整體柱在線固相微萃取-高效液相色譜法分析爽膚水中痕量雌激素

宋雯雯, 羅夏琳, 李攻科, 胡玉斐(中山大學(xué)化學(xué)學(xué)院, 廣東 廣州 510275)

鄒漢法研究員紀念專輯(下)·研究論文

整體柱在線固相微萃取-高效液相色譜法分析爽膚水中痕量雌激素

宋雯雯, 羅夏琳, 李攻科*, 胡玉斐*
(中山大學(xué)化學(xué)學(xué)院, 廣東 廣州 510275)

以甲基丙烯酸縮水甘油酯(GMA)為功能單體、乙二醇二甲基丙烯酸酯(EDMA)為交聯(lián)劑,偶氮二異丁腈(AIBN)為引發(fā)劑、甲醇及正己烷(14∶5, v/v)為二元致孔劑,通過原位聚合反應(yīng)制備了聚甲基丙烯酸縮水甘油酯(Poly(GMA-co-EDMA))毛細管整體柱。研究表明,制備的Poly(GMA-co-EDMA)整體柱具有良好的通透性和較低的柱壓(1.5×106Pa,沖洗流速0.5 mL/min)。該整體柱對雌二醇、炔雌醇、雌酮和己烯雌酚的富集倍數(shù)分別為86、116、77和86。構(gòu)建了整體柱在線微萃取接口裝置,建立了整體柱在線固相微萃取-高效液相色譜(HPLC)測定爽膚水中痕量雌二醇、炔雌醇、雌酮和己烯雌酚的分析方法。該分析方法的檢出限(S/N=3)為0.05～0.20 μg/L。將方法應(yīng)用于爽膚水中雌激素的檢測,加標回收率為69.3%～111.3%, RSD<5.0%。所建立的方法簡單、快速、靈敏、準確,可滿足爽膚水中痕量雌激素的分析。

高效液相色譜;聚甲基丙烯酸縮水甘油酯整體柱;在線固相微萃取;雌激素;爽膚水

近年來,化妝品的安全問題引起了人們的廣泛關(guān)注[1,2]。我國化妝品衛(wèi)生規(guī)范(2007版)[3]列出了1 208種禁用物質(zhì)，其中明確指出了性激素。雌激素是性激素的一種,是一類生物活性廣泛的類固醇化合物[4],具有促進、維持女性生殖器官和第二性征的生理作用,同時對內(nèi)分泌系統(tǒng)、肌體代謝、骨骼生長等有顯著影響[5]。長期服用添加雌激素的食品或使用含雌激素的化妝品會引起體內(nèi)雌激素水平的增高[6],從而引發(fā)人體新陳代謝紊亂甚至癌癥[7,8]。因此,對化妝品中雌激素的分析、檢測具有重要意義。 目前,常用的分離介質(zhì)有填充柱[9]、開管柱[10]和整體柱[11]等。填充柱的填充步驟相對復(fù)雜,制備過程中固定相易受外界條件的影響(如高溫燒結(jié)可能會破壞鍵合固定相)[12];開管柱的制備過程簡單、柱效高[13],但其柱容量低、相比小[14]。整體柱材料作為萃取介質(zhì)在復(fù)雜樣品的前處理,尤其是小分子的分離分析方面具有廣泛的應(yīng)用[15]。通過原位聚合反應(yīng)的整體柱具有制備方法簡單、重復(fù)性好、柱壓低等優(yōu)點。聚甲基丙烯酸酯類整體柱穩(wěn)定性高、適用范圍寬且材料表面易改性,故本實驗以甲基丙烯酸縮水甘油酯(GMA)為功能單體、乙二醇二甲基丙烯酸酯(EDMA)為交聯(lián)劑,偶氮二異丁腈(AIBN)為引發(fā)劑,在毛細管中通過原位反應(yīng)制備了整體柱。

