一种基于分散液液位萃取发展的使用离子液体对水样中多环芳烃进行分析的方法.docx

1、一种基于分散液液位萃取发展的使用离子液体对水样中多环芳烃进行分析的方法一种基于分散液液位萃取发展的使用离子液体对水样中多 环芳烃进行分析的方法马修女佩纳,马卡门卡赛斯,马卡门梅胡托,拉斐尔切拉分析化学系,营养与食品科学,食品研究和分析,圣地亚哥德孔波, 15782圣地 亚哥德孔波斯特拉,西班牙大学。文章信息:文章历史:收稿日期 2009年 4月 15日修订日期 2009年 7月 9日接受于 09年 7月 17日网上提供 XXX关键词:多环芳烃、离子液体、分散液液萃取、水质分析、液相色谱摘要:一种简单,快速,有效的基于离子液体 -分散液液微萃取(IL-DLLME 技术 第一次测定了水样中 18种

2、多环芳烃 (PAHs的含量。离子液体(1-辛基 -3-甲基咪 唑六氟磷酸盐 与可以从多环芳烃样本基质中提取的分析物之间的化学亲和力使 他们能够富集起来。因此,这种技术结合了提取、浓缩分析物为一体,避免了使 用有毒的氯化溶剂。 影响萃取效率的因素, 比如离子液体的类型和体积, 分散剂 的类型和体积,萃取时间,分散步骤,离心时间和离子强度等都得到了优化。萃 取物的分析采用高效液相色谱法(HPLC 与荧光检测器(Flu 。该优化方法呈 现良好的精确度,只有 1.2%到 5.7%的标准偏差值。对所有这些考虑的化合物, 其检测限(在 0.1 到 7 ng L 1之间都低于欧盟建议的限制。分散液液微萃 取

3、对不同化合物的萃取率介于 90.3%至 103.8%之间。此外也实现了较高的富集 因子(301-346。该优化方法的萃取率与液液萃取作比较。最后,该方法已成 功应用于实际水样的多环芳烃分析 (自来水、 瓶装水、 喷泉、 井水、 河水、 雨水、 废水处理及原废水 2009, Elsevier B.V.版权所有。1. 导言有必要在环境管制法例中列出一些多环芳烃的毒性性质 1,2。许多环保机 构为了保护环境和人类健康,将饮用水和天然水中多环芳烃限制在非常低的水 平。在饮用水方面,美国环境保护署(EPA 和世界卫生组织(WHO 建议例行监 测苯并 a芘(BaP . 美国环保局规定,其最高浓度不得超过

4、200 ng L 1 3, 而世界卫生组织规定的苯并 a芘的最高容许浓度为 700 ng L 14。除了到 B a芘,欧盟的指令 98/83/EC 5的规定苯并 b荧蒽 (BbF,苯并 k荧 (BkF, 苯并 g,h,i苝 (Bg,h,iP和 . 茚并 1,2,3 - C 类, D芘 (I1,2,3-c,dP。最高 污染物水平值分别定为 , 对剧毒 BaP为 10ngL 1,对剩余的多环芳烃的总量为 100ngL 1。欧盟也对浅水域的不同类型下的这类化合物制定了非常严格的限制。对 BaP的限制是年平均值为 50ngL 1、 最高容许浓度为 100 ngL 1。 对 BbF BkF和 Bg,h,

5、iP I1,2,3-c,dP的年平均值和最高容许浓度分别限制在 30 ngL 1和 2ngL 1,作为。萘(Naph, 1200 ngL 1,荧蒽(Flt, 100 ngL 1和蒽(Anth, 100 ngL 1也包括在这个指令中。美国环保局和欧盟制定了水中低浓度多环芳烃的常规量化, 这需要高效合理 的分析方法的发展。这些化合物通常用液液萃取 (LLE 8,9和固相萃取 (SPE 10两种方法从水样中提取。 然而, 现在分析化学的趋势是简化样品的制备。 因 此, 在过去几年里, 微技术在辨别多环芳烃方面正发挥着重要的作用。 固相微萃 取 (SPME 11,搅拌吸附萃取 (SBSE12和液相微萃

