共價(jià)有機(jī)框架材料磁固相萃取-高效液相色譜法分析環(huán)境水體中對(duì)羥基苯甲酸酯

包 月, 翟怡鑫, 寧 濤, 陳 品, 朱書奎

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢), 生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430074)

對(duì)羥基苯甲酸酯是一類抗菌防腐劑,通過(guò)破壞細(xì)胞膜和胞內(nèi)蛋白質(zhì)并改變微生物細(xì)胞酶活性,起到防腐的作用。對(duì)羥基苯甲酸酯具有易生產(chǎn)、抗菌效果好、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn),被廣泛用于化妝品、藥品和食品的防腐劑中[1,2]。

隨著化妝品和藥品使用的不斷增加,環(huán)境中對(duì)羥基苯甲酸酯濃度也相應(yīng)增加,例如在地表水中已有對(duì)羥基苯甲酸酯的檢出記錄[3]。同時(shí),部分地方農(nóng)業(yè)灌溉用水中對(duì)羥基苯甲酸酯的濃度較高，且對(duì)廢水處理不當(dāng),導(dǎo)致土壤和地下水中出現(xiàn)對(duì)羥基苯甲酸酯的污染[4,5]。長(zhǎng)期使用含對(duì)羥基苯甲酸酯防腐劑的化妝品會(huì)對(duì)人體皮膚產(chǎn)生潛在傷害,同時(shí)一些藥品和保健品中添加的對(duì)羥基苯甲酸酯也可能進(jìn)入到人體中,干擾內(nèi)分泌系統(tǒng)的正常運(yùn)行,例如可能導(dǎo)致女性乳腺癌發(fā)病率的增加[6,7]。因此,很多國(guó)家已經(jīng)對(duì)這類新興污染物制定了嚴(yán)格的監(jiān)管政策,例如在中國(guó)和日本,環(huán)境水域中對(duì)羥基苯甲酸酯的最大含量限制分別為0.4%和1.0%[8],歐盟規(guī)定了商業(yè)產(chǎn)品中每種對(duì)羥基苯甲酸酯的最大含量為0.4%,且對(duì)羥基苯甲酸酯的總含量不超過(guò)0.8%[2]。為了有效監(jiān)管和控制對(duì)羥基苯甲酸酯的使用,建立復(fù)雜基質(zhì)中對(duì)羥基苯甲酸酯的簡(jiǎn)單、快速、靈敏的樣品前處理及分析方法尤為重要。

目前為止報(bào)道了多種樣品前處理方法用于不同樣品中對(duì)羥基苯甲酸酯的萃取,如固相萃取[9]、固相微萃取[10]、攪拌棒吸附萃取[11]和磁固相萃取(magnetic solid-phase extraction, MSPE)[12]。MSPE是在固相萃取基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型樣品前處理技術(shù),具有操作簡(jiǎn)便、萃取時(shí)間短、樣品用量小、有機(jī)溶劑用量少、成本低并且環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)[13]。磁性吸附劑的選擇對(duì)MSPE萃取效率、富集因子、選擇性和抗干擾能力的影響重大,是獲得良好萃取性能的關(guān)鍵因素。目前越來(lái)越多不同種類的磁性吸附劑被開發(fā)并應(yīng)用于MSPE中,如磁性納米碳材料(石墨烯、氧化石墨烯、碳納米管等)[14,15]、磁性分子印跡聚合物[16]、磁性金屬有機(jī)框架[17]和磁性共價(jià)有機(jī)框架[18],這些磁性吸附劑在環(huán)境、食品、生物等領(lǐng)域的應(yīng)用都有著巨大的潛力。其中,共價(jià)有機(jī)框架(COF)是通過(guò)共價(jià)鍵將有機(jī)構(gòu)建模塊連接在一起而形成的一類晶體有機(jī)多孔結(jié)構(gòu),主要由輕元素(H、B、C、N和O)組成,呈現(xiàn)出二維或三維的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[19]。COF具有獨(dú)特的物理和化學(xué)特性:高結(jié)晶度、高比表面積、可調(diào)節(jié)的孔徑、規(guī)則的孔隙率、高化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性,在氣體吸附與儲(chǔ)存、多相催化、能量?jī)?chǔ)存和污染物的去除、降解和分離等領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景[20-23]。此外,COF的可設(shè)計(jì)性和易于功能化等特點(diǎn)也可用于制備性能優(yōu)異的磁性吸附劑,例如根據(jù)目標(biāo)污染物的結(jié)構(gòu)與特性來(lái)設(shè)計(jì)COF材料,構(gòu)建出新型磁性納米復(fù)合材料用于特定目標(biāo)分子的萃取。