雌激素樣品的前處理方法主要包括傳統(tǒng)的液液萃取法[16]、固相萃取法[17]和液相微萃取法[18]等。李晶瑞等[16]采用甲醇提取、超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法同時測定化妝品中的15種雌激素,方法準確、靈敏,但溶劑消耗量大;Wang等[18]采用中空纖維液相微萃取法萃取了牛奶中的雌激素,方法操作簡單、成本低且環(huán)境友好,但耗時長。采用整體柱在線微萃取法與HPLC聯(lián)用可以有效避免復(fù)雜基質(zhì)的干擾、富集倍數(shù)高、重現(xiàn)性好,分析效率高[19],且溶劑消耗量小,是一種高效、環(huán)境友好的萃取方法[20]。

本文采用在毛細管內(nèi)引發(fā)原位聚合反應(yīng)的方式制備了聚甲基丙烯酸縮水甘油酯(Poly(GMA-co-EDMA))整體柱,并將其與HPLC聯(lián)用,搭建了在線固相微萃取-HPLC聯(lián)用裝置,實現(xiàn)了爽膚水中痕量17β-雌二醇(17β-estradiol,E2)、炔雌醇(ethynyl estradiol,EE)、雌酮(estrone,E1)和己烯雌酚(diethylstilbestrol,DES)的在線分析。該方法簡單、快速、靈敏、準確且環(huán)境友好。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

LC-10AVP高效液相色譜儀(包括CLASS-VP工作站、SPD-10AVP紫外檢測器)、AVATAR-330傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)儀(日本島津公司); Quanta 400F熱場發(fā)射環(huán)境掃描電鏡-能譜-電子背散射衍射系統(tǒng)(荷蘭FEI/OXFORD/HKL公司);石英毛細管(內(nèi)徑0.53 mm)(河北省永年縣銳灃色譜器件有限公司)。

EDMA購自廣州市千湖貿(mào)易有限公司;正己烷、聚乙二醇-400(PEG-400)、1,4-丁二醇、正丙醇均購自廣州化學(xué)試劑廠;AIBN購自天津市福晨化學(xué)試劑廠;GMA(純度97%)購自上海麥克林試劑公司;E2(純度>99%)、EE(純度≥98%)、E1(純度>98%)標準品購自阿拉丁試劑(上海)有限公司;DES(純度>98%)標準品購自中國藥品生物制品檢定所;γ-(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷(KH-570)購自北京市申達精細化工有限公司;乙腈、甲醇(色譜純)購自美國Dikma公司。所有實驗用水均為超純水(美國Millipore公司),其余試劑均為分析純。

標準溶液的配制:稱取適量雌激素標準品,用甲醇配制成合適質(zhì)量濃度的標準溶液;用超純水稀釋成所需質(zhì)量濃度的標準工作液。

1.2 整體柱的制備

將石英毛細管用甲醇洗凈,烘干,注入1 mol/L氫氧化鈉溶液,浸泡2 h后,用清水洗凈,再注入1 mol/L鹽酸溶液,浸泡2 h后,用甲醇以0.1 mL/min的流速清洗,于150 ℃烘箱烘2 h,然后將KH570-甲醇混合物(1∶1, v/v)注入毛細管柱中,于室溫下反應(yīng)4 h,然后用甲醇清洗,氮氣吹干后,硅膠封口,保存?zhèn)溆谩?/p>

準確稱取4.0 mg AIBN、168 μL GMA、200 μL EDMA、700 μL甲醇和250 μL正己烷于色譜樣品瓶中,超聲20 min,混勻,制成聚合反應(yīng)液,將其注入預(yù)處理過的石英毛細管中,用硅膠密封,于65 ℃反應(yīng)10 h。待反應(yīng)完成后,將聚合好的整體柱用甲醇以0.1 mL/min的流速沖洗,除去殘余的單體和致孔劑。制備反應(yīng)的方程式見圖1。

圖1 Poly(GMA-co-EDMA)整體柱的制備過程Fig. 1 Preparation process of the Poly(GMA-co-EDMA) monolithic column

