一种基于分散液液位萃取发展的使用离子液体对水样中多环芳烃进行分析的方法.docx

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一种基于分散液液位萃取发展的使用离子液体对水样中多环芳烃进行分析的方法

马修女佩纳,马卡门卡赛斯,马卡门梅胡托,拉斐尔切拉

分析化学系,营养与食品科学,食品研究和分析,圣地亚哥德孔波,15782圣地亚哥德孔波斯特拉,西班牙大学。

文章信息:

文章历史:

收稿日期2009年4月15日

修订日期2009年7月9日

接受于09年7月17日

网上提供XXX

关键词:

多环芳烃、离子液体、分散液液萃取、水质分析、液相色谱

摘要:

一种简单,快速,有效的基于离子液体-分散液液微萃取（IL-DLLME技术第一次测定了水样中18种多环芳烃（PAHs的含量。

离子液体（1-辛基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐与可以从多环芳烃样本基质中提取的分析物之间的化学亲和力使他们能够富集起来。

因此,这种技术结合了提取、浓缩分析物为一体,避免了使用有毒的氯化溶剂。

影响萃取效率的因素,比如离子液体的类型和体积,分散剂的类型和体积,萃取时间,分散步骤,离心时间和离子强度等都得到了优化。

萃取物的分析采用高效液相色谱法（HPLC与荧光检测器（Flu。

该优化方法呈现良好的精确度,只有1.2%到5.7%的标准偏差值。

对所有这些考虑的化合物,其检测限（在0.1到7ngL−1之间都低于欧盟建议的限制。

分散液液微萃取对不同化合物的萃取率介于90.3%至103.8%之间。

此外也实现了较高的富集因子（301-346。

该优化方法的萃取率与液液萃取作比较。

1.导言

有必要在环境管制法例中列出一些多环芳烃的毒性性质[1,2]。

许多环保机构为了保护环境和人类健康,将饮用水和天然水中多环芳烃限制在非常低的水平。

在饮用水方面,美国环境保护署（EPA和世界卫生组织（WHO建议例行监测苯并[a]芘（B[a]P.美国环保局规定,其最高浓度不得超过200ngL−1[3],而世界卫生组织规定的苯并[a]芘的最高容许浓度为700ngL−1[4]。

除了到B[a]芘,欧盟的指令98/83/EC[5]的规定苯并[b]荧蒽（B[b]F,苯并[k]荧（B[k]F,苯并[g,h,i]苝（B[g,h,i]P和.茚并[1,2,3-C类,D]芘（I[1,2,3-c,d]P。

最高污染物水平值分别定为,对剧毒B[a]P为10ngL−1,对剩余的多环芳烃的总量为100ngL−1。

欧盟也对浅水域的不同类型下的这类化合物制定了非常严格的限制。

对B[a]P的限制是年平均值为50ngL−1、最高容许浓度为100ngL−1。

对B[b]F–B[k]F

和B[g,h,i]P–I[1,2,3-c,d]P的年平均值和最高容许浓度分别限制在30ngL−1和2ngL−1,作为。

萘（Naph,1200ngL−1,荧蒽（Flt,100ngL−1和蒽（Anth,100ngL−1也包括在这个指令中。

美国环保局和欧盟制定了水中低浓度多环芳烃的常规量化,这需要高效合理的分析方法的发展。

这些化合物通常用液液萃取（LLE[8,9]和固相萃取（SPE[10]两种方法从水样中提取。

然而,现在分析化学的趋势是简化样品的制备。

因此,在过去几年里,微技术在辨别多环芳烃方面正发挥着重要的作用。

固相微萃取（SPME[11],搅拌吸附萃取（SBSE[12]和液相微萃取（LPME[13,14]已经替代了传统的LLE和SPE技术。

作者通讯方式.电话:

+34981563100;传真:

+34981547141.

E-mail地址:

rafael.cela@usc.es（R.Cela.

