郭亭秀，婁大偉，連麗麗，王希越，陳慧君,3，李秋穎，王潤(rùn)楠

(1.吉林化工學(xué)院　化學(xué)與制藥工程學(xué)院，吉林　吉林　132022；2.東北師范大學(xué)　化學(xué)學(xué)院，吉林長(zhǎng)春　130024；3.吉林大學(xué)　化學(xué)學(xué)院，吉林　長(zhǎng)春　130012)

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Fe3O4@NiSiO3對(duì)水中痕量微囊藻毒素的萃取

郭亭秀1,2，婁大偉1*，連麗麗1，王希越1，陳慧君1,3，李秋穎1，王潤(rùn)楠1

(1.吉林化工學(xué)院化學(xué)與制藥工程學(xué)院，吉林吉林132022；2.東北師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130024；3.吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130012)

通過水熱合成法和溶膠凝膠法制備Fe3O4@NiSiO3磁性納米粒子，該納米粒子微球具有均一的形貌、良好的磁性和分散性。將合成的Fe3O4@NiSiO3磁性納米粒子作為磁性固相萃取(MSPE)介質(zhì)，并結(jié)合高效液相色譜(HPLC)建立了水樣中痕量微囊藻毒素MC-LR的分析方法。在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件下，方法在0.25～146.5 μg/L濃度范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)(r)為0.999 1，檢出限為0.011 μg/L。將該方法用于純水中微囊藻毒素的分析，回收率為81.0%，對(duì)實(shí)際水樣的回收率為66.7%～72.0%。表明Fe3O4@NiSiO3磁性納米粒子具有良好的選擇性富集能力，可用于水中痕量微囊藻毒素的萃取。

磁性固相萃??；高效液相色譜；微囊藻毒素；磁性納米粒子

世界范圍內(nèi)的水體富營(yíng)養(yǎng)化導(dǎo)致水中有毒微生物大量繁殖，淡水資源中主要的有毒微生物是藍(lán)藻，藍(lán)藻大量繁殖時(shí)會(huì)釋放有毒物質(zhì)微囊藻毒素(Microcystins，MCs)。MCs具有環(huán)狀七肽結(jié)構(gòu)，至今已發(fā)現(xiàn)80余種變體，其中Microcystins-LR(MC-LR)最有代表性。MCs能夠誘發(fā)肝癌，由其引起的中毒事件時(shí)有發(fā)生，因此藍(lán)藻爆發(fā)引起的淡水水源污染問題引起了人們的高度關(guān)注[1-5]。

固相萃取(SPE)是近年來發(fā)展迅速的一種樣品前處理技術(shù)，具有操作簡(jiǎn)單、消耗有機(jī)溶劑少和富集效率高等特點(diǎn)。磁性固相萃取(MSPE)是在其基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型樣品前處理技術(shù)，MSPE的應(yīng)用使得洗脫溶劑用量大為減少，避免了SPE技術(shù)吸附柱易堵的問題，而且MSPE使用的磁性材料可重復(fù)利用[6-7]，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于環(huán)境和食品等領(lǐng)域中痕量物質(zhì)的萃取分析[8-10]。磁性粒子的合成方法有水熱法、膠束法和熱分解法等，水熱法因制備的磁性粒子純度高、分散性好和大小可控而被廣泛使用[11]。常見的磁性納米粒子以磁鐵礦(Fe3O4)和赤鐵礦(γ-Fe2O3)為主，為防止其被氧化并使之擁有特異性，常對(duì)其表面進(jìn)行修飾，包裹二氧化硅是最常見的手段[12-14]。微囊藻毒素的檢測(cè)有多種方法[15-17]，其中高效液相色譜法因準(zhǔn)確度和重復(fù)性好而被廣泛使用。近年來，樣品前處理(包括固相萃取、微波萃取、超臨界萃取等)與高效液相色譜檢測(cè)技術(shù)結(jié)合常被用于痕量物質(zhì)的分離分析，前者可排除對(duì)色譜檢測(cè)的不利因素，后者為前者提供了分析條件[18-19]。

