漂浮液滴固化分散液液微萃取与高效液相色谱联用检测环境水样中的3种烷基苯酚

付 博, 张吉苹, 周 璐, 姜 晖

(1. 南京林业大学化学工程学院, 江苏 南京 210000; 2. 江苏瑞达环保科技有限公司, 江苏 盐城 224400)

研究论文

漂浮液滴固化分散液液微萃取与高效液相色谱联用检测环境水样中的3种烷基苯酚

付 博1, 张吉苹2*, 周 璐2, 姜 晖2

(1. 南京林业大学化学工程学院, 江苏 南京 210000; 2. 江苏瑞达环保科技有限公司, 江苏 盐城 224400)

建立了漂浮液滴固化分散液液微萃取(DLLME-SFO)方法,以脂肪酸作为萃取剂,以甲醇作为分散剂,与高效液相色谱联用检测了环境水样中3种烷基苯酚。对影响前处理方法的因素进行了详细考察,在最佳萃取条件(60 μL萃取剂辛酸、600 μL分散剂甲醇、pH值为2.0～8.0、10 mL水样中加入0.5 g NaCl)下, 3种烷基苯酚在20～1 500 μg/L范围内具有良好的线性关系,相关系数不小于0.998 5, 3种目标化合物的检出限为0.45～0.61 μg/L,富集倍数为145～169,实际样品中3个水平的加标回收率为80.1%～109.9%。该方法将脂肪酸作为萃取剂,与HPLC联用实现了烷基苯酚的富集与检测,为环境水样中烷基苯酚的检测提供了对环境友好的前处理新方法。

漂浮液滴固化分散液液微萃取;高效液相色谱;烷基苯酚;环境水;脂肪酸

烷基苯酚是一种雌激素干扰物,对环境水样存在持续污染[1],已报道的前处理方法有固相萃取(SPE)[2,3]、固相微萃取(SPME)[4,5]和液相微萃取(LPME)[6,7]等,在LPME方法中,分散液液微萃取(DLLME)由于其简单、快速、富集效果好的特点,在近年来得到了分析工作者的青睐。DLLME是2006年由Assadi等[8]开创的一种样品前处理方法,其常用的轻质萃取剂(如烷烃类、脂肪醇类等)在与水的混合液离心后可漂浮于水相上方,但其聚集状态的不完整往往导致了与水相分离的困难。解决这一问题可采用具较细尖端的容器如塑料吸管、注射器等,将萃取剂聚于容器顶端以利于其收集。除使用以上特殊的装置外,Huang等[9]于2008年发现了一种更为简单的分离萃取剂与水相的方法——漂浮液滴固化分散液液微萃取(DLLME-SFO),利用冷冻固化萃取剂的方法使之与水相分离,提高了微萃取方法的可操作性和重现性[10,11]。但到目前为止,可应用于DLLME-SFO方法的萃取剂种类有限,常用的萃取剂是脂肪醇类,其中包括十一醇和十二醇,这两种萃取剂在近年来使用漂浮液滴固化微萃取这一前处理方法的文献[12,13]中仍常被使用。Shih等[14]于2015年建立了一种基于饱和脂肪酸的分散液液微萃取(fatty-acid-based in-tube dispersive liquid-liquid microextraction, FA-IT-DLLME)方法,以脂肪酸为萃取剂,以酸碱作为pH调节剂,并与高效液相色谱(HPLC)联用成功检测了水样中的烷基苯酚。本课题组最近的研究[15]在FA-IT-DLLME的基础上,结合DLLME-SFO方法中的冷冻固化方式对萃取剂进行收集,建立了基于脂肪酸的漂浮液滴固化分散液液微萃取(FA-DLLME-SFO)方法,并实现了其对酒类样品中4-乙基苯酚和4-乙基愈创木酚的检测。本文以脂肪酸作为新型DLLME-SFO萃取剂,沿用常规分散剂甲醇、乙腈、丙酮,建立了漂浮液滴固化分散液液微萃取方法,将脂肪酸中的辛酸和壬酸作为萃取剂应用于传统DLLME-SFO方法中,并与高效液相色谱联用检测了环境水样中的3种烷基苯酚,验证了辛酸和壬酸作为DLLME-SFO萃取剂的适用性,为水样中烷基苯酚的检测提供了新的环境友好的前处理方法。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

