1、 毕业论文 文献综述 化学工程与工艺 环境水样中的丙烯酰胺样品的前处理技术和研究进展 一、 前言 一个完整的样品分析过程包括样品采集、样品前处理、分析测定、数据处理与报告结果，其中样品前处理所需的时间约占整个分析时间的 2/3，并可能产生 1/3 以上的误差 1，因而成为分析工作的瓶颈问题。样品前处理方法与技术一直是现代化学领域的重要课题和发展方向之一。对于环境样品，由于组分十分复杂，有些组分含量很低，经常要求测定 ng/mL，甚至 pg/mL 级的痕量元素时，就需要借助分离富集技术与色谱分析配合。各种传统样品制备与处理方法， 如固相萃取、层析、蒸馏、离心、沉淀、索式提取等，普遍存在操作步骤繁
2、琐，耗时久，有毒溶剂用量大等不足。所以，发展省时高效、有机溶剂消耗少的样品前处理技术一直是分析化学研究的热点领域 2。 丙烯酰胺，英文名： Acrylamide，分子式 ： CH2=CHCONH2， 丙烯酰胺是一种不饱和酰胺，别名 AM，其单体为无色透明片状结晶，沸点 125 (3325 Pa)，熔点 8485 ，密度 1.122 g/cm3。能溶于水、乙醇、乙醚、丙酮、氯仿，不溶于苯及庚烷中，在酸碱环境中可水解成丙烯酸。丙烯酰胺单体在室温下很稳定， 但当处于熔点或以上温度、氧化条件以及在紫外线的作用下很容易发生聚合反应。当加热使其溶解时，丙烯酰胺释放出强烈的腐蚀性气体和氮的氧化物类化合物。丙
3、烯酰胺是一种白色晶体化学物质，是生产聚丙烯酰胺的原料。聚丙烯酰胺主要用于水的净化处理、纸浆的加工及管道的内涂层等。淀粉类食品在高温（ 120 ）烹调下容易产生丙烯酰胺。研究表明，人体可通过消化道、呼吸道、皮肤黏膜等多种途径接触丙烯酰胺，饮水是其中的一条重要接触途径。 饮用水中大部分的丙烯酰胺来自于使用聚丙烯酰胺作为絮凝剂。一般说来，最大的聚合物使用浓度为 1 mg/L，单体含量 0.05，因此水中丙烯酰胺单体的相应浓度为 0.5 g/L。实际上，丙烯酰胺的浓度要低 2-3个数量级。在用丙烯酰胺作生活饮用水絮凝剂的地方，丙烯酰胺在河水和自来水中的检出水平低于 5 g/L。在美国西弗吉尼亚公共生活
4、饮用水池中采集的水样含 0.0240.041 g/L的丙烯酰胺。在英国的一个研究报告中，自来水中的丙烯酰胺也是在 g/L的级别 3。 二、主 题 2.1 样品前处理技术 为了节省时间，减轻劳动强度，较少样品及溶剂用量，实现样品前处理的自动化、在线化，分析化学家不断的开发出新的样品 处理技术，如气体萃取技术（顶空技术） 4、固相萃取技术（ SPE） 5、固相微萃取技术（ SPME） 6、液相微萃取 7、悬滴微萃取 (SDME)8、膜萃取技术 9、微波辅助萃取技术（ MAE）、超临界萃取技术（ SFE）、搅拌棒吸附萃取技术（ SBSE）、分散液液微萃取（ DLLME）等。 2.1.1 气体萃取技术
5、 气体萃取适用于样品中痕量高挥发性物质的分析测定，因为气体是挥发性物质的的理想溶剂，与大部分有机溶剂相比，气体既容易处理又容易纯化。但有时需要大体积的气体进样，影响色谱分离效能。 2.1.2 液液萃取技术 液液萃取利用样品中不同组分分配在两种不同的溶剂中溶解度或分配比的不同来达到分离富集的，是最常用、最经典提取技术。它具有操作简单，无需特殊的或昂贵的仪器设备，适应范围 广 等优点。但该法存在选择性差、溶剂用量大、提取时间长、易造成二次污染等缺点。 2.1.3 分散液 -液微萃取技术 2006 年 3 月， Assadi 等人 10首次提出了一种新型液相微萃取方式 ： 分散液液微萃取（ Disp
6、ersive Liquid-Liquid Microextraction， DLLME）。它是由一个三元溶剂系统组成，利用分散剂对有机溶剂（萃取剂）的分散作用、有机溶剂在水中的乳化现象（浊相）以及离心作用使分散在水中的有机溶剂沉淀于离心管底部（沉积相），从而达到了目标分析物的分离和富集 11。 2.1.4 固相微萃取技术 固相微萃取技术是在固相萃取基础上建立的新技术。采用似色谱进样器的装置，采用一根涂渍多聚物固定相的熔融石英纤维从液 /气态基质中萃取待测物。然后将富集了待测物的纤维转移到色谱仪中，通过一定的方式解吸附进行分析。它同时完成了取样、萃取和富集，而且不使用有机溶剂。但它仍有纤维头昂贵
