玉米須衍生磁性多孔碳的制備及其對海水中孔雀石綠的萃取

陳柏森,王希越,祝 波,連麗麗,婁大偉

(吉林化工學院 分析化學系,吉林 吉林 132022)

孔雀石綠(MG)作為一種三苯基甲烷染料,在漁業和水產養殖業中被廣泛用作抗寄生蟲劑和殺菌劑[1]。因其潛在的致畸、致癌性,許多國家禁止在水產養殖業中使用MG。然而,MG廉價易得,且對魚卵、魚體的水霉病及其他一些細菌性疾病有特效,在水產養殖業和漁業中仍被屢禁不止。因此,準確測定養殖海水中MG的狀況具有重要意義。

實際樣品中MG的濃度通常為痕量級,且存在多種干擾物質,因此在進行儀器分析前,有必要對MG進行富集、分離。從不同基質中提取MG的方法有多種,包括液-液萃取(LLE)[2]、固相萃取(SPE)[3]和固相微萃取(SPME)[2]等。近年來,磁性固相萃取技術(MSPE)[4]作為一種新型固相萃取技術受到了越來越多的關注。在MSPE過程中,磁性材料可以均勻地分散在溶液中,通過施加外部磁場可以很容易實現吸附劑的固液分離。因此,相比傳統樣品前處理方法,MSPE更加高效、環保、方便。其中,MSPE的吸附劑在該方法的萃取過程中起到了至關重要的作用。

由于具有優異的物化性質,碳納米管[5]、活性碳[6]、石墨烯[7]以及生物碳等碳材料在分析化學領域得到了廣泛應用。其中,生物碳是通過在惰性氣體中高溫加熱生物質(如動植物廢料)而產生的多孔碳材料,具有化學性質穩定、比表面積大、孔隙率高等特性[8]。將生物碳與Fe3O4、Fe2O3等磁性納米粒子相結合,得到的復合材料兼具二者的優點,可用于吸附/提取不同基質中的目標組分。例如Huang等[9]以柚子皮為碳前驅體、以Fe2+和Fe3+為鐵源,通過一步法制備了磁性吸附劑，并將該材料用于苯甲酸酯類和氟喹諾酮類化合物的萃取、分離。Chu等[10]利用豆渣作為碳前驅體,通過活化和熱處理法制備了氮摻雜磁性生物碳,該復合材料對溶液中的Cr(Ⅵ)具有優異的吸附性能。此外,以油棕纖維[11]、椰殼[12]和木質素[13]為低成本碳源制備的磁性生物碳,被成功用于水中有機氯農藥、苯酚、磷酸鹽的吸附和分離。

玉米是我國北方的特色農作物,而不可食用的玉米須(CSs)通常被當作農業廢棄物丟棄、焚燒或掩埋在土壤中。本研究以低廉環保的CSs作為碳前驅體,三氯化鐵為鐵源,采用溶劑熱碳化法制備了表面負載鐵氧化物(Fe3O4及Fe2O3)納米粒子的磁性水熱碳材料(MHC),并以氫氧化鉀(KOH)作為化學活化劑,通過高溫熱解法制得活化的生物碳材料(AMC)。將AMC用于水中痕量MG的萃取,并對影響其萃取性能的主要因素(如pH值、萃取時間、吸附劑用量、洗脫液種類及洗脫時間等)進行了優化。結合超高效液相色譜儀(UPLC),建立了水中痕量MG分析的MSPE/UPLC-TUV分析方法。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

配有TUV紫外檢測器的超高效液相色譜儀(美國Waters儀器公司)；KSY-60-16高溫燃燒管式爐(北京市永光明醫療儀器有限公司)；KQ-250VDE型超聲波清洗器(昆山超聲儀器有限公司)；XW-80A微型渦旋混合儀(上海滬西分析儀器廠有限公司)；EM3200掃描電鏡(SEM,日本JEOL)；Vertex 80V型傅立葉紅外光譜儀、D8 Advanced X-射線衍射儀(德國Bruker)；Escalab 250Xi 型X射線光電子能譜(美國Thermo Fisher Scientific)。

