磺酸功能化聚合離子液體基磁性吸附劑的制備及對敵草快的萃取

郭炳志, 楊 振, 孫亞明,2*, 何麗君,2*

(1. 河南工業(yè)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院, 河南 鄭州 450001; 2. 鄭州市復(fù)雜體系精準(zhǔn)分離分析重點實驗室, 河南 鄭州 450001)

由于基質(zhì)復(fù)雜、目標(biāo)分析物含量低,食品樣品中微量/痕量極性污染物的準(zhǔn)確分析一直是食品安全分析的難點和熱點內(nèi)容,而發(fā)展簡單、高效的樣品前處理技術(shù),有效地從食品基質(zhì)中萃取目標(biāo)分析物是準(zhǔn)確分析的瓶頸[1,2]。敵草快是一種廣譜性除草劑,用途很廣,常在蔬菜的生長過程中噴灑使用,但毒性強,大量使用會對人類健康造成威脅,且目前并沒有針對敵草快中毒的特效藥[3]。因此,準(zhǔn)確檢測蔬菜中敵草快的殘留具有十分重要的意義。為解決樣品基質(zhì)復(fù)雜和目標(biāo)物濃度低等問題,在檢測前需使用樣品前處理技術(shù)[4,5]。磁性固相萃取(magnetic solid-phase extraction, MSPE)作為一種新型的樣品前處理技術(shù),由于操作過程簡單、便捷,萃取速度快,在食品、環(huán)境和生命科學(xué)領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注[6-8]。根據(jù)目標(biāo)分析物的結(jié)構(gòu)特點,設(shè)計和發(fā)展能與其產(chǎn)生特定相互作用力的吸附介質(zhì)是MSPE有效萃取目標(biāo)分析物的關(guān)鍵。

聚合離子液體(polymeric ionic liquids, PIL)是帶重復(fù)離子液體單元的高分子聚電解質(zhì),具有離子液體單體的結(jié)構(gòu)可設(shè)計性以及聚合物中的重復(fù)單元能為目標(biāo)物提供豐富的作用位點等特性[9,10],作為磁性吸附劑已被成功用于復(fù)雜樣品中農(nóng)藥、抗生素和真菌毒素等的有效萃取[11-13]。作為萃取介質(zhì),PIL的最大特點是可通過調(diào)整PIL結(jié)構(gòu)中的陰/陽離子,使其與目標(biāo)物之間按需產(chǎn)生靜電、疏水和π-π作用等,從而實現(xiàn)對樣品中目標(biāo)物的有效萃取和分離。敵草快為季銨鹽類化合物,極性強,作為堿性的陽離子有機化合物,在一定的pH范圍下,能電離成為高度溶劑化、質(zhì)子化的陽離子,故通常使用極性溶劑將其從食品樣品中提取出來,而提供疏水作用的親脂性吸附劑對敵草快吸附能力低[14],難以實現(xiàn)對極性提取液中敵草快的有效萃取。利用敵草快在水溶液中的陽離子特性,Kumari等[15]制備了4-磺酸基杯[8]芳烴改性的磁性材料,其對敵草快有高的吸附性能,能作為吸附劑用于水中敵草快的去除。Tan等[16]將磺酸功能化的多級孔共價有機框架材料作為表面輔助激光解吸/電離飛行時間質(zhì)譜的基質(zhì)和吸附劑,用于敵草快的測定,此共價有機框架材料可通過靜電吸引作用高效富集敵草快。由此推測,對PIL進行磺酸功能化,通過磺酸功能基團賦予吸附劑的豐富負電荷與帶正電荷的敵草快之間的強相互作用,有望實現(xiàn)對食品中敵草快的有效萃取。

在本實驗中,擬合成磺酸功能化的離子液體單體,進一步制備磺酸功能化PIL修飾的磁性吸附劑,結(jié)合MSPE和高效液相色譜(HPLC),萃取和測定青菜中的敵草快。對影響MSPE過程的各種參數(shù)如溶液pH、吸附劑用量、吸附時間、解吸劑的種類和體積等進行了優(yōu)化,并對方法性能和適用性進行了考察。

