固相微萃取(solid phase microextraction, SPME) 技术是一种集采样、萃取、浓缩和进样于一体的样品前处理与富集技术[1], 已被广泛应用于环境、食品、生物等领域。相对于固相萃取, SPME具有简单、快速、灵敏度高、选择性好、环境友好且便于直接与检测器联用、可实现在线检测等优点[2]。SPME涂层的选择决定了检测的灵敏度以及使用寿命, 已报道的商品化涂层包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚二甲基硅氧烷/二乙烯基苯(PDMS/DVB)、聚丙烯酸酯(PA) 等[3]。但是, 商品化涂层由于价格昂贵、选择性差、容易磨损等缺点, 使用范围比较有限。因此, 研究价格便宜、使用寿命长、选择性好的涂层仍然是研究热点[4]。
已有多种材料被用于制备SPME涂层, 如石墨烯[5]、碳纳米管[6]、聚离子液体[7]等。多孔材料由于特殊的孔结构、大的比表面积等优点得到了广泛关注。金属有机骨架材料(MOF) 是一种孔道可修饰的多孔材料, 由金属或金属簇与有机配体构成。Gao等[8]利用UiO-66作为SPME涂层, 用于富集水及土壤中的多环芳烃, 结果表明该涂层对多环芳烃具有较强的萃取能力。由于MOF在高的温度和湿度等环境下不能稳定存在, 发展稳定性高、萃取性强的多孔材料引起了新的研究热潮, 如多孔芳香骨架材料(PAF)、共价有机骨架材料(COF)、微孔有机聚合物(MOP) 等[9]。我们课题组分别以PAF/离子液体(PAF/IL) 和COF材料制备了SPME涂层, 并成功用于果汁、牛奶和黄瓜中农药的富集与检测[10, 11]。
MOP是由轻元素(C、H、O、N等) 通过共价键连接组成的多孔材料, 具有密度低、耐高温、耐酸碱等特点[12]。这些优点使其在催化剂、电池、传感器等领域得到了广泛的应用。MOP的孔大小、孔结构和功能由其反应单体和合成方法决定。三聚氰胺由于含有活泼氨基的刚性三嗪环结构, 且价格便宜、含量丰富, 已被广泛用作合成MOP的反应单体[13]。但是, 到目前为止, 尚未见三聚氰胺MOP用于SPME领域的报道。
有机氯农药(OCPs) 是一种持久性有机污染物, 化学性质稳定、疏水性强、不易降解。OCPs可以通过食物链进入人体而导致各种疾病, 包括癌症、遗传变异、免疫系统疾病等。复杂的样品基质往往阻碍OCPs的检测, 因此, 发展快速有效的样品预处理方法仍然是一项挑战。本实验以1, 3, 6, 8-四(4-醛基) 芘(TFPPY) 和三聚氰胺为单体合成MOP, 建立了SPME与气相色谱-电子捕获检测器(GC-ECD) 联用检测OCPs的方法, 该方法有效消除了基质效应, 提高了方法的灵敏度。
傅里叶红外光谱仪(FT-IR, Perkin-Elmer公司, 美国); Agilent 6890气相色谱仪(Agilent公司, 美国, 配备电子捕获检测器); JEM-2100透射电子显微镜(TEM，JEOL公司, 日本)。
α -六六六(HCH)(100 mg/L)、六氯苯(HCB)(30 mg/L)、p, p′-滴滴涕(DDT)(50 mg/L)、β -硫丹(100 mg/L)、四(三苯基膦) 钯、1, 4-二氧六环(上海阿拉丁生化科技股份有限公司); 1, 3, 6, 8-四溴芘、4-甲酰苯硼酸、三聚氰胺(郑州阿尔法化工有限公司); 碳酸钾、二甲基亚砜、四氢呋喃、三氯甲烷、盐酸、硝酸、无水硫酸镁、氯化钠、丙酮(北京化工厂)。所有试剂均为分析纯, 实验用水为超纯水。大米样品从当地市场购买。
HP-5毛细管柱; 载气为高纯氮气(99.999%); 流量为2.5 mL/min; 进样口温度280 ℃; 检测器温度300 ℃; 升温程序:起始温度100 ℃, 以20 ℃/min的速度升温至280 ℃(保持8 min); 采用不分流模式; 进样量1 μ L。
