Fe3O4-β-環(huán)糊精聚合物固相萃取紫外可見光譜法分離分析孔雀石綠

馮 剛, 平文卉，朱霞石*

1. 揚州大學化學化工學院，江蘇 揚州 225002 2. 江蘇省揚州商務高等職業(yè)學校，江蘇 揚州 225002

Fe3O4-β-環(huán)糊精聚合物固相萃取紫外可見光譜法分離分析孔雀石綠

馮 剛1，2, 平文卉1，朱霞石1*

1. 揚州大學化學化工學院，江蘇 揚州 225002 2. 江蘇省揚州商務高等職業(yè)學校，江蘇 揚州 225002

合成并以元素分析、紅外及電鏡等方法表征Fe3O4/羥丙基-β-環(huán)糊精聚合物磁性納米材料(CM-HP-β-CDCP-MNPs)，以此作為固相萃取劑，建立磁性固相萃取-紫外可見光譜法分離分析孔雀石綠的新方法?？疾煊绊懳胶拖疵摰臈l件(pH, 萃取劑用量，洗脫劑類型用量，萃取用洗脫時間等)。結(jié)果表明： 室溫下，pH 7.0時，CM-HP-β-CDCP-MNPs能快速定量吸附孔雀石綠(吸附率92%)； 乙醇在30 min內(nèi)可脫附孔雀石綠(脫附率90%)； CM-HP-β-CDCP-MNPs可重復使用5次。在最佳實驗條件下，該方法的富集倍數(shù)為7.5，檢出限為5.6 ng·mL-1，線性范圍為0.08～8.00 μg·mL-1，測定樣品中的孔雀石綠結(jié)果令人滿意。利用紅外光譜初步討論Fe3O4/羥丙基-β-環(huán)糊精聚合物納米材料吸附機理。

孔雀石綠； Fe3O4-β-環(huán)糊精聚合物； 固相萃??； 光譜法

引 言

孔雀石綠(圖1)，由于抗菌、抗寄生蟲效力較強且價格便宜，被廣泛用于池塘水的水體消毒和防治魚類疾病。孔雀石綠對人類細胞有致突變性、致癌性，如形成肝臟腫瘤、腎臟腫瘤，引起魚類生殖異常等，在很多國家是被禁用的。因此，嚴格監(jiān)控水體中孔雀石綠殘留量對于建立無公害水環(huán)境，保證人體健康具有重要意義[1]。

Fig.1 Chemical structure of malachite green

孔雀石綠測定方法包括高效液相色譜法[2]，紫外光譜法[3]，毛細管電泳[4]，伏安法[5]等。其中紫外光譜法操作簡單，儀器成本低，方法穩(wěn)定性好，但僅以紫外光譜法作為檢測手段，檢出限較高，測定結(jié)果易受實際樣品中基體干擾。為了提高方法的靈敏度和選擇性，將預富集手段與紫外光譜法相結(jié)合的聯(lián)用技術，就顯得尤為重必要。

固相萃取因其具有富集倍數(shù)高、選擇性好、操作簡單等特點，受到越來越多的關注[6]。固相萃取材料選擇是影響萃取效果的重要因素之一。固相萃取材料主要包括： 纖維[7]，硅膠[8]，螯合樹脂[9]，環(huán)糊精聚合物[10]，納米材料[11]等。四氧化三鐵磁性納米材料具有較大比表面積及特殊的磁學性質(zhì)[12]，作為固相萃取材料廣泛應用于分離分析樣品中的金屬元素[12-13]、有機化合物[14, 15]等。功能化磁性納米材料利用磁性納米分子作為骨架進行選擇性修飾，構建新型納米材料，既保持了本體的優(yōu)點，修飾基團又可以體現(xiàn)其功能性，性能往往優(yōu)于其母體。已經(jīng)報道四氧化三鐵磁性納米材料與殼聚糖、藻酸鹽、阿拉伯樹膠、纖維素等樹脂的功能化應用[16]。功能化磁性納米材料用于染料分析未見報道。

工作中合成羧甲基-羥丙基-β-環(huán)糊精聚合物(CM-HP-β-CDCP)，并成功負載到Fe3O4納米粒子表面，建立Fe3O4/羥丙基-β-環(huán)糊精聚合物納米材料(CM-HP-β-CDCP-MNPs)作為固相吸附材料與UV-Vis聯(lián)用分離分析孔雀石綠新方法。并探討Fe3O4/羥丙基-β-環(huán)糊精聚合物納米材料包合孔雀石綠的機理。實際樣品測定結(jié)果令人滿意。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

