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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)和熱點(diǎn)內(nèi)容,而發(fā)展簡(jiǎn)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(zhǎng)過(guò)程中噴灑使用,但毒性強(qiáng),大量使用會(huì)對(duì)人類健康造成威脅,且目前并沒(méi)有針對(duì)敵草快中毒的特效藥[3]。因此,準(zhǔn)確檢測(cè)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(wèn)題,在檢測(cè)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(guò)程簡(jiǎn)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(diǎn),設(shè)計(jì)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(jì)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(diǎn)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(diǎn)是可通過(guò)調(diào)整PIL結(jié)構(gòu)中的陰/陽(yáng)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(qiáng),作為堿性的陽(yáng)離子有機(jī)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(yáng)離子,故通常使用極性溶劑將其從食品樣品中提取出來(lái),而提供疏水作用的親脂性吸附劑對(duì)敵草快吸附能力低[14],難以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(yáng)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(duì)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(jí)孔共價(jià)有機(jī)框架材料作為表面輔助激光解吸/電離飛行時(shí)間質(zhì)譜的基質(zhì)和吸附劑,用于敵草快的測(cè)定,此共價(jià)有機(jī)框架材料可通過(guò)靜電吸引作用高效富集敵草快。由此推測(cè),對(duì)PIL進(jìn)行磺酸功能化,通過(guò)磺酸功能基團(tuán)賦予吸附劑的豐富負(fù)電荷與帶正電荷的敵草快之間的強(qiáng)相互作用,有望實(shí)現(xiàn)對(duì)食品中敵草快的有效萃取。

在本實(shí)驗(yàn)中,擬合成磺酸功能化的離子液體單體,進(jìn)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(cè)定青菜中的敵草快。對(duì)影響MSPE過(guò)程的各種參數(shù)如溶液pH、吸附劑用量、吸附時(shí)間、解吸劑的種類和體積等進(jìn)行了優(yōu)化,并對(duì)方法性能和適用性進(jìn)行了考察。

1 實(shí)驗(yàn)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(cè)器和7725i手動(dòng)進(jìn)樣閥(美國(guó)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(jì)(日本島津公司), 7404振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM,美國(guó)Lake Shore公司), SU8020場(chǎng)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(guó)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(gòu)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(gòu)自山東蜀王實(shí)業(yè)有限公司,FeCl3·6H2O和FeSO4·7H2O購(gòu)自天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所,氫氧化鈉購(gòu)自西隴化工股份有限公司,檸檬酸鈉購(gòu)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(lán)(>99%)和莧菜紅(>99%)購(gòu)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(dòng)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(cè)波長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)室以前的工作[17],通過(guò)共沉淀法合成Fe3O4磁性納米顆粒,用正硅酸乙酯對(duì)Fe3O4進(jìn)行修飾得到Fe3O4@SiO2,用乙烯基三乙氧基硅烷對(duì)其進(jìn)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?dú)?機(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)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?dú)獗Ｗo(hù)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(duì)[VPImi-SO3H][Cl]進(jìn)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(guò)蒸餾沉淀聚合的方式將磺酸基功能化離子液體原位共價(jià)聚合在磁性顆粒上,具體過(guò)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?dú)?室溫下機(jī)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(gè)制備過(guò)程見(jiàn)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(guò)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(chǔ)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(chǔ)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(gòu)自當(dāng)?shù)爻?洗去泥土后用榨汁機(jī)將其打碎,放入冰箱冷藏備用。以沒(méi)有檢測(cè)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(guò)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(guò)濾后,取10 μL進(jìn)HPLC儀分析(見(jiàn)圖2)。

