固相微萃取在农药残留分析中的应用

重庆化工职业学院毕业论文（设计）题目：固相微萃取在农药残留分析中的应用专业：环境监测与治理技术指导老师：胡婕学生：秦奇时间：2015年04月20日重庆化工职业学院毕业论文重庆化工职业学院毕业论文（设计）任务书论文（设计）题目：固相微萃取在农药残留分析中的应用专业名称：工业分析与检验毕业生秦奇学号56指导教师胡婕职称讲师完成期限2014年03月05日至2014年05月20日系主任陈本寿年月日审查重庆化工职业学院毕业论文工厂循环水中微生物对系统设备的影响秦奇重庆化工职业学院（重庆市江北区嘉陵四村100号；400020）摘要固相微萃取技术，操作简便快速，使用于食品中各类农药残留的检测。重点阐述了不同类型农药分析所选用的涂层，涂层的选择原则上遵循“相似相溶”的原理，同时还要综合考虑影响萃取效率的其他因素，如萃取模式、样品基质等；分析了自制萃取头萃取效率高的原因，得益于涂层大的比表面积和涂层材料与待测物之间强的研制以及SPME与其他前处理技术、检测仪器联用两个方向。关键词：固相微萃取；农药残留；涂层；应用中图分类号：0685.2文献标识码：A引言近年来，由农药残留超标导致的食品安全案例频发，食品、环境以及生物样品中农药残留问题备受关注。为了获得定量和定性的农残信息，各国学者进行了大量的相关研究。由于往往不清楚农药来源，加上农药的种类繁多、异构体、同系物、降解物和代谢物等原因，无形中大大增加了农药残留检测分析的难度，至今国内外还没有一种检测方法可以同时定量分析多种类型的农药残留。有效的样品制备技术室目前农残检测工作的瓶颈。固相微萃取（solid-phasemicrotraction,SPME）,自1990年由加拿大Waterloo大学的Arhturhe和Pawliszyn创立到1993年由美国Supelco公司推出商品化装置以来，在样品前处理中得到了广泛的应用。与传统的样品前处理技术相比较，SPME集采样、萃取、浓缩和进样于一体，操作快速、简便，无需有机溶剂，所需样品量少，检测灵敏度高、线性宽、检测线低、重现性好，装置小、成本低、便于携带，适用于挥发性及半挥发性物质分析，因此在样品前处理中具有很大的发展潜力。本文综述近年来SPME技术在农药残留检测前处理中的应用，重点阐述了分析不同类型农药所选用的涂层，分析了自制涂层较商用涂层萃取效率高的原因，最后对SPME在农残检测中的发展趋势进行了展望一、固相微萃取技术发展及其特点介绍：1.1技术发展重庆化工职业学院毕业论文1990年，加拿大Pawliszyn研究小组开发。1993年，Supelco公司推出商品化SPME装置。1994年，被权威杂志《Research&Development》被评为最优秀的100项新产品之一。1.2SPME技术特点操作简单、高效：集采样、分离、富集、进样等操作为一体；分析时间短；样品需要量小；环境友好，无需或仅需少量萃取溶剂；重现性好；特别适合现场分析。2、SPME装置类似于微量注射器，由手手柄和萃取头两部分组成；手柄：安装和固定萃取头；萃取头：一根熔融石英纤维，涂有固相涂层。2.1操作步骤萃取解吸检测分析2.2萃取方式直接SPME法：将SPME萃取纤维直接插入较洁净的液体样品中，适用于较洁净样品；顶空SPME法：将SPME萃取纤维置于液体或固相样品的顶空进行萃取。采取何种萃取模式主要根据待测物及基体复杂性来定。当样品中待测物沸点较高且有大量干扰物存在时，上述两种方法都不适合。3、SPME理论基础固相微萃取是一个基于待测物质在样品及萃取涂层之间分配平衡的萃取过程。当系统达到平衡时，涂层中所吸附的待测物质可有下式决定：N=KfsVfCoVs/(KfsVf+KhsVh+Vs)N为涂层上吸附的待测物的质量；Vf、Vh和Vs分别为涂层、顶空、样品的体积；Kfs和Khs是待测物在涂层/样品、顶空/样品两相中的分配系数；Co是待测物在样品中的最初浓度。