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Abstract:
Anovelmethodforfastseparateandenrichmentimidaclopridinpaddy,leaf,waterandsoilwasestablishedbyusinghighperformanceliquidchromatography(HPLC)coupledwithathree-phasehollowfiberbasedliquidphasemicroextraction(TP-HF-LPME)techniqueforsamplepreparation.ParametersrelatedtoTP-HF-LPME(organicsolvent,stirringspeed,pHofdonorandacceptorphase,extractiontime)werealsooptimizedexperimentally.Theproposedmethodintegratesextraction,enrichmentandclean-upintoasinglestep.ThemethodwasdevelopedchromatographywascarriedoutonanSB-PhenylC18(250mm×
4.6mmi.d.,5μm)column,methanol-water–triethylamine,(80∶20:
1,V:
V)asmobilephaseanddetectionat270nm.Ithasbeendemonstratedtobeaveryfast,effectiveandvirtually“green”samplepreparationtechnique,whichprovidedagoodlinearrange(0.0001~0.2μg/ml)withr2=0.9997,alowdetectionlimit(5ng/ml,S/N=3),RSD=1.2%andtheadditionrecoverywasobtainedintherangeof98.30-101.5%.Theproposedmethodintegratesextraction,enrichmentandclean-upintoasinglestep,whichisasimple,effective,veraciousandenvironmentalmethodfordetectingpesticideresidue.
Keywords:
imidaclopridpesticideresiduehollowfiberpretreatmentliquidphasemicroextraction
1.前言
1.1吡虫啉简介
吡虫啉(Imidacloprid),又叫灭虫精,中文通用名咪蚜胶,是1984年德国拜耳公司和日本特殊农药公司共同开发的高效杀虫剂[1],化学名称1-(6-氯-3-吡啶基甲基)-N-硝基亚米唑烷-2-基胺,系具内吸、触杀、胃毒作用的硝基亚甲基类内吸杀虫剂,是烟酸乙酰胆碱酯酶受体的作用体[2,3],干扰害虫运动神经系统使化学信号传递失灵,无交互抗性问题,用于防治刺吸式口器害虫如蚜虫、飞虱、蓟马、粉虱等[4]。
吡虫啉的推荐用药量(有效成分)为60~120g/hm2,目前国内尚未制订稻谷中吡虫啉残留限量的要求,国际上对其残留限量要求为:
水果类0.2mg/kg,作物种子0.050mg/kg,易溶于乙腈和二氯甲烷中,化学结构较稳定[5]。
该农药会对人类和哺乳动物产生慢性毒理效应[6]。
本文采用三相液相微萃取检测稻谷、稻叶、水和土壤中吡虫啉的含量,方法简便、快速,净化效果很好。
吡虫啉的商品名称为:
Admire,实验代号:
NTN-33893,化学名称为:
1-(6-氯-3-吡啶基甲基)-N-硝基亚米唑烷-2-基胺,分子式为:
C6H10ClN5O2,结构式为:
吡虫啉的制备[7]
将2-氯-5氯甲基吡啶与咪唑烷溶于乙腈中,加入K2CO3作酸吸收剂,在CsCl的参与下,回执回流5h,得到产品,产品回收率为90.2%。
