基于低共熔溶劑的渦旋輔助懸浮固化-分散液液微萃取/高效液相色譜法測(cè)定水中三氯生與三氯卡班

陳夢(mèng)軒，吳友誼*，周韞璐，許夢(mèng)琪

(1.蘇州科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009;2.江蘇省環(huán)境科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215009)

TCS和TCC已有的分析方法主要為高效液相色譜法(HPLC)、高效液相色譜-質(zhì)譜法(HPLC-MS)、氣相色譜法(GC)和氣相色譜-質(zhì)譜法(GC-MS)。但由于環(huán)境水體中的TCS和TCC含量很低，在檢測(cè)前需進(jìn)行富集。常用的富集方法為液-液萃取(LLE)和固相萃取(SPE)，但存在需大量有毒有機(jī)溶劑[7]、耗時(shí)長(zhǎng)、重復(fù)利用率低、成本高等不足[8]。其他基于固相萃取的小型化技術(shù)(如攪拌棒吸附萃取、固相微萃取、微固相萃取)也存在萃取及解吸耗時(shí)長(zhǎng)[9-11]、選擇性差[12]的缺點(diǎn)。分散液液微萃取(DLLME)具有重復(fù)性好、萃取時(shí)間短、回收率高、富集倍數(shù)高、溶劑用量少等優(yōu)點(diǎn)而廣受關(guān)注，但大多數(shù)萃取劑有毒，對(duì)環(huán)境不友好。即使作為傳統(tǒng)溶劑替代的離子液體(ILs)，也往往存在合成工藝復(fù)雜且毒性大、價(jià)格高的問(wèn)題。因此，尋找一種綠色環(huán)保的DLLME萃取劑極為必要。

低共熔溶劑(DES)是由兩種或兩種以上化合物，即氫鍵供體(HBD)和氫鍵受體(HBA)的自締合作用生成的物質(zhì)[13-14]。DES是一種可替代傳統(tǒng)萃取溶劑的綠色溶劑，可用于從各種基質(zhì)中分離和預(yù)濃縮分析物[15]，具有低揮發(fā)性、水溶性、無(wú)毒性、生物相容性、可生物降解性以及可設(shè)計(jì)和調(diào)整的特點(diǎn)。但現(xiàn)有報(bào)道的DES多與水混溶，難以作為水相萃取溶劑。Ferrone等[16]合成親水性DES，用以萃取橄欖油、大豆油等食用油中的羥丙烯基苯丙素。TCS和TCC屬于弱極性化合物(logKOW分別為4.8、4.9)[17]，理論上，采用較為疏水的DES萃取效果更佳，但尚無(wú)將疏水性DES用于檢測(cè)環(huán)境水體中TCS和TCC的文獻(xiàn)報(bào)道。

DLLME通常使用密度比水大、凝固點(diǎn)高的萃取劑，而目前合成的疏水性DES大多密度低于水、凝固點(diǎn)接近室溫。本實(shí)驗(yàn)借鑒漂浮有機(jī)液滴固化分散液液微萃取(DLLME-SFO)技術(shù)[18-19]，在低溫下，將疏水性DES萃取劑由液態(tài)轉(zhuǎn)化成固態(tài)，以降低萃取相分離收集的難度，進(jìn)而提高萃取效率。合成了幾種新型疏水性DES，并篩選出以薄荷醇作為HBA，十二醇作為HBD的綠色、低凝固點(diǎn)的DES?；谏鲜鯠ES建立了渦旋輔助懸浮固化-分散液液微萃取/高效液相色譜(VA-DLLME-SFDES/HPLC)檢測(cè)環(huán)境水體中三氯生和三氯卡班的方法，并成功應(yīng)用于實(shí)際湖水的檢測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Shimadzu LC-20AT液相色譜儀(日本島津公司)；Sk-1型快速混合器(金壇市科析儀器有限公司)；0406-1型離心機(jī)(上海外科器械廠)；85-2B雙數(shù)顯控溫磁力攪拌器(金壇市文華科教實(shí)驗(yàn)儀器廠)；UV-2450型紫外分光光度計(jì)(日本島津公司)；HY-4調(diào)速多用振蕩器(金壇市恒豐儀器制造有限公司)；T6新世紀(jì)紫外可見分光光度計(jì)(北京普析通用儀器有限公司)；AL204電子分析天平(梅特勒-托利多儀器上海有限公司)。

