色谱  2017, Vol. 35 Issue (9): 907-911   PDF    
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叶江雷
一种富集海水中有机氯和菊酯类农药的船载式正压固相萃取装置
叶江雷     
厦门海洋职业技术学院, 福建 厦门 361102
收稿日期：2017-05-16
基金项目：2015-福建省海洋与渔业结构调整专项资金（闽财指[2014]1084号）；2015-度福建省海洋高新产业发展专项项目（闽海洋高新[2015]28号）；厦门海洋学院2013~2014-度院级教科研项目（2013zk/yb-3）
通讯联系人：叶江雷, E-mail:yejianglei@126.com
摘要：研制了一种正压驱动的新型固相萃取（SPE）装置以替代真空泵负压驱动SPE装置用于富集海水中的有机氯和菊酯类农药。与水样接触的采样瓶和管路均采用不含氯的塑料材质。整个装置的连接部分用螺母螺栓紧固，以保证密封性和牢固性。水样瓶内部的压力（0.1~0.3 MPa）由单片机和压力传感器控制的隔膜充气泵（12 V电池供电）提供，水样过柱的流速在4.0~6.0 mL/min之间。SPE柱预淋洗后储存4周内有效，采样后储存6周内回收率大于80%。方法的线性关系良好，相关系数均大于0.9，方法的定量限为0.8~6.0 ng/L，3个不同添加水平（n=3）的平均回收率为86.1%~95.5%，相对标准偏差小于10%。海水实际样品中均检出六六六（BHC）和滴滴涕（DDT）。该装置在富集海水中有机氯和菊酯类农药方面有较好的应用。
关键词：船载式    正压固相萃取    有机氯农药    菊酯类农药    海水    富集    
A novel ship-borne positive pressure solid phase extraction device to enrich organo chlorinated and pyrethroid pesticides in seawater
YE Jianglei     
Xiamen Ocean Vocational College, Xiamen 361102, China
Foundation item: Special Fund for Ocean and Fishery Structure Adjustment in Fujian Province in 2015 (Fujian Financial Index No. [2014]1084); Special Project for Ocean High-Tech Industry Development of Fujian Province in 2015 (Fujian Ocean High-Tech No. [2015]28); 2013-2014 Annual College Level Teaching Research Project of Xiamen Ocean Vocational College (No. 2013zk/yb-3)
Abstract: A novel solid phase extraction (SPE) device driven by positive pressure was developed instead of negative pressure from a vacuum pump, in order to enrich organo chlorinated and pyrethroid pesticides in seawater. The water sampling bottles and the pipelines which touch water samples were made of plastic material without chlorine. In order to ensure the sealing and firmness, the whole device were tightened with nut and bolt. The inner pressure (0.1-0.3 MPa) in the water sampling bottle was provided by the small air pump (powered by 12 V cell) controlled by a microprogrammed control unit (MCU) and pressure sensor to keep the water flow rate (4.0-6.0 mL/min). The pre-conditioned SPE column can be used for the enrichment of pesticides within four weeks, and the loaded SPE column can be eluted for detection within six weeks with recoveries greater than 80%. The linearity of the method was good with the correlation coefficient more than 0.9. The limits of quantification (LOQs) were 0.8-6 ng/L. The recoveries of the pesticides at three spiked levels (3 parallel samples) were 86.1%-95.5% with the relative standard deviations less than 10%. The benzene hexachlorides (BHCs) and dichloro-diphenyl-trichloroethanes (DDTs) were detected in seawater samples. The device has good application in enriching organo chlorinated and pyrethroid pesticides in seawater.
Key words: ship-borne     positive pressure solid phase extraction     organo chlorinated pesticides     pyrethroid pesticides     seawater     enrich    

海洋水体中有机污染物的数量是反映海洋污染状况的直接指标之一。农药等有机污染物在海洋水体中的浓度极低(约10-9), 超出了气相色谱等仪器的检出限量, 需要浓缩富集后才能被检出。

固相萃取(solid phase extraction, SPE)技术作为分析前处理的净化(纯化)过程在各类样品的农残检测中已经得到广泛应用; 而该技术在直接萃取和富集水体中弱极性有机污染物等方面的应用在近几年得到较为长足的进步[1-6], 国内也有这方面的研究和应用[7-10], 但多采用的是负压SPE技术, 关于正压SPE技术的应用报道尚少。

