（环境科学专业论文）浊点萃取法在环境污染物分析中的应用.pdf

安徽大学生命科学学院硕士学位论文戴婷婷浊点萃取法在环境污染物分析中的应用 ii 摘 要 i i 浊点萃取在环境污染物分析中的应用浊点萃取在环境污染物分析中的应用 摘摘 要要 对于被测物浓度低、组分复杂、干扰物质多的分析样品，往往需要进行前处 理以满足仪器分析的要求。一些传统的前处理手段，包括液液萃取、索氏提取 等，普遍地大量使用有机溶剂、操作步骤繁多或处理时间较长。近年来，随着绿 色环保意识的加强，一些不使用或尽量少使用有机溶剂的前处理技术，包括膜萃 取、固相萃取和固相微萃取等得到了极大的发展。 浊点萃取是近年来出现的一种新兴的液一液萃取技术， 它不使用挥发性有机 溶剂， 不影响环境。 它以中性表面活性剂胶束水溶液的溶解性和浊点现象为基础， 通过改变实验参数引发相分离，将疏水性物质与亲水性物质分离。作为一种分离 富集的手段，因其具有萃取效率高、富集因子大、操作简便、安全、经济、便于 实现联用化等优点，受到人们的极大关注与重视，并在生物大分子的分离纯化、 有机小分子的分离测定及金属离子的分离富集等方面得到广泛的应用。 浊点萃取技术已被用于痕量元素的分离富集和形态分析中， 它能够与多种检 测技术联用，其中分光光度法一直是与之联用的主要检测手段之一，这种联用技 术又被称为析相光度法。由于需要将胶束相稀释到一定体积进行吸光度测 定，故该法的富集倍数受到一定限制.而在与原子光谱检测技术联用时，为了降 低表面活性剂相的粘度， 常规的处理是用一定体积的含稀酸的甲醇溶液稀释表面 活性剂相。有机溶剂和表面活性剂的引入会对测定产生影响，特别是在icp-aes 分析中，有机物的引入一方面对光谱信号有一定的增敏效应，另一方面有机物分 解时吸收较大能量，会导致icp放电不稳定甚至熄灭。因此将cpe与icp-aes联用 时，多采用一些特殊的进样技术，如电热蒸发、超声雾化、氢化物发生等，在进 入等离子体前将有机物除去。迄今为止，采用常规的气动雾化进样cpe-icp-aes 进行痕量金属元素分离分析的报道尚不多见。 本论文的主要研究目的是通过优化浊点萃取过程中的各种条件， 获得一种有 安徽大学生命科学学院硕士学位论文戴婷婷浊点萃取法在环境污染物分析中的应用 ii 效的富集手段，并将其应用于环境实际样品中的痕量污染的提取。主要研究内容 包括： 采用 faas 作为检测手段，分析影响金属离子铁、铅、铜、镍、镉、钴、 锌浊点萃取效率的各种因素，确定最佳的萃取条件，并将其应用到巢湖底泥样品 中上述金属离子的富集和测定。最后实验选定用非离子表面活性剂 trition x-114 和 tan 为络合剂富集七种重金属离子，线性范围及相关系数分别为 0 4g/l ,050g/l,05g/l ,025g/l ,05g/l ,012.5g/l ,050g/l 0.9942，0.9938，0.9962，0.9996，0.9978，0.9913，0.9982。各样品测定 5 次， 相对标准偏差为 3.77，2.85，4.12，2.13，3.56，4.31，3.42。 检出限分别为 1.36g/l， 1.9g/l、 1.12g/l、 0.77g/l、 2.78g/l、 0.034g/l、 1.09g/l。 采用hplc作为检测手段， 通过优化萃取过程和检测条件， 确定最佳的萃 取条件，并将其应用到巢湖底泥中ddt的富集和测定。最后选定使用体积比 trition x-114: igepal co-630=3:1混合表面活性剂来富集ddt，相对标准偏差 （rsd）为3.19%，检出限为1.0110 -8g 关键词关键词 浊点萃取 高效液相色谱 火焰原子吸收光谱 分离富集 目 录 iii iii cloud point extraction for environment pollution analysis abstract thickness is low , the component is complicated , disturbs many matter analysis samples , sometimes needs the analytical request carrying out front handling to satisfy an instrument to the thing being measured. a little tradition going forward handles means, including that liquid-liquid extracting. in recent years, environmental protection is aware of with green, some not being put into use or stop using the extraction handling a technology , including a film in the organic solvent front , strengthening looking at and appraising an extraction and strengthening the each other tiny