全国大学生化学实验竞赛B题.doc

第五届全国大学生化学实验邀请赛（试卷B） 广州 2006.07第五届全国大学生化学实验邀请赛实 验 试 卷选手编号： 实验B 微波萃取-气相色谱法测定土壤中有机氯农药残留竞赛内容实验操作实验报告实验思考总分分 数604050150得 分重要说明： 该实验竞赛（包括思考题）时间为8:00(8:30) am-4:00(4:30)pm。每超时10 min扣5分，最多不能超时30 min（以10 min为计时单位，不足10 min按10 min计）； 由于仪器数量不足以及运行时间较长，因此请您不要无谓地等待。您可进行后续实验准备或填写实验报告、回答思考题等，以避免无法按时完成全部实验； 如果您某个实验步骤完成得较快，确需等待一定时间后才能进行下一步的实验，请向监考老师提出，由其记录您的等待时间(填写实验报告或回答思考题不能算作等待时间)； 提供给每位选手使用的各类溶剂量已足够，请节约使用。如需增加使用溶剂，将被扣分； 由于有机溶剂与水完全不同的特性,因此在用滴管等转移有机溶剂时应防止其滴落。一、实验目的本实验通过样品预处理（微波萃取、层析柱分离净化以及浓缩等）及仪器分析测定等步骤，使学生了解实际样品中微量有机组分分析的整个过程，熟悉并掌握利用现代装置和仪器进行样品预处理、测定及数据处理方法，培养学生实际操作以及独立解决问题的能力。二、实验原理及实验内容环境及其环境污染问题已成为全球最为关注和研究的热点问题之一。在环境有机分析中，除COD，BOD等常规监测项目外，还需分析复杂环境基质中微量或痕量毒害污染物，如禁用多年，但在环境中仍广泛存在的持久性有机污染物（POPs）六六六和DDT。因此，对样品的预处理和分析仪器的检测能力提出了更高的要求。（共8页） 1有关样品的预处理方法很多，常用方法包括常规加热、液-液萃取（LLE）、索氏抽提（Soxhlet）、固相萃取（SPE）、固相微萃取（SPME）、加速溶剂萃取（ASE）、超声波（Ultrasound）和微波（Microwave）消解/萃取等。其中，微波消解/萃取因其具有快速、高效、溶剂用量少等特点而受到广泛重视。1. 实验原理微波是指频率在300 MHz至300000 MHz的电磁波。当微波电磁场作用于消解或萃取体系时，各种带电离子或具有一定极性的溶剂和目标物分子从原来的热运动状态转为跟随微波交变电磁场进行快速的排列取向。如，采用微波频率为2450 MHz，就会出现每秒近25亿次交变，分子间就会产生激烈的摩擦。在这一微观过程中，微波能量转化为样品内的能量，从而降低目标物与样品的结合力，加速目标物从固相转移到溶剂相的速率，提高萃取效率，从而达到快速消解或萃取的目的。对于萃取液，通常不能直接进行GC分离分析，还需要采用一系列的分离、净化、浓缩或衍生化等前处理步骤，以消除样品基体对测定的干扰，同时保护仪器。2. 实验内容（操作60分）本实验竞赛内容主要包括：1) 器皿洗涤；2) 层析柱的填充；3) 微波辅助萃取土壤中微量有机氯农药；层析柱分离、净化及浓缩萃取液；毛细管气相色谱（GC）测定土壤中微量有机氯代农药（BHCs或六六六）含量；4) 实验报告及思考题。三、试剂、材料和仪器1. 主要试剂：二氯甲烷和正已烷（HPLC级）、层析硅胶（80-100目）、中性氧化铝（100-200目）、无水硫酸钠和浓硫酸（AR级）；五氯硝基苯内标（PCNB, 2.0 mg/mL）；4种氯代农药混合贮存液（a-六六六、b-六六六、d-六六六和g-六六六，均为1.0 mg/mL），按要求稀释至使用浓度（具体浓度见P5实验报告）。2. 