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2013 年 6 月 June 2013 岩矿测试 ROCK AND MINERAL ANALYSIS Vol. 32,No. 3 487 ~494 收稿日期 2012 -07 -13; 接受日期 2012 -08 -16 基金项目 中国地质大调查项目 1212010816028 作者简介 杨佳佳, 硕士, 主要从事有机地球化学分析工作。E- mail sea_yjj163. com。 通讯作者 吴淑琪, 研究员, 主要从事地球化学分析工作。E- mail wushuqi cags. net. cn。 文章编号 02545357 2013 03048708 加速溶剂萃取 - 气相色谱法测定谷物中有机氯农药和多氯联苯 杨佳佳1,佟玲1,吴淑琪1*,阎妮2 1. 国家地质实验测试中心,北京100037; 2. 中国地质大学 北京 水资源与环境学院,北京 100083 摘要 针对大米、 小麦、 玉米和黄豆等谷物样品中有机氯农药 OCPs 和多氯联苯 PCBs 检测的前处理过程 较为复杂, 消耗溶剂多, 易导致部分挥发性化合物损失而影响分析的准确度, 本文优化了加速溶剂萃取 ASE 提取大米、 小麦、 玉米和黄豆等谷物样品中 OCPs 和 PCBs 的条件, 比较了凝胶渗透色谱 GPC 和固相 萃取柱 SPE 两种净化方式净化样品的效果, 采用气相色谱 - 电子捕获检测器实现了样品中 17 种 OCPs 和 8 种 PCBs 单体的系统分析。结果表明, 选择二氯甲烷 - 丙酮混合溶剂 体积比 1 ∶ 1 , 采用 ASE 萃取, 同时 加入弗罗里硅土在线净化, 可满足样品提取需求; 除了黄豆和黑豆等豆制品样品需采用 GPC 结合 SPE 的净 化方法外, 大米、 小麦、 玉米等大部分谷物样品采用 SPE 净化即可满足测定需求。采用弗罗里硅土 SPE 净 化, 仅用 9 mL 正己烷 - 乙酸乙酯淋洗液 体积比 1 ∶ 1 即可将所有目标物回收, 克服了有机试剂用量大、 同 时使用多种试剂及试剂毒性大的问题。添加低、 高两个浓度水平 0. 69 μg/kg 和 5. 52 μg/kg, OCPs 和 PCBs 单体的平均回收率为 71. 0 ~112. 0, 相对标准偏差为 3. 6 ~16. 7 n 7 ; 方法检出限为 0. 07 ~0. 30 μg/kg, 低于国家标准方法的检出限。该方法净化效率高, 操作简单, 分析成本较低, 适用于大批量谷物样品 中多种 OCPs 和 PCBs 的快速分析。 关键词 谷物; 有机氯农药; 多氯联苯; 加速溶剂萃取; 气相色谱法 中图分类号 S482. 32; O625. 21; O657. 71文献标识码 A 由于土壤环境污染日益严重而导致粮食谷物污 染的问题受到人们广泛关注 [1 -3 ], 科技工作者已经 建立了谷物中持久性有机污染物的分析方法 [4 -10 ], 主要研究了大米和小麦中多种有机磷农药 OPPs 、 有机氯农药 OCPs 和多氯联苯 PCBs 残留的分析 方法 [11 -14 ]; 但针对谷物中 OCPs 和 PCBs 同时测定 的方法较少, 且已有的方法前处理过程较为复杂, 消 耗溶剂多, 易导致部分挥发性化合物损失而影响分 析准确度, 测定存在一定的困难。例如, 谷物类样品 中 OCPs 和 PCBs 的分析, 多采用液液分配、 匀浆、 振 荡提取和加速溶剂萃取 ASE 提取样品, 浓硫酸磺 化、 凝胶渗透色谱 GPC 和固相萃取柱 SPE 净化 样品。这些方法提取样品过程比较繁琐, 消耗溶剂 多, 耗时长, 不易实现自动化且易导致目标化合物的 回收率低。如采用浓硫酸磺化净化样品时, 易导致 目标化合物异狄氏剂的回收率低; 国家标准方法 GB/T 196492006[15 ]“粮谷中 475 种农药及相关化 学品残留量的测定 - 气相色谱/质谱法” 虽采用 ASE 提取样品, 提取过程简单易操作, 但净化时所用 淋洗液为乙腈和甲苯, 用量和毒性都较大。