6、取 (LPME 13,14已经替 代了传统的 LLE 和 SPE 技术。作者通讯方式 . 电话: +34 981563100; 传真: +34 981547141.E-mail 地址: rafael.celausc.es (R. Cela.最近,一种简单而又快速的富集和微萃取方法分散液液微萃取 (DLLME正 在兴起 15。它基于三元溶剂体系。 DLLME 采用高密度溶剂(萃取和水溶性极 性溶剂 (分散 的混合物。 丙酮, 甲醇和乙腈作为分散剂, 而氯化溶剂 (如氯苯, 四氯化碳(CCl4 ,四氯乙烯(C2Cl4 通常作为萃取剂 16。适当混合后,萃 取剂被注入到含有分析物的水样当中。 萃取剂

7、以雾状小液滴的方式分散到水样当 中。 由于在萃取剂和水样中有相当大的表面积, 可以迅速的到达平衡状态。 将浑 浊的溶剂离心之后,可以用仪器分析 15,17测定沉淀相中的分析物 .DLLME 与常规溶剂萃取法相较有许多优势:运行快速,不需要大量的有机萃 取剂, 时间短花费少, 易于与多数分析方法 15 联系。 因此, 自推出以来, DLLME 亦经常用于测定液体样品中的有机污染物。 包括水样中的多环芳烃 15, 有机磷 酯 16,邻苯二甲酸酯 17和芳香胺 18。另一方面, 由于需要找到对环境有害的挥发性有机溶剂的替代品, 人们广泛 的调查了新的样品制备方法。因此,离子液体(ILs 由于其在分析

8、化学多个领 域中的优异性能和潜在的应用而受到更多的关注 19。离子液体具有较高的热稳定性, 很低的蒸汽压, 可调节的粘度, 与水和有机 溶剂良好的互溶性,使他们成为对环境不友好的溶剂的替代品 20,21。因为这 些特性, 离子液体被称作绿色溶剂, 并在分析中得到应用 22, 其中包括一些萃 取过程,如液相微萃取 (LPME 14,23,固相微萃取(SPME 24和单滴微萃取 (SDME 25。 DLLME 已被用于萃取水样中不同的有机化合物, 如芳香胺 18,26、 杂环类杀虫剂 27 和有机磷农药 28。Rezaee 等人报道 15了 DLLME 技术在测定水样中多环芳烃方面的应用使用含氯溶

9、剂(C 2 Cl4作为萃取剂,离心后,使用气相色谱法与火焰离子化检测器耦合(GC FID 测定。DLLME 与 IL 的联合提供了额外的好处 -用高效液相色谱法得到可直接分析的 萃取物,同时避免使用有毒的氯化溶剂。本研究的目的是优化和验证 IL-DLLME 方法对水样中 18种多环芳烃的萃取 (Naph, acenaphthene (Ace, fluorene (Flu, phenanthrene (Phe, Anth, Flt, pyrene (Pyr,benzaanthracene (BaA, chrysene (Chry, 5-methylchrysene (5-MC, benzoepy

10、rene (BeP, BbF, BkF, BaP, dibenzoa,lpyrene(DBa,lP, dibenza,hanthracene (DBa,hA, Bg,h,iP 和 I1,2,3-c,dP 。在不同的实验参数下(例如:离 子液体,分散剂,萃取时间,离子强度等对样品制备步骤进行考察、优化工作 条件。 此外, 该优化方法的萃取率与以前报道的 LLE 方法 9作比较。 据我们所知, IL-DLLME 技术迄今还没有应用于水样中多环芳烃的萃取。最后, 测定一些实际饮水和环境水域 (自来水, 瓶装水, 喷泉, 井水, 河水, 雨水,原废水以及处理后废水中的多环芳烃来测试该方法的适用性。2.

