摘 要:近年來,黃河水污染現(xiàn)象日趨嚴(yán)重,其中烷基酚是重要的污染物之一.為此建立了一種基于原位形成低共熔溶劑的酸誘導(dǎo)—分散液液微萃取黃河水、衛(wèi)河水和湖水等環(huán)境水樣中烷基酚的方法.該方法以癸酸鈉為萃取劑,加入鹽酸后癸酸鈉與鹽酸反應(yīng)生成癸酸,同時(shí)烷基酚通過與癸酸原位形成低共熔溶劑而被萃取.在優(yōu)化條件下,4-庚基酚和4-壬基酚的線性范圍為0.2~400 μg·L-1,4-辛基酚的線性范圍為0.3~400 μg·L-1,檢出限和定量限分別為0.05~0.10μg·L-1和0.2~0.3μg·L-1,日內(nèi)和日間精密度≤3.7%,富集倍數(shù)為21~38.與高效液相色譜聯(lián)用,可用于環(huán)境水體中烷基酚的檢測,加標(biāo)回收率為92.3%~115.7%.本方法具有簡單、快速、靈敏、低成本和綠色等優(yōu)點(diǎn).
關(guān)鍵詞:低共熔溶劑;原位生成;分散液液微萃??;高效液相色譜;烷基酚
中圖分類號:O657 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號:1000-2367(2025)03-0012-08
烷基酚是一類內(nèi)分泌干擾物質(zhì)[1-2],長期接觸可能會(huì)對生物體造成不良影響,如經(jīng)食物鏈進(jìn)入人體或動(dòng)物體后,會(huì)對內(nèi)分泌系統(tǒng)、生殖與發(fā)育系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)產(chǎn)生影響,并有致癌作用[3-5].這些烷基酚類化合物主要來源于各類消費(fèi)品,如油漆類、油墨、農(nóng)藥配方、造紙工業(yè)、皮革工業(yè)、個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品、洗滌劑、清潔劑等.烷基酚是黃河水中存在的一種污染物.美國國家環(huán)保局推薦標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,淡水和咸水中4-壬基酚(4-Nonylphenol,4-NP)的質(zhì)量濃度應(yīng)分別低于 6.6μg·L-1 和 1.7μg·L-1[6].黃河自西向東橫跨中國9省區(qū),是西北、華北地區(qū)最重要的水源.承擔(dān)著全國約15%的耕地和12%的人口供水,同時(shí)也為中原油田、勝利油田、準(zhǔn)格爾煤田等許多工礦企業(yè)提供水源,并為流域內(nèi)50多座大中城市提供水源.黃河水質(zhì)的好壞直接關(guān)系到沿岸居民的生活質(zhì)量.因此,建立一種簡單、靈敏、綠色的檢測黃河水等環(huán)境水樣中痕量烷基酚的方法具有重要意義.
黃河水等環(huán)境水樣基質(zhì)復(fù)雜,且烷基酚的含量低,在分析檢測前,需對其進(jìn)行分離和富集,減少復(fù)雜樣品基質(zhì)對檢測結(jié)果的影響.分散液液微萃取因其具有操作簡便、溶劑消耗少、富集倍數(shù)高、能與多種實(shí)驗(yàn)儀器相結(jié)合而被廣泛應(yīng)用.然而,常用的萃取劑(氯仿、四氯化碳、二氯甲烷)和分散劑(甲醇、乙醇、乙腈和丙酮)大多數(shù)為有機(jī)溶劑,會(huì)對人體和環(huán)境造成傷害[7].隨著研究的深入,在分散液液微萃取中,借助超聲波[8]、渦旋[9]、空氣[10]等輔助方式代替分散劑加速萃取,減少了有機(jī)溶劑的消耗,更符合綠色化學(xué)的要求[11].因此,開發(fā)綠色環(huán)保的萃取溶劑,且不使用分散劑是分散液液微萃取的發(fā)展趨勢[12-13].
脂肪酸是一種可轉(zhuǎn)換溶劑,通過改變?nèi)芤旱膒H可以實(shí)現(xiàn)其在疏水和親水形式之間的轉(zhuǎn)換[14].在pH誘導(dǎo)的分散液液微萃取過程中,溶液pH的變化可以改變?nèi)軇┑挠H疏水性,從而加速傳質(zhì),縮短萃取時(shí)間,促進(jìn)相分離[15].例如GAO等[15]建立了一種基于氣泡輔助可切換親疏水性脂肪酸基微萃取-懸浮固化有機(jī)液滴的新方法,用于海水、沉積物和海產(chǎn)品中氟喹諾酮類藥物和四環(huán)素類藥物的簡單快速測定.