主要实验材料：漏斗及漏斗架各1个、滴管架1个、50 mL梨形瓶1个、50 mL容量瓶2 个、试剂瓶3个、PTFE萃取内罐1个、玻璃层析柱1支（见图），量筒2个，经抽提处理过的滤纸、脱脂棉，带刻度离心试管1支、玻棒、滴管和标签纸若干，废液瓶（杯）1个，抹布1条。3. 主要实验仪器：XT-9900高压密闭微波消解仪（上海新拓微波溶样测试技术有限公司）；配有某种检测器和HP-1毛细管色谱柱（15m0.32mm0.25mm）的4890型气相色谱仪（Agilent公司，美国）；旋转蒸发仪；氮吹仪。4. 样品及净化柱填充剂的制备（全部由实验室完成制备并置于称量台旁）1) 土壤样品制备：采集的土壤样品（一般不少于20 g）风干后，除去土样中石子和动植物残体等异物。用木棒或玛瑙棒碾压，过2 mm尼龙筛。再用玛瑙研钵研磨，过100目尼龙筛混匀后备用。2) 无水硫酸钠：置于马弗炉内，450灼烧4 h，备用。3) 去活化硅胶（80-100目）：二氯甲烷索氏抽提72 h，60下烘干，使用前经180活化12 h，加入3%的蒸馏水去活化，密封保存待用。4) 硫酸硅胶：称取一定量的去活化硅胶，逐滴加入等量浓硫酸，且边滴边振荡，平衡过夜后密封保存待用；5) 中性氧化铝（100-200目）：二氯甲烷索氏抽提72 h，60下烘干。使用前在250活化12 h，加入3%的蒸馏水去活化，密封保存待用。四、器皿洗涤本竞赛中所用各类器皿已经过清洗和干燥。在使用前，只需用适当的有机溶剂润洗（注意有机溶剂的选择、润洗量及润洗方法）。五、实验步骤1. 微波萃取步骤1) 准确称量2.00g土壤样品，置于PTFE萃取罐中，加入约20 mL CH2Cl2萃取溶剂，加盖密封，摇匀。贴好标签，交监考教师进行微波萃取。2) 将整个萃取罐放入XT-9900型高压密闭微波消解仪炉腔内，按说明书完成仪器初始化调节。设定微波萃取压力0.2 MPa，萃取时间为5 min，功率400 W，开启微波开关。3) 当微波萃取完成后，取出整个萃取罐，冷却约5-10 min后，小心打开外罐罐盖、取出PTFE样品杯，慢慢打开样品杯杯盖，加入1-2片铜片，振摇 2-3 min。小心将上层萃取液（由于CH2Cl2的挥发损失，萃取液将少于原来的20 mL）过滤至50 mL梨形瓶中，再以10-15 mL二氯甲烷淋洗杯壁及土壤样品数次，过滤，合并淋洗液于50 mL梨形瓶中。4) 将上述盛有萃取液的梨形瓶在旋转蒸发器上抽真空浓缩至“近干”（浓缩后萃取液约0.51 mL）。取下梨形瓶，以干净滴管将上述萃取液转移至10 mL刻度离心管中，再以二氯甲烷淋洗梨形瓶2-3次（总淋洗体积不超过5 mL），合并淋洗液于离心管中。以高纯N2吹扫至约1 mL，待下一步的层析柱净化。无水硫酸钠(0.5g)硫酸硅胶(4.0g)去活化硅胶(1.5 g)中性氧化铝(2.5 g)脱脂棉（不要压太紧）移液枪枪头2. 净化柱的充填及萃取液净化*如右图所示。先用移液枪枪头堵住层析柱下端，于柱中加入1/2柱高的二氯甲烷，然后缓慢填充吸附剂并以吸耳球轻轻敲击柱管四周。当层析柱填充完毕后，以吸耳球从柱顶端用力吹出柱中二氯甲烷，随后加入约0.5-1 g无水Na2SO4，并尽快将刻度离心管中萃取液以滴管加至无水Na2SO4上，再以少量正已烷洗涤离心管2-3次（总洗涤量不超过1 mL），一并转移至无水Na2SO4上。待萃取液完全浸入层析柱填充物后，再缓慢加入30 mL正已烷-二氯甲烷混合溶剂（1:1，v/v）进行洗脱（以原梨形瓶承接）。*注意：要求层析柱填充均匀、吸附剂内空隙小。3. 浓缩定容及气相色谱测定将淋洗液旋转蒸发至约0.5 mL后，以滴管转移至原离心管中，再以少量（2-3 mL）正已烷淋洗梨形瓶，一并转移至离心管中。