GC-MS 测定水中酸性除草剂：一步萃取和甲醇酯化作用的改进方法

摘要：氯代苯氧酸是一类已被广泛使用的非常重要的除草剂。大部分该类化合物对人体具有低等或中等的毒性，而少数会导致畸形。在美国很多处地下水中已发现了痕量的二氯苯氧乙酸（2,4-D）和三氯苯氧丙酸，其含量已受到美国环保局（EPA）的严格控制。这类化合物常用的分析方法是溶剂萃取或者衍生化，但比较费时、费力。本文对现存的方法进行了改进，以便于开展环境样品中酸性除草剂的常规分析。

Determination of Acid Herbicides in Water by GC-MS: A Modified
Method Using Single Extraction and Methanol Esterification

Pradyot Patnaik and Jacques N. Khoury

Abstract: Chlorophenoxy acids are an important class of widely used herbicides. Most of these compounds have low to moderate toxicity to humans, but a few are known to be teratogenic. The two most common compounds in this class, 2,4-D and silvex, are found at trace levels in many U.S. groundwaters and are under regulatory control by the U.S. Environmental Protection Agency. The customary analytical methods for these compounds involve either solvent extraction or derivatization and tend to be time consuming and labor intensive. This paper presents an investigation of a simplified modification of existing methods in order to facilitate the routine analysis of acid herbicides in environmental samples.

        氯代苯氧酸是一类非常重要的除草剂，已被广泛地应用于农业和林业中的杂草控制。大部分该类化合物对人体具有不同程度的低等或中等毒性，而少数会导致畸形。在美国很多处地下水中已发现了痕量的二氯苯氧乙酸（2, 4-D）和三氯苯氧丙酸。目前美国环保局（EPA）已开始控制饮用水中许多氯代苯氧酸型除草剂的含量。

        识别和定量水中该类化合物的方法是先将它们萃取到适当溶剂中，再进行色谱分析。萃取方法主要包括液- 液萃取法（LLE）或者固相萃取法（SPE）。提取物中的化合物用带有电子捕获检测器（ECD）的气相色谱、高效液相色谱（HPLC）、气相色谱- 质谱（GC-MS）或者毛细管电泳（CE）测定。为了改善这类除草剂的色谱分离结果，并获得较高的灵敏度，通常需要把这些酸衍生成酯类化合物。尽管GC-ECD 和HPLC 的灵敏度高、检测限低，但GC-MS 才是鉴定此类化合物最可信的方法。几种人们熟知的衍生试剂在多数情况下可以把酸性除草剂转变成它们的甲基酯化物。在常规环境样品分析中用于除草剂痕量分析的常用衍生试剂是重氮甲烷^[1~5]和含有三氟化硼的甲醇^[6~8]。其他已知的酯化试剂有甲醇- 硫酸^[9,10]、二甲基硫酸盐^[11]、甲基氯甲酸酯^[12]、碘带甲烷^[11]以及苄基?三甲基氯化铵^[13]。已成功地应用于形成烷基或者芳基酯化物的试剂有氯乙醇- 硫酸^[9]、五氟苄基溴（PFBBr）^[2,14~16]、苄基溴^[11]以及许多四烷基胺（TAA）盐^[17]。酸性除草剂的在线酯化，尤其是用TAA 在大体积在线/ 柱上进样条件下进行酯化的工作已有报道。尽管该方法已被用来选择性地测量一些除草剂，但需要在氢氧化钠环境中进行。需要指出的是，重氮甲烷，这种最常用的衍生试剂是有毒的、致癌的，并且容易爆炸。其他许多衍生试剂也都具有毒性。此外，常用的用于测定环境水中酸性除草剂的衍生化方法都费力、费时、繁琐。

        在本研究中，作者主要致力于改进一个GC-MS 检测环境水中酸性除草剂的常用方法，并用改进后的方法分析了7 种酸性除草剂。在这个方法中，首先对水溶性样品进行酸化，加入二氯甲烷后放到分液漏斗中振荡。酸性除草剂通过一次液- 液萃取即从水相进入到二氯甲烷有机相中。然后向萃取液中加入甲醇和1:1 的盐酸。这样，在GC-MS 分析前，这些酸性除草剂在萃取溶剂蒸发到小体积过程中就转化为甲基酯类化合物。这个方法避免了使用昂贵的和危险的衍生试剂，并且在方法上和实际应用中简单易行。

