农作物(例如鸡毛菜)

三唑酮

0.525

0.9994

0.055

6.8%

多效唑

0.525

0.9987

0.087

5.1%

腈菌唑

125

0.9991

0.062

5.9%

烯唑醇

125

0.9976

0.170

7.1%

丙环唑

125

0.9993

0.210

7.4%

   

   实际土样的测定

 

  本实验测定了取自某化工厂不同采样点的四个实际地下土样(编号A-1~A-4),按1.3方法进行样品前处理,GC/MS分析,二苯醚在每个样品中都有检出,且含量很高,其中两个样品分别检测出了甲羧除草醚和乙氧氟草醚;同样方法,对某农田土壤中的酞酸酯类物质进行了测定,结果显示土壤中只含有DEPDnBP两种酞酸酯类物质,且浓度都在1mg/kg以下。两种实际土样的具体测定结果如表3所示。对购于农贸市场的苹果、橘子、香蕉、鸡毛菜、大白菜进行测定,五种农作物中均未检出此五种三唑类杀菌剂。实验结果表明该方法简单、快速、成本低廉,可以用于土壤和农作物等固体样品中有机污染物的快速检测。

  3:两种实际样品测定结果

  实际土样AB

浓度(mg/kg)

% R.S.D.

二苯醚 乙氧氟草醚 甲羧除草醚DEP DnBP

二苯醚 乙氧氟草醚 甲羧除草醚 DEP DnBP

A-1

27.8      21.7        nd       

4.7         5.2      nd         

A-2

25.4       nd        5.4       

5.1         nd      6.5         

A-3

39.8       nd        nd       

4.2         nd      nd          

A-4

34.4       nd        nd       

4.7         nd      nd          

B-1

                      0.65  0.97

                        7.6  4.4

B-2

                      0.54  0.82

                        9.3  7.4

  nd 为未检出

 

  参考文献

  [1] M.A. Jeannot, F.F. Cantwell. Anal. Chem., 1996, 68: 2236-2240

  [2] E. Psillakis, N. Kalogerakis. Trends in Analytical Chemistry, 2003, 10 (22) 565-574

  [3] A. Sarafraz-Yazdi, A. Amiri. Trends in Analytical Chemistry, 2010, 29 (1) 1-14

  [4] S. Pedersen-Bjergaard, K.E. Rasmussen. Anal. Chem., 1999, 71: 2650-2656

  [5] 罗明标,刘维,李伯平,杨枝. 分析化学,  2007,  35 (7) 1071~1077

  [6] 刁春鹏,时军波, 苑金鹏, 江婷, 赵汝松, 柳仁民. 光谱实验室,  2008,  25 (2) 158-163

  [7] J.L. Luque-García, M.D. Luque de Castro. J. Chromatogr. A, 2004,1034: 237-242

  [8] G. Shen, H.K. Lee. Anal. Chem., 2002, 74: 648-654

  [9] X. Jiang, C. Basheer, J. Zhang, H.K. Lee. J. Chromatogr. A, 2005, 1087:289-294

 
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