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色谱分析

用气相色谱法测定土壤和蔬菜中PAEs的含量

摘要:用气相色谱法对当地土壤和蔬菜中PAEs含量的测定,了解PAEs对土壤和蔬菜的污染情况,为污染物的控制和治理提供基本数据。通过对蔬菜进行不同时间洗涤实验的比较,找出比较合理的浸化学分离法，

泡时间和理想的洗涤材料,从而能减少蔬菜中PAEs的含量及对人体的危害。

关键词:PAEs;气相色谱法;蔬菜样品

PAEs(邻苯二甲酸酯Phthalic Acid Esters的简称,别名酞酸酯)是一类重要的有机化合物质,常见的有邻苯二甲酸二甲酯(DMP);邻苯二甲酸二乙酯(DEP);邻苯二甲酸二正丁酯(DBP);邻苯二甲酸二正辛酯(DOP);邻苯二甲酸二异辛酯(DEHP)和邻苯二甲酸丁基苄酯(BBP)。其中,最常见的是DBP和DEHP,为无色油状粘稠液体,一般难溶于水,易溶于有机溶剂,属中等极性物质。

1土壤和蔬菜中PAEs的来源

PAEs类有机物主要用作塑料的增塑剂,增大产品的可塑性和提高产品的强度,它在塑料中的含量仅次于高聚物如在聚氯乙烯(PVC)中的添加量,高达20%～30%;也可用作农药载体,驱虫剂、化妆品、香味品、润滑剂和去泡剂的生产原料。在塑料中PAEs与聚烯烃类塑料分子之间由氢键或范德华力连接,彼此保留各自相对独立的化学性,因此随着时间的推移,可由塑料中迁移到外环境,造成对空气、水和土壤的污染。目前,PAEs在全球主要工业园的生态环境中已达到了普遍检出的程度,过去一直认为PAEs的毒性低,因而毫无限制地生产,但近年来的研究结果表明多种PAEs具有一般毒性和特殊毒性。随着工业生产和塑料制品的使用,塑料垃圾大量增加,PAEs不断进入环境,已成为全球性最普遍的污染物之一,广泛存在于大气、水体、土壤、生物体等环境中。

PAEs的化学结构决定了其进入环境后的行为,对PAEs来说,水解作用、挥发作用和光解作用都不是它们的重要反应过程。据估计,PAEs的水解半衰期从邻苯二甲酸二乙基酯的3.2年到邻苯二甲酸-2-乙基己基酯的2000年不等。由于其较低的蒸气压,它们的挥发损失是很少的,或者几乎没有挥发损失。尽管目前尙没有见到有关PAEs光解作用的报道,但根据其在紫外光、可见光范围内没有光谱吸收这一现象可以推断,它们很难进行光化学反应,不可能通过光化转化。

2PAEs的生态毒性

2.1对动物的毒性

PAEs本身急性毒性较低,但在生物体内很容易降解为酞酸单酯、酞酸和醇而具有一定的毒性。动物实验表明,PAEs在大剂量情况下,对动物有致畸、致癌和致突变作用。其亚急性毒性主要表现为损害肝、肾、睾丸,抑制精子形成,影响生殖机能等。PAEs含有较弱的雌性荷尔蒙活性成分。对大白鼠的饲料投放DEHP后发现雌性大白鼠性周期延长,血清中雌性激素浓度减轻;妊娠大白鼠胎鼠死亡率上升,并出现畸形胎鼠。对雄性大白鼠投放DEHP以后,年轻雄性大白鼠出现精管委缩和前列腺重量减轻的症状。此外,动物试验还表明,PAEs具有影响生物体内分泌和导致癌细胞增殖的作用。对动物的生化效应主要表现为过氧化酶体增生、足细胞毒性、肝脏促进作用、抗雄激素等。

2.2对水生生物的毒性

动物和植物对PAEs都有一定的富集作用。生态模拟实验和单个物种的研究都表明PAEs能对水生植物和鱼类所富集。某些鱼类的生物富集因子高达102～104。

2.3对人体的危害

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PAEs对人体健康的影响是一个慢性的过程,需要较长的时间才会出现,而且可能通过胎盘和授乳产生跨代影响。