N=KfsVfCoVs/(KfsVf+KhsVh+Vs)当样品体积Vs大于或等于KfsVf+KhsVh时，上式可近似为N=KfsVfCo二、固相微萃取技术发展改进技术思路装置技术从萃取涂层上入手萃取方法萃取方式更灵活联用技术与色谱联用为主SPME的发展分离富集效果提高1、装置改进技术重庆化工职业学院毕业论文（1）萃取头内部冷却装置（2）萃取头内部加热装置（3）萃取头形式的改进2、方法改进技术2.1缩小液上空间技术在样品瓶侧壁开孔，使SPME从侧面插入；使纤维萃取头与顶空充分接触，又可以避免顶空中浓度梯度带来的影响；有效地提高萃取效率。2.2样品喷洒技术取样前将样品溶液喷洒成细雾状；极大地增加了样品的表面积，且同时在气相中产生了对流；提高分析物从液相到气相的扩散速率，提高SPME萃取效率。2.3样品衍生化技术在样品基质中直接进行衍生化；在SPME萃取涂层纤维上进行衍生化：萃取的同时衍生化、先萃取再进行衍生化；在GC进样室中进行衍生化。3、联用技术的发展3.1SPME-GC传统的SPME装置可在气相色谱仪的进样口直接进样，不存在接口问题；SPME-GC是最早发展，较为完善、广泛应用的联用技术，现在也在不断地改进中；4管内SPME技术：（in-tube-SPME）与气相色谱联用。管内SPME技术：在GC毛细管内壁涂覆一层聚合物材料作为萃取纤维，连接在形如进样器的装置上；管内SPME法分为两种：静态法和动态法；与气相色谱联用有两种方式：一种是热解吸；另一种是溶剂解吸。3.2SPME-HPLC需要一个接口，实现分析物的解吸；1995年由Chen等最先设计出手动式SPME-HPLC联用接口；1996年Boyd-Boland等改进了该联用接口装置；1997年Pawliszyn等提出了一种自动进样的SPME-HPLC联用装置-管内SPME-HPLC;商品化SPME-HPLC接口：与Chen等的设计基本相似。由Chen等设计手动式SPME-HPLC联用接口：由一个解吸室与一个六通进样阀组成；解吸室由不锈钢丁型管接头、不锈钢管以及一系列PEEK管紧密嵌套组成。商品化的SPME-HPLC接口：所有与SPME纤维或流动相接触的表面都是不锈钢或高聚物材料制成；纤维由一个双锥形垫圈密封定位，再用一个夹子锁定；富集在纤维上的分析物可随过流动流动相的通过被解析（动态解脱），或在选定的溶剂中浸泡一定的时间再进入色谱柱（静态解脱）。三、固定微萃取涂层1、涂层选择性涂层的种类是影响分析灵敏度和选择性的最重要因素；重庆化工职业学院毕业论文涂层的选择遵循“相似相溶”这一规则：非极性涂层选择性吸附或吸收非极性化合物；极性涂层选择性吸附或吸收极性化合物；没有涂层可以萃取所有的化合物。固定相涂层的要求：具有较大的分配系数；要有合适的分子结构；考虑到固相微萃取主要与色谱技术联用，涂层本身性质必须满足色谱分析要求。2、涂层的厚度涂层厚度的选择也是主宰萃取选择性和灵敏度的最重要的因素SPME涂层厚度特点：涂层厚度大，吸附容量大，灵敏度高，不易达到吸附或吸收平衡；保留时间和分析时间长；涂层厚度小，吸附容量小，灵敏度低，达到吸附或吸收平衡；保留时间和分析时间短3、涂层萃取机理及其分类分类均相聚合物多孔颗粒聚合物涂层机理吸收吸附作用方式分子溶进聚合物涂层分析物直接吸附在涂层表面特点非竞争过程线性范围较大竞争过程线性范围较小4、商品化涂层类型：键合行：除了某些非极性溶剂以外，对所有的有机溶剂均很稳定；非键合行：相对于某些水溶性有机溶剂是稳定的，但是当使用非极性有机溶剂时会引起轻度溶胀现象；部分交联型：在大多数水溶性有机溶剂和某些非极性有机溶剂中很稳定；高度交联型：类似于部分交联固定相，只不过在同一交联中心产生了多个交联键。SPME商品化-涂层缺点：缺点：推荐使用的温度偏低（200-280摄氏度）；涂层种类有限，在大多数有机溶剂里也不稳定；使用寿命短（一般约为40-100次）；对复杂集体样品的萃取分析，选择性和重现性还不太理想；缺乏多孔性，平衡时间慢，使分析时间延长；商品化涂层价格昂贵。目标：制备性能优越的SPME涂层是SPME发展的必然趋势。