肉桂酸及其衍生物是一种重要的香料, 广泛存在于多种中药材中, 是健胃、袪风、抗糖尿病的有效成分[1], 同时具有抗氧化性、抗微生物活性、抗癌性等重要的临床应用价值, 已被广泛应用于医药品和食品添加剂中[2, 3]。由于医药品、食品等样品中肉桂酸及其衍生物的含量较低, 且样品基质复杂, 需要对样品进行前处理, 以消除基质干扰, 从而提高检测灵敏度。磁性纳米颗粒作为一种新型的萃取材料, 因具有较大的比表面积和外加磁场下的可操控性, 被越来越多地应用于样品前处理中[4]。目前, 通过修饰和包覆磁性纳米材料表面使其具有吸附特性是制备磁性萃取材料最常用的手段。
石墨烯量子点(GQDs), 作为一种新型量子点, 其独特性质由石墨烯和量子点的性质共同决定。GQDs的粒径小于100 nm, 厚度为0.5~1.0 nm, 表面含有羟基、羧基、烷氧基等含氧基团, 具有良好的水溶性[5-8]。当GQDs的粒径减小到10 nm时, GQDs拥有显著的量子限制效应和边缘效应[9, 10], 并能够使GQDs产生光致发光性能和上转换发光性能等新的理化性质[11]。目前关于GQDs的研究热点主要集中在物理性质方面, 特别是电子结构和电学性质, 并在生物成像[12-15]、光电器件[16, 17]、生物传感[18, 19]等领域展现出了广阔的应用前景。由于GQDs结构中含有离域的π电子体系, 可以和苯环形成强的π -π作用力, 预示着它可能是一种对含有苯环的物质具有较强吸附作用的吸附剂。
基于GQDs和磁性纳米粒子的优点, 本研究以具有良好顺磁性的Fe3O4纳米粒子作为GQDs的固相载体, 采用一步化学共沉淀法合成了Fe3O4-GQDs磁性复合纳米粒子, 并将其用作分散固相微萃取剂, 以快速富集5种肉桂酸及其衍生物(肉桂酸、3, 4-二甲氧基肉桂酸、4-甲氧基肉桂酸、阿魏酸、反-4-羟基肉桂酸), 并采用毛细管电泳法(CE) 进行定量分析。通过优化影响萃取效率的关键因素(包括吸附时间、吸附剂用量、样品pH、脱附时间), 发展了一种快速、高效的肉桂酸及其衍生物的检测方法。
IFS120HR傅里叶变换红外光谱仪(Bruker, 德国); 449F3同步热分析仪(Netzsch, 德国); VairoEL元素分析仪(Elementar, 德国); 7410振动样品磁强计(Lake Shore, 美国); 贝克曼P/ACE MDQ毛细管电泳系统(Fullerton, CA, USA); 熔融石英毛细管(75 μ m i.d.,375 μ m o.d.,总长48 cm,有效长度40 cm, 河北永年县锐沣色谱器件有限公司)。
鳞片石墨粉、磷酸二氢钾、十水合四硼酸钠、氯化钡购自国药集团化学试剂有限公司; 浓硫酸、浓硝酸、浓盐酸、氢氧化钠、氨水均购自天津市百世化工有限公司; 大孔树脂柱购自西安蓝晓科技新材料股份有限公司; 六水合三氯化铁(FeCl3·6H2O)、四水合氯化亚铁(FeCl2·4H2O) 均购自成都市科龙化工试剂厂; 肉桂酸(纯度99%)、3, 4-二甲氧基肉桂酸(纯度99%)、4-甲氧基肉桂酸(纯度98%)、阿魏酸(纯度99%)、反-4-羟基肉桂酸(纯度98%) 均购自百灵威科技有限公司。
分别称取20 mg肉桂酸、3, 4-二甲氧基肉桂酸、4-甲氧基肉桂酸、阿魏酸、反-4-羟基肉桂酸, 置于100 mL烧杯中, 加入20 mL甲醇溶解, 然后转移至100 mL容量瓶中, 用去离子水定容至刻度, 配制质量浓度为200 mg/L的肉桂酸及其衍生物的混合标准溶液。
根据本课题组的前期工作制备GQDs[20]。称取1.5 g鳞片石墨粉于圆底烧瓶中, 加入120 mL浓硫酸-浓硝酸混合溶液(5 : 1, v/v), 于140 ℃搅拌30 h, 得到红棕色分散液, 待冷却至室温后, 用饱和NaOH溶液调节反应溶液的pH值至7.0。随后, 于0 ℃析出反应液中的Na2SO4, 抽滤, 得到少盐的石墨烯量子点分散液。将100 mL少盐的石墨烯量子点分散液通过已预处理好的2 L大孔树脂柱, 进行动态吸附。首先使用去离子水进行洗脱, 并向流出液中滴加1 mol/L BaCl2溶液, 检查流出液中是否含有盐, 直至反应无沉淀产生, 开始收集棕黄色的流出液; 当流出液颜色变为淡黄色时, 说明去离子水对吸附在大孔树脂上的GQDs的洗脱能力变弱, 此时采用80%(v/v) 乙醇溶液进行洗脱, 收集流出液; 最后, 合并两种流出液后, 进行旋蒸、干燥, 得到棕色的GQDs。
