氧化石墨烯-鄰苯二甲酸二(2-乙基己)酯表面分子印跡吸附劑的合成及應用

邱昊田, 鄭寧寧, 方權輝, 林梅英, 周孫英(福建醫科大學藥學院,福建 福州 350122)

鄰苯二甲酸二(2-乙基己)酯(di(2-ethylhexyl)phathalate,DEHP)作為廣泛使用的增塑劑,存在于聚乙烯塑料、橡膠、食品包裝材料、醫用血袋和膠管、兒童玩具、清潔劑和日常護理用品中,可以通過多種途徑遷移至食品中[1,2]。DEHP也是一種環境內分泌干擾物,若在人體內長期累積會引發激素失調[3,4]。由于DEHP在樣品中的含量往往很低以及復雜基體的干擾,所以檢測前需對樣品進行有效的富集和除雜。液-液萃取、固相萃取(solid phase extraction,SPE)是最廣泛應用的樣品前處理方法,但也存在低選擇性、低容量和消耗較多有機溶劑等缺點。因此,不斷開發高選擇性、高效率的萃取材料具有重要的研究意義。

本文以另一種方法合成了一種GO-MAA-MIP,具有較高的吸附容量和選擇性,并建立了一種MIP-SPE-HPLC檢測DEHP的方法。在GO的N,N-二甲基甲酰胺(N,N-dimethylformamide,DMF)溶液中,以DEHP為模板分子、MAA為功能單體,采用沉淀聚合法合成具有分子印跡功能的GO復合材料GO-MAA-MIP,并將材料應用于牛奶塑料包裝袋中DEHP的萃取,聯用HPLC進行檢測。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

LC-20A高效液相色譜儀(日本島津制作所);Ultimate?XB-C18色譜柱(250 mm×4.6 mm,5 μm,月旭科技(上海)股份有限公司);Tecnai G2 F20場發射透射電子顯微鏡(TEM,美國FEI公司);Avatar 330 FT-IR紅外光譜儀(德國Thermo Nicolet公司);DF-101 S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(鞏義市予華儀器有限責任公司);Neofuge 23R高速離心機(力康發展(香港)有限公司);DZF-6050真空干燥箱(上海精宏實驗設備有限公司);水浴恒溫振蕩器(常州國華電器有限公司);HSC-24A氮吹儀(天津市恒奧科技發展有限公司)。

過氧化氫(30%,質量分數,下同)、乙醇(95%)、濃硫酸(98%)、磷酸(85%)、高錳酸鉀(99.5%)、DMF(99.5%)、MAA(98%)、偶氮異丁腈(2,2-azobisisobutyronitrile,AIBN,99%)、DEHP(99%)、鄰苯二甲酸二乙酯(diethyl phthalate,DEP,99%)、鄰苯二甲酸丁二酯(dibuty phthalate,DBP,99%)、鄰苯二甲酸二戊酯(diamyl phthalate,DAP,99%)、正己烷(97%)均為分析純(國藥集團化學試劑有限公司);甲醇(色譜純,西格瑪奧德里奇(上海)貿易有限公司);乙二醇二甲基丙烯酸酯(ethylene dimethacrylate,EDMA,分析純,上海阿拉丁生化科技股份有限公司);石墨粉(98%,北京百靈威科技有限公司)。本地某品牌塑料袋裝牛奶購于校園超市。

1.2 實驗過程

1.2.1GO的制備

在Hummers法[20]的基礎上進行改進,步驟如下:配制9∶1(v/v)的濃硫酸-濃磷酸200 mL,冰浴下緩慢加入1.5 g石墨粉,攪拌混勻,在30 min內分次加入9 g高錳酸鉀。繼續冰浴下反應4 h,溫度升至35 ℃反應1 h,升溫至50 ℃繼續反應36 h。加冰水使溫度降為0～15 ℃,滴加30%的過氧化氫至溶液變為亮黃色。以6 000 r/min的速度離心30 min,沉淀經過水洗、丙酮沉淀、離心,重復多次直至呈中性。于50 ℃真空干燥3 h,得GO。

