刁春鵬，李 聰，彭 輝，蔡艷紅，裴曉洋

聊城大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，山東 聊城 252059

基于磁性多壁碳納米管的渦旋輔助分散基質(zhì)固相萃取-高效液相色譜檢測水中雙酚A

刁春鵬，李 聰，彭 輝，蔡艷紅，裴曉洋

聊城大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，山東 聊城 252059

針對分散基質(zhì)固相萃取中吸附劑與液相難以徹底分離等問題，合成磁性多壁碳納米管作為吸附劑，結(jié)合液相色譜檢測，建立了基于渦旋輔助磁性分散基質(zhì)固相萃取檢測水中雙酚A的分析方法。磁性多壁碳納米管與液相可以實現(xiàn)簡便、徹底的分離，省略分散基質(zhì)固相萃取中的過濾或離心步驟。在優(yōu)化條件下，方法檢出限為0.02 μg/L，線性范圍為0.05～10 μg/L(r=0.999 2)。將該方法用于實際水樣的分析，相對回收率為89.6%。

磁性多壁碳納米管；磁性分散基質(zhì)固相萃取；雙酚A；液相色譜；渦旋

雙酚A(BPA)是一種熟知的環(huán)境內(nèi)分泌干擾物，可以影響動物及人類的生殖能力[1-2]。由于BPA的廣泛使用，世界范圍內(nèi)水體(如西班牙[3]、荷蘭[4]、美國[5]等國家的地表水)都有BPA檢出的報道。中國環(huán)境水體(如黃河[6]、長江三角洲地表水和東海[7]等)也有BPA檢出的報道。由于內(nèi)分泌干擾作用及廣泛的水環(huán)境污染，BPA污染成為人們十分關(guān)注的環(huán)境污染問題，對水體BPA的監(jiān)測也成為環(huán)境熱點。

環(huán)境水體中BPA的分析主要采用化學(xué)發(fā)光[8]、氣相色譜[9]、液相色譜[10]和毛細管電泳[11]等方法。由于環(huán)境水體中BPA濃度較低，儀器分析之前需要進行預(yù)處理。常見的預(yù)處理方法有固相萃取[8, 12-13]、液相微萃取[14-15]和固相微萃取[16]等。其中，固相萃取因其具有較高的可靠性和環(huán)境友好等優(yōu)點，在實際分析中得到廣泛應(yīng)用。作為固相萃取的一種形式，基質(zhì)分散固相萃取(MSPD)[17-18]相比于柱固相萃取具有萃取時間更短、有機溶劑用量更低的優(yōu)點。但是，MSPD技術(shù)中吸附材料與水相的徹底分離難以實現(xiàn)，且需要過濾或者離心等步驟，操作繁瑣、耗時。磁性基質(zhì)分散固相萃取(MMSPD)以磁性吸附材料代替普通非磁性材料，可以實現(xiàn)徹底、簡便的吸附材料和水相的分離[19-20]。

研究以多壁碳納米管(MWCNTs)為材料，合成磁性多壁碳納米管(MMWCNTs)作為MMSPD的吸附材料，用來吸附富集水樣中的BPA，以永久性磁鐵徹底分離水相與MMWCNTs，BPA經(jīng)洗脫后利用高效液相色譜分析，建立了水樣中BPA簡便、快速、靈敏的分析方法。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

Agilent 1100高效液相色譜儀熒光檢測器(美國)，XD-6 X射線粉末衍射儀，Quadrasorb SI比表面和孔徑分布分析儀(美國)，MPMS-XL-7磁性測量系統(tǒng)，渦旋振蕩器，100 mL聚四氟乙烯反應(yīng)釜，馬弗爐，DZF-6090真空干燥箱。

BPA，二甘醇；乙二醇，氯化鐵，丙烯酸鈉，醋酸鈉，乙醇，硝酸均為分析純；MWCNTs，純凈水；乙腈，甲醇均為色譜純(美國)。

水樣取自某污水處理廠外排水，進行分析之前用0.45 μm 濾膜進行過濾。

1.2 色譜條件

熒光檢測器的激發(fā)(EX)波長為283 nm，發(fā)射(EM)波長為323 nm；Spherigel C18色譜柱(250 mm×4.6 mm，5 μm)；以乙腈、水為流動相，進行梯度洗脫，詳見表1。流速為1.0 mL/min，進樣體積為10 μL。

表1 梯度洗脫程序

1.3 MMWCNTs的制備

MWCNTs的羧基化：將MWCNTs過篩，使粒徑小于75 μm，取5 g MWCNTs和100 mL硝酸放入圓形燒瓶中，加入磁子，于80 ℃油浴下攪拌回流反應(yīng)3 h。冷卻后離心，加去離子水洗滌，離心后測定水相pH。反復(fù)洗滌多次，直至離心后水相pH為7左右，然后放入真空干燥箱內(nèi)65 ℃烘干。

