金屬-有機骨架MIL-101(Cr)摻雜聚合物整體柱的制備及其用于酚類化合物的在線固相萃取

楊成雄,楊雪清,嚴秀平

(1.南開大學化學學院,分析科學研究中心,天津 300071;2.江南大學食品學院,分析食品安全學研究所,江蘇 無錫 214122)

有機聚合物整體柱具有可原位制備、高通透性和易功能化等優(yōu)點[1,2],目前已成功用于快速液相色譜法[3]、毛細管電色譜法[4]和固相萃取法(SPE)[5]。有機聚合物整體柱作為吸附劑具有柱壓小、傳質快和易制備等特點,在SPE領域具有良好的應用前景[6,7]。然而,傳統(tǒng)的有機聚合物整體柱仍存在孔隙率和比表面積小的缺陷[8,9]。在有機聚合物整體柱中摻雜高比表面積的多孔材料是有效彌補這一缺陷的方法。為此,人們已將碳納米管[10]、富勒烯衍生物[11]和金屬納米顆粒[12]等多孔材料摻雜于有機聚合物整體柱中,以提高有機聚合物整體柱的萃取效率。

金屬-有機骨架(MOFs)是一類以金屬離子或金屬簇為配位中心,與含氧或氮的有機配體通過配位作用形成的多功能多孔材料[13,14]。MOFs具有比表面積大、孔道規(guī)則有序、結構可修飾、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點,目前在分析化學領域展現出了良好的應用前景[15,16]。同時,MOFs也可作為新穎吸附劑用于固相萃取[16-19]。相對于應用較多的離線固相萃取,基于MOFs的在線固相萃取的研究較少[20,21],其根本原因是由于MOFs較小的粒徑和不規(guī)則的形貌導致的高柱壓,大大限制了其在線固相萃取的應用。將MOFs和聚合物整體柱相結合,制備MOFs摻雜聚合物整體柱是有效解決上述問題和拓寬MOFs在線固相萃取應用的方法之一[22-25]。

酚類化合物廣泛存在于自然界，是化學工業(yè)的基本原料,大量用于制造酚醛樹脂、高分子材料、離子交換樹脂、合成纖維、染料、藥物、炸藥等[26]。酚類化合物為原生質毒物,可侵入人體的細胞原漿,使細胞失去活性,直至引起脊髓刺激,導致全身中毒[26]。由于酚類化合物具有強毒性和持久性的特點,美國環(huán)境保護署將其列為優(yōu)先控制污染物[27]。同時,歐盟也規(guī)定飲用水中總酚含量不能超過0.5 μg/L和單個酚含量不能超過0.1 μg/L[28]。為了保障人類免受酚類污染物的威脅和困擾,必須對環(huán)境中的酚類化合物進行監(jiān)測和控制[29]。然而,酚類化合物在環(huán)境中的濃度較低,直接測定非常困難。因此,開發(fā)有效富集和測定水中酚類化合物的方法具有重要意義。

本文建立了原位制備MOF MIL-101(Cr)摻雜聚合物整體柱的方法,并采用在線SPE-HPLC檢測水中酚類化合物。MIL-101(Cr)由鉻(Ⅲ)和對苯二甲酸構成,具有比表面積大、孔體積和孔窗大、熱和化學穩(wěn)定性好等優(yōu)點,有望用于酚類化合物的固相萃取[30]。本文詳細考察了樣品溶液pH值、上樣時間、上樣速度和解吸時間對萃取酚類化合物的影響。最終,該方法成功用于實際水樣中酚類化合物的檢測。

1 實驗部分

1.1 儀器、試劑與材料

高效液相色譜儀由Waters 600泵和2996光電二極管陣列檢測器(PDA)組成(美國Waters公司);FIA-3100流動注射儀(北京吉天儀器有限公司);Tygon泵管(1.52 mm i.d.);不銹鋼柱管(5 cm×4.6 mm)。

4-硝基苯酚(4-NP)、3-甲基苯酚(3-MP)、2-硝基苯酚(2-NP)和2,4-二氯苯酚(2,4-DCP)(結構式見圖1),以及九水硝酸鉻、對苯二甲酸、40%(質量分數)氫氟酸、甲基丙烯酸縮水甘油酯(GMA)、乙二醇二甲基丙烯酸酯(EDMA)、環(huán)己醇、1-十二醇、偶氮二異丁腈(AIBN)、乙酸均購自上海阿拉丁試劑有限公司;甲醇、乙醇、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和乙腈購自天津康科德試劑有限公司;HCl和NaOH購自天津試劑六廠;超純水購自天津娃哈哈食品有限公司。其他試劑為國產分析純。

圖1 4種酚類化合物的化學結構式Fig.1 Chemical structures of the four phenols 4-NP:4-nitrophenol;3-MP:3-methylphenol;2-NP:2-nitrophenol;2,4-DCP:2,4-dichlorophenol.