1 實驗部分

1.1 儀器、試劑與材料

LC-10AT高效液相色譜儀(日本島津公司),配SPD-10紫外檢測器和7725i手動進樣閥(美國羅丹尼公司), WQF-510傅里葉變換紅外光譜儀與UV-2450紫外分光光度計(日本島津公司), 7404振動樣品磁強計(VSM,美國Lake Shore公司), SU8020場發(fā)射掃描電子顯微鏡(日本日立公司), STA 449 F3同步熱分析儀(德國耐馳公司)。

1-乙烯基咪唑、1,3-丙磺酸內(nèi)酯、1-乙烯基三乙氧基硅烷、正硅酸乙酯和偶氮二異丁腈均購自上海阿拉丁科技股份有限公司,甲醇、乙腈、乙醇和濃鹽酸購自山東蜀王實業(yè)有限公司,FeCl3·6H2O和FeSO4·7H2O購自天津市光復(fù)精細化工研究所,氫氧化鈉購自西隴化工股份有限公司,檸檬酸鈉購自天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司。敵草快(>99%)、亞甲基藍(>99%)和莧菜紅(>99%)購自上海麥克林生化科技有限公司。

色譜條件:Agilent C18色譜柱(150 mm×4.6 mm, 5 μm);柱溫25 ℃;流動相為水-乙腈-甲醇混合液(95∶3∶2, v/v/v,磷酸調(diào)pH為2.8);流速1 mL/min;檢測波長為256 nm。

1.2 磺酸功能化PIL基磁性吸附劑的制備

1.2.1乙烯基修飾的磁性納米顆粒的制備

按照實驗室以前的工作[17],通過共沉淀法合成Fe3O4磁性納米顆粒,用正硅酸乙酯對Fe3O4進行修飾得到Fe3O4@SiO2,用乙烯基三乙氧基硅烷對其進一步修飾得到乙烯基修飾的磁性納米顆粒。

依次將2.8 g FeSO4·7H2O、5.2 g FeCl3·6H2O和0.85 mL濃鹽酸溶于去離子水中,配制成25 mL的鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液。量取250 mL NaOH溶液(0.5 mol/L)于500 mL三口瓶中,通入氮氣,機械攪拌下升溫至80 ℃,逐滴滴加鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液后繼續(xù)攪拌1 h,冷卻至室溫,逐滴滴加檸檬酸鈉溶液(0.3 mol/L)100 mL,機械攪拌1 h。磁性分離后,產(chǎn)物用水洗滌至中性,冷凍干燥24 h,得到Fe3O4磁性納米顆粒。

在0.29 g Fe3O4磁性納米顆粒中加入80 mL乙醇,超聲分散10 min,機械攪拌下依次加入12 mL去離子水、6 mL氨水和0.9 mL正硅酸乙酯,反應(yīng)5 h。用去離子水將產(chǎn)物洗至中性,在0.1 mol/L HCl溶液中浸泡12 h進行酸化,將產(chǎn)物洗滌至中性,冷凍干燥12 h,得到Fe3O4@SiO2。

依次加入乙烯基三乙氧基硅烷(2 mL)、重蒸甲苯(20 mL)和三乙胺(0.3 g)于Fe3O4@SiO2(3 g)中,氮氣保護下升溫至115 ℃,回流24 h,冷卻至室溫,分別使用甲苯、甲醇洗滌3次,真空干燥24 h,得到乙烯基三乙氧基硅烷修飾的磁性顆粒(vinyl triethoxysilane-modified Fe3O4@SiO2, Fe3O4@SiO2@VTES)。

1.2.2磺酸基功能化離子液體單體的合成

將0.02 mol的1-乙烯基咪唑(1.88 g)和1,3-丙烷磺酸內(nèi)酯(2.44 g)加入30 mL丙酮中,40 ℃下磁力攪拌17 h。冷卻至室溫,抽濾后依次用丙酮和乙醇洗滌3次,60 ℃真空干燥12 h,用10 mL濃鹽酸酸化5 h, 50 ℃真空干燥12 h,得到1-乙烯基-3-丙基(3′-磺酸基)咪唑氯鹽(1-vinyl-3-propyl(3′-sulfonate)imidazolium chloride, [VPImi-SO3H][Cl])。

以氘代二甲基亞砜為溶劑,采用1H NMR對[VPImi-SO3H][Cl]進行表征,化學(xué)位移為:9.53 (H, imidazole-H), 8.21(H, imidazole-H), 7.94 (H, imidazole-H), 7.31～7.26 (H, CH=CH2), 5.99～5.94 (H, CH=CH2), 5.43～5.38 (H, CH=CH2), 4.37～4.30 (2H, CH2), 2.50～2.45 (2H, CH2), 2.18～2.09 (2H, CH2)。

