（环境科学专业论文）固相萃取高效液相色谱法测定环境样品中丙烯酰胺的含量.pdf

d e t e r mln a tio no fa c r y l a mid eb ys o lld p h a s er e t r a c tio n - hig hp e r f o r m a n c e l lq uidc h r o m a t o g r a p h y m a j o r ：e n v i r o n m e n t a l s c i e n c en a m e ：c h e n s u p e r v i s o r ：l u p i l l g a b s t r a c t t h es e r i o u se n v i r o n m e n t a lp r o b l e m sm a k eu sd e m a n dh i g h e r r e q u i r e m e n ti ne n v i r o n m e n t a ls a f e t ya n de n v i r o n m e n t a la n a l y s i s f a c i n g t h i sr e q u i r e m e n t ，t oi n c r e a s et h ea c c u r a c yo fe n v i r o n m e n t a la n a l y s i s ， s h o r t e nt h ea n a l y t i c a lt i m e ，d e c r e a s et h ed e t e c t i o nl i m i ta n ds e tu pa m o r ee c o n o m i c a la n de f f e c t i v ed e t e c t i o nm e t h o db e c o m eah o tp o i n ti n r e c e n ts t u d y t h i ss t u d yu s e dm u l t i w a l l e dc a r b o nn a n o t u b e sa san e wt y p eof s ol i d p h a s ee x t r a c t i o na b s o r b e n t t om a k eas ol i dp h a s ee x t r a c t i o n c o l u m n s ， as o l i d p h a s ee x t r a c t i o no fo f f l i n ep r e - t r e a t m e n tp u r i f i c a t i o n m e t h o do nf o o da n dw a t e rs a m p l e ， u s e dh i g hp e r f o r m a n c el i q u i d c h r o m a t o g r a p h ya sad e t e c t i o nm e t h o do fa c r y l a m i d ei ne n v i r o n m e n t a l s a m p l e a p p l yt h i sm e t h o do nd e t e c t i n gt h es a m p l ef r o ms u p e r m a r k e t s s h r i m pc h i p s ，p o t a t oc h i p sa n dw a t e rf r o mn a n z h o uw a t e r w o r k sa n d p e a r lr i v e r ，e t c i nt h i sp a p e r ， u s ep u r i f i e dm u l t i - w a l l e dc a r b o nn a n o t u b e s p u r c h a s e df r o ms h e n z h e nc o l t d a sas o l i dp h a s ee x t r a c t i o na b s o r b e n t t o p r e t r e a t s a m p l e f r o ms i xd i f f e r e n tt y p em u l t i - w a l l e d c a r b o n n a n o t u b e s ，w ec o n f i r mt h a tt h et y p eofd i a m e t e r ：4 0 6 01 l r n ，l e n 或h ： 1 2 岬h a sa1 ) e t t c ra d s o r p t i o ne f f o r t o na c r y l a m i d e w eu s e dt h i st y p e m u l t