样品制备

第三章 样品制备

样品制备（sample preparation）是农药残留分析方法的重要部分，它一般包括从样品中提取残留农药、浓缩提取液和去除提取液中干扰性杂质的分离净化等步骤，是将检测样品处理成适合测定的检测溶液的过程。其目的是使样品经处理后更适合农药残留分析仪器测定的要求，以提高分析的速度、效率、准确度、灵敏度和精密度。

农药残留分析的样品种类多，其化学组成复杂，要使分析仪器能检测到痕量的残留农药，必须对样品进行细致的提取、浓缩和净化处理。样品制备在农药残留分析中不仅最费时、费力、经济花费大，其效果好坏直接影响到方法的检测限和分析结果的准确性，而且还影响分析仪器的工作寿命。在提取过程中要求尽量完全地将痕量的残留农药从样品中提取出来，同时又尽量少地提取出干扰性杂质；净化则要求在充分降低干扰分析的杂质的同时，最大限度地减少农药的损失。很多情况下，当检测样品中农药残留量很低难以检出时，常常通过增大样品量和浓缩检测溶液体积来满足仪器最低检测限的要求。

3.1 样品制备的原理

样品制备的原理主要是利用残留农药与样品基质的物理化学特性差异，使其从对检测系统有干扰作用的样品基质中提取分离出来。化合物的极性和挥发性是指导样品制备最有用的理化特性。极性主要与化合物的溶解性及两相分配有关，如在进行液液提取(liquid-liquid extraction)、固液提取(solid-liquid

extraction)、液固提取(liquid-solid extraction)等操作时就是利用农药的极性这一理化特性。而挥发性则主要与化合物的气相分布有关，如在进行吹扫捕集提取(purge-and-trap extraction)、顶空提取(headspace

extraction)等操作时就是利用农药的挥发特性。

3.1.1 分子的极性和水溶性

农药的极性和水溶性（polarity and water solubility）是选择提取和净化条件的重要参考依据，在残留农药的溶剂提取中常采用“相似相溶”原理，就是使用与农药极性相近的溶剂为提取剂，使残留农药在溶剂中达到最大溶解度。

分子极性的本质就是分子内电荷分布的不均匀性，虽然常用分子的偶极矩(dipole moment)和介电常数(dielectric constant)二个参数来描述，但由于分子的极性还受到氢键效应等因素的影响，单凭偶极矩和介电常数不能对其极性高低作出正确判断。一个化合物的极性被认为比另一个化合物的极性强，通常是基于经验上的判断，而没有一个确定的数值。事实上也没有单一的指标来界定分子的“极性”。由于分子的极性与分子中π电子数和孤对电子数密切相关，而π电子的主要结构形式是芳香环、C=C双键和羰基，而孤对电子则与氮、氧、氯及其它卤素等电负性原子有关，这样，通过对分子结构的分析就可大致知道其极性的强弱。例如，已烷为非极性化合物，因为其分子中既没有双键，也没有电负性原子。水为极性分子，因为其分子结构中有电负性的氧原子。另外，分子中非极性部分的相对大小也非常重要，非极性部分比例越大，其极性也比带相同功能团的分子低得越多。还有，一般对称化合物（如CCl4）的极性比非对称化合物（如CHCl3）的弱，对称取代化合物（如对二氯苯）的极性比其非对称取代异构体（如邻二氯苯）的极性弱。

通常，对溶剂的极性强弱是根据其从氧化铝吸附剂上洗脱一系列供试溶质的能力，即溶剂强度参数（solvent strength parameter）来表示的（表3-1）。

农药的极性决定其在溶剂中的溶解性。当农药的极性与溶剂的极性相近时有较大的溶解度，反之则溶解度小。这也就是“相似相溶”原理。所以，极性大的化合物易溶于极性溶剂（如甲醇、水），极性小的化合物易溶于非极性溶剂（如已烷、石油醚）。但是，在估计化合物的水溶性时还必须考虑其分子的大小。当极性相近时，大分子化合物的水溶性比小分子化合物的低。这也是为什么大分子量的脂族烃、多核芳烃、氯代烃和聚合物的水溶性非常低的原因。极性和分子大小是农药和其它有机化合物水溶性的基础。例如，对氧磷（paraoxon）的溶解度为3640 mg/L，而对硫磷(parathion)只有12.4 mg/L，显示P=O键比P=S键的极化效应大得多。