1.2.3磺酸功能化PIL基磁性吸附劑的制備

通過蒸餾沉淀聚合的方式將磺酸基功能化離子液體原位共價聚合在磁性顆粒上,具體過程為:將Fe3O4@SiO2@VTES(0.3 g)和[VPImi-SO3H][Cl](0.1 g)置于20 mL甲醇中,加入10 mg偶氮二異丁腈作為引發(fā)劑,超聲15 min,通入氮氣,室溫下機械攪拌1 h,升溫至80 ℃持續(xù)攪拌至甲醇被全部蒸出,依次用甲醇、水和甲醇洗滌產(chǎn)物,冷凍干燥24 h,得到聚(1-乙烯基-3-丙基(3′-磺酸基)咪唑氯鹽)修飾的磁性顆粒(poly-(1-vinyl-3-propyl (3′-sulfonate) imidazolium chloride)-modified magnetic particles, Poly([VPImi-SO3H][Cl])-MP)。整個制備過程見圖1。

圖 1 Poly([VPImi-SO3H][Cl])-MP的合成示意圖Fig. 1 Synthesis of poly-(1-vinyl-3-propyl(3′-sulfonate) imidazolium chloride)-modified magnetic nanoparticles (Poly([VPImi-SO3H][Cl])-MP)TEOS: tetraethoxysilane; VTES: vinyl triethoxysilane.

1.3 標(biāo)準(zhǔn)溶液配制、樣品制備和MSPE過程

準(zhǔn)確稱取一定質(zhì)量的敵草快標(biāo)準(zhǔn)品,用0.1 mol/L的HCl溶液配制成100 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液,放入冰箱冷藏備用。準(zhǔn)確移取一定體積的標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液,分別用去離子水稀釋、定容,得到1、2、5、10、20、50和100 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)溶液,待用。

青菜樣品購自當(dāng)?shù)爻?洗去泥土后用榨汁機將其打碎,放入冰箱冷藏備用。以沒有檢測出敵草快的青菜樣品作為空白樣品,在5.0 g空白樣品中分別加入1 mL不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液,得到加標(biāo)水平為0.2、0.4、1.0、2.0、4.0、10和20 μg/g的樣品,用于方法性能考察。

將加標(biāo)水平為2.5 μg/g的青菜樣品用于萃取過程研究,稱取5.0 g加標(biāo)樣品,加入10 mL水振蕩15 min,離心3 min;轉(zhuǎn)移上層提取液。提取液中加入40 μL氨水和30 mg吸附劑,振蕩15 min,用磁鐵分離,棄去上清液;加入600 μL乙腈-甲酸(9∶1, v/v),超聲解吸1 min,用磁鐵分離;上清液經(jīng)0.22 μm膜過濾后,取10 μL進HPLC儀分析(見圖2)。

圖 2 磁性固相萃取過程及其萃取機制示意圖Fig. 2 Schematic diagram of magnetic solid-phase extraction process and its extraction mechanism

圖 3 Poly([VPImi-SO3H][Cl])-MP的(a)紅外光譜圖、(b)掃描電鏡圖、(c)VSM曲線和(d)熱重曲線圖Fig. 3 (a) Infrared spectra, (b) scanning electron microscope image, (c) vibrating sample magnetometer (VSM) curve and (d) thermogravimetric curves of Poly([VPImi-SO3H][Cl])-MP

2 結(jié)果與討論

2.1 表征

圖3a為Fe3O4@SiO2、Fe3O4@SiO2@VTES和Poly([VPImi-SO3H][Cl])-MP的紅外光譜表征圖。對Fe3O4@SiO2而言,在559 cm-1有Fe-O的特征峰,在1 091 cm-1處有較強的Si-O特征峰,在3 300 cm-1附近的吸收峰由硅膠表面的-OH伸縮振動引起。Fe3O4@SiO2@VTES在1 091 cm-1與3 300 cm-1附近的吸收峰強度弱于Fe3O4@SiO2,表明磁性顆粒表面的-OH參與了與硅烷化試劑的反應(yīng);同時,在2 981 cm-1附近出現(xiàn)新的吸收峰,這是碳碳雙鍵上C-H的伸縮振動引起的,這些結(jié)果表明乙烯基三乙氧基硅烷被成功地修飾在Fe3O4@SiO2上。Poly([VPImi-SO3H][Cl])-MP在1 550 cm-1和1 456 cm-1附近出現(xiàn)的新吸收峰歸屬于咪唑環(huán)的骨架振動[17],這表明[VPImi-SO3H][Cl]已經(jīng)成功鍵合至磁性顆粒表面。需指出的是,磺酸基在1 190 cm-1與1 068 cm-1左右處的特征峰被較強的Si-O特征峰覆蓋。

