基于磁性多壁碳納米管的渦旋輔助分散基質固相萃取-高效液相色譜檢測水中雙酚A

刁春鵬，李 聰，彭 輝，蔡艷紅，裴曉洋

聊城大學環境與規劃學院，山東 聊城 252059

基于磁性多壁碳納米管的渦旋輔助分散基質固相萃取-高效液相色譜檢測水中雙酚A

刁春鵬，李 聰，彭 輝，蔡艷紅，裴曉洋

聊城大學環境與規劃學院，山東 聊城 252059

針對分散基質固相萃取中吸附劑與液相難以徹底分離等問題，合成磁性多壁碳納米管作為吸附劑，結合液相色譜檢測，建立了基于渦旋輔助磁性分散基質固相萃取檢測水中雙酚A的分析方法。磁性多壁碳納米管與液相可以實現簡便、徹底的分離，省略分散基質固相萃取中的過濾或離心步驟。在優化條件下，方法檢出限為0.02 μg/L，線性范圍為0.05～10 μg/L(r=0.999 2)。將該方法用于實際水樣的分析，相對回收率為89.6%。

磁性多壁碳納米管；磁性分散基質固相萃取；雙酚A；液相色譜；渦旋

雙酚A(BPA)是一種熟知的環境內分泌干擾物，可以影響動物及人類的生殖能力[1-2]。由于BPA的廣泛使用，世界范圍內水體(如西班牙[3]、荷蘭[4]、美國[5]等國家的地表水)都有BPA檢出的報道。中國環境水體(如黃河[6]、長江三角洲地表水和東海[7]等)也有BPA檢出的報道。由于內分泌干擾作用及廣泛的水環境污染，BPA污染成為人們十分關注的環境污染問題，對水體BPA的監測也成為環境熱點。

環境水體中BPA的分析主要采用化學發光[8]、氣相色譜[9]、液相色譜[10]和毛細管電泳[11]等方法。由于環境水體中BPA濃度較低，儀器分析之前需要進行預處理。常見的預處理方法有固相萃取[8, 12-13]、液相微萃取[14-15]和固相微萃取[16]等。其中，固相萃取因其具有較高的可靠性和環境友好等優點，在實際分析中得到廣泛應用。作為固相萃取的一種形式，基質分散固相萃取(MSPD)[17-18]相比于柱固相萃取具有萃取時間更短、有機溶劑用量更低的優點。但是，MSPD技術中吸附材料與水相的徹底分離難以實現，且需要過濾或者離心等步驟，操作繁瑣、耗時。磁性基質分散固相萃取(MMSPD)以磁性吸附材料代替普通非磁性材料，可以實現徹底、簡便的吸附材料和水相的分離[19-20]。

研究以多壁碳納米管(MWCNTs)為材料，合成磁性多壁碳納米管(MMWCNTs)作為MMSPD的吸附材料，用來吸附富集水樣中的BPA，以永久性磁鐵徹底分離水相與MMWCNTs，BPA經洗脫后利用高效液相色譜分析，建立了水樣中BPA簡便、快速、靈敏的分析方法。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

Agilent 1100高效液相色譜儀熒光檢測器(美國)，XD-6 X射線粉末衍射儀，Quadrasorb SI比表面和孔徑分布分析儀(美國)，MPMS-XL-7磁性測量系統，渦旋振蕩器，100 mL聚四氟乙烯反應釜，馬弗爐，DZF-6090真空干燥箱。

BPA，二甘醇；乙二醇，氯化鐵，丙烯酸鈉，醋酸鈉，乙醇，硝酸均為分析純；MWCNTs，純凈水；乙腈，甲醇均為色譜純(美國)。

水樣取自某污水處理廠外排水，進行分析之前用0.45 μm 濾膜進行過濾。

1.2 色譜條件

熒光檢測器的激發(EX)波長為283 nm，發射(EM)波長為323 nm；Spherigel C18色譜柱(250 mm×4.6 mm，5 μm)；以乙腈、水為流動相，進行梯度洗脫，詳見表1。流速為1.0 mL/min，進樣體積為10 μL。

表1 梯度洗脫程序

1.3 MMWCNTs的制備

MWCNTs的羧基化：將MWCNTs過篩，使粒徑小于75 μm，取5 g MWCNTs和100 mL硝酸放入圓形燒瓶中，加入磁子，于80 ℃油浴下攪拌回流反應3 h。冷卻后離心，加去離子水洗滌，離心后測定水相pH。反復洗滌多次，直至離心后水相pH為7左右，然后放入真空干燥箱內65 ℃烘干。