脂肪酸鹽可與酸反應(yīng)生成脂肪酸,由親水形式轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷问?,同時(shí)烷基酚和脂肪酸都有羥基,可以作為氫鍵供體和氫鍵受體形成低共熔溶劑(deep eutectic solvent,DES)[16].基于此,本研究建立了一種基于原位形成低共熔溶劑的酸誘導(dǎo)-分散液液微萃取(pH induced dispersive liquid-liquid microextraction,pH-DLLME)環(huán)境水樣中烷基酚的新方法.以癸酸鈉為萃取劑,加入鹽酸后癸酸鈉與鹽酸反應(yīng)生成癸酸,同時(shí)烷基酚通過與生成的癸酸原位形成低共熔溶劑而被萃取.由于生成的癸酸熔點(diǎn)(27~32 ℃)略高于室溫(19 ℃),整個(gè)萃取過程在40 ℃水浴中進(jìn)行.通過單因素試驗(yàn)對影響萃取效率的因素進(jìn)行優(yōu)化.在優(yōu)化條件下,將本萃取方法與高效液相色譜法結(jié)合應(yīng)用于環(huán)境水樣中烷基酚的檢測.
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 儀器與試劑
ZNCL-G智能磁力攪拌加熱鍋(健文儀器設(shè)備有限公司),HH-2 恒溫水浴鍋(金壇科學(xué)分析儀器廠),PerkinElmer Spectrum 400 F 傅里葉中遠(yuǎn)紅外光譜儀(美國珀金埃爾默儀器有限公司).Waters E2695 高效液相色譜-2475熒光檢測器(美國Waters公司)用于檢測分析物.安捷倫ZORBAX Eclipse XDB-C18(4.6 mm×250 mm,5 μm,美國安捷倫科技有限公司)色譜柱和Sepax GP-C18(4.0 mm×10 mm,5 μm,蘇州賽分科技股份有限公司)保護(hù)柱用于分離分析物.色譜檢測條件:甲醇和水(78∶22,V∶V)為流動(dòng)相,流速設(shè)為1.0 mL·min-1,柱溫為30 ℃,進(jìn)樣體積為20 μL,測定烷基酚的發(fā)射波長為300 nm,激發(fā)波長為278 nm.
4-庚基酚(4-Heptylphenol,4-HP,98%)、4-辛基酚(4-Octylphenol,4-OP,98%)、4-壬基酚(4-Nonylphenol,4-NP,98%)和癸酸鈉(98%)購于麥克林生化試劑有限公司.氯化鈉(NaCl,99.5%)和鹽酸(HCl,36%~38%)購于大茂化學(xué)試劑廠.色譜級甲醇(99.9%)購于美國天地公司,實(shí)驗(yàn)用水為超純水(18.20 MΩ·cm).
標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液:稱取適量 4-HP、4-OP 和 4-NP,用甲醇溶解,配制200 mg·L-1 的混合標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液.
工作溶液:用超純水稀釋儲(chǔ)備溶液配制100μg·L-1的工作溶液.
1.2 酸誘導(dǎo)—分散液液微萃取過程
基于原位形成低共熔溶劑的酸誘導(dǎo)—分散液液微萃取過程如圖1所示.首先,取5 mL含有100μg·L-1的4-HP、4-OP 和 4-NP的工作溶液或樣品溶液于10 mL離心管,加入0.4 g NaCl,并將離心管放置于40 ℃水浴中,保持5 min.接著向離心管中加入80 mg癸酸鈉,搖晃使其溶解.隨后,加入300 μL 3 mol·L-1 鹽酸溶液,使癸酸鈉與鹽酸反應(yīng)生成疏水癸酸,并均勻分散在樣品溶液中.與此同時(shí),4-HP、4-OP 和 4-NP通過與生成的癸酸原位形成疏水性低共熔溶劑而被萃取.為了加速相分離,將樣品放入離心機(jī)以8 000 r/min離心4 min,由于癸酸熔點(diǎn)高于室溫,得到固-液兩相分離溶液.最后用長針頭注射器吸出下層水相,得到固態(tài)萃取相,加入100 μL甲醇使其溶解,用于高效液相色譜分析.