本文首先采用水熱法制備出球形的Fe3O4，并將其表面包覆硅外殼，再由Fe3O4@SiO2制備出Ni2+修飾的磁性納米粒子。該制備方法簡(jiǎn)單，且合成的Fe3O4@NiSiO3納米微球具有磁性強(qiáng)、比表面積大、可重復(fù)利用等特點(diǎn)，其表面具有強(qiáng)配位能力的金屬Ni2+，使得Fe3O4@NiSiO3可以通過配位作用將水中痕量的生物毒素MC-LR選擇性地富集于其表面?；诖?，本文利用Fe3O4@NiSiO3對(duì)MC-LR的萃取性能，對(duì)吸附劑用量、萃取時(shí)間、洗脫液配比等因素進(jìn)行優(yōu)化后，建立了大體積水樣中痕量生物毒素MC-LR的MSPE技術(shù)，并與HPLC聯(lián)用實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)物的準(zhǔn)確定量分析。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1儀器與試劑

1260高效液相色譜(美國(guó)Agilent 公司)，H-800型透射電子顯微鏡(日本Hitachi公司)，JSM-6700F型冷場(chǎng)掃描電子顯微鏡(日本JEOL公司)，MPMSXL-5震動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(美國(guó)Quantum Design公司)，Milli-Q超純水系統(tǒng)(美國(guó)Millipore公司)，N-EVAPTM111氮吹儀(美國(guó)Organomation公司)，As3120超聲波清洗器(加拿大Autoscience公司)，DZF-6051真空干燥箱(上海一恒科學(xué)儀器有限公司)，F(xiàn)P115鼓風(fēng)干燥箱(德國(guó)賓得公司)，XW-80A型旋渦混合儀(海門市其林貝爾儀器制造有限公司)。

微囊藻毒素(MC-LR，臺(tái)灣Algal Science公司)，配成5 000 μg/L的標(biāo)準(zhǔn)品儲(chǔ)備液，于 4 ℃冰箱中避光保存。甲醇、乙腈、異丙醇、丙酮(色譜純，瑞典歐普森公司)；三氟乙酸(色譜純)、NiCl2·6H2O(分析純)購(gòu)自于阿拉丁化學(xué)試劑公司；實(shí)驗(yàn)用超純水和二級(jí)水均由Milli-Q超純水系統(tǒng)制備；無水醋酸鈉(天津大茂化學(xué)試劑制造有限公司)；正硅酸乙酯(TEOS)、氯化銨、氨水(天津市北方天醫(yī)化學(xué)試劑)；乙二醇、三氯化鐵(天津市永大化學(xué)試劑開發(fā)中心)；聚乙二醇(成都市聯(lián)合化工試劑研究所)；除特別注明外，所用試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為蒸餾水。

1.2核殼結(jié)構(gòu)磁性納米粒子的制備

1.2.1Fe3O4磁性納米粒子的制備Fe3O4磁性納米粒子的制備采用水熱合成法[20]，稱取1.35 g的 FeCl3·6H2O分散在40 mL乙二醇中，攪拌均勻后加入3.60 g NaAc和1.00 g聚乙二醇，持續(xù)攪拌直至形成均一黏稠液體。將混合液轉(zhuǎn)移到50 mL水熱合成釜中，在180 ℃下反應(yīng)8 h，冷卻至室溫后，利用磁鐵分離出黑色固體Fe3O4納米粒子，經(jīng)多次水洗和醇洗后，于真空條件下60 ℃ 干燥2 h，回收備用。