數(shù)顯恒溫水浴鍋(國華電器有限公司)； UV-2500紫外-可見分光光度計(日本島津公司)； 紅外光譜儀(德國BRUKER公司)； 電動攪拌器(國華電器有限公司)； 2400 SERIES Ⅱ元素分析儀 (美國PerkinElmer公司)。

甲醇、乙醇(AR，國藥集團化學試劑有限公司)； 羥丙基-β-環(huán)糊精、NaOH、HCl、丙酮、環(huán)氧氯丙烷、孔雀石綠標準品(國藥集團化學試劑有限公司)。

1.2 方法

1.2.1 Fe3O4/羥丙基-β-環(huán)糊精聚合物納米材料制備

(1)HP-β-CD(羥丙基-β-環(huán)糊精)(5.0 g)溶解在50 mL 10%(w/v)NaOH溶液中，加入10 mL環(huán)氧氯丙烷，于50 ℃，大功率攪拌8 h，再加入5 mL環(huán)氧氯丙烷，攪拌放置10 h，洗脫時間30 min。將上層溶液濃縮到15 mL, 用冷乙醇(500 mL)沉淀，再用乙醇、丙酮洗該沉淀，于真空中干燥。

(2)將上述2 g聚合物溶解在50 mL 3.5% (w/v) NaOH溶液，加入2.5 g氯乙酸鈉，在40 ℃，大功率攪拌24 h，用2 mol·L-1HCl調(diào)節(jié)至中性，濃縮到15 mL再冷卻到4 ℃，將NaCl過濾掉，再用冷乙醇(500 mL)沉淀上層清液。沉淀物用乙醇及丙酮洗兩次，在真空下干燥12 h。

(3)將1.202 6 g FeSO4·7H2O，1.4167 g FeCl3及 3.0 g CM- HP-β-CD，溶解在40 mL去除氣泡的超純水中，以1 200 r·min-1大力攪拌。溶液加熱到90 ℃時，加入5 mL NH4OH(25%)，在氮氣環(huán)境下，反應1 h。最后獲得納米粒子，將其用高純水洗5～6次，去除未反應的物質(zhì)，將其真空干燥。

1.2.2 孔雀石綠靜態(tài)吸附

準確稱取CM-HP-β-CDCP-MNPs 0.05 g于離心管中，加入一定量孔雀石綠(20.0 mL, 2.00 μg·mL-1)，調(diào)節(jié)pH至7.0，室溫振蕩15 min，離心分離，取上層清液，用紫外光譜法進行測定(孔雀石綠的最大吸收波長為620 nm)。

孔雀石綠萃取率可由下式計算

(1)

RE%為萃取率，ci為萃取前水相中孔雀石綠濃度，cf為萃取后水相中孔雀石綠濃度。

1.2.3 元素分析

連續(xù)設定空白運行至空白平行，將標樣與空白交替運行至：C： ±0.15，H： ±3.75，N： ±0.16，儀器標定完成后上樣(不同量的CM-HP-β-CD修飾納米Fe3O4)運行。直接獲得樣品中元素的含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 CM-HP-β-CDCP-MNPs表征

2.1.1 元素分析

試驗不同量CM-HP-β-CD修飾納米Fe3O4，考察修飾效果，采用元素分析進行表征(圖2)，隨著CM-HP-β-CD量的增加，碳元素含量逐漸增加，說明羧基成功地修飾到了Fe3O4的表面，但是當CM-HP-β-CD增加到3.0～6.0 g時，碳元素含量幾乎沒有變化，說明納米材料表面修飾已經(jīng)達到了飽和。實驗中選擇CM-HP-β-CD的量為3.0 g。

Fig.2 Element composition of CM-HP-β-CD/Fe3O4

2.1.2 傅里葉變換紅外光譜分析(FTIR)[17]