i w a l l e dc a r b o nn a n o t u b e sa ss o l i dp h a s ee x t r a c t i o na b s o r b e n ta n d h i g hp e r f o r m a n c el i q u i dc h r o m a t o g r a p h yw h i c hw a su s i n g1 0 a sf l o w p h a s e ， u vd e t e c t o ra n dd i a m o n s i l5 uc l st od e t e c ta c r y l a m i d ei n 6 7洲086 ，iiil洲y e n v i r o n m e n t a ls a m p l e i nt h i sp a p e r ，as o l i dp h a s ee x t r a c t i o n h i g hp e r f o r m a n c el i q u i d c h r o m a t o g r a p h yd e t e c t i o nm e t h o dw h i c hu s e dm u l t i w a l l e dc a r b o n n a n o t u b e sa st h es o l i dp h a s ee x t r a c t i o na b s o r b e n tw a sb u i l t t h er e s u l t s h o w st h a tt h er e c o v e r i e so fa c r y l a m i d es p i k e ds a m p l ew a s8 7 1 9 - 9 2 2 8 ，t h er e l a t i v es t a n d a r dd e v i a t i o no f t h i sd e t e c t i o nm e t h o di s2 5 1 t h em 酬h o d d e t e c t i o nl i m i ti s5 弘g l o n c em o r et h i ss t u d yc o m p a r e dt h ea d s o r p t i o na n dp u r i f i c a t i o ne f f o r t b e t w e e nm u l t i - w a l l e dc a r b o nn a n o t u b e s a n da c t i v ec a r b o n f o rt h i s s t u d y , as o l i d p h a s e e x t r a c t i o n h i g h p e r f o r m a n c el i q u i d c h r o m a t o g r a p h yd e t e c t i o nm e t h o dw h i c hu s e da c t i v ec a r b o na st h es o l i d p h a s ee x t r a c t i o na b s o r b e n tt od e t e c ts h r i m pc h i p sw a sb u i l t t h er e s u l t s h o w st h a tt h er e c o v e r i e so fa c r y l a m i d es p i k e ds h r i m pc h i p ss a m p l ew a s 7 7 8 8 4 3 ，t h er e l a t i v es t a n d a r dd e v i a t i o no f t h i sd e t e c t i o nm e t h o di s3 9 0 a sw ec a ns e e nf r o mt h ec o m p a r i s o n ，t h ea d s o r p t i o na n d p u r i f i c a t i o n e f f o r to fm u l ti w a l l e dc a r b o nn a n o t u b e sw a sb e t t e rt h a na c t i v ec a r b o n ， b u tt h ed e t e c t i o nm e t h o dr e s u l to fu s i n ga c t i v ec a r b o na st h es o l i dp h a s e e x t r a c t i o na b s o r b e n ts h o w st h a tt h i sm e t h o d c a na l s om e e tt h e r e q u i r e m e n ti