Agilent 1220系列高效液相色谱仪(配备二元高压泵、六通阀、恒温箱、紫外检测器、手动进样器和20 μL定量阀)、ODS-M80色谱柱(250 mm×4.6 mm, 4 μm)购于美国Agilent公司。

去离子水(电阻率≥18 MΩ5cm)产自实验室超纯水系统(上海和泰有限公司纯水机Smart-D系列)。辛酸、壬酸、十一醇、氯化钠、磷酸二氢钠、氢氧化钠购于上海国药集团化学试剂有限公司,均为分析纯。3种标准样品,包括2-叔丁基-4-乙基苯酚、对特辛基苯酚和2,4-二叔丁基苯酚为优级纯,购于德国Sigma-Aldrich公司。色谱纯甲醇购于德国默克公司。

准确称取3种烷基苯酚标准品各0.010 0 g,用甲醇溶解,配制成100 mg/L的标准储备液,于4 ℃密封保存,使用时用去离子水稀释至所需浓度。

1.2 色谱条件

流动相为甲醇-磷酸盐缓冲溶液(pH=7.0)(75∶25, v/v),流速为0.8 mL/min,进样体积为20 μL,检测波长为230 nm。

1.3 萃取过程

DLLME-SFO方法以脂肪酸作为萃取剂,甲醇、乙腈等作为分散剂,萃取过程如下:取10 mL水样置于15 mL塑料离心管中,向水样中加入0.5 g NaCl和100 μL质量浓度为100 mg/L的3种目标化合物的混合标准溶液后,快速向水样中加入100 μL辛酸与600 μL甲醇的混合液,振摇1 min后进行离心,然后在冰水浴中冷冻3 min,用药匙取出水样上方已固化的萃取剂,室温放置,待萃取剂熔化后,用微量注射器移取20 μL注入HPLC分析。

1.4 方法在实际水样中的应用

为了验证所建方法在实际废水中的应用,从阜宁河道排污口处取水样,用0.45 μm过滤膜过滤,由所建方法萃取后注入HPLC进行分析。

2 结果与讨论

2.1 实验参数的优化

对影响DLLME-SFO方法萃取效率的因素,如萃取剂的种类和体积、分散剂的种类和用量、pH值和盐浓度进行了考察。采用富集倍数(EF,萃取前后标准曲线斜率的比值)评价萃取效果[16],样品的加标水平设置为1 mg/L,测定结果采用3次测定的平均值。

2.1.1 萃取剂的种类

DLLME-SFO方法要求其萃取剂的熔点接近室温(10～30 ℃),且密度小于水。除脂肪醇外,脂肪酸中辛酸、壬酸的密度均小于水,且其熔点在10～30 ℃之间(二者的熔点分别为16.5 ℃、12.4 ℃),符合DLLME-SFO方法对萃取剂的要求[9,17]。

本工作选择脂肪酸中的辛酸和壬酸作为萃取剂,并与常用于DLLME-SFO方法的萃取剂十一醇的萃取效率进行了对比。选择水样体积为10.0 mL,萃取剂体积为100 μL,分散剂甲醇体积为500 μL, NaCl质量为0.5 g。3种萃取剂的萃取效率比较如图1所示,辛酸、壬酸与常用的萃取剂十一醇获得的富集倍数相当。但实验发现辛酸作为萃取剂时获得的色谱图中杂质的干扰较小,所以后续实验选择辛酸作为萃取剂。

图 1 不同萃取剂对富集倍数的影响(n=3)Fig. 1 Effect of different extraction solvents on enrichment factor (EF) (n=3) Conditions: sample volume, 10 mL; salt addition, 0.5 g NaCl; extractant volume, 100 μL; methanol volume, 500 μL.

2.1.2 萃取剂的体积

萃取剂的用量应能保证目标化合物可被完全萃取,同时获得最大的富集倍数。向10 mL水样中分别加入萃取剂的体积为40、60、80和100 μL,分散剂甲醇的体积为500 μL, NaCl质量为0.5 g。富集倍数与萃取剂体积的关系如图2所示,在40～100 μL范围内,萃取剂体积越小,富集倍数越大。可以预测,当萃取剂辛酸的体积小于40 μL时,EF将继续增大。但实验发现当萃取剂体积小于40 μL时,经冷冻形成的萃取剂的固化块较薄,不能顺利从10 mL离心管中取出,导致实验的可操作性降低,所以实验最终选择萃取剂辛酸的体积为60 μL。

图 2 萃取剂体积与富集倍数的关系(n=3)Fig. 2 Effect of the volume of extraction solvent on EF value (n=3) Conditions: sample volume, 10 mL; salt addition, 0.5 g NaCl; octanoic acid volume, 40-120 μL; methanol volume, 500 μL .