最近,一种简单而又快速的富集和微萃取方法—分散液液微萃取（DLLME正在兴起[15]。

它基于三元溶剂体系。

DLLME采用高密度溶剂（萃取和水溶性极性溶剂（分散的混合物。

丙酮,甲醇和乙腈作为分散剂,而氯化溶剂（如氯苯,四氯化碳（CCl4,四氯乙烯（C2Cl4通常作为萃取剂[16]。

适当混合后,萃取剂被注入到含有分析物的水样当中。

萃取剂以雾状小液滴的方式分散到水样当中。

由于在萃取剂和水样中有相当大的表面积,可以迅速的到达平衡状态。

将浑浊的溶剂离心之后,可以用仪器分析[15,17]测定沉淀相中的分析物.

DLLME与常规溶剂萃取法相较有许多优势:

运行快速,不需要大量的有机萃取剂,时间短花费少,易于与多数分析方法[15]联系。

因此,自推出以来,DLLME亦经常用于测定液体样品中的有机污染物。

包括水样中的多环芳烃[15],有机磷酯[16],邻苯二甲酸酯[17]和芳香胺[18]。

另一方面,由于需要找到对环境有害的挥发性有机溶剂的替代品,人们广泛的调查了新的样品制备方法。

因此,离子液体（ILs由于其在分析化学多个领域中的优异性能和潜在的应用而受到更多的关注[19]。

离子液体具有较高的热稳定性,很低的蒸汽压,可调节的粘度,与水和有机溶剂良好的互溶性,使他们成为对环境不友好的溶剂的替代品[20,21]。

因为这些特性,离子液体被称作绿色溶剂,并在分析中得到应用[22],其中包括一些萃取过程,如液相微萃取（LPME[14,23],固相微萃取（SPME[24]和单滴微萃取（SDME[25]。

DLLME已被用于萃取水样中不同的有机化合物,如芳香胺[18,26]、杂环类杀虫剂[27]和有机磷农药[28]。

Rezaee等人报道[15]了DLLME技术在测定水样中多环芳烃方面的应用使用含

氯溶剂（C2Cl

作为萃取剂,离心后,使用气相色谱法与火焰离子化检测器耦合

（GC–FID测定。

DLLME与IL的联合提供了额外的好处--用高效液相色谱法得到可直接分析的萃取物,同时避免使用有毒的氯化溶剂。

本研究的目的是优化和验证IL-DLLME方法对水样中18种多环芳烃的萃取（Naph,acenaphthene（Ace,fluorene（Flu,phenanthrene（Phe,Anth,Flt,pyrene（Pyr,benz[a]anthracene（B[a]A,chrysene（Chry,5-methylchrysene（5-MC,benzo[e]pyrene（B[e]P,B[b]F,B[k]F,B[a]P,dibenzo[a,l]pyrene（DB[a,l]P,dibenz[a,h]anthracene（DB[a,h]A,B[g,h,i]P和I[1,2,3-c,d]P。

在不同的实验参数下（例如:

离子液体,分散剂,萃取时间,离子强度等对样品制备步骤进行考察、优化工作条件。

此外,该优化方法的萃取率与以前报道的LLE方法[9]作比较。

据我们所知,IL-DLLME技术迄今还没有应用于水样中多环芳烃的萃取。

最后,测定一些实际饮水和环境水域（自来水,瓶装水,喷泉,井水,河水,雨水,原废水以及处理后废水中的多环芳烃来测试该方法的适用性。

2.实验

2.1.试剂,标准和材料

有聚四氟乙烯衬里并配有盖子的锥形玻璃管（15毫升从Afora（西班牙巴塞罗那收购,Supelco（贝尔丰特,宾夕法尼亚州,美国提供了100μL汉密尔顿微型注射器。

