固相萃取(SPE)是上个世纪70年代发展起来的一种样品前处理技术,在诸多领域里得到应用[ 1, 2, 3 ]。SPE柱产品包括键合硅胶基质填料的SPE小柱、高分子聚合物基质填料的SPE小柱、无机吸附性填料的SPE小柱和复合填料的SPE小柱。硅胶基质刚性大,不易变形,通过表面接枝功能基团或改性可获得不同类型的分离介质[ 4 ]。硅胶基质填料种类多,可选性强,是SPE中常用的吸附剂,但硅胶基质填料的化学稳定性差,pH适用范围为2～8。聚合物基质填料具有比硅胶基质更强的吸附性,pH适用范围广(0～14),在SPE中的使用量不断增加。为了增加聚合物基质填料的机械强度,开发无机/高分子聚合物复合SPE填料已成为分析化学领域新的课题[ 5, 6 ]。氧化锆是一种无机基质材料[ 7 ],在碱性溶液以及一些酸性溶液中具有足够的稳定性,机械强度好,表面具有羟基化学活性,因此可利用偶联剂对其表面进行改性[ 8, 9 ],从而制成某种复合材料。商品化阳离子交换固相萃取填料有硅胶基质表面键合苯磺酸基型和磺化聚苯乙烯(聚合物基质)型[ 10 ]。目前,环境中各种除草剂分析测试方法的建立已成为重要课题[ 11, 12 ],固相萃取在其样品前处理上发挥着重要的作用。本文通过聚合诱导胶体凝聚法[ 13 ]制成二氧化锆微球,其表面羟基与钛酸酯偶联剂反应后使微球表面带有可聚合的双键官能团,苯乙烯与此双键进行交联共聚,形成聚苯乙烯包覆二氧化锆微球,再经磺化形成阳离子交换SPE吸附剂。由此制得具有亲脂(尤其是含苯环的化合物)和阳离子交换双重特性的聚合物/氧化锆固相萃取填料,用于HPLC测定水中甲基磺草酮、阿特拉津和乙草胺的样品前处理。
Spectrum One傅里叶变换红外光谱仪(美国PE公司), S-3400扫描电子显微镜(日立公司), P230高效液相色谱仪(大连依利特公司),固相萃取装置(美国Supelco公司)。
甲基磺草酮标准品(纯度≥99.0% )、阿特拉津标准品(纯度≥99.0% )、乙草胺标准品(纯度≥98.0% )均购自上海晶纯试剂有限公司。甲醇、乙腈(色谱纯,天津市康科德科技有限公司);氧氯化锆、乙酰丙酮、钛酸异丙酯、丙烯酸、二乙烯基苯和苯乙烯均为国产分析纯(二乙烯基苯和苯乙烯使用前用100 g/L氢氧化钠去除阻聚剂);偶氮二异丁腈(分析纯，天津大茂化学试剂厂); 氨水(优级纯,上海圻明生物科技有限公司); 5%氨化甲醇(5 mL氨水+95 mL甲醇); 0.001 mol/L 磷酸水溶液(使用优级纯磷酸与水配制);甲醛水溶液(分析纯,天津市富宇精细化工有限公司);水为二次蒸馏水。
将35 g氧氯化锆加入装有机械搅拌器的圆底三口瓶中,加入100 mL水和1 mL乙酰丙酮,搅拌下缓慢加入10 mL氨水,然后升温至85 ℃,在此温度下搅拌反应10 h,得到二氧化锆水溶胶。将三口瓶中的二氧化锆水溶胶降至室温,加入10 g尿素,搅拌溶解,再加入12 mL甲醛水溶液,充分搅拌2 min,停止搅拌,放置20 h。将三口瓶中的反应液转移至 3000 mL烧杯中,安装好机械搅拌器,快速搅拌并加入 1500 mL水,静置2 h,倾去上层清液,剩余物用布氏漏斗抽滤,并用水洗至无氯离子,再用无水乙醇洗涤滤饼3遍。将滤饼转移至100 mL瓷坩埚中,在电热鼓风干燥箱中烘干,得到二氧化锆与脲醛树脂的复合物微球。将此瓷坩埚置于马弗炉中,分4阶段程序升温对微球进行烧结:25 ℃至200 ℃,升温速率为4 ℃/min; 200 ℃至300 ℃,升温速率为1 ℃/min; 300 ℃至700 ℃,升温速率为2 ℃/min; 700 ℃恒温3 h,制得粒径约3～4 μ m的二氧化锆微球。