1.3 在線固相微萃取

將長為12.7 cm的Poly(GMA-co-EDMA)整體柱作為萃取單元,通過聚醚醚酮(PEEK)連接頭、PEEK管、不銹鋼雙通閥、六通閥與高效液相色譜系統(tǒng)構(gòu)成整體柱在線微萃取分析流路(見圖2)。在實驗過程中通過2個六通閥的切換來完成平衡、萃取、解吸和進樣(見表1)。在線萃取裝置中,所接進樣環(huán)的體積為4 mL,用于載入樣品溶液。萃取時攜帶液經(jīng)過定量環(huán),推動樣品溶液經(jīng)過萃取單元,完成萃取。萃取條件：萃取溶劑為5%(v/v)乙腈水溶液;萃取流速為0.3 mL/min；萃取體積為3 mL；解吸溶劑為乙腈-水(45∶55, v/v);解吸流速為100 μL/min。

圖2 Poly(GMA-co-EDMA)整體柱在線固相微萃取裝置圖Fig. 2 Schematic diagram of the Poly(GMA-co-EDMA) monolithic column online solid phase microextraction system

表1 在線固相微萃取系統(tǒng)的操作流程Table 1 Operation procedures of online solid phase microextraction system

1.4 色譜條件

色譜柱:Diamonsil C18(250 mm×4.60 mm, 5 μm,北京迪馬公司);柱溫:30 ℃;流動相:(A)乙腈,(B)水;流速:1.0 mL/min;梯度洗脫程序:0～16 min, 45%A～73%A;紫外檢測波長:230 nm。

2 結(jié)果與討論

2.1 致孔劑的選擇

本實驗控制引發(fā)劑用量為單體用量的1%(質(zhì)量分數(shù)),以柱壓來表征整體柱的通透性,考察了不同的致孔劑組合(正丙醇和1,4-丁二醇[21]、甲醇和正己烷、正丙醇和PEG-400[22])及其配比對整體柱通透性的影響。研究結(jié)果表明,當正丙醇與1,4-丁二醇的質(zhì)量比為45∶55時,制備的整體柱在甲醇沖洗流速為0.1 mL/min的條件下，柱壓為1.5×106Pa;當正丙醇與PEG-400的質(zhì)量比為47∶53時,整體柱的柱壓超過3.0×106Pa(沖洗流速0.1 mL/min),且整體柱中的內(nèi)容物流出;而當選擇甲醇-正己烷(14∶5,v/v)作為致孔劑時,制備的整體柱在較大沖洗流速(0.5 mL/min)下,柱壓僅為1.5×106Pa?？赡艿脑驗?,4-丁二醇熔點較高(20.2 ℃),在實驗溫度(約20 ℃)下仍有部分1,4-丁二醇處于凝固狀態(tài),未反應(yīng)的單體和致孔劑難以被沖出,導(dǎo)致柱壓增大;而PEG-400溶液的黏度過高,從而導(dǎo)致柱壓過高。故最終選擇甲醇和正己烷(14∶5,v/v)作為二元致孔劑,制備Poly(GMA-co-EDMA)整體柱。通常整體柱的柱壓會隨著流速的增加而增大,選用甲醇和正己烷作致孔劑時,可以有效降低柱壓,使整體柱在較高沖洗流速下也可保持良好的通透性。同時將后續(xù)優(yōu)化實驗中的萃取流速初步設(shè)為0.5 mL/min。

2.2 Poly(GMA-co-EDMA)整體柱的表征

2.2.1熱場電鏡的表征

由Poly(GMA-co-EDMA)整體柱截面的掃描電鏡圖可以看出，該整體柱呈現(xiàn)出疏松多孔的結(jié)構(gòu),保證了其具有較低的柱壓且通透性良好(見圖3a);聚合物材料緊貼于毛細管內(nèi)壁,保證了整體柱的穩(wěn)定性(見圖3b);所制備的整體柱具有聚合均一的微球簇(見圖3c)。

圖3 Poly(GMA-co-EDMA)整體柱的掃描電鏡圖Fig. 3 Scanning microscope images of the Poly(GMA-co-EDMA) monolithic column Magnification times: a. 2400; b. 2500; c. 30000.

