微波辅助萃取——气相色谱法分析土壤中有机氯

詹　淼, 沈　辰,朱路平, 汪玲玲, 王利军

(1.上海第二工业大学上海电子废弃物资源化产学研合作开发中心,上海201209;2.上海第二工业大学环境与材料工程学院,上海201209;3.深圳华测检测上海分公司,上海201209)

微波辅助萃取——气相色谱法分析土壤中有机氯

詹淼1,2, 沈辰3,朱路平1,2, 汪玲玲2, 王利军2

(1.上海第二工业大学上海电子废弃物资源化产学研合作开发中心,上海201209;2.上海第二工业大学环境与材料工程学院,上海201209;3.深圳华测检测上海分公司,上海201209)

利用微波辅助萃取(MAE)CARB-NH2柱(由等量的石墨化碳(CARB)和氨基(NH2)装填而成)净化以及气相色谱法-电子捕获检测器(GC-ECD)对土壤样品中的微量半挥发性有机氯(OCPs)进行了检测研究。通过考察提取剂、洗脱剂、微波提取时间以及不同固相萃取(SPE)柱的净化等前处理过程对萃取效果的影响,获得了以微波辅助萃取为核心的最优前处理方法,实现了有机氯的萃取回收和检测,其对有机氯的回收率为89.2%～104.7%,检出限为0.8～2.9 ng/g。该方法对实际土样的检测也能得到良好的检测效果,有望为大批量样品的检测提供参考。

微波辅助萃取;气相色谱;前处理;有机氯

0　引言

微波辅助萃取(Microwave Assisted Extraction, MAE)是把微波与普通的萃取技术结合起来并且大幅度提高萃取效率的萃取技术[1],早在1986年就有相关的文献报道,Richard Gedye等用民用微波炉通过设定相关参数只用了5 min就达到了液-液萃取十几个小时的萃取效果[2]。MAE与传统的索氏抽提(Soxhlet Extraction)、超声波萃取(Ultrasonic Extraction)等方法相比具有节省溶剂、重现性好、操作简便、操作对人体伤害小及用时少等诸多优点,成为越来越受到关注的新型萃取方法[3-4],在精细化工,医药卫生、食品工业、土壤样品的有机物测定等领域发挥着重要作用[5-8]。随着科技进步、色谱技术的发展与普及,仪器的功能越来越强大,使得痕量物质的精确测量成为可能。但是,样品的前处理对测试结果的影响较大,已成为测试结果可靠性的关键影响因素之一。土壤样品成分复杂,各种物质之间相互干扰,对有机氯(OCPs)的定性定量存在一定的干扰,合适的前处理方法需要进一步探讨[9]。目前对于土壤样品中的OCPs提取主要是利用超声、震荡和索氏方法。本文从气相色谱法(GC)的条件、微波提取的混合溶液、净化柱,洗脱体积、微波时间等方面对微波辅助萃取和测定土壤中OCPs的方法进行优化,获得了最佳的前处理条件。该测定方法操作简单、快速、回收率高、精密度好、检出限较低、检测周期短,方便实用,是适合大批量样品的分析方法。

1　实验部分

1.1实验仪器与试剂

1.1.1仪器

气相色谱法-电子捕获检测器(GC-ECD)：日本岛津QP2010,AOC-20s自动进样器,色谱柱为VF-17MS毛细管柱,30 m×0.25 mm×0.25µm。微波萃取仪：美国CEM公司MARS5高通量密闭消解系统。氮吹仪：KL512型12管水浴加热氮吹仪,北京康林科技有限责任公司。实验中的玻璃器皿都先用铬酸清洗,然后用丙酮润洗烘干,带刻度的玻璃器皿自然风干以防止刻度不准。

1.1.2试剂

正己烷、丙酮、二氯甲烷均为农残级,无水硫酸钠(使用前需要在烘箱里150°C烘3 h),分析纯,购买自国药集团化学试剂有限公司。8种有机氯农药混合标准溶液(包括p,p′-DDE、p,p′-DDD、o, p′-DDT、p,p′-DDT、α-666、β-666、γ-666、δ-666分别标记为OCP-1、OCP-2、OCP-3、OCP-4、OCP-5、OCP-6、OCP-7、OCP-8)购买自中国国家标准物质中心。

1.2实验过程

1.2.1样品前处理方法

将土壤样品放置在干燥通风的环境里自然晾干,再由马弗炉450°C烘3 h。研磨,过0.45 mm孔径的筛子并取细样待分析。称取5.00 g细样与5.00 g无水硫酸钠于微波管中,并加入提取剂。密闭后放入微波萃取仪微波30 min。待微波结束,转移液体到旋蒸瓶里旋转蒸发至近干,CARB-NH2柱(由等量的石墨化碳(CARB)和氨基(NH2)装填而成)净化用正己烷/丙酮混合溶液(体积比为4：1)活化柱子,然后转移样品开始净化,用洗脱剂洗脱,旋转蒸发至近干,转移到离心管氮吹至0.5 mL左右,用正己烷定容到1.0 mL。转移到安捷伦小瓶待测。