1.3 實(shí)際樣品
湖水、衛(wèi)河水、黃河水均來自河南新鄉(xiāng).所有水樣均使用0.45 μm尼龍膜過濾,于4 ℃避光保存?zhèn)溆?
2 結(jié)果與討論
2.1 低共熔溶劑的表征
為了證實(shí)疏水性DES的形成,采用傅里葉變換紅外光譜記錄癸酸、4-HP、4-OP、4-NP及形成的低共熔溶劑的FT-IR光譜.將癸酸(C10)和4-HP、4-OP、4-NP分別按照1∶2的物質(zhì)的量之比混合,在40 ℃水浴加熱攪拌形成均勻透明的低共熔溶劑.如圖2所示,4-HP、4-OP和4-NP的O-H伸縮振動(dòng)峰分別位于3 384 cm-1、3 400 cm-1和3 400 cm-1處.C10的C=O伸縮振動(dòng)峰位于1 691 cm-1處.DES形成后,4-HP、4-OP和4-NP的O-H伸縮振動(dòng)峰分別移至3 302 cm-1、3 389 cm-1、3 388 cm-1.這可能是因?yàn)橥榛幼鳛闅滏I供體,與癸酸的羥基氫鍵供體之間形成氫鍵,導(dǎo)致力常數(shù)發(fā)生輕微變化[17],使分析物的O-H伸縮振動(dòng)向低波數(shù)偏移.與此同時(shí),癸酸的C=O伸縮振動(dòng)峰分別移到1 706 cm-1、1 695 cm-1和1 698 cm-1.這一結(jié)果證實(shí)了癸酸的-COOH與4-HP、4-OP和4-NP的-OH之間形成了氫鍵.
2.2 萃取條件的優(yōu)化
在該方法中,癸酸鈉作為萃取劑溶解到樣品溶液中,與加入的鹽酸反應(yīng)生成不溶于水的癸酸,分析物通過與生成的癸酸原位形成低共熔溶劑而被萃取.由于生成的癸酸熔點(diǎn)高于室溫,整個(gè)萃取過程在40 ℃水浴中進(jìn)行.對影響萃取效率的主要因素,如萃取劑用量、鹽酸用量、離心時(shí)間和離子強(qiáng)度等進(jìn)行了優(yōu)化.
萃取劑的用量是影響萃取效率的重要因素,考察了20~130 mg癸酸鈉對萃取效率的影響.如圖3(a)所示,當(dāng)癸酸鈉的用量從20 mg增加到80 mg,3種分析物的萃取效率逐漸增加,然后趨于穩(wěn)定.萃取劑用量過少不能使分析物充分被萃取,因此選用80 mg癸酸鈉進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn).
萃取完成后,通過離心加速相分離,探究了2到10 min 的離心時(shí)間對萃取效率的影響,離心速率設(shè)置為 8 000 r/min,結(jié)果如圖 3(b)所示.離心過程中溶液冷卻,由于癸酸的熔點(diǎn)高于室溫(19 ℃)離心后得到上層固體(萃取相)和下層液體(水相)的相分離溶液.隨著離心時(shí)間的增加,4-HP、4-OP和 4-NP 的萃取效率逐漸增加,當(dāng)離心時(shí)間大于 4 min 時(shí),萃取效率趨于穩(wěn)定.離心時(shí)間過少,不能完全得到相分離.因此,離心時(shí)間選擇 4 min.
本方法中鹽酸溶液的加入不僅提供了酸性環(huán)境,還與溶解在水樣中的癸酸鈉反應(yīng)生成均勻分散的癸酸,提高萃取效率,因此,考察了100到600 μL 3 mol·L-1鹽酸溶液對萃取效率的影響,由圖3(c)可知,隨著鹽酸體積的增加,4-HP、4-OP和 4-NP 的萃取效率均先逐漸增加,當(dāng)鹽酸體積大于300 μL時(shí),萃取效率趨于穩(wěn)定,因此選用300 μL的鹽酸溶液.