圖4 Poly(GMA-co-EDMA)整體柱的紅外光譜圖Fig. 4 Infrared spectrum of the Poly(GMA-co-EDMA) monolithic column

2.2.2紅外光譜的表征

將適量研磨成粉末的干燥無水的整體柱材料與溴化鉀(KBr,光譜純)按質(zhì)量比1∶200混勻,研磨壓片后,在400 ～ 4 000 cm-1范圍內(nèi)對樣品進行紅外光譜解析(見圖4)?？梢钥闯?在1 600 cm-1附近無峰,說明不存在C=C鍵,且紅外光譜圖中不存在-CH=CH2的面外彎曲振動峰(895 ～ 885 cm-1);在1 728 cm-1處,出現(xiàn)飽和酯基中羰基的伸縮振動峰,該峰與不飽和酯羰基的峰相比向高波數(shù)方向移動。結(jié)果表明,GMA中的不飽和酯羰基變成了飽和酯羰基。在1 257 cm-1和1 113 cm-1處的峰分別為C-O-C的反對稱和對稱伸縮振動峰;在915cm-1和816 cm-1處的峰為環(huán)氧基的特征吸收峰。FT-IR表征結(jié)果確證了整體材料由GMA聚合而成。

2.3 在線固相微萃取條件的優(yōu)化

采用單因素優(yōu)化法考察了在線微萃取過程中萃取溶劑、解吸體積及萃取流速等條件對分析結(jié)果的影響。

2.3.1萃取溶劑的選擇

在萃取流速(0.5 mL/min)、萃取體積(3 mL)、解吸流速(100 μL/min)、解吸體積(600 μL)和解吸溶劑(45%(v/v)乙腈水溶液)不變的條件下，分別選用純水和體積分數(shù)為5%、10%、20%的乙腈水溶液作為萃取溶劑,對10 μg/L的4種雌激素混合標準溶液進行分析。如圖5a所示,隨著乙腈體積分數(shù)的增加,E2、EE和E1的萃取量逐漸降低;而DES的萃取量隨乙腈體積分數(shù)的增加先提高后降低,但乙腈體積分數(shù)為10%和5%時,其萃取量相差不大。因此本實驗最終選擇5%(v/v)的乙腈水溶液作為萃取溶劑。

圖5 (a)萃取溶劑、(b)萃取流速和(c)解吸體積對4種雌激素萃取量的影響Fig. 5 Effect of (a) extraction solvents, (b) extraction flow rates, and (c) desorption volumes on the extraction amounts of the four estrogens E2: 17β-estradiol; EE: ethynyl estradiol; E1: estrone; DES: diethylstilbestrol.

2.3.2萃取流速的選擇

在萃取溶劑(5%(v/v)的乙腈水溶液)、萃取體積(3 mL)、解吸流速(100 μL/min)、解吸體積(600 μL)和解吸溶劑(45%(v/v)乙腈水溶液)不變的條件下，考察不同萃取流速(0.2、0.3、0.4和0.5 mL/min)對4種雌激素萃取量的影響(見圖5b)。當萃取流速為0.3 mL/min時,整體柱對E2、E1和DES的萃取效果最好;當萃取流速為0.5 mL/min時,EE的萃取效果最好,但與0.3 mL/min時的萃取量相差不大。綜合考慮,最終將萃取流速設(shè)為0.3 mL/min。