水体中有机污染物(如农药等)含量的检测通常是先将采集到的水样运回实验室, 然后进行负压SPE富集、洗脱、净化和测定。由于采样的前期准备、海上采样过程以及样品运输的环节众多, 因此, 运输和储藏的工作量以及所需设备资金的投入大, 且在运输和储藏过程中水样的成分和性质也可能发生变化。如果改变SPE操作方式并调整采样顺序, 即:将前处理的富集过程前移至采样阶段, 在采样船走航过程中同时进行水体中有机污染物的正压SPE富集, 再将SPE小柱运回实验室进行洗脱、净化和检测, 则采样前仅需做活化SPE小柱和简单封装等准备工作, 从而减少了采样前的准备和样品运输等工作以及相应的成本。

本文在文献[8]的基础上, 建立了一种用于富集水样中有机污染物的船载式正压SPE装置。

1 实验部分
1.1 仪器、试剂与标准溶液

Agilent 6890气相色谱仪(Agilent Technologies公司, USA), 配电子捕获检测器(μECD); 自制正压SPE装置(见图 1); 正己烷、丙酮、乙腈均为农残级(Tedia公司, USA); Waters HLB柱(500 mg/6 mL, Waters公司, USA)、LC-NH2柱(500 mg/3 mL, Supelco公司, USA); α-666 (α-BHC, 1 mg/L)、β-666 (β-BHC, 1 mg/L)、γ-666 (γ-BHC, 1 mg/L)、δ-666 (δ-BHC, 1 mg/L)、八氯二丙醚(S421, 0.8 mg/L)、氟虫腈(fipronil, 1.7 mg/L)、α+β-硫丹(α+β-endosulfan, 1.7 mg/L)、p, p′-DDE (1.3 mg/L)、p, p′-DDD (1.3 mg/L)、o, p′-DDT (1.5 mg/L)、p, p′-DDT (1 mg/L)、甲氰菊酯(fenpropathrin, 3 mg/L)、三氯杀螨醇(dicofol, 3 mg/L)、氯氰菊酯(cypermethrin, 3 mg/L)和氰戊菊酯(fenvalerate, 3 mg/L)农药标准液均购于中国标准技术开发公司标样开发部; 将农药各标准液混合后再逐级稀释配制成不同浓度的混合标准液。

图 1 自制正压SPE装置 Fig. 1 Self-made positive pressure SPE device A: SPE cartridge; B: inflator; C: microcomputer unit, MCU; D: water sample bottle; E: pressure sensor.
1.2 正压SPE装置原理与操作方法

由于实验室常用玻璃材质的负压SPE装置具有易碎、负压接合易松脱等缺陷, 无法将其直接应用于航行中颠簸的采样船上。虽然正压SPE方式应用于提取液过柱或洗脱净化过程较为常见, 但应用于驱动大量水样进行固相萃取, 富集其中的有机污染物还较为少见。本文制作的正压SPE装置示意图见图 1, 该装置由压力传感器和单片机(MCU)控制下隔膜充气泵提供的压缩空气以保持水样瓶上部空间的压力。

操作方法:灌装待处理水样1 000 mL于水样瓶(D)中, 将已经预淋洗的SPE柱(A)按照图 1连接(注意连接部位的密封性)并固定于支架上; 打开总电源和MCU (C)电源; 当压力传感器(E)测得D上端的空气压力小于设定值时, 则C启动隔膜泵(B)给D充气加压; 当E测得D上端的空气压力大于或等于设定值时, 则C停止B。设定值的大小可由C上的电位器进行调节。

1.3 水样的处理过程

SPE柱的预淋洗[8](实验室操作):在实验室(室温, 约20 ℃)将下列溶液按顺序常压下过Waters HLB柱:① 8 mL甲醇、② 5 mL丙酮-正己烷(1：1, v/v)、③ 5 mL乙酸乙酯、④ 5 mL甲醇、⑤ 10 mL超纯水, 然后真空包装(保持填料湿润状态), 于4 ℃的冰箱中储存(运输途中储存于带冰块的泡沫保温箱), 待用。

上水样(现场操作):在现场灌装过滤后的待处理水样1 000 mL, 在船舱内通风处(约30 ℃)按图 1安装好水样瓶与Waters HLB柱以及相关管路; 调节气泵压力, 使水样过柱的流速在4.0~6.0 mL/min之间[5]; 水样流净后, 直接装入自封袋后储存于带冰块的保温箱中, 运回实验室后保存于4 ℃的冰箱中, 待洗脱。

