PDMS/GO@Fe3O4海綿頂空固相萃取結(jié)合GC-MS分析薰衣草中揮發(fā)性成分

劉 欣，王麗麗，王彩娟，符繼紅

(新疆大學(xué)石油天然氣精細(xì)化工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830046)

薰衣草(LavandulaangustifoliaMill)是唇型科薰衣草屬植物[1]，大面積種植于新疆伊犁地區(qū)。薰衣草精油是薰衣草花穗的提取物，廣泛應(yīng)用于日用品、化妝品和食品中，是薰衣草主要的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)品。此外，薰衣草精油還是一種傳統(tǒng)的中草藥，具有抑菌、抗焦慮、鎮(zhèn)靜催眠等作用，收載于衛(wèi)生部《藥品標(biāo)準(zhǔn)》中[2-3]。

薰衣草精油揮發(fā)性成分極為復(fù)雜，在植物體內(nèi)含量較低。傳統(tǒng)的提取方法，如水蒸氣蒸餾法(HD)和溶劑萃取法[4-6]可靠性較高，但存在提取時(shí)間長(zhǎng)、樣品用量大、提取效率低和有毒溶劑殘留等缺點(diǎn)[7-8]。頂空固相微萃取(HS-SPME)因其極大地減少了樣品量和復(fù)雜基質(zhì)干擾，具有耗時(shí)短、富集效率高等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)被廣泛用于植物精油揮發(fā)性成分的提取[9-11]。SPME技術(shù)的關(guān)鍵在于選擇石英纖維(吸附劑)進(jìn)行吸附、富集樣品中的待測(cè)物質(zhì)。但是，固相微萃取裝置價(jià)格昂貴、石英纖維易破損且纖維頭材料的選擇有限，限制了SPME的使用。因此，制備性質(zhì)穩(wěn)定、價(jià)格低廉、高性能的新型吸附和富集材料，對(duì)開發(fā)高效的天然產(chǎn)物精油提取分離方法具有重要意義。聚二甲基硅氧烷(PDMS)是以硅氧結(jié)構(gòu)為主鏈構(gòu)成的有機(jī)硅高分子聚合物，其兼具無(wú)機(jī)和有機(jī)材料的特性，對(duì)有機(jī)物具有良好的親和力。海綿狀的PDMS材料具有更大的比表面積和更強(qiáng)的吸附能力。石墨烯及其衍生物作為良好的吸附材料，其表面積大、表面活性位點(diǎn)多、成本低廉，被認(rèn)為是有潛力的吸附材料[12-14]。四氧化三鐵(Fe3O4)具有粒徑小、比表面積大、活性位點(diǎn)多等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于樣品前處理技術(shù)中[15-16]。

本研究擬制備新型PDMS/GO@Fe3O4海綿吸附材料，實(shí)現(xiàn)多種材料優(yōu)勢(shì)的疊加；建立微波輔助HS-PDMS/GO@Fe3O4萃取結(jié)合GC-MS法測(cè)定不同年份采摘的薰衣草揮發(fā)性成分；同時(shí)利用主成分分析法(PCA)對(duì)薰衣草揮發(fā)性成分進(jìn)行分析，并區(qū)分不同采摘批次的薰衣草樣品。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

GCMS-QP2010 Ultra氣相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜儀：日本Shimadzu公司產(chǎn)品；SU8010掃描電子顯微鏡(SEM)、H-600透射電子顯微鏡(TEM)：日本Hitachi公司產(chǎn)品；VERTEX 70型傅里葉變換紅外光譜(FTIR)儀：德國(guó)Bruker公司產(chǎn)品。

氧化石墨烯(GO)：南京XFNANO材料科技有限公司產(chǎn)品；PDMS預(yù)聚體(Sylgard 184A)、固化劑(Sylgard 184B)、二甲基硅油：美國(guó)Dow Corning公司產(chǎn)品；乙酰丙酮鐵(Ⅲ)、乙二醇：均為分析純，上海阿拉丁生化科技有限公司產(chǎn)品；氯化鈉、乙醇、正己烷、丙酮、二氯甲烷、乙酸乙酯：均為分析純，天津致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品；C5～C24正構(gòu)烷烴標(biāo)準(zhǔn)品：色譜純，上海試劑一廠產(chǎn)品。