1.2.2GC条件

进样口温度250°C,采用分流进样的方式,以N2作为载气。总流量保持9.0 mL/min,分流比为10：1,隔垫吹扫流量为3.0 mL/min。压力控制模式下的压力变化为0～5 min从75 kPa升至95 kPa保持2 min, 5～12 min从95 kPa升至100 kPa保持30 min。色谱柱初始温度为160°C保持2 min,以5°C/min的速度升温到220°C,再以25°C/min的速度升温到240°C保持18 min。ECD作为检测器,温度设置为250°C。

1.2.3标准曲线的制作

分别移取0.01、0.02、0.04、0.10、0.20 mL浓度为10.0µg/mL的有机氯混合标准溶液于2 mL容量瓶中,用正己烷稀释至刻度,配制成质量浓度为50、100、200、500、1 000 ng/mL的混合标准溶液系列,以峰面积对质量浓度绘制标准曲线。

1.2.4标准色谱峰

配好的混合标准溶液,在上述色谱条件下,8种有机氯均得到较好的分离,自左向右分别是OCP-5、OCP-6、OCP-7、OCP-8、OCP-2、OCP-1、OCP-4、OCP-3。标准色谱图见图1。

图1　有机氯的标准色谱图Fig.1 Standard chromatogram of OCPs

1.3前处理方法探讨与优化

1.3.1提取液的选择

土壤中的有机物种类复杂,提取液选择是回收率的重要影响因素,为了尽可能完全地提取,把极性与非极性溶液按照一定的比例配成新的混合溶剂可能会取得更好的效果,实现更高的提取率[10]。本文将25 mL正己烷、丙酮、正己烷/丙酮混合溶液(体积比为1：3)、正己烷/丙酮混合溶液(体积比为1：1)和正己烷/丙酮混合溶液(体积比为3：1)分别标记为A、B、C、D、E,控制其他条件相同,用这5种溶液分别进行提取,通过比较回收率来确定最佳的提取液,并以此为基础确定后续的实验提取剂。实验结果如图2所示,可见,用混合溶液D作为提取剂相对较好。正己烷单独作为萃取剂时萃取效果差,这是因为正己烷是非极性的有机溶液,接受微波的能力较弱,微波辅助萃取不能有效地增加其对土壤中有机氯的提取。而用丙酮单独作为萃取剂时,虽然萃取的有机氯回收率较高,但是色谱图杂峰多、干扰大。分析正己烷与丙酮不同比例的混合溶液发现,用混合溶液D萃取除了OCP-8的回收率不如混合溶液D外,其他的7种有机氯回收率均是最高的,在100%上下浮动。

图2　不同提取液对有机氯回收率的关系图Fig.2 The recovery curve of OCPs to different extracting solution

1.3.2固相萃取(SPE)柱的选择

用正己烷/丙酮混合溶液(体积比为4：1)活化CARB-NH2柱、正己烷/丙酮混合溶液(体积比为1：1)活化C18柱、二氯甲烷/丙酮混合溶液(体积比1：1)活化Florisil(弗罗里硅土)柱,然后直接加混合标准溶液50µL,继续用活化用的混合试剂进行洗脱,直至洗脱溶剂的体积收集到20.0 mL左右,悬转蒸发至近干,转移至离心管,氮吹至0.5 mL以下,用正己烷定容到1.0 mL。

从图3中可以看到：C18柱作为净化柱的效果不理想,回收率普遍偏低,这可能是因为C18柱对8种有机氯有较强的吸附作用,难以洗脱下来;而弗罗里硅土柱的净化结果是回收率普遍偏高,这可能是因为弗罗里硅土柱在洗脱的时候,不仅仅8种有机氯被洗脱下来,还有其他的杂质一并被洗脱下来,并且这些杂质与目标物的峰重叠,致使杂质峰被误判为了农药。所以通过比较回收率以及色谱图的峰型状态,选择CARB-NH2柱作为净化柱。

图3　不同SPE柱对有机氯回收率的关系图Fig.3 The recovery curve of OCPs to different SPE

1.3.3洗脱体积变化的影响

将含有8种有机氯农药100 ng的混合标准溶液溶解到1.0 mL正己烷中,过CARB-NH2柱净化,然后用正己烷/丙酮混合溶液(体积比为4：1)洗脱。洗脱体积10.0、20.0、30.0、40.0、50.0 mL,分别悬蒸,温和氮气下氮吹至0.5 mL以下,用正己烷定容到1.0 mL,在GC-ECD上面分析,得到8种有机氯的洗脱曲线如图4所示。