根据参考文献[14]制备TFPPY:在干燥、洁净的三口烧瓶中加入1, 3, 6, 8-四溴芘1.00 g、4-甲酰苯硼酸1.74 g、四(三苯基膦) 钯0.12 g、碳酸钾2.1 g及1, 4-二氧六环30 mL, 在N2保护下加热回流72 h。反应结束后, 将烧瓶中的黄色悬浮物倒入含有3 mol/L盐酸的冰水混合物中, 然后减压抽滤得到黄色固体。用盐酸洗涤黄色固体3次, 再用三氯甲烷提取产品, 提取液用无水硫酸镁干燥后减压抽滤, 得到黄色固体。用热的三氯甲烷使黄色固体重结晶, 最后得到明亮的黄色粉末, 在60 ℃下真空干燥24 h。
根据参考文献[15]合成MOP:在50 mL锥形瓶中加入1, 3, 6, 8-四(4-醛基) 芘1.724 g、三聚氰胺0.47 g及二甲基亚砜23 mL。在60 ℃下超声至溶液澄清透明, 使反应物完全溶解。将混合溶液转移到100 mL高压反应釜中, 在180 ℃烘箱中反应10 h, 反应结束后得到黑色固体。黑色固体分别用水、甲醇、丙酮、四氢呋喃、三氯甲烷以及二甲基亚砜洗涤多次以除去多余杂质, 最后将合成的固体材料放入120 ℃真空干燥箱中, 干燥24 h。
制备MOP纤维的流程见图 1。首先将不锈钢丝的一端(1.0 cm) 插入到含有3 mL丙酮的小瓶中, 去掉不锈钢丝表面的保护层以形成粗糙的表面。用超纯水洗涤不锈钢丝, 在室温下晾干。然后在不锈钢丝表面均匀地涂上一层环氧树脂胶, 再将不锈钢丝插入含有MOP材料的离心管中, 旋转60 s。将不锈钢丝小心取出, 用玻璃板划掉多余的环氧树脂胶。将制备好的纤维放在120 ℃真空干燥箱中, 干燥12 h。
分别移取适量体积的各OCPs标准溶液, 用甲醇稀释, 配制成10 mg/L的混合标准储备液, 于4 ℃保存。取适量混合标准储备液, 用空白大米基质溶液稀释至50 μ g/kg后, 再逐级稀释至10、5、1、0.5、0.1、0.05 μ g/kg共7个含量的混合工作溶液。
将2 g磨碎的大米置于50 mL离心管中, 加入6 mL超纯水, 轻轻摇晃使样品完全润湿。20 min后加入8 mL丙酮、3.2 g无水硫酸镁、0.8 g NaCl, 超声30 min后静置1 min, 再离心2 min (4 000 r/min)。取上清液转移于圆底烧瓶中, 重复上述提取步骤。在35 ℃下旋转蒸干上清液, 用2 mL丙酮溶解蒸干后的残渣, 最后用0.45 μ m滤膜过滤。
红外光谱图图 2a中, 3 468、3 413、1 650 cm-1处的峰是三聚氰胺的N-H键伸缩振动峰, 这些特征峰在MOP的红外光谱图中消失(见图 2c)。图 2b中, TFPPY分别在1 700 cm-1和1 600 cm-1处有C=O键的伸缩振动和苯环的伸缩振动峰, 而在图 2c中C=O键的伸缩振动峰强度相对减弱。这些实验现象说明三聚氰胺已经与部分TFPPY反应生成了MOP, 可能是空间位阻效应使TFPPY不能完全参与反应[16]。另外, 本实验通过透射电镜对所制备的MOP的形貌进行了分析, 结果如图 3所示, MOP以层层堆叠的形式组成片层状材料。多层的结构特点增加了MOP的萃取位点, 使其对OCPs的萃取量增加[17]。
MOP的萃取能力取决于自身的性质和分析物的特性, 其对OCPs的萃取作用可归结为以下3个方面:第一, MOP涂层材料是疏水性物质[18, 19], 因此对疏水性物质有强的萃取能力[20]; 第二, MOP涂层材料含有大量的苯环和C=N键, OCPs分子中含有苯环或C=C键, 因此与MOP之间具有较强的π-π堆垛作用[21]; 第三, MOP与OCPs之间存在氢键作用力[10]。总之, 疏水作用、π-π堆垛作用、氢键作用使所制备的MOP涂层对OCPs具有较强的萃取能力。
为了使MOP涂层对OCPs达到最好的富集效果, 采用含有10 μ g/L OCPs的工作溶液优化实验参数, 包括萃取温度、萃取时间、离子强度、解吸时间等。在此过程中, 实验条件固定为:解吸温度280 ℃、检测温度300 ℃、搅拌速度500 r/min[22]。
提高温度可以增加分子运动速度, 使分析物快速从基质溶液中扩散到蒸汽中, 从而缩短达到萃取平衡的时间。但是, 温度过高不利于涂层对分析物的萃取而导致分配系数降低[17]。考察了60~90 ℃范围内温度对萃取能力的影响, 结果见图 4a。当温度从60 ℃升高至80 ℃时, 涂层对OCPs的萃取能力逐渐增强; 而在80~90 ℃范围内, 萃取能力逐渐减弱。所以80 ℃被选为最佳萃取温度, 并用于后续实验。
