基于石墨烯海綿的固相萃取-液相色譜法測定化妝品中6種紫外吸收劑

王雪梅,　王　娟,　杜彤彤,　馬曉敏,　盧小泉,2(. 西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070; 2. 甘肅省生物電化學(xué)與環(huán)境分析重點實驗室, 甘肅 蘭州 730070)

隨著人們生活水平的不斷提高,化妝品的種類逐漸多樣化,防曬也成為當今化妝品領(lǐng)域的熱門話題之一。太陽中的紫外線分為UVA(400～320 nm)、UVB(320～290 nm)和UVC(280 nm以下),通常,280 nm以下的紫外線可導(dǎo)致皮膚曬黑、曬傷,甚至?xí)T發(fā)皮膚癌[1]。目前,歐盟及各國對紫外線吸收劑的使用量已做出了限量要求[2];日本禁止把甲氧基肉桂酸異戊酯與一些特定成分(乙基戊酯、對氨基苯甲酸乙酯等)一起使用[2];美國要求4-甲基芐亞基樟腦在防曬霜等化妝品基質(zhì)中的使用限量為4%[2]。我國2007版《化妝品衛(wèi)生規(guī)范》對28種防曬劑的限量值也做了明確規(guī)定,例如二苯酮類防曬劑在化妝品中的使用量應(yīng)小于10%[3]。

目前,紫外吸收劑的檢測方法有高效液相色譜法[4-6]和氣相色譜法[7]等?；瘖y品形態(tài)多樣,成分復(fù)雜,基質(zhì)干擾物多,因此必須在分析檢測前選擇合適的樣品前處理技術(shù)以分離富集樣品中的目標化合物。傳統(tǒng)的化妝品前處理方法有消解法、液液萃取法和濁點萃取法等[8],但這些方法操作復(fù)雜,耗時長,有機溶劑用量大。近幾年一些新型技術(shù)被用于化妝品的樣品前處理中,如固相萃取(SPE)、攪拌棒吸附萃取(SBSE)、液相微萃取(LPME)、分散液液微萃取(DLLME)、超聲輔助萃取(UAE)和微波輔助萃取(MAE)等[8-10]。其中,SPE具有操作簡便、選擇性好等優(yōu)點,減少了環(huán)境污染,是化妝品前處理領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的一種方法,固相萃取劑是該技術(shù)的核心,根據(jù)不同的目標物選擇合適的固相萃取劑可提高其對目標物的選擇性和分析的靈敏度。

本文以自制的石墨烯海綿(GS)為固相萃取劑,結(jié)合高效液相色譜測定了不同形態(tài)化妝品中6種新型紫外吸收劑,同時優(yōu)化了實驗條件,得到了較寬的線性范圍,較低的檢出限和定量限,提高了方法的靈敏度。

1　實驗部分

1.1　儀器和試劑

Agilent 1260高效液相色譜儀(美國安捷倫公司); FD-1A-50冷凍干燥機(北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司); Ultra plus熱場發(fā)射掃描電鏡(德國蔡司公司); AS1Win比表面積分析儀(美國康塔儀器公司); SMART-N超純水機(上海康雷分析儀器有限公司)。

硝酸為分析純(太倉滬試試劑有限公司);硫酸、高錳酸鉀、丙酮均為分析純(北京化工廠);硝酸鈉為分析純(煙臺市雙雙化工有限公司);過氧化氫(純度30%,上海沃凱生物技術(shù)有限公司);乙醇為分析純(天津凱通化學(xué)試劑有限公司);水合肼(純度≥85%,上海中秦化學(xué)試劑有限公司);多壁碳納米管(MWCNT,純度>97%,深圳市納米科技有限公司); C18填料(美國安捷倫科技有限公司);甲醇為色譜純(美國賽默飛世爾科技有限公司);石墨為化學(xué)純(上海山浦化工有限公司)。標準物質(zhì):2-(2′-羥基-5′-甲基苯基)苯并三氮唑(UV-P)、2-(2′-羥基-3′,5′雙(a,a-二甲基芐基)苯基)苯并三唑(UV-234)、2′-(2′-羥基-3′-叔丁基-5′-甲基苯基)-5-氯苯并三唑(UV-326)、2-(2′-羥基-3′,5′-二特丁基苯基)-5-氯苯并三唑(UV-327)、2-[2-羥基-3,5-二(1,1-二甲基丙基苯基)]-2H-苯并三唑(UV-328)和2-[2-羥基-5-(1,1,3,3-四甲丁基)苯基]苯并三唑(UV-329),純度均>98.0%,均購自梯希愛化成工業(yè)發(fā)展有限公司。