np r a c t i c a ld e t e c t i n gw o r k k e yw o r d s ：m u l t i w a l l e dc a r b o n e x t r a c t i o nh i g hp e r f o r m a n c el i q u i d n a n o t u b e sa c r y l a m i d es ol i d p h a s e c h r o m a t o g r a p h ya c t i v ec a r b o n i v 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录v 第一章绪论1 1 1 引言l 1 2 固相萃取( s p e ) 1 1 2 1 固相萃取的原理1 1 2 2 固相萃取的类别2 1 2 3 固相萃取的应用3 1 3 固相萃取中的常用的碳质吸附材料4 1 3 1 活性炭4 1 3 2 活性碳纤维4 1 3 3 碳分子筛5 1 3 4 石墨化碳黑5 1 4 碳纳米管的特点及其作为吸附剂的研究进展5 1 4 1 碳纳米管的结构5 1 4 2 碳纳米管的分类6 1 4 3 碳纳米管的合成7 1 4 4 碳纳米管在分析化学中的应用8 1 5 丙烯酰胺的简介8 1 5 1 丙烯酰胺的物理化学性质9 1 5 2 丙烯酰胺的形成机理9 1 5 3 丙烯酰胺的研究现状1 0 1 5 4 丙烯酰胺在食品中的分布情况1 0 1 5 5 丙烯酰胺的检测方法1 2 1 6 选题意义与目的1 2 第二章碳纳米管对实际样品中丙烯酰胺含量检测的研究1 4 2 1 实验部分1 4 2 1 1 主要仪器1 4 2 1 2 试剂与标准品1 4 2 1 3 标准贮备液的配制1 5 2 1 4 液相色谱条件的确定1 5 2 1 5 碳纳米管用量以及规格的确定1 5 2 1 6 固相萃取柱的制备1 6 2 1 7 洗脱剂的选择与用量的确定1 6 2 1 8 样品处理和测定1 6 2 2 结果与讨论1 7 2 2 1 液相色谱条件的优化1 7 2 2 2 固相萃取条件的优化1 9 2 2 3 碳纳米管固相萃取一高效液相色谱测定丙烯酰胺的方法评价2 5 v 附录5 7 致谢5 8 作者攻读学位期间发表的学术论文目录5 9 学位论文原创性声明、学位论文使用授权声明6 0 v 1 1 1 引言 第一章绪论 9 0 年代以来，伴随着工业的发展，和人民生活水平的逐渐提高，化学产品 和农药也开始大量使用，这些变化的出现，导致在自然环境中的水体、土壤、大 气和生物体中有机污染物的含量大大增加甚至超过法定的限量。另一方面随着媒 体手段的高速发展，国民的环境意识得到很大的提高，对环境质量的关注达到了 空前的地步。有机污染物对环境的巨大危害以及带来的环境问题越来越被人们所 认识，目前已成为一个倍受关注的全球性环境问题。因此，环境中有机污染物的 控制越来越严格，而对检测技术的要求也越来越高。检测技术也正向更加快速方 便、灵敏可靠的方向发展。 环境、食品、药品残留等样品的分析检测一般要经过3 个步骤一前处理、 定性定量分析和统计分析。在用色谱等精密分析仪器检测前一般需要先进行前处 理步骤，前处理的目的是通过分离操作，去除样品中对检测可能产生干扰的基体， 并富集浓缩目标化合物，以达到检测分析仪器的浓度要求，达到检测的目的。由 于环境样品中有机物质的含量一般比较低，而且样品组成的成分复杂，含干扰基 体的可能性高，因此要想得到准确而又重现性好的检测结果，样品的前处理环节 显得十分重要。 1 2 固相萃取( s p e ) 1 2 1 固相萃取的原理 固相萃取可以近似地看作为一个柱色谱分离的过程，基本上以液相色谱分离 机理为基础，是一种吸附剂萃取，主要适用于液体样品的处理。当试样通过装有 合适的固定相时，被测组分由于与固定相作用力较强被吸附留在柱上，并因吸附 作用力的不同而彼此分离，样品基质以及其他成分与固定相作用力较弱而随溶剂 流出萃取柱n 1 。最后，用少量的选择性溶剂洗脱被萃取的组分，以达到净化、去 除干扰基体，以及达到富集的的作用。 表面吸附、富集。正相吸附的填充剂一般为强极性的吸附剂，如硅藻土、硅胶、 氧化铝、硅酸镁等。而洗脱溶剂一般采用具有一定极性如丙酮、甲醇、乙醇等的 溶剂。如果在洗脱过程中需要进行进一步净化处理，可以使用清洗溶剂，清洗溶 剂可以使用一种或者多种有机溶剂混合，而将非极性或弱极性组分等非目标分析 物去除。 2 反相萃取过程中，利用洗脱目标物质的碳氢键与吸附表面官能团产生包括范 德华力或色散力等的非极性作用，从而使得极性溶剂中的非极性以及中等极性的 物质在吸附剂表面吸附、富集；反相萃取过程通常使用非极性的或是弱极性的吸 附剂，如键合了硅胶的c 8 和c 1 3 、石墨碳、多孔苯乙烯、苯基柱等；目标洗脱物 质通常是中等极性到非极性的化合物。在环境分析应用中，反相的固相萃取应用 中，以c 8 和c 1 3 材料作为吸附剂应用最多，适用范围也比较广，如芳烃类、多环 芳烃类、多氯联苯类、有机磷和有机氯农药等等都有相关的报到蚓。