用甲醇配制酚類化合物的標準儲備液(1 g/L),并于-4 ℃暗處保存,使用前用超純水逐級稀釋至所需濃度。實際湖水樣品采自本地,以0.45 μm纖維素微孔濾膜過濾后存儲于干凈的玻璃瓶中備用,使用前用NaOH調節(jié)pH值至10.0。

1.2 MIL-101(Cr)的合成

MIL-101(Cr)參照文獻[30]方法合成。將800 mg九水硝酸鉻、332 mg對苯二甲酸、9.6 mL水和0.1 mL 40.0%(質量分數)氫氟酸依次加至30 mL聚四氟乙烯反應釜內膽中。攪拌均勻,用不銹鋼套密封,放入220 ℃的烘箱反應8 h。冷卻至室溫后,以10 000 r/min離心8 min,然后收集綠色固體,依次用DMF和乙醇回流4 h,充分去除未反應的對苯二甲酸和雜質,然后在60 ℃下真空干燥,最終得淺綠色MIL-101(Cr)粉末。

1.3 原位合成MIL-101(Cr)摻雜聚合物整體柱

在5 mL離心管中依次加入10 mg MIL-101(Cr)粉末、400 μL GMA、300 μL EDMA、1 000 μL環(huán)己醇和300 μL 1-十二醇溶劑,超聲0.5 h,使其分散均勻并脫去氣泡。然后再加入10 mg AIBN引發(fā)劑,超聲5 min,將此反應液緩慢加至兩端連接有膠皮管的不銹鋼柱管內(其中一端封口)。待反應液加滿后,兩端密封,置于70 ℃水浴中反應24 h。冷卻至室溫后,取下兩端膠皮管,切去多余整體柱,封口即得MIL-101(Cr)摻雜聚合物整體柱。將MIL-101(Cr)摻雜聚合物整體柱連接HPLC六通閥,用甲醇沖洗,除去致孔劑環(huán)己醇和1-十二醇以及未反應的單體EDMA和GMA,用流動相平衡MIL-101(Cr)摻雜聚合物整體柱2 h至基線平穩(wěn)。

圖2 MIL-101(Cr)和MIL-101(Cr)摻雜聚合物整體柱的表征Fig.2 Characterization of MIL-101(Cr)and MIL-101(Cr)incorporated polymer monolith a.X-ray diffraction patterns of simulated MIL-101(Cr),synthesized MIL-101(Cr),and MIL-101(Cr)incorporated polymer monolith;b.thermogravimetric analysis curve of the synthesized MIL-101(Cr);c.scanning electronic microscopy (SEM)images of the MIL-101(Cr)incorporated polymer monolith;d.IR spectra of poly(glycidyl methacrylate(GMA)-co-ethylene glycol dimethacrylate(EDMA))monolith,MIL-101(Cr),and MIL-101(Cr)incorporated polymer monolith.

1.4 在線固相萃取

在線SPE-HPLC聯用富集水中酚類化合物的流程如下。首先,將MIL-101(Cr)摻雜聚合物整體柱連接至HPLC六通閥的1,4位，取代原有定量環(huán)。然后,將HPLC進樣閥切換至“Load”位,用FIA-3100流動注射泵將樣品溶液泵入MIL-101(Cr)摻雜聚合物整體柱中進行富集(上樣流速0.4 mL/min，上樣時間5.0 min)。接著將進樣閥由“Load”位切換至“Inject”位,用流動相反向沖洗固相萃取柱2 min,以解吸所富集的酚類化合物,使其進入C18色譜柱進行分離。最后,再將HPLC進樣閥轉換至“Load”位進行下一次的樣品富集。

1.5 色譜條件

C18色譜柱(25 cm×4.6 mm,天津倍思樂色譜技術開發(fā)中心);流動相為乙腈-水(60∶40,v/v)(含1%(v/v)乙酸);流速為1.0 mL/min;檢測波長為280 nm。