2.3.3解吸體積的選擇

在萃取溶劑(5%(v/v)的乙腈水溶液)、萃取流速(0.3 mL/min)、萃取體積(3 mL)、解吸流速(100 μL/min)和解吸溶劑(45%(v/v)乙腈水溶液)不變的條件下，考察解吸體積分別為800、600、400和200 μL時目標物的萃取效果(見圖5c)。隨著解吸體積由200 μL增加到600 μL,目標物的解吸量逐漸增加;當解吸體積由600 μL增至800 μL時,目標物的解吸量基本保持不變,表明此時已基本解吸完全。在保證解吸完全的基礎(chǔ)上,應(yīng)盡可能減少分析時間,因此,本實驗最終將解吸體積設(shè)為600 μL。

表2 4種雌激素的線性范圍、回歸方程、相關(guān)系數(shù)(r2)和檢出限(LOD)Table 2 Linear ranges, regression equations, correlation coefficients (r2) and limits of detection (LODs) of the four estrogens

y: peak area;x: mass concentration, μg/L.

2.4 Poly(GMA-co-EDMA)整體柱的萃取性能

對10 μg/L的4種雌激素混合標準溶液進行分析,采用Poly(GMA-co-EDMA)整體柱和不采用整體柱時,E2、 EE、E1和 DES色譜峰的峰面積比(富集倍數(shù))分別為86、116、77和86。表明該整體柱對4種雌激素的富集效果良好,可富集復(fù)雜基質(zhì)樣品中的雌激素。

采用同一根和同一批次不同根整體柱對10 μg/L的4種雌激素混合標準溶液進行分析,考察整體柱的穩(wěn)定性。結(jié)果表明,采用同一根整體柱進行萃取時,萃取量的RSD為1.5%～4.9%(n=21);采用同一批次不同整體柱時,萃取量的RSD為2.1%～13.5%(n=3)。說明整體柱的穩(wěn)定性良好,滿足分析要求。

2.5 線性范圍、相關(guān)系數(shù)、檢出限和加標回收率

在最優(yōu)萃取條件下,對4種雌激素的混合標準溶液進行分析,以4種雌激素的峰面積為縱坐標(y),質(zhì)量濃度為橫坐標(x, μg/L)制作標準曲線,4種雌激素在線性范圍內(nèi)相關(guān)系數(shù)均>0.99(見表2)。E2、EE、E1和DES的檢出限(S/N=3)分別為0.20、0.05、0.19和0.09 μg/L,其中E2和E1的檢出限與文獻報道值接近[6,23,24], EE和DES的檢出限低于文獻報道值[6,23,24]。4種雌激素含量的RSD(n=3)為4.9%～8.4%。說明該方法具有良好的相關(guān)性和重復(fù)性。

分別向爽膚水樣品中加入2.0、10、20 μg/L的混合標準溶液,在最優(yōu)條件下分析,E2、EE、E1和DES的加標回收率分別為73.4%～81.2%、69.3%～74.7%、76.1%～79.9%和91.8%～111.3%, RSD均<5.0%(見表3)。結(jié)果表明,該方法滿足爽膚水中4種雌激素同時測定的要求。

2.6 爽膚水中雌激素的檢測

4種雌激素混合標準溶液、稀釋10倍的爽膚水直接進樣和Poly(GMA-co-EDMA)整體柱在線微萃取未加標爽膚水、20 μg/L加標爽膚水的色譜圖見圖6。可以看出,未加標爽膚水直接進樣時,無法檢出4種目標物(見圖6b),但經(jīng)過Poly(GMA-co-EDMA)整體柱在線萃取后,可檢出雌二醇(見圖6c)。在最優(yōu)條件下檢測8種加標爽膚水樣品,其中只在1種爽膚水樣品中檢測出了雌二醇，含量為9.5 μg/L(見表3)。

圖6 采用HPLC法分析4種雌激素的色譜圖Fig. 6 Chromatograms of the four estrogens by HPLC a. The mixed standard solution by direct injection (4 mg/L); b. the toner sample diluted 10 times by direct injection; c. the toner sample diluted 10 times by Poly(GMA-co-EDMA) monolithic column; d. the toner sample spiked with 20 μg/L estrogens standard solutions by Poly(GMA-co-EDMA) monolithic column. 1. 17β-estradiol; 2. ethynyl estradiol; 3. estrone; 4. diethylstilbestrol.