采用一步化学共沉淀法制备Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子[2]。称取5.2 g FeCl3·6H2O、2.0 g FeCl2·4H2O、0.85 mL浓盐酸、0.3 g GQDs于25 mL去离子水(N2除氧) 中, 超声处理至少15 min, 直至铁盐溶解, 于80 ℃向上述溶液中滴加氨水, 用机械搅拌器剧烈搅拌(非磁力搅拌), 直至溶液的pH值为9.0~10.0, 整个反应过程均在N2保护下。在外磁铁作用下, 用去离子水洗涤, 至溶液的pH值为7.0, 最后将Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子干燥, 备用。
精密称取15 g补中益气丸, 加入50 mL 70%(v/v) 乙醇溶液, 于80 ℃加热回流2 h, 冷却至室温后过滤, 将得到的上清液旋蒸浓缩至30~40 mL, 用乙醇定容至50 mL, 摇匀, 备用。
称取150 mg Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子于10 mL样品管中, 加入6 mL预处理过的补中益气丸样品溶液或200 mg/L肉桂酸及其衍生物的混合标准溶液, 于室温下静置吸附50 min; 用磁铁将Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子分离, 收集于离心管底部, 弃去样品废液。加入0.5 mL去离子水, 洗涤Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子, 然后加入10 mL甲醇洗脱30 min, 富集吸附在Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子上的目标物, 收集洗脱液, 待CE分析。
毛细管在每次使用前用0.1 mol/L NaOH在高压(20 kPa) 下清洗5 min, 然后用水冲洗5 min, 再用电泳缓冲液冲洗5 min。
最佳分离条件:分离电压为15 kV; 电泳缓冲液为NaOH-硼砂缓冲溶液(50 mmol/L, pH 9.55);检测波长为288 nm。
对制备的GQDs纳米粒子和Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子的粒度和形貌进行透射电镜(TEM) 表征。由GQDs的TEM图及其粒径分布图(见图 1a) 可知, GQDs的粒径在1~5 nm范围内, 平均粒径为2.3 nm;由Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子的TEM图(见图 2b) 可知, 该法制备的Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子的粒径较小, 有利于提高吸附剂的分散性和吸附性能; 另外, 大量的GQDs包覆在黑色的Fe3O4颗粒上, 且包覆层结构致密。
Fe3O4、GQDs、Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子的红外光谱图见图 2。由Fe3O4的红外光谱图(见图 2a) 可知, 在565 cm-1处, 有Fe -O -Fe键的伸缩振动峰, 是Fe3O4的特征吸收峰; 在3 330 cm-1处, 有O -H的伸缩振动峰, 表明在Fe3O4纳米颗粒表面存在O -H。GQDs的红外光谱图见图 2b, 在3 330 cm-1附近有一个较大的吸收峰, 对应于GQDs的O -H伸缩振动; 在1 729 cm-1处, 有羧基的C=O伸缩振动吸收峰; 另外一个主要的吸收峰在1 661 cm-1处, 对应于GODs中芳香环骨架中C=C的伸缩振动; 1 450 cm-1处的峰归属于C -OH的伸缩振动。将Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子的红外光谱图(见图 2c) 与Fe3O4、GQDs的红外光谱图进行对比, 在1 661 cm-1处存在C=O的伸缩振动峰, 说明Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子已被成功制备。