1 实验

        将所有的酸性除草剂标准品溶解在丙酮中。经鉴定的标准溶液质量浓度为1000 μg/mL，购自Supelco Inc（. Bellefonte, PA）。将标准溶液进一步用丙酮稀释到下一步所需要的标准溶液浓度。向其中加入1L 试剂纯的水将其配制到实验所需的除草剂浓度。对1L 的除草剂溶液进行酸化后用二氯甲烷萃取。样品在萃取前用5 mL 1∶1 的盐酸酸化。最后，在2L 容积的分液漏斗中用50m L 三氯甲烷进行一步萃取。在少数实验中，溶剂体积可提高到75 mL。将通过无水硫酸钠床层的含酸化除草剂的三氯甲烷提取物加热，将溶液蒸发到初始体积的一半。冷却至室温后加入5 mL 甲醇和1:1 的盐酸，将酸性除草剂转化成甲基酯类化合物。将溶液旋转1min，进一步蒸发到1~2mL。然后将溶剂萃取物再一次通过无水硫酸钠床层，去除溶液中剩余水。最后对溶剂提取物进行精确的测。

        将5 μL 萃取物注入GC 柱中进行分析，并根据质谱和保留时间对甲基酯类化合物进行鉴定。由其他竞争反应产生的副产物也可由质谱鉴定。利用标准溶液可以对化合物进行定量分析。

        GC 和MS 条件如下：

        GC 柱：PET-5（Supelco Inc.），长30 cm，内径0.25 mm。

        温度：柱温箱，初始温度50℃ 保持6 min，再以8℃/min 的速率升到210℃，保持15 min；进样器，250℃；检测器，280℃。

        质谱条件：电子碰撞离子源；电子能量，70V；扫描速度，1.57 scans/s；扫描范围，35-550。

2 结果

        利用G C - M S 在扫描模式下测定从水相中经液- 液萃取得到的7 种酸性除草剂是一种简单、快速、可靠的分析方法。7 种除草剂中麦草畏是3,6- 二氯-2- 甲氧基苯甲酸，其他6 种都是乙酸、丙酸和丁酸的氯苯氧酸的衍生物。表1 给出了这些化合物的常用名、化学名、CAS 登记号以及化学结构。

        在pH 小于2 的条件下酸化样品，可以使所有的酸性除草剂都进入萃取溶剂二氯甲烷中。在2 L 的分液漏斗中，用50 mL 的二氯甲烷，采用一步萃取法，可以从1L 的水溶液中萃取出足够的样品。然而如果把萃取溶剂的体积由50mL 增加到75mL，可以将萃取效率提高10%。此实验中，没有对萃取溶剂多于75mL 的情况进行进一步研究。这是因为在常规分析中，使用的萃取溶剂越少，越有利于降低成本，缩短时间。

        研究表明，不需要进行酯化处理，GC-MS 就能测定萃取液中以酸性形式存在的除草剂。虽然酯化作用并不能降低化合物的检测限，但酯化后能够提高样品在GC 柱上的分辨率。在一些实验中，另一类酯化试剂，包括N,N- 二甲基甲酰胺二乙基乙缩醛、N,N - 二甲基甲酰胺丙基乙缩醛和N,N - 二甲基甲酰胺二丁基乙缩醛，也被用于酯化除草剂。尽管这些试剂能够将除草剂转化为烷基酯类，但从萃取溶剂中分离降解的氨基残留物需要额外的清洗步骤。因此，这些试剂的应用潜力还没有得到进一步的研究。在少数实验中，在同样条件下，丁醇也被用来进行酯化反应。目的是产生分子质量比甲基衍生物更大的丁基衍生物，从而降低除草剂的检测限。但作者发现这种酯化反应不能专一地形成丁基酯化物，反应过程的副反应会产生诸如1,1- 二丁氧基丁烷和1,1- 二异丙氧基丁烷的副产物。

        研究结果表明，当将萃取溶剂浓缩到一定体积时，在甲醇存在的情况下，酸性除草剂可以完全酯化，不会有干扰色谱分析的副反应产物生成。在样品萃取物浓缩过程中，在加入一滴1∶1 的HCl 并加热的情况下，在二氯甲烷有机相中非常容易发生这种酯化反应。需要注意的是，只需要很少( 仅1 滴) 的盐酸量，即可在含甲醇的溶剂提取物中催化酸性除草剂的酯化反应。尽管在没有盐酸时不会发生酯化反应，但增加HCl 量会导致反应逆转，减少除草剂的酯化产率，甚至还会将酯化产物还原成相应的酸。