MMWCNTs的制備：取0.8 g羥基化的MWCNTs，1.7 g丙烯酸鈉，1.7 g醋酸鈉，1.2 g FeCl3·6H2O，17 mL乙二醇和6 mL二乙二醇放入燒杯中進行攪拌，超聲2 h，然后放入聚四氟乙烯反應釜，于200 ℃下密閉反應10 h。冷卻后先用乙醇洗滌6次，再用去離子水洗滌6次，放入真空干燥箱內65 ℃烘干。

1.4 材料表征

對MWCNTs、羧基化MWCNTs以及制備的MMWCNTs進行比表面積分析(BET)，判斷MMWCNTs制備過程中比表面積的變化。對MMWCNTs進行粉末衍射分析(XRD)，判斷磁性引入物質。對MMWCNTs進行磁性分析(M-H曲線)，判斷MMWCNTs磁性的大小。

1.5 MMSPD過程

MMSPD過程如圖1所示。取50 mg MMWCNTs加入置于錐形瓶內的50 mL水樣中，以渦旋振蕩器渦旋輔助吸附。吸附完成后，以永久性磁鐵吸引并將MMWCNTs固定于錐形瓶內壁，丟棄水相。向錐形瓶中加入洗脫劑，渦旋輔助解吸。然后以永久性磁鐵吸引并將MMWCNTs固定于錐形瓶內壁，將洗脫劑轉移至試管中，以液相色譜微量進樣針吸取10 μL進行分析。將脫附后的MMWCNTs以2.0 mL洗脫劑清洗2次，再以5.0 mL去離子水清洗3次，除去可能存在的雜質后重復利用。

圖1 MMSPD過程示意圖

2 結果與討論

2.1 材料表征

圖2顯示了MMWCNTs的XRD和M-H表征圖。

圖2 MMWCNTs的XRD和M-H表征圖

圖2(a)為MMWCNTs的XRD表征圖，其中，2θ=30.12°、35.56°、42.82°、54.04°、56.74°、62.34°和73.45°的特征峰，分別對應Fe3O4的(220)晶面、(311)晶面、(400)晶面、(422)晶面、(511)晶面、(440)晶面和(533)晶面。XRD分析結果顯示，MMWCNTs的磁性來自于順磁性的Fe3O4晶體。MWCNTs、羧基化MWCNTs和MMWCNTs的比表面積分別為149、139、 85 m2/g。MWCNTs、羧基化MWCNTs和MMWCNTs的比表面積依次降低，特別是羧基化MWCNTs經過磁化后，比表面積出現大幅下降。這是因為在磁化過程中，MWCNTs的部分微孔被Fe3O4晶體堵塞所致。MWCNTs的M-H表征如圖2(b)所示，飽和磁化度為23.3 emu/g，處于超順磁性范圍，證明是純的Fe3O4結構。

2.2 渦旋吸附時間

MMWCNTs 吸附水樣中BPA主要是在渦旋輔助下完成的，研究考察了不同的渦旋輔助時間(2、5、7、10、15 min)對MMSPD的影響(圖3)。

圖3 渦旋時間對MMSPD的影響

圖3中BPA的峰面積隨時間的延長不斷增加，7 min后，峰面積隨時間的延長則基本保持不變。為了得到理想的靈敏度和節省分析時間，后續實驗采用渦旋吸附時間為7 min。

2.3 洗脫劑種類及其體積

洗脫劑種類決定了其對MMWCNTs 吸附的BPA的洗脫效率，研究考察了丙酮、甲醇和乙腈作為洗脫劑的情況。結果如圖4所示。

圖4 洗脫劑種類對MMSPD的影響

由圖4可見，丙酮作洗脫劑時BPA峰面積最大，說明丙酮對BPA的吸附效果最好。因此，后續實驗采用丙酮作為洗脫劑。洗脫劑體積能夠影響BPA在洗脫劑中的濃度，進而影響方法的靈敏度。研究了不同丙酮體積(0.2、0.5、1.0、2.0、3.0 mL)對MMSPD的影響，結果如圖5所示，峰面積隨著洗脫劑體積減小而增大。但是，當洗脫劑體積為0.2 mL時，方法的誤差明顯變大。因此，后續實驗采用洗脫劑體積為0.5 mL。

圖5 洗脫劑體積對MMSPD的影響

2.4 洗脫時間

利用洗脫劑將MMWCNTs吸附的BPA洗脫下來需要一定的時間，研究了不同洗脫時間(0.5、1、1.5、2、3、4 min)對MMSPD的影響，結果如圖6所示。當洗脫時間超過2 min時，峰面積變化不大，表明2 min時洗脫已經完成。為節約分析時間，后續實驗中洗脫時間采用2 min。