Poly([VPImi-SO3H][Cl])-MP的形貌和顆粒尺寸采用掃描電鏡進行表征,如圖3b所示,大部分磁性顆粒尺寸在50 nm左右,形貌較規(guī)則;能譜分析顯示除了C、N和O外,還存在S,這證實磺酸功能化的離子液體被成功修飾至磁性顆粒表面。圖3c是Poly([VPImi-SO3H][Cl])-MP的磁強度表征,其VSM曲線經(jīng)過原點,飽和磁強度為38.3 emu/g,說明該材料具有順磁性,具有相當(dāng)大的磁性,能方便地通過外界磁場將其與溶液分離,可以用作MSPE的吸附劑。圖3d是Fe3O4@SiO2@VTES和Poly([VPImi-SO3H][Cl])-MP的熱重曲線圖,在25～200 ℃之間的質(zhì)量損失是由水的蒸發(fā)引起的,在200～800 ℃間Fe3O4@SiO2@VTES質(zhì)量下降是由包裹在顆粒外層VTES的質(zhì)量損失所致;Poly([VPImi-SO3H][Cl])-MP在200～800 ℃間的質(zhì)量損失要遠大于Fe3O4@SiO2@VTES,這可能是由修飾在最外層的PIL損失導(dǎo)致的,這也表明PIL已成功修飾在磁性顆粒上。

圖 4 不同pH條件下Poly([VPImi-SO3H][Cl])-MP對(a)莧菜紅和(b)亞甲基藍的吸附效果Fig. 4 Adsorption efficiencies of Poly([VPImi-SO3H] [Cl])-MP for (a) amaranth and (b) methylene blue under different pH conditions Adsorption conditions: 15 mg of adsorbent, 30 mL of dye solution (5 mg/L), 10 min of adsorption time. Adsorption efficiency was calculated by the absorbance at 664 nm (amaranth) and 499 nm (methylene blue).

2.2 Poly([VPImi-SO3H][Cl])-MP在不同pH下的吸附性能

為了評價Poly([VPImi-SO3H][Cl])-MP能否有效吸附帶正電荷的敵草快以及可能的吸附機理,實驗首先選取了莧菜紅與亞甲基藍2種染料分別作為陰離子和陽離子型分析物,直觀地考察了該吸附劑在不同pH條件下的吸附性能。

2.3 Poly([VPImi-SO3H][Cl])-MP萃取敵草快

2.3.1各種吸附參數(shù)對萃取效率的影響

吸附時間是MSPE中影響萃取效率的一個重要因素,同時也是評價吸附劑性能的一個重要指標(biāo)。實驗考察了吸附時間(1～60 min)對萃取效率的影響,結(jié)果如圖5b所示。隨著吸附時間的增加,萃取效率逐漸增大;當(dāng)吸附時間為15 min時,吸附已經(jīng)達到平衡;吸附時間進一步增大幾乎對萃取效率無影響。因此,選擇15 min作為吸附時間。

圖 5 (a)氨水體積、(b)吸附時間、(c)吸附劑用量、(d)解吸劑種類、(e)解吸劑體積和(f)解吸時間對萃取效率的影響(n=3)Fig. 5 Effects of (a) ammonia volume, (b) adsorption time, (c) adsorbent amount, (d) desorption solvent type, (e) desorption solvent volume and (f) desorption time on extraction efficiency (n=3)

吸附劑在MSPE過程中提供了與目標(biāo)物相互作用的作用位點,其用量會對萃取效率產(chǎn)生重要影響。實驗選取了5、10、15、30和50 mg吸附劑,以考察其用量對萃取效率的影響。由圖5c可知,吸附劑用量在5～30 mg時,敵草快的萃取效率隨著吸附劑質(zhì)量的增加逐漸增加;但隨著吸附劑用量繼續(xù)增加,萃取效率基本保持不變,故選取30 mg作為吸附劑用量。