孔雀石綠MG(色譜純,上海阿拉丁試劑有限公司)；甲醇、乙腈(色譜純,美國TEDIA)；三氯化鐵(FeCl3·6H2O)、氫氧化鉀KOH(分析純,天津大茂化學品有限公司)；乙酸銨(分析純,上海阿拉丁試劑有限公司)；Mill-Q超純水(美國Millipore公司)；其它試劑均為分析純。養殖海水樣品取自遼寧營口,于4 ℃冷藏保存,使用前經0.22 μm水系濾膜過濾。實驗用水均為超純水。

1.2 色譜條件

色譜柱：C18柱(4.6 mm×250 mm,5 μm,美國Waters儀器公司)；檢測波長：618 nm；流動相：乙腈(A)-5 mmol/L的乙酸銨(B)(70>∶30,體積比,下同)；流速0.15 mL/min；柱溫30 ℃；進樣量10 μL。

1.3 磁性固相萃取吸附劑的制備

1.3.1 磁性水熱碳(MHC)的制備[14]準確稱取磨碎的CSs 1.00 g,FeCl3·6H2O 1.35 g,無水乙酸鈉3.60 g和聚乙二醇1.00 g,溶于40 mL乙二醇中,攪拌30 min后將其移入50 mL不銹鋼反應釜中密封,置于190 ℃烘箱中反應24 h。冷卻后用水和無水乙醇洗滌至澄清,于60 ℃真空條件下干燥后得到MHC。

1.3.2 活化磁性生物碳(AMC)的制備將MHC與固體KOH粉末以1>∶2的質量比混合,置于高溫燃燒管式爐中,于700 ℃氮氣保護下熱解2 h,反應結束后將得到的產物冷卻,用大量水洗滌至中性,于60 ℃真空條件下干燥6 h,得到AMC。

1.4 等溫吸附曲線

將5.0 mg AMC加入10 mL經甲醇配制的不同質量濃度(10～200 mg/L)的MG溶液中,在25 ℃恒溫水浴條件下振蕩8 h后,將磁性吸附劑與溶液進行磁性分離,用UPLC-TUV檢測上清液中MG的殘留濃度。

1.5 磁性固相萃取過程

將5.0 mg AMC分散在100 mL含有5 μg/L MG的溶液中,旋渦振蕩20 min,進行磁性分離,棄去上清液。加入3.0 mL酸性甲醇(甲醇∶乙酸=9>∶1,體積比)作為洗脫液,旋渦振蕩30 min洗脫目標分析物。將收集的洗脫液通過氮氣吹干,用流動相(乙腈-5 mmol/L的乙酸銨,70>∶30)將殘渣復溶至1.0 mL,離心10 min后,進行UPLC分析。

2 結果與討論

2.1 吸附劑的制備與表征

AMC的合成流程如圖1A所示：以CSs為碳前驅體,乙二醇為溶劑,采用溶劑熱碳化法在190 ℃下合成表面分散鐵氧化物的水熱碳材料。經過一系列脫水、聚合和芳構化反應,CSs轉化為致密的MHC,而生成的鐵氧化物(Fe3O4及Fe2O3)納米顆粒則均勻分布于MHC表面。然后,將制備的MHC浸入KOH粉末中,在氮氣保護下700 ℃熱解2 h,在此過程中,熔融的KOH與MHC的碳組分發生反應,生成CO、CO2和H2氣體,從而在碳材料中產生大量的中孔,進而可用于溶液中痕量MG的高效富集和測定(圖1B)。

圖1 AMC的合成流程(A)及其對溶液中MG的萃取(B)Fig.1 Synthetic strategy of AMC(A) and its application in the extraction of MG(B)

使用掃描電鏡對CSs和AMC的形態特征進行表征。如圖2A所示,CSs的表面粗糙,有輕微的裂紋。經過碳化及KOH活化后,AMC形成了豐富的孔結構,氧化鐵顆粒均勻地分散在碳基體表面(圖2B)。多孔結構的產生為目標分析物提供了豐富的活性位點,而表面的磁性鐵顆粒則有助于吸附劑及負載分析物從水溶液中快速分離。