反相萃取 使用的溶剂种类多，一般毒性较低，而且经济实用，如乙醇、甲醇等，所以在分 析检测中，反相固相萃取的应用最为普遍。 离子交换型的固相萃取作用机理实质上是利用目标化合物的带电荷基团与 吸附剂表面的带电基团发生离子静电吸附，从而实现吸附分离。离子交换型的固 相萃取的吸附剂一般是使用带电荷的离子交换树脂，如含脂肪族季氨丙基键合硅 胶( l c n h 2 ) 、含脂肪族磺酸基键合硅胶( l c s c x ) 等，所萃取的目标化合物 是可以是带电荷的化合物，也可以是阴阳离子型的有机物。 1 2 3 固相萃取的应用 2 0 世纪8 0 年代，在我国的松花江、黄浦江、太湖等的水质监测中较广泛地采 用了柱式s p e 技术，测定卤代烃、有机氯农药、多氯联苯和酞酸醋等；1 孙锡浩 等采用4 0 - - 6 0 目颗粒状活性炭作吸附剂，固相萃取环境水中痕量硫双威；n 1 黄苏 宁等在测定六六六、滴滴涕的试验中比较了固相萃取和液液萃取两种富集方法， 结果表明，固相萃取优于液液萃取哺1 。 除了利用s p e 技术对环境样品进行前处理有比较理想的应用外，s p e 技术在 兽药、农药等各种化合物残留分析检测中也体现了其价值。如r u i z 等使用c 1 8 作 为吸附剂，再用乙酸乙酯作为洗脱剂对土壤中的呋喃丹、地亚农、莠去津等农药 残留进行测定，取得了比较理想的效果嗍。s h e p h e r d 等使用键合了硅胶的c 1 8 作 为吸附剂的萃取柱，萃取水中莠去津等，检测灵敏度可达o 0 5 n g m l n 们。h o l l a n d 等用c l s 柱分离葡萄酒中7 4 种农药，方法快速，重复性好n 。l e i t n e r a 等使用 聚苯乙烯作为吸附剂的固相萃取柱，然后用乙酸乙酯作为洗脱剂洗脱分析物，对 动物组织中四种硝基呋喃类代谢物进行测定，该方法回收率可在9 2 - - 1 0 5 之间，4 种代谢物的测定低限o 5 n g g - 一5 n g g n 铂。 1 3 固相萃取中的常用的碳质吸附材料 检测方法的准确性与稳定性会直接受到固相萃取中使用固定相材料的性质 所影响，因此选择适当的固定相对于固相萃取检测方法来说显得极其重要。通常 来说，固相萃取固定相材料可以按其极性分为极性和非极性两种，根据相似相容 的原则，这两者分别针对极性化合物于非极性化合物具有较大的吸附容量。除此 之外，固定相材料的吸附性能还与其表面特征( 如比表面积、孔径等) 有关系。另 外在选择固定相材料时，还应考虑到固定相材料能否定量吸附、回收分析物，吸 附容量应足够大等等。 1 3 1 活性炭( a c t i v a t e dc a r b o n ) 活性炭是最早使用的碳质吸附剂，由于表面具有大量的细小孔隙，因此活性 炭很大的比表面积。另外，活性炭表面具有非常丰富的官能团如酚基、羧基、醛 基、醚基、等，因而使活性炭的吸附具有非常好的区分能力。 由于活性炭的属于非极性物质，因此活性炭对有机化合物有很好的吸附作 用，但是活性炭也有其缺点：活性炭虽然具有较大的比表面积，但其孔径分布很 不均匀，容易产生不可逆吸附，继而往往会出现吸附容易，但在脱附时效果不佳 或脱附效果不稳定的现象，因此，使用活性炭作为固定相，其检测效果会受到一 定的影响。另外，当活性炭用于富集气态有机物时也会出现一些问题，如产生不 可逆吸附影响回收率，热脱附需要使用较高温度，以致于在热不稳定的有机化合 物的吸附中无法应用，容易吸收水分等。以上缺点往往在活性炭的应用当中产生 了各种限制。 1 3 2 活性碳纤维( a c t i v a t e dc a r b o nf i b e r ，a c f ) 活性炭纤维是近代兴起的一种碳质吸附材料，与现实常见的活性炭材料相 比，活性炭纤维的直径短，具有更大的比表面积，孔径分布窄，脱附效果稳定， 孔隙丰富，吸附快且容量大，对痕量物质具有比较好的吸附效果等特点。活性炭 纤维对重金属离子具有很好的吸附能力，曾汉民等首次发现活性炭纤维还具有氧 化还原功能n 觚，可以有效地将一些金属离子还原为低价离子或者金属单质，并吸 4 附在纤维表面。因此活性炭纤维在重金属的富集分离，工业水处理，催化剂载体 方面有很好的发展潜力与开发前景。 1 3 3 碳分子筛( c a r b o nm o l e c u l a rs i e v e ) 碳分子筛是一种类似于分子筛的微孔吸附剂，是由氯乙烯一二氯乙烯共聚物 热解得到的。当使用碳分子筛作为固定相时，尺寸合适的目标物会被充分的吸附 下来，尺寸大于碳分子筛孔径的物质则不会被吸附。碳分子筛具有很强的非极性， 当用作固定相使用时，对非极性化合物的保留富集能力很强而且可以用于分离极 性化合物，但选择性不强，而且会吸附水分，所以一般不会用于处理水样。 1 3 4 石墨化碳黑 石墨化碳黑是一种非孔型的，具有高热稳定性和化学稳定性的吸附材料，其 比表面积取决于其自身的石墨化的程度，石墨化程度越高，比表面积则越小。 