2.1.3 分散剂的种类和体积

根据分散剂的选择原则,一是能同时溶于水相和有机相,二是其极性介于水相和有机相之间,本实验考察了甲醇、乙腈和丙酮作为分散剂的萃取效果。向10 mL水样中加入60 μL萃取剂辛酸与500 μL分散剂的混合液,3种分散剂与富集倍数的关系如图3所示,其中甲醇获得了最高的富集倍数,因此后续实验选择甲醇作为分散剂。分散剂甲醇的体积考察范围为100～800 μL,分散剂体积与富集倍数的关系如图4所示,甲醇体积为600 μL时的富集倍数最

图 3 分散剂种类对富集倍数的影响(n=3)Fig. 3 Effect of the type of dispersive solvent on EF value (n=3)Conditions: sample volume, 10 mL; salt addition, 0.5 g NaCl; octanoic acid volume, 60 μL; dispersive solvent volume, 500 μL .

图 4 分散剂体积对富集倍数的影响(n=3)Fig. 4 Effect of the volume of dispersive solvent on EF value (n=3)Conditions: sample volume, 10 mL; salt addition, 0.5 g NaCl; octanoic acid volume, 60 μL; dispersive solvent volume, 100-800 μL.

大,此时3种目标化合物的萃取率接近95%。分散剂体积为800 μL时富集倍数明显下降,且所得萃取剂的体积也明显减少,可能是过量的甲醇导致了部分目标分析物和萃取剂同时滞留于水相中所致。

2.1.4 pH值和盐效应

在水样10.0 mL、辛酸60 μL、甲醇600 μL这3个条件不变的情况下,调节水样的pH为2.0、4.0、6.0和8.0时,实验结果表明萃取效率无明显差异,可能是因为所选3种长链烷基苯酚为弱酸性化合物,在pH小于8.0时,可保证大部分目标物呈不解离状态从而被萃取相萃取;在pH为10.0和12.0时,萃取后得到的萃取相体积小于40 μL,可能是因为萃取剂辛酸在碱性水溶液中的溶解度增大所致;另外,在碱性条件下,3种弱酸性目标化合物易分解从而导致其萃取率降低。所以本实验选择的最佳pH条件为2.0～8.0。环境水样的pH一般在4.0～8.0之间,所以后续实验不再调节水样的pH值。

表 1 3种目标化合物的线性范围、富集倍数、精密度(n=3)、检出限和定量限

表 2 实际水样中3种目标化合物的加标回收率及相对标准偏差(n=3)

向10 mL水样中加入0～1.0 g NaCl,以考察盐浓度的影响,结果发现盐浓度对富集倍数几乎无影响。本实验的3种目标分析物均为长链烷基苯酚类,推测加盐可能对该类分析物具有盐析效应,导致其更多地溶于有机相中。但加盐后最终收集到的萃取剂的体积明显大于不加盐时所收集到的萃取剂的体积,推测这种稀释效应可能与盐析效应相抵消导致了盐浓度不影响萃取效率的结果。为了提高实验的可操作性,实验选择加入0.5 g的NaCl以保证萃取后能收集到足够体积的萃取剂,利于下一步的进样分析。

2.2 方法学评价

2.2.1 方法学考察

在最佳实验条件(水样10 mL,辛酸60 μL,甲醇600 μL, 0.5 g NaCl)下,所建方法的富集倍数、检出限(LODs)、日内相对标准偏差和日间相对标准偏差(对1 mg/L 3种烷基苯酚标准溶液在日内和日间分别平行测定3次)见表1, 3种目标化合物在20～1 500 μg/L内均具有良好的线性关系,相关系数(r)不小于0.998 5。分别将0.05、0.02、0.02 μg/L的3种目标化合物进行3次重复加标试验,得到其相对标准偏差不大于5.8%。

2.2.2 实际样品分析

实验对实际环境水样进行了检测,结果显示所取水样中没有目标化合物被检出。为了考察基质效应,对实际水样进行高、中、低3个水平的加标试验,分别为20、50和500 μg/L,加标水平为20 μg/L的水样色谱图见图5,3个水平下的加标回收率及相对标准偏差分别见表2。

图 5 加标20 μg/L的实际水样色谱图Fig. 5 Chromatogram of a spiked real water sample (20 μg/L) Conditions: sample volume, 10 mL; salt addition, 0.5 g NaCl; octanoic acid volume, 60 μL; dispersive solvent volume, 600 μL.

