自制PDMSDVB固相微萃取膜GC-MS分析.doc

自制PDMS/DVB固相微萃取膜/GC-MS分析水样中邻苯二甲酸酯类化合物赖丛芳 李碧芳 李攻科* （中山大学化学与化学工程学院 广州 510275）摘要：本文研究了PDMS/DVB固相微萃取膜的制备条件，用红外扫描，热重分析及扫描电镜对膜的性能进行了表征，对萃取时间、解吸时间和溶液离子强度等影响萃取效率的因素进行了条件优化，建立了固相微萃取膜测定水样中邻苯二甲酸酯类化合物的分析方法，并将此技术应用于实际样品分析。方法的线性范围为251000 g/L，以峰面积为测量信号时，其检出限为11.3523.42 g/L，相对标准偏差（RSD）为12.5 %23.8 %。该方法适合于环境水样中邻苯二甲酸酯类化合物的定量分析。关键词：固相微萃取膜萃取（SPMEM）； 邻苯二甲酸酯（PAE）1 引言邻苯二甲酸酯类化合物多用于塑料的增塑剂以提高塑料的可塑性和强度，随着塑料的广泛使用，邻苯二甲酸酯类化合物已成为全球最普遍存在的环境污染物。近年来的研究表明它是环境激素之一，能导致生物（包括人类）繁殖能力下降和生殖器官畸形1，因此测定其在环境中的残留量越来越引起人们的重视。固相微萃取技术由于其快速、方便、高效等特点是目前发展迅速的样品前处理技术，Penalver2等用85 m PA萃取涂层与GC-MS联用分析了水样中6种邻苯二甲酸酯类化合物，实验结果证明方法检出限低，线性良好。他们又做了萃取涂层选择实验3，比较了5种萃取涂层（65 m PDMS/DVB，65 m CW/DVB，85 m PA，75 m CAR/DVB和30 m PDMS）对水样中6种邻苯二甲酸酯类化合物的萃取情况，进行了SPME条件的优化，确定65 m PDMS/DVB为邻苯二甲酸酯的最佳萃取涂层。但是固相微萃取技术要求一套专门的设备，价格昂贵，并且其涂层的厚度及面积是固定的，不易在其原有的基础上提高分析灵敏度。固相微萃取膜技术在固相微萃取技术上发展起来，目前在国内外的研究尚处于起步阶段，它继承了固相微萃取的特点，并且制作工艺简单，成本低，可根据实验需要自由改变萃取膜面积、厚度及萃取溶液体积以达到分析灵敏度的要求。在本实验中，我们首次自制了PDMS/DVB固相微萃取膜，对其进行性能表征，并将其应用于环境水样中邻苯二甲酸酯类化合物的分析测定。2 试验部分 *基金项目 中山大学化学与化工学院第四届创新化学实验基金项目（批准号：03010）资助第一作者 赖丛芳（1982年出生），女，中山大学化学与化工学院应用化学专业00级指导教师 李攻科 Email：2.1 试剂5种邻苯二甲酸酯标准样品1000 g/L乙腈溶液（5种邻苯二甲酸酯分别为：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（2乙基己基）酯DEHP及邻苯二甲酸二正辛酯DOP）；聚二甲基硅烷PDMS(USA)，二乙烯基苯DVB（Germany），过氧苯甲酰BPO（重结晶后使用），二氯甲烷（AR，广州化学试剂厂），氯化钠（GR，广州化学试剂厂，使用前在马弗炉中500 下烧4 h）。2.2 实验仪器及操作条件GC/MS-QP2010 (SHIMAZU，Japan)，配备Shimazu GC/MS Solution工作站和NIST147、NIST27标准谱图库，DB-17 MS色谱柱（30 m0.25 mm，0.25 m）；XL-30 扫描电子显微镜（荷兰），扫描电压：20 KV，点分辨率：2.5 nm；NEXUS 670 傅立叶变换红外光谱仪（德国），摄谱范围：4000500 cm-1,采用涂硅片法制样；TG-209热失重分析仪（德国），空气气氛，升温速率：10 /min，测试温度范围：23700 ；AS 3120超声波发生器（天津奥特赛恩斯仪器有限公司），SZQ湿法制膜器（槽深50 m，上海现代环境工程技术有限公司）。色谱条件：采用程序升温，初始温度100 ，保持3 min，以20 /min升温到300 ，保持5 min。载气为高纯氦气，流速1.0 mL/min，进样口温度280 ，不分流进样。质谱条件：接口温度250 ，EI离子源，电子能量70 eV，离子源温度20 ，采用选择性离子流检测，以峰面积定量。2.3 实验步骤用离心管称取一定量的DVB和BPO，滴加少量的二氯甲烷，振荡使DVB和BPO溶解，再加入一定比例量的PDMS（其中引发剂BPO的量为反应物总量的0.5 %）。用二氯甲烷把3种混合物调到一定的粘度，用50 m规格的制膜器在铝膜上拉制成膜。待二氯甲烷挥发后在室温下真空干燥8 h。最后在烘箱中进行交联反应和固化。剪取一定大小的膜，先用纯乙腈浸泡约30 min，以洗去残留的杂质和激活其吸附性。然后把萃取膜放入待处理的样品中，在室温下用超声波振荡萃取一定时间，取出萃取膜，置入5 mL 小试管中，加入1 mL乙腈，再在超声波作用下解吸一定时间，然后用GC-MS分析。