extraction and so on having got development of maximum to the full. cloud point extraction (cpe) is a kind of new environmentally benign liquid-liquid extraction method. the technique is based on the property of most non-ionic surfactants in aqueous solutions to form micelles and become turbid when heated to a temperature known as the cloud point temperature. above the cloud point, the micellar solution separates into a surfactant-rich phase of a small volume and a diluted aqueous phase, in which the surfactant concentration is close to the critical micellar concentration (cmc).any analyte solubilized in the hydrophobic core of the micelles will separate and become concentrated in the hydrophobic core of the micelles will separate and become concentrated in the small volume of the surfactant-rich phase. the small volume of the surfactant-rich phase obtained with this methodology permits the design of extraction schemes that are simple, economical, highly efficient, speedy, and of lower toxicity to the environment than those extractions that use organic solvents. separation and preconcentration based on cloud point extraction 安徽大学生命科学学院硕士学位论文戴婷婷浊点萃取法在环境污染物分析中的应用 iv is becoming an important and practical application in the use of surfactants in analytical chemistry. its widely used in the separation and purification of bio-molecules and extraction of organic compounds and metal ions. this sort of extraction can be implemented in conjunction with different analytical detection systems. cloud point extraction in connection with sepectrophotometry can emerge as a powerful analytical technique for metal preconcentration and determination. cpe has also been the subject of study in metal analysis in connection with atomic spectrometry. the addition of a diluting solution in the surfactant-rich phase is always indispensable in order to obtain a clear and homogenous solution of low viscosity compatible with the raquirments of flame and plasma nebulizers. however, the presence of methanol and surfactant in the flame of aas and plasma have effects on various parameters, such as excitation conditions, plasma stability, nebulizer flows and so on. it was recently proposed to use it in conjunction with