分别称取一定质量的Fe3O4、GQDs、Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子, 在0~800 ℃的温度范围内进行热重分析(见图 3)。在50~200 ℃期间,是表面吸附的水分或溶剂的蒸发过程; 在200~800 ℃期间,是有机物质的分解过程。从Fe3O4的热重分析结果可以看出(见图 3a), Fe3O4的质量几乎没有损失; 由GQDs的热重分析结果可知(见图 3b), 当温度高于200 ℃时, 有机物质的含量大幅降低; 由Fe3O4-GQDs的热重曲线可知(见图 3c), 在200~800 ℃的热分解过程中, Fe3O4纳米粒子失重约45%, 说明GQDs已被成功涂敷于Fe3O4纳米粒子表面。
对Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子进行元素分析。当Fe3O4纳米粒子的表面包覆了GQDs时, 其中C和H的含量分别为19.8%和2.23%。说明GQDs已被成功涂敷于Fe3O4纳米粒子表面。
磁性大小是磁性纳米材料在磁性分离中的决定性因素。振动样品磁强计(VSM) 是研究磁特性的有效手段, 室温下测得的Fe3O4和Fe3O4-GQDs样品的磁滞回线见图 4。由此可知, Fe3O4和Fe3O4-GQDs样品的磁滞回线形状相似, 且关于原点中心对称, 表明它们没有磁滞现象, 剩磁和矫顽力均为0, 样品为超顺磁性。Fe3O4和Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子的饱和磁化强度分别为57.9 emu/g和33.2 emu/g, 说明利用磁铁可以将Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子快速分离。另外, 饱和磁化强度的减弱也表明了石墨烯量子点包裹在Fe3O4磁性纳米粒子的表面。
以Fe3O4-GQDs为固相微萃取材料富集肉桂酸、3, 4-二甲氧基肉桂酸、4-甲氧基肉桂酸、阿魏酸和反-4-羟基肉桂酸, 考察吸附时间、吸附剂用量、样品溶液pH值和脱附时间对萃取效果的影响。
在吸附剂用量为50 mg,其他固相微萃取条件为1.4节描述的前提下, 对200 mg/L肉桂酸及其衍生物的混合标准溶液进行分析, 考察了吸附时间(10、20、30、40、50、60和90 min) 对目标分析物萃取效率的影响(见图 5)。当吸附时间为10 min和20 min时, 目标分析物的回收率偏低; 当吸附时间为30~50 min时, 目标分析物的回收率逐渐增加; 继续增加吸附时间(60 min和90 min), 回收率与50 min时相差不大。因此本实验最终将吸附时间设为50 min。
在其他条件为1.4节描述的萃取条件下, 对200 mg/L的肉桂酸及其衍生物混合标准溶液进行分析, 依次加入不同质量(10、30、50、70、90、110、130、150、170和190 mg) 的Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子进行吸附, 考察吸附剂的用量对目标分析物回收率的影响(见图 6)。随着吸附剂用量的增加, 目标分析物的回收率逐渐变大, 当吸附剂用量为110~190 mg时, 3, 4-二甲氧基肉桂酸、4-甲氧基肉桂酸的回收率基本保持稳定, 说明已实现完全吸附; 当吸附剂用量为150~190 mg时, 肉桂酸、阿魏酸、反式-4-羟基肉桂酸的回收率基本保持稳定, 说明基本实现完全吸附。故最终选择Fe3O4-GQDs磁性吸附剂的用量为150 mg。另外, 吸附容量是衡量吸附剂萃取能力的主要指标, 经计算, Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子的吸附容量为37.7 mg/g。