3PAEs对环境的污染

PAEs在大气中以气态和吸附于颗粒物上两种形态存在,对大气的污染主要来源于喷涂涂料、焚烧塑料垃圾和农用薄膜中增塑剂的挥发。世界各地的大气中都已检出PAEs,说明对大气的污染相当普遍。 地表水和地下水中的PAEs的来源:直接途径是含有该类化合物的工业废水的排放、固体废弃物的堆放和雨水淋洗以及PVC塑料的缓慢释放;间接途径是该类化合物首先排入大气,然后通过干沉降或雨水淋洗而转入水环境中。

4PAEs在环境中的迁移

PAEs在环境中的迁移情况与其烷基的长度和结构有很大关系。PAEs的正辛醇水分配系数Kow值与烷基的长度和结构相关,PAEs中烷基越长,Kow值越大。随Kow值的增大,也越易于被有机物吸附,在不同介质中的迁移速度也就越慢。由于PAEs的亨利系数低、沸点高和蒸气压低,所以只能缓慢的挥发到大气中,而存在于大气中的PAEs会强烈地吸附于颗粒物上,仅有少量以气态形式存在。在水底泥体系中,PAEs大多吸附于底泥上,特别是烷基链较长的PAEs。有人研究水中90%的DEHP吸附于底泥,底泥中有机碳含量越高,吸附越强烈。虽然PAEs在水中溶解度很低,但是在表层水中由于有机物的吸附或溶于水中的有机大分子的存在,而使其中PAEs的含量大为增加。PAEs在水底泥体系中的迁移情况Kp值有关,水底泥分配系数Kp分别为1.22和1400。分子量大,烷基链长的DEHP Kp值最高,说明其强烈地被吸附,难于迁移。而分子量小、烷基链短的DEP Kp值较小,它在该体系中迁移速度较快。 从文献报道中可以看出,我国对于环境中PAEs的研究已经取得了一定的成果,已建立了可靠的分析方法,并用这些方法在我国大气、饮用水和土壤等环境样品中检出PAEs。PAEs由于难以迅速降解,已成了地球上无处不在的污染物质。 PAEs能被植物吸收,并通过食物链进入人体,可能会对人体健康造成危害并扰乱生态平衡,必须引起人们的重视。

本文用气相色谱法对当地土壤和蔬菜中PAEs含量的测定,了解PAEs对土壤和蔬菜的污染情况,为污染物的控制和治理提供基本数据。通过对蔬菜进行不同时间洗涤实验的比较,找出比较合理的浸泡时间和理想的洗涤材料,从而能减少蔬菜中PAEs的含量及对人体的危害。 5土壤和生物样品的前处理技术

要将PAEs从生物体中提取出来,必须采用适当的提取方法,目前主要应用的是超声提取方法。对土壤样品中PAEs的测定,样品前处理与大气样品差不多,通常采用索氏提取或超声提取等方法初步富集分离后,再用硅胶-氧化铝双柱层析或微型硅胶柱层析进行预分离。土壤中PAEs的处理方法一般是将土壤样品风干,研磨后过筛,过去使用索氏萃取法,但该方法溶剂用量大,萃取时间长,易受污染,空白值大。采用超声萃取法萃取PAEs,溶剂用量少,空白值低,回收率在88.5%～105.0%之间。微波溶出法和超临界流体萃取是近几年发展起来的样品前处理技术,主要适用于固体或半固体样品。与传统的索氏萃取法和超声萃取法相比,微波萃取操作简便,溶剂消耗量少,样品处理量大。利用微波萃取技术萃取海洋沉积物和土壤中的PAEs,回收率较高。超临界流体萃取与液液萃取不同在于它的萃取剂是超临界流体。超临界流体萃取由于高效、快速、后处理简单,易于和其他仪器分析方法联用,可避免样品转移的损失,是一种很理想的样品前处理技术。

