8種芳香胺分配系數(shù)的測定和萃取相體積的討論

黃麗儀++周雪平++吳文宜++陳瓊娟

摘要

本文測定了8種典型芳香胺的分配系數(shù)，建立并討論了分配系數(shù)和萃取相體積、方法回收率的函數(shù)關(guān)系，基于當(dāng)前芳香胺測定方法的一些已知的通用參數(shù)如回收率、水相體積等計算了最低的有機(jī)萃取試劑的用量，為方法的制定和在滿足方法基本性能的前提下提升方法的環(huán)保性提供了指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：芳香胺；分配系數(shù)；萃取相體積

化學(xué)分析步驟中的萃取是制約檢測效率和檢測質(zhì)量的關(guān)鍵步驟，目標(biāo)物被萃取的程度決定了方法的檢出限，萃取的穩(wěn)定性決定了方法的重現(xiàn)性，萃取需要試劑的多少決定了方法的環(huán)保性，萃取的快慢決定了檢測的效率。縱觀萃取技術(shù)的發(fā)展歷程，液相萃取作為最早出現(xiàn)的萃取技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，其在有害物質(zhì)的分析中仍然具有相當(dāng)旺盛的生命力。這是因為，疏水性較強(qiáng)、油水分配系數(shù)高的目標(biāo)物往往需要利用傳統(tǒng)液相萃取技術(shù)來達(dá)到較高萃取程度。芳香胺作為國外法規(guī)或國內(nèi)強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)中禁止使用的致癌性物質(zhì)[1]，在當(dāng)前國內(nèi)外通行的標(biāo)準(zhǔn)檢測方法仍然采用傳統(tǒng)液相萃取技術(shù)，無論是GB/T 17592還是EN 14362系列測試標(biāo)準(zhǔn)，一次萃取消耗的有機(jī)萃取試劑都達(dá)到80 mL[2-3]。實際上，根據(jù)分配定律，在已知的目標(biāo)物分配系數(shù)的情況下，萃取率和萃取相體積以及水相體積有定量的數(shù)學(xué)關(guān)系，超過一定體積的萃取試劑并不增加萃取率。因此，測定芳香胺的分配系數(shù)和建立萃取試劑的最低使用量對指導(dǎo)方法的建立、兼顧方法的環(huán)保性和萃取率具有理論和實際應(yīng)用價值。本文以8種典型的芳香胺為例，測定其分配系數(shù)和推算方法中有機(jī)萃取試劑的最低使用量。

1 芳香胺分配系數(shù)的測定原理

分析物在反相液相色譜柱中進(jìn)行的分離過程，實際就是分析物在流動相和烴類固定相之間的分配過程。而分析物在柱子中的保留時間與其烴—水分配系數(shù)成比例，親水性越強(qiáng)，越先流出，親油性越強(qiáng)，越靠后流出[4]。因此，芳香胺的分配系數(shù)可以通過液相色譜保留時間的測定來推算。保留時間以容量因子來表示，即公式（1）：

（1）

其中tr為分析物的保留時間，to為死時間，即溶劑分子通過柱子的平均時間，單位為分（min）。

由于分析物的正辛醇—水分配系數(shù)的對數(shù)和容量因子有正比函數(shù)關(guān)系，即公式（2）：

logkow =a+b lgk （2）

式中，a、b線性回歸系數(shù)。

可以通過相應(yīng)的液相色譜條件來測定已知正辛醇—水分配系數(shù)的參比物的保留時間來計算其容量因子并作線性回歸求得a和b，然后通過相同的液相色譜條件來測定分析物的保留時間，通過求得的函數(shù)關(guān)系來推算芳香胺的正辛醇—水分配系數(shù)。

