“農(nóng)產(chǎn)品中有機(jī)磷及氨基甲酸酯類農(nóng)藥殘留測(cè)定方法” 實(shí)驗(yàn)中有機(jī)溶劑重蒸及回收方法的改進(jìn)

阮元，劉淼，王麗，常紀(jì)萍，秦蕾，張珂，壽紀(jì)剛，張朋展，文春南，麻兵繼*

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院中心實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450002；2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院中藥材系，河南 鄭州 450002）

實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠把理論抽象的知識(shí)具體化，有助于學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的深入理解，在一定程度上提高學(xué)生的綜合素質(zhì)水平和對(duì)專業(yè)學(xué)科的整體把握[1]，在培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、科研能力和創(chuàng)新能力方面都具有理論教學(xué)不可替代的作用。因此，改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件，與時(shí)俱進(jìn)地豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)涵是高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革應(yīng)該長(zhǎng)期堅(jiān)持的重要原則。實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的目的就是要建立既滿足大眾化教育，又適應(yīng)學(xué)生個(gè)性化發(fā)展，有利于學(xué)生能力培養(yǎng)的多層次、開(kāi)放式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系[2]。深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系改革，其核心是要針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、形式和體系的建設(shè)。

“農(nóng)產(chǎn)品中有機(jī)磷及氨基甲酸酯類農(nóng)藥殘留測(cè)定方法”是農(nóng)學(xué)專業(yè)核心課程《農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)》的一個(gè)重要的綜合性實(shí)驗(yàn)[3]，占8 個(gè)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)。有機(jī)磷和氨基甲酸酯類農(nóng)藥是當(dāng)前我國(guó)使用量很大的兩類殺蟲(chóng)劑[4]。農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥多種殘留分析方法囊括了多種農(nóng)藥的殘留檢測(cè)技術(shù)[5～8]，可以進(jìn)行食品中多種組分及未知組分農(nóng)藥的殘留分析。該檢測(cè)方法能夠?qū)崿F(xiàn)糧食和蔬菜中敵敵畏等16 種有機(jī)磷以及速滅威等4 種氨基甲酸酯類農(nóng)藥的殘留分析，同時(shí)也適用于其他有機(jī)磷及氨基甲酸酯農(nóng)藥的殘量分析。實(shí)驗(yàn)中需要用到有毒有機(jī)溶劑丙酮、二氯甲烷、乙酸乙酯、甲醇和正己烷等，且使用量較大，具體涉及到3 個(gè)步驟。（1）溶劑準(zhǔn)備：重蒸丙酮、二氯甲烷、乙酸乙酯、甲醇、正己烷等有機(jī)溶劑備用；（2） 提?。悍Q取糧食樣品20 g 于三角瓶中，加入無(wú)水硫酸鈉5 g 和丙酮100 mL，振蕩提取30 min，過(guò)濾后取濾液50 mL 于分液漏斗中；（3） 凈化：向提取糧食樣品的分液漏斗中加入5%氯化鈉溶液50 mL，再依次用50、50、30 mL 二氯甲烷各提取1 次，合并二氯甲烷層，經(jīng)無(wú)水硫酸鈉過(guò)濾后回收溶劑濃縮近干，定容至1 mL[9]。目前在本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，以上溶劑的重蒸和農(nóng)藥殘留的提取主要采用普通的加熱蒸餾裝置來(lái)處理。但該方法的主要問(wèn)題是有毒有機(jī)溶劑在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中使用量過(guò)大且回收效率低、回收時(shí)間長(zhǎng)，存在影響同學(xué)們身體健康、污染環(huán)境的安全隱患[10]，同時(shí)也增加了實(shí)驗(yàn)費(fèi)用。另外，

由于以上溶劑的蒸餾回收處理時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致該實(shí)驗(yàn)耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)不夠緊湊。

針對(duì)上述問(wèn)題，結(jié)合綠色環(huán)保理念和低溫冷卻循環(huán)系統(tǒng)技術(shù)，對(duì)“農(nóng)產(chǎn)品中有機(jī)磷及氨基甲酸酯類農(nóng)藥殘留測(cè)定方法”實(shí)驗(yàn)中的有機(jī)溶劑重蒸和回收方法進(jìn)行了改進(jìn)，期望在后續(xù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)工作中實(shí)現(xiàn)低溫、環(huán)保、高效的有毒有機(jī)溶劑重蒸和回收操作，改善教學(xué)條件，節(jié)約試劑，節(jié)省教學(xué)時(shí)間，打造綠色環(huán)保的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂環(huán)境。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)有機(jī)溶劑為丙酮、二氯甲烷、乙酸乙酯、甲醇、正己烷，共5 種。

所用儀器設(shè)備有RE-52AA 旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（上海亞榮生化儀器廠）、DLSB-5L/10 低溫冷卻液循環(huán)泵（鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司） 和SHB-3 循環(huán)水式多用真空泵（鄭州杜甫儀器廠）。