2.3.2各種解吸參數(shù)對萃取效率的影響

在MSPE過程中,萃取效率一方面依賴于目標(biāo)分析物與吸附劑之間的作用力,另一方面又取決于目標(biāo)分析物與解吸劑之間的作用力,而解吸劑的種類和體積決定了分析物的解吸程度,故對萃取效率有重要影響。基于Poly([VPImi-SO3H][Cl])-MP在低pH條件下對敵草快的萃取效率較低,實驗通過添加甲酸以提供酸性環(huán)境,選取甲醇-甲酸(9∶1, v/v)、乙腈-甲酸(9∶1, v/v)和水-甲酸(9∶1, v/v)作為解吸劑,結(jié)果如圖5d所示。可以看出,相對于其他解吸劑,乙腈-甲酸(9∶1, v/v)有更高的解吸效果,故選取其為解吸劑。

實驗同時考察了解吸劑體積(50～1 000 μL)對萃取效率的影響,結(jié)果如圖5e所示。要注意的是,解吸劑體積改變時,實驗中僅依靠進10 μL樣所得峰面積并不能真實反映解吸劑解吸下來的敵草快的量,難以準(zhǔn)確判斷解吸劑體積對萃取效率的影響。故圖中峰面積為進樣10 μL所得峰面積乘以解吸劑體積與進樣體積的比值?？梢钥闯?隨著解吸劑體積從50 μL增加到600 μL,萃取效率逐漸增加,繼續(xù)增加解吸劑體積,萃取效率保持不變,故選擇解吸劑體積為600 μL。

用超聲波振蕩的方式對吸附在Poly([VPImi-SO3H][Cl])-MP上的敵草快進行解吸。實驗選取解吸時間為20 s、40 s、1 min、2 min和3 min,考察其對萃取效率的影響。由圖5f可知,敵草快可以在1 min內(nèi)快速地從Poly([VPImi-SO3H][Cl])-MP上解吸出來,故選取解吸時間為1 min。

2.4 方法評價和適用性研究

在優(yōu)化條件下,將Poly([VPImi-SO3H][Cl])-MP與MSPE和HPLC結(jié)合,對方法的性能進行了評價。敵草快在0.2～20 μg/g內(nèi)具有良好的線性(r=0.998 1),檢出限(S/N=3)和定量限(S/N=10)分別為0.09 μg/g和0.2 μg/g,在低、中、高3個水平(0.4、2.0和10.0 μg/g)下,重復(fù)測定3次的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為2.7%～4.2%。

用建立的方法對青菜樣品進行了測定,以評價方法的適用性。樣品中分別加入3個水平(0.5、1.0和2.5 μg/g)的敵草快,在優(yōu)化的MSPE條件下進行測定。樣品加標(biāo)前后經(jīng)Poly([VPImi-SO3H][Cl])-MP萃取后的代表性色譜圖見圖6。樣品中未檢出敵草快,加標(biāo)回收率為82.7%～97.5%, RSD為2.8%～5.0%(n=3)。結(jié)果表明,該方法重復(fù)性好,加標(biāo)回收率令人滿意,是一種有效測定敵草快的方法。

圖 6 未加標(biāo)樣品和加標(biāo)樣品(2.5 μg/g)經(jīng)Poly([VPImi- SO3H][Cl])-MP萃取后的色譜圖Fig. 6 Chromatograms of unspiked sample and spiked sample (2.5 μg/g) treated with Poly([VPImi-SO3H][Cl])-MP

3 結(jié)論

在本研究中,采用共價聚合方式制備了磺酸功能化的聚合離子液體基磁性吸附劑Poly([VPImi-SO3H][Cl])-MP,采用多種手段對其結(jié)構(gòu)、形貌和磁性進行了表征。磺酸基團的修飾使Poly([VPImi-SO3H][Cl])-MP表面在一定pH條件下帶有豐富負電荷,與帶正電荷的敵草快之間存在強的靜電吸引作用,從而有效萃取敵草快。將Poly([VPImi-SO3H][Cl])-MP作為MSPE吸附劑,與HPLC技術(shù)結(jié)合,建立了一種能夠準(zhǔn)確測定青菜中敵草快的方法。研究結(jié)果為食品中極性污染物的有效萃取與測定提供了一種新途徑。