使用了包括梯度控制器（沃特斯,米尔福德,马萨诸塞州,美国、荧光检测器（惠普1100系列,安捷伦,Waldbrom,德国、600E的泵的高效液相色谱分离的系统。

该注射器（进样模式7725i,科塔蒂,加利福尼亚州,美国配有了20μL的套。

分析柱温度控制的一元温度计9540烤箱,（Metachem,托兰斯,加利福尼亚州,美国.分析柱是250mm×4.6mmI.D.WatersPAHC18柱（粒径5μM。

用一个Watersguardpak和Nova-PakC18inserts来保护分析柱（都是从Waters处购买。

安捷伦化学工作站软件（Rev.A.06.03[509]用来采集数据。

一台Unicent（Orto-Alresa,马德里,西班牙离心机用来离心浑浊的水溶液。

从SelectaUltrasounds处选择购买了一台超声波水浴（巴塞罗那,西班牙。

涡轮汽化自动氮蒸发器（Zymark,霍普金顿,美国马萨诸塞州用来蒸发获得提取物。

1-己基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐（[C6MiM][PF6]（99%和1-辛基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐（[C8MiM][PF6]（98+%从AcrosOrganics（Geel,比利时处购买。

1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸（[C4MiM][PF6]（96+%从Sigma–Aldrich（马德里,西班牙处购买。

乙腈和甲醇（梯度级,LiChrosolv,二氯甲烷（DCM,丙酮（Suprasolv和异丙醇（分析级从Merck（达姆施塔特,德国处购买。

通过aMilli-Q系统制作的超纯水由Millipore（贝德福德,马萨诸塞州,美国提供。

无水硫酸钠由Panreac（巴塞罗那,西班牙提供.氯化钠（NaCl由Prolabo（丰特奈苏布瓦,法国提供。

EPA-610多环芳烃混合物和B[e]P（固体,98.5%由Supelco提供。

5-MC（10μgmL−1和DB[a,l]P（10μgmL−1由EhrenstorferGmbH博士（奥格斯堡,德国提供.Durapore过滤器（MillexGV,13mm,0.22μm,玻璃纤维过滤器和0.45μm微孔膜由Millipore提供。

