微波輔助萃取-氣相色譜法測定農用地膜中的鄰苯二甲酸酯類增塑劑

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(1.青島農業大學化學與藥學院,山東青島 266109； 2.青島農業大學資源與環境學院,山東青島 266109)

微波輔助萃取-氣相色譜法測定農用地膜中的鄰苯二甲酸酯類增塑劑

綦敬帥1,宋吉英1,史衍璽2,呂海濤1,*

(1.青島農業大學化學與藥學院,山東青島 266109； 2.青島農業大學資源與環境學院,山東青島 266109)

建立了采用微波輔助萃取-氣相色譜法同時測定農用地膜中6種鄰苯二甲酸酯類(PAEs)增塑劑含量,消除了常見軟化劑棕櫚酸對測定的干擾。選擇丙酮作為提取溶劑,通過單因素和正交實驗對樣品的提取條件進行優化。研究表明：在3.0～200.0mg/L線性范圍中,方法具有良好的線性關系,其相關系數均大于0.999,檢測限0.15～0.60mg·kg-1,平均回收率97.2%～104.8%,相對標準偏差0.51%～2.35%。該方法簡單高效,具有良好的重現性和靈敏度,適用于塑料地膜中鄰苯二甲酸酯類增塑劑的分析檢測。

微波萃取,氣相色譜,鄰苯二甲酸酯,農用地膜,正交分析

近年來,增塑劑作為食品及食品相關產品安全問題被國內外所關注[1]。因其具有優秀的理化特性和與聚合物的相容性以及低廉的成本[2],作為一種高分子材料助劑被廣泛用于增加塑料等制品的柔韌性、降低其加工溫度及加工難度,其應用涉及農業食品用棚膜材料、食品包裝材料[3]、紡織品、化妝品、塑料玩具[4]等各類材料。近年來,越來越多研究表明,鄰苯二甲酸酯(phthalic acid esters,PAEs)存在慢性毒性,如對組織病理學方面、血液和生物化學方面的影響以及其潛在的致突變作用、致癌作用、生殖與發育毒性[5]。但增塑劑的不正當添加,以及將其作為替代品用于其他用途,使增塑劑在日常生活中變得無處不在[6]。許多國家開始限制和規范其應用,并出臺相關政策,諸如歐盟2009/48/EC 指令[7]、《美國消費品安全加強法》(CPSIA)[8]等。美國國家環保局(EPA)將鄰苯二甲酸二甲酯、鄰苯二甲酸二乙酯、鄰苯二甲酸二丁酯、鄰苯二甲酸二辛酯、鄰苯二甲酸二(2-乙基己基)酯和丁基芐基酯6種增塑劑列為優先控制的有毒污染物；我國已將鄰苯二甲酸二丁酯、鄰苯二甲酸二甲酯和鄰苯二甲酸二辛酯3種增塑劑確定為環境優先控制污染物。歐盟永久禁止在玩具和兒童護理用品中使用含量超過 0.1%的鄰苯二甲酸二(2-乙基己基)酯、鄰苯二甲酸二丁酯和丁基芐基酯3種增塑劑。在我國,農業種植蔬菜、糧食等農作物中,地膜有著廣泛的應用,被用于提高土壤溫度,保持土壤水分,維持土壤結構。地膜材料中存在的鄰苯二甲酸酯類增塑劑,由于與塑料基質間非化學鍵相連,使其得已保持獨立的化學性質而極易直接污染所種植的蔬菜、糧食,或通過對土壤、大氣以及水體的遷移對作物造成間接污染[9]。常用熒光光度法[10]、氣相色譜法[11]、液相色譜法[12]、氣質聯用[13-14]、液質聯用[15]、膠束電動毛細管色譜[16]等方法檢測增塑劑的含量,但目前地膜中增塑劑的檢測報道尚不多見。本文探討了以丙酮作為萃取試劑,采用微波輔助萃取-氣相色譜法提取、測定地膜中上述6種鄰苯二甲酸脂類增塑劑。該方法簡單高效,穩定可靠,可滿足對農用地膜中對鄰苯二甲酸酯類化合物的檢測。