MMWCNTs的制備：取0.8 g羥基化的MWCNTs，1.7 g丙烯酸鈉，1.7 g醋酸鈉，1.2 g FeCl3·6H2O，17 mL乙二醇和6 mL二乙二醇放入燒杯中進行攪拌，超聲2 h，然后放入聚四氟乙烯反應(yīng)釜，于200 ℃下密閉反應(yīng)10 h。冷卻后先用乙醇洗滌6次，再用去離子水洗滌6次，放入真空干燥箱內(nèi)65 ℃烘干。

1.4 材料表征

對MWCNTs、羧基化MWCNTs以及制備的MMWCNTs進行比表面積分析(BET)，判斷MMWCNTs制備過程中比表面積的變化。對MMWCNTs進行粉末衍射分析(XRD)，判斷磁性引入物質(zhì)。對MMWCNTs進行磁性分析(M-H曲線)，判斷MMWCNTs磁性的大小。

1.5 MMSPD過程

MMSPD過程如圖1所示。取50 mg MMWCNTs加入置于錐形瓶內(nèi)的50 mL水樣中，以渦旋振蕩器渦旋輔助吸附。吸附完成后，以永久性磁鐵吸引并將MMWCNTs固定于錐形瓶內(nèi)壁，丟棄水相。向錐形瓶中加入洗脫劑，渦旋輔助解吸。然后以永久性磁鐵吸引并將MMWCNTs固定于錐形瓶內(nèi)壁，將洗脫劑轉(zhuǎn)移至試管中，以液相色譜微量進樣針吸取10 μL進行分析。將脫附后的MMWCNTs以2.0 mL洗脫劑清洗2次，再以5.0 mL去離子水清洗3次，除去可能存在的雜質(zhì)后重復(fù)利用。

圖1 MMSPD過程示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 材料表征

圖2顯示了MMWCNTs的XRD和M-H表征圖。

圖2 MMWCNTs的XRD和M-H表征圖

圖2(a)為MMWCNTs的XRD表征圖，其中，2θ=30.12°、35.56°、42.82°、54.04°、56.74°、62.34°和73.45°的特征峰，分別對應(yīng)Fe3O4的(220)晶面、(311)晶面、(400)晶面、(422)晶面、(511)晶面、(440)晶面和(533)晶面。XRD分析結(jié)果顯示，MMWCNTs的磁性來自于順磁性的Fe3O4晶體。MWCNTs、羧基化MWCNTs和MMWCNTs的比表面積分別為149、139、 85 m2/g。MWCNTs、羧基化MWCNTs和MMWCNTs的比表面積依次降低，特別是羧基化MWCNTs經(jīng)過磁化后，比表面積出現(xiàn)大幅下降。這是因為在磁化過程中，MWCNTs的部分微孔被Fe3O4晶體堵塞所致。MWCNTs的M-H表征如圖2(b)所示，飽和磁化度為23.3 emu/g，處于超順磁性范圍，證明是純的Fe3O4結(jié)構(gòu)。

2.2 渦旋吸附時間

MMWCNTs 吸附水樣中BPA主要是在渦旋輔助下完成的，研究考察了不同的渦旋輔助時間(2、5、7、10、15 min)對MMSPD的影響(圖3)。

圖3 渦旋時間對MMSPD的影響

圖3中BPA的峰面積隨時間的延長不斷增加，7 min后，峰面積隨時間的延長則基本保持不變。為了得到理想的靈敏度和節(jié)省分析時間，后續(xù)實驗采用渦旋吸附時間為7 min。

2.3 洗脫劑種類及其體積

洗脫劑種類決定了其對MMWCNTs 吸附的BPA的洗脫效率，研究考察了丙酮、甲醇和乙腈作為洗脫劑的情況。結(jié)果如圖4所示。

圖4 洗脫劑種類對MMSPD的影響

由圖4可見，丙酮作洗脫劑時BPA峰面積最大，說明丙酮對BPA的吸附效果最好。因此，后續(xù)實驗采用丙酮作為洗脫劑。洗脫劑體積能夠影響B(tài)PA在洗脫劑中的濃度，進而影響方法的靈敏度。研究了不同丙酮體積(0.2、0.5、1.0、2.0、3.0 mL)對MMSPD的影響，結(jié)果如圖5所示，峰面積隨著洗脫劑體積減小而增大。但是，當(dāng)洗脫劑體積為0.2 mL時，方法的誤差明顯變大。因此，后續(xù)實驗采用洗脫劑體積為0.5 mL。

圖5 洗脫劑體積對MMSPD的影響

2.4 洗脫時間

利用洗脫劑將MMWCNTs吸附的BPA洗脫下來需要一定的時間，研究了不同洗脫時間(0.5、1、1.5、2、3、4 min)對MMSPD的影響，結(jié)果如圖6所示。當(dāng)洗脫時間超過2 min時，峰面積變化不大，表明2 min時洗脫已經(jīng)完成。為節(jié)約分析時間，后續(xù)實驗中洗脫時間采用2 min。