1.2.2石墨烯表面分子印跡材料的制備

印跡材料GO-MAA-MIP的合成:稱取0.45 g (1.16 mmol)DEHP、0.60 g (6.97 mmol)MAA,溶于10 mL DMF中,超聲脫氣10 min,靜置5 h。稱取0.12 g GO于250 mL圓底燒瓶中,加入110 mL DMF,超聲4 h,使GO分散于溶劑中。加入DEHP和MAA混合液,加入2.40 g交聯劑EDMA,超聲15 min,加入0.08 g AIBN。磁力攪拌,于70 ℃恒溫水浴中反應24 h,制得黑色固體。用甲醇-乙酸(9∶1,v/v)回流12 h,乙醇反復洗滌呈中性,真空干燥后得到GO-MAA-MIP。

非印跡聚合物(non-molecularly imprinted polymer,NIP)GO-MAA-NIP的合成:不加模板分子,其他與制備GO-MAA-MIP方法相同。

印跡聚合物MAA-MIP的合成:不加GO,其他與制備GO-MAA-MIP方法相同。

1.2.3材料的表征

MAA-MIP、GO-MAA-MIP、GO分別與KBr固體壓片做紅外光譜圖。通過TEM觀察材料的微觀形貌。

1.2.4溶液的吸附

稱取10 mg GO-MAA-MIP于15 mL離心管中,用5 mL甲醇活化材料30 min,氮氣吹干。加入10 mL含有一定濃度DEHP(或DEP、DBP、DAP)的甲醇-水(60∶40,v/v)溶液,每個濃度準備3份平行樣。放入恒溫振蕩器中,于30 ℃振蕩120 min,以6 000 r/min的速度離心15 min,取上清液,經0.22 μm有機相微孔濾膜過濾,用HPLC檢測。按公式(1)計算吸附量Q。平行做GO-MAA-NIP和MAA-MIP對照實驗。

(1)

其中Q為聚合物的吸附量(mg/g);C0為吸附前溶液的濃度(mg/L);Ce為吸附后溶液的濃度(mg/L);V為樣品溶液的體積(L);m為吸附劑的質量(mg)。

1.2.5實際樣品前處理和萃取

參照國家標準[21],將牛奶塑料包裝袋清冼干凈,剪碎烘干,稱取2 g包裝袋,置于具塞錐形瓶中,加入20 mL正己烷,超聲提取30 min,量取10 mL提取液,用氮氣吹干,用10 mL甲醇-水(60∶40,v/v)溶液溶解,加入10 mg活化后的GO-MAA-MIP,于30 ℃振蕩120 min,以6 000 r/min的速度離心15 min,去上清液,用10%(體積分數)的甲醇-水溶液渦旋1 min洗滌,以6 000 r/min的速度離心15 min,烘干,用1 mL甲醇-乙酸(9∶1,v/v)溶液振蕩45 min,以6 000 r/min的速度離心15 min,取上清。重復1次,合并洗脫液,經0.22 μm有機相微孔濾膜過濾,HPLC檢測。

1.2.6HPLC條件

Ultimate?XB-C18色譜柱,柱溫為30 ℃,進樣體積為10 μL,流動相為甲醇-水(95∶5,v/v),流速為1.0 mL/min,紫外檢測波長為226 nm。

2 結果與討論

2.1 制備條件的優化

GO具有大的比表面積、強的吸附能力以及表面的含氧極性基團,能夠吸附預聚體于其表面,在引發劑作用后,聚合反應在GO表面發生,隨著聚合物分子鏈逐漸增長,GO-MAA的復合物從溶劑中沉淀下來。洗脫模板分子,得到表面分子印跡材料。