圖3是HP-β-CD及其中間產(chǎn)物的FTIR譜圖，其中(a)—(e)分別為Fe3O4，CM-HP-β-CDCP-MNPs，CM-HP-β-CDCP，HP-β-CDCP，HP-β-CD的FTIR譜圖。從圖3中看出： (1)比較曲線c和d， 1 710 cm-1為羰基伸縮振動，3 200 cm-1為O—H的伸縮振動，說明羧甲基接到CM-β-CDCP上。(2)比較曲線a和b，2 400和2 850 cm-1處是C—H的伸縮振動峰，說明材料中含有HP-β-CDCP； 586 cm-1為四面體結(jié)構中的Fe—O引起的特征吸收峰，表明該材料中存在Fe3O4； 1 628 cm-1處吸收峰，CM-HP-β-CDCP-MNPs(b)比Fe3O4(a)的強度大； 說明HP-β-CDCP成功負載到Fe3O4上。

Fig.3 FTIR spectra of Fe3O4a，CM-HP-β-CDCP-MNPs b， CM-HP-β-CDCP c，HP-β-CDCP d，and HP-β-CD e

2.1.3 電鏡

圖4為CM-HP-β-CDCP-MNPs透射電鏡圖，從圖4中可以看出，淺灰色CM-HP-β-CDCP包裹于黑色Fe3O4粒子表面[18]，且CM-HP-β-CDCP-MNPs納米顆粒平均直徑為20 nm。

2.2 吸附條件優(yōu)化

研究了pH、體積等吸附條件對CM-HP-β-CDCP-MNPs吸附孔雀石綠吸附率的影響。

2.2.1 pH影響

實驗研究了不同pH(3.0～9.0)對CM-HP-β-CDCP-MNPs及Fe3O4吸附孔雀石綠的影響，以0.1 mol·L-1HCl 及0.1 mol·L-1NaOH調(diào)節(jié)pH的大小。如圖5，CM-HP-β-CDCP-MNPs對孔雀石綠的吸附率(a)明顯高于相同pH條件下Fe3O4對孔雀石綠的吸附率(b)。當溶液pH值為6.0～7.0時，CM-HP-β-CDCP-MNPs吸附率達到85%以上，pH值7.0時，吸附率為92%，因此實驗選擇在溶液pH 7.0的條件下進行。

Fig.4 TEM of CM-HP-β-CDCP-MNPs

Fig.5 Effect of pH on retention efficiency CM-HP-β-CDCP-MNPsaand Fe3O4b(cc0=2.0 μg mL-1)

2.2.2 樣品體積影響

樣品體積與洗脫液比例越大，該方法對孔雀石綠富集效果越好。實驗固定孔雀石綠量為0.2 μg，溶液體積從5.0～40.0 mL。結(jié)果如圖6所示，樣品體積在5.0～30.0 mL時，吸附率≥85%，5.0～20.0 mL時，吸附率最大。選擇溶液體積20.0 mL。

2.2.3 吸附溫度和時間影響

試驗了不同溫度(5.0～50.0 ℃)下材料對孔雀石綠的吸附情況，隨著溫度升高，吸附率遞減，5.0～35.0 ℃內(nèi)吸附率>90%。進行了材料的吸附動力學研究，隨著吸附時間的延長(10.0～60.0 min)，吸附過程在30.0 min內(nèi)完成，并且在1.0 h內(nèi)吸附率保持穩(wěn)定(92.0%)。實驗選擇室溫吸附，30.0 min。

Fig.6 Effect of sample volume on retention efficiency (cc0=2.00 μg mL-1)

2.3 洗脫條件優(yōu)化

2.3.1 洗脫液選擇

實驗研究了SDS(1%)，CTAB(1%)，醋酸，甲醇，無水乙醇不同的洗脫液的脫附效果(圖7)，其脫附率分別為24%，51%，68%，81%，90%，因此選擇無水乙醇作為洗脫劑。

Fig.7 Selection of eluants

洗脫劑體積從2.0～10.0 mL遞增，用量在4.0～10.0 mL時，脫附率保持在85%以上，4.0 mL時達到90%。本實驗選擇最佳洗脫液體積4.0 mL。預富集倍數(shù)7.5(吸附前樣品體積/洗脫體積)。

2.3.2 洗脫時間影響

試驗了不同時間材料對孔雀石綠的吸附情況，隨著吸附時間的延長(10.0～60.0 min)，洗脫過程在30.0 min內(nèi)完成，并且在1.0 h內(nèi)吸附率保持穩(wěn)定(90.0%)。本實驗選擇時間30.0 min。