護膚水、乳、美白霜、防曬霜和隔離霜均為市售。

1.2　標準溶液的配制

標準儲備液:分別準確稱取6種標準物質(zhì)1 mg,用甲醇配制成質(zhì)量濃度均為10 mg/L的標準儲備液,于4 ℃保存;標準工作液:移取適量標準儲備液,用甲醇逐級稀釋至所需濃度?；旌蠘藴蕛湟?分別準確稱取6種標準物質(zhì)1 mg,用甲醇配制成質(zhì)量濃度為10 mg/L的混合標準儲備液,于4 ℃保存,實驗中用甲醇將其稀釋至所需濃度。

1.3　石墨烯海綿的制備

首先根據(jù)改進的Hummers法[11]制備氧化石墨。將制備好的氧化石墨用去離子水配成5 000 mg/L的溶液,超聲分散得到氧化石墨烯(GO)分散液,然后在冰箱中冷凍48 h,使其完全冷凍結(jié)冰;將其快速轉(zhuǎn)移至-50 ℃的冷凍干燥機中冷凍48 h,得到海綿狀固體,此時稱其為氧化石墨烯海綿(GOS)。最后將GOS置于大燒杯中,并在燒杯內(nèi)壁滴入2 mL水合肼;將燒杯放入干燥箱中,于90 ℃持續(xù)干燥1 h,氧化石墨烯海綿的部分含氧官能團在肼蒸氣的氛圍下被還原,GOS被還原形成石墨烯海綿。

1.4　固相萃取柱的制備

稱取15 mg GS,填入下部裝有篩板的2 mL SPE小柱中,再蓋上篩板,適當擠壓,使填充密實,防止樣品從材料與萃取柱的邊緣漏出,影響吸附效果,然后分別用10 mL超純水和甲醇清洗小柱。

1.5　樣品前處理

分別取各護膚品1 g,置于不同離心管中,加入10 mL甲醇,超聲分散15 min,以8 000 r/min離心10 min,上清液用0.2 μm聚丙烯微孔濾膜過濾,所有樣品于4 ℃保存待用。

分別移取上述樣品溶液800 μL于SPE柱中,用洗耳球?qū)⑷芤捍党龊?用800 μL丙酮洗脫目標化合物,收集洗脫液,待儀器分析。

1.6　分析條件

色譜柱:Agilent Zorbax SB-C18柱(150 mm×4.6 mm, 5 μm,美國Agilent公司);柱溫:30 ℃;流動相:甲醇-水(95∶5, v/v);等度洗脫;進樣量:20 μL;流速:0.7 mL/min,檢測波長:340 nm。

2　結(jié)果與討論

2.1　石墨烯海綿的表征

圖1為石墨烯海綿的光學(xué)照片和掃描電鏡圖。由圖1可知,石墨烯海綿是由二維石墨烯片相互搭接構(gòu)筑成的三維多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),由石墨烯復(fù)合納米片充當“孔壁”相互交聯(lián)后形成了許多大孔結(jié)構(gòu),孔的尺寸在100 μm左右;在肉眼下即可看到GS具有疏松、多孔的結(jié)構(gòu)。石墨烯納米片之間主要是依靠范德華力、π-π相互作用力相連。這種多孔的結(jié)構(gòu)增大了材料的比表面積,有利于增強材料的吸附性能。

圖 1　石墨烯海綿的(a)光學(xué)照片和(b)掃描電鏡圖Fig. 1　(a) Optical photograph and (b) scanning electron microscope image (SEM) of graphene sponge (GS)

圖 2　(a)氧化石墨烯海綿和(b)石墨烯海綿的X射線衍射圖Fig. 2　X-ray diffraction patterns of (a) graphene oxide sponge (GOS) and (b) GS

圖2為氧化石墨烯海綿和石墨烯海綿的X射線衍射圖。由圖2可知,GOS在2θ=11°有一個明顯的峰,這是由于GOS含有較多的含氧官能團,因而導(dǎo)致層間距增大,產(chǎn)生了明顯的衍射峰,說明獲得了氧化完全的GOS; GS在2θ=25°有尖銳的特征衍射峰,該衍射峰代表石墨烯的(002)晶面衍射峰,此時單層碳原子緊密堆積,說明成功地制備了石墨烯海綿。

2.2　洗脫劑種類和體積的選擇

以1 mg/L的混合標準溶液(800 μL)為目標溶液進行分析,優(yōu)化洗脫劑的種類和體積。

6種紫外線吸收劑屬不同取代基的苯并三唑類化合物,均為弱極性或非極性物質(zhì),不溶于水,易溶于甲醇、丙酮、苯、四氫呋喃、甲苯等有機溶劑,且在苯、甲苯中的溶解性較強。鑒于甲苯和苯具有較強的毒性,實驗中未予以考慮。實驗考察了甲醇、丙酮和正己烷作為洗脫劑時6種紫外線吸收劑的洗脫情況(見圖3)?？梢钥闯?相對于正己烷和甲醇，丙酮對目標物有更強的洗脫能力,故選擇丙酮作為洗脫劑。

表 1　6種分析物的線性方程、相關(guān)系數(shù)、線性范圍、檢出限和定量限Table 1　Linear equations, correlation coefficients (r), linear ranges, limits of detection (LODs) and limits of quantification (LOQs) of the six analytes

Y: peak area;X: mass concentration, μg/L.

