包 月, 翟怡鑫, 寧 濤, 陳 品, 朱書奎

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢), 生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國家重點實驗室, 湖北 武漢 430074)

對羥基苯甲酸酯是一類抗菌防腐劑,通過破壞細胞膜和胞內(nèi)蛋白質(zhì)并改變微生物細胞酶活性,起到防腐的作用。對羥基苯甲酸酯具有易生產(chǎn)、抗菌效果好、價格便宜等優(yōu)點,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)境中對羥基苯甲酸酯濃度也相應(yīng)增加,例如在地表水中已有對羥基苯甲酸酯的檢出記錄[3]。同時,部分地方農(nóng)業(yè)灌溉用水中對羥基苯甲酸酯的濃度較高，且對廢水處理不當(dāng),導(dǎo)致土壤和地下水中出現(xiàn)對羥基苯甲酸酯的污染[4,5]。長期使用含對羥基苯甲酸酯防腐劑的化妝品會對人體皮膚產(chǎn)生潛在傷害,同時一些藥品和保健品中添加的對羥基苯甲酸酯也可能進入到人體中,干擾內(nèi)分泌系統(tǒng)的正常運行,例如可能導(dǎo)致女性乳腺癌發(fā)病率的增加[6,7]。因此,很多國家已經(jīng)對這類新興污染物制定了嚴格的監(jiān)管政策,例如在中國和日本,環(huán)境水域中對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)品中每種對羥基苯甲酸酯的最大含量為0.4%,且對羥基苯甲酸酯的總含量不超過0.8%[2]。為了有效監(jiān)管和控制對羥基苯甲酸酯的使用,建立復(fù)雜基質(zhì)中對羥基苯甲酸酯的簡單、快速、靈敏的樣品前處理及分析方法尤為重要。

目前為止報道了多種樣品前處理方法用于不同樣品中對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)展起來的一種新型樣品前處理技術(shù),具有操作簡便、萃取時間短、樣品用量小、有機溶劑用量少、成本低并且環(huán)境友好等優(yōu)勢[13]。磁性吸附劑的選擇對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]、磁性金屬有機框架[17]和磁性共價有機框架[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,共價有機框架(COF)是通過共價鍵將有機構(gòu)建模塊連接在一起而形成的一類晶體有機多孔結(jié)構(gòu),主要由輕元素(H、B、C、N和O)組成,呈現(xiàn)出二維或三維的拓撲結(jié)構(gòu)[19]。COF具有獨特的物理和化學(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,在氣體吸附與儲存、多相催化、能量儲存和污染物的去除、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)計性和易于功能化等特點也可用于制備性能優(yōu)異的磁性吸附劑,例如根據(jù)目標污染物的結(jié)構(gòu)與特性來設(shè)計COF材料,構(gòu)建出新型磁性納米復(fù)合材料用于特定目標分子的萃取。

在本研究中,我們運用了一種綠色溫和的方法,在室溫條件下通過聯(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種對羥基苯甲酸酯的方法。

1 實驗部分

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、乙腈購于上海國藥集團化學(xué)試劑有限公司,均為分析純;聯(lián)苯胺(benzidine, Bd)購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)、對羥基苯甲酸乙酯(ethylparaben, EtP)、對羥基苯甲酸丙酯(propylparaben, PrP)、對羥基苯甲酸丁酯(butylparaben, BuP)、對羥基苯甲酸苯甲酯(benzylparaben, BzP)均購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種對羥基苯甲酸酯的結(jié)構(gòu)式、分子式和logKow。

圖 1 4種對羥基苯甲酸酯的結(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紫外檢測器(日本島津有限公司), Nicolet iS20傅里葉變換紅外光譜儀(美國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高分辨場發(fā)射掃描電鏡儀(日本日立公司), 7404振動樣品磁強計(美國LakeShore公司), TGA 550熱重分析儀(美國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(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(力康國際貿(mào)易(上海)有限公司)制得。

1.2 標準樣品的配制

分別稱取對羥基苯甲酸酯標準樣品,溶解于甲醇中,配制成200 mg/L的單標準儲備液,然后用甲醇稀釋依次配制成20 mg/L和2 mg/L的單標準儲備液。取一定量的單標準儲備液依次配制成200、20和2 mg/L的4種對羥基苯甲酸酯的混合標準儲備液。以上標液均在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,按照先前的文獻合成了四氧化三鐵納米粒子[24]。簡而言之,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進行冷凍干燥以備進一步使用[25]。

1.4 樣品采集與處理

在武漢市東湖和長江邊分別采集了東湖水樣和長江水樣,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的親水濾膜進行過濾,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

所有磁固相萃取實驗均在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的濾頭進行過濾并在40 ℃下用溫和的氮氣流干燥,最后用100 μL甲醇復(fù)溶并進行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。進樣量:20 μL;紫外檢測波長設(shè)置為254 nm。