自从吡虫啉以商品形式进入市场,得到推广使用后,许多路线可供选择,本文选择较成熟的路线介绍。
1.2液相微萃取(LPME)
1.2.1液相微萃取的发展历史
LPME技术是在液液萃取(liquid-liquidextraction,LLE)和固相微萃取(SolidPhaseMicroextraction,SPME)基础上发展起来的一种新型萃取方法。
传统的LLE操作步骤繁琐、处理时间长、难于实现自动化,无法适应现代仪器分析速度快、灵敏度高的要求[8-10],以及LLE过程中使用大量有机溶剂且易产生乳化现象的缺点。
SPME装置的萃取头较昂贵,使用寿命较短,多次使用还存在交叉污染问题,且SPME与气相色谱(GC)联用有较大的优势,而与高效液相色谱(HPLC)联用时还需要一个专门的解吸装置,这些弊端也在一定程度上限制了SPME技术的推广[11-12]。
为了解决这些问题,在1996年Fernandez等提示液液微萃取,实现了对样品中的脂肪胺的在线检测。
其后Jeannot和Cantwell提出溶剂微萃取,并建立了一种悬挂于微进样器针端有机溶剂微滴基础之上的LPME技术[13]。
He等将LPME分为静态和动态两种,并首次提出直接浸入式动态LPME。
Pedersen-Bjergaard等建立了中空纤维液液液微萃取方式[14]。
Theis等建立了顶空溶剂微萃取的装置,Zhu等采用中空纤维悬挂装置,对水样中的硝基苯乙醚进行了富集,富集倍数可达380倍。
Shen等利用微进样器内壁形成的有机溶剂膜作为顶空LPME的萃取界面,从组成复杂、较脏的样品基质中萃取了挥发性物质;
Hou等首次以中空纤维内壁为萃取界面,采用三相动态液相微萃取萃取了不溶液中的芳香胺;
Myung等采用自动LPME装置代替手工操作解决低重复性和低精密度的问题。
Chamsaz等第一次用LPME结合光谱方法测定了无机化合物(砷,arsenic)。
对于易挥发的萃取剂可利用混合溶剂的方法提高蒸汽压,降低挥发。
Wen首次提出了两步液液液微萃取模型(two-stepliquid-liquid-liquidmicroextraction)。
先用10根中空纤维(53.5cm)完成第一次LPME,再用10根HF空腔内的接收相调节PH后作为第二次LPME的给出相,第二次LPME采用一根1.4cm的HF来完成[15]。
Jiang等提出了一种新的微萃取方法——溶剂棒萃取(solventbarmicroextraction),所用有机萃取剂是密封在一段聚丙烯中空纤维内的。
还以理论(Whitemantwofilmtheory)为基础对比了此方法和微滴液相微萃取、静态中空纤维微萃取和SPME三种方法的优缺点[16]。
LPME技术的不断发展、改进与完善,使其已成为分离领域一种非常重要的样品前处理技术,已在废水检测[15]、环境分析和药物分析[15]中得到广泛应用。
1.2.2液相微萃取的萃取模型
LPME技术自从Jeannot和Cantwell提出[17],根据样品基体和目标分析物的不同,发情节了不同的萃取模型。
其中比较典型、常见的萃取方式分别如下:
1.2.2.1直接液相微萃取(directliquid-phasemicroextraction,Direct-LPME)
直接利用悬挂在一根聚四氟乙烯棒端[17]或色谱微量进样器针头[13]的有机溶剂对溶剂中的分析物直接进行萃取的方法,叫做直接液相微萃取法,这种方法一般比较适合于萃取较为洁净的液体样品,但由于悬在色谱微量进样器针头上的有机液滴在样品搅拌是易于脱落,最近有人将多孔性的中空纤维固定在进样器针头上[18],用于保护和容纳有机溶剂,同时由于纤维上的多孔性,增加了溶剂与样品接触的表面积,从而提高了萃取率。
1.2.2.2液相微萃取/后萃取(liquid-phasemicroextractionwithbackextraction,LPME/BE)
液相微萃取/后萃取又称为液-液-液微萃取(liquid-liquid-liquidmicroextraction,LLLME),整个萃取过程如下:
给体(样品)中的分析物首先被萃取到有机溶剂中,接着又被后萃取到受体里。