6气相色谱法

环境中PAEs的测试方法有分光光度法、气相色谱法、高效液相色谱法。分光光度法只限于PAEs总量的测定,色谱法的选择性强,可单独测定各种PAEs的含量。

气相色谱(GC)尤其是高分辨毛细管气相色谱是分析PAEs的有效方法之一。常用的检测器有电子捕获检测器(ECD)和氢火焰离子化检测器(FID),早期主要使用各种填充柱,上世纪八十年代以来,以弹性好、分离效率高的涂壁开口石英毛细管柱为主。在实际样品的测试过程

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中,可根据待测样品的特点,选择最佳的色谱条件。气相色谱法具有较高的灵敏度,但检测器易受其他有机物的污染,因而灵敏度变动较大,对样品的前处理要求较高。

7采样

7.1土样

菠菜大棚内的土样、黄瓜大棚内的土样均采于本市蔬菜基地。用采样器分别采取深度为0～5㎝、5～10㎝、10～20㎝、20～40㎝。样品经自然风干后装于纸袋中备用。

7.2蔬菜样品

菠菜和黄瓜都购于当地农贸市场,购买时均用纸袋包装,不能用塑料袋,以避免PAEs的污染。

8样品处理

8.1土样的处理

以风干的土样用研钵研磨后过50目筛,准确称5.00g于碘价瓶中,加入石油醚/丙酮(V/V)为1∶1溶液60ml。摇匀,静止。用振荡提取器提取30min后静置放置数小时。再用砂芯漏斗抽滤,砂芯上铺一层助滤剂厚度要适中,并用1∶1的石油醚/丙酮溶液将其润湿,并用真空泵抽干,防止倒入样品溶液时将其充散。将样品的提取液混匀后连并土样一起倒入砂芯漏斗中,打开真空泵,同时将碘价瓶用1∶1的石油醚/丙酮溶液每次10mL洗涤3次,将洗涤液转入砂芯漏斗中,尽可能的将所需测定的成分转移完全。

滤液用旋转蒸发器在32℃下浓缩至3～5ml后进行净化处理。称取弗罗里硅土(已活化)6g+活性炭(已活化)0.5g,混匀后装柱,上加2cm的无水硫酸钠。打开活塞,用10∶0.4的石油醚/乙醚10ml预淋洗层析柱,当预淋洗液的液面刚好下降到无水硫酸钠上层时倒入浓缩好的提取液,并用10∶3的石油醚/乙醚淋洗液冲洗平底烧瓶的瓶口,在烧瓶中加入少量淋洗液冲洗烧瓶内壁。当液面下降到无水硫酸钠上层时,加入冲洗液并用淋洗液冲洗瓶口,如此反复冲洗烧瓶5次,最后加入80mL 10∶3的石油醚/乙醚,可将柱子淋洗干净。在操作过程中要注意控制流速不能过快或过慢,过快色素吸收不充分,过慢吸收的色素带容易随着淋洗液下移,同时会造成层析柱内吸附剂断层。

将净化好的提取液旋转蒸干,所用温度为35℃。用甲醇(一级色谱纯)定容至2mL,摇晃数次使干燥于瓶底的待测物充分溶解。避光保存至少12小时,保存期间不断摇晃烧瓶,待到溶解完全后将溶解液转移到5mL具塞试管中,气相色谱分析,进样量为2ul。

8.2蔬菜样品的处理

蔬菜样品的处理分为两部分:

处理一:搓洗一遍黄瓜后分别在清水中浸泡10min和15min,每个时间段做三个平行实验。浸泡黄瓜用不锈钢或玻璃器皿,不能用塑料制品,避免交叉污染。

将浸泡后的样品切碎后混匀,准确称取10.00g于碘价瓶中,加入100mL 3∶1的石油醚/丙酮溶液,14000r/min条件下高速分散3min,每次分散打浆完毕后用适量的3∶1的石油醚/丙酮溶液冲洗机头,尽量将机头洗干净,减少PAEs的损失。冲洗液并入碘价瓶中,摇匀避光保存。同时注意避免不同样品的交叉污染,在同种样品高速分散以后用清水彻底清洗机头。