        将萃取的样品进样5 μL，并用GC 检测。在研究的7 种酸性除草剂中，6 种氯苯氧烷基酸的检测限较低，在0.5~1.5 μg/L 范围内。而3,6- 二氯-2- 甲氧基苯甲酸--麦草畏在40~50 μg/L 的范围内才能检测到。甲基酯类酸性除草剂的母离子、分子离子及其保留时间见表2。表3 是7 种除草剂在所列实验条件下的最小检测浓度。

3 讨论

        在所有能在溶剂萃取过程中将酸性除草剂转化为酯类衍生物的酯化试剂中，甲醇与丁醇及N ,N - 二甲基甲酰胺二乙基乙缩醛相比具有明显的优势。在实验条件下，与用甲醇相比，用丁醇转化得到的丁醇酯类化合物的产率较低，特别是对于有较长碳链的氯苯氧酸。如图1 所示，2,4-DB 和丁醇反应的主要产物是1,1 - 二丁氧基丁烷和丁酸丁酯，而生成的2,4-DB 丁基酯较少。

        同样，2,4,5- 涕丙酸和丁醇的反应也得到了相似的峰，主要产物是1,1- 二异丙氧基丁烷和异丙酸丁酯。2,4,5- 涕丙酸丁基酯的产率很低。同样，长碳链氯苯氧酸丁基酯化物的产率都比较低，例如2,4-DB 和2,4,5- 涕丙酸。这样就会削弱这类除草剂的丁基酯类化合物相对于甲基酯类化合物的大分子离子检测限低的优势。值得注意的是在酸催化条件下，甲醇与6 种氯苯氧酸的酯化反应不像用丁醇进行酯化反应那样，即没有副反应发生，产物均是甲基酯类化合物。

        在本研究中使用的3 种N,N- 二甲基甲酰胺的二氨基乙缩醛也可以作为酸性除草剂的酯化试剂，产生相应的烷基衍生物。然而分离萃取溶液中降解的氨基化合物和其他无关的产物需要复杂的清洗步骤。因此，和相对简单、直接的酸催化甲醇酯化反应相比，该方法并不可取。

        人们期待通过从水相介质中重复溶剂萃取的方法来提高酸性除草剂的萃取效率； 而在本文中，作者只用了一步萃取。用50 或者75 mL 二氯甲烷可以从1L 水样中进行萃取。这样的一步萃取法能够缩减时间，降低分析成本，并减少与毒性溶剂蒸汽的接触。

        与其他氯苯氧烷基酸不同，在一定的浓度范围内可以被识别和定量的样品色谱图中看不到麦草畏（3,6- 二氯-2- 甲氧基苯甲酸）。它的最小检测限比其他氯苯氧烷基酸高1~2 个数量级。这是由于苯甲酸酯化反应的速率和程度受到了苯环上邻位氯和甲氧基团产生的空间位阻的限制。另一方面，由于氯苯氧烷基酸进行酯化反应的羧酸末端基团在芳香链上，远离芳香环上的氯原子，因而没有这样的空间排斥产生。

4 结论

        研究表明，水样中的氯苯氧酸除草剂可以先用一步液- 液萃取法在分液漏斗中进行萃取，然后用GC-MS 进行检测。本文报道的方法先将酸性水中的除草剂提取到二氯甲烷中，然后在样品浓缩过程中加入甲醇和一滴1∶1 的盐酸进行酯化反应，再用GC-MS 分析萃取液中的甲基酯类化合物。采用该方法，不需要对萃取样品进行清洗。为了识别这些酯类衍生物，必须同时考察酯化物的特征母离子峰和分子离子峰。然而由于空间位阻的影响， 该方法在测量麦草畏时灵敏度较低。尽管利用GC-ECD 能够得到比MS 更低的检测限，但在常规环境分析中，MS 能够可靠地识别和确认在水样中是否存在该类化合物。

        本文提出的一步LLE 萃取- 甲醇酯化-MS 分析和其他已知的方法相比，前者在分析的简便性、速度、费用以及安全等方面具有明显的优点。

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