7、、寿命短；萃取头上聚合物在使用过 程中会有部分损失，影响分析结果的精密度；与 GC联用分析某些物质纤维具有记忆效应。 2.1.5 液相微萃取技术 液相微萃取技术在液液萃取的基础上提出，是将微滴萃取溶剂置于被搅拌或流体的溶液中，通过分析物与萃取溶剂之间的分配平衡，实现分析物微萃取。它集采样、萃取和富集 于一体，操作简单、快捷，所需有机溶剂少。但从传质面积来看，萃取剂和样品的接触面积有限， 使 富集效果不能达到最佳。 2.1.6 微波辅助萃取技术 微 波辅助萃取技术利用微波加热的特性对目标成分进行选择性萃取的方法，利用微波能大大缩短了萃取时间，来提高 萃取效率。通过调节微波加热的参数，可以有效加热
8、目标成分，以利于目标成分的萃取和分离。但它主要适合固体或半固体样品中有机污染物的分析和有机金属化合物的形态分析，对于液体样品有一定局限性。 2.1.7 超临界萃取技术 超临界萃取技术是利用超临界流体作为萃取剂，从固相或液 相 中萃取出某种高沸点或热敏性成分，以达到分离和提纯的目的。大多数超临界流体相对惰性、纯净、无毒，处理完后不留下任何残留物，萃取温度和压力也相对安全。但它主要适合非极性或低极性物质，如果样品分子中含有羟基或羧基等极性 基团 ，就会使萃取发生困难，有时 甚至无法进行。对于糖类、糖苷、氨基酸等天然大分子超临界萃取也无法进行。 2.1.8 搅拌棒吸附萃取技术 搅拌棒吸附萃取技术是在
9、固相微萃取的基础上发展的又一种无溶剂的用于痕量有机物分离和浓缩的技术，与 SPME 的原理相似。它是一种更优异、更有效且应用更加广泛的无溶剂萃取技术。 2.1.9 膜萃取技术 膜萃取 具有 装置结构简单、操作程序方便、无 需 有机溶剂处理、可与各种分析仪器直接连接等优点。但 受 缺乏高效萃取拆分剂、不能自动控制和强化萃取拆分过程这三方面 因素的制约而影响发展。 2.1.10 固相萃取技术 固相萃 取技术利用固体吸附剂将液体样品中的目标化合物吸附，与样品的基体和干扰化合物分离，然后再用洗脱液洗脱或加热解吸附。它不需要大量溶剂，处理过程不会产生乳化现象，简化样品处理过程。但目标化合物的回收率和精密
10、度较低。 2.2 固相萃取前处理方法的应用 固相萃取作为一种全新的样品前处理方法，可以与气相色谱、液相色谱、原子荧光等多种一起联用，在农药残留、重金属、药物残留等的分析中得到广泛的应用。 吴红军等人 12，建立了固相萃取 -液相色谱法测定水产品中三聚氰胺的分析方法，样品经三氯乙酸溶液提取，阳离子交换固相萃取 柱净化后，以保留时间定性，外标法定量。色谱条件：色谱柱： Varian Polaris C18 5 m 4.6 mm250 mm；流动相：离子对试剂缓冲液：乙腈(90:10,v/v)；流速： 1.0 mL/min；柱温： 30 ；检测波长： 240 nm；进样量： 20 L。三聚氰胺峰面积
11、与其质量分数有着良好的线性关系 (r2=0.9995)，最低检测限为 1.5 mg/kg，加标回收率为 80.5 -91.5 ， RSD为 2.2 -5.1。 刘先军等人 13，研究建立了城市污水中他莫昔芬和来曲唑的超高效液相色谱 -串联质谱(UPLC-MS/MS)联用检测方法。水样通过 Oasis HLB固相萃取柱富集后串联氨基柱，先用 6 mL甲醇洗脱，再用 3 mL甲醇洗脱氨基柱，合并洗脱液后浓缩。使用 ACQUITY UPLCTM BEH C18，反相柱，流动相为 0.1 甲酸 -乙腈，在梯度条件下分离；目标分析物使用超高效液相色谱 -电喷雾串联质谱进行测定。本方法对他莫昔芬和来曲唑的
12、线性范围分别是 1.0100 g/L和 0.1100 g/L， 相关系数 R 0.997，检出限分别为 1.0和 0.1 ng/L，进水和出水的 3个不同水平的 加标平均回收率为 68.8 103.0 ，相对标准偏差小于 15 。 郑海涛等人 14，以国家标准分析方法和美国环保局分析方法为基础，采用固相萃取 -气相色谱法测定水中多环芳烃。探讨了各条件对测定的影响，确定选用 HP-5毛细管柱，手动进样，程序升温（ 80 保持 1 min，以 15 /min升到 255 保留 1min，以 1 /min升到 265保留 1 min，再以 2.5 /min升到 295 保留 1min）。方法的检出限
