劉 程,陳 蕾,葉子雯,黃曉佳

(廈門大學環(huán)境與生態(tài)學院近海環(huán)境化學與毒理研究中心,福建 廈門 361005)

有機紫外防曬劑(organic ultraviolet filters,OUFs)由單個或多個苯環(huán)及一些疏水基團組合而成,是一類對紫外線具有較好吸收的化合物[1]。此類化合物被廣泛應用于防曬霜、口紅和洗發(fā)水等個人護理品的生產中,以減少紫外線對人體皮膚的傷害[2]。隨著OUFs使用量的日益增加,在生產和使用過程中,OUFs會通過多種途徑進入水環(huán)境。已有的研究表明,OUFs對人類具有內分泌干擾效應、遺傳毒性和生殖毒性等潛在危害[3]。因此急需發(fā)展可用于環(huán)境水樣中痕量OUFs的高靈敏檢測方法。

目前,常用于檢測OUFs的方法主要包括高校液相色譜法(HPLC)[4-6]和氣相色譜法(GC)[7],其中HPLC的應用更為廣泛。為了避免基底的干擾,同時實現(xiàn)對目標物的富集,在色譜分離測定之前需進行合適的樣品前處理。迄今為止,用于OUFs分析所采取的前處理方法主要包括固相萃取法(solid phase extraction,SPE)[8,9]、固相微萃取法(solid phase microextraction,SPME)[10]、分散液-液微萃取法(dispersive liquid-liquid microextraction,DLLME)[11]等。但是SPE操作過程較為繁瑣,而SPME和DLLME萃取容量相對較低。因此發(fā)展新的萃取方式對于OUFs的檢測具有重要的實際應用價值。磁固相萃取(magnetic solid-phase extraction,MSPE)由于操作簡便、萃取速度快、有機溶劑用量少等優(yōu)點,受到人們的廣泛關注[12-15]。

聚離子液體(PIL)由離子液體聚合而成,因此兼具聚合物和離子液體的優(yōu)良性質,如熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性及離子導電性強等,目前已成為理想的萃取介質[16,17]。本實驗室在前期研究中以1-烯丙基-3-甲基咪唑雙三氟黃酰亞胺鹽為單體,制備了一種新型聚離子液體功能化磁性材料(Fe3O4@PIL),由于其表面具有豐富的活性官能團,如咪唑基團、苯環(huán)和烷基等,因而該吸附劑展現(xiàn)了多重作用力機制,可實現(xiàn)對極性化合物的有效萃取[18]?；贠UFs的檢測現(xiàn)狀及MSPE的諸多優(yōu)點,本研究將自制的Fe3O4@PIL在MSPE模式下,用于萃取環(huán)境水樣中6種有機紫外防曬劑,并與高效液相色譜-二極管陣列檢測器(HPLC-DAD)聯(lián)用,建立了檢測環(huán)境水樣中痕量OUFs的高靈敏檢測方法。

1 實驗部分

1.1 儀器、試劑與材料

1260高效液相色譜儀(美國Agilent公司),配備四元泵、二極管陣列檢測器;RE3725i手動進樣器(美國Rheodyne公司),配備20 μL定量環(huán);Thermo C18色譜柱(250 mm×4.6 mm,5 μm)。

異丙醇、乙腈和甲醇(色譜純)均購自美國Tedia公司;超純水取自Milli-Q制水機(美國Millipore公司)。標準品:2,2′,4,4′-四羥基二苯甲酮(2,2,4,4-tetrahydroxy benzophenol,BP-2,純度>95%)、2-羥基-4-甲氧基二苯甲酮(2-hydroxy-4-methoxy-benzophenon,BP-3,純度>99%)、4-甲基苯亞甲基樟腦(3-(4′-methyl benzylidene)camphor,4-MBC,純度98%)、對甲氧基肉桂酸-2-乙基己酯(octyl 4-methoxycinnamate,OMC,純度98.5%)、二甲氨基苯酸辛酯(2-ethylhexyl 4-dimethylaminobenzoate,EDP,純度98.4%)、水楊酸辛酯(octyl salicylate,OS,純度98.6%)等均購自上海安譜實驗科技股份有限公司。環(huán)境水樣分別采自漳州九龍江、廈門芙蓉湖和茂林湖。磁性材料Fe3O4@PIL由本課題組自制,其詳細的合成可參考文獻[18],該材料粒徑在35 nm左右,飽和磁化強度為33.7 emu/g。Fe3O4@PIL的結構見圖1。

圖1 Fe3O4@PIL磁性粒子的結構式Fig.1 Structural formula of Fe3O4@PILPIL:polymeric ionic liquid.