2 試驗部分

2.1 標(biāo)樣和試劑

8種芳香胺標(biāo)樣：2，4，5-三甲基苯胺（TMA）， 3，3-二甲基-4，4二氨基二苯甲烷（DMDAB），3，3-二甲基聯(lián)苯胺（DMB），3，3-二氯聯(lián)苯胺（DCB），4-氯-鄰甲苯胺（CT），4-氨基偶氮苯（AAB），4，4-亞甲基-二-（2-氯苯胺）（MBCA），3，3-二甲氧基聯(lián)苯胺（DCB）。以上標(biāo)準(zhǔn)品購自德國Dr.Ehrenstorfer GmbH公司。8種參比物試劑分別為：苯甲醇、4-氯苯胺、苯、氯苯、1，2，4-三氯苯、菲、熒蒽。配制使用的水為Milli-Q（德國默克集團(tuán)生產(chǎn)）系統(tǒng)制備的超純水，甲醇為色譜純，購自美國Sigma-Aldrich公司。

2.2 儀器和色譜條件

Agilent 1260高效液相色譜儀，配二極管陣列檢測器（Agilent）。AB204-S型精密天平（梅特勒-托利多儀器有限公司）。50 ?L、100 ?L微量進(jìn)樣針（美國Agilent公司）。Eclipse Plus C18液相色譜柱（250 mm×4.6 mm，5.0 ?m，Agilent公司）。

柱溫：35?C，進(jìn)樣量1?L，以超純水（A）和甲醇（B）為流動相，流速為0.2mL/min。梯度洗脫：0.00～4.50min， 76%A，24% B；4.50min～5.00min，60%A，40%B；5.00 min～5.50min，58%A，42% B；5.50min～6.00min，57% A，43%B；6.00min～12.00min，55%A，45%B；12.00min ～16.00min，35%A，65%B；16.00min ～18.00min，60%A，40%B；18.00min～28.00min，76%A，24%B；28.00min ～42.00min，0% A，100%B；42.00min～44.00min，76%A，24%B；檢測波長：240nm、254 nm、280 nm、305 nm。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

準(zhǔn)確稱取一定量的菲、熒蒽標(biāo)準(zhǔn)品，用甲醇溶解并定容，配制成濃度分別為10000μg/L、300μg/L的標(biāo)準(zhǔn)儲備液。用進(jìn)樣針分別準(zhǔn)確吸取一定量的甲酰胺、苯甲醇等剩余5種參比物標(biāo)樣，用甲醇溶解并定量，配制成濃度為15000μg/L的標(biāo)準(zhǔn)儲備液。參比物標(biāo)樣放在冰箱（-4 ?C）中遮光保存。測試的時候根據(jù)預(yù)試驗時各參比物的響應(yīng)值、用標(biāo)準(zhǔn)儲備液稀釋成高低兩種濃度的標(biāo)準(zhǔn)工作溶液。

3 測定結(jié)果

3.1 死時間to的測定

將甲酰胺的儲備液稀釋成60mg/kg和110mg/kg高低兩個濃度梯度的工作溶液，將兩個濃度的工作溶液分別進(jìn)樣，以保留時間相同、峰高發(fā)生變化的色譜峰進(jìn)行確認(rèn)，作為甲酰胺的保留時間。

3.2 參比物保留時間的測定

將參比物標(biāo)樣分別稀釋成高低兩個濃度梯度（濃度約為兩倍）的單標(biāo)樣品，首先以高低兩個濃度梯度的參比物的單標(biāo)進(jìn)樣，以保留時間相同、峰高發(fā)生變化來確認(rèn)各個單標(biāo)的保留時間，然后以混標(biāo)進(jìn)樣，再次確認(rèn)各個參比物的保留時間并和各單標(biāo)的保留時間進(jìn)行比較。

根據(jù)各物質(zhì)的保留時間和公式（1）和公式（2）求各參比物的容量因子k并計算lg k的值，查詢經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織化學(xué)品測試導(dǎo)則No.117（2004）文獻(xiàn)中推薦的各物質(zhì)的分配系數(shù)和其對數(shù)值，列于表1中。

3.3 回歸方程

根據(jù)表1中測定和計算獲得的各參比物的容量因子和分配系數(shù)的對數(shù)值，根據(jù)第1節(jié)中的回歸函數(shù)，以lgkow 對lgk作圖（見圖1），線性回歸得到相關(guān)方程。