分別將GO分散于幾種不同的有機溶劑中,超聲4 h后過濾,試驗結果表明,GO分散于甲醇、乙醇和乙腈中的質量濃度為300～500 mg/L,在DMF中的質量濃度約為1 000 mg/L。分別以甲醇、乙腈、DMF為溶劑合成3種GO-MAA-MIP,結果發現,在相同投料比例下,以甲醇或乙腈為溶劑時,得到的聚合物為灰色粉末,因其分散性較小,體系中GO含量較少,其中部分單體(MAA、EDMA)自聚合,不能與GO有效共聚;以DMF為溶劑合成的產品為黑色粉末,GO在DMF中有更好的分散性,使預聚體與GO之間充分接觸,得到更有效的轉化率。所合成的GO-MAA-MIP對DEHP的最大吸附容量為28.7 mg/g,遠高于Cheng等[19]在甲醇-乙腈混合溶劑中所合成的GO-MIP的飽和容量(1.0 mg/g)。

在GO-MAA-MIP形成過程中,不同的合成條件會影響材料的構成,使分子印跡材料的吸附能力有所不同。因此,對模板分子與功能單體的比例、交聯劑的比例、溶劑用量等因素進行了優化。

2.1.1模板分子與功能單體的比例

功能單體與模板分子達到一定比例才能以氫鍵和分子間力等形成有效的相互結合的作用力,將模板分子締合于功能單體周圍,但是,當MAA過多時,功能單體會趨于自聚合而形成較多的非特異性結合位點,會導致印跡因子下降。分別合成了n(DEHP)∶n(MAA)為1∶2、1∶4、1∶6、1∶8的4種GO-MAA-MIP。各材料的吸附效果如圖1所示,n(DEHP)∶n(MAA)為1∶6時,GO-MAA-MIP的吸附量最大。

圖1 n(DEHP)與n(MAA)不同比例下合成的材料對DEHP的吸附效果Fig.1 Effects of adsorption for DEHP on various materials prepared with different ratios of n(DEHP)and n(MAA) DEHP:di(2-ethylhexyl)phthalate;MAA:methacrylic acid;Q:adsorption capacity.

圖2 不同交聯劑含量對合成的材料吸附DEHP效果的影響Fig.2 Effects of adsorption for DEHP on various materials prepared with different crosslinking contents GO:graphene oxide;MAA:methacrylic acid;MIP:molecularly imprinted polymer;NIP:non-molecularly imprinted polymer;EDMA:ethylene dimethacrylate.

2.1.2交聯劑質量分數

分別以交聯劑EDMA占預聚體的75%(質量分數,下同)、80%、85%和90%合成GO-MAA-MIP和GO-MAA-NIP,其對DEHP的吸附效果見圖2。由圖2可知,當EDMA占比為80%時,吸附量最大。當交聯劑用量過少時,聚合物的交聯度較低,聚合物中有效印跡空穴太少,吸附量較小;而當交聯劑用量多時,預聚體中功能單體占比小,所結合模板分子相應減少;另外,當交聯劑的量過多時,會在聚合物內形成較密的三維網狀結構,將模板分子和功能單體形成的復合物緊緊地包裹在其中,會給模板分子的洗脫增加難度,甚至無法完全洗脫,導致吸附量減小。所以,選用EDMA占預聚體80%的比例進行合成試驗。

2.1.3溶劑的用量

溶劑用量不同影響聚合反應的散熱效果,預聚體各組分在體系中濃度不同也影響聚合物的相對分子質量,使最終材料的構造不同,直接影響材料的吸附性能。分別在100、120和140 mL的DMF溶劑中合成GO-MAA-MIP和GO-MAA-NIP。產品的吸附效果見圖3,當溶劑DMF體積為120 mL時,吸附容量最大。在合成過程中發現,當溶劑的用量低于100 mL時,產物呈凝膠狀,材料在使用中重現性差。

圖3 不同溶劑量中合成的材料對DEHP的吸附效果Fig.3 Effects of adsorption for DEHP on various materials prepared with different solvent volumes

綜上,合成GO-MAA-MIP的優化條件為:GO含量為1 g/L,DEHP與MAA的物質的量比為1∶6,交聯劑EDMA的質量分數為80%,DMF溶劑的體積為120 mL,于70 ℃反應24 h。

圖4 MAA-MIP、GO-MAA-MIP和GO的紅外光譜圖Fig.4 Infrared spectra of MAA-MIP, GO-MAA-MIP,and GO