圖2D為AMC的XRD譜圖,2θ=21.4°和44.5°處的衍射峰歸屬為石墨烯碳(002)和(101)晶面的特征衍射[16]。此外,在AMC的XRD譜圖上可以清楚地觀察到Fe3O4(JCPDS：75-0033)和Fe2O3(JCPDS：39-1364)的特征衍射峰,證明AMC中的鐵元素以Fe3O4和Fe2O3的形式存在。

圖4 不同MG初始濃度下,AMC和MHC對MG吸附量的變化Fig.4 Curves of adsorption capacity of AMC and MHC changed with different initial concentrations of MG

2.2 AMC和MHC的吸附性能

通過考察25 ℃、不同MG初始濃度下的等溫吸附實驗,評價AMC和MHC對MG的吸附能力。從圖4可以看出,2種碳材料的吸附量(qe)均隨著MG初始濃度(c0)的增加而逐漸增加,直至達到最大值。為了更深入了解吸附劑對MG的吸附行為,采用Langmuir等溫方程和Freundlich等溫方程對吸附數據進行擬合。通過比較兩種等溫吸附方程的R2值,發現Langmuir等溫方程可以與吸附數據更好地擬合,說明MG在2種碳材料表面為均質單層吸附[22]。此外,AMC的最大吸附量為312.5 mg/g,遠高于MHC對MG的最大吸附量(56.0 mg/g),說明以KOH為活化劑進行熱解處理后,碳材料表面擁有更多的活性位點。此外,AMC對MG的吸附性能也顯著高于其他生物質磁性碳材料,包括粉煤灰(89.3 mg/g)[23]、柚皮(209.6 mg/g)[24]、瓊脂(142.9 mg/g)[25]、原棉秸稈(77.5 mg/g)[26]、花生殼(77.5 mg/g)[27]等吸附劑。

2.3 固相萃取條件的優化

2.3.1 萃取條件的優化在不同pH值(3.0～9.0)條件下,考察了AMC對MG的萃取性能。如圖5A所示,當pH值從3.0增至7.0時,MG的峰面積逐漸增加,并于pH 7.0時獲得最大萃取效率。MG是一種三苯甲烷類陽離子染料,分子中含有氨基、羥基及芳香基團,其pKa=6.9。在pH 7.0時,MG在溶液中多以中性分子的形式存在,可通過氫鍵、n-π和π-π作用被吸附在AMC上。在較低pH條件下,AMC表面的正電荷數量增加,與MG 之間產生靜電排斥作用,導致萃取效率的下降；而當pH大于7.0時,溶液中的兩性化合物MG發生自聚,導致分析物尺寸增大,進而降低了AMC對MG的萃取效率[28]。因此,選擇溶液的最佳pH值為7.0。

吸附劑用量對MG的萃取效率起著重要作用。較大的吸附劑用量可以提供充足的結合位點,但過高的吸附劑用量會造成吸附材料的浪費。本實驗將2.0～8.0 mg AMC用于萃取100 mL加標溶液中的MG,以考察吸附劑用量對萃取結果的影響。如圖5B所示,目標分析物的峰面積隨著吸附劑量的增加而增加,在6.0 mg時達到平衡,因此,實驗選擇6.0 mg 的AMC作為最佳吸附劑用量。同時,考察了不同吸附時間(10、20、30、40 min)對萃取結果的影響。結果顯示,MG的峰面積隨吸附時間的增加而增加,當增加至20 min時峰面積達到最大,繼續延長吸附時間，峰面積無明顯變化。因此,實驗選擇20 min為最佳萃取時間。

圖5 MSPE條件的優化Fig.5 Optimization of MSPE parametersA.solution pH value;B.adsorbent amount;C.eluent type(1.methanol;2.methanol solution;3.alkaline methanol;4.acidic methanol)