3 结果与讨论3.1 PDMS/DVB固相微萃取膜制备的条件选择高分子反应涂层的原理是DVB在BPO的引发下发生聚合反应，形成的三维网状结构把PDMS包裹起来，因此，实验选择三种不同的PDMS/DVB质量比例，两种不同的交联固化温度进行膜的制备，将六种膜应用于邻苯二甲酸酯类化合物的萃取分析，由实验结果得到：将PDMS/DVB的质量比调为21，在150 下反应制备的膜具有最佳萃取效率。因此选择该条件制备的膜进行下一步实验。3.2 PDMS/DVB固相微萃取膜的性能表征用傅立叶变换红外光谱-红外显微镜联用仪对涂层的结构进行扫描分析，在谱图上已找不到1680-1620 cm-1段烯烃伸缩振动的特征吸收峰，说明DVB聚合反应已基本完全。然后用热重分析仪对涂层热稳定性进行测定，涂层在335 才开始失重，说明其热稳定性良好，且由失重曲线的一阶倒数可以知道涂层由两个物质组成，且质量比约为21，与投料比一致。最后用扫描电镜对涂层的表面及横截面进行扫描分析，可以知道涂层表面结构均匀，实际厚度约为302 m。3.3 PDMS/DVB固相微萃取膜分析水样中邻苯二甲酸酯类化合物的条件讨论3.3.1 萃取时间本文研究了萃取时间对萃取效率的影响，见图I。萃取时间是固相微萃取膜萃取中一个重要影响因素，萃取达到平衡时，萃取效率最高。萃取平衡时间主要取决于待测物在溶液中的扩散系数，扩散系数越大，达到萃取平衡需要的时间越短。DMP DEP DBP DEHP DOP图I 萃取时间对萃取效率的影响DMP DEP DBP DEHP DOP图II 解吸时间对解吸效率的影响从图I得出，DMP在60 min达到了最大萃取效率，DEP和DBP达到最大萃取效率的时间则更短，只需30 min，这可能是因为超声萃取加快了物质在溶液中的扩散速度。而DEHP和DOP在120 min内仍未达到萃取平衡。随着萃取时间的增加，DMP、DEP和DBP的峰面积开始下降。这是由于在达到平衡后的时间内，这些物质被分配常数较大的DEHP和DOP所替代，从涂层上再次解吸下来。综合考虑分析速度和方法灵敏度，选择30 min为萃取时间，对实际样品进行分析时，可根据被测物质的需要，调整萃取时间。虽然选取的时间未达到萃取膜的萃取平衡时间，但根据SPME的非平衡理论，待测物的萃取量与待测物在样品溶液中的初始浓度仍然成线性关系4。只要严格控制萃取条件，可保证有良好的重现性。3.3.2 解吸时间本文研究了解吸时间与解吸效率的关系，见图II。由于本文采取的是超声波解吸，所以待测物很容易从膜上脱附下来。从图上看，解吸时间的变化对5种邻苯二甲酸酯解吸效果的影响不同，5 min时4种邻苯二甲酸酯达到了最佳解吸效率，除DBP外。由于解吸过程也是动态平衡过程，综合考虑分析速度和灵敏度要求，实验选择5 min为解吸时间。3.3.3 溶液离子强度DMP DEP DBP DEHP DOP图III 溶液离子强度对萃取效率的影响在萃取液中加入5、10、20、36 g/100 mL(w/v)不同浓度的氯化钠，研究溶液离子强度对邻苯二甲酸酯类化合物萃取效率的影响，如图III。DMP DEP DBP DEHP DOP研究表明，DMP和DEP的萃取量随溶液离子强度的增加而增加，这是由于“盐析”效应的作用；而与“盐析”效应相反，DBP的萃取量随离子强度变化先增加再减小；DEHP和DOP的萃取量则随离子强度的增加而降低，这可能是由于以下三个方面的原因相互竞争造成的5：1.“盐析”效应降低待测物在水中的溶解度从而增加了吸附量；2.盐的加 入可能会改变涂层表面静态液态层的物理结构，从而降低了扩散速度，因此降低了吸附量；3.即使有很高的离子强度，但是邻苯二甲酸酯类化合物稳定的共扼结构使其不易受影响。这几种原因相互影响，相互竞争，因此对于不同的邻苯二甲酸酯类化合物有着不同的影响。为避免引入额外的污染，本文选择溶液离子强度为零。3.3.4 萃取溶液体积及萃取膜面积DMP DEP DBP DEHP DOP图V 萃取膜体积对萃取效率的影响DMP DEP DBP DEHP DOP图IV 萃取溶液体积对萃取效率的影响对于固相微萃取技术来说，其涂层的面积及厚度是固定的，这不易在其原有基础上提高分析灵敏度，但是固相微萃取膜萃取时可根据需要自由改变萃取膜面积或萃取溶液体积，由实验结果（图IV，图V）可以看出，随着萃取膜面积和萃取溶液体积的增加，其萃取效率是显著增大的，萃取膜的这一特点突破了固相微萃取涂层规格的限制，表现了良好的发展潜力。3.3.5 膜的反复萃取性能为了研究微萃取膜的使用寿命，本文使用同一张膜反复3次萃取，结果如图VI。可见，膜对DMP和DEP的萃取效率先降低再有所上升；而另外3种物质则是经多次萃取后对膜的萃取效率明显下降。这表明目前来说，固相微萃取膜较适合一次萃取。图VI 膜的反复萃取对其萃取效率的影响3.3.6 膜的残留情况本文同时还对解吸后待测物在萃取膜上的残留情况进行了实验，连续对同一张膜反复解吸3次，结果见图VII。从上图可以看出，经过第一次解吸，70 %的DMP、85 的DEP以及95 的DBP、DEHP和DOP已经从萃取膜上脱附下来，说明萃取膜上待测物的残留量低，可以提供较准确的分析结果。