1.2 試驗(yàn)方法

“農(nóng)產(chǎn)品中有機(jī)磷及氨基甲酸酯類農(nóng)藥殘留測(cè)定方法”實(shí)驗(yàn)中有3 個(gè)步驟需要用到有毒有機(jī)溶劑丙酮、二氯甲烷、乙酸乙酯、甲醇和正己烷。本研究中，采用3 種方法對(duì)溶劑進(jìn)行回收處理。以常規(guī)蒸餾法為對(duì)照，對(duì)減壓回收法改進(jìn)前后的溶劑回收時(shí)間和回收率進(jìn)行比較。

1.2.1 常規(guī)蒸餾法 該法采用目前本科生實(shí)驗(yàn)所用的普通加熱蒸餾裝置，其中，熱源為酒精燈，溫度由水銀溫度計(jì)監(jiān)測(cè)，冷卻液為自來(lái)水。具體方法為：精密量取有機(jī)溶劑250 mL，試驗(yàn)設(shè)5 個(gè)有機(jī)溶劑處理；用漏斗倒入蒸餾燒瓶?jī)?nèi)并加入數(shù)粒沸石，裝好蒸餾頭與溫度計(jì)；認(rèn)真檢查裝置后通水并緩慢升溫加熱，加熱即開(kāi)始計(jì)時(shí)；待蒸餾瓶?jī)?nèi)溶劑完全蒸干后結(jié)束計(jì)時(shí)，并精密計(jì)量回收溶劑的體積。每處理均設(shè)3 次重復(fù)。

1.2.2 減壓回收法 試驗(yàn)在連接低溫冷卻液循環(huán)泵和循環(huán)水真空泵等設(shè)備的旋轉(zhuǎn)薄膜蒸發(fā)儀中進(jìn)行。具體方法為：精密量取有機(jī)溶劑250 mL 于旋蒸瓶中，試驗(yàn)設(shè)5 個(gè)有機(jī)溶劑處理；放入已達(dá)設(shè)置溫度的旋轉(zhuǎn)薄膜蒸發(fā)儀中，其中，旋蒸溫度為45 ℃，冷凝液溫度為4 ℃；打開(kāi)真空泵，關(guān)閉蒸發(fā)儀氣閥即開(kāi)始計(jì)時(shí)；待蒸餾瓶?jī)?nèi)溶劑完全蒸干后結(jié)束計(jì)時(shí)，并精密計(jì)量回收溶劑的體積。每處理均設(shè)3 次重復(fù)。

1.2.3 改進(jìn)減壓回收法 該法由減壓回收法改進(jìn)而來(lái)。具體方法為：在真空泵與旋轉(zhuǎn)薄膜蒸發(fā)儀之間加裝1 個(gè)氣密性良好的三通閥，當(dāng)真空泵壓力表壓力顯示-0.1 MPa 時(shí)關(guān)閉此三通閥，即可阻斷蒸發(fā)儀與真空泵的聯(lián)系，同時(shí)仍能維持蒸發(fā)儀內(nèi)部的減壓環(huán)境；其他操作與1.2.2 相同。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同方法的溶劑回收時(shí)間比較

采用常規(guī)蒸餾法時(shí)，沸點(diǎn)最低的二氯甲烷回收時(shí)間為55.74 min，耗時(shí)最久的甲醇回收時(shí)間長(zhǎng)達(dá)211.24 min，其他3 種溶劑的回收時(shí)間均在80 min 左右（表1）。溶劑回收時(shí)間長(zhǎng)，在很大程度上延緩了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的進(jìn)度。

采用減壓回收法時(shí)，無(wú)論是否關(guān)閉三通閥，5 種溶劑的回收時(shí)間均較常規(guī)蒸餾法顯著縮短，平均耗時(shí)僅為常規(guī)蒸餾法的10%左右。2 種減壓回收試驗(yàn)中，關(guān)閉三通閥時(shí)參試溶劑的回收時(shí)間普遍長(zhǎng)于不關(guān)三通閥，其中正己烷和乙酸乙酯的回收時(shí)間差異達(dá)到了顯著水平。關(guān)閉三通閥較不關(guān)閉三通閥處理的耗時(shí)普遍增加，原因是關(guān)閉三通閥處理后旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀內(nèi)的壓強(qiáng)緩慢增加，會(huì)導(dǎo)致溶劑沸點(diǎn)逐漸提高，進(jìn)而造成回收時(shí)間的增加。

綜上分析可以看出，與常規(guī)蒸餾法相比，減壓回收法能夠大幅度縮短溶劑的回收時(shí)間，提高實(shí)驗(yàn)效率，確保教學(xué)任務(wù)的順利進(jìn)行。

表1 不同溶劑的回收時(shí)間Table 1 Recovery time of different solvents （min）

2.2 不同方法的溶劑回收體積比較

溶劑回收率是影響試驗(yàn)成本、決定是否符合綠色環(huán)保理念的關(guān)鍵因素，因此，可以將溶劑的回收體積作為一個(gè)重要的判斷指標(biāo)。