表3 爽膚水樣品中4種雌激素在不同加標水平下的回收率和相對標準偏差(n=3)Table 3 Recoveries and RSDs of the four estrogens at different spiked levels in toner samples (n=3)

N.D.: not detected.

3 結(jié)論

本文以GMA為單體、EDMA為交聯(lián)劑、AIBN為引發(fā)劑、甲醇及正己烷為二元致孔劑,通過原位聚合反應(yīng)制備了Poly(GMA-co-EDMA)毛細管整體柱,其通透性和穩(wěn)定性均良好。同時構(gòu)建了整體柱在線微萃取接口裝置,實現(xiàn)了Poly(GMA-co-EDMA)整體柱在線微萃取與高效液相色譜技術(shù)的聯(lián)用,建立了檢測爽膚水中痕量雌激素的分析方法。該方法快速、高效、靈敏、準確、環(huán)境友好,可滿足化妝品中雌激素的分析要求。

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Analysis of trace estrogens in toners by monolithic columnonline solid phase microextraction coupled withhigh performance liquid chromatography

SONG Wenwen, LUO Xialin, LI Gongke*, HU Yufei*
(SchoolofChemistry,Sun-Yat-SenUniversity,Guangzhou510275,China)

A Poly(glycidyl methacrylate-co-ethyleneglycol dimethacrylate) (Poly(GMA-co-EDMA)) monolithic column was prepared in a capillary by in-situ polymerization. Glycidyl methacrylate (GMA) was chosen to be the monomer and ethyleneglycol dimethacrylate (EDMA) was utilized as crosslinking agent. The binary porogenic agents of methanol andn-hexane can develop the permeability of monolithic column and they were suitable to construct the online analysis apparatus. A series of experiments were carried out, and they demonstrated the monolithic column had good permeability with low column pressure (1.5×106Pa at the washing flow rate of 0.5 mL/min). The enrichment factors of the prepared monolithic column for estradiol, ethynyl estradiol, estrone and diethylstilbestrol were 86, 116, 77 and 86, respectively. It was proved that the monolithic column was suitable for the online microextraction system by using the interface unit. A method was established for the analysis of trace estradiol, ethynyl estradiol, estrone and diethylstilbestrol in toners by monolithic column online solid phase microextraction coupled with high performance liquid chromatography. The limits of detection (S/N=3) were 0.05-0.20 μg/L. The recoveries in toner samples varied from 69.3% to 111.3%, and relative standard deviations were less than 5.0%. The method is efficient, sensitive, accurate, reliable and applicable to analyze trace estrogens in toners.

high performance liquid chromatography (HPLC); poly(glycidyl methacrylate-co-ethyleneglycol dimethacrylate) (Poly(GMA-co-EDMA)) monolithic column; online solid phase microextraction; estrogens; toners

10.3724/SP.J.1123.2016.08012

2016-08-15

國家自然科學(xué)基金項目(21475153,21575167);廣東省自然科學(xué)基金重點項目(2015A030311020);廣東省公益研究與能力建設(shè)專項(2015A030401036);廣州市科技計劃項目(201604020165).

Foundation item: National Natural Science Foundation of China (Nos. 21475153, 21575167); Key Project of Natural Science Foundation of Guangdong Province (No. 2015A030311020); Public Welfare Research and Capacity Building of Guangdong Province (No. 2015A030401036); Guangzhou Science and Technology Project (No. 201604020165).

O658

:A

:1000-8713(2017)01-0020-07

*通訊聯(lián)系人.Tel:(020)84110922,E-mail:cesgkl@mail.sysu.edu.cn (李攻科);Tel:(020)84110922,E-mail:huyufei@mail.sysu.edu.cn (胡玉斐).