表1 單因素實驗

1 材料與方法

1.1材料與儀器

地膜 山東省青島市城陽區當地農貿市場；鄰苯二甲酸二甲酯(99.5%,DMP,CAS:131-11-3)、鄰苯二甲酸二乙酯(99.5%,DEP,CAS:84-66-2)、鄰苯二甲酸二丁酯(99.5%,DBP,CAS:84-74-2)、鄰苯二甲酸丁酯苯甲酯(98%,BBP,CAS:85-68-7)、鄰苯二甲酸二(2-乙基己)酯(99%,DEHP,CAS:117-81-7)、鄰苯二甲酸二正辛酯(99%,DnOP,CAS:117-84-0) 德國Dr.Ehrenstorfer公司；丙酮、乙酸乙酯、正己烷、三氯甲烷、甲苯、乙醚、甲醇、乙醇、氫氧化鈉、碳酸氫鈉、碳酸鈉 均為分析純,國藥集團化學試劑有限公司；實驗過程中所使用的試劑如丙酮、正己烷、乙酸乙酯、乙醇等等均經過二次蒸餾。

島津GC-2014C色譜儀 日本島津公司；毛細管色譜柱,HP-5MS,30.0m×0.25mm×0.25μm 美國Agilent科技有限公司；DZX-1 型真空干燥箱 上海?，攲嶒炘O備有限公司；SHA-B 水浴恒溫搖床儀 江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司；RE-52AA 旋轉蒸發儀 上海亞榮生化儀器廠；SHB-II 循環水式多用真空泵 鄭州長城科工貿有限公司；DF-II 集熱式恒溫磁力攪拌器 江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司；RQ-700DV 超聲波萃取儀 昆山市超聲儀器有限公司；TDL-50B 微波合成萃取儀 北京祥鵠科技有限公司；AR2140 電子分析天平 上海奧斯豪國際工貿公司。

實驗用玻璃儀器在使用前于堿液中浸泡12h,用超純水洗凈,最后分別使用重蒸丙酮與正己烷清洗,烘干。

1.2標準工作液的配制

精確稱取6種PAEs增塑劑標準品各500.0mg,溶于乙酸乙酯,定容,配制成1g/L的鄰苯二甲酸酯增塑劑混合標準儲備液,置于冰箱4℃避光保存。采用二倍稀釋,將儲備液用乙酸乙酯稀釋為3.0～200.0mg/L濃度梯度,供繪制標準曲線用。

1.3樣品的前處理

精確稱取2.0g地膜樣品(0.5cm×1.0cm)于250mL圓底燒瓶內,加入40mL重蒸丙酮,置于微波萃取儀,設定萃取功率1000W,萃取溫度56℃,萃取時間6min,萃取1次。過濾,合并濾液,旋轉蒸干。溶于正己烷,移入125mL分液漏斗,加入20mL 0.1mol/L NaOH溶液,振蕩3min。取上層溶液旋轉蒸干,加入2mL乙酸乙酯溶解,使用0.45μm有機濾頭過濾后,進行氣相色譜測定。

1.4氣相色譜(GC)條件

色譜柱：HP-5MS(30m×0.25mm×0.25μm)；檢測器為氫火焰離子化檢測器；進樣口溫度：300℃；進樣方式：不分流；進樣量：1μL；檢測器溫度：300℃；升溫程序：起始溫度60℃,保持1min；以20℃/min的速度升至210℃,保持2min；再以5℃/min的速度升至300℃,保持2min。

1.5單因素實驗

單因素實驗條件包括微波萃取時間、微波萃取功率、萃取次數、料液比(m樣品：V丙酮)、地膜的破碎程度,實驗內容見表1。精確稱取2.0g地膜樣品,按表1所述條件、前文所述實驗步驟進行提取、分析,進行5次平行實驗取平均值。

1.6正交實驗

在單因素實驗的基礎上,選取微波萃取次數(A)、萃取時間(B)、地膜破碎程度(C)、料液比(D)、微波萃取功率(E)為考察因素,以實際地膜樣品中DBP和DEHP的提取程度為考察指標,設計五因素四水平正交實驗,見表2。

表2 優化PAEs類增塑劑萃取條件因素水平表

表3 6種PAEs類增塑劑的保留時間、線性方程、相關系數及檢出限

2 結果與分析

2.1鄰苯二甲酸酯類增塑劑的分離測定

對6種鄰苯二甲酸酯類化合物進行了測定,圖1為混合標準溶液以及實際樣品的氣相色譜圖。由圖1可知,實驗所檢測的6種鄰苯二甲酸酯類增塑劑的峰形以及分離效果良好,能夠滿足分析的要求。

