分子印跡聚合物為涂層的吸附萃取攪拌棒在環境水樣雙酚A含量測定中的應用

林福華, 黃曉佳, 袁東星, 劉寶敏

(廈門大學近海海洋環境國家重點實驗室,廈門大學環境科學研究中心,福建廈門 361005)

雙酚A(B PA)廣泛用于生產合成樹脂、塑料、合成纖維和農藥。同時,B PA又是重要的環境內分泌干擾物,它能與人體的內源激素雌二醇競爭結合雌激素受體,并可能引起一系列病變;長期接觸 B PA會增加患心臟病、糖尿病和肝病的風險[1]。含有BPA的產品在使用過程中會通過各種途徑進入環境從而危害人類健康,如嬰兒奶瓶在長期接觸較熱液體中,B PA會逐漸釋放從而對嬰兒和兒童的大腦、行為和前列腺產生潛在危害[2]。因此,2008年10月 18日加拿大聯邦政府正式宣布,決定將 B PA列入有毒物質列表中。

目前對BPA采用的分析方法有高效液相色譜法 (HPLC)[3]和氣相色譜法 (GC)[4]。由于 B PA在實際樣品中含量較低,同時復雜的樣品基底對分析過程會產生嚴重的干擾,因此在進行分析前,需進行一定的預處理。常用的預處理方法有液-液萃取(LLE)[5]、基質固相分散 (MSPD)[6]、固相萃取(SPE)[7]、加速溶劑萃取 (ASE)[8]、固相微萃取(SPM E)[9]和中空纖維膜微萃取 (HFM E)[9]等。這些預處理方法雖然在BPA測定中有一定的應用,但也存在不足,如LLE、MSPD、SPE和ASE均需一定量的有機溶劑,SPM E和 HFM E的萃取容量較低。另外,上述前處理方法對 BPA不具有選擇萃取性能,在萃取目標化合物的同時,也對非目標化合物進行萃取,這會對隨后的分離過程產生一定的影響。

分子印跡聚合物(M IP)是人工合成的具有三維空間結構的聚合物,對印跡分子即模板具有高選擇性,因此人們將其作為萃取劑用于樣品前處理[10],其中將M IP裝填成SPE小柱是最常用的萃取方式,但M IP-SPE存在著操作繁瑣,仍需要一定量的有機溶劑等不足。攪拌棒吸附萃取技術 (stir bar sorp tive extraction,SBSE)是在 SPM E技術基礎上發展的一種新型的無溶劑或少溶劑的樣品前處理技術,它集萃取、凈化和富集為一體,具有操作簡便、高富集效率和環境友好等特點。目前該技術已成功地應用于環境監測[11]、食品檢驗[12]、農殘檢測[13]以及生化分析[14]等諸多領域,成為分析化學領域內的研究熱點之一。但目前商品化的 SBSE的涂層只有聚二甲基硅烷(PDMS)一種,其對包括B PA在內的極性有機物的萃取效率低下,需要對樣品進行衍生化[11]。衍生化不僅操作繁瑣,且減少涂層的壽命。因此本研究將M IP和SBSE技術相結合,以B PA為模板分子,制備分子印跡聚合物并以其作為 SBSE涂層 (M IP-SBSE),詳細考察了萃取時間、解吸時間、解吸溶液以及樣品基質中 pH值、離子強度等實驗條件對B PA選擇萃取性能的影響,在此基礎上與HPLC-二極管陣列檢測器 (DAD)聯用測定實際水樣中的超痕量BPA。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

高效液相色譜系統:包括 LC-20AB,CBA-20A控制器;SPD-M20A檢測器 (日本 Shim adzu公司);7725i進樣閥 (美國 Rheodyne公司);20μL定量閥。

B PA(99%)、4-乙烯基吡啶(4-VP,99%)和乙二醇二甲基丙烯酸酯(EDMA,97%)購自日本 TC I公司;乙腈(ACN)和甲醇(色譜純)購自美國 Tedia公司;苯酚 (99%,phenol,P),購自上海試劑廠;對硝基苯酚 (p-nitrophenol,p-N P)(98%)、氯酚 (98%, 2-chlorophenol,2-CP)、二甲基苯酚 (98%,2,4-dim ethylphenol,2,4-DM P)和二氯苯酚(99%,2,4-dichlorophenol,2,4-DCP)均由天津 A lfa Aesar公司提供。其他所用試劑均為分析純;全部實驗用水均為M illi-Q水 (M illipore,USA)。

1.2 標準溶液的配制

分別稱取 2.5m g各標準樣品,甲醇溶解并定容于 25mL棕色瓶中,配制成 100m g/L的單標準儲備液,置于 4℃的冰箱中保存。使用時,用M illi-Q水為稀釋液,取各單標準儲備液適量,配制成所需濃度的混合標準溶液。