薰衣草：從新疆伊犁種植基地采摘的法國(guó)藍(lán)品種，采摘時(shí)間分別為2012年和2017年，在-20 ℃密封保存。

1.2 GO@Fe3O4的制備

根據(jù)文獻(xiàn)[17]報(bào)道，合成了GO@Fe3O4納米顆粒。稱取30 mg氧化石墨烯和100 mg乙酰丙酮鐵(Ⅲ)，加入27.5 mL乙二醇，超聲30 min后移入高壓釜中，在180 ℃下反應(yīng)16 h，分別用去離子水和無(wú)水乙醇沖洗反應(yīng)產(chǎn)物，最后將所得產(chǎn)物在60 ℃下真空干燥3 h，得GO@Fe3O4。

1.3 PDMS/GO@Fe3O4的制備

分別稱取1.5 g Sylgard 184A、0.15 g Sylgard 184B和5 mL二甲基硅油，混合后超聲，形成均勻溶液。稱取2.4 mg GO@Fe3O4和3.0 g NaCl，混合均勻后加入上述混合溶液中，以8 000 r/min離心20 min，將沉淀物在80 ℃固化12 h。隨后將反應(yīng)產(chǎn)物浸泡在40 ℃水中，以溶解NaCl微粒，再用二氯甲烷和乙醇洗滌3次，最后在60 ℃下真空干燥3 h，制備得PDMS/GO@Fe3O4海綿。對(duì)2.1、2.4、2.8、3.3 mg GO@Fe3O4負(fù)載量進(jìn)行優(yōu)化，合成GO@Fe3O4負(fù)載量不同的PDMS/GO@Fe3O4海綿。根據(jù)文獻(xiàn)[18]方法制備沒(méi)有負(fù)載GO@Fe3O4的PDMS。

1.4 實(shí)驗(yàn)條件

1.4.1色譜條件 Agilent DB-5MS色譜柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)；程序升溫：初始溫度50 ℃，保持1 min，以3 ℃/min升至200 ℃；進(jìn)樣量1 μL，分流進(jìn)樣，分流比5∶1；載氣為氦氣，流速1.0 mL/min。

1.4.2質(zhì)譜條件 電子轟擊(EI)離子源，電離能量70 eV，傳輸線溫度250 ℃，離子源溫度230 ℃，溶劑延遲5 min，質(zhì)量掃描范圍m/z30～500。

1.5 微波輔助HS-PDMS/GO@Fe3O4萃取

稱取10 mg薰衣草干花和10 mg PDMS/GO@Fe3O4海綿于頂空瓶中。將頂空瓶放入微波萃取儀中，在600 W微波功率下萃取10 min。萃取結(jié)束后，將PDMS/GO@Fe3O4海綿從頂空瓶中取出，放入PE管中，隨后加入200 μL正己烷超聲5 min。最后，使用微量注射器移取1 μL正己烷，注入GC-MS進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 材料表征

2.1.1透射電鏡和掃描電鏡 采用透射電鏡和掃描電鏡對(duì)GO@Fe3O4和PDMS/GO@Fe3O4海綿的結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行表征，結(jié)果示于圖1。GO@Fe3O4復(fù)合材料的TEM圖示于圖1a?？梢?，在GO的二維片層材料上分布著尺寸規(guī)整的Fe3O4納米顆粒，由于GO的片層很薄，在TEM電鏡中幾乎為透明的，并具有明顯的褶皺。Fe3O4納米顆粒粒徑約為100 nm。GO@Fe3O4復(fù)合材料的SEM圖示于圖1b。可見，F(xiàn)e3O4納米顆粒緊密負(fù)載于氧化石墨烯片層上，呈現(xiàn)不規(guī)則形狀，而且顆粒尺寸均處于納米尺寸范圍內(nèi)。復(fù)合材料呈現(xiàn)無(wú)規(guī)則的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證了石墨烯作為基體形成了多個(gè)成核點(diǎn)，促進(jìn)了Fe3O4分散生長(zhǎng)。PDMS/GO@Fe3O4的SEM圖示于圖1c，其呈現(xiàn)宏觀孔隙的分層多孔三維互聯(lián)結(jié)構(gòu)，表面均勻分布GO@Fe3O4顆粒突起，使PDMS/GO@Fe3O4海綿的骨架表面變得更加粗糙，獲得了更大的比表面，提高了復(fù)合材料的疏水性。