圖1 鄰苯二甲酸酯類增塑劑氣相色譜圖

2.2方法的線性關系、相關系數及檢出限

配制1～200mg/L濃度梯度的混合標準溶液用來繪制標準曲線,每一梯度平行進樣5次,以平均值做線性回歸分析。從表3可以看出,在3.0～200.0mg/L線性范圍中,6種增塑劑均有著良好的線性關系,相關系數大于0.999,檢出限在0.15～0.60 mg·kg-1之間,優于文獻檢出限[11]。

2.3地膜中軟化劑棕櫚酸的去除

地膜生產過程中常添加棕櫚酸(CAS：57-10-3)作為軟化劑。本實驗在檢測多種地膜樣品中,發現有干擾成分與鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)重合,經GC-MS分析,該干擾雜質為棕櫚酸,需提前除去。由于棕櫚酸中有羧基存在,可以考慮加入堿性試劑進行中和,使其成鹽,通過萃取的方式去除。

通過考察20mL 0.1mol/L的氫氧化鈉、飽和碳酸鈉、碳酸氫鈉等試劑對棕櫚酸的去除能力,發現使用NaOH后,經GC-MS分析,棕櫚酸已經消除干凈。

為確保PAEs類增塑劑不會因為NaOH的添加而發生水解現象,分別考察堿液體積(10、20、30、40mL)、提取次數(1、2、3、4次)的影響,每個水平重復3次取平均值,實驗結果見表4和表5,選擇使用20mL NaOH溶液對樣品溶液萃取1次,待測增塑劑無明顯水解,且通過GC-MS譜圖分析棕櫚酸干擾被去除。

表4 不同體積的堿液對PAEs類增塑劑水解的影響

表5 萃取次數對PAEs類增塑劑水解的影響

2.4提取溶劑的選擇

考察了丙酮、甲醇、乙醇、乙酸乙酯、氯仿、正己烷、乙醚以及正己烷與丙酮的混合溶液(V/V=1∶1)8種提取試劑對于含有DBP以及DEHP兩種增塑劑的實際地膜樣品的提取能力,進行5次平行實驗取平均值,其結果見圖2,可知丙酮對于DBP和DEHP的提取能力最強。因此本實驗選用丙酮作為提取試劑。

圖2 不同提取試劑對地膜中PAEs類增塑劑提取的影響

2.5提取方法的選擇

分別使用了微波萃取法、索氏提取法(150mL丙酮提取試劑,提取時間120min,提取溫度80℃)、常溫振蕩法(40mL丙酮提取試劑,提取120min,搖床轉速126轉/min)、超聲波提取法(40mL丙酮提取試劑,超聲30min,室溫26℃)和加熱回流法(40mL丙酮提取試劑,提取時間120min,提取溫度80℃)對實際地膜樣品進行了提取測試,實驗重復5次取平均值,結果見圖3。索氏提取法和微波萃取法對DBP和DEHP提取效果更好,但考慮索氏提取法使提取時間較長,速度較慢,因此本實驗選用微波萃取法進行提取。

圖3 不同提取方法對地膜中PAEs類增塑劑提取的影響

2.6提取條件的優化

2.6.1 單因素實驗結果

2.6.1.1 微波萃取時間對提取效果的影響 由圖4可見,3～7min時,DBP與DEHP的提取量隨著微波萃取時間的增加而增加,7min時,增塑劑提取量最大,7～20min,DBP與DEHP二者的提取量基本不再變化,趨于穩定。

圖4 微波萃取時間對提取效果的影響

2.6.1.2 料液比對提取效果的影響 由圖5可見,隨著丙酮量的增加,DBP與DEHP的變化趨勢基本相同,提取量逐漸增加,分別至料液比為1∶20、1∶25時達到最高值,以后趨于平緩。

圖5 料液比對提取效果的影響

2.6.1.3 地膜破碎程度對提取效果的影響 由圖6可見,不同的地膜破碎程度對DBP的提取量影響較小,最高值在破碎程度為1.0cm×0.5cm時出現,而DEHP的提取量波動較大,1.0cm×0.5cm與2.0cm×1.0cm這兩種大小明顯高于其余幾種,最高值在2.0cm×1.0cm出現。

圖6 地膜破碎程度對提取效果的影響

2.6.1.4 微波萃取次數對提取效果的影響 由圖7可見,微波萃取次數對于地膜樣品中DBP與DEHP的提取效果有相同的變化趨勢,提取量隨著萃取次數的增加而增加,當萃取次數達到2次后,增塑劑的提取量基本穩定。