净化柱的预淋洗[8] (实验室操作):在实验室将下列溶液按顺序过LC-NH2柱:① 3 mL丙酮-正己烷(1：1, v/v)、② 3 mL乙酸乙酯, 流速以逐滴流下为宜。

SPE柱的洗脱与净化[8] (实验室操作):在实验室将Waters HLB柱(先以N2吹干柱中水分, 约10 min)和LC-NH2柱串联, 按顺序将下列溶液过柱:① 3 mL乙腈、② 10 mL丙酮-正己烷(1：1, v/v)、③ 10 mL乙酸乙酯; 抽干溶剂。以上溶液全部收集后用N2吹至近干, 以丙酮-正己烷(1：1, v/v)定容至0.25 mL (浓缩约4 000倍), 待测。

1.4 色谱条件

HP-5毛细管色谱柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm), 载气为高纯氮气(纯度99.999%), 进样口温度260 ℃, 压力49.6 kPa, 恒流1.2 mL/min, 不分流进样, 进样量1 μL, μECD温度300 ℃, 尾吹气流速25 mL/min。程序升温:初始温度100 ℃ (保持0 min), 以45 ℃/min升温至180 ℃ (保持2 min), 以25 ℃/min升温至280 ℃ (保持12 min)。以混合标准液为定量标准, 换算为水样中农药的含量。在上述条件下, 农药混合标准液、添加混合标准液的水样、空白水样的色谱图见图 2。

图 2 (a)农药混合标准液、(b)添加农药混合标准的水样和(c)空白水样的色谱图 Fig. 2 Chromatograms of (a) a mixture of pesticide standards, (b) water sample spiked with pesticide standards and (c) a blank water sample 1. α-BHC; 2. β-BHC; 3. γ-BHC; 4. δ-BHC; 5. S421; 6. fipronil; 7. α+β-endosulfan; 8. p, p′-DDE; 9. p, p′-DDD; 10. o, p′-DDT; 11. p, p′-DDT; 12. fenpropathrin; 13. dicofol; 14. cypermethrin; 15. fenvalerate.
2 结果与讨论
2.1 密封性、流速与压力的调节

由于SPE实验装置为内腔正压, 整个装置的连接部分以螺栓螺母紧固以保证其在采样船走航期间的密封性和牢固性。

不同Waters HLB柱(以下简称:SPE柱)填料装填致密性有差异, 为保证水样过柱的流速为4.0~6.0 mL/min, 经实测水样瓶上端空气压力保持在0.1~0.3 MPa为宜, 压力的大小由传感器与单片机断续开关隔膜充气泵控制, 压力的微调可以由单片机上的电位器调节。

2.2 驱动电源与充气泵

本文建立正压SPE装置的目的在于在采样船走航时采集水样并富集样品中的有机污染物。装置的驱动电源采用船只常用的12 V或24 V铅蓄电池。其中:直流电动隔膜泵的启动电流较大, 无法以单片机上的小电流直接供电, 应以间接控制大电流的继电器来控制隔膜泵的通断。

从隔膜泵(充气泵应当选择无油泵)泵出的气体可能含有润滑油或橡胶成分, 这些物质易被HLB材料吸附而严重干扰目标物的净化和检测, 因此, 出气口应当直接插到采样瓶上端的空腔中, 以防泵出的空气通过水样; 还可通过空白试验检验干扰存在与否。另外, 残留在SPE柱中的水分应当在实验室中以纯氮气吹干。

2.3 材料的选择

文中SPE装置采集的目标物包括含氯的有机农药, 因此, 本装置与水样接触的采样瓶、连接件和所有的管路均应当使用不含氯的聚乙烯(polyethylene)、聚丙烯(polypropylene)塑料材质。

2.4 SPE柱的储存时间
2.4.1 预淋洗后

取7支SPE柱, 将它们按1.3节步骤预淋洗, 真空包装, 在4 ℃的冰箱中分别储存1天、2天、3天、1周、2周、3周、4周后, 各支SPE柱以1 000 mL高纯水(各添加10 μL混合标准溶液)为样品, 按照1.3节的步骤立即做富集、洗脱和净化处理, 检测, 结果表明:预淋洗后储存不同时间的SPE柱所富集水样中的各种农药回收率随着储存时间的推移没有出现明显的变化, 均在90%~95%之间。