1.2 標準溶液配制

分別稱取6種有機紫外防曬劑標準品各10.0 mg,用10 mL甲醇溶解,制得質量濃度為1 000 mg/L的單標準儲備液;再分別取1 mL單標準儲備液,用甲醇稀釋為100 mg/L的混合標準使用液,于4 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 萃取過程

將20 mg Fe3O4@PIL磁性粒子置于100 mL離心管中,用1.0 mL甲醇和1.0 mL超純水活化后,加入50 mL樣品溶液,在室溫下以200 r/min的速率振蕩12.0 min,待吸附完全后,借助外置磁鐵將粒子與樣品溶液分離。然后加入500 μL解吸溶劑乙醇,以170 r/min的速率振蕩1.0 min,所得的解吸液經0.22 μm尼龍濾頭過濾后,取20 μL直接進行HPLC-DAD檢測。Fe3O4@PIL磁性粒子則用甲醇和超純水洗滌后供下次使用。

1.4 色譜條件

色譜柱:Thermo C18柱(250 mm×4.6 mm,5 μm);柱溫:25 ℃;流動相:A為0.1%(v/v)甲酸水,B為乙腈;流速:1.0 mL/min。梯度洗脫程序:0～5.0 min,10%B～70%B;5.0～10.0 min,70%B～90%B;10.0～18.0 min,90%B;18.0～20.0 min,90%B～10%B;20.0 ～25.0 min,10%B。進樣體積:20 μL;檢測波長:311 nm。

2 結果與討論

2.1 萃取條件的優(yōu)化

2.1.1解吸溶劑

實驗首先考察了甲醇、乙醇和乙腈3種不同溶劑的解吸效果(見圖2a)。結果顯示,乙醇和乙腈的解吸效果較為接近且優(yōu)于甲醇,考慮到乙醇較乙腈更為低毒、環(huán)保,因此選擇乙醇作為解吸溶劑。

本實驗考察乙醇-1%(v/v)甲酸水的體積比對萃取效果的影響。圖2b為乙醇的體積分數(shù)對解吸效果的影響,除BP-2 (幾乎不受影響)外,其他目標物的解吸效果隨乙醇體積分數(shù)的降低出現(xiàn)了不同程度的減弱。因此,在后續(xù)實驗中選擇純乙醇作為解吸溶劑。

圖2 (a)不同解吸溶劑和(b)解吸溶劑中乙醇的體積分數(shù)對萃取效果的影響(n=3)Fig.2 Effect of(a)different elution solvents and thevolume percentages of ethanol in the desorption solvent on the extraction performance(n=3) BP-2:2,2,4,4-tetrahydroxy benzophenol;BP-3:2-hydroxy-4-methoxy-benzophenon;4-MBC:3-(4′-methyl benzylidene)camphor;OMC:octyl 4-methoxycinnamate;EDP:2-ethylhexyl 4-dimethylaminobenzoate;OS:octyl salicylate. Conditions:amount of Fe3O4@MAIDB,10 mg;adsorption time,10 min;desorption time,5 min;the spiked content:100 μg/L.

圖3 吸附時間對萃取效果的影響(n=3)Fig.3 Effect of adsorption time on the extraction performance(n=3) Using 500 μL ethanol as the desorption solvent.The other conditions were the same as those in Fig.2.

2.1.2吸附和解吸附時間

本實驗以2.0 min為間隔考察了吸附時間為2.0～14.0 min時對吸附效果的影響(見圖3)。結果顯示,當吸附時間從2.0 min增至10.0 min時,Fe3O4@PIL磁性粒子對6種紫外防曬劑的吸附效果明顯增強;當吸附時間超過10.0 min時,除EDP外,其他物質的吸附效果仍有緩慢上升的趨勢。綜合考慮靈敏度和所需時間,確定選擇12.0 min為最佳吸附時間。

同時對解吸附時間進行了考察,結果表明,解吸附1.0 min足以使目標物解吸完全。

表1 6種有機紫外防曬劑的線性范圍、相關系數(shù)、檢出限、定量限和精密度Table1 Linear ranges,correlation coefficients(R2),LODs,LOQs and precisions of the six organic ultraviolet filters

圖4 樣品pH值對萃取效果的影響(n=3)Fig.4 Effect of sample pH values on the extraction performance(n=3) Adsorption and desorption time were 12.0 min and 1.0 min,respectively.The other conditions were the same as those in Fig.3.