圖1 GO@Fe3O4透射電鏡圖(a)，GO@Fe3O4(b)和PDMS/GO@Fe3O4(c)的掃描電鏡圖Fig.1 Transmission electron microscopy of GO@Fe3O4 (a), scanning electron microscopy of GO@Fe3O4 (b) and PDMS/GO@Fe3O4 (c)

圖2 PDMS，GO@Fe3O4和PDMS/GO@Fe3O4的紅外光譜(a)和拉曼光譜(b)Fig.2 FTIR (a) and Raman (b) spectra of PDMS, GO@Fe3O4 and PDMS/GO@Fe3O4

GO@Fe3O4的拉曼光譜在1 351 cm-1(D峰)和1 597 cm-1(G峰)上顯示了2個(gè)突出的峰，示于圖2b。PDMS在488 cm-1和708 cm-1處出現(xiàn)的峰分別對(duì)應(yīng)于Si—O—Si和Si—C的拉伸振動(dòng)，其他峰值出現(xiàn)在～2 905 cm-1和～2 965 cm-1處，對(duì)應(yīng)于PDMS中—CH3基團(tuán)的對(duì)稱和非對(duì)稱振動(dòng)。與PDMS光譜相比，由于基質(zhì)中存在GO@Fe3O4，PDMS/GO@Fe3O4海綿光譜中的特征峰強(qiáng)度增強(qiáng)，復(fù)合材料G峰沒(méi)有發(fā)生變化，表明PDMS在聚合過(guò)程中對(duì)GO@Fe3O4的微觀結(jié)構(gòu)沒(méi)有影響。

2.2 PDMS/GO@Fe3O4的重現(xiàn)性

本實(shí)驗(yàn)考察了PDMS/GO@Fe3O4海綿制備的重現(xiàn)性。使用3批獨(dú)立制備的PDMS/GO@Fe3O4對(duì)薰衣草中揮發(fā)性化合物進(jìn)行提取。萃取后，將PDMS/GO@Fe3O4解吸，并對(duì)萃取劑進(jìn)行GC-MS分析。計(jì)算PDMS/GO@Fe3O4萃取的芳樟醇、萜品烯-4-醇、乙酸芳樟酯、乙酸薰衣草酯、石竹烯和石竹烯氧化物6種代表性化合物的重現(xiàn)性，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)分別為2.42%、3.78%、1.59%、3.67%、4.33%和3.40%，表明PDMS/GO@Fe3O4海綿具有良好的重現(xiàn)性。

2.3 HS-PDMS/GO@Fe3O4萃取條件的優(yōu)化

為了獲得最佳的萃取效率，本實(shí)驗(yàn)對(duì)微波輔助HS-PDMS/GO@Fe3O4的萃取條件進(jìn)行優(yōu)化。選取薰衣草精油中芳樟醇、萜品烯-4-醇、乙酸芳樟酯、乙酸薰衣草酯、石竹烯和石竹烯氧化物6個(gè)代表性揮發(fā)性化合物的峰面積和薰衣草揮發(fā)性化合物的總峰面積為考察指標(biāo)，平行實(shí)驗(yàn)3次。