因此, 针 对谷物样品的分析, 样品前处理是关键。 本文在已有方法的基础上优化了 ASE 提取大 米、 小麦、 玉米和黄豆等谷物样品中 OCPs 和 PCBs 的条件, 比较了 GPC 和 SPE 两种净化方式的效果, 采用高灵敏度的气相色谱 - 电子捕获检测器 GC - ECD 实现了对样品中 OCPs 和 PCBs 的系统分析。 1实验部分 1. 1样品来源 由于采集受 OCPs 和 PCBs 污染的谷物样品较 为困难, 本实验的谷物样品均购自超市。空白样品 采用超市购买的大米。 784 ChaoXing 1. 2仪器与设备 GC -2010 气相色谱仪 日本岛津公司 , 配备 电子捕获检测器 ECD 。DIONEX ASE 200 型加速 溶剂萃取仪 美国戴安公司 。固相萃取装置 美国 Supelco 公司 。 LABOROTA 4001 - efficient 电旋转蒸发仪 德 国 Heidoloph 公司 ; KL512/509J 型 12 位恒温水浴 氮吹仪 北京康林科技股份有限公司 。 MXX -212 天平 最大值 210 g, 精确到 0. 01 g 北京赛多利斯仪器系统有限公司 。 TB -1114 电子天平 最大值 110 g, 精确到 0. 1 mg 北京赛多利斯仪器系统有限公司 。 1. 3标准溶液、 主要试剂及材料 17 种 OCPs 化合物标准溶液为 α - HCH、 β - HCH、 γ - HCH、 δ - HCH、 六氯苯、 七氯、 艾氏剂、 环 氧七氯、 p, p - DDT、 p, p - DDE、 p, p - DDD、 o, p - DDT、 反式 - 氯丹、 顺式 - 氯丹、 灭蚁灵、 狄氏剂、 异 狄氏剂。11 种 PCBs 化合物标准溶液为 PCB 15、 PCB 28、 PCB 52、 PCB 101、 PCB 118、 PCB 138、 PCB 153、 PCB 180、 2, 4, 5, 6 - 四氯间二甲苯 TCMX 、 PCB 103 和 PCB 204, 浓度均为 10 μg/g 异辛烷 相 。其中 2, 4, 5, 6 - 四氯间二甲苯、 PCB 103 和 PCB 204 作为替代物。以上标准溶液均购自中国 计量科学研究院国家标准物质研究中心。 无水 Na2SO4 分析纯 在 450℃条件下马弗炉 烘 4 h 后放入干燥器待用。 淋洗液 正己烷 - 乙酸乙酯 体积比为 9 ∶ 1 。 实验所用正己烷、 丙酮、 乙酸乙酯、 环己烷、 甲苯 等有机溶剂均为色谱纯。 弗罗 里 硅 土 0. 174 ~ 0. 250 mm, Sigma - Aldrich 公司 在 600℃马弗炉中烘 6 h, 在 130℃条 件下保存过夜后放入干燥器待用。实验用之前弗罗 里硅土经 2的蒸馏水脱活后静置过夜。 商品氟罗里硅土 SPE 小柱 2 g, 6 mL 美国 Supelco 公司 。 1. 4实验方法 1. 4. 1样品提取 样品经过研碎机研碎, 过 0. 147 mm 筛, 置于冰 箱 -4℃以下 保存待用。于 ASE 萃取池中依次装 入 5 g 弗罗里硅土、 5 g 样品, 再用石英砂填满萃取 池。加入 40 μL 1 μg/mL 的替代物, 平衡 30 min 后 用 ASE 进行提取。ASE 提取条件为 提取溶剂二氯 甲烷 - 丙酮 体积比为 1 ∶ 1 , 系统压力 10 MPa, 温 度 90℃, 加热时间 5 min, 静态时间 5 min, 冲洗体积 60, 循环 2 次。 1. 4. 2样品净化 将样品提取液浓缩至2 mL 左右, 待净化 浓缩过 程注意事项 加入 2 ~3 次正己烷使得二氯甲烷和丙 酮相最终替换为正己烷相, 避免由于溶剂的极性大而 影响净化效果 。