三氯生(99.0%)、三氯卡班(98.0%)均購(gòu)于J&K百靈威科技有限公司；甲醇(色譜純，美國(guó) Sigma 公司)；十二醇(>99.0%)、十四醇(>98.0%)均購(gòu)于上海阿拉丁試劑有限公司；薄荷醇(≥98.0%，美國(guó) Sigma 公司)；三辛基甲基溴化銨、三辛基甲基氯化銨(>98.0%，阿達(dá)瑪斯試劑有限公司)。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

分別準(zhǔn)確稱取25 mg三氯生和三氯卡班標(biāo)準(zhǔn)品，用甲醇溶解并定容至50 mL棕色容量瓶中，配制成500 mg/L的單標(biāo)儲(chǔ)備液，于冰箱4 ℃避光保存。使用時(shí)以甲醇稀釋成所需濃度的標(biāo)準(zhǔn)工作液。

1.3 DES的制備

按照1∶2的摩爾比分別稱取氫鍵受體(HBA)和氫鍵供體(HBD)，放入50或100 mL圓底燒瓶中混合，并加入磁攪子，75 ℃下水浴加熱攪拌(轉(zhuǎn)速1 000 r/min)，直至得到透明澄清的均一液體。

1.4 DES理化性質(zhì)的測(cè)定

1.4.1 密度與熔點(diǎn)室溫下(20 ℃)，用電子天平測(cè)定1.00 mL DES的準(zhǔn)確質(zhì)量，平行5次，均值代入公式ρ=m/V計(jì)算密度。

將DES冷凍成固體后，水浴加熱，觀察DES的融化溫度，記錄熔點(diǎn)。

1.4.2 辛醇-水分配系數(shù)采用搖瓶法測(cè)定辛醇-水分配系數(shù)，主要參考文獻(xiàn)[20]并稍作改動(dòng)。室溫下(20 ℃)，將裝有20 mL正辛醇與200 mL水的錐形瓶在振蕩器上振蕩24 h，使兩者相互飽和，靜置分層后兩相分離，分別保存?zhèn)溆?。用乙醇將DES制備成400 μL/L的標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液備用。采用紫外分光光度計(jì)測(cè)定并繪制每種DES的標(biāo)準(zhǔn)曲線。移取400 μL DES于10 mL具塞比色管中，用上述經(jīng)處理的被水飽和的正辛醇定容配成4×104μL/L的儲(chǔ)備液。各移取1.0 mL上述溶液于6個(gè)10 mL離心管中，用上述經(jīng)處理的被正辛醇飽和的水定容至10 mL。將離心管置于振蕩器上振蕩3 h后取出并離心。重復(fù)測(cè)定3次下相(即水相)中DES的吸光度。根據(jù)下式計(jì)算辛醇-水分配系數(shù)的對(duì)數(shù)值(logKOW)：logKOW=log(COVO-CWVW)/CWVO。式中：CO為平衡時(shí)DES在正辛醇相中的濃度(μL/L)；CW為平衡時(shí)DES在水相中的濃度(μL/L)；VW、VO分別為正辛醇相和水相的體積(mL)。

1.5 樣品前處理

準(zhǔn)確移取10 mL經(jīng)0.45 μm濾膜過(guò)濾后的環(huán)境水樣于15 mL塑料離心管中，用鹽酸調(diào)至pH 5.0，加入70 μL DES，渦旋1 min后，以4 000 r/min離心10 min。萃取完成后將離心管置于冰箱冷凍15～20 min。待DES凝固，傾去水相。離心管在室溫下放至DES融化后，以4 000 r/min離心5 min。用微量進(jìn)樣針將DES轉(zhuǎn)移至玻璃進(jìn)樣襯管中，待HPLC分析。

