8種芳香胺分配系數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，建立并討論了分配系數和萃取相體積、方法回收率的函數關系，基于當前芳香胺測定方法的一些已知的通用參數如回收率、水相體積等計算了最低的有機萃取試劑的用量，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保性提供了指導。

關鍵詞：芳香胺；分配系數；萃取相體積

化學分析步驟中的萃取是制約檢測效率和檢測質量的關鍵步驟，目標物被萃取的程度決定了方法的檢出限，萃取的穩定性決定了方法的重現性，萃取需要試劑的多少決定了方法的環保性，萃取的快慢決定了檢測的效率。縱觀萃取技術的發展歷程，液相萃取作為最早出現的萃取技術發展到現在，其在有害物質的分析中仍然具有相當旺盛的生命力。這是因為，疏水性較強、油水分配系數高的目標物往往需要利用傳統液相萃取技術來達到較高萃取程度。芳香胺作為國外法規或國內強制性標準中禁止使用的致癌性物質[1]，在當前國內外通行的標準檢測方法仍然采用傳統液相萃取技術，無論是GB/T 17592還是EN 14362系列測試標準，一次萃取消耗的有機萃取試劑都達到80 mL[2-3]。實際上，根據分配定律，在已知的目標物分配系數的情況下，萃取率和萃取相體積以及水相體積有定量的數學關系，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和建立萃取試劑的最低使用量對指導方法的建立、兼顧方法的環保性和萃取率具有理論和實際應用價值。本文以8種典型的芳香胺為例，測定其分配系數和推算方法中有機萃取試劑的最低使用量。

1 芳香胺分配系數的測定原理

分析物在反相液相色譜柱中進行的分離過程，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—水分配系數成比例，親水性越強，越先流出，親油性越強，越靠后流出[4]。因此，芳香胺的分配系數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—水分配系數的對數和容量因子有正比函數關系，即公式（2）：

logkow =a+b lgk （2）

式中，a、b線性回歸系數。

可以通過相應的液相色譜條件來測定已知正辛醇—水分配系數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，通過求得的函數關系來推算芳香胺的正辛醇—水分配系數。

2 試驗部分

2.1 標樣和試劑

8種芳香胺標樣：2，4，5-三甲基苯胺（TMA）， 3，3-二甲基-4，4二氨基二苯甲烷（DMDAB），3，3-二甲基聯苯胺（DMB），3，3-二氯聯苯胺（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），3，3-二甲氧基聯苯胺（DCB）。以上標準品購自德國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（德國默克集團生產）系統制備的超純水，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 標準溶液的配制

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

3 測定結果

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樣，以保留時間相同、峰高發生變化的色譜峰進行確認，作為甲酰胺的保留時間。

3.2 參比物保留時間的測定

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

根據各物質的保留時間和公式（1）和公式（2）求各參比物的容量因子k并計算lg k的值，查詢經濟合作與發展組織化學品測試導則No.117（2004）文獻中推薦的各物質的分配系數和其對數值，列于表1中。

3.3 回歸方程

根據表1中測定和計算獲得的各參比物的容量因子和分配系數的對數值，根據第1節中的回歸函數，以lgkow 對lgk作圖（見圖1），線性回歸得到相關方程。

圖1 回歸方程

線性方程為：

lgkow=4.4551lgk-1.8801

相關系數為：R2=0.9464，R=0.972。

根據經濟合作與發展組織化學品測試導則中對分配系數測試結果可靠性的驗證規定，一組樣品的測試，線性回歸方程的相關系數為0.9左右測試結果才可靠[4]。本次測試獲得相關系數為0.972，因此測試結果是可信的。

3.4 芳香胺保留時間的測定和分配系數的計算

將芳香胺的標準儲備液稀釋成15 μg/L的工作溶液并進樣，獲得各芳香胺的色譜圖并得到相應的保留時間（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，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/水的分配系數不需要通過外推法計算。將經確認后各芳香胺的保留時間、容量因子k及其對數值以及根據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

3.5 分配系數和萃取試劑體積的關系

當溶液的濃度很低時，假設芳香胺在水相和有機相中分子形態完全相同，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。

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kow，則回收率為：

（5）

根據GB/T 17592或者EN 14362標準中的萃取程序，水相體積Vo通常為20mL，回收率E不低于70%，在已知各目標物的分配系數kow情況下，可以根據公式（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 結論

在痕量有害物質的分析過程中，傳統液相微萃取技術使用較多的有機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萃取試劑，其實可以利用成熟的分配定律來進行推算，然而，前提需要知道目標物芳香胺的分配系數這一基本物理化學性質，通過測定芳香胺的分配系數，再利用理論推導，可以計算出最低的萃取試劑的使用量，這個為標準方法的制定和后續改進提供了重要的指導。

參考文獻：

[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：廣州纖維產品檢測研究院）