2 結果與討論

2.1 表征

用X-射線晶體衍射(XRD)、熱重分析(TGA)、掃描電鏡(SEM)和紅外光譜(IR)表征所合成的MIL-101(Cr)和MIL-101(Cr)摻雜聚合物整體柱(見圖2)。

MIL-101(Cr)的XRD譜圖與模擬的MIL-101(Cr)譜圖吻合(見圖2a),表明MIL-101(Cr)已成功合成。MIL-101(Cr)摻雜聚合物整體柱的XRD譜圖中出現了MIL-101(Cr)的特征峰,證明MIL-101(Cr)成功摻雜在聚合物整體柱中。TGA結果表明,MIL-101(Cr)能在320 ℃下穩(wěn)定,具有良好的熱穩(wěn)定性(見圖2b)。SEM結果表明,MIL-101(Cr)摻雜聚合物整體柱具有相互交聯的整體柱骨架和多孔結構(見圖2c)。MIL-101(Cr)摻雜聚合物整體柱的IR譜圖中,在1 623、1 402和748 cm-1處出現了MIL-101的特征峰,再次證明MIL-101(Cr)已成功摻雜(見圖2d)。

圖3 (a)樣品溶液pH、(b)上樣時間、(c)上樣流速和(d)解吸時間對在線固相萃取酚類化合物的影響(n=3)Fig.3 Effects of(a)sample solvent pH values,(b)loading time,(c)loading flow rates,and(d)desorption time on the on-line SPE of phenols(n=3)Mass concentrations of 4-NP,3-MP,2-NP and 2,4-DCP were 200,100,300 and 300 μg/L,respectively.

2.2 萃取條件的考察

實驗考察了樣品溶液pH、上樣流速、上樣時間和解吸時間對在線固相萃取酚類化合物的影響(見圖3)。

圖4 MIL-101(Cr)在不同pH下的Zeta電勢(n=3)Fig.4 Zeta potentials of MIL-101(Cr)under different pH(n=3)

固定上樣流速(0.4 mL/min)和上樣時間(5.0 min),考察樣品溶液pH值(3.0～11.0)對在線固相萃取酚類化合物的影響(見圖3a)。當pH值為3.0～10.0時,酚類化合物的色譜峰面積隨pH值的升高而增加;當pH值為10.0時,4-NP、3-MP、2-NP和2,4-DCP的色譜峰面積最大。而當pH值>10.0時,酚類化合物的色譜峰面積有所減少。4-NP、3-MP、2-NP和2,4-DCP的pKa值分別為7.2、10.1、7.2和7.8。當pH>pKa時,4-NP、2-NP和2,4-DCP因酚羥基解離而帶負電,而MIL-101(Cr)在pH值3.0～11.0范圍內均帶正電(見圖4),帶負電的4-NP、2-NP和2,4-DCP能較好地富集于帶正電的MIL-101(Cr)上,表明酚類化合物與MIL-101(Cr)摻雜聚合物整體柱之間可能存在靜電相互作用。同時,MIL-101(Cr)摻雜聚合物整體柱在pH=10.0時對中性的3-MP(pKa≈pH)也有較好的富集效果,說明靜電相互作用并非是MIL-101(Cr)摻雜聚合物整體柱萃取酚類化合物的唯一作用機理。酚類化合物上的苯環(huán)與MIL-101(Cr)配體上苯環(huán)之間的π-π相互作用,以及酚類化合物上的酚羥基與MIL-101(Cr)上的對苯二甲酸酯配體之間的氫鍵相互作用在MIL-101(Cr)摻雜聚合物整體柱高效萃取酚類化合物中也起著重要作用。

固定上樣流速為0.4 mL/min,考察上樣時間對在線固相萃取酚類化合物的影響(見圖3b)。當上樣時間為2～10 min時,酚類化合物的峰面積隨著上樣時間的增加而逐漸增加,說明MIL-101(Cr)摻雜聚合物整體柱對酚類化合物的富集均未達到飽和狀態(tài)。為了實現酚類化合物的快速富集和檢測,實驗選擇上樣時間為5 min。

固定上樣時間為5 min,考察上樣流速對在線固相萃取酚類化合物的影響(見圖3c)。當上樣流速為0.2～0.5 mL/min時,MIL-101(Cr)摻雜聚合物整體柱對酚類化合物的萃取效率隨著上樣流速的增加而成線性增加。綜合考慮上樣速度和穩(wěn)定性,最終選擇上樣流速為0.4 mL/min。