2.2.样品

选出用9个水样来验证优化方法。

其中包括自来水,瓶装水,喷泉水,井水,雨水,两个受污染的河水,处理过的废水和原废水。

自来水从我们自己的实验室收集,是龙头开了10分钟后收集的。

瓶装水是从本地市场买到的。

喷泉、井水、河水和雨水,是从加利西亚（西班牙西北部的不同地点采集的。

经处理后的废水、原废水也是从加利西亚的污水处理厂（WWTP得到的。

所有样本收集在棕色玻璃瓶中,存放在4℃的黑暗条件下,并在采集到的48小时之内分析。

经处理后的废水,原废水首先通过玻璃纤维过滤器,并通过0.45μm的微孔膜。

应当强调的是,为了避免在存储和操作过程中多环芳烃和回收率的损失,应在存放的容器的容器中提前加入10%（v/v的丙醇。

2.3.样品制备

2.3.1.DLLME程序

在最终优化条件下,将含10%（v/v丙醇的10毫升水样转移到锥底玻璃管

中。

将包含50μL[C8MiM][PF6]（萃取剂的1毫升丙酮用微管迅速注入（分散剂分析系统中。

应该指出的是,因为[C8MiM][PF6]太粘稠,不可能用注射器将其完全转移,应在萃取混合物前在分析天平上称重。

混合物的注入会使样品溶液浑浊。

然后将其冷却在冰水中2分钟,以加强多环芳烃从样品溶液中到[C8MiM][PF6]微小液滴的萃取。

微萃取过程的最后一步是离心（5分钟,4000转,收集分散在锥形试管底部的离子液体。

上层水相用巴斯德吸管转移,沉淀相的体积（27±1μL用100μL的微型注射器来测量。

离子液体提取物太粘稠,不能直接注入到高效液相色谱系统中,因此将其用甲醇稀释至0.5毫升。

然后,提取物通过0.22μmDurapore过滤,取20μL注入高效液相色谱系统中。

2.3.2.LLE程序

一些水样本（井水、雨水和原废水中的多环芳烃也用以前报道过的液液萃取方法[9]分析。

简单地说,LLE过程涉及使用二氯甲烷,然后用无水硫酸钠干燥有机提取物,使提取物在氮气流下,最后改用乙腈溶剂。

2.4.色谱分离

二元溶剂系统中的乙腈和水在1.5mLmin-1处色谱分离。

梯度洗脱程序如下:

初始条件,50%乙腈3分钟,然后线性增长17分钟至100%乙腈,并保持8分钟。

柱温为35℃。

检测选定的荧光波长能获得更高的灵敏度和最小的干扰。

激发/发射（纳米波长设置如下:

Naph是267/330;Ace和Flu是275/315;Phe是247/357;AnthFlt和Pyr;是238/418;B[a]A,Chry和5-MC是286/410;B[e]P,B[b]F,B[k]F,B[a]P,DB[a,l]P,DB[a,h]A和B[g,h,i]P是294/425;I[1,2,3-c,d]P是245/500。

3.结果和讨论

DLLME程序的萃取率取决于一些重要的实验参数,这些参数应当被研究清楚。

对加入有机溶剂的影响、萃取剂的类型和体积,分散剂的类型和体积,盐效应的影响,萃取时间和离心时间都进行了研究。

使用富集因子（EFS和萃取回收率评价上述列举的因素。

EFs被定义为在稳定阶段每种化合物的浓度和水样中分析物的初始浓度的比率。

Efs作为产品的回收率为积淀相的体积和水样体积的比乘以100。

优化的IL-DLLME的条件是使用超纯水,在1到15μgL−1间增大PAHs浓度,这决定于物质的种类,每个数据点由三个平行样取平均值。

图1.在优化条件下不同提取模式中在超纯水中加入一些有代表性的多环芳烃的回收率。

IL-DLLME条件是10mL包含10%（v/v异丙醇的水样;1毫升丙酮作为分散剂,100μL[C8MiM][PF6]作为萃取剂,在4000转离心5分钟,括号内的值对应的固定相的体积;。

为一式三份提取数据;