用10 mL 正己烷预淋洗柱子, 上样, 然后用9 mL 淋洗液进行淋洗, 收集洗脱液并进行浓 缩, 环己烷定容至1 mL, 用 GC -ECD 检测。 1. 4. 3色谱分析 DM -5 毛细管色谱柱 50 m 0. 25 mm 0. 25 μm, 迪马公司 ; 载气 氮气 纯度 99. 999 , 柱流 量 0. 63 mL/min; 进样口温度 250℃; 不分流进样 1 min, 进样体积 1 μL。升温程序 初始温度 120℃, 以6℃ /min 升至220℃, 保持1 min, 以2℃ /min 升至 265℃, 再以 20℃ /min 升至 280℃, 保持 8 min, 再以 50℃ /min 升至 300℃, 保持 10 min, 总分析时间 59. 32 min。ECD 检测器温度 320℃, 电流 0. 05 nA, 尾吹流量 60 mL/min。色谱图如图 1 所示。 2结果与讨论 2. 1加速溶剂萃取提取条件 谷物类样品中 OCPs 和 PCBs 的提取方法有超 声提取、 振荡提取、 索氏提取和 ASE 提取等。其中, ASE 提取效率较高, 使用有机溶剂少, 能够实现自动 化。近年来, ASE 越来越广泛地应用于固体颗粒物 样品的提取, 例如土壤和沉积物 [16 -21 ]、 动植物组 织 [22 -25 ]等, ASE 提取温度、 提取时间和提取溶剂是 影响目标物回收率的关键因素。 本文采用 ASE 提取样品, 提取温度和提取时间 等参数参考文献[ 17] , 具体参数见方法 1. 4. 1 节。 文献中采用的提取溶剂一般是正己烷 - 丙酮、 环己 烷 - 乙酸乙酯等混合溶剂。考虑到谷物类样品含有 一定的油脂, 易被正己烷或环己烷共萃取, 对色谱测 定产生干扰, 本实验比较了不同提取溶剂对于目标 物的提取效率和对油脂共提取的情况, 提取溶剂包 括二氯甲烷 - 丙酮 体积比 1 ∶ 1 、 正己烷 - 丙酮 体积比 1 ∶ 1 、 乙酸乙酯、 乙腈。如图 2 所示, 二氯 甲烷 - 丙酮混合溶剂 体积比 1 ∶ 1 、 正己烷 - 丙酮 混合溶剂提取化合物的回收率最高; 二氯甲烷 - 丙酮混合溶剂共提取的样品油脂量相对较少 见表 1 ; 乙腈虽共提取的油脂量最少, 但是由于乙腈蒸 汽压较低, 浓缩耗时长且易造成低沸点化合物损失, 回收率偏低。综合考虑, 本方法选择二氯甲烷 - 丙 酮 体积比 1 ∶ 1 提取样品。此外, ASE 提取的同时 884 第 3 期 岩矿测试 http ∥www. ykcs. ac. cn 2013 年 ChaoXing 图 1大米基质加标 GC - ECD 色谱图 添加浓度为 40 ng/mL Fig. 1Chromatogram of 28 compounds in spiked rice sample by GC- ECD 图 2不同提取溶剂提取有机氯农药和多氯联苯的回收率 Fig. 2Recoveries of OCPs and PCBs with different extraction solvent 984 第 3 期杨佳佳, 等 加速溶剂萃取 - 气相色谱法测定谷物中有机氯农药和多氯联苯第 32 卷 ChaoXing 加入弗罗里硅土在线净化, 可除去部分的小分子油 脂和色素 见表 2 。 表 1不同提取溶剂提取玉米样品中油脂的质量 Table 1The extracted mass of lipid in corn sample extracted by different solvents 提取溶剂 m/g 样品瓶 质量 油脂加样 品瓶质量 油脂 质量 浓缩时间 t/min 二氯 -丙酮 体积比1 ∶ 150.992751.04490.052216 正己烷 -丙酮 体积比1 ∶ 148.352648.41320.060620 乙酸乙酯49.705049.76250.057525 乙腈45.312350.09270.041830 表 2ASE 在线加弗罗里硅土净化后玉米样品中的油脂量 Table 2The extracted mass of lipid in corn sample extracted by ASE with adding Florsil and without Florsil ASE 提取 m/g 样品瓶质量 油脂加样品瓶质量油脂质量 在线加弗罗里硅土48.351048.38840.0374 不加弗罗里硅土50.266550.32400.0575 2. 