1.2.2Fe3O4@SiO2磁性納米粒子的制備稱取0.1 g的Fe3O4磁性納米粒子，用50 mL 0.1 mol/L的HCl溶液超聲處理20 min，經(jīng)磁鐵磁性分離處理后的Fe3O4納米粒子，用水多次洗滌至中性，并將其分散到含有75 mL無水乙醇和25 mL二級(jí)水的四頸燒瓶中，同時(shí)加入2 mL氨水(28%)，攪拌均勻后逐滴緩慢加入TEOS，加入比例為n(TEOS)∶n(Fe3O4)=5∶1，機(jī)械攪拌3 h后，磁鐵磁性分離Fe3O4@SiO2，經(jīng)多次水洗和醇洗后，真空條件下60 ℃ 干燥2 h，回收備用。

1.2.3Fe3O4@NiSiO3粒子的制備將0.1 g Fe3O4@SiO2分散在20 mL二級(jí)水中，依次加入0.238 g NiCl2·6H2O和0.535 g NH4Cl于另外20 mL二級(jí)水中，同時(shí)加入1 mL氨水(28%)，將兩份水溶液超聲均勻后再混合，轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，140 ℃下反應(yīng)12 h，冷卻后用磁鐵分離Fe3O4@NiSiO3，經(jīng)多次水洗和醇洗，真空干燥2 h，裝瓶備用。

1.3高效液相色譜檢測(cè)條件

色譜柱：Agilent SB-C18(150 mm ×4.6 mm，5 μm)；柱溫：30 ℃；檢測(cè)波長(zhǎng)：238 nm；流動(dòng)相：甲醇-0.1%三氟乙酸水溶液(65∶35)，流速：1 mL/min；進(jìn)樣量：20 μL。依據(jù)保留時(shí)間進(jìn)行定性。

1.4磁性固相萃取

稱取一定質(zhì)量的Fe3O4@NiSiO3分散至10 mL MC-LR樣品溶液中，渦流振蕩一定時(shí)間后，將磁鐵置于樣品瓶一側(cè)分離出負(fù)載MC-LR的Fe3O4@NiSiO3，加入一定配比的洗脫液對(duì)磁性粒子表面的MC-LR進(jìn)行超聲洗脫，氮?dú)鉂饪s后加入200 μL超純水定容，進(jìn)行高效液相色譜分析。

2　結(jié)果與討論

2.1磁性納米粒子的表征

采用掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)和震動(dòng)磁強(qiáng)計(jì)對(duì)磁性納米粒子的形貌及磁飽和度進(jìn)行表征。圖1A、B為Fe3O4@NiSiO3的SEM圖，可觀察到Fe3O4@NiSiO3呈球狀，其粒徑均一、表面粗糙。圖1C為Fe3O4@NiSiO3的TEM圖，其粒徑約為250 nm，呈核殼結(jié)構(gòu)，核為黑色的實(shí)心球體Fe3O4，表面包覆布滿毛刺的空心NiSiO3外殼。毛刺狀硅酸鎳外殼的成功修飾不但增大了磁性粒子的比表面積，而且通過Ni2+與MC-LR分子中羧基與氨基的配位作用，增強(qiáng)了其對(duì)MC-LR的選擇性萃取能力。由磁性納米粒子的磁滯回線圖可觀察到，磁性納米粒子的磁力曲線平滑，表明該粒子具有較好的順磁性，其飽和磁性(Ms)值為 20.14 emu/g(圖1D)。

圖1　磁性納米粒子Fe3O4@NiSiO3的掃描電鏡(A，B)、透射電鏡(C)和磁滯回線(D)圖Fig.1　Photographs of scanning electron microscope(A，B)，transmission electron microscope(C) and hysteresis loop(D) of Fe3O4@NiSiO3 magnetic nanoparticles

圖2　MC-LR標(biāo)準(zhǔn)溶液的高效液相色譜圖Fig.2　HPLC chromatogram of MC-LR standard solution