高速粉碎后的植物样品在处理过程中容易出现乳化现象,需用2%无水硫酸钠溶液分层处理,除去样品中所含有的水分及提取液中的丙酮溶液。在分层之前需先通过砂芯漏斗抽滤,为减少PAEs的损失,可将砂芯漏斗与分液漏斗连接,固定在铁架台上,砂芯漏斗直接接真空泵,分液漏斗内盛放70mL 2%无水硫酸钠溶液,滤液直接滴入分液漏斗中,这样就可以减少一步的转移操作。

抽滤完后,盖好分液漏斗活塞,用力振摇,大约3min,每次振摇完毕后要注意旋转活塞放气。摇匀后将分液漏斗固定于铁架台上,使其静止分层。溶液分为上下两层,上一层有颜色,为有机相石油醚层,内含有萃取的PAEs;下一层为乳白色,主要有无水硫酸钠溶液和丙酮溶

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剂。将下层乳白色溶液放出,转移至另一分液漏斗中,再加入50mL石油醚,再萃取两次,使PAEs能萃取充分。将两次所得有机相层全部接入平底烧瓶中,同时用石油醚冲洗两个分液漏斗,冲洗液并入平底烧瓶中。

在32℃旋转浓缩至3～5mL后过柱净化,柱中先加已混匀的弗罗里硅土(已活化)7g+活性炭(已活化)0.5g,以下净化步骤与土样净化步骤完全相同。气相色谱分析进样量也为2ul。 处理二:在滴有洗洁精的洗涤液中搓洗一遍黄瓜,分别浸泡10min和15min后用清水冲洗干净,每个时间段做三个平行实验。其后的前处理过程同处理一。

菠菜的前处理过程同黄瓜。

9气相色谱分析

9.1进样口温度的选择

PAEs的沸点高,进样口温度低不利于汽化。选择不同的进样口温度进行实验,最后选用270℃,此温度有利于PAEs的完全汽化,得到准确数值。

9.2载气流速的选择

不同的载气流速对PAEs的出峰时间有很大影响,经过实验,从分析时间和分离效果综合考虑选用2.45374mL/min。

9.3进样方式的选择

分流/不分流进样是毛细管GC最常用的进样方式,分流进样是载气进入汽化室与样品气体混合后又分为两部分:大部分经分流出口放空。小部分进入色谱柱。分流进样的适用范围宽,灵活性大,是毛细管GC的首选进样方式,但分流进样会降低检测的灵敏度,不适合低浓度样品的测定。不分流进样有明显高于分流进样的灵敏度,适合痕量物质的检测,但不分流进样产生的溶剂峰拖尾却会延长分析时间。考虑各因素,实验运用分流进样,分流比为1∶5。

9.4色谱条件

氢火焰光度检测器(FID)温度为300℃;进样口温度为280℃;柱温(程序升温)为140℃(3min)50℃/min

270℃(5min);载气为氮气,纯度为99.99%载气压为8.5MPa;总流速为24mL/min;流速为

2.45374mL/min;分流进样分流比为1∶5;进样量为2.0µL;毛细管柱30m×0.32mm×0.25µm。在此条件下,PAEs化合物可以得到良好的分离鉴定效果。

9.5标准溶液的配制

分别配制1.0×102ppm、10ppm、5ppm、1ppm的邻苯二甲酸酯甲醇标准溶液;制备DEHP的甲醇溶液及DBP和DEHP的混合标样。

9.6玻璃仪器的洗涤

由于PAEs广泛的存在与大气、土壤和水中,所以所用玻璃仪器要经过严格的洗涤,以除去玻璃仪器中PAEs的干扰。先用重铬酸钾洗液浸泡一天,用水冲洗干净,再用洗涤液仔细洗涤,然后依次用冷水、热水和蒸馏水冲洗,经丙酮洗3次后放于100℃烘箱中烘干,使用之前再用丙酮洗2遍,在整个实验过程中避免使用塑料。

9.7定性分析

用PAEs单标和混合标样测定各种PAEs的保留时间,样品的定性分析采用与标样的保留时间相对照的方法进行。

9.8定量分析

样品处理后进行色谱分析,所得的峰面积与标样的标准曲线相比较,通过计算得出样品中含该种PAEs的实际浓度。

9.9标准曲线的绘制

配制的1ppm和10ppm的DBP和DEHP的混合标样为标准品,用1ppm混标4µL,10ppm混标2µL、4µL、6µL、8µL进样,得到分析数据,以浓度为横坐标,峰面积为纵坐标做标准曲线。