表3-1 常用溶剂的极性排列

溶剂 化学式 溶剂强度参数（E） 偶极矩

（μ） 介电常数

（χ） 水溶解度

（%）

戊烷 C5H12 0.00 — 1.84 0.01

已烷 C6H14 0.00 — 1.88 0.01

环已烷 C6H12 0.04 — 2.02 0.012

二硫化碳 CS2 0.15 0 2.64 0.005

四氯化碳 CCl4 0.18 0 2.24 0.008

苯 C6H6 0.32 0 2.30 0.058

乙醚 (C2H5)2O 0.38 1.15 4.3 1.3

氯仿 CHCl3 0.40 1.01 4.8 0.07

二氯甲烷 CH2Cl2 0.42 1.60 8.9 0.17

四氢呋喃 C4H8O 0.45 1.63 7.6 混溶

丙酮 CH3COCH3 0.56 2.88 -- 混溶

二噁烷 C4H8O2 0.56 0 2.2 混溶

乙酸乙酯 CH3COOC2H5 0.58 1.78 6.0 9.8

戊醇 C5H11OH 0.61 -- 5.0 10.0

乙腈 CH3CN 0.65 3.92 -- 混溶

丙醇 C3H8OH 0.82 1.68 20.3 混溶

二甲亚砜 (CH3)2SO 0.75 3.96 4.7 混溶

二甲基甲酰胺 HCON(CH3)2 — 3.82 36.7 混溶

甲醇 CH3OH 0.95 1.70 32.7 混溶

水 H2O 大 1.85 80.0 —

除了极性和分子大小外，农药的水溶性还受以下外部因素的影响：

1. 温度：水溶性受温度影响很大，温度越高溶解度越大。一般温度每上升10 ℃，溶解度增加一倍，但气体则随温度的上升溶解度下降。硫羟氨基甲酸酯类农药（Thiol carbamates，如杀螟丹）的溶解性具有逆温度效应，因为在较高温度下它以低极性的互变异构体为主。目前大多数文献中所列的溶解度均是在单一温度下的数据，无法知道该化合物的溶解度是正温度还是逆温度效应。 2. 含盐量：溶剂中溶解的盐会降低有机物的溶解度。有机物的“盐析”作用就是利用这一原理提高其从水溶液中的回收率。

3. 有机质：溶解的有机质（如腐殖酸和灰黄霉酸）、助溶剂（如丙酮）、或表面活性剂均会增加有机化合物的水溶性。由于许多农药均含有有机杂质或加工助剂，其溶解度也会受这些物质的影响。

4. pH值：水的pH值可显著影响可解离的酸性或碱性农药的溶解度，甚至对“中性”农药也有相当影响。

3.1.2分配定律

分配定律(distribution law)是一个与极性及溶解性相关的概念，它是指在一对互不相溶的二相溶剂系统中，由于物质在非极性相和极性相中的溶解度不同，当达到平衡时，物质在该二相中的浓度比在一定条件下为一常数的定律，即

[A]非极性相/[A]极性相=KD

KD称为分配系数(distribution coefficient)，其值大小与溶质及溶剂的性质及平衡时的温度等条件有关，而与相体积无关。KD值越大，存在于非极性溶剂中的农药越多，越有利于用非极性溶剂向极性溶剂中提取农药，而KD值越小，则存在于极性溶剂中农药越多，越有利于用极性溶剂向非极性溶剂中提取农药。在农药残留分析样品制备中，我们常应用分配定律进行农药的提取和分离净化。

常用的二相溶剂对系统有①水不溶溶剂-水（如正辛醇-水、乙酸乙酯-水、氯仿-水、石油醚-水等）、②已烷（石油醚）-丙酮、③已烷（石油醚）-乙腈、④已烷（石油醚）-二甲基甲酰胺（DMF）、⑤已烷（石油醚）-二甲基亚砜（DMSO）等系统。以正辛醇-水溶剂对测出的分配系数称为辛醇-水分配系数（octanol-water distribution coefficient, Kow）。目前，文献已列有大多数农药的辛醇-水分配系数。