2.3.2 洗脫條件的優化考察了甲醇、甲醇水溶液(甲醇>∶ 水=7>∶3)、堿性甲醇(甲醇>∶氨水=9>∶1)和酸性甲醇(甲醇>∶ 乙酸=9>∶1)4種洗脫液對目標分析物的洗脫效果。如圖5C所示,采用3.0 mL酸性甲醇作為洗脫液時,可以有效地將MG從AMC表面洗脫。此時,MG以帶正電荷的離子形式存在,其親水性增強,且在酸性溶液中MG與AMC之間可產生較強的靜電斥力。因此,實驗選擇酸性甲醇溶液作為洗脫劑。進一步考察了不同洗脫時間(10、20、30、40 min)對萃取結果的影響。結果顯示,隨著洗脫時間的增加,分析物的響應值逐漸增大,并于30 min時達到最大,因此實驗選擇30 min作為最佳洗脫時間。

2.4 方法的評價

在100 mL水中添加不同濃度的MG標準溶液,在優化的MSPE條件下經AMC萃取后進行UPLC分析,根據MG的峰面積和實際樣品質量濃度進行線性回歸。結果表明,在0.05～5 μg/L范圍內,峰面積與MG質量濃度具有良好的線性關系(r=0.999 6),方法對MG的檢出限(LOD,S/N=3)、定量下限(LOQ,S/N=10)分別為0.01 μg/L 和0.03 μg/L。在100 mL水中添加低、中、高3個質量濃度水平的MG標準溶液配制成0.25、1、5 μg/L 的樣品溶液進行加標回收實驗(n=3),測得加標回收率為94.5%～99.7%,相對標準偏差(RSD)不大于2.3%,說明該方法的準確度和精密度良好。

與其他測定MG的方法相比(見表1),該方法具有更低的LOD和更少的吸附劑消耗。同時,利用磁性吸附劑萃取樣品中的目標分析物,不僅省去了繁瑣的過濾和離心過程，縮短了樣品前處理時間,而且減少了有機溶劑的消耗。此外,AMC還具有制備工藝簡單、綠色、成本低等優點。

表1 與其他用于測定MG的方法比較Table 1 Comparison of the established method with other methods for the determination of MG

圖6 加標養殖海水經本方法處理前(a)、后(b)的色譜圖Fig.6 Chromatograms of the spiked aquaculture seawater before(a) and after(b) pretreated with the developed method

2.5 實際樣品的測定

為了考察方法的實用性,從遼寧營口采集養殖海水樣品,使用AMC作為MSPE吸附劑萃取樣品中的MG,并通過UPLC-TUV對結果進行分析。結果顯示,海水樣本中未檢出MG,對該樣本在3個加標質量濃度下(0.25、1、5 μg/L)進行回收實驗,得到加標回收率為104%～106%,RSD為1.7%～3.4%。圖6為加標濃度為5 μg/L的養殖海水經本方法處理前后獲得的色譜圖,經過MSPE處理后,目標分析物的峰面積能滿足定量分析要求,且無干擾峰存在。結果表明所建立的方法適用于養殖海水中微量MG的靈敏檢測。

3 結 論

本文以可再生的生物質玉米須為碳源,KOH為活化劑,通過溶劑熱碳化法和高溫熱解反應合成了一種生物質衍生磁性多孔碳材料AMC。鐵氧化物(Fe3O4和Fe2O3)的成功負載,使得AMC具有優異的磁性,從而可通過磁性分離快速地從樣品溶液中分離。AMC的多孔結構及豐富的活性位點使其對MG具有優異的吸附性能,其最大吸附量可達312.5 mg/g,遠高于未經碳化活化的水熱碳材料。本文還系統地研究了AMC對溶液中MG的MSPE條件,建立了基于AMC吸附、適用于大體積海水中痕量MG分析的MSPE/UPLC-TUV分析方法。該方法具有良好的線性關系,其LOQ和LOD分別為0.03 μg/L 和0.01 μg/L。該方法的不足在于AMC對分析物的選擇性有限,碳材料可能對復雜基質(如食品、生物樣品)中其他結構類似的干擾物也具有一定的吸附能力,因此,在實際應用中需注意分析樣品的選擇。