石墨化碳黑具有强烈的疏水性能，热稳定性高，因此可以用于采集高温高湿 度的气体样品。在环境样品预处理中，石墨化碳黑被广泛的用作吸附剂，是富集 气体中c 1 c l o 化合物的理想吸附材料。 1 4 碳纳米管的特点及其作为吸附剂的研究进展 1 4 1 碳纳米管的结构 碳纳米管( c a r b o n n a n o t u b e ，c n t s ) ，又称巴基管( b u l k yt u b e ) ，是1 9 9 1 年日本n e c 公司的s i i j i m a 在氩气直流电弧放电后的阴极碳棒上发现的一种碳的 同素异型体，碳纳米管被誉为2 1 世纪的重要材料，碳纳米管的理论抗拉强度是钢 的1 0 0 倍，密度仅有钢的1 6 。 碳纳米管的可以看作是由碳原子组成的石墨烯片层按一定螺旋角度卷曲而 成的中空管，基本单元是由6 个碳原子通过s p 2 杂化而构成的六角形晶面，最短的 碳碳键长为0 1 4 2 n m 。 图1 2 碳纳米管结构示意图 f i g 1 - 2 ：c a r b o nn a n ot u b e s 相对于活性炭、活性碳纤维、碳分子筛和石墨化碳黑等碳质吸附材料来说， 碳纳米管有以下特点： ( 1 ) 制备时，孔径尺寸范围可控。 ( 2 ) 比表面积大，吸附能力强，具有疏水性能。 ( 3 ) 耐高温、强酸、强碱，化学稳定性高。 ( 4 ) 机械强度高于石墨化碳黑 列出各种碳质吸附剂的结构特点。 表1 1 ：各种碳质吸附材料的结构特点 ! 垒垒：! ：! ! 坠翌垡坐型旦! 竺堡堕堡! 竺! 曼i 塑坐! 型堕些! 塑堕望型! ! 垫! 兰 一 吸附材料结构组成孔径 比表面积表面基团数量 1 4 2 碳纳米管的分类 一般来说，碳纳米管按照其卷曲层数进行分类可以分为单壁碳纳米管( s i n g l e w ，a l l e dc a r b o nn a n o t u b e s ，s w n t s ) 和多壁碳纳米管( m u n i - w r a l l e dc a r b o n n a n o t u b e sm w n t s ) n 叼两类。单壁碳纳米管由单层石墨片层卷曲而成；多壁碳纳 米管可看作由多个不同直径的单壁碳纳米管同轴套构而成。 6 图i 3a ：碳纳米管b ：多壁碳纳米管 f i g 1 - 3 - a ： s i n g l ew a l l e dc n t sb - m u l t i - w a l l e dc n t s 1 4 3 碳纳米管的合成 碳纳米管的合成现时最具有代表性的方法有以下三种：电弧放电法、激光蒸 发法、化学气相沉积法。 电弧放电法多数用于合成多壁碳纳米管，该方法采用面积较大的石墨作为阴 极，面积较小的石墨棒作为阳极，在惰性气体或真空环境下进行放电，最后在石 墨阴极上沉积出碳纳米管产物，该方法的缺点是制造出的碳纳米管缺陷较多，而 且有其他副产物杂志一并产生，加重后续纯化工作的难度。 激光蒸发法是在电弧放电法的基础上发展出来的一种合成方法。其原理是以 激光蒸发代替电弧放电产生高温，从而制备出高质量的单壁碳纳米管。其优点是 能够通过控制激光脉冲来控制碳纳米管管径。但其缺点同样明显，激光设备能耗 高、投入大，对于批量生产碳纳米管十分不利。 化学气相沉积法，又称作催化裂解法，是目前应用最广泛的制备方法。其原 理是使用纳米金属作为催化剂，在常压高温条件下通过裂解低碳数的烃类化合物 制备碳纳米管，进行的是裂解反应：c n h m = n c + m 2 h 2 。该方法的优点在于可以 实现批量的工业化生产，然而该方法的缺点是产出的碳纳米管存在较多的缺陷， 需要进行必要的后续纯化处理。 7 1 4 4 碳纳米管在分析化学中的应用 目前碳纳米管在吸附性能研究主要集中储氢性能的研究方面n 们，另外还有一 些稳定性的气体的吸附研究，如n 2 、0 2 等。对于使用碳纳米管对有机物进行吸 附实验的研究不多。但随着碳纳米管的制备越来越普及以及商业化的生产，碳纳 米管开始逐渐应用到分析化学的研究当中，如气体传感器、分离检测等领域，蔡 称心n 刀等对碳纳米管在分析化学中的应用进行了介绍。 碳纳米管具有巨大的比表面积，较高的热稳定性，并且对有机物具有很强的 吸附能力，而且操作方便、吸附剂类型较多、使用范围广，在固相萃取领域有广 泛的应用前景，是富集有机化合物理想的材料。 据周庆祥等人n 帕的实验结果表明，在最佳实验条件下，碳纳米管不仅对目标 化合物具有较高的富集能力，有效地提高了分析方法的灵敏度，而且具有比较好 的重复使用性能，重复使用2 0 0 次对目标化合物的回收率也没有明显下降。正是 基于这种稳定耐用的特点，碳纳米管已成为可供选择的环境样品中污染物的优异 预富集固相萃取材料之一。另据研究表明，碳纳米管尤其对极性较强的有机物的 萃取更表现出突出的优势n 钔。 此外，表面涂渍5 ( w 聊的c a r b o w a x2 0 m 后，多壁碳纳米管可以用于 分离极性化合物，甚至是强极性的小分子有机酸n 刀。