2.2 GO-MAA-MIP的表征

2.2.1紅外光譜表征

MAA-MIP、GO-MAA-MIP和GO 3種材料的紅外光譜圖如圖4所示,圖4中GO-MAA-MIP譜線的2 996、2 884、1 455、1 384 cm-1處為甲基吸收峰,1 731 cm-1處為羰基吸收峰,1 263和1 155 cm-1處為羧基和酯鍵的碳-氧鍵吸收峰,這幾種吸收峰來自MAA和EDMA中的相關基團;1 629 cm-1處為碳-碳雙鍵、1 049 cm-1處為醇或醚鍵的碳氧鍵的吸收峰,兩者來自GO中的相關基團的吸收。所以,聚合物GO-MAA-MIP中兼有聚MAA和GO成份,說明兩種材料成功共聚。

圖5 (a和b)GO和(c和d)GO-MAA-MIP的TEM圖像Fig.5 Transmission electron microscopy (TEM)images of (a and b)GO and (c and d)GO-MAA-MIP

2.2.2電鏡圖

圖5是GO和GO-MAA-MIP的TEM圖。如圖5a和5b所示,GO為表面光滑的薄片層結構,圖5c和5d顯示GO-MAA-MIP的GO片層上沉積有聚合物。因此,GO-MAA-MIP是以GO片層結構為載體在其表層形成MIP層,這樣的聚合物薄層結構一方面可以擁有大的比表面積,增大吸附容量,另一方面也使分子印跡位點處于表層,有助于提高吸附或洗脫過程的傳質速率。

2.3 GO-MAA-MIP吸附性能的考察

2.3.1靜態吸附試驗

圖6 GO-MAA-MIP、GO-MAA-NIP和MAA-MIP對DEHP的吸附等溫線Fig.6 Adsorption isotherm of DEHP with GO-MAA-MIP,GO-MAA-NIP,and MAA-MIP

對質量濃度范圍為5～60 mg/L的DEHP溶液分別進行吸附試驗,結果如圖6所示,隨著溶液中DEHP質量濃度的增加,吸附量隨之增加,質量濃度大于40 mg/L后增長緩慢,增至50 mg/L后,材料對DEHP的吸附趨于飽和,此時吸附容量為28.7 mg/g。在整個吸附過程中,GO-MAA-MIP的吸附量明顯大于非印跡材料GO-MAA-NIP,表明GO-MAA-MIP對DEHP有更高的吸附能力。因為在GO-MAA-MIP制備過程中,MAA與DEHP之間以氫鍵、靜電引力等作用力將模板分子結合于功能單體周圍,聚合反應結束后,將模板分子洗脫,在聚合物層中形成了與模板分子DEHP相匹配的空穴結構,因此GO-MAA-MIP除了具有與GO-MAA-NIP相同的非特異性吸附外,還存在對模板分子的印跡吸附位點。試驗還對比了顆粒狀的材料MAA-MIP的等溫吸附情況(見圖6),其吸附容量低于GO-MAA-MIP。因為GO-MAA-MIP是以薄片層結構的GO為載體,在其表層上生成印跡聚合物層,具有納米材料GO大比表面積的特點,同時,印跡位點處于淺表層,目標分子易于接近,能被較充分利用,所以這些優勢使其吸附容量有很大提高。而MAA-MIP為顆粒狀,相對來說,其比表面積較小,另一方面埋在顆粒深處的印跡空穴位點也不能被充分利用。

用Langmuir(公式(2))與Freundlich(公式(3))兩種模型分析靜態吸附數據。

Q=KLQmCe/(1+KLCe)

(2)

Q=KFCe1/n

(3)

其中Q為聚合物的吸附量(mg/g);KL為Langmuir吸附分配系數(L/mg);Qm為聚合物的最大吸附量(mg/g);Ce為吸附后溶液的質量濃度(mg/L);KF和n均為Freundlich參數。如表1所示,Langmuir比Freundlich方程有更好的相關系數(R2),GO-MAA-MIP材料對DEHP的吸附行為更符合Langmuir模型,表明聚合物對DEHP的吸附是單分子層吸附,聚合物表面結構較均勻。

表1 Langmuir與Freundlich方程的等溫吸附參數Table 1 Adsorption isotherm constants for Langmuir and Freundlich equations

KLis the Langmuir constant related to the adsorption distribution;Qmis the maximum adsorption capacity of the adsorbent;KFis the adsorption equilibrium constant for the Freundlich equations;nis the Freundlich constant;R2is the correlation coefficient.