3.1.3挥发性和蒸气压

挥发性(volatility)是指液态或固态物质转变为气态的物理性能。挥发性决定物质在气液或气固二相中的分布。它在气相色谱、顶空提取和吹扫捕集提取等农药残留的常用技术方法中得到应用。

一个化合物的挥发性可用沸点（boiling point）和蒸汽压(vapor pressure)二个参数来表示。由于沸点是指液体沸腾时的温度，而我们常要了解的是物质在沸点以外温度的挥发性，所以，在农药残留分析中，农药挥发性的高低主要采用蒸汽压这个参数。农药蒸汽压是衡量农药由固态或液态转化为气态趋向的物理量，即二相或三相共存时农药蒸汽的压强，它与体积无关，而与温度密切相关。

大多数农药的蒸汽压都相当低，而且不同农药间蒸汽压的变化幅度较大，故而不能用测压方法进行测定。一个常用方法就是气体饱和测定法，精确性也很好，它能测定蒸汽压在1.333×103~1.333×10-6帕(Pa)之间的化合物。它是将过量的分析物涂在砂子、玻璃珠、或其它惰性表面上，放入一个恒定的、已知流速的空气或氮气气流中使农药蒸汽在气体中饱和，然后取样测定饱和气体中农药的浓度，也就是在试验…………………………（3.1） 温度下单位体积流经气体中农药的摩尔数。另外，也可用在弱极性气相色谱（如用甲基硅酮做固定液）上所获得的保留值对蒸汽压作一粗略估计。一般蒸汽压随保留时间增加而下降。

温度(T)对蒸汽压(P)有强烈影响。实际上，log P与T呈线性正相关，即蒸汽压随温度的升高而增加。但是，许多农药的蒸汽压与温度的关系尚待建立。

蒸汽压除了用于气相色谱保留值相关上，还能预知农药残留分析时在蒸发浓缩过程中化合物损失的可能性。如有机磷农药敌敌畏、甲拌磷和二嗪磷的蒸汽压比马拉硫磷等高几个数量级，在蒸发浓缩时，尤其是把溶剂完全除去，就极容易损失掉。相反，在应用强制挥发原理建立的提取方法时，如吹扫共馏法(sweep co-distillation)，则对高蒸汽压化合物更适用。

特别要注意的是，蒸汽压只是部分地影响一个化合物从溶液中挥发出来的趋势，水溶性（或极性）也同样产生影响。一个化合物在水中的挥发势是与蒸汽压和水溶性二者相关的函数。蒸汽压越高挥发势越大，而水溶性越强则挥发势越小。亨利定律(Henry law)就是描述在一个相体积相等的密闭系统中溶质在水相和气相间分配达到平衡时的浓度。这个比值就称作亨利常数（Henry constant），它真实地显示分析物在水溶液中的挥发势。例如，毒死蜱在25℃时的蒸汽压为1.9×10-5 atm，低于二嗪磷的4.8×10-5 atm，但因为它的溶解度为2 mg/L，比二嗪磷的40 mg/L低更多，其亨利常数为4.38×10-6，比二嗪磷的4.84×10-7高一个数量级，故更容易从溶液中挥发出来，其挥发速率约是二嗪磷的3倍。如进行蒸发浓缩，也就更容易损失掉。对于一些中等蒸汽压，但水溶性非常低的农药，如六六六，室内操作就必须特别小心，否则就很容易挥发损失掉，以致无法得到正确的分析结果。

3.2 提取

提取(extraction)是指通过溶解、吸着或挥发等方式将样品中的残留农药分离出来的操作步骤，也常称为萃取。由于残留农药含量甚微（痕量），提取效率的高低直接影响分析结果的准确性。提取方案的选定主要是根据残留农药的理化特性来定，但也需要考虑试样类型、样品的组分（如脂肪、水分含量）、农药在样品中存在的形式以及最终的测定方法等因素。用经典的有机溶剂提取时，要求提取溶剂的极性与分析物的极性相近，也即采用“相似相溶”原理，使分析物能进入溶液而样品中其它物质处于不溶状态。如用挥发分析物的无溶剂提取法，则要求提取时能有效促使分析物挥发出来，而样品基体不被分解或挥发。提取时要避免使用作用强烈的溶剂、强酸强碱、高温、及其它剧烈操作，以减少其后操作的难度和造成农药损失。