2.2磁性固相萃取條件的優(yōu)化

2.2.1HPLC檢測(cè)結(jié)果1 000 μg/L MC-LR標(biāo)準(zhǔn)品在HPLC條件下的色譜圖如圖2所示。各磁性固相萃取條件優(yōu)化過程中得到的樣品均在此條件下進(jìn)行檢測(cè)。

2.2.2吸附條件分別將2～18 mg Fe3O4@NiSiO3加至10 mL 20 μg/L的MC-LR加標(biāo)溶液中，考察了吸附劑用量的影響。結(jié)果顯示，在2～12 mg范圍內(nèi)，隨著吸附劑的加入量增大，MC-LR的回收率增加，12 mg時(shí)達(dá)到最大回收率，繼續(xù)增大加入量時(shí)回收率開始下降。因此選擇12 mg作為Fe3O4@NiSiO3吸附劑的加入量。

稱取12 mg Fe3O4@NiSiO3加至10 mL 20 μg/L的MC-LR樣品溶液中，考察了萃取時(shí)間分別為10，20，30，40，50，60 min時(shí)的回收率。結(jié)果顯示，在10～30 min范圍內(nèi)，隨著萃取時(shí)間的延長(zhǎng)，MC-LR的回收率逐漸增加，當(dāng)萃取時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)(30～60 min)時(shí)，回收率變化不大，說明30 min已達(dá)到萃取平衡。因此選擇30 min為最佳萃取時(shí)間。

圖3　不同比例乙腈對(duì)MC-LR洗脫的影響Fig.3　Effect of different proportions of acetonitrile for MC-LR elutedFe3O4@ NiSiO3 NPs：12 mg;sample：10 mL 20 μg/L MC-LR;extraction time：30 min;desorption elution volume：200 μL，acetonitrile-0.2% CF3COOH;desorption time：30 min；desorption times：three times

2.2.3解吸條件洗脫液的選擇對(duì)回收率具有重要影響。分別選擇甲醇、乙腈、異丙醇、丙酮作為洗脫液進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明乙腈具有最高的萃取效率。然后選擇200 μL不同比例的乙腈-0.2%三氟乙酸水溶液作為洗脫劑，在超聲條件下對(duì)吸附劑表面的MC-LR進(jìn)行洗脫，結(jié)果如圖3所示。當(dāng)乙腈-0.2%三氟乙酸水溶液體積比為3∶1時(shí)，MC-LR的回收率最高。對(duì)洗脫時(shí)間的考察結(jié)果表明，最佳解吸附時(shí)間為15 min，此時(shí)達(dá)到解吸平衡。

洗脫液的pH值直接影響吸附劑及MC-LR分子的表面電荷，通過在洗脫液中加入三氟乙酸，考察了pH值對(duì)萃取結(jié)果的影響(調(diào)整水中三氟乙酸的體積分?jǐn)?shù)分別為0%，0.1%，0.2%，0.3%)。結(jié)果顯示，三氟乙酸的加入可顯著增強(qiáng)洗脫效果，當(dāng)其體積分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)，MC-LR的回收率最大。因此實(shí)驗(yàn)選擇水中三氟乙酸的最佳體積分?jǐn)?shù)為0.2%。

為提高回收率，研究了洗脫次數(shù)對(duì)萃取結(jié)果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明洗脫2次時(shí)已洗脫完全，在該條件下，磁性粒子對(duì)10 mL 20 μg/L 的MC-LR樣品液中MC-LR的回收率可達(dá)81.0%。因此選擇最佳洗脫次數(shù)為2次。

2.3方法驗(yàn)證

在最優(yōu)條件下對(duì)方法性能指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，MC-LR的質(zhì)量濃度(x，μg/L)在0.25～146.5 μg/L范圍內(nèi)與其峰面積(y)呈良好線性，線性回歸方程為y=1.403 6x+2.660 7，相關(guān)系數(shù)(r)為0.999 1。分別以S/N=3和S/N=10確定該方法的檢出限(LOD)和定量下限(LOQ)，其中LOD為0.011 μg/L，LOQ為0.031 μg/L，低于目前使用的SPE/HPLC方法[21-22]。由于本方法的LOD及LOQ均遠(yuǎn)低于國(guó)家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的地表水源中微囊藻毒素允許的最高濃度(1 μg/L)，因此可實(shí)現(xiàn)環(huán)境水中痕量微囊藻毒素的準(zhǔn)確定量分析。