2.3.1不同GO@Fe3O4負(fù)載量的PDMS/GO@Fe3O4海綿 GO@Fe3O4在PDMS/GO@Fe3O4海綿材料中負(fù)載量的大小直接影響萃取效率。本實(shí)驗(yàn)考察了GO@Fe3O4負(fù)載量分別為2.1、2.4、2.8、3.3 mg時(shí)，制備的PDMS/GO@Fe3O4海綿對(duì)薰衣草揮發(fā)性化合物提取效率的影響，結(jié)果示于圖3?？芍?，GO@Fe3O4負(fù)載量的變化對(duì)PDMS/GO@Fe3O4海綿萃取效率影響較大。在GO@Fe3O4負(fù)載量由2.1 mg 增大到2.4 mg時(shí)，6個(gè)薰衣草代表性化合物的峰面積和總峰面積均達(dá)到最大值。隨著GO@Fe3O4負(fù)載量從2.4 mg增大到3.3 mg，PDMS/GO@Fe3O4海綿的萃取效率降低。這可能是因?yàn)檫^(guò)量的GO@Fe3O4負(fù)載量會(huì)降低PDMS海綿孔洞的比表面積，從而影響萃取效率。因此，選擇2.4 mg為最佳的GO@Fe3O4負(fù)載量。

圖3 GO@Fe3O4負(fù)載量對(duì)PDMS/GO@Fe3O4海綿萃取效率的影響Fig.3 Effect of GO@Fe3O4 dosage on the PDMS/GO@Fe3O4 extraction efficiency

2.3.2微波功率的影響 本實(shí)驗(yàn)考察了300、400、500、600、700 W微波功率對(duì)HS-PDMS/GO@Fe3O4萃取薰衣草揮發(fā)性化合物效率的影響，結(jié)果示于圖4a。可見，在300～600 W微波功率時(shí)，薰衣草揮發(fā)性化合物的峰面積和總峰面積隨著微波功率的增加而增加，當(dāng)微波功率為600 W時(shí)，萃取效率達(dá)到最大值，隨后萃取效率逐漸降低。樣品溫度隨著微波功率的增加而增大，高溫有助于薰衣草中揮發(fā)性化合物的釋放，但固相萃取是放熱過(guò)程，溫度過(guò)高會(huì)降低HS-PDMS/GO@Fe3O4的萃取效率。因此，選擇600 W為HS-PDMS/GO@Fe3O4萃取的最佳微波功率。

2.3.3微波輻射時(shí)間的影響 本實(shí)驗(yàn)考察了2、4、6、8、10、12 min微波輻射時(shí)間對(duì)HS-PDMS/GO@Fe3O4萃取效果的影響，結(jié)果示于圖4b?？梢?，隨著微波輻射時(shí)間從4 min增加到10 min，化合物的峰面積和總峰面積逐漸增大，當(dāng)微波輻射時(shí)間為10 min時(shí)，萃取效率達(dá)到最大值；隨著萃取時(shí)間從10 min延長(zhǎng)到12 min，化合物的峰面積減小，HS-PDMS/GO@Fe3O4萃取效率降低。這是由于萃取是一個(gè)平衡過(guò)程，需要一定的時(shí)間達(dá)到萃取平衡。同時(shí)，隨著萃取時(shí)間的延長(zhǎng)，萃取體系的溫度升高，有助于對(duì)揮發(fā)性化合物進(jìn)行快速萃取。但是，過(guò)長(zhǎng)的微波輻射時(shí)間會(huì)造成萃取體系的溫度過(guò)高，降低了HS-PDMS/GO@Fe3O4的萃取效率。因此，選擇微波輻射時(shí)間10 min。

圖4 微波功率(a)和微波照射時(shí)間(b)對(duì)萃取效率的影響Fig.4 Effects of microwave power (a) and microwave radiation time (b) on the extraction efficiency