圖6 洗脫時間對MMSPD的影響

2.5 水樣pH

BPA攜帶有酸性基團，因此，水樣的pH能夠?qū)MSPD過程產(chǎn)生影響?？疾炝瞬煌琾H(2、4、6、7、8)對MMSPD的影響，結(jié)果如圖7所示。峰面積隨著pH的減小而增加。當(dāng)pH為2時，部分MMWCNTs顆粒不能很好地被永久性磁鐵固定，徹底的固液分離產(chǎn)生困難。其原因是，在較小pH下，部分Fe3O4溶解，使得MMWCNTs磁性降低，甚至消失。為了實現(xiàn)較好的固液分離和較高的靈敏度，后續(xù)實驗中調(diào)節(jié)水樣pH為4。

圖7 水樣pH對MMSPD的影響

2.6 離子強度

增加水樣離子強度能夠使有機污染物在水樣中的溶解度降低，提高MMSPD的吸附效率。向樣品中加入不同含量的NaCl(0、2.5、5.0、10.0、15.0、20.0%)，以考察離子強度對實驗的影響。實驗結(jié)果如圖8所示，峰面積隨著鹽濃度的增加逐漸增加，當(dāng)達到10%時達到最大且保持平衡。因此，后續(xù)實驗選擇10%的鹽濃度。

2.7 MMWCNTs重復(fù)使用情況

采用MMWCNTs作為吸附劑，在MMSPD過程中并未被破壞，可以重復(fù)利用。在水樣pH為4時，將一份MMWCNTs重復(fù)使用，以此研究其可重復(fù)利用性。當(dāng)重復(fù)使用超過80次時，部分MMWCNTs不能很好地與水相分離。為了得到可靠的結(jié)果，實驗將MMWCNTs重復(fù)使用60次。

圖8 水樣離子強度對MMSPD的影響

2.8 方法的性能指標及環(huán)境水樣分析

所建立方法檢出限為0.02 μg/L，線性范圍為0.05～10 μg/L(r=0.999 2)，相對標準偏差為4.9%。水樣取自某污水處理廠外排水，進行分析之前用0.45 μm濾膜進行過濾。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該外排水中BPA濃度為0.12 μg/L。為了考察水樣基質(zhì)對該方法的影響，向該水樣中加標0.5 μg/L BPA，相對回收率為89.6%，結(jié)果令人滿意。水樣及加標水樣的液相色譜圖如圖9所示。

圖9 水樣及加標水樣液相色譜圖

2.9 與其他方法的比較

表2為本研究方法與其他方法的比較。

表2 本研究所建立方法與其他方法的比較

注：DLLME為分散液相微萃取；HPLC為高效液相色譜。

3 結(jié)論

開發(fā)了一種基于磁性多壁碳納米管的分散基質(zhì)固相萃取技術(shù)，結(jié)合高效液相色譜-熒光檢測，建立了水中BPA的分析方法。所建立方法檢出限為0.02 μg/L，線性范圍為0.05～10 μg/L，相對回收率為89.6%。用于實際水樣分析，結(jié)果令人滿意。

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Vortex Assisted Magnetic Matrix Solid Phase Dispersion Based on Magnetic Multi-Walled Carbon Nanotubes for the Determination of Bisphenol A in Water Samples by High Performance Liquid Chromatography Detection

DIAO Chunpeng,LI Cong,PENG Hui,CAI Yanhong,PEI Xiaoyang

School of Environment and Planning,Liaocheng 252059，China

In matrix solid phase dispersion (MSPD), it was difficult to achieve complete separation of the adsorbent and the aqueous phase. Magnetic multi-walled carbon nanotubes (MMWCNTs) was synthesized to adsorb Bisphenol A (BPA) in water samples. A new vortex assisted magnetic matrix solid phase dispersion (MMSPD) method based on MMWCNTs was proposed for the determination of BPA in water samples by high performance liquid chromatography. Complete separation of MMWCNTs and the aqueous phase was easily achieved, and the filtration or centrifugation step was saved. On the optimized conditions, the limit of detection (LOD) was 0.02 μg/L, and the linearity was obtained from 0.05 to 10 μg/L. It was satisfied for the proposed method to be used for the determination of BPA in water samples with relative recovery of 89.6%.

magnetic multi-walled carbon nanotubes；magneticatrix solid phase dispersion；Bisphenol A；high performance liquid chromatography；vortex

2015-08-24;

2016-01-20

山東省優(yōu)秀中青年科學(xué)家獎勵基金(BS2015HZ014)

刁春鵬(1983-)，男，山東棲霞人，博士，講師。

X832.02

A

1002-6002(2016)05- 0111- 05

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.05.21