實際水樣分別采自廈門大學和廈門嵩嶼電廠附近海域的海水。使用前過 0.45μm濾膜。

1.3 萃取條件

吸附 2h,解吸 10m in,解吸溶劑為含 1%乙酸的ACN,基底 pH值為 10,不調離子強度。

1.4 色譜條件

色譜分離柱:Therm o LC-18colum n(250mm× 4.6mm,5μm);流動相:水為流動相A,ACN為流動相B,流速 0.7mL/m in;檢測波長:271nm;進樣體積:20μL。優化后的梯度洗脫程序為:0～8m in, 70%B;8～10m in,30%B;10～15m in,70%B。

1.5 實驗方法

室溫條件下,準確量取 100mL的標準水樣置于 250mL的燒杯中,放入攪拌棒以 200r/m in的速度進行攪拌萃取。萃取完成后,取出攪拌棒,轉移到3.0mL的解吸溶液中,在同樣攪拌速度條件下進行解吸。將解吸液直接進行色譜分析。

1.6 M IP-SBSE的制備

攪拌磁子的制備和預處理可參考文獻[15]。

將 0.082g BPA和 0.038 5g4-VP溶于體積比為 3∶2的正丙醇和 1,4-丁二醇混合溶液中,加入0.322g EDMA和 10m g偶氮二異丁腈,將該溶液超聲 10m in,,通氮氣除氧 5m in,將該溶液倒入內徑為 3mm的玻璃管中,垂直放入預處理過的攪拌磁子,將玻璃口密封,60℃下聚合 24h。然后小心除去玻璃管,取出攪拌棒置于體積比為 9∶1的甲醇和乙酸混合液浸泡至無BPA被檢出。

空白分子印跡聚合物 (N IP)的合成:除了不加入模板分子BPA外,其余步驟同上。圖1為自制的以M IP或N IP為涂層的攪拌棒示意圖,圖2為以BPA為模板的M IP的反應方程。

圖1 攪拌棒的結構示意圖F ig.1 S tructu ra l diagram of the stir ba r in the expe rim en t

圖2 B PA為模板分子印跡聚合物的反應方程F ig.2 P repa ra tion p rocedu re of M IP used B PA as temp le

2 結果與討論

2.1 M IP-SBSE的制備與紅外表征

在M IP的制備過程中,我們發現模板分子用量、單體、交聯劑以及致孔劑之間的比例均對M IPSBSE對B PA的選擇吸附性能有較大影響。綜合考慮攪拌棒對模板分子的吸附量、選擇性能以及使用壽命,最終確定單體混合物與致孔劑的質量比為3∶7,單體混合物中 4-VP與 EDMA的質量比為 1∶9, BPA用量為 4-VP和 EDMA總量的20%。在此最佳條件下,M IP-SBSE顯示出較強的選擇吸附性能和穩定性,攪拌棒可重復使用 30次以上。

在對所制備M IP在模板分子洗脫前后進行傅里葉紅外光譜(FTIR)表征時發現,模板分子洗脫前后的 FTIR圖中均有 1 454.7、1 602.6、1 516.9和2 980.3cm-1的吸收峰,它們分別歸屬于吡啶環C=C的伸縮振動吸收峰、吡啶環中 C=N的伸縮振動吸收峰、苯環骨架的振動吸收峰以及 -CH3和-CH2的吸收峰。當模板分子被洗脫后,表征苯環的吸收峰(1 516.9cm-1)消失,這說明模板分子基本上從 M IP被洗脫。FTIR結果表明,模板分子BPA被成功地結合到聚合物中,經過酸處理可以將BPA從M IP中去除。

2.2 M IP-SBSE對B PA萃取條件的優化

為了考察M IP-SBSE對B PA的選擇萃取性能,我們選擇了 P、p-N P、2-CP、B PA、2,4-DM P和 2,4-DCP為萃取對象,詳細考察了吸附時間、解吸溶劑及時間、水樣基底的離子強度及 pH值等因素對模板分子的選擇吸附性能的影響。

2.2.1 吸附時間的影響

圖3為M IP-SBSE對 6種酚的吸附性能隨時間變化的結果。在其他實驗條件保持不變時,M IPSBSE對 6種酚的吸附量隨著萃取時間的延長而增加,同時在 2h時,M IP-SBSE對模板分子BPA的吸附量達到最高值并高于其他酚的吸附量,這說明所制備的攪拌棒對模板分子具有一定的選擇性。因此,實驗中選擇 2h為最佳萃取時間。

圖3 萃取時間對萃取效率的影響F ig.3 Effect of ex traction tim e on ex traction efficiency

2.2.2 解吸溶劑和時間的影響

以ACN為解吸溶劑,在考察不同乙酸添加量對解吸效果影響時,發現 1%的乙酸即可使目標化合物從攪拌棒上解吸下來,過多的乙酸會對涂層造成一定的腐蝕從而縮短使用壽命。解吸時間對實驗結果也有較大影響,實驗結果表明解吸時間為 10m in時,目標化合物可以從M IP-SBSE上被完全解吸,因此解吸時間確定為 10m in。