2.4實(shí)際水樣的應(yīng)用

采用本方法，對(duì)取自吉林市松花江的水樣進(jìn)行萃取與分析，結(jié)果未檢出微囊藻毒素。對(duì)該實(shí)際水樣進(jìn)行2.5，20，49.5 μg/L 3個(gè)濃度水平的加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，回收率分別為66.7%，69.9%和72.0%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD，n=3)分別為6.9%，3.5%和5.2%。該方法對(duì)10 mL 20 μg/L 的MC-LR加標(biāo)實(shí)際水樣的回收率約為70.0%。與純水樣中MC-LR的萃取結(jié)果相比，MC-LR的回收率略有下降，這是由于實(shí)際水樣的基質(zhì)復(fù)雜，其中無機(jī)鹽類、雜質(zhì)及有機(jī)物的存在影響了MC-LR在Fe3O4@ NiSiO3表面的吸附過程。

3　結(jié)　論

本文制備了一種磁性強(qiáng)、分散性好的新型復(fù)合磁性納米粒子，將其作為固相萃取吸附劑用于水樣中微囊藻毒素的萃取，并建立了水樣中痕量微囊藻毒素檢測(cè)的MSPE/HPLC技術(shù)。該方法具有有機(jī)溶劑用量少、富集倍數(shù)高、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，在水中痕量生物毒素的分析領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

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Extraction of Trace Microcystins in Water Using Fe3O4@NiSiO3

GUO Ting-xiu1,2，LOU Da-wei1*，LIAN Li-li1，WANG Xi-yue1，CHEN Hui-jun1,3，LI Qiu-ying1，WANG Run-nan1

(1.College of Chemistry and Pharmaceutical Engineering，Jilin Institute of Chemical Technology，Jilin132022，China;2.College of Chemistry，Northeast Normal University，Changchun130024，China;3.College of Chemistry，Jilin University，Changchun130012，China)

The Fe3O4@NiSiO3magnetic nanoparticles(NPs) were prepared by hydrothermal synthesis and sol-gel method.The nanoparticles microspheres have uniform morphology，good magnetic properties and dispersion.In this study，the synthesized NPs as a magnetic solid phase extraction(MSPE) media were combined with high performence liquid chromatography(HPLC) to develop an effective method for the detection of trace microcystin-LR(MC-LR) in water samples.After optimizing the MSPE and HPLC chromatographic conditions，the method showed a good linear relationship in the range of 0.25-146.5 μg/L with correlation coefficient(r) of 0.999 1.The detection limit was 0.011 μg/L.The method was applied in the analysis of microcystin toxins in pure water sample and actual water samples with recoveries of 81.0% and 66.7%-72.0%，respectively.The results showed that Fe3O4@NiSiO3magnetic nanoparticles have good enrichment capability，and could be effectively used for the extraction of trace microcystin in water.

magnetic solid-phase extraction(MSPE);high performance liquid chromatography(HPLC);microcystins(MCs);magnetic nanoparticles

2016-01-19；

2016-03-08

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21375046)；吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20130521024JH,2013C041)；吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(2013313)

婁大偉，博士，教授，研究方向：現(xiàn)代色譜分離分析方法及樣品前處理技術(shù)，Tel：0432-63083163，E-mail：dwlou@hotmail.com

研究簡(jiǎn)報(bào)

10.3969/j.issn.1004-4957.2016.09.011

O657.72;S852.44

A

1004-4957(2016)09-1137-05