由于碳纳米管本身具有一定 尺寸的内孔，碳管颗粒的堆积便可形成外孔结构，因此可作为优良的多孔填充材 料有望用于毛细管电泳、h p l c 等分离与检测技术中，利用碳纳米管开口顶端 的吸附性能，在碳管内填充活性物质可制备高效、高稳定性、高抗毒性的分子级 催化剂。预计在以后的应用研究中，碳纳米管独特的结构特性及物化性能必将会 给化学、生物学、材料科学、电子学等领域带来更多的发展空间圆1 。 1 5 丙烯酰胺的简介 丙烯酰胺( a c r y l a m i d e ，a a ) 是公认的准致癌物质和神经毒剂，其毒性在体内 有一定的蓄积效应，对人类健康危害大。除工业接触和饮用水受到丙烯酰胺污染 外，目前已发现一些含高碳水化合物的食品，经过煎、烤、炸等高温烹调后会产 生含量不等的丙烯酰胺，且含量随加工温度的升高而增加。 8 1 5 1 丙烯酰胺的物理化学性质 丙烯酰胺分子式为c h 2 c h c o n h 2 ，是一种短链g t ，肛不饱和羰基化合物， 极易溶于水、乙醇和甲醇等极性溶剂，在酸中稳定，在碱中易分解，紫外光照射 易发生聚合。相对分子质量7 1 0 8 ，熔点为8 4 - 8 6 t 2 ，沸点8 7 1 2 ( 0 2 6 k p a ) 、1 0 3 1 2 ( 0 6 7 k p a ) 、1 2 5 1 2 ( 3 3 3 k p a ) ，折射率1 4 6 0 ( 计算值) 。 丙烯酰胺作为一种常用的有机合成单体，大量用于生产聚丙烯酰胺及其他共 聚化合物；作为各种助剂广泛用于造纸业( 造纸助剂) 、石油业( 油田采油助剂) 、 纺织业( 染料、色素成分) 、塑胶业、化工业，也用作建造坝基、隧道和污水管的 浆料、肥皂和化妆品的增稠剂；作为絮凝剂处理饮用水和污水，吸附除去水中杂 质。聚丙烯酰胺聚合物中含有极少量未聚合的丙烯酰胺单体，会通过多种途径被 人体摄入，影响人类健康。如：饮用水( 絮凝剂) ，包装材料( 粘合剂) ，卷烟以及 护肤品( 可能含2 聚丙烯酰胺) 等。随着食品中高浓度丙烯酰胺的发现，食品已 成为人类直接摄入丙烯酰胺的最主要来源。 1 5 2 丙烯酰胺的形成机理 ( 1 ) 美拉德反应产生丙烯酰胺 美拉德反应使食品产生诱人的色、香、味，同时也可能会产生有毒的丙烯酰 胺。s t a d l e r ，m o t t r a m ，v a r o u j a n 等首先把多种氨基酸在高于1 0 0 下单独加热一 定时间，结果表明，少数的几种氨基酸和还原糖( d 果糖、半乳糖、乳糖等) 按等 物质的量比混合，在高温下反应一段时间，在天冬酰胺酸与还原糖反应产物中检 测到大量的丙烯酰胺，其生成量是氨基酸单独加热时生成量的5 0 0 多倍，平均可 达到3 6 8 m m o l m o l 的水平；由此可以推断：天冬酰胺酸和还原糖在高温条件发 生美拉德反应，生成了大量的丙烯酰胺。目前己知，美拉德反应是食品中丙烯酰 胺产生的重要途径。 ( 2 ) 油脂类物质反应生成丙烯酰胺 f r i e d m a n ，l i n d s a y 提出：由甘油三酯等通过水解、氧化等反应生成小分子 物质丙烯醛，而丙烯醛经由直接氧化反应生成丙烯酸，丙烯酸再与氨水作用，最 终生成丙烯酰胺。 小分子醛重新组合生成丙烯酰胺 在脂肪、蛋白质、碳水化合物的高温分解反应中，会产生大量的小分子醛， 它们在适当的条件，重新化合生成丙烯醛，进而生成丙烯酰胺。 9 a 一丙胺酸和b 一丙胺酸生成丙烯酰胺 有学者认为：丙烯酰胺的产生是食品中的a 一丙胺酸和p 一丙胺酸直接脱氨 基，生成丙烯酸，进而生成丙烯酰胺，并提出了其反应的历程。在以上提出的几 个反应历程中，天冬酰胺酸与还原糖的反应研究最多，大量实验表明：只要天冬 酰胺酸加上一个带a 一羟基的羧基化合物就能促进美拉德反应，生成大量的丙烯 酰胺。高温煎炸、油炸和焙烤等加工工艺在我国传统及现代加工食品中普遍使用， 而这些正是丙烯酰胺形成的有利条件，因此在研究丙烯酰胺在高温加工食品的形 成机理的同时，可以改善工艺抑制丙烯酰胺的产生。 1 5 3 丙烯酰胺的研究现状 2 0 0 2 年4 月，瑞典斯德哥尔摩大学的t r n q v i s t 教授首次在油炸及焙烤的炸薯 条、炸土豆片、谷物、面包食品中发现了具有神经毒性的潜在致癌物丙烯酰 胺( a e r y l a m i d e ，a c r ) ，这是国际上首次从食品中检出高含量的丙烯酰胺口1 2 2 1 。立 即引起全球有关机构的关注。2 0 0 5 年2 月，联合国粮农组织( f a o ) 和世界卫生组 织( w h o ) 联合食品添加剂专家委员会( j e c f a ) 对食品中的丙烯酰胺进行系统的危 险性评估，认为食物是人类丙烯酰胺的主要来源旧3 。我国传统早餐食品中油饼、 油条、炸糕等丙烯酰胺含量低于薯片，但是由于这些传统的早餐食品，食用频率 高，食用量大，是居民丙烯酰胺摄入的重要来源之一。有调查口射北京地区居民丙 烯酰胺摄入量较高，有6 7 8 的人摄入量超过美国f a o 制订的每日容许摄入量 ( a d i ) 。