11、 实验2.1. 试剂,标准和材料有聚四氟乙烯衬里并配有盖子的锥形玻璃管(15毫升从 Afora (西班牙巴 塞罗那收购, Supelco (贝尔丰特,宾夕法尼亚州,美国提供了 100L 汉密 尔顿微型注射器。使用了包括梯度控制器 (沃特斯 , 米尔福德 , 马萨诸塞州 , 美国 、荧光检测 器 (惠普 1100系列,安捷伦, Waldbrom ,德国 、 600E 的泵的高效液相色谱分离的 系统。该注射器 (进样模式 7725i ,科塔蒂,加利福尼亚州,美国 配有了 20L 的套。分析柱温度控制的一元温度计 9540烤箱, (Metachem,托兰斯,加利福尼 亚州,美国 . 分析柱是 250

12、mm 4.6mm I.D. Waters PAH C18柱(粒径 5 M 。 用一个 Waters guardpak 和 Nova-Pak C18 inserts 来保护分析柱 (都是从 Waters 处购买 。安捷伦化学工作站软件 (Rev. A. 06.03 509用来采集数据。一台 Unicent (Orto-Alresa,马德里,西班牙 离心机用来离心浑浊的水溶 液。从 Selecta Ultrasounds 处选择购买了一台超声波水浴 (巴塞罗那,西班牙 。 涡轮汽化自动氮蒸发器 (Zymark, 霍普金顿, 美国马萨诸塞州 用来蒸发获得提取 物。1-己基 -3-甲基咪唑六氟磷酸盐

13、(C6MiMPF6 (99%和 1-辛基 -3-甲基咪 唑六氟磷酸盐 (C8MiMPF6 (98+%从 Acros Organics (Geel,比利时 处购买。 1-丁基 -3-甲基咪唑六氟磷酸 (C4MiMPF6 (96+%从 Sigma Aldrich (马德 里,西班牙 处购买。乙腈和甲醇 (梯度级, LiChrosolv, 二氯甲烷 (DCM, 丙酮 (Suprasolv和异 丙醇 (分析级 从 Merck (达姆施塔特,德国 处购买。通过 aMilli - Q 系统制作的 超纯水由 Millipore (贝德福德, 马萨诸塞州, 美国 提供。 无水硫酸钠由 Panreac (巴塞罗

14、那,西班牙 提供 . 氯化钠 (NaCl由 Prolabo (丰特奈苏布瓦,法国 提供。 EPA-610多环芳烃混合物和 BeP(固体 , 98.5%由 Supelco 提供。 5-MC (10g mL 1 和 DBa,lP (10g mL 1 由 EhrenstorferGmbH 博士 (奥格斯堡,德国 提 供 . Durapore过滤器 (Millex GV, 13mm, 0.22m, 玻璃纤维过滤器和 0.45m 微孔膜由 Millipore 提供。2.2. 样品选出用 9个水样来验证优化方法。其中包括自来水,瓶装水,喷泉水,井水, 雨水,两个受污染的河水,处理过的废水和原废水。自来水从

15、我们自己的实验室收集, 是龙头开了 10分钟后收集的。 瓶装水是从 本地市场买到的。喷泉、井水、河水和雨水,是从加利西亚(西班牙西北部的 不同地点采集的。 经处理后的废水、 原废水也是从加利西亚的污水处理厂 (WWTP 得到的。所有样本收集在棕色玻璃瓶中,存放在 4的黑暗条件下,并在采集到的 48小时之内分析。 经处理后的废水, 原废水首先通过玻璃纤维过滤器, 并通过 0.45m 的微孔膜。应当强调的是,为了避免在存储和操作过程中多环芳烃和回收率 的损失,应在存放的容器的容器中提前加入 10%(v/v的丙醇。2.3. 样品制备2.3.1. DLLME程序在最终优化条件下,将含 10%(v/v丙

16、醇的 10毫升水样转移到锥底玻璃管中。将包含 50L C8MiM PF6(萃取剂的 1毫升丙酮用微管迅速注入(分散 剂分析系统中。应该指出的是,因为 C8MiMPF6太粘稠,不可能用注射器将 其完全转移,应在萃取混合物前在分析天平上称重。混合物的注入会使样品溶液浑浊。然后将其冷却在冰水中 2分钟,以加强多 环芳烃从样品溶液中到 C8MiMPF6微小液滴的萃取。微萃取过程的最后一步是离心 (5分钟, 4000转 , 收集分散在锥形试管底部 的离子液体。上层水相用巴斯德吸管转移,沉淀相的体积(27 1L 用 100L 的微型注射器来测量。离子液体提取物太粘稠,不能直接注入到高效液相色 谱系统中,