樣品溶液中加入鹽會(huì)出現(xiàn)鹽析或鹽溶效應(yīng)而影響萃取效率.通常加鹽會(huì)降低相對極性較大的分析物在水中的溶解度而提高萃取效率[18].本文研究了0~100 g/L的NaCl對萃取效率的影響.如圖3(d)所示,當(dāng)NaCl質(zhì)量濃度從0增加到100 g/L時(shí),分析物萃取效率呈現(xiàn)先降低再升高再降低的變化趨勢.這與樣品溶液中鹽的添加出現(xiàn)鹽析或鹽溶效應(yīng)而對萃取效率產(chǎn)生的影響有關(guān):向溶液中加入中性鹽NaCl,增加了溶液的離子強(qiáng)度,使分析物的溶解度降低而從溶液中析出,出現(xiàn)鹽析效應(yīng),有利于萃取效率的提高;在溶液中,加入少量的中性鹽NaCl,使分析物在水溶液中的溶解度增大出現(xiàn)鹽溶效應(yīng),不利于萃取效率的提高.圖3(d)中,當(dāng)加入NaCl質(zhì)量濃度為0~20 g/L時(shí),分析物萃取效率下降,此時(shí)以鹽溶效應(yīng)為主;當(dāng)NaCl質(zhì)量濃度從20 g/L增加到80 g/L時(shí),分析物的萃取效率逐漸增加,此時(shí)以鹽析效應(yīng)為主;當(dāng)NaCl質(zhì)量濃度繼續(xù)增加到100 g/L,分析物萃取效率下降,此時(shí)以鹽溶效應(yīng)為主.由圖3(d)可知,當(dāng)NaCl的質(zhì)量濃度為80 g/L時(shí),萃取效率最高,為了得到較高的萃取效率,選擇添加80 g/L的NaCl進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn).
2.3 方法評價(jià)
在優(yōu)化條件下,對方法的線性范圍、相關(guān)系數(shù)(R2)、重復(fù)性、重現(xiàn)性、檢測限(LOD)、定量限(LOQ)和富集倍數(shù)進(jìn)行分析,結(jié)果見表1.通過分析含0.005~400 μg·L-1質(zhì)量濃度分析物的工作溶液獲得工作曲線,4-HP 和 4-NP 的線性范圍為 0.2~400μg·L-1,4-OP的線性范圍為0.3 ~400 μg·L-1,相關(guān)系數(shù)R20.998 3.LOD(S/N=3)和LOQ(S/N=10)分別為0.05~0.10 μg·L-1和0.2~0.3 μg·L-1.通過在1 d內(nèi)平行測定 15、50和 100 μg·L-1 烷基酚工作溶液3次來評估日內(nèi)精密度,通過連續(xù)5 d分別測定 15、50 和 100μg·L-1 烷基酚工作溶液來評估日間精密度.日內(nèi)和日間精密度值(相對標(biāo)準(zhǔn)偏差,RSD)≤3.7%.富集倍數(shù)為21~38.
2.4 萃取原理
脂肪酸是一種可切換親水性溶劑[19],與堿反應(yīng)生成溶于水的脂肪酸鹽,脂肪酸鹽與酸反應(yīng)又生成疏水性的脂肪酸鹽.本研究選取癸酸鈉為萃取劑,其可以完全溶解于樣品溶液中,避免了使用脂肪酸做萃取劑時(shí)加堿將其轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性脂肪酸鹽的步驟;加入鹽酸后,癸酸鈉與鹽酸反應(yīng)生成癸酸,均勻分散至樣品溶液中,同時(shí)烷基酚通過與癸酸原位形成低共熔溶劑而被萃取.這是由于4-HP、4-OP 和 4-NP 都含有羥基,與含有羥基的癸酸形成氫鍵.由于癸酸的熔點(diǎn)為 27~32 ℃,在室溫,癸酸鈉與鹽酸反應(yīng)生成癸酸后會(huì)立刻凝固,阻礙了其與分析物的接觸,不利于萃取,因此本實(shí)驗(yàn)在 40 ℃水浴中進(jìn)行.萃取完成后,由于自然冷卻到相分離需要較長時(shí)間,本實(shí)驗(yàn)通過離心加速相分離,離心過程中,溶液冷卻,同時(shí)得到上層固體(萃取相)和下層液體(水相)的相分離溶液.
2.5 實(shí)際樣品檢測
本方法應(yīng)用于黃河水、湖水、衛(wèi)河水環(huán)境水樣中烷基酚的測定.結(jié)果如表2所示,衛(wèi)河水中檢出4-HP 的質(zhì)量濃度小于0.2μg·L-1,黃河水與湖水沒有檢出.為了驗(yàn)證該方法的準(zhǔn)確性,向樣品中分別添加了15和50μg·L-1兩種不同質(zhì)量濃度的4-HP、4-OP 和 4-NP 標(biāo)準(zhǔn)溶液,3種烷基酚的加標(biāo)回收率為 92.3%~115.7%,RSD≤4.5%,表明該復(fù)雜樣品基質(zhì)對該方法沒有顯著影響.圖4為空白和加標(biāo)衛(wèi)河水樣品的液相色譜對照圖.