detection by electrothermal vaporization,ultrasonic nebulization or hydride generation icp-aes for the determination of metal ions, according to our knowledge, up to now, applications based on cpe-icp-aes, along with conventional pneumatic neulization of the developed methods in trace analysis have seldom been reported. the aim of this dissertation is by optimizing various condition in cloud point extraction process, gains one kind of effective beneficiation means, and applies the person to drawing that trace in actual sample of environment contaminates. the major contents are described as follows: . a method for the determination of ni, co, cd, cu, pb, fe, zn by faas after cloud point extraction was proposed. the effect of experimental conditions such as ph, concentration of chelating agent and surfactant, equilibration temperature and time on cloud point extraction was studied. the chemical variables affecting the separation and extraction recovery 目 录 v v were optimized. the proposed method was applied to the simultaneous determination of these elements in the chaohu bottom. finally experiment with selected non-ionic surfactants trition x-114 and tan enrichment complex agent for seven metal ions，the linear concentration were 0 4g/l ,050g/l,05g/l ,025g/l ,05g/l ,012.5g/l ,050g/l 0.9942，0.9938，0.9962，0.9996，0.9978，0.9913，0.9982。3.77，2.85， 4.12，2.13，3.56，4.31，3.42 for relative standard deviation. the detection limits were 1.36g/l， 1.9g/l、 1.12g/l、 0.77g/l、 2.78g/l、 0.034g/l、1.09g/l。 a method for the determination of ddt by hplc after cloud point extraction was proposed. the effect of experimental conditions such as ph, concentration of chelating agent and surfactant, equilibration temperature and time on cloud point extraction was studied. the chemical variables affecting the separation and extraction recovery were optimized. the proposed method was applied to the simultaneous determination of ddt in the chaohu bottom the final selection of the use of volume ratio trition x-114: igepal co-630 = 3:1 mixture of surfactant to enrichment ddt.3.19% for relative standard deviation，the detection limit was 1.0110 -8g key words: cloud point extraction, hplc , faas, separation 安徽大学生命科学学院硕士学位论文戴婷婷浊点萃取法在环境污染物分析中的应用 vi 目目 录录 摘要摘要. i abstract . iii 目录目录. vi 第一章第一章 引言引言 . 