2 0 0 5 年4 月，我国卫生部发布公告，呼吁采取措施减少食品中的丙烯酰 胺，降低可能导致的对健康的危害。 1 5 4 丙烯酰胺在食品中的分布情况 自从在食品中发现丙烯酰胺以来，许多国家对本地区食品中的丙烯酰胺含量 进行检测，然而由于食品种类繁多，目前对丙烯酰胺在食品中的分布仍没有一个 系统的结论，但现有的资料可以使人们对食品中丙烯酰胺的含量有一个基本的了 解。w h o 对挪威、瑞典、瑞士、英国和美国等国家高温加工食品中丙烯酰胺的 含量进行分析汹1 ，其中淀粉类食品如炸薯条和炸薯片中丙烯酰胺的含量较高，而 肉类食品如海产品和家禽中含量较低。中国疾病预防控制中心营养与食品安全研 究所提供的资料则显示汹1 ，在监测的1 0 0 余份样品中，丙烯酰胺含量为：薯类油 l o 炸食品平均含量为7 8 0 p , g k g ；谷物类油炸食品平均含量为1 5 0 1 x g k g ：谷物类烘 烤食品平均含量为1 3 0 1 t g k g ：其他食品，如速溶咖啡为3 6 0 i t g k g ，大麦茶为 5 1 0 a g k g ，玉米茶为2 7 0 j - t g k g 。食品中丙烯酰胺的含量与食品种类和加工方式密 切相关。富含碳水化合物的食品，特别是油炸马铃薯类食品，丙烯酰胺的含量普 遍较高，而蔬菜和水果则较低；由于加工方式的不同或其他因素，不同餐馆或不 同厂家的同一种食品也存在相当大的差别。 有关食品中丙烯酰胺的含量标准还没有制定，德国联邦消费者健康保障及兽 药所( b u n d e s i n s t i t u tf o rg e s u n d h e i t l i c h e nv e r b r a u c h e r s e h u t za n dv e t e f i n a r m e d i z i n ， b g w ) 建议暂定为1 0 m g k g 。欧盟只是规定塑料制品中丙烯酰胺向食品的迁移 限量为0 o l m g k g 。用于食品包装的丙烯酰胺的单体残留不能超过0 2 。作为 生活饮用水中丙烯酰胺含量的标准，世界卫生组织( w h o ) 规定为0 5 p g i ，2 0 0 3 年欧盟规定为0 1 p , g l ，我国规定为0 5 p g l 。美国化妆品成分安全委员会( c i r ) 认为化妆品中可接受的丙烯酰胺残留上限为5 m g k g 。我国规定了车间空气中丙 烯酰胺最高容许量为0 3 m g m 3 ( g b1 15 2 5 8 9 ) 。 这些结果显示丙烯酰胺在日常食品中的含量有较大的差异，没有一个固定的 值。这一方面说明了丙烯酰胺在食品中的产生受许多因素的影响，同时也表明在 探索丙烯酰胺产生规律时模式系统的重要性及建立经济、快速、准确的检测方法 的必要性。 综合多方检测结果汹1 ，表1 2 列出了若干种食品中丙烯酰胺的含量分布。 表1 2 ：部分食品中丙烯酰胺的含量 t a b 1 - 2 - c o n t e n t o f a c r y 1 a m i d e i n s o m e f o o d 食品丙烯酰胺含量 食品 ( p , g k g ) 丙烯酰胺含量 ( p g k g ) 1 5 5 丙烯酰胺的检测方法 随着食品中丙烯酰胺污染问题日益受到广泛关注，其检测方法也迅速发展， 目前主流的检测方法仍为色谱法，可分为两大类，即基于气相色谱( g c ) 或液相色 谱( l c ) 进行分离，并与多种检测器结合，如质谱( m s ) 。其中使用最多的为g c m s ， l c m s 和l c m s m s ，这3 种方法灵敏度高，重现性好，可同时进行定性和定 量。2 0 0 2 年，斯德哥尔摩大学公布的食品中丙烯酰胺的测定数据，使用的即是 溴化衍生g c m s 法；瑞典n f a 和美国f d a 采用的是l c m s m s 法。美国f d a 公布的l c m s m s 法主要包括以下步骤乜 ：( 1 ) 在l g 研磨好的待测样品中加入 1 0 m l 0 1 的甲酸及内标，涡旋混合2 0 m i n ，9 0 0 0 r r a i n 离心3 0 m i n ，取上清； ( 2 ) 上清液2 m l 经o a s i s i - i l b6 e es p e 柱纯化；( 3 ) 0 4 5 岬1p v d f 过滤器 ( a l t t e c h # 2 5 3 4 ) 过滤；( 4 ) l c m s m s 方法检测，使用p h e n o m o n e x 色谱柱，以o 1 乙酸溶液和0 5 甲醇为流动相，流速0 2 m l m i n ，2 0 1 x l 进样。确定被测 组分m z 5 5 ，信噪比1 1 0 ，检出限为0 0 1 m g k g 。 液相色谱除与质谱外，还可与紫外检测器( u v ) 联用。基于l c 的方法前处理 步骤复杂，为避免提取物中长链脂肪酸与丙烯酰胺具有共流出峰，或将色谱柱堵 塞，需要进行严格的萃取和纯化。