與常規(guī)蒸餾法相比，采用關(guān)閉三通閥減壓回收法的溶劑回收體積除二氯甲烷表現(xiàn)出顯著降低外，其他溶劑均表現(xiàn)差異不顯著（表2）。但這2 種方法在溶劑回收時(shí)均有約3%的損失，屬于系統(tǒng)誤差，證明溶劑很難100%回收。然而，不關(guān)閉三通閥減壓回收法的回收體積與這2 種方法相比均顯著降低，溶劑平均損失率高達(dá)27.38%，尤其是丙酮和甲醇損失得更多。采用不關(guān)閉三通閥減壓回收法時(shí)，丙酮和甲醇的回收體積分別為129、150.67 mL，回收率均≤50%，主要原因是丙酮和甲醇的蒸汽易與水混溶，大量氣體被真空泵抽走，易造成溶劑浪費(fèi)和環(huán)境污染。

表2 不同溶劑的回收體積Table 2 Recovery volume of different solvents （mL）

綜上分析可以看出，與常規(guī)蒸餾法和不關(guān)閉三通閥減壓回收法相比，關(guān)閉三通閥減壓回收法的溶劑回收率高，符合綠色環(huán)保的理念。

3 結(jié)論與討論

河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心為河南省高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，硬件條件較好，具有良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，可以保障2～3 個(gè)本科生實(shí)驗(yàn)室約200 m2的面積用于本課題的具體實(shí)施。“農(nóng)產(chǎn)品中有機(jī)磷及氨基甲酸酯類農(nóng)藥殘留測(cè)定方法”是農(nóng)學(xué)專業(yè)核心課程的一個(gè)重要綜合性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中需要用到有毒有機(jī)溶劑丙酮、二氯甲烷、乙酸乙酯、甲醇、正己烷等，且使用量較大。目前本科生教學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)主要采用普通的加熱蒸餾裝置來(lái)重蒸和回收處理。常規(guī)蒸餾法的操作過(guò)程是將溶劑加熱到其沸點(diǎn)，再將蒸汽冷凝回收，是蒸發(fā)和冷凝2 種單元操作的聯(lián)合。教學(xué)中常使用500 mL 或1 000 mL 圓底燒瓶，試劑耗費(fèi)量大[11]，操作時(shí)長(zhǎng)，浪費(fèi)自來(lái)水，且以酒精燈為熱源長(zhǎng)時(shí)間蒸餾有機(jī)溶劑危險(xiǎn)性高。該實(shí)驗(yàn)方法耗時(shí)長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)不夠緊湊；且有機(jī)溶劑回收效率低，易對(duì)人類和環(huán)境造成安全隱患。

減壓回收法系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)薄膜蒸發(fā)儀熱源為水浴鍋，同時(shí)其氣密性較好，外接的真空泵可為蒸發(fā)儀內(nèi)部提供減壓環(huán)境以達(dá)到降低溶劑沸點(diǎn)的效果。另外，外接低溫冷卻液循環(huán)泵提高了冷凝效果，冷卻液溫度恒定可控。系統(tǒng)整體是蒸發(fā)、冷凝和減壓3 種單元操作的聯(lián)合。系統(tǒng)中的冷卻液和真空泵中的水均為循環(huán)利用，具有耗時(shí)短、效率高、適應(yīng)性強(qiáng)、操作方便等優(yōu)點(diǎn)[12]；缺點(diǎn)是真空泵會(huì)抽走部分溶劑蒸氣造成溶劑浪費(fèi)并可能污染空氣，若在真空泵與旋轉(zhuǎn)薄膜蒸發(fā)儀之間加裝1 個(gè)氣密性良好的三通閥即可有效解決這一問(wèn)題。結(jié)合綠色環(huán)保理念和低溫冷卻循環(huán)系統(tǒng)技術(shù)，作者對(duì)該測(cè)定實(shí)驗(yàn)中有機(jī)溶劑的重蒸和回收處理方法進(jìn)行了改進(jìn)。以常規(guī)蒸餾法為對(duì)照，采用減壓回收法進(jìn)行溶劑回收試驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)減壓回收法進(jìn)行了改進(jìn)。結(jié)果表明，關(guān)閉三通閥的減壓回收法溶劑回收時(shí)間較普通蒸餾法平均節(jié)省約90%，極大地提高了實(shí)驗(yàn)效率，不僅解決了溶劑回收時(shí)間長(zhǎng)導(dǎo)致教學(xué)環(huán)節(jié)不夠緊湊的問(wèn)題，還實(shí)現(xiàn)了在較低溫度下有機(jī)溶劑的重蒸和高回收率，在節(jié)約試劑的同時(shí)還保持了環(huán)境友好。

項(xiàng)目成員分別指導(dǎo)2016 級(jí)和2017 級(jí)農(nóng)標(biāo)專業(yè)本科生完成了“農(nóng)產(chǎn)品中有機(jī)磷及氨基甲酸酯類農(nóng)藥殘留測(cè)定方法”的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)操作體會(huì)和經(jīng)驗(yàn)編寫了實(shí)驗(yàn)手冊(cè)。關(guān)閉三通閥的減壓回收法不僅明顯節(jié)省溶劑的回收時(shí)間，提高了實(shí)驗(yàn)效率，而且實(shí)現(xiàn)了溶劑的高效回收，符合綠色環(huán)保的理念，具有進(jìn)一步推廣應(yīng)用的價(jià)值。