2.2.3 離子強度的影響

根據文獻以及本課題組已有的研究基礎[15-20]可知,離子強度對萃取效率有很大影響,因此本實驗通過添加不同量的 N aC l來改變基底的離子強度,添加量分別為 0、50、100、150、200、250g/L,觀察離子強度對結果的影響。

從圖4的實驗結果可以看出,除BPA外,不同離子強度對M IP-SBSE吸附性能影響不大。但離子強度的增加不利于M IP-SBSE對模板分子 BPA的吸附,其原因可能是隨著鹽濃度的增加,過多的離子強度削弱 B PA與 M IP的氫鍵作用力,從而減少M IP-SBSE對BPA的吸附效果。因此用M IP-SBSE萃取時,建議不要增加樣品基底的鹽的濃度。

圖4 離子強度對萃取效率的影響F ig.4 Effect of ion ic strength on ex traction efficiency

2.2.4 pH值的影響

圖5 pH值對萃取效率的影響F ig.5 Effect of pH va lue on ex traction efficiency

在其他實驗參數固定的條件下,基底 pH值從3.0增加到 12.0,其對萃取結果的影響如圖5所示。當基底 pH值高于 10,M IP-SBSE對所有酚類化合物的吸附性能顯著下降,其原因可能為在較高 pH值時,酚類化合物解離,因此它們與涂層的疏水性作用力下降導致萃取量的減少。而對于模板分子BPA,由于印跡空穴中氮原子與 BPA具有較強的氫鍵作用力,因此在較高 pH值時M IP-SBSE對 B PA仍有高的吸附量。但當 pH值高于 BPA的 p Ka(9.4)時,B PA中的-OH基團解離,打斷了其與印跡空穴中氮原子的氫鍵作用,因此吸附量下降。根據實驗結果,選擇最佳的 pH值為 10。

綜合實驗結果,得出如 1.3節所述的M IP-SBSE對BPA的最佳選擇萃取條件。圖6為在最佳萃取條件下,采用M IP-SBSE和 N IP-SBSE對 6種酚萃取后測定的色譜圖。由圖6可見,M IP-SBSE和N IP-SBSE對除了模板分子BPA外的 5種酚類物質吸附效果一致,但M IP-SBSE對模板分子BPA的吸附量明顯高于 N IP-SBSE的吸附量,這說明其對BPA具有較高的選擇吸附性能。

圖6 (a)M IP-SBSE和(b)N IP-SBSE對 6種酚類物質萃取后以及(c)加標水樣直接測定的色譜圖F ig.6 Ch rom a togram s of six pheno ls ex tracted w ith (a)M IP-SBSE,(b)N IP-SBSE and(c)direct in jection of sp iked w a te r w ithou t en richm en tCondition:the sp iked concentration for each compound w as 100μg/L.Peaks:1.P;2.p-NP;3.2-CP;4.BPA;5.2,4-DMP;6.2, 4-DCP.

2.3 標準工作曲線和檢出限

用標準儲備液配制不同濃度梯度的 BPA標準溶液 (1.0、5.0、10.0、20.0、50.0、100.0、200.0 μg/L),在最佳的萃取條件下,按 1.5節所述過程,考察方法的線性相關系數、檢出限和線性范圍。

本方法對 B PA測定的線性范圍為 1.0～200 μg/L,具有良好的線性關系(R2=0.999 4),檢出限(以信噪比 (S/N)為 3計)和定量限 (S/N=10)分別為 0.28μg/L和 0.94μg/L,同時方法的重復性良好,日間相對標準偏差 (RSD)為 4.70%(n=5)。結果表明本方法具有較高的靈敏度和實驗重復性。

2.4 實際水樣的測定

將M IP-SBSE與HPLC-DAD聯用,用于兩個實際海水水樣的測定,結果如表1所示。結果表明所測兩個水樣中均未檢出BPA。

實際樣品復雜的基底往往對萃取效率產生較大影響,為了考察所建立的方法用于實際水樣中B PA測定的可行性,測定實際水樣不同加標量的回收率。表1數據表明,所建立的方法在兩種不同加標量(10μg/L和 100μg/L)情況下均具有理想的回收率,其值在 90%～110%之間;同時實驗的 RSD值均小于 7%,這表明本方法有良好的實驗重現性。

表1 兩種水樣的空白及加標回收率Table1 Resu lts of de te rm ina tion and recove ries of rea l w a te r sam p les sp iked w ith B PA

3 結語

本研究制備了以BPA為模板的分子印跡聚合物,并將其作為 SBSE的涂層,所制備的M IP-SBSE可對模板分子BPA進行有效的選擇性萃取。同時,所建立起來的M IP-SBSE/HPLC-DAD在最佳條件下可靈敏測定實際水樣中的 B PA。研究結果表明,本方法具有操作簡便、靈敏度高、重現性好、精密度高、使用有機溶劑少等優點。

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