2.4 吸附容量

試驗了材料對孔雀石綠的吸附容量(1.0 g CM-HP-β-CDCP-MNPs吸附孔雀石綠的最大量，圖8)。結(jié)果表明： 當體系中孔雀石綠的濃度達到50.00 μg·mL-1時，吸附達到飽和，CM-HP-β-CDCP-MNPs對孔雀石綠吸附容量是10.6 mg·g-1。

2.5 CM-HP-β-CDCP-MNPs重復利用

材料經(jīng)5次洗脫后(圖9)，對孔雀石綠的吸附率保持在85.0%以上，表明該材料有良好的重復利用性能。

Fig.8 Retention capacity

Fig.9 Adsorption-desorpption cycles of CM-HP-β-CDCP-MNPs

2.6 干擾試驗

研究了干擾物質(zhì)對孔雀石綠吸附作用的影響，允許誤差范圍≤±5%，結(jié)果如表1。結(jié)果表明，干擾物質(zhì)對樣品中孔雀石綠測定干擾較小, 因此，不影響水樣中孔雀石綠測定。

2.7 分析性能

根據(jù)試驗方法，改變體系中的孔雀石綠濃度繪制工作曲線, 其線性范圍是0.08～8.00 μg·mL-1，線性方程是A=0.47c+0.022(μg·mL-1)，線性相關系數(shù)0.998 8，相對標準偏差0.95%(n=5,c=2.00 μg·mL-1)，對11份空白試樣進行測定，測得檢出限(DL)5.6 ng·mL-1，富集倍數(shù)為7.5。

Table 1 Tolerance of interference ions

2.8 樣品測定

按試驗方法測定養(yǎng)魚水樣(揚州石塔寺菜場)，瘦西湖水樣, 均未檢測出孔雀石綠。在最佳實驗條件下，對樣品進行加標回收實驗, 結(jié)果如表2。

Table 2 Determination results of the samples(n=3)

2.9 文獻比較

將本方法與其他文獻測定孔雀石綠方法比較[17-19]。從表3看出本方法的線性范圍寬，靈敏度高，操作簡單。

Table 3 Comparison with other previously reported methods

2.10 CM-HP-β-CDCP-MNPs與孔雀石綠包合機理

紅外光譜是證明包含物形成的有力工具，峰位置或強度的變化能證明主體與客體之間的化學作用[22]。通過FTIR對孔雀石綠與CM-HP-β-CDCP-MNPs的包合機理進行了探討。

圖10中(a)—(c)分別為CM-HP-β-CDCP-MNPs，孔雀石綠-CM-HP-β-CDCP-MNPs包含物和孔雀石綠的FTIR譜圖。如圖10所示： 曲線a與曲線b相比，曲線a在1 375和1 295 cm-1處的吸收峰明顯增強，1295～1 375 cm-1為 孔雀石綠(曲線c)中—CH3的彎曲振動，說明孔雀石綠與CM-HP-β-CDCP-MNPs存在包合作用。

Fig.10 FTIR spectra of CM-HP-β-CDCP-MNPsa, malachite green-CM-HP-β-CDCP-MNPsb, malachite greenc

3 結(jié) 論

研究了Fe3O4/羥丙基-β-環(huán)糊精樹脂納米材料的合成方法，用固相萃取紫外可見光譜聯(lián)用分析了其對孔雀石綠的吸附行為，建立了分離分析孔雀石綠的新方法。該方法簡單、安全、便宜、穩(wěn)定性好，樣品測定結(jié)果令人滿意。

[1] Bahram M, Keshvari F, Moghaddam P N. Talanta, 2011, 85(2): 891.

[2] Chen L Y, Lu Y B, Li S Y, et al. Food Chem., 2013, 141(2): 1383.

[3] Afkhami A, Moosavi R, Madrakian T. Talanta, 2010, 82(2): 785.

[4] HUANG Bao-mei, YAO Cheng-wei, CHEN Hong, et al(黃寶美, 姚程煒, 陳 紅，等) Chinese Journal of Applied Chemistry(應用化學), 2007, 24(3): 327.

[5] MA Ming-ming, SONG Jun-feng, FAN Zeng-lu, et al(馬明明, 宋俊峰, 樊增祿, 等). Chinese Journal of Analytical Chemistry(分析化學) 2008, 36(10): 1431.

[6] Hennion M C. J. Chromatogr. A, 1999, 856(1): 3.

[7] Vukcevic M, Kalijadis A, Radisic M, et al. Chem. Eng. J., 2012, 211: 224.