考察了解吸時間(1～7 min)對酚類化合物解吸附的影響(見圖3d)。結果表明,2 min即可將富集于MIL-101(Cr)摻雜聚合物整體柱的酚類化合物解吸完全,故選為實驗所用。

表1 酚類化合物的線性范圍、相關系數(R2)、富集因子、檢出限和精密度Table1 Linear ranges,correlation coefficients(R2),enhancement factors(EFs),LODs and precisions of the phenols

圖5 MIL-101(Cr)摻雜聚合物整體柱和未摻雜MIL-101 (Cr)的聚GMA-co-EDMA整體柱萃取酚類化合物的效果對比(n=3)Fig.5 Comparison of the extraction performance ofMIL-101(Cr)incorporated monolithic column to poly(GMA-co-EDMA)monolithic column for on-line SPE of phenols(n=3)

2.3 空白聚合物整體柱對比

為了證明MIL-101(Cr)在MIL-101(Cr)摻雜聚合物整體柱中的作用,實驗對比了未摻雜MIL-101(Cr)的聚GMA-co-EDMA整體柱和MIL-101(Cr)摻雜聚合物整體柱對酚類化合物的萃取效果(見圖5)。MIL-101(Cr)摻雜聚合物整體柱對酚類化合物的萃取效果明顯優(yōu)于未摻雜MIL-101(Cr)的聚GMA-co-EDMA整體柱,表明MIL-101(Cr)對提高酚類化合物的萃取效率起著關鍵作用。

2.4 線性范圍、精密度、檢出限和富集因子

配制了一系列不同濃度的酚類化合物標準溶液,在最佳萃取條件下,采用MIL-101(Cr)摻雜聚合物整體柱進行萃取,以酚類化合物的色譜峰面積(y)對酚類化合物的質量濃度(x,μg/L)作圖。結果表明，MIL-101(Cr)摻雜聚合物整體柱在線SPE結合HPLC檢測4-NP、3-MP、2-NP和2,4-DCP的線性范圍為0.08～300 μg/L;檢出限(LOD,S/N=3)為25～500 ng/L(見表1)。

考察了MIL-101(Cr)摻雜聚合物整體柱在線固相萃取結合HPLC檢測酚類化合物的穩(wěn)定性,其日內(n=6)和日間(n=3)的相對標準偏差分別為1.4%～5.5%和4.2%～11.0%。

通過對比萃取前后酚類化合物的色譜峰面積,計算MIL-101(Cr)摻雜聚合物整體柱對酚類化合物的富集因子(EF),結果在71～127之間,表明MIL-101(Cr)摻雜聚合物整體柱對酚類化合物有較好的富集效果。相比于文獻[31-36]報道的固相萃取酚類化合物的方法,該方法具有更低的檢出限(見表2)。

2.5 實際水樣分析

將MIL-101(Cr)摻雜聚合物整體柱用于在線固相萃取,并結合HPLC檢測當地湖水樣品中的酚類化合物,驗證該方法的可行性和實際樣品分析能力。圖6為不同加標濃度下MIL-101(Cr)摻雜聚合物整體柱在線固相萃取結合HPLC檢測實際水樣中酚類化合物的色譜圖。結果顯示,實際湖水樣品中均未檢出酚類化合物(見表3)。通過實際樣品加標回收試驗考察該方法的可行性,結果表明,實際水樣中酚類化合物的加標回收率(10 μg/L)為78.6%～107.1%,滿足實際樣品分析要求。

表2 本文方法與其他文獻方法的對比Table2 Comparison of the developed method with other reported methods

MSPE:magnetic solid phase extraction;SBSE:stir bar sorptive extraction;PDA:photo-diode array.

圖6 (a)空白水樣和(b)加標水樣(10 μg/L)的色譜圖Fig.6 Chromatograms of(a)a blank water sample and(b)a spiked water sample(10 μg/L)

表3 實際水樣中酚類化合物的加標回收率(n=3)Table3 Spiked recoveries of the phenols in real water samples(n=3)

nd:not detected.

3 結論

采用原位聚合法制備了MIL-101(Cr)摻雜聚合物整體柱,成功用于在線SPE-HPLC檢測水中酚類化合物。該方法線性好,精密度好,檢出限低,為水中酚類化合物的富集和檢測提供了有效方法。結果表明,制備MOFs摻雜整體柱是拓寬MOFs在線固相萃取的有效途徑。