2柱净化条件 大米、 小麦和玉米等谷物样品中含有大量甾醇、 蛋白质、 油脂、 碳水化合物等, 玉米、 黄豆中还含有大 量的色素, 其中最容易引起干扰的杂质为油脂和碳 水化合物, 油脂对色谱测定会产生干扰, 不利于准确 定性和定量 [26 ]。 实验选择装填弗罗里硅土的 SPE 小柱净化样品。 首先, 观察不同淋洗溶剂对目标物的淋洗效果, 淋洗液 选择不同极性的混合溶剂, 正己烷 -乙酸乙酯 体积比 9 ∶ 1 和正己烷 -乙酸乙酯 体积比8 ∶ 2 , 目标化合物 经填料为5 g 弗罗里硅土的 SPE 小柱时淋洗曲线如图 3 所示。实验表明, 完全洗脱目标化合物时, 两者所用 淋洗液用量相同, 即13 mL。考虑到淋洗液不仅要对目 标化合物有很好的溶解、 洗脱能力, 同时又要对基质杂 质共洗脱较少, 本方法选择极性相对较小的正己烷 - 乙酸乙酯 体积比9 ∶ 1 作为淋洗液。 其次, 研究了 SPE 柱不同克数的弗罗里硅土填 料对样品的净化效果。结果表明, 填料为 1、 2、 3、 5 g, 淋洗液用量分别为 7、 9、 11、 13 mL 时, 可将目标 化合物基本洗脱。同时, 当填料克数为 2 g 时, 玉米 提取液经过 SPE 柱后色素基本去除。用此 SPE 小 柱对小麦、 玉米、 黑豆等样品提取液进行净化, 发现 除了黑豆样品色谱干扰严重, 无法定性和定量, 其他 样品均可满足测定要求 如图 4 所示 。通过质谱 全扫描检测, 黑豆样品检测时干扰主要为脂肪酸和 豆甾烯醇类化合物。所以, 本方法使用的 SPE 柱填 料选择 2 g 弗罗里硅土。 图 3部分目标化合物的淋洗曲线 填料为 5 g 弗罗里硅土的 SPE 小柱 Fig. 3Elution curves of some target compounds under different eluting conditions a 正己烷 - 乙酸乙酯 体积比 9 ∶ 1 ; b 正己烷 - 乙酸乙酯 体积比 8 ∶ 2 。 图 4样品经过 SPE 柱净化后的 GC - ECD 谱图 Fig. 4The GC- ECD chromatogram of samples cleaned- up by SPE 图中绿色谱线代表黑豆样品 GC - ECD 检测出现的脂肪酸和豆甾烯 醇类化合物干扰。 094 第 3 期 岩矿测试 http ∥www. ykcs. ac. cn 2013 年 ChaoXing 实验对比了 GPC 和 SPE 两种净化方式对样品 的净化效果。参考本课题组沉积物中 OCPs 和 PCBs 分析方法中 GPC 分析条件 [27 ], 收集 14 ~ 21 min 的 流出液, 对玉米样品进行净化。样品提取液分别经 过 GPC、 SPE、 GPC SPE 三种净化方式净化, 从气相 色谱图 图 5 可以看出, 样品经过 GPC 或 GPC SPE 净化后, 无干扰峰; 样品只经过 SPE 净化时, p, p - DDT和 PCB138 之间存在大 “鼓包” 峰, 分析原 因可能是因为玉米样品中含有大量油脂和色素, 经 过 SPE 净化样品无法完全除去部分大分子的油脂 和色素。但是, 这些干扰化合物通过色谱柱的分离 后, 出峰时间与目标化合物刚好错开从而未造成定 量干扰, 刚好达到基线分离。所以, 选择 SPE 净化 该类样品即可满足测定要求。 2. 