2.1.3樣品pH值

樣品pH值可影響目標化合物和Fe3O4@PIL中所含極性官能團的存在形態(tài),從而影響萃取效果。圖4為萃取效果在pH為2.0～9.0時目標化合物的變化趨勢。結果顯示,pH為7.0時吸附效果最佳,原因可能是低pH值時,吸附劑表面的咪唑基團質子化,因此Fe3O4@PIL主要通過π-π作用和疏水作用吸附目標化合物。當pH值升高后,吸附劑的咪唑基團去質子化,這時氫鍵和偶極-偶極作用也參與萃取,因此萃取效率隨之升高。但當樣品pH值高于目標物的pKa值時(pKa7.6～8.1),OUFs中的酚羥基解離,目標物呈離子狀態(tài)而易溶于水;同時,樣品溶液中過多的OH-會削弱吸附劑與目標物間氫鍵和偶極-偶極作用,這兩方面因素導致萃取性能的下降。因此,根據(jù)實驗結果和上述討論,最佳樣品pH值設為7.0。

2.1.4離子強度

本實驗還考察了100 mL水樣中NaCl的加入量(5～20 g)對萃取效果的影響。由圖5可知,NaCl的加入抑制了目標物的吸附,這可能是因為溶液離子強度的增加,使得目標物與溶液間的靜電作用力增強,目標物在溶液中的溶解增加從而導致萃取效果的下降。因此后續(xù)實驗選擇不調節(jié)樣品的離子強度。

圖5 離子強度對萃取效果的影響(n=3)Fig.5 Effect of ionic strength on the extraction performance(n=3) The pH value of matrix was set at 7.0.The other conditions were the same as those in Fig.4.

2.2 方法評價

在最佳萃取條件下,以超純水為基底,配制系列質量濃度為0.2、0.5、1.0、5.0、10.0、50.0、100.0和200.0 μg/L的標準工作液,建立標準工作曲線,對方法的線性范圍、檢出限(LOD)、定量限(LOQ)等參數(shù)進行考察,結果見表1。結果表明,除OS (線性范圍為0.5～200.0 μg/L)外,其他有機紫外防曬劑的線性范圍為0.2～200.0 μg/L,線性相關性良好,相關系數(shù)(R2)均>0.993;LOD(S/N=3)和LOQ(S/N=10)分別為0.0091～0.13 μg/L和0.031～0.43 μg/L;日內、日間重復性良好,相對標準偏差(RSD)均小于10%。

另外,研究對Fe3O4@PIL的制備重復性進行了考察,不同批次制備得到的吸附劑對BP-2、BP-3、4-MBC、OMC、EDP和OS萃取性能的RSD值分別為3.2%、5.6%、1.9%、5.2%、6.3%和3.3%,良好的制備重復性有利于所建方法的推廣使用。

2.3 實際樣品測定及加標回收率

將本方法應用于九龍江水和兩處湖水中目標防曬劑類化合物的檢測,測定結果見表2。除BP-2外,其他目標物均有檢出,含量為0.25～0.57 μg/L?？疾鞓悠芳訕撕糠謩e為1.0、10.0和100.0 μg/L時的加標回收率,結果顯示,目標化合物的加標回收率為71.4%～120%,RSD為0.53%～9.4%。

表2 實際樣品中6種有機紫外防曬劑的含量和加標回收率Table2 Contents and recoveries of the six organic ultraviolet filters in real samples

ND:not detected.

圖6 經Fe3O4@PIL富集后6種有機紫外防曬劑類的色譜圖Fig.6 Chromatograms of the six organic ultraviolet filters treated with Fe3O4@PILa.blank sample;b.spiked sample (100.0 μg/L).

圖6為最佳萃取條件下,加標100.0 μg/L的實際水樣經Fe3O4@PIL-MSPE富集前后的色譜圖。結果表明,經富集后,目標化合物的峰高明顯增加,同時富集后沒有雜峰干擾。

2.4 與其他方法比較

為了進一步說明方法的特點,將本方法的萃取時間、有機溶劑用量、檢出限和加標回收率與其他方法進行比較,結果見表3。與攪拌棒分散微萃取(SBSDμE)[13]和SPME[10,16-19]等前處理方法相比,本方法萃取快速,僅需13 min;與SPE[14]和SPME[9,16,19]方法相比,本方法有機溶劑消耗量少,更符合綠色化學的要求。此外,本方法的檢出限低于相同檢測器所得的LOD值[2,10,16-20],甚至低于采用SBSDμE-GC/MS時的LOD值[13]。因此本方法適用于環(huán)境水樣中痕量有機紫外防曬劑類物質的快速高靈敏檢測。

表3 本方法與其他方法的比較Table3 Comparison of the present method with other methods

SBSDμE:stir bar sorptive-dispersive microextraction;IT:in-tube;MSPE:magnetic solid-phase extraction;DAD:diode array detection.

3 結論

本研究采用自制的新型功能化磁性材料Fe3O4@PIL萃取環(huán)境水樣中6種有機紫外防曬劑,并與高效液相色譜聯(lián)用,建立了檢測環(huán)境水樣中痕量有機紫外防曬劑的MSPE-HPLC/DAD方法,在優(yōu)化萃取條件下取得了令人滿意的結果。研究結果表明，所建方法具有操作簡便、萃取速度快、成本低廉、靈敏度高和環(huán)境友好等優(yōu)點,具有較好的應用前景。