[8] Panavaite D, Padarauskas A, Vickackaite V. Anal. Chim. Acta, 2006, 571(1): 45.

[9] Kagaya S, Maeba E, Inoue Y, et al. Talanta, 2009, 79(2): 146.

[10] Zhu X, Wu M, Gu Y. Talanta, 2009, 78(2): 565.

[11] Abdolmohammad-Zadeh H, Rezvani Z, Sadeghi G H, et al. Anal. Chim. Acta, 2011, 685(2): 212.

[12] Jiang W, Cai Q, Xu W, et al. Environ. Sci. Technol.，2014, 48(14), 8078.

[13] Jiang W, Pelaez M, Dionysios D. et al. Chem. Eng. J. 2013, 222(15), 527.

[14] Liang M M, Fan K L, Pan Y. Anal. Chem., 2012, 85(1): 308.

[15] LI Yuan, XIAO Le-hui, ZHOU Nai-yuan, et al(李 媛, 肖樂輝, 周乃元，等). Journal of Analytical Chemistry(分析化學), 2013, 41(1): 63.

[16] MA Zhan-ying, HE Yang-qing, XU Wei-xia, et al(馬占營, 何仰清, 徐維霞, 等). Chinese Journal of Molecular Catalysis(分子催化), 2012, 3(24): 228.

[17] Jiang W, Jeffrey A Joens, Dionysios D Dionysiou, et al. J. Photochem. Photobiol. A: Chem., 2013, 262: 7.

[18] Zhang N, Peng H Y, Hu B. Talanta, 2012, 94: 278.

[19] GUI Ying-ai, MA Lin, WANG Dan, et al(桂英愛, 馬 琳, 王 丹，等). Chinese Journal of Environment and Health(環(huán)境與健康雜志). 2007, 24(8): 633.

[20] CHEN Xiao-lan, FAN Ping, WU You-li, et al(陳效蘭, 范 萍, 吳有麗，等). Chinese Journal of Instrumental Analysis(分析測試學報), 2013, 32(7): 840.

[21] ZHAI Han, YU Yong-li, CHENG Li-yan, et al(翟 晗, 于永麗, 成利艷, 等). Chinese Journal of Acta Chimica Sinica(化學學報) 2011, 69(10): 1205.

[22] Yang Z J, Chai K G, Ji H B. Separation and Purification Technology, 2011, 80: 209.

*Corresponding author

Fe3O4-β-Cyclodextrin Polymer Nano Composites Solid-Phase Extraction-UV-Vis Spectrophotometry for Separation Analysis Malachite Green

FENG Gang1, 2, PING Wen-hui1，ZHU Xia-shi1*

1. College of Chemistry & Chemical Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225002, China 2. Yangzhou Commerice Higher Vocational School, Yangzhou 225002, China

In this paper, carboxymethyl-hydroxypropyl-β-cyclodextrin polymer modified magnetic particles Fe3O4(CM-HP-β-CDCP-MNPs) were prepared and applied to magnetic solid phase extraction of malachite green combined with UV-Visible spectrometry detection. The synthesized magnetic particles were characterized by element analysis, Fourier transform infrared spectra and transmission electron microscopy. Several variables affecting the extraction and desorption of malachite green such as pH, the amount of adsorbent, the type and volume of eluent, extraction and desorption time, and temperature were investigated. Under the optimum conditions, malachite green could be adsorbed by CM-HP-β-CDCP-MNPs(RE%=92), and elution by C2H5OH(EE%=90). the preconcentration factor of the proposed method was approximately 7.5, the CM-HP-β-CDCP-MNPs could be used repeatedly for 5 times and offered better recovery. The linear range and detection limit (DL) were found to be 0.08～8.00 μg·mL-1and 5.6 ng·mL-1respectively. This technique had been successfully applied to the determination of malachite green in real samples. The inclusion interaction of CM-HP-β-CDCP-MNPs with malachite green was studied through FTIR.

Malachite green Fe3O4-β-cyclodextrin-cross-linked polymer； Solid phase extraction; Spectrophotometry

Jul. 23, 2014; accepted Nov. 10, 2014)

2014-07-23，

2014-11-10

國家自然科學基金項目(21375117)資助

馮 剛，1964年生，江蘇省揚州商務高等職業(yè)學院副教授 e-mail: fg7180055@126.com *通迅聯(lián)系人 e-mail: xszhu@yzu.edu.cn; zhuxiashi@sina.com

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)02-0436-06