13、在 410 ng/L，相对误差30.0， RSD5 ,适用于优先监控的 l6种多环芳烃的同 时分析。 王芳等人 15，采用固相萃取 -气相色谱法测定地表水和底泥中 9种硝基苯类化合物。方法在 0 mg/L4.00 mg/L范围内线性良好，硝基苯和间 -二硝基苯的检出限为 0.05 mg/L(水样 )和 0.05 mg/kg(底泥 )，其余 7种硝基苯类化合物的检出限为 0.01 mg/L(水样 )和 0.0l mg/kg(底泥 )，标准溶液平行测定的 RSD6.5 ，地表水和底泥加标回收率分别为 85.1 103 和78.4 106 。 桂建业等人 16，采用固相萃取衍生气相色谱 -负化学源质
14、谱法检测水中酸 性除草剂。发现用德国 Merk公司生产的 LiChrolut柱，在给定的条件下回收率最高；通过对不同萃取条件的考察，使其中 15种除草剂的回收率均达到 70以上；选择了毒性较低、衍生效率较高、可操作性较强的五氟苄基溴进行衍生；采用不同的气相色谱柱进行实验，优化了升温程序，从而确定了最佳的分离条件（柱始温度 90 ；以 30 /min程序升温至 200 ；再以 10 /min升到 300 ，保持 2 min；进样口温度： 230 ；不分流进样；进样体积： 1 L）；通过对比不同离子源特点及实验数据结果选择了定性准、灵敏度高的负化 学源质谱法进行检测。检出限在萃取体积 200 mL
15、的条件下即可低于 0.0l g/L。 胡献刚等人 17，建立了固相萃取。反相高效液相色谱法测定畜牧粪便中 5种磺胺类、 4种四环素类、 2种喹诺酮类以及氯霉素和呋喃唑酮的检测方法。采用乙腈和 0.01 mol/L草酸作为流动相分离 4种四环素类和氯霉素，乙腈和 0.025 mol/L醋酸铵作为流动相分离 5种磺胺类和其它 3种抗生素。结果表明，检测的 13种抗生素出峰时间稳定，峰形较好，检出限0.01-0.05 mg/L，定量下限 0.03-0.167 mg/L，采用柠檬酸缓冲 液酸化的乙腈对猪粪便样品前处理，采用 EDTA-Mcllvaine提取液对鸡粪便样品前处理，两类样品均通过 HLB固
16、相萃取小柱纯化富集，回收率为 54 103，抗生素浓度检出范围 0.3173 mg/kg。 吴岩等人 18，建立了板栗中 44种有机磷农药多残留的分析方法。样品以 V(乙腈 )：V(水 )=4： 1为提取剂，经高速匀浆方法提取，提取液以 ENVI-18固相萃取柱净化，除去样品中大部分的脂肪和甾醇等干扰基质，再经在线凝胶渗透色谱 -气相色谱 /质谱 (GPC-GC/MS)分析，进一步除去样液中色素和脂肪等大分子干 扰物质，有效地降低了样品中的复杂基质所带来的背景干扰。加标水平为 0.05 mg/kg时，大部分农药的回收率为 65 -120，相对标准偏差小于 15； 44 种农药的检出限为 0.0
17、02-0.05 mg/kg。 2.3 丙烯胺测定方法的研究进展 目前对丙烯酰胺的研究方法，主要有气相色谱法 (GC)，高效液相色谱法（ HPLC） ，气相色谱 -质谱法（ GC-MS） ，液相色谱 -质谱法 (LC-MS)。 美国环境保护局发布了关于 GC测定水和其它物质中丙烯酰胺的方法 19,20，该法采用溴化试剂将丙烯酰胺衍生为 2， 3-二溴丙酰 胺，通过 Na2S04盐析作用提高乙酸乙酯萃取 2， 3-二溴丙酰胺的效率，再用硅酸镁为载体的柱纯化样品，得出方法线性范围 05 g/L，检出限为 0.032 g/L，回收率为 85.2 。 Restek公司报道用 GC 法测定食品中丙烯酰胺