圖7 GO-MAA-MIP、MAA-MIP和GO-MAA-NIP對DEHP的吸附速率曲線Fig.7 Curves for adsorption rates of GO-MAA-MIP,MAA-MIP,and GO-MAA-NIP for DEHP

表2 準一級和準二級速率方程的動力學參數Table 2 Kinetic constants for pseudo-first-order rate and pseudo-second-order rate equations

K1is the adsorption rate constant for the pseudo-first-order rate equations;Qeis the adsorption capacity at adsorption equilibrium;K2is the adsorption rate constant for the pseudo-second-order rate equations;R2is the correlation coefficient.

2.3.2吸附動力學試驗

如圖7所示,經過不同時間的萃取,GO-MAA-MIP對DEHP的吸附量在60 min內快速增加,在120 min后達到吸附平衡。相對于顆粒狀的印跡材料MAA-MIP需要4 h趨于平衡(見圖7),GO-MAA-MIP吸附速率較快,是由于吸附位點位于材料的表層,傳質快,提高了效率。同時從圖7中也可以看出,在任何時間段,GO-MAA-MIP的吸附量均明顯高于非印跡材料GO-MAA-NIP,也說明了GO-MAA-MIP除了非選擇性吸附外,還存在對模板分子的特異性吸附。

將吸附動力學數據用準一級動力學方程(公式(4))和準二級動力學方程(公式(5))進行分析[22,23]。

Qt=Qe-Qee-k1t

(4)

(5)

其中Qt為t時刻的吸附量(mg/g);Qe為平衡吸附量(mg/g);e為數學常數,為自然對數函數的底數;t為吸附時間(min);k1為準一級動力學方程吸附速率常數(1/min);k2為準二級動力學方程吸附速率常數(g/(mg·min))。結果見表2,準二級動力學方程的相關系數(R2)優于準一級動力學方程,材料對DEHP的吸附動力學更符合準二級動力學方程,表明GO-MAA-MIP吸附識別過程主要為化學吸附。

圖8 GO-MAA-MIP和GO-MAA-NIP對DEP、DBP、DAP和DEHP的吸附選擇性Fig.8 Adsorption selectivities of GO-MAA-MIP and GO-MAA-NIP for DEP,DBP,DAP,and DEHP DEP:diethyl phthalate;DBP:dibuty phthalate;DAP:diamyl phthalate.

2.3.3吸附選擇性試驗

DEHP、DEP、DBP和DAP作為結構類似物共同存在于溶液中,考察了GO-MAA-MIP對這4種組分的吸附選擇性,如圖8所示,GO-MAA-MIP對DEHP的吸附量較高,而對DEP、DBP和DAP的吸附量較小,表明印跡材料對DEHP具有較高的選擇性。非印跡材料GO-MAA-NIP對4種化合物吸附量相近,只存在非特異性吸附。實驗結果表明,GO-MAA-MIP聚合物層中存在DEHP的印跡位點。通過公式(6)計算印跡因子β。

β=QGO-MAA-MIP/QGO-MAA-NIP

(6)

結果見表3,DEHP的印跡因子為2.79。

表3 GO-MAA-MIP對DEHP的印跡因子Table 3 Imprinting factor of GO-MAA-MIP for DEHP

QGO-MAA-MIPandQGO-MAA-NIPare the adsorption capacities of GO-MAA-MIP and GO-MAA-NIP,respectively;βis the imprinting factor.

2.4 重復利用

同一批次合成的GO-MAA-MIP材料經過甲醇-乙酸(9∶1,v/v)溶液洗脫、乙醇洗滌,烘干后再使用。結果顯示,連續5次重復使用后吸附容量沒有明顯下降,吸附容量保持90%以上。說明材料至少可重復使用6次。

圖9 不同條件下的DEHP的回收率Fig.9 Recoveries of spiked DEHP under different conditions a.volume of elution solvent;b.elution time;c.pH value of sample solution;d.mass concentration of NaCl in sample solution.