圖6 洗脫時間對MMSPD的影響

2.5 水樣pH

BPA攜帶有酸性基團，因此，水樣的pH能夠對MMSPD過程產生影響。考察了不同pH(2、4、6、7、8)對MMSPD的影響，結果如圖7所示。峰面積隨著pH的減小而增加。當pH為2時，部分MMWCNTs顆粒不能很好地被永久性磁鐵固定，徹底的固液分離產生困難。其原因是，在較小pH下，部分Fe3O4溶解，使得MMWCNTs磁性降低，甚至消失。為了實現較好的固液分離和較高的靈敏度，后續實驗中調節水樣pH為4。

圖7 水樣pH對MMSPD的影響

2.6 離子強度

增加水樣離子強度能夠使有機污染物在水樣中的溶解度降低，提高MMSPD的吸附效率。向樣品中加入不同含量的NaCl(0、2.5、5.0、10.0、15.0、20.0%)，以考察離子強度對實驗的影響。實驗結果如圖8所示，峰面積隨著鹽濃度的增加逐漸增加，當達到10%時達到最大且保持平衡。因此，后續實驗選擇10%的鹽濃度。

2.7 MMWCNTs重復使用情況

采用MMWCNTs作為吸附劑，在MMSPD過程中并未被破壞，可以重復利用。在水樣pH為4時，將一份MMWCNTs重復使用，以此研究其可重復利用性。當重復使用超過80次時，部分MMWCNTs不能很好地與水相分離。為了得到可靠的結果，實驗將MMWCNTs重復使用60次。

圖8 水樣離子強度對MMSPD的影響

2.8 方法的性能指標及環境水樣分析

所建立方法檢出限為0.02 μg/L，線性范圍為0.05～10 μg/L(r=0.999 2)，相對標準偏差為4.9%。水樣取自某污水處理廠外排水，進行分析之前用0.45 μm濾膜進行過濾。分析結果發現，該外排水中BPA濃度為0.12 μg/L。為了考察水樣基質對該方法的影響，向該水樣中加標0.5 μg/L BPA，相對回收率為89.6%，結果令人滿意。水樣及加標水樣的液相色譜圖如圖9所示。

圖9 水樣及加標水樣液相色譜圖

2.9 與其他方法的比較

表2為本研究方法與其他方法的比較。

表2 本研究所建立方法與其他方法的比較

注：DLLME為分散液相微萃取；HPLC為高效液相色譜。

3 結論

開發了一種基于磁性多壁碳納米管的分散基質固相萃取技術，結合高效液相色譜-熒光檢測，建立了水中BPA的分析方法。所建立方法檢出限為0.02 μg/L，線性范圍為0.05～10 μg/L，相對回收率為89.6%。用于實際水樣分析，結果令人滿意。

[1] BPMDESSON M,JONSSON J,PONGRATZ I,et al.A CASCADE of effects of bisphenol A [J].Reprod Toxicol,2009,28(4)：563-567.

[2] VANDENBERG L N,CHAHOUD I,HEINDEL J J,et al.Urinary, circulating, and tissue biomonitoring studies indicate widespread exposure to bisphenol A [J].Environ Health Persp,2010,118(8):1 055-1 062.

[3] OLMO M,GONZBLEZ-CASADO A,NAVAS N A,et al.Determination of bisphenol A (BPA) in water by gas chromatography-mass spectrometry [J].Anal Chim Acta,1997,346(1):87-92.

[4] BELFROID A,VELZEN M V,HORST B V D,et al.Occurrence of bisphenol A in surface water and uptake in fish: evaluation of field measurements [J].Chemosphere,2002,49(1):97-103.

[5] STAPLES C A,DORN P B,KLECKA G M,et al.Bisphenol A concentrations in receiving waters near US manufacturing and processing facilities [J].Chemosphere,2000,40(5):521-525.

[6] 鄒榮婕,鄧旭修,王斌,等.黃河調水調沙對黃河口海域雙酚A的影響 [J].生態學報,2015,35(2):263-269.

[7] SHI J H,LIU X W,CHEN Q C,et al.Spatial and seasonal distributions of estrogens and bisphenol A in the Yangtze River Estuary and the adjacent East China Sea [J].Chemosphere,2014,111:336-343.

[8] 張立科,張艷鴿,何琴,等.固相萃取富集-化學發光法測定水環境中痕量雙酚A [J].化學試劑,2010,32(4):334-336.

[9] ROS O,VALLEJO A,BLANCO-ZUBIAGUIRRE L,et al.Microextraction with polyethersulfone for bisphenol-A, alkylphenols and hormones determination in water samples by means of gas chromatography-mass spectrometry and liquid chromatography-tandem mass spectrometry analysis [J].Talanta,2015,134(1):247-255.