然后，以高纯N2小心吹扫至不多于1.0 mL，由参赛自行选择溶剂并定容至1.0 mL（定容之前需经你的监考教师审定）。贴上有您编号的标签，送至色谱分析室，然后用移液枪加入10 mL 2.0 mg/mL PCNB内标液，置于试管振荡器上混匀。待色谱分析（需考生自行完成进样等操作，进样量为1 mL）。注意：4种有机氯代农药标准溶液系列的配制已由实验室完成，各浓度的标准溶液色谱图及其数据已提供给各位参赛者。考生只需携预处理后的样品进入色谱分析实验室（选手编号为单数的送至B302房间，双号的送至B304房间），自行完成色谱进样后即离开。待测样品的色谱图及其数据在色谱分析完成后（约需6-8 min），再提供给各位参赛者。色谱分离条件：进样口和检测器温度分别为：280 oC和300 oC；柱箱升温程序为：初始温度100 oC，以20 oC/min 升温至140 oC并保持1 min；载气：N2，流速为1.0 mL/min；进样量为1 mL（不分流）。六. 数据处理（实验报告，40分）考生根据监考教师提供的各种数据（包括考生样品分析结果），独立完成该部分的实验报告（见下表）。8（共8页）实验报告：微波萃取-气相色谱法测定土壤中残留有机氯代农药*有机氯农药标准系列浓度(ng/mL)和PCNB所对应的测量值（峰面积A）校正曲线的绘制（内标法）重要说明待测物a-BHCb-BHCd-BHCg-BHC标样峰面积AsAs1a-BHCd-BHCb-BHCg-BHCCd浓度c, mg/mL1）各种BHC的标准系列浓度均分别为：10，25，40，60，80 ng/mL，其色谱图和相关数据列于附页中（共5页）。2）各物质色谱出峰先后顺序分别为：a-BHC，b-BHC，d-BHC，g-BHC和PCNB；3）纵坐标数值需保留小数点后3位。As2As3As4As5PCNB峰面积AiAi1Ai2Ai3Ai4Ai5样品称样量m (g)教师签名：峰面积AxPCNB 峰面积Aixcx (ng/mL)土壤中待测物含量计算公式(ng/g)wx =土壤中农药含量wx (ng/g)a-BHCb-BHCd-BHCg-BHC七、实验思考（共50分）1.（6分）如果需测定某一基体不明的样品中某种微量金属元素，不采取基体分离等干扰消除过程，你有什么具体办法获得更为准确的测量结果？为什么?另外，现在有一批环境土壤样品要寄送到某测试单位，要求分析其中的各种金属元素浓度，但你不能肯定对方的分析结果是否可靠。请你想个最简单的办法，可以判断其分析结果的可靠性。2.（12分）本实验中，假设你还平行进行了10个空白样品分析。在最佳仪器工作条件下，测得这些空白样品中a-BHC的含量(ng/g)分别为：0.21; 0.18; 0.18; 0.21; 0.22; 0.28; 0.16; 0.20; 0.22; 0.18请检验上述测量值中是否有不合理的数据（置信度95%）。另外，通过该实验，你获得的a-BHC检测限（DL）是方法检测限（MDL）还是仪器检测限（IDL）? 为什么？其值是多少？ 附：舍弃商Q值（表中Q值右下角标数字表示置信度）测定次数/n345678910Q0.900.940.760.640.560.510.470.440.41Q0.950.970.840.730.640.590.540.510.493.（10分）在本实验中，为什么需要加入内标物（PCNB）？在所获得色谱图中，有两个物质的色谱峰未完全分开，请使用尺子大致取得它们的峰形数据（统一采用标准浓度为80 ng/mL的色谱图），并计算其分离度R；同时，请提出2种措施或方案（如提出更多的可行措施可加2-3分，但方案不合理将扣1-2分），使这两个色谱峰完全分开，并分别简述理由。4.（10分）本实验所采用的气相色谱检测器是对含卤素有机化