取100 mL三口瓶,加入10 mL钛酸异丙酯和30 mL异丙醇,再缓慢滴加15 mL丙烯酸,置于90 ℃恒温磁力搅拌水浴锅中,搅拌下回流反应30 min,制得钛酸酯偶联剂。
取100 mL三口瓶,加入2 g二氧化锆微球、10 mL钛酸酯偶联剂和20 mL异丙醇,置于80～90 ℃恒温磁力搅拌水浴锅中,搅拌下缓慢滴加15 mL丙烯酸,回流反应4 h。离心分离,沉淀用无水乙醇洗涤3遍,放入电热鼓风干燥箱中烘干,得到钛酸酯偶联剂改性二氧化锆微球。
将1 g的钛酸酯偶联剂改性二氧化锆微球、75 mL乙腈、5 mL苯乙烯和2 mL二乙烯基苯加入到装有搅拌器、冷凝管、温度计的250 mL四口烧瓶中,通入氮气保护,匀速搅拌20 min,加入引发剂偶氮二异丁腈,水浴加热至75 ℃,反应7 h。产物分别用甲苯和乙醇洗涤数次,烘干,得到交联聚苯乙烯包覆二氧化锆微球。将制得的微球转移至三口圆底烧瓶中,加氯仿溶胀24 h,加入少量硫酸银和一定量的浓硫酸,在70 ℃水浴下反应8 h,用去离子水洗涤,抽滤,烘干,备用。
取3 mL注射器塑料管,下端填装玻璃棉,将100 mg填料用甲醇超声分散成匀浆,高压填入管中,在吸附剂上加玻璃棉,制成阳离子SPE小柱。
色谱柱:Eclipse XDB-C18柱(250 mm×4.6 mm, 5 μ m);流动相:甲醇-0.001 mol/L 磷酸水溶液(70 ∶ 30, v/v),流速为1.0 mL/min;柱温:室温;检测器:紫外检测器;检测波长:230 nm;进样量:20 μ L。
分别称取甲基磺草酮标准品、阿特拉津标准品和乙草胺标准品各0.01 g(精确至 0.0001 g)于一个100 mL容量瓶中,加入一定量乙腈溶解,超声振荡10 min,用乙腈定容至刻度,得到3种农药的质量浓度均为100 mg/L。分别取此标准溶液0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mL于6个100 mL容量瓶中,用甲醇定容至刻度,得到标准系列的质量浓度为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mg/L。用HPLC测定系列标准溶液的峰面积,绘制峰面积(y)与标准系列质量浓度(x)的关系曲线。
将制备的固相萃取小柱与固相萃取仪相连接,先用5 mL甲醇淋洗,再用5 mL蒸馏水平衡固相萃取小柱。取100 mL水样,过滤,调整真空度,使滤液以5 mL/min 的速率通过小柱,然后在氮气保护下将该小柱吹干,用3 mL的乙腈洗脱,再用2 mL 5%氨化甲醇洗脱,合并洗脱液,用甲醇定容后进行液相色谱分析。
氧氯化锆溶于水后,生成强酸性的锆盐溶液,用氨水调节溶液的pH值,制备氧化锆前驱体的水溶胶,以乙酰丙酮作为胶体稳定剂。尿素和甲醛在此酸性条件下,自发生成脲醛树脂聚合物,聚合物吸附到胶体表面,形成桥状絮凝结构。随着聚合物不断生成,氧化锆胶体颗粒被包裹在脲醛树脂中,形成氧化锆树脂球沉积下来。小球经程序升温煅烧去除脲醛树脂,得到二氧化锆微球。
图1a为偶联剂改性二氧化锆微球的红外光谱图。其中 3435.32 cm-1处为- OH的伸缩振动吸收峰,2927.53 cm-1和 2840.87 cm-1处为- CH3和=CH2的伸缩振动吸收峰,1635.50 cm-1处的吸收峰反映C = C双键存在,1725.40 cm-1处的吸收峰表示酯基- COOR存在。