a2min。

3.1.分散液液位萃取的操作条件

3.1.1.操作参数

IL-DLLME被称作是快速的方法。

其中比较耗时的步骤通常是萃取和样品溶液的离心。

因此,首先针对这两个参数进行研究,以减少实验时间。

在IL-DLLME方法中使用不同的萃取方法进行了一系列的实验。

图1用手摇、冰水浴、听任不管和超声波比较回收价值。

手工摇晃,超声和冰水浴获得了更好的萃取效果。

因此,在简单和低成本的条件下,后面的实验中样品溶液在冰水浴中冷却。

萃取涉及到与时间相关的目标化合物从水相到离子液相的转移过程。

因此,萃取时间是萃取程序中的重要因素,特别是在微萃取中,如固相微萃取和液相微萃取。

在这个实验中,萃取时间是指从含有丙酮-[C8mim][PF6]的水样投入到冰水中直到开始离心的时间。

为了获得最佳的萃取时间,在0,1,2,5,10,20,30和40分钟内分别进行了实验。

其他实验条件是,10ml含10%（v/v异丙醇的水,1ml丙酮作为分散剂,100μl的[C8mim][PF6]作为萃取剂,离心5分钟（4000转。

结果表明,萃取在2分钟内达到平衡,更长的萃取时间不会明显的影响萃取效率。

在后面的实验中,浑浊的溶液在离心前放入冰水中水浴2分钟。

离心在分离过程中也发挥了重要的作用。

在这个过程中,离子液体在锥形管的底部。

为了研究离心时间,萃取后,在4000转的条件下,分别离心5,10和20分钟进行测试。

离心5至20分钟取得了相似的结果。

因此,选取较低的值（5分钟来加快样品的准备。

另一方面,离心时间低于5分钟得到的结果并不令人满意。

图2.在IL-DLLME方法的富集因素下加入不同有机溶剂的影响。

10毫升水使用1毫升含有50μL[C8MiM][PF6]的丙酮。

在冰水中水浴2分钟萃取,离心5分钟（4000转。

平均为n=3个重复。

括号内的值对应的稳定相的体积;EFS,富集因素;i-PrOH,异丙醇,丙烯腈,乙腈,甲醇,甲醇。

在多环芳烃萃取方法的发展过程中,另一个重要的方面是它们强烈的吸附在

容器的表面,这是因为其高疏水性和污染物在储存中相当大的损失的结果。

加入10%至40%（v/v的有机溶剂[30]（如乙腈,异丙醇或甲醇可以阻止吸附,但是,对于IL-DLLME过程效率的影响必须要考察清楚。

为了评估这个效果,在本文献中采用了不同的溶剂（甲醇,乙腈,异丙醇。

IL-DLLME分析10ml由超纯水和10%（v/v前面提到的溶剂混合的液体。

数据对比显示,异丙醇（91–101%、乙腈（88–103%和甲醇（79–102%有类似的回收价值。

但是,异丙醇获得了更低的沉淀相体积和更高的Efs（图2.,因此,异丙醇被选出来进行下面的实验。

用不同百分比的异丙醇进行分析,用来评价其在IL-DLLME进程领域的作用。

强化水样加入异丙醇（0%,5%,10%,15%和20%（v/v后在IL-DLLME里进行分析。

结果表明,异丙醇浓度是一个重要参数。

可以看出,在表1中,大部分分析物的回收率随着异丙醇浓度而增加,可能是因为异丙醇的加入降低了多环芳烃在试管表面的吸附。

另一个可能的原因是,异丙醇的加入提高了多环芳烃从水样到离子液体的扩散速度。

但是,在异丙醇超过10%之后,回收率和沉淀相体积都会降低。

这个现象可能是由于多环芳烃在异丙醇-水混合物中溶解度的增加和在离子液体中多环芳烃分区的减少。

考虑到这些结果,在接下来的试验中,允许加入的异丙醇的最高比例为10%（（v/v。

3.1.2.萃取剂的类型和体积

为了达到良好的回收率、良好的EFS和目标化合物的选择性,适当的萃取剂的选择在DLLME过程中起着主要的作用。

因此需要研究和优化溶剂的种类和体积。

萃取剂应具有在水中的低溶解性、对研究者感兴趣的化合物的萃取能力、密度高于水,在色谱下的良好表现的特点。

大多数卤化溶剂在DLLME的应用具有上述所有特点,但这些化合物都有剧毒,应用并不理想。

离子液体是DLLME程序中传统的有机氯溶剂的一种良好高效的替代物。

在这项研究中,三种离子液体[C4MiM][PF6]（密度1.36gmL−1,[C6MiM][PF6]（密度1.29gmL−1和[C8MiM][PF6]（密度1.22gmL−1作为萃取剂进行比较。

1-烷基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐的烷基部分对其物理和化学性质有着重大的影响,如密度,粘度,溶解度[31],这可能会影响目标分析物的萃取率。