2.5 樣品萃取條件的優化

對洗脫劑用量、洗脫時間、樣品溶液pH值和離子強度對回收率的影響作了考察。

分別用不同體積(0.5、1、2、3和4 mL)的甲醇-乙酸(9∶1,v/v)溶液洗脫萃取DEHP后的GO-MAA-MIP,回收率如圖9a所示,用多于2 mL洗脫液時,回收率大于82%。

考察了20～120 min的洗脫時間對DEHP的洗脫效果,結果如圖9b所示,經過長于40 min洗脫后,回收率大于84%。所以,選擇2 mL洗脫劑,洗脫時間為45 min。

在不同的酸度條件下,GO-MAA-MIP對DEHP的萃取回收率如圖9c所示,樣品溶液在pH7附近回收率較高?？赡茉蚴?在pH較低的酸性溶液中,DEHP分子中氧原子質子化,抑制了與吸附劑中的羧基形成氫鍵,而pH較高的環境下,吸附劑中羧基處于電離態,也不利于與DEHP的氧原子形成氫鍵。本試驗樣品在中性狀態提取,所以不需要調節pH值。

樣品溶液中加入不同質量濃度的NaCl(0.1～0.7 g/L),GO-MAA-MIP對DEHP的萃取回收率如圖9d所示,在所考察的NaCl含量范圍內,DEHP的回收率大于83%。因此,本試驗樣品溶液不需調節離子濃度。

2.6 方法評價

在牛奶袋空白樣品中添加不同質量濃度的DEHP溶液,經過1.2.5節方法處理后經HPLC檢測,以吸收峰面積(Y)為縱坐標,標準溶液的質量濃度(X,mg/L)為橫坐標,繪制標準曲線。在0.5～50 mg/L范圍內,相關系數(R2)為0.997 9。分別以3倍和10倍信噪比(S/N)確定檢出限(LOD)和定量限(LOQ),分別為0.03和0.1 mg/L。

分別在牛奶袋空白樣品中添加3種濃度的DEHP,經過提取和MIP-SPE,用HPLC檢測。每個濃度做6個平行試驗,考察方法的準確度和精密度,回收率列于表4?；厥章蕿?1.6%～92.4%、RSDs為3.83%～6.95%。

表4 樣品中DEHP的加標回收率及相對標準偏差(n=6)Table 4 Spiked recoveries and RSDs of DEHP in the sample solution (n=6)

圖10 牛奶袋提取液的HPLC色譜圖Fig.10 HPLC chromatograms of the extracting solution of the milk bag a.before MIP-SPE;b.after MIP-SPE;c.spiked with 0.5 mg/L DEHP and treated with MIP-SPE.

2.7 實際樣品分析

牛奶包裝袋的提取液經過GO-MAA-MIP萃取前、后,以及加標并萃取后的HPLC色譜圖如圖10所示。經過GO-MAA-MIP萃取后,DEHP的色譜峰明顯增強,檢測到牛奶包裝袋提取液中DEHP含量為1.3 μg/g。如圖10c所示,在樣品中添加DEHP后,其吸收峰相應增加。表明采用此印跡聚合物可對樣品溶液中DEHP進行有效萃取,聯用HPLC可以實現檢測。

3 結論

本文采用沉淀聚合法,在DMF溶劑中成功地合成了以GO為載體的表面分子印跡材料,作為分散固相萃取吸附劑,應用于樣品前處理過程中塑化劑鄰苯二甲酸二(2-乙基己)酯(DEHP)的萃取,具有較高的選擇性和吸附容量。以片層結構的碳納米材料GO為載體基質,使模板分子的印跡位點均勻分布在GO表面的高聚物薄層中,比傳統顆粒狀的材料具有更大的比表面積,并提高了傳質速率,可以克服傳統MIP傳質速度慢、識別位點不能充分利用以及材料形貌不均勻等不足。為測定樣品中DEHP提供了一種前處理的新選擇。