图1b为偶联剂改性二氧化锆微球的扫描电镜图。由图1b可见,偶联剂改性二氧化锆微球形态圆整呈球状,且微球表面较平滑,单分散性好。
图2a为交联聚苯乙烯包覆二氧化锆微球的红外光谱分析图。其中 3059.34、3025.24 cm-1均为苯环上 C - H 的伸缩振动吸收峰,2921.65、2847.82 cm-1处为- CH3和 - CH2 - 的 C - H 伸缩振动吸收峰,在 1601.76、1505.01、1493.14、1452.23 cm-1处为苯环的骨架伸缩振动特征吸收峰。
图2b为交联聚苯乙烯包覆二氧化锆微球的扫描电镜图。由图2b可见,聚合物包覆二氧化锆微球呈球状,表面粗糙不平，微球的粒径为6～8 μ m。经EDS分析,碳含量为93.6% ,比偶联剂改性二氧化锆微球表面的碳含量增加了68.4% ,表明聚合物已包覆二氧化锆微球。
图3为磺化聚苯乙烯包覆二氧化锆微球的红外光谱图。其中 3021.73 cm-1处为苯环上 C - H 伸缩振动吸收峰,2925.44 cm-1处为- CH3和 - CH2 - 的 C - H 伸缩振动吸收峰,1598.95～1454.42 cm-1处为苯环骨架振动吸收峰,1171.54、1129.25、1036.17、1008.43 cm-1处分别是磺酸基中S-O键的对称伸缩振动和反对称伸缩振动吸收峰。
经扫描电镜观察及X射线能谱分析,聚苯乙烯包覆二氧化锆经磺化后仍呈球状,表面元素C ∶ S ∶ O ∶ Zr(质量比)为72.7 ∶ 9.01 ∶ 15.3 ∶ 2.99,磺酸基含量为22.8% 。
根据分析对象甲基磺草酮、阿特拉津和乙草胺的性质,采用反相色谱分离模式,从分离时间和效果考虑,选定Eclipse XDB-C18柱(250 mm×4.6 mm, 5 μ m)。分别使用甲醇、乙腈、甲醇-0.001 mol/L 磷酸水溶液和乙腈-0.001 mol/L 磷酸水溶液为流动相进行分离得到不同的分离效果图。结果表明,当甲醇(或乙腈)作流动相时,各组分的保留时间较短,各峰难以分开;当使用甲醇(或乙腈)与水混合时,随着水量的增加各组分保留时间增加,尤其乙草胺增加较为明显,但由于组分在水中的水解使各峰出现分叉现象,无法进行定性和定量分析;使用磷酸调节水的pH值,可抑制水解并改善峰形。经多次试验,最终得到的最佳流动相为甲醇-0.001 mol/L 磷酸水溶液(70 ∶ 30, v/v),流速为1.0 mL/min,此时各组分得到较理想的分离,且基线平稳,峰形对称。经对甲基磺草酮、阿特拉津和乙草胺的甲醇溶液进行紫外光谱扫描,确定检测波长为230 nm。色谱图见图4。
洗脱剂是影响萃取回收率的重要因素之一。本工作制备的磺化聚苯乙烯包覆二氧化锆固相萃取填料小柱,具有强阳离子交换和反相(亲脂)保留双重模式,对于水中的甲基磺草酮、阿特拉津和乙草胺主要为反相萃取模式,因阿特拉津属三嗪类弱碱性有机物,同时具有阳离子交换萃取模式。实验中使用100 μ g/L 的甲基磺草酮、阿特拉津和乙草胺混合溶液,洗脱液体积为5 mL,考察了洗脱剂类型对色谱峰面积的影响,见表1。
表1数据说明乙腈洗脱3种物质的效果均优于甲醇;氨化甲醇只对阿特拉津具有好的洗脱效果;3 mL乙腈+2 mL氨化甲醇与5 mL乙腈洗脱剂相比,甲基磺草酮和乙草胺的色谱峰面积相近,但阿特拉津的色谱峰面积明显增加。因此采用3 mL乙腈洗脱后,再用2 mL氨化甲醇洗脱。