样品溶液的pH是影响被分析物在样品介质与萃取溶剂间分配系数的一个重要因素。在吸附剂用量为50 mg, 其他萃取条件为1.4节描述的前提下, 考察了样品溶液的pH (3.0~10.0) 对目标分析物回收率的影响(见图 7)。随着溶液pH值的增加, 目标分析物的回收率先增加后减小。当样品溶液在较低pH值时, 目标分析物和Fe3O4-GQDs磁性吸附剂均不带电荷, 理论上此时的回收率应达到最大, 但实际回收率最低, 这可能是由于目标分析物与GQDs的作用太强, 会竞争吸附GQDs与Fe3O4纳米粒子的作用位点, 导致包覆的GQDs从Fe3O4纳米粒子表面脱离, 目标分析物的回收率较低; 当pH值为5.0~9.0时, 目标分析物的回收率基本稳定且较高, 这表明在较宽的pH范围内,Fe3O4-GQDs磁性吸附剂能高效地吸附5种肉桂酸及其衍生物; 当pH增至10.0时, 目标分析物的回收率急剧下降, 这是由于较高的pH环境使共沉淀法制备的Fe3O4纳米粒子极不稳定。综合考虑, 本实验最终将样品溶液pH值设为7.0。
脱附时间是本实验的重要考察因素, 在保证脱附效果的前提下, 应尽量缩短脱附时间。采用10 mL甲醇对吸附了5种肉桂酸及其衍生物的Fe3O4-GQDs磁性吸附剂进行脱附试验, 考察脱附时间(10、20、30、40、50和60 min) 对肉桂酸及其衍生物脱附效果(回收率) 的影响(见图 8)。当脱附时间为10~30 min时, 肉桂酸及其衍生物的回收率逐渐增加; 当脱附时间为40~60 min时, 肉桂酸及其衍生物的回收率趋于稳定, 且与30 min时接近。因此最终将脱附时间设为30 min。
为得到峰形良好、灵敏度高、迁移时间短的电泳分离效果, 本文对分离电压、缓冲溶液pH、缓冲溶液浓度进行了考察,并在最优分离条件下对100 mg/L的肉桂酸及其衍生物进行分析, 其电泳图见图 9a。
本实验考察了在12~20 kV的电压范围内, 肉桂酸及其衍生物的分离效果。当电压由12 kV增至15 kV时, 目标分析物的迁移时间显著缩短, 峰形更加尖锐、对称; 当继续增加至20 kV时, 毛细管内的电流过高, 产生更多的焦耳热, 导致峰形变宽, 分离效率降低。因此本实验最终将分离电压设为15 kV。
采用50 mmol/L硼砂溶液作为电解质溶液, 使用磷酸二氢钾或NaOH溶液调节pH值, 考察不同pH (7.00~10.00) 的缓冲溶液对肉桂酸及其衍生物分离效果的影响。结果表明, 用NaOH溶液调节缓冲溶液的pH值至9.55时, 肉桂酸及其衍生物的分离效果最好, 峰形尖锐, 迁移时间短。
本实验分别考察了硼砂缓冲溶液的浓度(30~70 mmol/L) 对分离效果的影响。当硼砂缓冲溶液的浓度由30 mmol/L增至50 mmol/L时, 目标分析物的迁移时间增大, 同时分离效率明显变高; 当浓度继续增至60 mmol/L时, 目标分析物的迁移时间过长, 且峰形变差, 这可能是因为缓冲溶液浓度过高时, 产生大量的焦耳热, 基线漂移, 不利于分离。因此最终将硼砂缓冲溶液的浓度设为50 mmol/L。
在最佳条件下, 对肉桂酸及其衍生物的混合标准溶液进行分析。在0.01~200 mg/L范围内, 肉桂酸及其衍生物的回归方程、相关系数(r2) 见表 1。肉桂酸及其衍生物的LOD (S/N=3) 和LOQ (S/N=10) 分别为2.14~6.23 μ g/L和7.13~20.8 μ g/L, 可满足补中益气丸中5种肉桂酸及其衍生物的检测。
对补中益气丸样品中的肉桂酸及其衍生物进行分析, 仅检测出阿魏酸, 含量为1.68 mg/L, 其毛细管电泳图见图 9b。向补中益气丸样品中分别添加5、25和50 mg/L肉桂酸及其衍生物混合标准溶液, 在最佳的条件下进行加标回收率测定, 肉桂酸及其衍生物的加标回收率为86.2%~96.2%, 相对标准偏差为1.8%~4.3% (见表 2)。其中添加50 mg/L混合标准溶液的补中益气丸样品的电泳图见图 9c。与没有进行磁性吸附的补中益气丸实际样品的分析结果进行比较, 得到阿魏酸的磁分散萃取富集因子为13.32。说明Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子对目标物具有良好的富集效果。
本研究采用一步化学共沉淀法在Fe3O4纳米粒子表面沉淀GQDs, 成功制备了Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子, 并建立了分散固相微萃取与毛细管电泳联用快速检测5种肉桂酸及其衍生物(肉桂酸、3, 4-二甲氧基肉桂酸、4-甲氧基肉桂酸、阿魏酸、反-4-羟基肉桂酸) 的分析方法。合成的Fe3O4-GQDs磁性纳米粒子对样品的富集效果良好, 建立的方法操作简便、检测灵敏, 为测定医药品等复杂基质样品中的肉桂酸及其衍生物含量提供了一种新思路。