在本研究中,我們運(yùn)用了一種綠色溫和的方法,在室溫條件下通過(guò)聯(lián)苯胺和1,3,5-苯三甲醛之間的席夫堿反應(yīng)成功合成了COF材料----TbBd,并將其負(fù)載在四氧化三鐵納米粒子上,建立了基于TbBd的磁固相萃取-高效液相色譜分析環(huán)境水樣中4種對(duì)羥基苯甲酸酯的方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

六水氯化鐵(FeCl3·6H2O)、檸檬酸鈉(Na3C6H5O7·2H2O)、乙酸鈉、鹽酸、甲醇、乙腈購(gòu)于上海國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司,均為分析純;聯(lián)苯胺(benzidine, Bd)購(gòu)于河南阿爾法化工有限公司,純度為95%; 1,3,5-苯三甲醛(1,3,5-triformylbenzene, Tb)、對(duì)羥基苯甲酸乙酯(ethylparaben, EtP)、對(duì)羥基苯甲酸丙酯(propylparaben, PrP)、對(duì)羥基苯甲酸丁酯(butylparaben, BuP)、對(duì)羥基苯甲酸苯甲酯(benzylparaben, BzP)均購(gòu)于吉林中科研伸科技有限公司,Bd和EtP的純度為98%, PrP和BuP的純度為99%, BzP的純度為96%。圖1給出了4種對(duì)羥基苯甲酸酯的結(jié)構(gòu)式、分子式和logKow。

圖 1 4種對(duì)羥基苯甲酸酯的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)Fig. 1 Structures and properties of the four parabens

LC-16 HPLC高效液相色譜儀和SPD-16 UV紫外檢測(cè)器(日本島津有限公司), Nicolet iS20傅里葉變換紅外光譜儀(美國(guó)賽默飛世爾科技有限公司), Ultima IV X射線粉晶衍射儀(日本Rigaku公司), SU8010高分辨場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡儀(日本日立公司), 7404振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(美國(guó)LakeShore公司), TGA 550熱重分析儀(美國(guó)TA公司), PS-80A超聲波清洗儀(東莞市潔康超聲波設(shè)備有限公司), 12N/A冷凍干燥機(jī)(寧波新芝生物科技股份有限公司), 18.2 MΩ·cm超純水由超純水恒力凈水機(jī)(力康國(guó)際貿(mào)易(上海)有限公司)制得。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)樣品的配制

分別稱取對(duì)羥基苯甲酸酯標(biāo)準(zhǔn)樣品,溶解于甲醇中,配制成200 mg/L的單標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液,然后用甲醇稀釋依次配制成20 mg/L和2 mg/L的單標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液。取一定量的單標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液依次配制成200、20和2 mg/L的4種對(duì)羥基苯甲酸酯的混合標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液。以上標(biāo)液均在4 ℃冰箱中保存。

1.3 磁性COFs材料的合成

1.3.1Fe3O4納米粒子(Fe3O4NPs)的合成

采用溶劑熱法制備四氧化三鐵顆粒,按照先前的文獻(xiàn)合成了四氧化三鐵納米粒子[24]。簡(jiǎn)而言之,將FeCl3·6H2O(1.95 g)、Na3C6H5O7·2H2O(0.6 g)和乙酸鈉(3.6 g)在室溫下超聲溶解在60 mL乙二醇中。隨后,將得到的均勻黃色溶液轉(zhuǎn)移至高壓釜中,然后加熱至200 ℃保持12 h。反應(yīng)后產(chǎn)物用磁鐵收集,用乙醇和水分別洗滌3次,冷凍干燥備用。

1.3.2Fe3O4@TbBd的合成

稱取150 mg Fe3O4NPs、82.91 mg聯(lián)苯胺和48.6 mg 1,3,5-苯三甲醛于50 mL乙腈中,超聲均勻分散后,將2 mL乙酸緩慢加入混合溶液中并進(jìn)行超聲處理,迅速形成黑色沉淀物。靜置30 min后用磁鐵收集黑色沉淀,用無(wú)水四氫呋喃和甲醇交替洗滌6次至上清液澄清。最后,將生成的Fe3O4@TbBd進(jìn)行冷凍干燥以備進(jìn)一步使用[25]。

1.4 樣品采集與處理

在武漢市東湖和長(zhǎng)江邊分別采集了東湖水樣和長(zhǎng)江水樣,在學(xué)校宿舍的洗手池采集了生活廢水,將采集好的水樣用0.45 μm的親水濾膜進(jìn)行過(guò)濾,然后放置于4 ℃冰箱中保存以用于后續(xù)磁固相萃取分析。