色谱分析

DBP的标准曲线为:y=121.93x+1947.6R2=0.9973

DEHP的标准曲线为:y=142.97x+1116.3R2=0.9976

9.10样品的添加回收率

向样品中添加DBP和DEHP0.1ppm、1ppm、10ppm各2ml,经过处理后用气相色谱检测分析,对其分析所得数值进行计算,得出该方法的添加回收率,见表2:

表2该方法的添加回收率 (%)

PAEs 土壤样品 植物样品

添加量(ppm) 0.1 1 10 0.1 1 10

DBP(%) 104.2±2.1 95.1±3.5 102.3±4.2 101.5±4.5 93.5±2.2 101.8±4.1

DEHP(%) 105.0±2.5 101.2±4.3 99.6±3.7 102.1±2.9 98.2±5.5 103.4±3.9

经过前处理的样品用气相色谱法分析测得峰面积,将数据带入所得的标准曲线求出实际含量。由下列各表可以看出不同样品中DBP、DEHP的含量:

表3土壤中PAEs的含量(mg/kg)

土样 菠菜大棚 黄瓜大棚

DBP DEHP DBP DEHP

0～5cm 7.05 7.50 6.94 7.29

5～10cm 5.55 4.23 5.49 4.16

10～20cm 2.40 2.14 2.65 2.03

20～40cm 1.12 0.79 1.10 0.82

表4黄瓜的洗涤实验

样品 空白实验 清水浸

泡10min 清水浸

泡15min 洗涤液浸

泡10min 洗涤液浸

泡15min

DBP

(mg/kg) 1.3025 0.6315 0.5773 0.3674 0.2023

洗脱率 - 51.52% 55.68% 71.79% 84.47%

DEHP

(mg/kg) 1.7177

0.9165

0.8734

0.5978

0.3766

洗脱率 - 46.64% 49.15% 65.20% 78.08%

表5菠菜的洗涤实验

样品 空白实验 清水浸

泡10min 清水浸

泡15min 洗涤液浸

泡10 min 洗涤液浸

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泡15min

DBP

(mg/kg) 0.5155 0.2691 0.2329 0.1735 0.1008

洗脱率 - 47.79% 54.82% 66.34% 81.72%

DEHP

(mg/kg) 0.3209 0.1685 0.1504 0.1279 0.0667

洗脱率 - 47.49% 52.01% 60.14% 79.21%

9.11定容后静置时间的影响

净化液蒸干定容后要静置一定的时间,至少在12小时以上,若定容后直接转移到具塞试管中,PAEs不能完全溶解到甲醇溶液中,使得检测值偏小。在静置过程中不时摇晃烧瓶,使瓶壁上的PAEs都能完全溶解,但不能敞口时间过长,使甲醇溶液挥发过多,影响定容体积。

9.12最佳洗涤时间的确定

PAEs在大气中以气态和吸附于颗粒物上两种形态存在,蔬菜表面会对其有一定的吸附作用,根据PAEs有一定的水溶性,设计不同时间和不同洗涤材料的实验,经洗涤后的样品通过前处理后进行气相色谱分析。由表4、5的数据比较得15min、加洗涤液的洗涤条件去PAEs除效果最佳,平均洗脱率DBP为83.10%,DEHP为78.65%。

10结论

由实验结果可知,DBP、DEHP在土壤中均可检测出,在表层DEHP的含量比DBP的高,随着土层的加深DBP、DEHP都减少,但DEHP的减少速度比DBP快。从分析结果看,PAEs在土壤中是迁移的,随着土深的增加,其含量不断减少。

DBP和DEHP均有一定的水溶性,经过不同时间段的洗涤实验表明,用洗涤液浸泡15min的效果最为理想,平均去除80.87%的PAEs含量。菠菜和黄瓜的洗脱率相差不大。一定的清洗可以去除蔬菜中PAEs的含量,由此可使摄入体内的量减少,因此建议要对蔬菜进行充分的清洗已减少有害物质的摄入量。

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