17、因此将其用甲醇稀释至 0.5毫升。 然后, 提取物通过 0.22m Durapore 过滤,取 20L 注入高效液相色谱系统中。2.3.2. LLE程序一些水样本 (井水、 雨水和原废水 中的多环芳烃也用以前报道过的液液萃 取方法 9分析。 简单地说, LLE 过程涉及使用二氯甲烷, 然后用无水硫酸钠干燥 有机提取物,使提取物在氮气流下,最后改用乙腈溶剂。2.4. 色谱分离二元溶剂系统中的乙腈和水在 1.5mL min-1处色谱分离。梯度洗脱程序如下:初始条件, 50%乙腈 3分钟,然后线性增长 17分钟至 100%乙腈,并保持 8分钟。 柱温为 35。检测选定的荧光波长能获得更高的灵敏度和最

18、小的干扰。激发 /发 射 (纳米 波长设置如下:Naph 是 267/330; Ace 和 Flu是 275/315; Phe 是 247/357; Anth Flt 和 Pyr; 是 238/418; BaA, Chry 和 5-MC 是 286/410 ; BeP, BbF, BkF, BaP, DBa,lP, DBa,hA 和 Bg,h,iP 是 294/425; I1,2,3-c,dP是 245/500 。3. 结果和讨论DLLME 程序的萃取率取决于一些重要的实验参数, 这些参数应当被研究清楚。 对加入有机溶剂的影响、 萃取剂的类型和体积, 分散剂的类型和体积, 盐效应的 影响,萃取

19、时间和离心时间都进行了研究。使用富集因子(EFS 和萃取回收率 评价上述列举的因素。 EFs 被定义为在稳定阶段每种化合物的浓度和水样中分析 物的初始浓度的比率。 Efs 作为产品的回收率为积淀相的体积和水样体积的比乘 以 100。优化的 IL-DLLME 的条件是使用超纯水,在 1到 15gL 1间增大 PAHs 浓度, 这决定于物质的种类,每个数据点由三个平行样取平均值。 图 1. 在优化条件下不同提取模式中在超纯水中加入一些有代表性的多环芳烃的回收率。 IL-DLLME 条件是 10mL 包含 10% (v/v 异丙醇的水样; 1毫升丙酮作为分散剂, 100LC8MiMPF6作为萃取剂,

20、在 4000转离 心 5分钟,括号内的值对应的固定相的体积 ; 。为一式三份提取数据 ;a 2min。3.1. 分散液液位萃取的操作条件3.1.1. 操作参数IL-DLLME 被称作是快速的方法。 其中比较耗时的步骤通常是萃取和样品溶液 的离心。因此,首先针对这两个参数进行研究,以减少实验时间。在 IL-DLLME 方法中使用不同的萃取方法进行了一系列的实验。图 1用手摇、 冰水浴、 听任不管和超声波比较回收价值。 手工摇晃, 超声和冰水浴获得了更好 的萃取效果。 因此, 在简单和低成本的条件下, 后面的实验中样品溶液在冰水浴 中冷却。萃取涉及到与时间相关的目标化合物从水相到离子液相的转移过程

21、。因此, 萃取时间是萃取程序中的重要因素, 特别是在微萃取中, 如固相微萃取和液相微 萃取。在这个实验中,萃取时间是指从含有丙酮 -C8mimPF6的水样投入到冰水 中直到开始离心的时间。为了获得最佳的萃取时间,在 0, 1, 2, 5, 10, 20, 30和 40分钟内分别进行了实验。其他实验条件是, 10ml 含 10%(v/v 异丙醇的水, 1ml 丙酮作为分散剂, 100l 的 C8mim PF6作为萃取剂, 离心 5分钟 (4000转 。 结果表明,萃取在 2分钟内达到平衡,更长的萃取时间不会明显的影响萃取 效率。在后面的实验中,浑浊的溶液在离心前放入冰水中水浴 2分钟。离心在分离