1.5 磁固相萃取

所有磁固相萃取實(shí)驗(yàn)均在40 mL樣品瓶中完成。將15 mg Fe3O4@TbBd納米材料分散在10 mL樣品溶液中,溶液中每一種對(duì)羥基苯甲酸酯的質(zhì)量濃度為100 μg/L,將上述溶液在室溫下超聲萃取10 min,然后進(jìn)行磁分離并棄去上清液。加入1 mL甲醇解吸液,超聲解吸10 min,再加入1 mL甲醇重復(fù)解吸1次,然后將收集的解吸液用0.22 μm的濾頭進(jìn)行過(guò)濾并在40 ℃下用溫和的氮?dú)饬鞲稍?最后用100 μL甲醇復(fù)溶并進(jìn)行HPLC-UV分析。

1.6 色譜條件

色譜柱為C18反相色譜柱(150 mm×4.6 mm, 5 μm),柱溫設(shè)置為30 ℃。流動(dòng)相:A相為乙腈,B相為超純水;流速設(shè)置為1 mL/min。梯度洗脫程序:0～10 min, 35%A～40%A; 10～25 min, 40%A。進(jìn)樣量:20 μL;紫外檢測(cè)波長(zhǎng)設(shè)置為254 nm。

2 結(jié)果與討論

2.1 Fe3O4@TbBd的表征

通過(guò)掃描電鏡(SEM)對(duì)Fe3O4納米粒子和Fe3O4@TbBd的形貌進(jìn)行觀察(如圖2所示)。可以觀察到Fe3O4納米粒子的分散性較好,呈現(xiàn)出荔枝殼狀的粗糙表面,同樣Fe3O4@TbBd也擁有較好的分散性,并且可以觀察到在Fe3O4納米粒子之間和其球形表層上都存在成片的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),說(shuō)明材料成功包覆在了Fe3O4表面。

圖 2 Fe3O4和Fe3O4@TbBd的SEM圖Fig. 2 SEM images of Fe3O4 and Fe3O4@TbBd

通過(guò)FT-IR光譜可以證明Fe3O4@TbBd是否成功合成。從圖3a中可以看到,在Fe3O4NPs的FT-IR光譜中,597 cm-1處強(qiáng)紅外譜帶是Fe-O-Fe的伸縮振動(dòng),1 404、1 612和3 428 cm-1處的特征吸收峰與羧基的特征峰相符合[26],表明了Fe3O4表面羧基的存在。包覆在Fe3O4表面的TbBd是通過(guò)氨基單體和醛基單體的席夫堿反應(yīng)生成的,在Fe3O4@TbBd的FT-IR光譜中,1 417 cm-1處出現(xiàn)了C-N鍵的特征峰,在1 611 cm-1處有C=N鍵的伸縮振動(dòng)[27],證明了COF的成功合成。

圖3b顯示了Fe3O4和Fe3O4@TbBd的X射線衍射(XRD)圖。Fe3O4和Fe3O4@TbBd在2θ=29.9°、35.4°、43.3°、53.0°、57.0°和62.6°處,分別對(duì)應(yīng)(220)、(311)、(400)、(422)、(511)和(440)晶面結(jié)構(gòu)[25]。此外,在TbBd的XRD圖(如圖中插圖所示)中,2θ=3.51°處有一個(gè)小角衍射峰,驗(yàn)證了制備的Fe3O4@TbBd具有良好的結(jié)晶性。

圖 3 Fe3O4和Fe3O4@TbBd的(a)紅外光譜圖、(b)XRD圖、(c)熱重曲線和(d)磁滯曲線Fig. 3 (a) FT-IR spectra, (b) X-ray diffraction (XRD) patterns, (c) thermal gravity (TG) curve, and (d) magnetic hysteresis loops of Fe3O4 and Fe3O4@TbBd

通過(guò)熱重分析(TGA)來(lái)評(píng)估Fe3O4@TbBd的熱穩(wěn)定性,從圖3c中可以發(fā)現(xiàn),Fe3O4@TbBd在350 ℃的范圍內(nèi)有一個(gè)緩慢的重量損失,大約為5.7%,這主要為粒子表面物理吸附的水和內(nèi)部殘留溶劑的揮發(fā)。而在350～550 ℃內(nèi)則顯示為一個(gè)較為急劇的重量損失,約為20.6%,是由于COF材料在高溫下分解導(dǎo)致的重量損失。說(shuō)明材料在350 ℃以下具有良好的熱穩(wěn)定性。