这种方式一般适用于在有机溶剂中富集效率不是很高的分析物,需要通过后萃取来进一步提高富集倍数,如在对本酚类化合物进行萃取时,通过调节给体(样品)的PH值来使酚类以中性形式存在,那么它们在给体中的溶解度减少,在搅拌时酚类化合物很容易地被萃取到有机溶剂中,再通过调节受体PH值到强碱性,可以把酚类从有机溶剂中进一步浓缩到富集能力更强的受体(强碱性溶液)里,对芳香胺的萃取也可采用类似的方法,只是在受体中加入了18-冠-6,它可以与芳香胺发生络合作用,实现更佳的富集效果。
1.2.2.3顶空液相微萃取(headspaceliquid-phasemicroextraction,HS-LPME)
把有机溶剂悬于样品的上部空间而进行萃取的方法,叫做顶空液相微萃取法。
这种方法适用于分析物容易进入样品上方空间的挥发性或半挥发性有机化合物。
在顶空液相微萃取中包含三相(有机溶剂、液上空间、样品),分析物在三相中的化学势是推动分析物从样品进入有机液滴的驱动力,可以通过不断搅拌样品产生连续的新表面来增强这种驱动力。
挥发性化合物在液上空间的传质速度非常快,这是因为在气相中,分析物具有较大的扩散系数,且挥发性化合物从水中到液上空间再到有机溶剂比从水中直接进入有机溶剂的传质速度快得多,所以对于水中的挥发性有机物,顶空液相微萃取法比直接液相微萃取法更快捷。
由于直接液相微萃取法在萃取样品时,不可避免的会有有机液滴外围形成一层稳定的扩散层,这会阻碍分析物向有机溶剂液滴的扩散迁移,而顶空萃取法克服了这一局限,由于分析物在气相的扩散系数是其在凝聚相的104倍,因此对扩散系数较大的挥发性物质,顶空液相微萃取大大缩短了到达平衡所需的时间,同时还可以消除样品基质的干扰。
1.2.3液相微萃取的萃取原理
由于待测物物化性质的不同以及萃取模型的不同,萃取的原理也不尽相同。
分述如下:
1.2.3.1两相LPME萃取原理
LPME是微型化的液液萃取,其原理和常规液液萃取一样,常用的为“相似相溶”原理,根据萃取剂对物质的高溶解性,将给出相(样品溶液)中待测萃取到有机相中。
对于亲水性较强的物质,有机溶剂无法萃取、富集样品中的待测物,常在给出相中加入表面活性剂或离子对溶剂,与待测物生成疏水性物质,再被萃取到有机溶剂中[9];
对于易挥发物质,多利用扩散原理,用顶空式LPME萃取富集待测物,待测物首先通过搅拌或加热的方式扩散到给出相上空,再进入悬于给出相上空的有机溶剂中去。
1.2.3.2三相LPME萃取原理
三相LPME多与HPLC、LC/MS、CE等分析仪器联用,给出相中的待测物先被萃取到有机相中去,再被反萃取到接收相中去,萃取后取接收相进样测定。
这种萃取模型主要用来分析可离子化的物质,利用质子化-去离子化作用,通过调节接收相和给出相的PH,将给出相中的待测物先以分子形式萃取到有机溶剂中,再以离子形式反萃取到接收相中[12,14]。
1.2.4液相微萃取的萃取参数的优化
根据其萃取模型和萃取原理,主要需要优化的参数有盐效应、给出相PH值、温度、搅拌速度、萃取时间、萃取溶剂和液滴大小等。
1.2.4.1萃取溶剂
所选萃取溶剂一般要求对待测物选择性好、溶解度高,同时要满足低的水溶性和挥发性以及良好的色谱分析行为。
三相体系的萃取溶剂对分析物的溶解度要适中,太低会导致蓠溶剂对目标分析物的萃取能力差,太高会使萃取溶剂中的目标分析物不易被反萃取到接收相中去。
中空纤维LPME体系中的萃取溶剂还应考虑到其与中空纤维的兼容性和亲和性,要使其能稳定地固定在中空纤维的壁孔内。
常用的萃取溶剂[8]有1-辛醇,二己醚、环己烷、正庚烷,也有使用混合溶剂和离子液体的报道。
1.2.4.2盐效应
通过向样品中加入一些无机盐类(如NaCl,Na2SO4等),可以增加溶液的离子强度,降低分析物的溶解度,增大分配系数,从而提高萃取效率,这也是提高分析灵敏度的有效途径。
但也有研究报道了盐效应在某些体系中对目标分析物的萃取效果无影响,甚至负影响[8]。
1.2.4.3给出相PH值
控制溶液的PH值能够改变一些分析物在溶液中的存在形式,减少它们在水中的溶解度,增加它们在有机相中的分配。
如在对酚类化合物进行LPME/BE时,控制较小的PH值,使溶液中的酚类化合物以分子形式存在,减少了在水中溶解度,从而提高了萃取率。
1.2.4.4温度
一般来说,温度对液相微萃取有两方面的影响:
升高温度,分析物向有机相的扩散系数增大,扩散速度随之增大,同时加强了对流过程,升温有利于缩短达平衡的时间;
但是,升温会使分析物的分配系数减小,导致其在溶剂中的萃取量减少。
所以,实验时应兼顾萃取时间和萃取效果,寻找最佳的工作温度。
1.2.4.5搅拌速度
增加搅拌速度便于目标分析物的传质扩散,可提高萃取速度,缩短萃取时间。
但不宜太快,太快容易造成溶剂微滴的脱落(Direct-LPME体系中)且易形成空气泡附着在中空纤维的表面阻碍物质的传递。
1.2.4.6萃取时间
由于液相微萃取过程是一个基于分析物在样品与有机溶剂(或受体)之间分配平衡的过程,所以分析物在平衡时的萃取量将达到最大。
对于分配系数较小的分析物,一般需要较长的时间才能达到平衡,所以,选择的萃取时间一般在平衡之前(非平衡)。
在这种情况下,为保证得到较好的重现性,萃取时间必须严格控制。
另外,萃取时间也会对有机液滴大小产生影响。
虽然有机相在水中有较小的溶解度,但随着萃取时间的增加,体积本来就不大的有机液滴就会出现较为明显的损失。
为了矫正这种变化,常在萃取溶剂中加入内标。
1.2.4.7液滴大小
液滴大小对分析的灵敏度影响也很大。
一般来说,液滴体积越大,分析物的萃取量越大,有利于提高方法的灵敏度。
但由于分析物进入液滴是扩散过程,液滴体积越大,萃取速率越小,达到平衡所需的时间也就越长。
2实验部分
2.1仪器设备
ShimadzuLC-20AT岛津高效液相色谱仪,配ShimadzuSPD-20AUV-VIS检测器和超越2000色谱工作站(浙江省科学器材进出口有限责任公司),AccurelQ3/2聚丙烯中空纤维(Membrana,Wuppertal,Germany;
壁厚200µ
m,孔径0.2µ
m,内径600µ
m)。
Sep-PakSUPELCOUISIPREPTMDL(津腾GM-0.33)隔膜真空抽滤装备,配真空泵;
紫外可见分光光度计(UV-260),KQ3200超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司);
电子分析天平(BS124S);
78HW-1型恒温磁力搅拌器(江苏金坛市荣华仪器有限公司);
LG10-2.4A型高速台式离心机(北京医用离心机厂)。
2.2试剂
试剂均为分析纯,三乙胺(分析纯)由上海国药集团化学试剂有限公司生产,吡虫啉由德国Bayer公司提供(纯度≥99.7%),磷酸为分析纯,水为重蒸馏水,甲醇为色谱纯(天津大茂),0.05mol/L的氢氧化钾溶液。
2.3样品处理
2.3.1样品的制备
从稻田取喷洒农药分别为1次、3次和4次的稻谷、稻叶共6份,土壤、湖水和溪水各一份。
稻谷经风干、粉碎后过6号筛分为稻米和稻壳,用二次水浸泡超声半小时作为待测试样;
稻叶剪细用二次水浸泡超声半小时;
土壤用二次水溶解在离心机上离心30分钟(转速为3000r/min);
湖水和溪水直接用隔膜真空抽滤装置过滤待用。
2.3.2样品的保存及处理
样品在-20℃下密封保存,直至色谱分析。
2.4色谱条件
色谱柱:
4.6mmi.d.,5μm);
流动相:
甲醇:
v)
流速:
0.8ml/min
检测波长:
270nm
柱温:
室温(25℃)
进样量:
5μl
2.5吡虫啉标准储备液和标准溶液的配制
0.50g/L吡虫啉标准储备液:
准确称取吡虫啉标准品0.0500g(纯度≥99%,Bayer产品),用甲醇溶解定容至100mL,-4℃保存待用。
标准溶液:
分别从上述0.50g/L吡虫啉标准储备液中移取0.1,0.2,1.0,2.0,4.0,10.0,20.0ml用二次水定容到50ml容量瓶中,配成1,2,5,10,20,40,100,200μg/ml的标准溶液;
1,2μg/ml的标准溶液是用移液枪从0.50g/L吡虫啉标准储备液中提取100,200μl定容配制而成的。
2.6萃取步骤
本实验采用的是一种动态三相中空纤维式萃取模型。
具体操作步骤如下:
首先将中空纤维切成2.3-2.5cm的小段,放入丙酮中超声清洗15s除去杂质;
晾干厚取一段放入有机萃取剂(正辛醇)中超声浸泡10s以使中空纤维壁孔内注满有机溶剂,再将其套在25μl微量进样器(已吸入20μl接收相)针尖,推出接受相,两端分别用热钳子封住,使中空纤维的有效长度保持2cm(约盛5μl接收相);