图4　有机氯洗脱曲线Fig.4 The elution curve of OCPs

随着洗脱溶液的增加,回收率有逐渐增加的趋势,30.0 mL时回收率均达到或接近100%。将洗脱溶液定在30.0 mL是可靠的,节省溶剂的同时,还缩短了整个实验的周期,适合大规模的样品检测。

图5　提取时间对有机氯回收率的影响Fig.5 Effection of extracting time to the recovery of OCPs

1.3.4微波提取时间的比较

微波提取时间是微波萃取的关键控制因素,依据溶剂极性的不同,微波可以直接加热极性物质[11],达成热量传递,这些有机氯被加热,温度升高,溶解加快,但是随着温度不断升高,又存在分解风险,所以微波提取时间如果控制不好将直接影响回收率。本文用正己烷/丙酮混合溶液(体积比为1：1)25.0 mL,5.00 g空白土样+5.00 g无水Na2SO4,然后直接加混合标准溶液50µL,并在微波管里进行微波处理,设置为800 W,采用温度爬坡模式,10 min升温到120°C,保持10～50 min,研究微波时间对有机氯提取效果的影响。提取时间对有机氯回收率的影响图谱如图5所示。结果表明,8种有机氯的回收率在一定时间内随着提取时间的增加而提高(10～40 min),但是提取时间过长,超过50 min有机氯的回收率会有所下降。OCP-3、OCP-4的回收率在50 min的时候下降明显,OCP-1、OCP-6、OCP-7、OCP-8较为稳定,回收率的变化不大。综合这8种有机氯的回收率整体考虑,最优提取时间为30min,8种有机氯的回收率在88.4%～104.9%之间,完全满足大批量样品分析的要求。

1.4准确度和精密度实验

在空白土壤样品中加入一定量的8种有机氯农药混合标准溶液,按照本方法进行加标回收率实验,测5次,分别计算加标回收率、相对标准偏差和检测限。

从表1中可以看到,加标回收率为89.2%～104.7%,相对标准偏差为0.9%～5.8%,检出限为0.8～2.9 ng/g。说明本方法的准确度和精密度良好,检出限较低,能够满足土壤中8种有机氯残留分析要求。

表1　准确度精密度实验(n=5)Tab.1 Experiment of accuracy and precision

采用MAE/GC-ECD法对土壤中8种有机氯进行了测定,研究了不同提取溶液的萃取、不同固相柱的净化、洗脱剂体积,以及微波提取时间对土壤中有机氯萃取的效果。结果表明,最优萃取条件为：正己烷/丙酮混合溶液(体积比为1：1)为提取剂, CARB-NH2为净化柱,30.0 mL正己烷/丙酮混合溶液(体积比为4：1)进行洗脱,微波时间为30 min,可以获得最佳萃取和测试效果。该方法的线性范围为10～200 ng/g,检出限为0.8～2.9 ng/g,并且测试周期短,结果可靠,可为大批量样品的检测提供参考。

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Analysis of OCPs in the Soil with the Method of Microwave Assisted Extraction-Gas Chromatography

ZHAN Miao1,2,SHEN Chen3,ZHU Lu-ping1,2,WANG Ling-ling2,WANG Li-jun2
(1.Shanghai Cooperative Centre for WEEE Recycling,Shanghai Second Polytechnic University,Shanghai 201209, P.R.China;2.School of Environmental and Materials Engineering,Shanghai Second Polytechnic University, Shanghai 201209,P.R.China;3.Shanghai Branch of CTI,Shanghai 201209,P.R.China)

The OCPs in the soil have been detected by using microwave assisted extraction(MAE)and GC-ECD.By investigating the effects of the extraction agent,dosage of eluent,microwave extraction time,the type of solid phase extraction(SPE)column,and so on,on the extraction efficiency of the OCPs in the soil,a new optimal pre-treatment method,which takes microwave assisted extraction as the core,has been obtained.This method implements the OCPs extraction recovery and detection.Its recovery of OCPs are 89.2%—104.7%,and the detection limit of OCPs is 0.8—2.9 ng/g.A good detection effect also can be obtained by using this method to detect the real water samples,which is expected to provide reference for the detection of bulk samples.

microwave assisted extraction(MAE);gas chromatography(GC);pre-treatment;OCPs

O656

A

1001-4543(2015)04-0298-05

2015-06-29

汪玲玲(1982—),女,安徽黄山人,副教授,博士,主要研究方向为环境友好功能材料。电子邮箱llwang@sspu.edu.cn。

上海电子废弃物资源化产学研合作开发中心开发、开放基金(No.B50ZS120003B-10)、上海第二工业大学重点学科建设项目(No.XXKYS1401)资助