圖1 回歸方程

線性方程為：

lgkow=4.4551lgk-1.8801

相關(guān)系數(shù)為：R2=0.9464，R=0.972。

根據(jù)經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織化學(xué)品測試導(dǎo)則中對分配系數(shù)測試結(jié)果可靠性的驗證規(guī)定，一組樣品的測試，線性回歸方程的相關(guān)系數(shù)為0.9左右測試結(jié)果才可靠[4]。本次測試獲得相關(guān)系數(shù)為0.972，因此測試結(jié)果是可信的。

3.4 芳香胺保留時間的測定和分配系數(shù)的計算

將芳香胺的標(biāo)準(zhǔn)儲備液稀釋成15 μg/L的工作溶液并進(jìn)樣，獲得各芳香胺的色譜圖并得到相應(yīng)的保留時間（見圖2）。將各芳香胺的保留時間代入線性回歸方式，得到各芳香胺的分配系數(shù)，見表2。

圖2 芳香胺的HPLC/DAD圖譜

從圖2中可以看出，各芳香胺的保留時間介于參比物的保留時間之間，因此各芳香胺的正辛醇/水的分配系數(shù)不需要通過外推法計算。將經(jīng)確認(rèn)后各芳香胺的保留時間、容量因子k及其對數(shù)值以及根據(jù)回歸方程計算獲得的各芳香胺的lg kow，列于表2中。

表2 各芳香胺的保留時間、容量因子以及分配系數(shù)

3.5 分配系數(shù)和萃取試劑體積的關(guān)系

當(dāng)溶液的濃度很低時，假設(shè)芳香胺在水相和有機(jī)相中分子形態(tài)完全相同，相平衡時分析物在兩相中的濃度之比符合能斯特（Nernst）定律，見公式（3）。

（3）

式中，Co為分析物在萃取相中的濃度，mg/L；Cw為分析物在水相中的濃度，mg/L；kow為分配系數(shù)。

則回收率E為：

（4）

式中，為Vo萃取相的體積，L；Vw為水相的體積，L。

引入分配系數(shù)kow，則回收率為：

（5）

根據(jù)GB/T 17592或者EN 14362標(biāo)準(zhǔn)中的萃取程序，水相體積Vo通常為20mL，回收率E不低于70%，在已知各目標(biāo)物的分配系數(shù)kow情況下，可以根據(jù)公式（6）計算出在滿足回收率的前提下最低的萃取試劑的用量，即

（6）

Vo≥22.6 mL，即萃取試劑的使用最低不能低于22.6 mL。

4 結(jié)論

在痕量有害物質(zhì)的分析過程中，傳統(tǒng)液相微萃取技術(shù)使用較多的有機(jī)萃取試劑一直廣受詬病。如何在保證方法的基本性能如較滿意的萃取率的前提條件下使用最少的有機(jī)萃取試劑，其實可以利用成熟的分配定律來進(jìn)行推算，然而，前提需要知道目標(biāo)物芳香胺的分配系數(shù)這一基本物理化學(xué)性質(zhì)，通過測定芳香胺的分配系數(shù)，再利用理論推導(dǎo)，可以計算出最低的萃取試劑的使用量，這個為標(biāo)準(zhǔn)方法的制定和后續(xù)改進(jìn)提供了重要的指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

[1] Directive， 2002/61/EC of 19 J?Ly 2002[J]. Official Journal of the European Communities， 2002，243：15.

[2] DIN EN 14362-1：2012， Textiles - Methods for determination of certain aromatic amines derived from azo colorants - Part 1： Detection of the use of certain azo colorants accessible with and without extracting the fibres[S].

[3] ISO 17234-1：2015， Leather -- Chemical tests for the determination of certain azo colorants in dyed leathers -- Part 1： Determination of certain aromatic amines derived from azo colorants[S].

[4]OECD/OCED 117， OECD GUIDELINE FOR THE TESTING OF CHEMICCALS Partition Coefficient （n-octanol/water）， High Performance Liquid Chromatography （HPLC） Method， 2004[S].

（作者單位：廣州纖維產(chǎn)品檢測研究院）