2.4.2 采样后

取7支预淋洗后的SPE柱, 立即分别以7份1 000 mL高纯水(各添加10 μL混合标准溶液)为样品做SPE柱富集, 然后将这7支SPE柱在4 ℃的冰箱中分别储存1天、1周、2周、4周、6周、8周和12周, 按1.3节步骤进行洗脱和净化处理, 检测, 计算水样中各种农药目标物富集在SPE柱上后储存不同时间后的回收率, 结果见图 3。

图 3 农药回收率与SPE柱储存时间的相关性 Fig. 3 Relationship between recoveries of pesticides and storage times of SPE cartridges

从图 3可以看出:添加的各种农药的回收率总体呈现随储存时间的增加而逐渐下降的趋势, 如第1周内的回收率高于90%, 回收率基本没有变化; 第2~4周回收率在85%以上; 第6周以后的回收率多数低于80%;此后的回收率则更低。这说明农药目标物的回收率虽然随着SPE富集后储存时间的延长回收率下降明显，但储存6周的回收率仍然在80%以上，实用性较强。

2.5 标准曲线与仪器的检出限

将不同体积的农药混合标准工作液分别添加至1 000 mL取自厦门大学海洋楼(曾呈奎楼)取水口的海水中, 配制相应的待测水样, 按1.3节的步骤进行预处理, 按1.4节的步骤进行检测, 换算为海水中的浓度, 得出相应的线性范围(见表 1), 线性方程的相关系数(R2)均大于0.9。以3倍噪声确定各种目标农药的检出限(LOD), 以10倍噪声确定定量限(LOQ), 结果(见表 1)与文献值[8]基本相当。

表 1 农药的线性范围、相关系数、检出限与定量限 Table 1 Linear ranges, correlation coefficients (R2), LODs and LOQs of pesticides
2.6 加标回收率和精密度

以取自厦门大学海洋楼取水口的海水样为基底, 以3种不同浓度的添加水平(见表 2)分别将农药混合标准工作液添加于1 000 mL水样中(做3份平行样), 再分别按1.3节的步骤进行预处理, 按1.4节的步骤进行检测, 计算平均回收率和相对标准偏差(见表 2)。从表 2中可以看出, 不同添加水平的农药的回收率在86.1%~95.5%之间, 相对标准偏差＜10%。

表 2 目标农药在海水中的加标回收率与相对标准偏差(n=3) Table 2 Recoveries and RSDs of target pesticides spiked in seawater (n=3)
2.7 实际海水样品的测定

以小型机船为采样平台, 在九龙江出海口的8个采样点共采集20个海水样品。在颠簸的船上, 用本文建立的采样方法直接富集海水中的有机氯及菊酯类农药, 其中被检出农药品种及含量范围(ng/L)分别为:α-BHC (1~23)、β-BHC (4~80)、γ-BHC (2~5)、δ-BHC (3~105)、p, p′-DDE (3.5~35)、p, p′-DDD (2.5~12)、o, p′-DDT (3.5~8)、p, p′-DDT (3~6), 其他农药品种未检出。

2.8 存在的问题

制作和装配SPE装置时存在的问题主要集中在采样瓶与SPE柱连接部分装配较为烦琐, 易出现漏液的现象。如果将管路与水样品瓶做成一体化设计、以直插紧扣方式将SPE柱与水样品瓶口相连接, 则可以简化现场装配和改善漏液问题。这将是我们下一步的研究方向。

3 结论

本文设计了可在采样船走航期间采集水样、富集水样中有机物污染物的正压SPE装置。该装置首先在实验室完成SPE柱预淋洗等步骤, 然后在现场富集水样中的有机污染物, 最后将SPE柱带回实验室完成洗脱、净化和检测等过程。其中, 驱动水样流过SPE柱的正压由蓄电池带动的隔膜泵提供, 压力大小由传感器和单片机控制。通过应用正压SPE装置, 可将水样中有机污染物的富集步骤前移至船上完成, 避免在运输、储藏环节中可能发生的待测组分变质、变化等情况，真实反映现场水样中有机污染物可能被污染的状况；减少水样运输、储藏所需的操作环节、设备等的资金投入。通过实验验证, 线性范围、检出限、加标回收率和精密度等指标与文献值相当。本装置在实际海水样品的富集和检测中获得了较好的应用。

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