1 第一节第一节 概述概述 . 1 第二节二节 浊点萃取的基本原理浊点萃取的基本原理 . 2 第三节第三节 浊点萃取的影响因素浊点萃取的影响因素 . 4 1. 1. 表面活性剂的类型及性质表面活性剂的类型及性质 . 4 2. 溶液的溶液的 ph . 4 3. 3. 平衡温度和时间平衡温度和时间 . 5 4. 4. 离心时间离心时间 . 5 第四节第四节 浊点萃取技术在环境分析中的应用浊点萃取技术在环境分析中的应用 . 6 1. 1. 金属离子金属离子 . 6 2. pahs2. pahs . 8 3. 3. 多氯联苯多氯联苯 . 9 4. 4. 农药残留农药残留 . 14 5. 5. 酚类及其他环境物质酚类及其他环境物质 . 14 第二章第二章 t tanan浊点萃取浊点萃取火焰火焰原子吸收光谱法测定原子吸收光谱法测定巢湖水体和沉积物中的巢湖水体和沉积物中的痕量重金属元素痕量重金属元素16 第一节第一节 实验部分实验部分 . 17 1. 1. 主要仪器主要仪器 . 17 2. 2. 试剂试剂 . 17 3实验实验方法方法17 第二节第二节 结果与讨论结果与讨论 . 18 1. 1. 表面活性剂类型及表面活性剂类型及 triton xtriton x- -114114 用量的影响用量的影响 . 18 2. tan2. tan 用量的影响用量的影响 . 19 3. ph3. ph 对富集效果的影响对富集效果的影响 . 21 4. 4. 平衡温度和时间对萃取效果的影响平衡温度和时间对萃取效果的影响 . 22 5. 5. 干扰离子的影响干扰离子的影响 . 24 6. 6. 检出限和精密度检出限和精密度 . 24 7. 7. 实际样品的分析和检测实际样品的分析和检测 . 27 8 8加标回收加标回收 . 28 第三章第三章 浊点萃取浊点萃取巢湖沉积物中的巢湖沉积物中的 ddtddt . 29 目 录 vii vii 第一节第一节 实验部分实验部分 . 30 1. 1. 仪器与试剂仪器与试剂 . 30 2. 2. 试试验方法验方法 . 30 第二节第二节 结果与讨论结果与讨论 . 31 1 hplc 流动相流速的影响流动相流速的影响.31 2 hplc 流动相配比的影响流动相配比的影响.31 3. 3. 温度的影响温度的影响 . 32 4. 4. 表面活性剂种类和浓度表面活性剂种类和浓度 . 32 5. 5. 实际样品检测实际样品检测 . 33 6实验讨论实验讨论.33 第四章第四章 结论结论 . 35 参考文献参考文献.36 致谢致谢.45 发表文章发表文章 .46 第一章 引言 1 第一章第一章 引引言言 第一节第一节 概述概述 随着科学技术的发展，在进行地质、生物、环境等样品的分析时，经常要求 测定ng/ml甚至pg/ml级的痕量元素，而且分析对象也日益复杂多样，存在复杂的 基体千扰，因此对分析化学中的分离富集技术提出了更高的要求。萃取法作为痕 量元素分离富集的手段，在分析化学中得到了广泛应用。但常规的液一液萃取存 在明显的不足，如需要使用大量高纯和有毒的有机试剂，富集倍数低、操作繁琐 费时和易对环境造成污染等。 为了克服这些问题， 适应现代分析科学发展的要求， 近年来， 在原有的基础上， 化学工作者不断创新， 开发了固相萃取、 固相微萃取、 膜萃取、超临界液体萃取以及微波萃取等新型萃取技术 1。 浊点萃取技术是利用表面活性剂溶液的增溶(solubilization)和分相(phase separation)实现溶质富集和分离的技术。与传统的溶剂萃取过程相比，浊点萃 取无需使用大量的有机溶剂，易于操作，对环境的影响较小，能够保护被萃取物 质的原有特性(比如生物大分子的活性)，同时能够提供很高的富集倍数和提取 率，是一种新型、环境友好、高效率的分离技术 2。作为一种样品前处理方法， 目前浊点萃取广泛应用于分析领域，而同时作为一种易于放大、环境友好的分离 方法，浊点萃取在水处理和生物物质提取等大规模分离过程中具有潜力。 安徽大学生命科学学院硕士学位论文戴婷婷浊点萃取法在环境污染物分析中的应用 2 第二节第二节 浊点萃取的基本原理浊点萃取的基本原理 浊点萃取是利用表面活性剂将物质进行溶解，形成胶团，最终达到富集的目 的。具体原理参照图2-1。表面活性剂分子通常由疏水和亲水基团两部分组成。 疏水部分在水溶液中聚集成核，亲水部分向外张开形成胶束。在溶液中，表面活 性剂达到一定浓度就会形成胶团，此时的浓度即成为临界胶团度（简称cmc） ， 最低温度称为临界胶束温度（简称cmt） 。表面活性剂在水溶液中的浓度达到 cmc后，水溶液中表面活性剂形成的胶束与表面活性剂单体实现动态平衡，如 图2-2所示。此时的胶束溶液浓度基本保持恒定。表面活性剂有两种不同类型， 一般离子表面活性剂随温度的升高， 其溶解度变大， 而非离子表面活性剂则不同， 在温度达到一定程度后表面活性剂会析出，分层，产生凝聚相和水相。外界条件 （如温度）向相反方向变化，两相便消失，再次成为均一溶液。 溶液中的疏水性物质进入表面活性剂相，与疏水基团结合，而亲水物质则留 在水相中，达到一定温度导致相分离后，样品物质便被分离开，这种萃取方法就 称为浊点萃取（简称cpe） 。