而质谱联用的仪器较昂贵，不适于普及。当配 合紫外检测器使用时，须借助其他方法鉴定峰的归属。如采用衍生化的方法将样 品中的丙烯酰胺转化为丙烯酸，从而确定峰的纯度。 目前，国际上食品中丙烯酰胺测定方法主要为气相色谱质谱联用法和高效 液相色谱质谱联用法，对仪器设备要求较高。这一工作在大多数实验室不能开 展，这显然不能适合我国食品卫生监督和监测工作的日常需要。有些实验室相继 建立的液相色谱检测方法，存在着检测限较低的问题。经过研究，李吉平等人建 立了一种h p l c 检测方法，可以检测样品中痕量的丙烯酰胺，即c 1 8 固相萃取 高效液相色谱法汹1 。该方法样品处理简单，灵敏度高，可在有关实验室推广应用。 1 6 选题意义与目的 目前西方国家已经将食品中丙烯酰胺的残留作为重要的研究课题。我国的一 些传统油炸食品如油条、麻花、煎饼、锅魁、洋快餐和马铃薯产业等均需要搞清 其中的丙烯酰胺含量水平。有鉴于此，我国已将食品中丙烯酰胺的检验列为“十 1 2 五”国家重大科技专项“食品安全关键技术一课题，卫生部食品安全计划也将食 品中丙烯酰胺检测方法的建立和我国食品丙烯酰胺分布调查作为一个重要部分， 北京、上海、广东、四川等省也分别设立科研项目进行攻关。 当前我国对于丙烯酰胺的检测，已经在饮用水和空气方面建立了国家标准检 测方法和一些方便可行的实验方法。现今主要是应用现代色谱技术( o c ，l c ) 等 与质谱法( m s ) 串联，如液质联用法( l c m s ) ，气质联用法( g c - m s ) ，液相色谱 串联质谱分析法( l c m s m s ) 等方法。而l c m s 是目前许多实验室更愿意采用的 方法。但是，由于使用色谱技术与质谱法联用的手段，检测成本较高，难以在普 通实验室中普及应用。 另外由于食品以及其它样品的成分复杂，各种组分之间互相干扰，且含量极 其微量，故对食品中丙烯酰胺检测方法中对丙烯酰胺的分离、提取与净化方法也 是该研究的关键之一啪1 。 有鉴于此，本文尝试研究使用碳元素家族中的新成员一碳纳米管，作为固相 萃取的固定相吸附材料，对样品中的丙烯酰胺进行分离净化，并以高效液相色谱 作为检测手段，对样品中的丙烯酰胺含量进行测定，旨在建立一种操作相对简便， 相对快捷，成本较低的日常检测方法。 测的研究 水式多用真空 凸管( 2 0 m l ) ， 多壁碳纳米管m c n t s ( 直径：1 0 - 2 0 n m 、2 0 - - 一4 0 n m 、4 0 - 6 0n l r l ，长度：l 2 9 m 、5 - 1 5 1 a m ，深圳市纳米港有限公司) ；丙烯酰胺标准品( 天津市化学试剂研 究，纯度29 9 ) ；甲醇：色谱纯，天津科密欧化学试剂有限公司；乙腈：色谱 纯，天津科密欧化学试剂有限公司；正己烷：分析纯，天津科密欧化学试剂有限 公司；去离子水； 1 4 2 1 3 标准贮备液的配制 丙烯酰胺标准贮备溶液的配制：分别准确称取0 1 0 0 9 的丙烯酰胺样品，于 1 0 0 0 m l 的容量瓶中，用去离子水溶解并稀释至刻度。标准贮备液质量浓度为 0 1 i n g m e ，置于4 c f 冰箱中保存。 2 1 4 液相色谱条件的确定 ( 1 ) 测定波长的确定 取丙烯酰胺标准贮备液，用流动相稀释到合适的浓度，在u v - 2 8 0 0 h 型紫外 可见分光光度计进行光谱扫描，确定最大吸收波长 ( 2 ) 流动相组分以及流速的确定 选用甲醇- 水溶液，按照( v - v ) 比例= l ：9 、1 ：6 、l ：3 的不同比例分别 测定丙烯酰胺的标准溶液，根据丙烯酰胺溶液的色谱，以确定流动相组分以及流 速，下面是优化后的液相色谱条件。 色谱柱：d i a m o n s i l5 uc 1 32 5 0 x 4 6 m m ； 流动相：1 0 甲醇的水溶液： 流速：0 8 0 0 m l m i m 检测波长：2 0 0 n m , 进样量：2 0 此； 柱温：室温； 检测器：紫外检测器； 2 1 5 碳纳米管用量以及规格的确定 ( 1 ) 碳纳米管用量的确定 按一定质量梯度，量取多壁碳纳米管制备成固相萃取柱，经活化后，分别量 取1 0 0 0 m l 丙烯酰胺标准溶液进行上样，再用1 0 0 0 m l 的洗脱剂进行洗脱，收集 洗脱液，定容。经微孔滤膜过滤后，进h p l c 分析。重复以上步骤5 次，计算平 均回收率，比较结果。 ( 2 ) 碳纳米管规格的确定 量取同等质量，不同规格的多壁碳纳米管制备成固相萃取柱，活化后，分别 量取l o 0 0 l n l 丙烯酰胺标准溶液进行上样，再用1 0 0 0 m l 的洗脱剂进行洗脱，收 集洗脱液，定容。经微孔滤膜过滤后，进h p l c 分析。重复以上步骤5 次，计算 平均回收率，比较结果。 2 1 6 固相萃取柱的制备 在1 5 m l 医用注射器管底部填入一定量脱脂棉，称取0 5 0 9 的多壁碳纳米管 填入注射器中，轻轻敲打柱身使其均匀，将填料填平、填实，填料高度约为2 5 c m ， 上层覆盖一层