圖 3　不同洗脫劑對6種紫外吸收劑回收率的影響Fig. 3　Effect of different eluent on the recoveries of the six UV filters UV-P: 2-(2′-hydroxy-5′-methyl-phenyl) benzotriazole; UV-234: 2-(2-hydroxy-benzotriazole-2-yl)-4,6-bis(1-methyl-1-phenylethyl)phenol; UV-326: 2-tert-butyl-6-(5-chloro-2-hydroxy-benzotriazole-2-yl)-4-methylphenol; UV-327: 2-(2′-hydroxy-3′,5′-di-tert-butylphenyl)-5-chlorobenzotriazole; UV-328: 2-(2′-hydroxy-3′,5′-dipentylphenyl) benzotriazole; UV-329: 2-(2-hydroxy-benzotriazole-2-yl)-4-(1,1,3,3-tetramethylbutyl)phenol.

考察了丙酮的體積(200、500、800和1 000 μL)對6種紫外吸收劑回收率的影響(見圖4)。結(jié)果表明,采用800 μL丙酮時,可獲得最佳的萃取效率。

同時考察了溶劑的pH值和離子強度對吸附解析過程的影響,結(jié)果表明,二者對目標化合物峰面積的影響不大,所以后續(xù)的實驗過程不對此進行改變。

圖 4　丙酮的體積對6種紫外吸收劑回收率的影響Fig. 4　Effect of volume of acetone on the recoveries of the six UV filters

2.3　吸附能力對比

本實驗選用商品化的多壁碳納米管和C18填料進行對比,按照優(yōu)化的固相萃取條件,以未檢測到目標物的空白樣品進行加標回收試驗。采用不同吸附材料時的色譜圖見圖5。可以看出,GS的吸附效率高于多壁碳納米管和C18填料,這是由于紫外吸收劑與GS除表面吸附作用外,紫外吸收劑具有的苯環(huán)、五元環(huán)或六元環(huán)結(jié)構(gòu)與GS的π電子體系易形成π-π共軛作用,因此GS對紫外吸收劑具有較好的吸附能力,回收率高,凈化效果好。

圖 5　采用不同吸附材料時6種紫外吸收劑的色譜圖Fig. 5　Chromatograms of the six UV filters using different materials as SPE adsorbents MWCNT: multiwalled carbon nanotube. Peaks: 1. UV-P; 2. UV-329; 3. UV-326; 4. UV-324; 5. UV-328; 6. UV-327.

2.4　線性關(guān)系和檢出限

按1.2節(jié)所述方法配制系列標準溶液,以化合物的峰面積為縱坐標、對應(yīng)的質(zhì)量濃度為橫坐標繪制標準曲線(見表1)。6種目標化合物除UV-P外,相關(guān)系數(shù)(r)均>0.999,說明各目標化合物在線性范圍內(nèi)線性關(guān)系良好。根據(jù)國際純粹和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(IUPAC)對檢出限的定義[12],計算6種目標物的檢出限(S/N=3)和定量限(S/N=10),分別為0.08～1.82 μg/L和0.26～6.07 μg/L。

2.5　回收率和精密度

按1.5節(jié)和1.6節(jié)方法對實際樣品進行處理和分析,得到的檢測結(jié)果見表2。結(jié)果顯示,除了護膚水外,6種紫外吸收劑在其余護膚品中均有不同程度的檢出,其中防曬霜和隔離霜中檢測到紫外吸收劑的種類最多。

表 2　實際樣品的檢測結(jié)果Table 2　Test results of real samples

ND: not detected.

在經(jīng)測定不含6種紫外線吸收劑的空白護膚水樣品中添加低、中、高3個水平的混合標準溶液,同樣按1.5節(jié)和1.6節(jié)方法進行樣品處理和分析。6種紫外線吸收劑的平均回收率為61.1%～119.0%,相對標準偏差(RSD)均小于1%(n=6)(見表3)。由此可見,該方法具有良好的準確性和精密度。

表 3　護膚水樣品中6種紫外線吸收劑的加標回收率和精密度(n=6)Table 3　Spiked recoveries and precisions of the six UV filters in skin lotion samples (n=6)

3　結(jié)論

本實驗制備了石墨烯海綿固相萃取劑,并建立了固相萃取-高效液相色譜測定不同化妝品中6種紫外線吸收劑的方法。方法的靈敏度、回收率及重復(fù)性均符合殘留分析要求。該方法前處理過程簡單,具有良好的線性關(guān)系和精密度,可為定性和定量分析化妝品中的紫外線吸收劑提供一種準確有效的檢測方法。該方法的建立能為進一步研究苯并三唑類紫外線吸收劑的暴露水平和環(huán)境行為奠定基礎(chǔ)。

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