1.6 液相色譜條件

色譜柱：Agilent ZORBAX Eclipse XDB-C8(4.6 mm×150 mm，5 μm)；柱溫：30 ℃；進(jìn)樣體積：10 μL；檢測(cè)波長(zhǎng)：280 nm；流速：1.0 mL/min；流動(dòng)相：A為甲醇，B為水。梯度洗脫程序：0～2 min，70% A；2～10 min，70%～90% A；10～15 min，90%～70% A；15～20 min，70%A。

2 結(jié)果與討論

2.1 萃取劑的選擇

在懸浮固化-分散液液微萃取中，萃取劑的選擇至關(guān)重要。萃取劑必須密度比水小，凝固點(diǎn)接近或略低于室溫，在水中溶解度小，對(duì)目標(biāo)物有較高的親和力且不干擾目標(biāo)物[21]。按照表1和“1.3”方法制備6種DES，結(jié)果表明，6種新合成的疏水性DES的密度均小于或接近水(1.0 g/mL)。DES 6的熔點(diǎn)最高，為35 ℃；DES 3的熔點(diǎn)最低，只有23 ℃(表1)。6種DES的熔點(diǎn)基本均高于室溫，可通過(guò)冷凍實(shí)現(xiàn)凝固，符合懸浮固化-分散液液微萃取對(duì)萃取劑的要求。另外，合成的DES熔點(diǎn)均低于HBA或HBD，這主要是由于母體化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)(離子或中性)存在差異所致。其中DES 1～4的熔點(diǎn)降低幅度比DES 5、6大，是氫鍵受體的不同所致。上述6種DES均有一定的疏水性，因此有季銨鹽參與時(shí)，熔點(diǎn)才會(huì)有較大的下降。以薄荷醇作為氫鍵受體時(shí)，其母體本身為中性物質(zhì)，所得DES熔點(diǎn)降幅小[22]。

表1 DES及合成原料的理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of DES and its raw materials

圖1 DES類型對(duì)TCS和TCC萃取的影響Fig.1 Effect of type of DES on extraction of TCS and TCC water sample volume：10 mL；HBA∶HBD=1∶2；volume of extractant：80 μL；pH=4.0；vortex time:1 min

圖2 薄荷醇與十二醇的摩爾比對(duì)TCS和TCC萃取的影響Fig.2 Effect of molar ratio of menthol to 1-dodecanol on extraction of TCS and TCC

TCS和TCC均為脂溶性化合物，辛醇-水分配系數(shù)較高(logKOW分別為 4.8、4.9)[17]，其更易溶于長(zhǎng)鏈脂肪醇或脂肪烴類物質(zhì)。因此，合成時(shí)選擇十二醇或十四醇為HBD組分?？疾炝薉ES類型對(duì)TCS和TCC萃取效率的影響，結(jié)果顯示6種DES對(duì)2種分析物均有一定的萃取效率(圖1)。以三辛基甲基溴化銨和三辛基甲基氯化銨作為HBA(即DES 1～4)時(shí)，富集效果較差，而以薄荷醇作為HBA(DES 5、6)時(shí)，富集倍數(shù)(EF)大于100。根據(jù)相似相溶原理，DES 2～4 3種萃取劑的logKOW均偏小，與目標(biāo)物的極性差異較大，且其作為萃取劑時(shí)色譜干擾峰較多，因而富集效果不理想。DES 1、DES 5和DES 6的極性偏弱，理論上對(duì)2種目標(biāo)物有較好的富集效果。此3種DES的logKOW接近，但DES 1的密度與水相近，萃取離心后只有部分懸浮于樣品溶液上層，損失較大，富集倍數(shù)低于其它2種DES(圖1)。而DES 6 作為萃取劑時(shí)，色譜峰展寬較大。因此最終選擇富集倍數(shù)高、干擾峰少的DES 5作為萃取劑(薄荷醇、十二醇分別作為HBA和HBD)。