圖 2 磁性固相萃取過(guò)程及其萃取機(jī)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(duì)Fe3O4@SiO2而言,在559 cm-1有Fe-O的特征峰,在1 091 cm-1處有較強(qiáng)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(dòng)引起。Fe3O4@SiO2@VTES在1 091 cm-1與3 300 cm-1附近的吸收峰強(qiáng)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(shí),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(dòng)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(dòng)[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(qiáng)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(jìn)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(shí)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(qiáng)度表征,其VSM曲線經(jīng)過(guò)原點(diǎn),飽和磁強(qiáng)度為38.3 emu/g,說(shuō)明該材料具有順磁性,具有相當(dāng)大的磁性,能方便地通過(guò)外界磁場(chǎng)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(yuǎn)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(duì)(a)莧菜紅和(b)亞甲基藍(lán)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(píng)價(jià)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(jī)理,實(shí)驗(yàn)首先選取了莧菜紅與亞甲基藍(lán)2種染料分別作為陰離子和陽(yáng)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(duì)萃取效率的影響

吸附時(shí)間是MSPE中影響萃取效率的一個(gè)重要因素,同時(shí)也是評(píng)價(jià)吸附劑性能的一個(gè)重要指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)考察了吸附時(shí)間(1～60 min)對(duì)萃取效率的影響,結(jié)果如圖5b所示。隨著吸附時(shí)間的增加,萃取效率逐漸增大;當(dāng)吸附時(shí)間為15 min時(shí),吸附已經(jīng)達(dá)到平衡;吸附時(shí)間進(jìn)一步增大幾乎對(duì)萃取效率無(wú)影響。因此,選擇15 min作為吸附時(shí)間。

圖 5 (a)氨水體積、(b)吸附時(shí)間、(c)吸附劑用量、(d)解吸劑種類、(e)解吸劑體積和(f)解吸時(shí)間對(duì)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(guò)程中提供了與目標(biāo)物相互作用的作用位點(diǎn),其用量會(huì)對(duì)萃取效率產(chǎn)生重要影響。實(shí)驗(yàn)選取了5、10、15、30和50 mg吸附劑,以考察其用量對(duì)萃取效率的影響。由圖5c可知,吸附劑用量在5～30 mg時(shí),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(duì)萃取效率的影響

在MSPE過(guò)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(duì)萃取效率有重要影響?；赑oly([VPImi-SO3H][Cl])-MP在低pH條件下對(duì)敵草快的萃取效率較低,實(shí)驗(yàn)通過(guò)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?？梢钥闯?相對(duì)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(shí)驗(yàn)同時(shí)考察了解吸劑體積(50～1 000 μL)對(duì)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(shí),實(shí)驗(yàn)中僅依靠進(jìn)10 μL樣所得峰面積并不能真實(shí)反映解吸劑解吸下來(lái)的敵草快的量,難以準(zhǔn)確判斷解吸劑體積對(duì)萃取效率的影響。故圖中峰面積為進(jìn)樣10 μL所得峰面積乘以解吸劑體積與進(jìn)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(duì)吸附在Poly([VPImi-SO3H][Cl])-MP上的敵草快進(jìn)行解吸。實(shí)驗(yàn)選取解吸時(shí)間為20 s、40 s、1 min、2 min和3 min,考察其對(duì)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(lái),故選取解吸時(shí)間為1 min。

2.4 方法評(píng)價(jià)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(duì)方法的性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。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(gè)水平(0.4、2.0和10.0 μg/g)下,重復(fù)測(cè)定3次的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為2.7%～4.2%。

用建立的方法對(duì)青菜樣品進(jìn)行了測(cè)定,以評(píng)價(jià)方法的適用性。樣品中分別加入3個(gè)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(jìn)行測(cè)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(jiàn)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(cè)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(jià)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(duì)其結(jié)構(gòu)、形貌和磁性進(jìn)行了表征?；撬峄鶊F(tuán)的修飾使Poly([VPImi-SO3H][Cl])-MP表面在一定pH條件下帶有豐富負(fù)電荷,與帶正電荷的敵草快之間存在強(qiáng)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(cè)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(cè)定提供了一種新途徑。