外界条件（如温度）向相反方向发生了变化，两相 便消失，再成为均一的溶液 。 a萃取物的溶液 b加入表面活性剂后萃取物与胶束结合 c改变溶液条件发生浊点相分离，离心后萃取物富集于胶束相 图2-1 浊点萃取过程示意图 第一章 引言 3 图2-2 胶束的组成 安徽大学生命科学学院硕士学位论文戴婷婷浊点萃取法在环境污染物分析中的应用 4 第三节第三节 浊点萃取的影响因素浊点萃取的影响因素 浊点萃取目前的分析领域非常广泛，可分析土壤，水样，大气以及生物样品 等，为了达到较高度萃取率，实验条件需进行优化，它的影响因素在以下进行简 要的概括。 1. 1. 表面表面活性剂的类型及性质活性剂的类型及性质 无论是金属离子还是其他环境物质的分析， 表面活性剂的种类和浓度都起着 关键性的作用。目前应用较多的表面活性剂主要 tritonx-114、tritonx-100、 ponpe 7.5、ponpe 5，不同的表面活性剂的浊点温度不同，所以必须区别对待 不同的环境物质，过高或过低的温度并不适合某些物质的分离，比如 tx-100 的 浊点温度高达 70，在实际的操作中常常会因为较高的温度而达不到良好的萃 取效果。 表 3-1 浊点萃取中常用的表面活性剂 表面活性剂名称 临界胶束浓度 浊点温度 化学类别名 商品系列名 聚氧乙烯脂肪醇 brij 30 0.020.06 27 brij 35 0.06 100 brij 56 0.0006 6469 对叔辛基苯基聚已 二醇醚 triton x-100 0.170.30 2225 triton x-114 0.200.35 2225 正烷基苯基聚 已二醇醚 ponpe-7.5 0.085 520 ponpe-10 0.070.085 6265 两性离子表面 活性剂 c9apso4 4.5 65 c8-lecithin 45 2. 溶液的溶液的 ph ph 值对浊点萃取的影响要视表面活性剂被萃取物的性质而定。对非离子表 面活性剂影响不大， 但如果是离子型表面活性剂体系， 对其影响却是十分的显著。 萃取物质呈酸性或是碱性则对于 ph 的变化表现的比较明显。中性分子电离后疏 第一章 引言 5 水性降低，形成胶束的能力不如中性未电离时。因此要获得较高度萃取率，应尽 量将萃取物控制在疏水性较强的酸碱值附近，便于萃取。对于金属离子的萃取， ph 值的不同会影响到络合剂与金属离子的疏水基的形成，将 ph 值控制在等电 点附近，萃取率最高。 3.3. 平衡温度和时间平衡温度和时间 体系的平衡温度主要视所选择的表面活性剂而定， 表面活性剂在到达浊点温 度的时候会导致相分离，而要达到较高的萃取率，平衡温度一般要高出浊点温度 1520。 适当的加入一些添加剂可以人为调节浊点温度， 添加剂 nacl， 硫酸盐， 碳酸盐等可降低非离子表面活性剂的浊点，使浊点萃取在较低的温度下起作用。 而硝酸盐、碘化物、硫氢酸盐则相反，可提高浊点温度。 实验证明，随着平衡时间的延长可以使萃取率升高，但过长的时间，萃取率 并无明显的变化，一般保持在 30min 左右就有较高的萃取效果。 4 4. . 离心时间离心时间 离心的时间越长， 凝聚相和水相的分离效果越明显， 通常超过 20min 萃取率 变化范围不大，但过长可能导致相分离逆转，反而会使萃取率降低。 安徽大学生命科学学院硕士学位论文戴婷婷浊点萃取法在环境污染物分析中的应用 6 第四节第四节 浊点萃取技术在环境分析中的应用浊点萃取技术在环境分析中的应用 浊点萃取技术目前已经成为一种通用的萃取方法。由于这种前处理方法快 捷、方便、灵敏度高，一度成为痕量金属元素的主要萃取方式。近些年更是将领 域扩展到农药残留、酚类物质、多环芳烃、多氯联苯以及一些其他的环境物质中 去。浊点萃取可与高效液相色谱，气相色谱，毛细管电泳，原子吸收等多种分析 仪器联用，用于各种环境物质的检测。 1 1. . 金属离子金属离子 浊点萃取应用于痕量元素形态分析时，先测定可被萃取的元素形态(形成金 属络合物的元素氧化态或还原态，元素的络合态等)含量，然后测定元素的总量， 采用差减法计算未被直接测定的另一形态的金属离子的含量;或通过控制溶液的 ph值和加人不同的赘合剂的方法，使元素的不同形态分别生成可被萃取的赘合 物，连续萃取分离后分别进行测定。该方法已用于铬、铁、锡、锑的价态分析以 及铜和铁的结合态的分析 浊点萃取金属离子的应用已经涉及到了人体，包括头发，尿液和唾液。 jamshid l. manzoori 5等人用络合剂ddtp，表面活性剂tx-114来提取头发中的 cd和pb,利用火焰原子吸收光谱来分析检测， 检出限分别为0.62g/l和2.86g/l. abbas afkhami 6用络合剂pan，表面活性剂tx-114萃取人尿液zn,co,ni,检测的 仪器是pls。对于人唾液中的研究分析，marta o. luconi等人用uv检测出了其中 的pb,检出限也达到了11.4g/l。 对于含盐废水 3， 注射液7， 合金样品8， 葡萄酒910中金属离子的萃取应用， 目前也有少量的报道。 在实际应用中浊点萃取通常和分光光度计或者原子吸收光谱联用分离， 分析 痕量金属元素。浊点萃取中所使用的表面活性剂，不仅能够改变反应速度，平衡 状况，还能使产率和分析参数发生变化。