2 結(jié)果與討論

2.1 Fe3O4@TbBd的表征

通過掃描電鏡(SEM)對Fe3O4納米粒子和Fe3O4@TbBd的形貌進行觀察(如圖2所示)?？梢杂^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處強紅外譜帶是Fe-O-Fe的伸縮振動,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[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°處有一個小角衍射峰,驗證了制備的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

通過熱重分析(TGA)來評估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。說明材料在350 ℃以下具有良好的熱穩(wěn)定性。

通過振動樣品磁強計(VSM)來測定Fe3O4和Fe3O4@TbBd的磁性能。如圖3d所示,Fe3O4和Fe3O4@TbBd的飽和磁化強度值分別為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。說明Fe3O4@TbBd具有足夠強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)化的方法對磁固相萃取過程中MSPE吸附劑用量、萃取時間、溶液pH值、解吸劑種類、解吸時間和解吸次數(shù)這些因素進行了優(yōu)化。在這項工作中,使用10 mL的標準溶液對這些條件進行了考察,該標準溶液含100 μg/L的4種對羥基苯甲酸酯。

2.2.1吸附劑用量

首先對COF用量在5～20 mg范圍內(nèi)進行研究,其他參數(shù)保持不變,吸附時間為30 min,解吸溶劑采用2 mL甲醇,解吸時間為10 min。圖4a結(jié)果表明,當(dāng)材料用量從5 mg增加至15 mg時,目標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,峰面積略有下降,可能是因為用量增加導(dǎo)致材料團聚,其在樣品溶液中分散不均勻,COF與目標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萃取時間

進一步優(yōu)化萃取時間,范圍為2～30 min。如圖4b所示,4種對羥基苯甲酸酯的峰面積隨著萃取時間(2～10 min)的增加而增加,萃取時間從10 min增加至30 min時,峰面積略有下降,但下降幅度很小,可以認為在實驗誤差范圍內(nèi)整體趨于平衡,因此選擇10 min作為萃取時間。

2.2.3溶液pH值

溶液的pH會影響COF材料的結(jié)構(gòu)和對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材料對對羥基苯甲酸酯的萃取效率。如圖4c所示,pH從4增加至8時,4種對羥基苯甲酸酯的峰面積逐漸增加,當(dāng)pH增加至10時,EtP、PrP和BuP這3種物質(zhì)的峰面積明顯下降,這可能是由于對羥基苯甲酸酯在堿性條件下的離子化,在pH=10時,只有1.8%的目標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)境進行后續(xù)實驗。

圖 4 (a)吸附劑用量、(b)萃取時間、(c)pH、(d)解吸溶劑、(e)解吸時間和(f)解吸次數(shù)對萃取效果的影響(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π-π相互作用對目標物進行吸附的,因此我們按照目標物和解吸溶劑的極性選擇了4種不同的解吸溶劑來考察解吸溶劑的影響。為了達到最佳解吸條件,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,說明極性溶劑更能使對羥基苯甲酸酯從磁性材料上洗脫下來。甲醇和丙酮的極性大于乙腈,實驗結(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行后續(xù)實驗。

2.2.5解吸時間

解吸時間在2～10 min的范圍內(nèi)進行優(yōu)化,設(shè)置了2、4、6、8、10 min這5個時間點。從圖4e中可以看出,解吸時間從2 min增加至10 min時,對羥基苯甲酸乙酯的峰面積也隨之增加,其他3種對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作為解吸時間。

2.2.6解吸次數(shù)

進行1～3次解吸來優(yōu)化目標分析物的解吸效率。從圖4f中可以看出,解吸次數(shù)增加時,4種對羥基苯甲酸酯的峰面積也進一步增加,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 方法評價

4種對羥基苯甲酸酯的定量分析通過基于Fe3O4@TbBd的磁固相萃取結(jié)合HPLC-UV進一步評估。在最佳MSPE條件下對4種對羥基苯甲酸酯的線性范圍、檢出限、定量限、日間和日內(nèi)精密度及加標回收率進行了評價。實驗所得結(jié)果如表1所示,4種對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回收率在86.1%～110.8%之間,說明該方法的準確度良好。

將本方法與近年來其他對羥基苯甲酸酯的分析檢測方法進行比較,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,萃取時間短,只需要10 min即可達到萃取平衡,加標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)境水樣中對羥基苯甲酸酯的分析測定。

2.4 實際樣品分析

將本方法應(yīng)用于東湖水、長江水和生活廢水中對羥基苯甲酸酯的分析,結(jié)果如表4所示。在生活廢水中檢測到了對羥基苯甲酸乙酯和對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,在東湖水和長江水中均未檢測出目標污染物。

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

表 1 4種對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 實際樣品中4種對羥基苯甲酸酯的含量和加標回收率(n=3)

3 結(jié)論

本文通過簡單的室溫法合成了Fe3O4@TbBd材料并將其作為磁固相萃取的吸附劑用于萃取4種對羥基苯甲酸酯,材料的合成方便簡單,萃取時間短。在此基礎(chǔ)上,建立了MSPE-HPLC分析4種對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種對羥基苯甲酸酯的測定。