2.2 HBA與HBD摩爾比的選擇

分別以薄荷醇和十二醇作為HBA和HBD，考察了兩者不同摩爾比(1∶1、1∶2、1∶3、1∶4)對(duì)2種目標(biāo)物萃取效果的影響。由圖2可見，薄荷醇和十二醇的摩爾比為1∶2時(shí)TCS和TCC的富集倍數(shù)最高，隨著十二醇的比例增加，富集倍數(shù)呈下降趨勢(shì)。這可能是因?yàn)檩腿┲惺荚龆啵沟肈ES的熔點(diǎn)低于室溫，不利于其在水相中的分散，導(dǎo)致萃取效率低。同時(shí)，摩爾比為1∶1的DES由于其熔點(diǎn)高于室溫，冷凍時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，且易于融化，所以DES損失較大。最終確定薄荷醇和十二醇的摩爾比為1∶2。

2.3 HBA與HBD用量的選擇

萃取劑的用量會(huì)直接影響萃取效率，足量的萃取劑可確保分析物完全萃取，并獲得良好的回收率，但過(guò)量的萃取劑可能會(huì)導(dǎo)致萃取效率下降?？疾炝溯腿┯昧?50、60、70、80、90、100、120 μL)對(duì)2種目標(biāo)物萃取效果的影響，結(jié)果表明，在10 mL水樣中，當(dāng)萃取劑DES的用量由50 μL增至70 μL時(shí)，TCS和TCC的回收率增加；當(dāng)DES用量在70～90 μL時(shí)(TCS為70～80 μL)，目標(biāo)分析物的回收率基本不變；當(dāng)DES用量大于90 μL時(shí)，目標(biāo)分析物的回收率下降。綜合考慮回收率和富集倍數(shù)，選擇萃取劑用量為70 μL。

圖3 pH值對(duì)TCS和TCC萃取的影響Fig.3 Effect of sample pH value on extraction of TCS and TCC

2.4 pH值的選擇

樣品的pH值會(huì)影響分析物在樣品溶液中的存在形式?？疾炝瞬煌琾H值條件下，DES對(duì)TCS和TCC的萃取效果。如圖3所示，TCS和TCC在弱酸性條件下的富集倍數(shù)較高，在堿性條件下的富集倍數(shù)下降。pH 5.0時(shí)，兩種目標(biāo)物的富集倍數(shù)最高。這是由于非兩性化合物的存在狀態(tài)通常與酸解離常數(shù)(pKa)相關(guān)。當(dāng)樣品溶液的pH值低于化合物的pKa 2個(gè)單位時(shí)，該化合物主要以非電離的中性分子存在；反之，則主要以負(fù)離子形式存在[23]。TCS和TCC的pKa分別為7.9和12.7[24]，加入0.1 mol/L 鹽酸調(diào)至弱酸性，可確保TCS和TCC處于非電離狀態(tài)，有利于被萃取到有機(jī)相中[25]。因此選擇最佳pH值為5.0。

2.5 渦旋時(shí)間及鹽的影響

以渦旋代替分散劑，在渦旋作用下，DES可充分分散到樣品溶液中，因此渦旋時(shí)間會(huì)影響乳化過(guò)程和兩相之間的平衡?？疾炝瞬煌瑴u旋時(shí)間(0.5、1、2、3、4、5 min)對(duì)TCS和TCC萃取效果的影響。結(jié)果表明，過(guò)長(zhǎng)的渦旋時(shí)間并不能提高萃取效果，渦旋時(shí)間為1 min時(shí)2種目標(biāo)物的富集倍數(shù)最高，且分析物由水相到萃取劑的轉(zhuǎn)移很迅速。為方便操作，選擇渦旋時(shí)間為1 min。

鹽的加入可以降低分析物在含水樣品中的溶解度，并增強(qiáng)其在有機(jī)相的分配?？疾炝藰悠分屑尤氩煌縉aCl(0～20%)對(duì)TCS和TCC萃取效果的影響，發(fā)現(xiàn)鹽濃度對(duì)兩種目標(biāo)化合物具有不同的影響。隨著NaCl加入量的增加，TCS的萃取效率降低，但TCC的萃取效率基本不變。因此實(shí)驗(yàn)選擇不添加鹽。