2.3.4萃取溶劑的影響 萃取溶劑是萃取過(guò)程中重要的因素之一，其需要具有較好的萃取效率、環(huán)保且毒性低等特性。本實(shí)驗(yàn)考察了乙醇、正己烷、丙酮、乙酸乙酯等4種溶劑對(duì)PDMS/GO@Fe3O4吸附揮發(fā)性化合物萃取效率的影響，結(jié)果示于圖5?？芍?，不同萃取溶劑對(duì)薰衣草揮發(fā)性化合物的萃取效率具有顯著差異，其中萃取效率最高的是正己烷，6個(gè)代表性化合物的峰面積和總峰面積均達(dá)到最大值。因此，選擇正己烷作為萃取溶劑。

圖5 萃取溶劑對(duì)萃取效率的影響Fig.5 Effect of the extraction solventson the extraction efficiency

2.4 方法驗(yàn)證

在HS-PDMS/GO@Fe3O4最佳萃取條件下，對(duì)線性范圍、相關(guān)系數(shù)、檢出限及精密度等條件進(jìn)行了考察，結(jié)果列于表1。芳樟醇、萜品烯-4-醇、乙酸芳樟酯、乙酸薰衣草酯、石竹烯和石竹烯氧化物的標(biāo)準(zhǔn)曲線線性關(guān)系良好，線性范圍為7.5～120 ng，相關(guān)系數(shù)(R2)大于 0.998 8，檢出限(LOD)和定量限(LOQ)范圍分別為0.14～0.33 ng和0.50～0.80 ng；連續(xù)進(jìn)樣6次，化合物峰面積的RSD均小于7%，表明HS-PDMS/GO@Fe3O4方法的重現(xiàn)性和精密度較好。

表1 方法驗(yàn)證Table 1 Method validation

薰衣草揮發(fā)性成分復(fù)雜，需通過(guò)樣品前處理技術(shù)對(duì)其進(jìn)行分離富集，再用相應(yīng)的儀器進(jìn)行檢測(cè)分析，樣品前處理已成為分析中的關(guān)鍵技術(shù)。近年來(lái)，為了克服傳統(tǒng)的水蒸氣蒸餾法(SD)和溶劑萃取法的樣品及有機(jī)溶劑用量大、提取效率低和提取時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)，HS-SPME技術(shù)被廣泛應(yīng)用于天然產(chǎn)物揮發(fā)性成分的提取。但是，商品化的SPME技術(shù)具有纖維涂層材料種類選擇有限、成本較高等缺點(diǎn)，限制了SPME的使用。本實(shí)驗(yàn)建立的HS-PDMS/GO@Fe3O4法每次分析僅需10 mg PDMS/GO@Fe3O4海綿復(fù)合材料和10 mg薰衣草樣品，方法重現(xiàn)性好，RSD低于7%。

2.5 薰衣草揮發(fā)性成分分析

對(duì)不同采收期的18個(gè)薰衣草樣品(2012年(A1～A8)和2017年(B1～B10))的揮發(fā)性化合物進(jìn)行提取，其總離子流色譜圖示于圖6。通過(guò)GC-MS計(jì)算機(jī)譜庫(kù)檢索，并結(jié)合保留指數(shù)，共鑒定出52個(gè)化合物。準(zhǔn)確稱取6份B3平行樣品，在最佳的萃取條件下提取分析，計(jì)算化合物峰面積的RSD值，結(jié)果列于表2。可知，薰衣草揮發(fā)性化合物以烯烴類、酯類、醇類、酮類為主，不同年份采摘的薰衣草揮發(fā)性成分及含量差異較大，但是乙酸芳樟酯和芳樟醇仍是2個(gè)主要成分，這與文獻(xiàn)[19]報(bào)道一致。其中，2012年采摘的薰衣草主要揮發(fā)性化合物是乙酸芳樟酯(27.31%～39.87%)、芳樟醇(15.09%～20.89%)、乙酸薰衣草酯(10.26%～12.69%)、2,6-二甲基-3,7-辛二烯-2,6-二醇(5.09%～9.44%)、反式-芳樟醇氧化物(3.64%～6.79%)、環(huán)氧-α-萜烯乙酸酯(2.51%～5.44%)和石竹烯氧化物(1.06%～2.19%)等；2017年采摘的薰衣草主要揮發(fā)性化合物是乙酸芳樟酯(47.71%～56.12%)、芳樟醇(22.17%～26.67%)、乙酸薰衣草酯(5.27%～11.79%)、石竹烯(2.04%～3.61%)、順式-芳樟醇氧化物(1.36%～1.78%)、萜品烯-4-醇(0.95%～2.16%)和(Z)-β-法呢烯(0.55%～1.20%)等。2012年采摘的薰衣草樣品中，乙酸芳樟酯、芳樟醇、石竹烯的相對(duì)含量低于2017年的薰衣草樣品；而2012年的薰衣草樣品中，反式-芳樟醇氧化物、石竹烯氧化物和環(huán)氧-α-萜烯乙酸酯的相對(duì)含量高于2017年的薰衣草樣品。其原因是乙酸芳樟酯、芳樟醇和石竹烯等單萜類化合物性質(zhì)不穩(wěn)定，容易發(fā)生自氧化；乙酸芳樟酯氧化生成具有多個(gè)化學(xué)官能團(tuán)(羥基、氧代和環(huán)氧衍生物)的氧化產(chǎn)物；芳樟醇、石竹烯氧化會(huì)生成芳樟醇氧化物和石竹烯氧化物。這說(shuō)明，即便采收后的薰衣草在低溫環(huán)境下密封保存，但過(guò)長(zhǎng)的保存時(shí)間仍然會(huì)導(dǎo)致其中不穩(wěn)定化合物氧化分解。