3方法线性范围、 精密度、 回收率及检出限 图 5玉米样品提取液经过 a GPC, b GPC SPE, c SPE 净化后的 GC - ECD 色谱图 Fig. 5GC- ECD chromatograms of corn sample cleaned- up by a GPC, b GPC SPE, c SPE 依次配制浓度为 1. 38、 3. 45、 13. 8、 34. 5、 69、 103. 5、 138 ng/mL 的标准溶液作为 8 个标准曲线点 校准液, 利用外标法对目标化合物的峰面积和浓度 线性回归, 各化合物的线性相关系数 r2 均大于 0. 995, 线性良好。 选用不含待测化合物的大米作为空白基质样 品, 对该方法的精密度和准确性进行确证。分别平 行称取 7 份空白样品添加标准溶液, 添加低、 高浓度 两个水平 0. 69 μg/kg 和 5. 52 μg/kg, 按照 1. 4. 1 节、 1. 4. 2 节处理样品, GC - ECD 测定, 所有目标物 的相对标准偏差 RSD 小于 20 见表 3 。 添加低、 高两个浓度水平 0. 69 μg/kg 和 5. 52 μg/kg, OCPs 和 PCBs 单体的平均回收率为 71. 0 ~112. 0 见表 3 。 方法检出限 MDL 按照计算公式 MDL s t n -1, α 0. 99 参照 EPA508 方法计算 定义, 检出限为 0. 07 ~ 0. 30 μg/kg 见表 3 , 大部分化合物的检出 限低于国家标准方法的检出限。 3方法适用性 采用本方法对超市购买的小米、 小麦、 荞麦、 玉米 籽、 黑豆和黄豆样品进行检测, 以考察所建立方法的 适用性和可靠性。结果表明, 当用 GC - ECD 检测黑 豆样品时, 有严重的基质干扰, 无法对该样品进行准 确的定性和定量, 通过质谱全扫描检测, 其干扰主要 为脂肪酸和豆甾烯醇类化合物。将黑豆样品提取液 经过 GPC SPE 净化 [ 23 ], 样品中干扰被去除, 可以对 其进行准确定量, 如图6 所示。当黄豆样品用 SPE 小 柱净化之后, 发现样品浓缩液还存在大量的油脂存 在, 无法上机检测, 因此, 黑豆和黄豆样品采用 GPC SPE 的净化方式。其他样品检测结果列于表 4, 可以 194 第 3 期杨佳佳, 等 加速溶剂萃取 - 气相色谱法测定谷物中有机氯农药和多氯联苯第 32 卷 ChaoXing 看出, 玉米籽和小米中分别检出六氯苯和 p, p - DDE; 荞麦中六氯苯和 p, p -DDT 均有检出。 表 3大米基质加标的精密度、 回收率和方法检出限 Table 3Spiked recoveries and detection limits of the for OCPs and PCBs 化合物 低浓度水平 0.69 μg/kg 平均回收率/ RSD/ 高浓度水平 5.52 μg/kg 平均回收率/ RSD/ 方法检出限/ μgkg -1 α -HCH87.2 9.5585.76.680.18 六氯苯71.09.2882.85.900.14 β -HCH96.0 7.0389.63.580.15 γ -HCH94.4 6.4488.04.430.13 δ -HCH94.6 6.2193.95.460.13 七氯87.43.6594.410.50.07 艾氏剂89.25.8587.110.70.11 环氧七氯94.85.6597.95.900.12 反式 -氯丹94.59.6785.69.670.20 顺式 -氯丹87.77.8491.66.300.15 p, p -DDE112.010.8100.05.980.26 狄氏剂88.310.191.310.30.19 异狄氏剂92.17.25100.05.720.29 p, p -DDD88.26.0987.56.160.12 o, p -DDT87.96.4388.68.340.12 p, p -DDT87.713.593.77.490.26 灭蚁灵92.05.7887.35.390.12 