22、过程中也发挥了重要的作用。 在这个过程中, 离子液体在锥形管 的底部。为了研究离心时间,萃取后,在 4000转的条件下,分别离心 5, 10和 20分钟进行测试。 离心 5至 20分钟取得了相似的结果。 因此, 选取较低的值 (5分钟 来加快样品的准备。另一方面,离心时间低于 5分钟得到的结果并不令人满意。 图 2. 在 IL-DLLME 方法的富集因素下加入不同有机溶剂的影响。 10毫升水使用 1毫升含有 50L C8MiMPF6的丙酮。在冰水中水浴 2分钟萃取,离心 5分钟(4000转 。平均为 n= 3个重复。括号内的值对应的稳定相的 体积 ;EFS ,富集因素; i-PrOH ,异丙醇

23、,丙烯腈,乙腈,甲醇,甲醇。在多环芳烃萃取方法的发展过程中, 另一个重要的方面是它们强烈的吸附在容器的表面, 这是因为其高疏水性和污染物在储存中相当大的损失的结果。 加入 10%至 40%(v/v的有机溶剂 30 (如乙腈,异丙醇或甲醇可以阻止吸附,但 是,对于 IL-DLLME 过程效率的影响必须要考察清楚。为了评估这个效果,在本文献中采用了不同的溶剂(甲醇,乙腈,异丙醇 。 IL-DLLME 分析 10ml 由超纯水和 10%(v/v前面提到的溶剂混合的液体。 数据对比显 示,异丙醇 (91 101%、乙腈 (88 103%和甲醇 (79 102%有类似的回收价值。 但是,异丙醇获得了更低

24、的沉淀相体积和更高的 Efs (图 2. ,因此,异丙醇被选 出来进行下面的实验。用不同百分比的异丙醇进行分析,用来评价其在 IL-DLLME 进程领域的作用。 强化水样加入异丙醇 (0%, 5%, 10%, 15% 和 20% (v/v后在 IL-DLLME 里进行分 析。结果表明,异丙醇浓度是一个重要参数。可以看出,在表 1中,大部分分析 物的回收率随着异丙醇浓度而增加, 可能是因为异丙醇的加入降低了多环芳烃在 试管表面的吸附。 另一个可能的原因是, 异丙醇的加入提高了多环芳烃从水样到 离子液体的扩散速度。但是,在异丙醇超过 10%之后,回收率和沉淀相体积都会 降低。这个现象可能是由于多环

25、芳烃在异丙醇 -水混合物中溶解度的增加和在离 子液体中多环芳烃分区的减少。 考虑到这些结果, 在接下来的试验中, 允许加入 的异丙醇的最高比例为 10%(v/v。3.1.2. 萃取剂的类型和体积为了达到良好的回收率、良好的 EFS 和目标化合物的选择性,适当的萃取剂 的选择在 DLLME 过程中起着主要的作用。 因此需要研究和优化溶剂的种类和体积。 萃取剂应具有在水中的低溶解性、 对研究者感兴趣的化合物的萃取能力、 密度高 于水,在色谱下的良好表现的特点。大多数卤化溶剂在 DLLME 的应用具有上述所 有特点,但这些化合物都有剧毒,应用并不理想。离子液体是 DLLME 程序中传统 的有机氯溶剂

26、的一种良好高效的替代物。在这项研究中, 三种离子液体 C4MiMPF6(密度 1.36gmL 1 , C6MiMPF6 (密度 1.29gmL 1和 C8MiMPF6(密度 1.22gmL 1作为萃取剂进行比较。 1-烷基 -3-甲基咪唑六氟磷酸盐的烷基部分对其物理和化学性质有着重大的影响, 如密度,粘度,溶解度 31,这可能会影响目标分析物的萃取率。为了评估萃取剂的效果,一系列的样品溶液用含有 100L 离子液体的 1毫升 丙酮来测试。 C6MiMPF6和 C8MiMPF6并没有显著性差异, 而 C4MiMPF6作为萃取剂时只有很低的回收率 (29.6 48.9%(数据未显示。此外,沉淀相