5、非商品化涂层非商品化涂层的制备方法：电沉积（电镀）；高温环氧树脂黏结；溶胶-凝胶技术；自由基聚合。四、固相微萃取发展展望SPME技术发展趋势：新型涂层：高选择性、高分子识别能力、高特异性涂层的研制；新型载体：金属、陶瓷、纳米技术等，管状、螺旋状、膜状、球形等；新联用技术：与光谱和电化学仪器联用；新脱附方法：高强激光脉冲协助脱附；重庆化工职业学院毕业论文表面处理：纤维、涂层改性，以获得稳定性好，又有一定机械强度的萃取头。五、SPME在各类农药残留分析中的应用1、有机磷有机磷农药（OPPs）是目前使用的最高效广谱的农药，由于其毒性小，在环境中易降解，在农业生产中起着举足轻重的作用。然而这类农药的长期大量使用，同样会发生残留，由此引起的食物中毒事件也越来越频繁。土壤、水、大气等生态环境同样面临严重的污染，威胁着人类的健康和生存。大多数OPPs属于磷酸酯类或者硫代磷酸酯类化合物，沸点并不高一百摄氏度左右，对热比较稳定，因此后序检测方法主要是气象色谱(GC)法。从文献报道来看，聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚丙烯酸酯（PA）是应用最多的涂层。Tsoutsi等应用顶空固相微萃取(HS-SPME)联立气相色谱-火焰离子化检测器（GC/FID）对橄榄油中有机磷及其代谢物进行了检测，对比了75微米和85微米碳吸附剂/聚二甲基硅氧烷CAR/PDMS)\PDMS(7\30\100)和65聚二甲基硅氧烷/二乙烯基苯（PDMS/DVB）涂层的萃取效率，结果显示PDMS涂层萃取绝大多数opps具有更高的峰面积，且涂层越厚，峰面积越高。PDMS涂层同样适合于水样、土壤中有机磷残留的分析，Zhu等利用SPME-GC-MS联用技术对纺织品中Opps进行检测，比较了100纳米PDMS和85纳米PA的萃取效果，发现PA对大多数OPPs显示出了更好的萃取效率，尤其是对极性较大的乐果和甲基对硫磷。Filho等和Tsoukali等应用同样的方法检测地表及地下水样、生物样本中有机磷，结果同样是85微米PA的萃取效率最高。除此之外，一些自制萃取涂层同样被用于OPPs检测。溶胶-凝胶涂层是应用最广的一类自制涂层，如聚甲基苯基乙烯基硅氧烷/羧基硅油（PMPVS/OH-TSO）、冠醚/羧基硅油、聚二甲基硅氧烷/聚乙烯醇（PDMS/PVA）等。Cai等利用GC/FID对果蔬中OPPs进行了检测。他们制备了3种冠醚涂层（B15C5、DB18C6、PSO18C6），并与商用涂层（85微米PA和65微米PDMS/DVB）进行了对比，发现B15C5对OPPs具有最好的选择性。该涂层高的萃取效率，得益于冠醚的环腔结构、氧原子强负电性和溶胶-凝胶材料的三维多孔结构。Zuin等制备了一种凝胶-溶胶PDMS/PVA涂层用于西番莲浸剂中农残检测。该涂层可耐300摄氏度高温，使用寿命达300次之余。相对于商用涂层，该涂层的多孔结构使其具有大的表面积。除了涂层制备技术上的创新，涂层载体材料也发生着巨变。活性炭具有比表面积大、吸附能力强的优势，金属丝具有补益折断、使用寿命长等特点。Farajzadch等通过融合两种材料优点将活性炭-聚氯乙烯（PVC）附着在银丝上，可直接浸没萃取水样，并探讨了不同活性炭、PVC配比对果汁中有机磷的萃取效果。活性炭与PVC的最佳配比为7：3，所有待分析农残在15分钟内均可达到吸附平衡，单根涂层萃取重现性小于9%（相对标准偏差，RSD），多根涂层之间重现性小于18%（RSD）。1.2有机氯20世纪六七十年代，持久性有机污染物的广泛使用，如有机氯杀虫剂和多氯联苯等，对人类和环境造成了巨大的伤害。它们具有亲脂性、难降解的特点，易在生物体内富集或者通过生物链被生物放大。越来越多的证据显示，这些含氯化合物很有可能通过影响生殖系统荷尔蒙导致内分泌失调。某些有机氯农药(OCPs)，检测限达到ng/g水平，线性宽（1~200ng/g）。同时作者比较了SPME与索氏萃取，结果显示用SPME所得检测限都比用