在表面活性剂存在下，金属螯合物能显 示出突出的光谱特性，如增大分子吸收，增强荧光，使最大吸收波长红移等。改 变溶液的环境不仅能提高显色反应的灵敏度，而且还能避免不需要的副反应。 cpe-分光光度法测定痕量金属见下表 4-1。 第一章 引言 7 表 4-1 cpe-分光光度法测定痕量金属元素 金属 元素 螯合剂 表面活性剂 检测限 文献 ni 1-(2-thiazolylazo)-2-naphthol tx-100 - 64 zn 1-(2-pyridylazo)-2-naphthol ponpe-7.5 28g/l 65 al chrome azurol s-benzyldime -hyltetradecylammoniumchloride ponpe-7.5 3g/l 66 er 2-(3,5-dichloro-2-pyridylazo)-5- dimethylaminophenol ponpe-7.5 0.02mg/l 67 u 1-(2-pyridylazo)-2-naphthol tx-114 100g/l 68 cu dodecylphenyl-diketone(lix54) igepal co630 - 69 gd 2-(3,5-dichloro-2-pyridylazo)-5- dimethylaminophenol ponpe-7.5 1g/l 70 cr 8-hq tx-114 - 71 ni cd cu papm ponpe-7.5 - 72 cd cu zn cu pap papm tac tamp taep tapp ponpe-7.5 * 73 rare earth polyvinyl alcohol- -formylchlorophosphonazo tween-80 0.1 mg/l 74 浊点萃取所使用的有机溶剂， 对于原子吸收光谱测定金属离子不会产生任何 干扰信号的作用，因此，可通过此方法富集然后用 aas 直接测定。由于表面活性 剂试剂有粘稠性，可通过添加适量的 hno3-甲醇溶液来降低粘度，再进入仪器检 测。表 4-2 总结了 cpe-aas 联用分析测定金属元素的一些条件和参数。 安徽大学生命科学学院硕士学位论文戴婷婷浊点萃取法在环境污染物分析中的应用 8 表 4-2 cpe-aas 测定痕量金属元素 金属元素 螯合剂 表面活性剂 检测限 文献 cu pan tx-114 0.35g/l 75 tan tx-114 0.27ng/l 80 capric acid,octylamine op-10 0.01g/l 77 cd o,o-ddtp tx-114 0.62g/ml 76 pan tx-114 0.4ng/ml 79 mtan tx-114 0.099 ng/ml 82 pb - ponpe 0.053g/ml 78 cr() 8-hq tx-114 1.4g/l 81 cr() apdc tx-114 0.65g/l 83 ni mtan tx-114 0.44g/l 84 fe apdc tx-114, tx-45 0.02mg/l 85 zn mtan tx-114 0.095ng/ml 86 ag dithizone tx-114 0.56g/l 87 ddtp tx-114 0.46ng/l 88 co mtan tx-114 0.24g/l 89 au ddtp tx-114 0.53ng/l 90 2 2. . pahspahs pahs 是一类危害性比较严重的致癌，致突变的污染物，人类在燃煤、燃烧 石油和汽油时，在树木和房屋着火时，甚至在吸烟和烧烤时，都会由于含碳有机 物的不完全燃烧而产生 pahs。 近年来无论是在人体还是自然界， pahs 都有被检 测出。但在实际检测中，pahs 含量比较低，不易被检出，必须利用各种萃取技 术将其富集，以便检测。相比其他萃取技术，浊点萃取富集率高，回收率高，安 全，经济等特点，一般都是与 hplc 联用进行分析。 pahs浊点萃取过程的优化与金属离子大致相似，主要包括表面活性剂的种 类和浓度，萃取pahs的表面活性剂主要有tx-114，pole，sdsa等。表面活性 剂浓度增大， 萃取率也随之变大， 浓度到达一定程度， 萃取率便不会有太大变化。 平衡温度和萃取时间对于萃取率也有一定的影响， 温度的选择取决于样品和表面 第一章 引言 9 活性剂种类，20-70不等。萃取的时间从5min-4h不等，有报道指出 1，1h时 pahs的萃取率达到最大。萃取过程中加入hcl能够增加胶束相和水相的分离率， 但过量的质子并不能增加pahs的吸附作用。 添加剂还包括na2so4, jing-liang li 2 等人研究，增加pah的分离度需增加na2so4，即萃取率的高低决定于溶液中的含盐 度。 有报道可将浊点萃取与毛细管电泳联用，分析人体血清中的 pahs。由于 triton x-114 等表面活性剂的粘度较大，容易吸附在毛细管壁，从而降低分离 效果，这也是导致毛细管电泳重复性差的主要原因。近些年来，为了改善这一缺 陷，通常采用非水体系作为缓冲溶液，与水系相比，非水溶剂中可加以较高的电 压，而不产生明显的焦耳热，从而提高分离效率。实验也证明可以有效的