在SPME达到平衡之前, 随着萃取时间的延长, 涂层萃取分析物的能力增强; 但萃取时间过长, 分配系数小的物质可能会被萃取层中分配系数大的物质取代, 再次被解吸下来[23, 24]。本实验选择萃取时间为15、20、25和30 min, 以考察分析物的峰面积随萃取时间的变化情况, 结果示于图 4b。如图所示, 在15~25 min范围内, 各分析物的峰面积逐渐增加; 而当时间延长至30 min时, 涂层对各分析物的萃取能力减弱。因此萃取时间选择25 min。
实验选择0~300 g/L的NaCl溶液作为离子强度调节剂, 考察了溶液离子强度对涂层萃取能力的影响, 结果见图 4c。随着NaCl加入量的逐渐增加, 分析物的峰面积先增加后减少。这可能是因为适量的NaCl降低了OCPs在基质中的溶解度, 而过量的NaCl增加了传质阻力, 降低了OCPs的扩散速度[10, 25]。因此实验中选择200 g/L NaCl溶液作为优化值。
解吸时间关系到分析物能否从涂层上完全解吸。解吸时间过短, 不能保证分析物解吸完全; 而过长时间的解吸易导致分析物氧化或者分解。本实验在4~10 min范围内对解吸时间的影响进行了考察, 实验结果见图 4d。在4~6 min范围内, 分析物的峰面积增加; 在6~10 min范围内, 峰面积减少。因此选择6 min为最佳解吸时间。
在最优化的实验条件下, 将SPME与GC-ECD联用, 检测大米基质中的OCPs。考察了本实验所建立的检测方法的线性范围(LR)、检出限(LOD)、定量限(LOQ) 和相对标准偏差(RSD), 结果见表 1。在0.05~50 μ g/kg范围内, 4种OCPs的含量与峰面积具有较好的线性关系, 相关系数均≥0.991 4。分别以3倍信噪比(S/N=3) 和10倍信噪比(S/N=10) 计算方法的LOD和LOQ, 得到4种OCPs的LOD范围为2.4~11.3 ng/kg, LOQ范围为8~38 ng/kg。对含有10 μ g/kg OCPs的大米空白基质平行测定6次, 采用同一纤维测定得到的4种OCPs峰面积的RSD为1.3%~13.1%。采用不同纤维平行测定3次, 其RSD为2.3%~13.6%。表明该方法具有较好的精密度。对10 μ g/kg的OCPs混合标准溶液进行富集、分析, 计算得到该涂层材料对4种OCPs的富集倍数(EF) 为115~318倍。表 2给出了本方法与其他富集和检测OCPs方法的检出限对比, 表明本方法具有较低的检出限。
为了评价MOP的萃取效率, 选择3种不同极性的商品化涂层与本实验所合成的MOP涂层进行比较, 如100 μ m PDMS、85 μ m CAR/PDMS (羧基聚二甲基硅氧烷) 和85 μ m PA涂层。如图 5所示, 相对于这3种商品化涂层, MOP涂层所提供的峰面积值最高。可能的原因如前所述, 疏水作用、π-π堆垛作用、氢键作用使该MOP涂层对OCPs具有较强的萃取能力。
对从当地市场购买的大米样品进行随机检测, 并进行0.05 μ g/kg、0.1 μ g/kg两个水平的加标回收实验。结果如表 3所示, 证明该检测方法有效地消除了基质效应, 为大米中OCPs的检测提供了方法。此外, 从表 3中还可以看出很多大米样品中都含有农药成分, 但大多没有超过国家标准[27]。典型的气相色谱图见图 6。
本文利用1, 3, 6, 8-四(4-醛基) 芘和三聚氰胺合成了MOP, 并以MOP制备成SPME涂层, 与GC-ECD联用检测大米中的OCPs。该方法有效降低了基质效应, 灵敏度、检出限和回收率都符合残留分析要求。而且, 样品预富集阶段不需要溶剂, 满足环境友好的发展策略, 为大米等谷物中农药残留检测研究提供了可行的实验思路。
2017,
Vol. 35 Issue (3): 318-324
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