27、体积低于 5L 时会引起可预见的困难,并在其用微型注射器转移时引起系统误 差。初步实验表明,在最大限度的回收多环芳烃的条件下,萃取步骤(冰水浴 是非常重要的。因为在分析过程萃取步骤中包括冰水浴时, C6MiMPF6和 C8MiMPF6提供了同样令人满意的结果,所以没有将两者明确的区分。因此, 在第二个系列实验中, C6MiMPF6和 C8MiMPF6的萃取能力在缺少冰水浴萃 取步骤的情况下评估。要做到这一点,用 1ml 含有 100L 每种离子液体的丙酮来 萃取 10ml 的水样。萃取剂的注入会使样品溶液浑浊,样品溶液在 4000转下离心 5分钟。 由图 3. 可以看出, 当没有冰水浴的萃取步

28、骤时, C8MiMPF6(67.5 87.7%比 C6MiMPF6(21.0 41.9%有更高的萃取率。 考虑到密度和 1-烷基 -3-甲基咪 唑六氟磷酸盐的水溶性由于 1-烷基的加长而减少, 疏水性化合物如多环芳烃表现 出更多的对 C8MiMPF6的亲和力, 所以选择 C8MiMPF6作为最终的萃取剂是 合理的。因此,对 C4MiMPF6不做进一步的考虑。表 1.不同体积的有机溶剂取得的回收率标准偏差(% 。 9mL 的水(加入不同体积的有机溶剂加入 1mL 含有 50LC8MiMPF6的丙酮的数据。在冰水浴中提取 2分钟;离心 5分钟(4000转 , n=3重复。稳定相体积; i-PrOH

29、 ;异丙醇。 图 3. 在注入超纯水的 IL-DLLME 中萃取剂对一些有代表性的多环芳烃恢复的影响。 用 10mL 水样 (10% (v/v 异丙醇 , 50L 离子液体和 1mL 丙酮作分散剂。 在 4000转离心 5分钟后, 萃取分一式三份; C8MiMPF6, 1-辛基 -3-甲基咪唑六氟磷酸盐; C6MiMPF6, 1-己基 -3-甲基咪唑六氟磷酸盐。萃取剂的体积是另一个可能影响萃取率的重要因素。 为了检验萃取剂体积的 影响,不同体积的离子液体被注入到相同的 IL-DLLME 程序中。因此,为了研究 离子液体体积对萃取效率的影响,使用了 1ml 含不同量 C8MiMPF6(20, 3

30、0, 40, 50, 60, 80和 100l 的丙酮。C8MiMPF6的体积确定了样品溶液浑浊状态的发生与否。因而,C8MiMPF6的体积为 20l 时, 混合物均匀而透明, 在离心后也没有固定相沉 积在锥形管的底部。低于 30l 的体积不能发生相分离。图 4. 描述了一些有代表性的多环芳烃的萃取率与萃取剂的体积。可以看 出, 当 C8MiMPF6的体积由 30l 上升至 50l 时, 回收率随之逐渐增加, 在 50到 100l 时保持不变, 这表示了在这样的条件下的定量萃取和多环芳烃的高 分配系数。显然,如果把萃取剂的体积从 50l 提升至 100l ,沉淀相的体积 也会提高(27-81l

31、 。因此,富集因素从 300 334降低到 99 123。所以选 取 50l 的 C8MiM PF6作为最佳萃取剂剂量。这样能获得高富集系数、低检 出限和良好的复原性,同时使萃取回收和操纵变得简单。 图 4 随超纯水注入 IL-DLLME 系统中的 1-辛基 -3-甲基咪唑六氟磷酸盐对一些有代表性的多环芳烃回收的影 响。提取条件:10毫升水(10%(v/v异丙醇 , 1mL 包含不同体积离子液体的丙酮,在冰水浴中萃取 2分 钟,然后在 4000转离心 5分钟。一式三份取均值。3.1.3. 分散剂的种类及体积当快速注入的水样中有分散剂时, 萃取剂会分散成小液滴。 因此, 分散剂与 萃取剂(离子液体的相对相容性和水相对分散剂的选择性影响最大。丙酮,乙 腈和甲醇都表现出很好的性能,并被选作分散剂。然后对这些溶剂对 IL-DLLME 性能的影响进行了研究。 为此, 研究用了一系列的样品溶液 -1mL 其中包含 50l C8MiMPF6的每种分散剂的溶液。 实验数据并没