通過(guò)振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)來(lái)測(cè)定Fe3O4和Fe3O4@TbBd的磁性能。如圖3d所示,Fe3O4和Fe3O4@TbBd的飽和磁化強(qiáng)度值分別為71.3 emu/g和41.7 emu/g,由于在磁性納米粒子上包覆COF層,使得Fe3O4@TbBd的磁性降低。如圖中插圖所示,Fe3O4@TbBd在水溶液中的分散可在外部磁體的作用下快速聚集(30 s內(nèi)),使得溶液變得十分澄清。說(shuō)明Fe3O4@TbBd具有足夠強(qiáng)的磁飽和度用于樣品溶液中材料的回收。

2.2 MSPE條件優(yōu)化

采用單因素優(yōu)化的方法對(duì)磁固相萃取過(guò)程中MSPE吸附劑用量、萃取時(shí)間、溶液pH值、解吸劑種類、解吸時(shí)間和解吸次數(shù)這些因素進(jìn)行了優(yōu)化。在這項(xiàng)工作中,使用10 mL的標(biāo)準(zhǔn)溶液對(duì)這些條件進(jìn)行了考察,該標(biāo)準(zhǔn)溶液含100 μg/L的4種對(duì)羥基苯甲酸酯。

2.2.1吸附劑用量

首先對(duì)COF用量在5～20 mg范圍內(nèi)進(jìn)行研究,其他參數(shù)保持不變,吸附時(shí)間為30 min,解吸溶劑采用2 mL甲醇,解吸時(shí)間為10 min。圖4a結(jié)果表明,當(dāng)材料用量從5 mg增加至15 mg時(shí),目標(biāo)分析物的峰面積逐漸增加,但當(dāng)繼續(xù)增加材料的用量至20 mg時(shí),峰面積略有下降,可能是因?yàn)橛昧吭黾訉?dǎo)致材料團(tuán)聚,其在樣品溶液中分散不均勻,COF與目標(biāo)物相互作用的范圍減小,從而導(dǎo)致萃取率降低。因此最終選取材料的用量為15 mg。

2.2.2萃取時(shí)間

進(jìn)一步優(yōu)化萃取時(shí)間,范圍為2～30 min。如圖4b所示,4種對(duì)羥基苯甲酸酯的峰面積隨著萃取時(shí)間(2～10 min)的增加而增加,萃取時(shí)間從10 min增加至30 min時(shí),峰面積略有下降,但下降幅度很小,可以認(rèn)為在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)整體趨于平衡,因此選擇10 min作為萃取時(shí)間。

2.2.3溶液pH值

溶液的pH會(huì)影響COF材料的結(jié)構(gòu)和對(duì)羥基苯甲酸酯的存在形式,因此在溶液pH為4～10的范圍內(nèi)研究COF材料對(duì)對(duì)羥基苯甲酸酯的萃取效率。如圖4c所示,pH從4增加至8時(shí),4種對(duì)羥基苯甲酸酯的峰面積逐漸增加,當(dāng)pH增加至10時(shí),EtP、PrP和BuP這3種物質(zhì)的峰面積明顯下降,這可能是由于對(duì)羥基苯甲酸酯在堿性條件下的離子化,在pH=10時(shí),只有1.8%的目標(biāo)分析物以分子形式存在,造成萃取效率降低[28]。因此,最終選擇pH=7的溶液環(huán)境進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

圖 4 (a)吸附劑用量、(b)萃取時(shí)間、(c)pH、(d)解吸溶劑、(e)解吸時(shí)間和(f)解吸次數(shù)對(duì)萃取效果的影響(n=3)Fig. 4 Effects of (a) adsorbent dosage, (b) extraction time, (c) pH value, (d) desorption solvent, (e) desorption time and (f) number of desorption on the extraction performance (n=3)

2.2.4解吸劑種類

考慮到Fe3O4@TbBd材料是通過(guò)π-π相互作用對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行吸附的,因此我們按照目標(biāo)物和解吸溶劑的極性選擇了4種不同的解吸溶劑來(lái)考察解吸溶劑的影響。為了達(dá)到最佳解吸條件,選擇了甲醇(MeOH)、乙腈(ACN)、丙酮(ACE)和正己烷(HEX)這4種溶劑作為解吸劑,前3種為極性溶劑,正己烷為非極性溶劑,其峰面積也是最低的,說(shuō)明極性溶劑更能使對(duì)羥基苯甲酸酯從磁性材料上洗脫下來(lái)。甲醇和丙酮的極性大于乙腈,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明(如圖4d所示),甲醇和丙酮的效果優(yōu)于乙腈,由于使用甲醇的洗脫溶液顏色比丙酮洗脫液更加澄清,因此我們選擇甲醇作為最佳解吸劑進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