PCB 1581.35.6988.99.580.30 PCB 2892.69.1286.15.580.18 PCB 5289.56.4889.316.30.13 PCB 10187.59.8785.77.770.19 PCB 11883.14.1083.69.430.07 PCB 15385.29.9287.716.70.18 PCB 138102.010.490.48.600.23 PCB 18096.98.6893.78.870.18 表 4谷物样品 GC - ECD 部分检测结果 Table 4Determination results of OCPs and PCBs in grains by GC- ECD 化合物名称 wB/ μgkg -1 玉米籽小麦荞麦小米 α - HCH- --- 六氯苯2. 49-1.08- β - HCH- --- γ - HCH- --- p, p - DDE--1.262.03 p, p - DDT---- 替代物回收率/ 2, 4, 5, 6 - 四氯间二甲苯80.3283. 1689.97 79.88 PCB 10392.9895.72107.1497.87 PCB 204105.87100.4107.9299.46 图 6黑豆样品经过 SPE B 、 GPC SPE C 净化方式的 GC - ECD 色谱图 Fig. 6GC- ECD chromatogram of black beans sample cleaned- up by SPE and GPC SPE 图中 A 为标准溶液色谱图; B 为样品经过 SPE 净化后的色谱图; C 为样品经过 GPC SPE 净化后的色谱图。 4结语 本文建立了同时测定谷物类样品中 17 种 OCPs 和8 种 PCBs 的 ASE - 气相色谱分析方法, 选择 ASE 在线净化结合弗罗里硅土固相萃取柱净化, 仅用 9 mL正己烷 - 乙酸乙酯 体积比 9 ∶ 1 的淋洗液即 可将所有目标物回收, 提升了净化效率。与已有文 献中固相萃取柱的净化条件相比, 避免了使用甲苯 等有毒试剂, 柱净化淋洗液用量从 20 mL 减少至 9 mL, 克服了使用试剂毒性大和有机试剂用量大的 问题 [7 ]。除了黄豆和黑豆样品等豆制品需采用 GPC 结合 SPE 的净化方法外, 大米、 小麦和玉米等 大部分谷物样品采用 SPE 净化法即可满足测定需 求。经过大米基体加标和实际样品的分析验证, 该 方法有效地提高了分析效率, 降低测试成本, 适用于 大批量谷物样品中多种 OCPs 和 PCBs 的快速分析。 5参考文献 [ 1]谢武明, 胡勇有, 刘焕彬, 许振成. 持久性有机污染物 POPs 的环境问题与研究进展[ J] . 中国环境监测, 2004, 20 2 58 -61. 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The pre- treatment for organochlorine pesticides OCPs and polychlorinated biphenyls PCBs detected in samples of rice,wheat,corn and soybean is a complicated process with a large amount of solvents,easily leading to volatile compound loss and effects on the accuracy of the analysis. Therefore,choosing a suitable extraction and purification is very important to the determi
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