2.6 方法驗(yàn)證

用空白樣品基質(zhì)溶液配制TCS和TCC的質(zhì)量濃度分別為0.5、1、2、4、10、50、100 μg/L的標(biāo)準(zhǔn)溶液，在最佳萃取條件下測(cè)定，繪制出兩種目標(biāo)物的工作曲線。結(jié)果表明，TCS和TCC的線性范圍分別為0.59～100、0.26～100 μg/L，相關(guān)系數(shù)(r2)均為0.999 8；分別按3倍信噪比(S/N=3)計(jì)算檢出限(LOD)為0.08～0.18 μg/L，以10倍信噪比(S/N=10)計(jì)算定量下限(LOQ)為0.26～0.59 μg/L；TCS和TCC的富集倍數(shù)分別為141和148倍(表2)。

通過(guò)在空白樣品中分別加標(biāo)3種不同濃度(2、10、50 μg/L)的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液以評(píng)估方法的精密度。同1天內(nèi)，對(duì)樣品進(jìn)行前處理后，重復(fù)測(cè)定6次所得結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差即為日內(nèi)精密度(Intra-RSD)；連續(xù)6 d，同一時(shí)間下對(duì)樣品進(jìn)行前處理后，所得結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差即為日間精密度(Inter-RSD)。TCS和TCC的日內(nèi)精密度和日間精密度均不大于5.4%(表2)。

表2 VA-DLLME-SFDES/HPLC方法的分析性能Table 2 Analytical performance of the proposed VA-DLLME-SFDES/HPLC method

2.7 方法比較

將本文建立的VA-DLLME-SFDES/HPLC法與其他文獻(xiàn)方法進(jìn)行比較(見表3)。結(jié)果顯示，本方法的LOD略高于Micro-SPE-HPLC法，與IL-DLPME-LC-MS/MS法相當(dāng)，均優(yōu)于其他3種方法。但Micro-SPE-HPLC需耗時(shí)2 h以上且樣品用量大。

表3 本方法與其他方法的比較Table 3 Comparison of the proposed method with other methods

圖4 實(shí)際樣品和加標(biāo)樣品的色譜圖Fig.4 HPLC chromatograms of actual and spiked samplesa.water sample 13#;b.spiked water sample 13# (10 μg/L TCS+TCC)

2.8 實(shí)際樣品分析

采用本方法對(duì)太湖水域周邊3個(gè)點(diǎn)位(4#、12#和13#)的實(shí)際環(huán)境水樣進(jìn)行測(cè)定。結(jié)果表明，在4#、12#水樣中均未檢出TCS和TCC，13#水樣中出現(xiàn)TCS峰(圖4)，但無(wú)法準(zhǔn)確定量。對(duì)上述3個(gè)水樣進(jìn)行低、中、高3個(gè)水平的加標(biāo)實(shí)驗(yàn)(n=3)，加標(biāo)回收率為86.0%～115%(表4)。

3 結(jié) 論

本文建立了基于疏水性DES的渦旋輔助懸浮固化-分散液液微萃取結(jié)合高效液相色譜測(cè)定環(huán)境水樣中TCS和TCC的新方法。以薄荷醇和十二醇為原料合成疏水性DES，避免了有毒有機(jī)溶劑的使用，降低了分析成本，且減少對(duì)人類和環(huán)境的污染影響。提取過(guò)程無(wú)需使用分散劑，利用渦旋加速DES的分散和萃取；利用冷凍固化降低了萃取相分離收集的難度。在簡(jiǎn)化操作的同時(shí)，大大提高了提取效率，縮短了萃取時(shí)間。在最佳萃取條件下，分析物的富集倍數(shù)為141～148。該方法具有良好的回收率和重復(fù)性，線性范圍寬，檢出限較低，適用于環(huán)境水體中TCS和TCC的測(cè)定。

表4 太湖水樣中TCS和TCC的加標(biāo)回收率(n=3)Table 4 Spiked recoveries of TCS and TCC in Taihu lake water(n=3)