[10] BALLESTEROS-GMEZ A,RUIZ F,RUBIO S,et al.Determination of bisphenols A and F and their diglycidyl ethers in wastewater and river water by coacervative extraction and liquid chromatography-fluorimetry [J].Anal Chim Acta,2007,603(1):51-59.

[11] ZHONG S,TAN S N,GE L,et al.Determination of bisphenol A and naphthols in river water samples by capillary zone electrophoresis after cloud point extraction[J].Talanta,2011,85(1): 488-492.

[12] 趙彬，張敏，張付海,等.盤式固相萃取-液相色譜-串聯質譜法快速測定地表水中n-壬基酚、n-辛基酚和雙酚A [J].中國環境監測，2014,30(4):106-110.

[13] 易谷洋,魏瑞萍,譚小旺,等.多壁碳納米管固相萃取-高效液相色譜法測定水中四溴雙酚A [J]. 理化檢驗(化學分冊),2013(4):487-488.

[14] 譚小旺,宋燕西,魏瑞萍,等.三相中空纖維膜液相微萃取-高效液相色譜法測定水中痕量雙酚A [J].分析化學,2012,40(9):1 409-1 414.

[15] REZAEE M,YAMINI Y,SHARIATI S,et al.Dispersive liquid-liquid microextraction combined with high-performance liquid chromatography-UV detection as a very simple, rapid and sensitive method for the determination of bisphenol A in watersamples [J].J Chromatogr A,2009,1 216(9):1 511-1 514.

[16] MOUSA A,BASHEER C,AL-ARFAJ A R.Application of electro-enhanced solid-phase microextraction for determination of phthalate esters and bisphenol A in blood and seawater samples [J].Talanta,2013,115:308-313.

[17] TSAI W H,Chuang H Y,Chen H H,et al.Application of dispersive liquid-liquid microextraction and dispersive micro-solid-phase extraction for the determination of quinolones in swine muscle by high-performance liquid chromatography with diode-array detection [J]. Anal Chim Acta,2009,656(1-2):56-62.

[18] CHEN W L,WANG G S,GWO J C,et al.Ultra-high performance liquid chromatography/tandem mass spectrometry determination of feminizing chemicals in river water, sediment and tissue pretreated using disk-type solid-phase extraction and matrix solid-phase dispersion [J].Talanta,2012,89:237-245.

[19] 白沙沙,李芝,臧曉歡,等.磁性石墨烯固相萃取-分散液液微萃取-氣相色譜法測定水和綠茶中酰胺類除草劑殘留 [J].分析化學,2013,41(8):1 177-1 182.

[20] 張凌怡, 張潤生, 高方園, 等. C(18)修飾的磁性納米材料用于不同性質農藥的固相萃取理論研究與應用 [J].分析試驗室,2014(9):1 024-1 029.

[22] 李魚, 劉建林, 王曉麗, 等. 分散液-液微萃取-高效液相色譜法測定水樣中的痕量雙酚A[J]. 高等學校化學學報,2008,29(11):2 142-2 148.

Vortex Assisted Magnetic Matrix Solid Phase Dispersion Based on Magnetic Multi-Walled Carbon Nanotubes for the Determination of Bisphenol A in Water Samples by High Performance Liquid Chromatography Detection

DIAO Chunpeng,LI Cong,PENG Hui,CAI Yanhong,PEI Xiaoyang

School of Environment and Planning,Liaocheng 252059，China

In matrix solid phase dispersion (MSPD), it was difficult to achieve complete separation of the adsorbent and the aqueous phase. Magnetic multi-walled carbon nanotubes (MMWCNTs) was synthesized to adsorb Bisphenol A (BPA) in water samples. A new vortex assisted magnetic matrix solid phase dispersion (MMSPD) method based on MMWCNTs was proposed for the determination of BPA in water samples by high performance liquid chromatography. Complete separation of MMWCNTs and the aqueous phase was easily achieved, and the filtration or centrifugation step was saved. On the optimized conditions, the limit of detection (LOD) was 0.02 μg/L, and the linearity was obtained from 0.05 to 10 μg/L. It was satisfied for the proposed method to be used for the determination of BPA in water samples with relative recovery of 89.6%.

magnetic multi-walled carbon nanotubes；magneticatrix solid phase dispersion；Bisphenol A；high performance liquid chromatography；vortex

2015-08-24;

2016-01-20

山東省優秀中青年科學家獎勵基金(BS2015HZ014)

刁春鵬(1983-)，男，山東棲霞人，博士，講師。

X832.02

A

1002-6002(2016)05- 0111- 05

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.05.21