2.2.5解吸時(shí)間

解吸時(shí)間在2～10 min的范圍內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化,設(shè)置了2、4、6、8、10 min這5個(gè)時(shí)間點(diǎn)。從圖4e中可以看出,解吸時(shí)間從2 min增加至10 min時(shí),對(duì)羥基苯甲酸乙酯的峰面積也隨之增加,其他3種對(duì)羥基苯甲酸酯的峰面積沒有十分顯著的差距,因此選擇10 min作為解吸時(shí)間。

2.2.6解吸次數(shù)

進(jìn)行1～3次解吸來(lái)優(yōu)化目標(biāo)分析物的解吸效率。從圖4f中可以看出,解吸次數(shù)增加時(shí),4種對(duì)羥基苯甲酸酯的峰面積也進(jìn)一步增加,其中解吸2次和解吸3次的效果基本持平,因此選擇2次作為最佳的解吸次數(shù)。

2.3 方法評(píng)價(jià)

4種對(duì)羥基苯甲酸酯的定量分析通過(guò)基于Fe3O4@TbBd的磁固相萃取結(jié)合HPLC-UV進(jìn)一步評(píng)估。在最佳MSPE條件下對(duì)4種對(duì)羥基苯甲酸酯的線性范圍、檢出限、定量限、日間和日內(nèi)精密度及加標(biāo)回收率進(jìn)行了評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果如表1所示,4種對(duì)羥基苯甲酸酯在其線性范圍內(nèi)線性良好,相關(guān)系數(shù)(r)均大于0.99。根據(jù)3倍和10倍信噪比(S/N)得到檢出限和定量限分別為0.2～0.4 μg/L和0.7～1.4 μg/L。對(duì)于日間精密度和日內(nèi)精密度的考察,從表2可以看出,本方法的日內(nèi)RSD為1.0%～5.5%(n=5),日間RSD為0.1%～4.9%(n=3),說(shuō)明其日內(nèi)、日間重復(fù)性好。低(10 μg/L)、中(50 μg/L)、高(100 μg/L)3種不同水平下得到的加標(biāo)回收率在86.1%～110.8%之間,說(shuō)明該方法的準(zhǔn)確度良好。

將本方法與近年來(lái)其他對(duì)羥基苯甲酸酯的分析檢測(cè)方法進(jìn)行比較,結(jié)果如表3所示?？梢钥闯鲈摲椒`敏度高,與其他樣品前處理方法相比,萃取時(shí)間短,只需要10 min即可達(dá)到萃取平衡,加標(biāo)回收率處于平均水平,方法重復(fù)性良好。因此,該方法適用于環(huán)境水樣中對(duì)羥基苯甲酸酯的分析測(cè)定。

2.4 實(shí)際樣品分析

將本方法應(yīng)用于東湖水、長(zhǎng)江水和生活廢水中對(duì)羥基苯甲酸酯的分析,結(jié)果如表4所示。在生活廢水中檢測(cè)到了對(duì)羥基苯甲酸乙酯和對(duì)羥基苯甲酸丙酯這兩種物質(zhì),含量分別為1.8 μg/L和0.4 μg/L,在東湖水和長(zhǎng)江水中均未檢測(cè)出目標(biāo)污染物。

為了驗(yàn)證方法的準(zhǔn)確性,3種樣品在低(10 μg/L)、中(50 μg/L)、高(100 μg/L)3種水平下的加標(biāo)回收率在80.7%～117.5%之間,RSD在0.2%～8.8%之間,說(shuō)明該方法的準(zhǔn)確度與精密度足以滿足實(shí)際樣品中對(duì)羥基苯甲酸酯的分析。

表 1 4種對(duì)羥基苯甲酸酯的線性范圍、相關(guān)系數(shù)、檢出限和定量限

表 4 實(shí)際樣品中4種對(duì)羥基苯甲酸酯的含量和加標(biāo)回收率(n=3)

3 結(jié)論

本文通過(guò)簡(jiǎn)單的室溫法合成了Fe3O4@TbBd材料并將其作為磁固相萃取的吸附劑用于萃取4種對(duì)羥基苯甲酸酯,材料的合成方便簡(jiǎn)單,萃取時(shí)間短。在此基礎(chǔ)上,建立了MSPE-HPLC分析4種對(duì)羥基苯甲酸酯的新方法,該方法表現(xiàn)出良好的線性、低檢出限、低定量限、高精密度和良好的重復(fù)性,能夠成功地應(yīng)用于環(huán)境水樣中4種對(duì)羥基苯甲酸酯的測(cè)定。