为了评估萃取剂的效果,一系列的样品溶液用含有100μL离子液体的1毫升丙酮来测试。

[C6MiM][PF6]和[C8MiM][PF6]并没有显著性差异,而[C4MiM][PF6]作为萃取剂时只有很低的回收率（29.6–48.9%（数据未显示。

此外,沉淀相体积低于5μL时会引起可预见的困难,并在其用微型注射器转移时引起系统误差。

初步实验表明,在最大限度的回收多环芳烃的条件下,萃取步骤（冰水浴是非常重要的。

因为在分析过程萃取步骤中包括冰水浴时,[C6MiM][PF6]和[C8MiM][PF6]提供了同样令人满意的结果,所以没有将两者明确的区分。

因此,在第二个系列实验中,[C6MiM][PF6]和[C8MiM][PF6]的萃取能力在缺少冰水浴萃取步骤的情况下评估。

要做到这一点,用1ml含有100μL每种离子液体的丙酮来萃取10ml的水样。

萃取剂的注入会使样品溶液浑浊,样品溶液在4000转下离心5分钟。

由图3.可以看出,当没有冰水浴的萃取步骤时,[C8MiM][PF6]（67.5–87.7%比[C6MiM][PF6]（21.0–41.9%有更高的萃取率。

考虑到密度和1-烷基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐的水溶性由于1-烷基的加长而减少,疏水性化合物如多环芳烃表现出更多的对[C8MiM][PF6]的亲和力,所以选择[C8MiM][PF6]作为最终的萃取剂是合理的。

因此,对[C4MiM][PF6]不做进一步的考虑。

表1.

不同体积的有机溶剂取得的回收率±标准偏差（%。

9mL的水（加入不同体积的有机溶剂加入1mL含有50μL[C8MiM][PF6]的丙酮的数据。

在冰水浴中提取2分钟;离心5分钟（4000转,n=3重复。

稳定相体积;i-PrOH;异丙醇。

图3.在注入超纯水的IL-DLLME中萃取剂对一些有代表性的多环芳烃恢复的影响。

用10mL水样（10%（v/v异丙醇,50μL离子液体和1mL丙酮作分散剂。

在4000转离心5分钟后,萃取分一式三份;[C8MiM][PF6],1-辛基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐;[C6MiM][PF6],1-己基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐。

萃取剂的体积是另一个可能影响萃取率的重要因素。

为了检验萃取剂体积的影响,不同体积的离子液体被注入到相同的IL-DLLME程序中。

因此,为了研究离子液体体积对萃取效率的影响,使用了1ml含不同量[C8MiM][PF6]（20,30,40,50,60,80和100μl的丙酮。

[C8MiM][PF6]的体积确定了样品溶液浑浊状态的发生与否。

因而,

[C8MiM][PF6]的体积为20μl时,混合物均匀而透明,在离心后也没有固定相沉积在锥形管的底部。

低于30μl的体积不能发生相分离。

图4.描述了一些有代表性的多环芳烃的萃取率与萃取剂的体积。

可以看出,当[C8MiM][PF6]的体积由30μl上升至50μl时,回收率随之逐渐增加,在50到100μl时保持不变,这表示了在这样的条件下的定量萃取和多环芳烃的高分配系数。

显然,如果把萃取剂的体积从50μl提升至100μl,沉淀相的体积也会提高（27-81μl。

因此,富集因素从300–334降低到99–123。

所以选取50μl的[C8MiM][PF6]作为最佳萃取剂剂量。

这样能获得高富集系数、低检出限和良好的复原性,同时使萃取回收和操纵变得简单。

图4随超纯水注入IL-DLLME系统中的1-辛基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐对一些有代表性的多环芳烃回收的影响。

提取条件:

10毫升水（10%（v/v异丙醇,1mL包含不同体积离子液体的丙酮,在冰水浴中萃取2分钟,然后在4000转离心5分钟。

一式三份取均值。

3.1.3.分散剂的种类及体积

当快速注入的水样中有分散剂时,萃取剂会分散成小液滴。

因此,分散剂与萃取剂（离子液体的相对相容性和水相对分散剂的选择性影响最大。

丙酮,乙腈和甲醇都表现出很好的性能,并被选作分散剂。

然后对这些溶剂对IL-DLLME性能的影响进行了研究。

为此,研究用了一系列的样品溶液--1mL其中包含50μl[C8MiM][PF6]的每种分散剂的溶液。

实验数据并没

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