注：a.2012年；b.2017年

表2 不同采收期的薰衣草樣品揮發(fā)性成分Table 2 Volatile components of lavender in different harvest years

表2

續(xù)表2

2.6 主成分分析

本工作采用主成分分析法分析不同采收批次薰衣草揮發(fā)性成分的差異，以鑒定出的52種揮發(fā)性成分峰面積為變量，對(duì)18個(gè)薰衣草樣品進(jìn)行分析。由分析結(jié)果可知，第一主成分(PC1)和第二主成分(PC2)的貢獻(xiàn)率分別為70%、8.4%，表明所建立的主成分分析模型區(qū)分度較好。18個(gè)薰衣草樣品根據(jù)采摘時(shí)間的不同被準(zhǔn)確區(qū)分為2組，即2012年(A1～A8)和2017年(B1～B10)，示于圖7a。各變量與主成分之間的相關(guān)系數(shù)在載荷值上得以體現(xiàn)，距離原點(diǎn)較遠(yuǎn)的點(diǎn)權(quán)重值越大，其決定樣品區(qū)分的作用就越大。對(duì)2012年分組中，貢獻(xiàn)最大的化合物是乙酸薰衣草酯，其次為石竹烯氧化物、2-乙酰氧基-1,8-桉葉素、反式-芳樟醇氧化物和2,6-二甲基-3,7-辛二烯-2,6-二醇；對(duì)2017年分組中，貢獻(xiàn)最大的化合物是乙酸芳樟酯，呈高度正相關(guān)，其次為(Z)-β-法呢烯、石竹烯、芳樟醇，示于圖7b。

圖7 主成分分析得分圖(a)和載荷圖(b)Fig.7 Score plot Principal component analysis (a) and loading plot (b)

3 結(jié)論

本工作制備了具有高效吸附性能的PDMS/GO@Fe3O4復(fù)合海綿材料，建立了微波輔助HS-PDMS/GO@Fe3O4結(jié)合GC-MS分析薰衣草中揮發(fā)性成分的新型樣品前處理技術(shù)。該方法具有較高的靈敏度，每次分析僅需10 mg PDMS/GO@Fe3O4海綿復(fù)合材料和10 mg薰衣草樣品，方法重現(xiàn)性好，RSD低于7%。在優(yōu)化的萃取條件下，對(duì)不同年份采摘的18個(gè)薰衣草樣品進(jìn)行萃取分析，共確定了52個(gè)揮發(fā)性化合物。通過(guò)PCA分析，薰衣草樣品可按照采摘年份的不同被準(zhǔn)確區(qū)分。