准确量取2ml样品上清液和2ml0.05mol/LKOH于中,放入小S型号磁子,按图1将中空纤维置于玻璃皿中,在78HW-1型恒温磁力搅拌器上搅拌一定时间后取出,剪开封住的一端,套在25μl微量进样器针尖,再剪开另一端,抽回接收相,取5μl直接进行高效液相色谱(HPLC)测定[19]。
图1液相微萃取装置图
3结果与讨论
3.1萃取条件的选择
3.1.1紫外检测波长的选择
用二极管阵列检测器对吡虫啉标准溶液在160~400nm波长范围内进行扫描(图2),发现吡虫啉在270nm处有最大吸收,因此选择270nm作为检测波长。
3.1.2有机溶剂的选择
三相液相微萃取所用的有机溶剂除了要求对目标分析物由合适的萃取率外(太小不易将目标分析物从给出相中萃取到有机相,太大不易把有机相中的目标分析物反萃取到接收相中去),还要求其能与聚丙烯中空纤维有良好的兼容性(能稳定地固定在中空纤维壁孔内),在水中溶解度低且不易挥发[19]。
综合以上因数,本实验对比了正辛醇(n-octanol)、磷酸三丁酯(TBP)、三正辛胺(TOA)和乙酸乙脂(Ethylacetate)四种有机溶剂[20]对吡虫啉的萃取效率(如图3)结果表明正辛醇作为有机萃取剂对吡虫啉的萃取效果最好。
图3有机溶剂对萃取效率的影响
3.1.3给出相和接收相组成
吡虫啉是尼古丁乙酰胆碱受体的效应体,是一种二元弱碱物质[21],所以在碱性溶液中吡虫啉以分子形式存在,溶解度相对较小,更有利于被有机溶剂萃取。
因而我们选择2ml0.05MKOH和2ml20µ
g/mL吡虫啉标准溶液作为给出相,采用pH=3的10mMKH2PO4缓冲液作为接收相,因为pH=3既能完全质子化吡虫啉又不会对有机萃取剂产生影响[19]。
3.1.4萃取时间的选择
由于液相微萃取过程是一个基于分析物在样品与有机溶剂(或受体)之间分配平衡的过程,所以分析物在平衡时的萃取量将达到最大。
但是萃取时间太长,有机溶剂溶解到接收相的程度越大,影响测定结果,所以选择合适的萃取时间是很重要的,本实验以1μg.ml-1的吡虫啉标准溶液在优化的TP-HF-LPME条件下做萃取时间的选择性实验,结果如图4和表1:
表1.萃取时间对萃取效率的影响
时间(min)
15
16
17
18
19
峰高(mv)
6968.523
7482.517
7957.624
7753.437
7485.241
图4.萃取时间到萃取效率的影响
通过以上的图表证明:
萃取时间在17分钟的时的萃取效率最高,本实验采用此萃取时间作为最佳TP-HF-LPME条件。
3.1.5搅拌速度的选择
理论上增加搅拌速度便于目标分析物的传质扩散,可提高萃取速度,缩短萃取时间。
但不宜太快,太快容易造成有机溶剂从中空纤维管上脱落且易形成空气泡附着在中空纤维的表面阻碍物质的传递。
本实验以1μg.ml-1吡虫啉标准溶液在优化的TP-HF-LPME条件下做搅拌速度的选择性实验,结果如图5和表2:
表2磁子的搅拌速度对萃取效率的影响
搅拌速度(r/min)
600
800
1000
1200
5349.291
6237.023
6092.435
图5搅拌速度对萃取效率的影响
通过以上的图表证明:
搅拌速度在1000r/min时的萃取效率最高,所以本实验采用磁子转速为1000r/min为最佳TP-HF-LPME条件。
3.1.6实验中三相中空纤维液相微萃取(TP-HF-LPME)条件
有机溶剂:
正辛醇
给出相:
2ml0.05MKOH+2ml吡虫啉溶液
接收相:
pH=310mMKH2PO4(约5μl)
搅拌速度:
1000r/min
萃取时间:
17分钟
3.2方法学参数考查
3.2.1精密度
在优化的TP-HF-LPME条件下,以2ml1μg/ml吡虫啉标准溶液和2ml0.05MKOH溶液作为给出相,平行萃取5次进样分析,如表3,得相对标准偏差(RSD)为1.2%。
表3精密度实验的测定
次数
1
2
3
4
5
7884.851
7957.624
8057.453
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