图VII 膜的残留情况3.4 线性范围，精密度和检出限在选定的实验条件下，用11 cm2面积的PDMS/DVB微萃取膜对254000 g/L范围内的5种邻苯二甲酸酯标准工作溶液进行萃取分析，萃取溶液体积为50 mL。根据峰面积与萃取量的关系作出5种邻苯二甲酸酯标准工作曲线，按IUPAC标准计算方法计算检出限，见表I。表I 线性范围，精密度和检出限DMPDEPDBPDEHPDOP线性范围 (g/L)25-100025-100050-100050-100025-1000相关系数R0.99420.99890.99940.99170.9980斜率B2.433.7526.3516.2011.45截距A88.4574.97-353.25-493.6585.39RSD (n=6)10.716.5检出限 (g/L)11.3513.6823.4222.9321.863.5 实际样品的分析在选定的实验条件下，剪取11 cm2大小的PDMS/DVB微萃取膜，对50 mL实际水溶液（北门珠江水样及西区湖水样）超声萃取30 min，然后用1 mL的乙腈解吸5 min，由GC-MS分析其中邻苯二甲酸酯类化合物的含量，同时作了回收率，分析结果见表II。表II 实际样品的分析检出物质江水湖水含量 (g/L)加标量(g/L)回收（n=3）（）RSD（）含量 (g/L)加标量(g/L)回收率(n=3)（）RSD（）DMPn.d*50.0082.515.957.8360.00112.413.3DEPn.d50.0085.216.541.1740.00108.912.5DBP90.18100.0079.621.4n.q*100.0086.516.6DEHP119.49120.0080.423.8n.q100.0090.315.2DOP71.0980.0082.720.6n.q100.0089.117.74 结论本文从PDMS/DVB固相微萃取膜制作条件的优化、膜的性能表征到影响膜萃取效率和解吸效率的条件进行了全面的探讨，建立了微萃取膜对环境水样中邻苯二甲酸酯类化合物的分析方法。方法的线性范围在251000 g/L之间，检出限为11.3523.42 g/L，RSD为10.7 %18.1 %。分析了实际江水样与湖水样，分别检出了3种和5种邻苯二甲酸酯类化合物，含量在41.17 g/L与119.49 g/L之间，回收率为79.6 %112.4 %，RSD为12.5 %23.8 %。固相微萃取膜是在固相微萃取的基础上发展起来的一个样品预处理方法，其制作成本很低，而且在实际应用时可以根据需要改变萃取膜面积的大小或样品溶液的体积大小以达到灵敏度的要求。此技术作为样品前处理的一种手段有良好的应用前景。参 考 文 献1 曹楠, 贺穗莉. 增塑剂的污染与防治. 化学教育. 2003. 2: 12.2 Penalver A, Pocurull E, Borrull F, et al. Determination of phthalate esters in water samples by solid-phase microextraction and gas chromatography with mass spectrometric detection. J Chromatogr A. 2000, 872(1-2): 191201.3 Penalver A, Pocurull E, Borrull F, et al. Comparison of different fibers for the solid-phase microextraction of phthalate esters from water. J. Chromatogra A. 2001, 922(1-2): 377384.4 Arther C, Pawliszyn J. Solid phase microextraction with thermal desorption using fused silica optical fibers. Anal Chem. 1990, 62(19): 21452148.5 Jinno K, Muramatsu T, Saito Y. Analysis of pesticides in environmental water samples by solid-phase micro-extraction-high-performance liquid chromatography. J Chromatogr A. 1996, 754(1-2): 137144.Preparation of PDMS/DVB Solid-phase Microextraction Membrane andits Application for the Determination of Phthalate Esters in Water SampleCongfang Lai Bifang