2.2.3 与其他方法的对比

本文所建前处理方法与其他已报道的测定烷基苯酚类目标化合物的方法对比列于表3中。由于紫外检测器(UV)的灵敏度远低于质谱(MS)和荧光检测器(FLD),本文所建方法不是最灵敏的方法,但是,除表3 FA-IT-DLLME方法因不需要冷冻步骤而仅需小于4 min的萃取时间外,本文方法的萃取时间明显低于其他方法,且回收率与其他方法相当。而FA-IT-DLLME方法需要用到特殊的自制装置进行萃取剂的收集,而本文所建方法不需要任何特殊装置即可进行萃取剂的收集,对FA-IT-DLLME方法进行了简化。此外,本文方法所用试剂均对环境友好,符合绿色化学的发展趋势。

表 3 本文所建方法与其他针对烷基苯酚类化合物的前处理方法的比较

1) solid-phase extraction; 2) solid-phase microextraction; 3) room temperature ionic liquids-based liquid phase microextraction; 4) ionic liquids dispersive liquid phase microextraction; 5) high performance liquid chromatography-ultraviolet detection; 6) high performance liquid chromatography-fluorescence detection; 7) gas chromatography-mass spectrometry.

3 结论

本文建立了以脂肪酸作为萃取剂的漂浮液滴固化分散液液微萃取前处理方法,与HPLC-UV联用检测了环境水样中的烷基苯酚,方法应用于实际环境水样,具有较高的回收率,证明了脂肪酸作为DLLME-SFO的萃取剂的适用性,从而扩大了可用于DLLME-SFO方法的萃取剂范围,并为环境水样中烷基苯酚的检测提供了新的对环境友好的前处理方法。

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Dispersive liquid-liquid microextraction based on solidification of floating organic drop followed by high performance liquid chromatography for the determination of three alkylphenols in environmental water samples

FU Bo1, ZHANG Jiping2*, ZHOU Lu2, JIANG Hui2

(1.CollegeofChemicalEngineering,NanjingForestryUniversity,Nanjing210000,China;2.JiangsuRuidaTechnologyCo.,Ltd.,Yancheng224400,China)

A simple, rapid and eco-friendly method named dispersive liquid-liquid microextraction based on solidification of floating organic drop (DLLME-SFO) was developed for the determination of 2-tert-butyl-4-ethylphenol, 4-tert-octylphenol and 2,4-di-tert-butylphenol in wastewater samples coupled with high performance liquid chromatography-ultraviolet detection (HPLC-UV). Octanoic acid was served as extraction solvent, and methanol was selected as dispersive solvent. The parameters affecting the extraction efficiency including the type and volume of the extraction solvents and the dispersive solvents, the pH and the salt addition were optimized. Under optimum conditions, the linear range was 20-1 500 μg/L for all the three target alkylphenols. Limits of detection (LODs,S/N=3) were in the range of 0.45-0.61 μg/L. The enrichment factors (EFs) varied from 145 to 169, and the recoveries at three spiked levels were in the range of 80.1%-109.9%. It demonstrated that fatty acids including octanoic acid and nonanoic acid could be used as extraction solvent in DLLME-SFO method. The method is suitable for the determination of alkylphenols in environmental water samples.

dispersive liquid-liquid microextraction based on solidification of floating organic drop (DLLME-SFO); high performance liquid chromatography (HPLC); alkylphenols; environmental water; fatty acid

10.3724/SP.J.1123.2016.12012

2016-12-06

江苏省自然科学青年基金项目 (BK20160922);江苏省产学研前瞻性联合研究项目 (BY2016006-02).

Foundation item: Natural Science Foundation of Jiangsu Province of China (No. BK20160922); Prospective Joint Research Project of Jiangsu Province of China (No. BY2016006-02).

O658

A

1000-8713(2017)05-0533-05

* 通讯联系人.E-mail:zhangjina2013@163.com.