圖7 微波萃取次數對提取效果的影響

2.6.1.5 微波萃取功率對提取效果的影響 由圖8可見,隨著微波萃取功率的增加,DBP和DEHP的提取量有增加的趨勢,DEHP隨功率增加波動比較大,到700W后趨于平緩。DBP提取量的波動較為平緩,隨著功率的增加,提取量基本穩定。

表6 正交實驗結果

圖8 微波萃取功率對提取效果的影響

2.6.2 增塑劑提取的正交分析 本實驗對含有DBP和DEHP的地膜樣品進行五因素四水平的正交分析,正交實驗結果見表6～表7。

表7 PAEs類增塑劑提取條件優化方差分析表

由表6正交實驗直觀分析可知,各因素對DBP的提取量影響順序為：A>B>C>D>E；各因素對DEHP的提取量影響順序為：A>C>B>D>E。由表7可知,統計學分析五個因素中,微波萃取次數為影響DBP和DEHP提取量顯著性因素,綜合考慮得出最佳提取條件為：A1B3C2D3E4,即將地膜樣品破碎至1cm×0.5cm,丙酮40mL,微波功率900W,萃取6min,萃取1次。依照上述最優條件進行驗證實驗,重復5次取平均值,得到DBP提取量為(8.46±0.176)mg·kg-1,DEHP提取量為(10.48±0.121)mg·kg-1,實驗結果高于正交設計實驗的最高提取量,表明提取方法穩定可靠。

2.7加標回收率及相對標準偏差

選取三種濃度對樣品進行加標回收率分析,同時對加標地膜樣品6次測定計算RSD值,結果見表8。所得6種增塑劑的回收率在97.2%～104.8%之間,相對標準偏差為0.51%～2.35%之間,符合本實驗的實驗要求。

表8 加標回收率、相對標準偏差分析結果

注：“-”：樣品中檢測不到該種鄰苯二甲酸酯類化合物。

表9 實際地膜樣品分析

2.8實際地膜樣品分析

依照上述實驗所建立的方法對市場中購買的地膜樣品進行檢驗,每個樣品重復檢測5次取平均值,在檢驗的5種地膜樣品中,檢出的增塑劑種類主要為DBP及DEHP,含量如表9所示,同時抽樣的5個樣品中只有1份樣品不含所檢測的6種PAEs類增塑劑。

3 結論

本實驗采用微波輔助萃取-氣相色譜法同時測定地膜材料中6種鄰苯二甲酸酯類增塑劑,消除了棕櫚酸對實驗的影響,使用丙酮作為萃取試劑,檢測的PAEs增塑劑包括DMP、DEP、DBP、BBP、DEHP、DNOP 6種,檢出限0.15～0.6mg·kg-1,回收率97.2%～104.8%,相對標準偏差0.51%～2.35%。該方法高效,且操作簡單,在3.0～200.0mg/L線性范圍中,具有良好的線性,檢測限符合分析要求。

在對實際地膜樣品中的鄰苯二甲酸酯類化合物進行檢測的過程中,發現其普遍含有DBP及DEHP,在農作物種植過程中會造成一定食品安全隱患。

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Determination of phthalate plasticizers in mulch by microwave assisted extraction-gas chromatography

QIJing-shuai1,SONGJi-ying1,SHIYan-xi2,LVHai-tao1,*

(1.College of Chemistry and Pharmaceutical Sciences,Qingdao Agricultural University,Qingdao 266109,China; 2.College of Resource and Environment,Qingdao Agricultural University,Qingdao 266109,China)

A method was established for the determination of 6 phthalate plasticizers in mulch by microwave extraction-gas chromatography. Palmitic acid was eliminated,which was often used as softener and affected the separation of phthalate plasticizers. Samples were extracted by microwave extraction with acetone as the solvent,and the extraction conditions were optimized by single factor and orthogonal analysis. The results showed that the linear correlation coefficients were over 0.999 in the range of 3.0～200.0mg/L,the recoveries were 97.2%～104.8%,the relative standard deviations were 0.51%～2.35%,and the detection limits were 0.15～0.60mg·kg-1. This method was simple,sensitive and repeatable,which was suitable for the determination of phthalate plasticizers in mulch.

microwave extraction;gas chromatography;phthalates;mulch;orthogonal analysis

2013-06-27 *通訊聯系人

綦敬帥(1989-)，男，在讀碩士研究生，主要從事色譜分析方面的研究。

山東省“黃藍兩區”建設專項資金(2011-黃-19)。

TS207

：A

：1002-0306(2014)01-0289-07