称取100 mg吸附剂3份,分别置于50 mL具塞锥形瓶中,各加入30 mL质量浓度均为100 mg/L 的甲基磺草酮、阿特拉津和乙草胺混合溶液,在室温下超声振荡20 min后,用液相色谱法测定吸附后各组分的浓度。按q= /m公式计算填料对各组分的吸附量,其中q为吸附量(mg/g); c0为起始质量浓度(mg/L); cx为吸附后的质量浓度(mg/L); V为溶液体积(L); m为吸附剂质量(g)。结果:磺化聚苯乙烯包覆二氧化锆填料对甲基磺草酮、阿特拉津和乙草胺的吸附容量分别为17.13 mg/g、19.32 mg/g和20.76 mg/g。Waters公司的Oasis MCX混合型阳离子交换固相萃取小柱的基质为聚苯乙烯-二乙烯基苯高聚物,具有阳离子交换和反相色谱双重保留模式。取100 mg Oasis MCX固相萃取小柱填料,重复上面的操作。结果:此填料对甲基磺草酮、阿特拉津和乙草胺的吸附容量分别为18.04 mg/g、19.85 mg/g和21.26 mg/g。可见,自制固相萃取小柱填料与Waters Oasis MCX固相萃取小柱填料的吸附容量相近。
1.3.2节的实验结果如下:在0.5～3.0 mg/L 范围内,甲基磺草酮的线性回归方程为y=151.83x-1.0753,相关系数(r2)为 0.9936;阿特拉津的线性回归方程为y=143.35x-4.8773, r2为 0.9925;乙草胺的线性回归方程为y=174.33x-13.783, r2为 0.9919。
以色谱图基线噪声值的3倍对应的质量浓度为仪器检出限,根据浓缩倍数计算样品中甲基磺草酮、阿特拉津和乙草胺的检出限分别为5.41、6.72和13.4 μ g/L。
分别取1.3.2节中的标准系列5.0 mL于6个100 mL容量瓶中,用水稀释至刻度,得到3种标准品的质量浓度分别为25、50、75、100、125、150 μ g/L。对于每种质量浓度的标准溶液,均分别取6份100 mL溶液,对应6支萃取小柱,按1.3.3节中步骤操作,依据测定数据计算萃取率和相对标准偏差,结果见表2。
由表2数据可见,自制小柱对3种除草剂的萃取率的顺序为:乙草胺＞阿特拉津＞甲基磺草酮。分析其原因,乙草胺是分子结构中含有苯环的亲脂性物质;阿特拉津为三嗪类物质,在水中呈阳离子状态;甲基磺草酮分子结构中含有苯环,是一种弱酸,溶液pH值决定了其离子化程度和溶解度。由此说明本文合成的固相萃取吸附填料对于含有苯环及具有阳离子性质的除草剂均具有较好的吸附能力。由RSD值可知,不同批次的小柱萃取率的重现性较好。
按照1.3.3节操作步骤,对黑龙江省劳动湖水、嫩江水及灌溉渠水样进行测定,甲基磺草酮、阿特拉津和乙草胺测定结果见表3。
将制备的固相萃取柱先用0.1 mol/L 的硝酸-甲醇(70/30, v/v)溶液浸泡2 h,然后用甲醇水溶液洗去硝酸,再用0.1 mol/L 的氢氧化钠-甲醇(50/50, v/v)溶液浸泡2 h,经甲醇水溶液洗涤平衡后,按2.7节进行操作,结果发现,小柱对3种目标物的萃取率及方法精密度与表2数据相近,由此说明自制的固相萃取填料耐酸碱性强。
用钛酸酯偶联剂改性二氧化锆微球后,苯乙烯及二乙烯基苯与二氧化锆微球表面C = C双键经自由基聚合,形成交联聚苯乙烯包覆二氧化锆微球,磺化得到阳离子交换固相萃取填料,制备工艺条件合理。用自制的填料制成固相萃取小柱与高效液相色谱联用,测定水中甲基磺草胺,阿特拉津和乙草胺,结果令人满意。
2013, Vol. 31 Issue (8): 769-774
PDF (3370KB)
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