2.6 方法對比
將該方法與其他已報(bào)道的測定烷基酚的方法進(jìn)行對比,結(jié)果如表3所示.與SLLME-GC-MS、SDME-HPLC-PAD和UAE-DLLME-LC-MS/MS相比,本方法具有LOD低,RSD小,萃取劑綠色,且不需要繁瑣的制備可切換溶劑過程的優(yōu)點(diǎn).與LLE-GC-MS相比,本方法具有萃取時(shí)間短、RSD小,萃取劑綠色等優(yōu)勢.因此,該方法是一種簡單、快速、靈敏、低成本和綠色的分析方法,可用于環(huán)境水樣中痕量烷基酚的分析檢測.
3 結(jié) 論
本文提出了一種基于原位形成低共熔溶劑的酸誘導(dǎo)-分散液液微萃取環(huán)境水樣中烷基酚的新方法.該方法以癸酸鈉作為分散液液微萃取的萃取劑,加入鹽酸后,癸酸鈉與鹽酸反應(yīng)生成癸酸,烷基酚通過與癸酸原位形成疏水性低共熔溶劑而被萃取.由于癸酸鈉完全溶于水,原位生成的癸酸均勻分散在水溶液中,加速萃取,不需使用有毒的有機(jī)溶劑作為分散劑.生成的癸酸熔點(diǎn)高于室溫,萃取在40 ℃水浴中進(jìn)行,萃取后,借助離心加速相分離,同時(shí)離心過程中,溶液冷卻,得到上層固體和下層液體的相分離溶液.在優(yōu)化條件下4-HP和4-NP的線性范圍為0.2~400μg·L-1,4-OP的線性范圍為0.3~400 μg·L-1,線性相關(guān)系數(shù)大于0.998 3.LOD和LOQ分別為 0.05~0.10μg·L-1和 0.2~0.3μg·L-1,日內(nèi)和日間精密度≤3.7%,富集倍數(shù)為21~38.與高效液相色譜-熒光檢測器聯(lián)用,應(yīng)用于檢測黃河水、衛(wèi)河水和湖水環(huán)境水樣中3種烷基酚的檢測,加標(biāo)回收率為 92.3%~115.7%.本方法具有簡便、快速、靈敏、低成本、綠色等優(yōu)點(diǎn),是一種新的液液微萃取模式,可拓展用于其他環(huán)境污染物的分離富集,可為黃河流域生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫提供數(shù)據(jù).
參 考 文 獻(xiàn)
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Acid-induced dispersive liquid-liquid microextraction based on in-situ formation deep eutectic solvents for determination of alkylphenols in environmental water samples via high performance liquid chromatography
Zhang Kaige, Chen Yanrong, Wang Ruoyan, Dong Shuang, Ding Wenbo, Wang Jing, Zhu Guifen
(School of Environment, Henan Normal University, Xinxiang 453007, China)
Abstract: In recent years, the water pollution of the Yellow River has become more and more serious, among which alkyl phenols are one of the important pollutants. A new acid-induced dispersive liquid-liquid microextraction based on in-situ formation of deep eutectic solvents was developed for extraction of alkylphenols in the Yellow River, Weihe River and lake water. In this method, sodium caprate was used as the extraction solvent, and after the addition of hydrochloric acid, sodium caprate reacted with hydrochloric acid to generate capric acid, and then alkylphenol was extracted by in-situ formation of hydrophobic deep eutectic solvent with the generated capric acid. Under the optimized conditions, the linear range of 4-heptylphenol and 4-nonylphenol was 0.2-400 μg·L-1, the linear range of 4-octylphenol was 0.3-400 μg·L-1, the limits of detection and quantification were 0.05-0.10μg·L-1 and 0.2-0.3μg·L-1, respectively. And the intra-and inter-day precisions were ≤3.7%. The enrichment factor was 21-38. Coupled with a high-performance liquid chromatography-fluorescence detector, this method was applied for the detection of alkylphenols in environmental water with the recoveries of 92.3%-115.7%. This method has the advantages of simplicity, speed, low cost and environment-friendly.
Keywords: deep eutectic solvents; in-situ formation; dispersive liquid-liquid microextraction; high-performance liquid chromatography; alkylphenol
[責(zé)任編校 趙曉華 劉洋]
河南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2025年3期