18、21，他们采用 0.1甲酸溶液为提取剂，CarboPrepTM200 SPE柱分离除去杂质，程序升温 (初始温度 100 保持 0.5 min，以 15 /min速度升温至 200 )， Stabilwax(15 m0.53 min0.50 m)色谱柱分离，氢焰离子化检测器 (FID)检测，得到方法线性范围为 205000 g/L，检出限为 10 g/L。 刘红河等人 22，用 HPLC 法测定食品中丙烯酰胺，该法用水提取样品中的丙烯酰胺，C18固相萃取小柱纯化处理， Aglient XDB反相 Cl8柱分离，二极管阵列检测器测定，得到方法检出限为 10 g/g，最低检出量为 10 ng/g，
19、回收率为 80.0 115.0。 Paleologos等人 23，用正相 HPLC法测定食品中的丙烯酰胺，该法先将试样粉碎成大小均一的颗粒，然后用 70 水提取，震荡，离心和过滤，加正己烷脱脂，液相色谱 法进行测定，得出方法检出限为 10 g/L，回收率为 95%103 蒋俊树等人 24， 研究了食品中丙烯酰胺的气相色谱 -质谱 (GC-MS)定量测定方法，首先通过水、醇类等极性溶剂提取样品中的丙烯酰胺，然后进行溴化衍生，气相色谱 -质谱 (GC-MS)特征离子定性，标准加入法定量，方法检出限为 510 g/kg，回收率在 80.0 110.0%。 李永香等人 25， 用 GC-MS法测定了方
20、便面中的丙烯酰胺含量，采用柱前溴化衍生的方法，以甲基丙烯酰胺为内标，分别采用 GC/ECD、 GC/FID、 GC/MS分析测定 ，在 05.00 mg/L范围内线性良好，加标回收率范围为 70.9 87.6。 刘红河等人 26，用高效液相色谱 /串联质谱 (HPLC-MS/MS)法测定了食品中的丙烯酰胺，首先在均质后的食品样品中加入正己烷脱脂，然后用蒸馏水提取丙烯酰胺， Carrez试剂净化样品，净化液过 0.45 m 微孔滤膜，多反应监测模式检测，外标法定量，线性相关系数为0.9997，方法的线性范围为 2500 g/L，检出限为 2 g/kg。 王浩等人 27，建立饼干中丙烯酰胺残留的高
21、效液相色谱 -串联四极杆质谱联用测定方法。该 方法经纯水提取样品，以 ZORBAX SB-Aq柱 (4.6150 mm， 5 m)分离，流动相为 0.1甲酸水溶液和乙腈 (体积比为 97： 3)，电喷雾正离子 MRM模式检测。该方法的检出限 0.3 g/L，方法定量下限 3.0 g/kg，线性范围 0.3 g/L100.0 g/L，加标回收率 91.5 99.5。相对标准偏差为 4.44。 李薇薇等人 28，建立了液质联用色谱测定聚丙烯酰胺水凝胶中丙烯酰胺含量的测定方法。以丙烯酰胺标准品为对照，样本经水溶液振荡提取，硅藻土柱净化。色谱条件： MG120 C18色谱柱 (5 m粒径， 150 m
22、m4.6 mm)，柱温均 26 ；流动相为甲醇： 0.1 甲酸 =1： 9，流速为 0.6 mL/min；进样量为 10 L。线性范围可达 3000 g/L。加标水平在 50 g/L时，回收率为 103.1 ，相对标准差 (RSD)为 6.20。 三、总结 近年随着国家环境保护力度的逐步加大，聚丙烯酰胺用于污水处理剂和污泥脱水剂的市场需求量快速增长，到 2010年我国城市污水处理率将达 70以上，水处理总量将达到 918亿 t，初步估算需要使用聚丙烯酰胺 11.3万 t，其中阳离子聚丙烯酰胺 9.8万 t。因此，这一问题应尽早引起中国国内环境监测部门和政府部门的重视，相关部门尽早对丙烯酰胺对环
23、境的影响进行调查、评估并采取必要的措施，而开展环境水样中丙烯酰胺的分离和定量检测方法的技术开发也势在必行。 参考文献 1 李攻科 ,胡玉玲 ,阮贵华 .样品前处理仪器与装置 M.北京 :化学工业出版社 ,2007. 2 Rayine D E.Modern Extraction TechniquesJ.Analytical Chemistry,2004,76:4659-4664. 3 张丹 ,杨坪 ,谢振伟 ,程小艳 .柱前衍生 -EI 源串联四级杆气质联用测定地表水中的丙烯酰胺 J.中国环境监测 .2009,25(5):20-04. 4 Hewitt C N.Instrumental Anal
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