胡碧清 - 葉 佳 李倩蓮 - 龐 杰 嚴(yán)志明 -

(福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350000)

多環(huán)芳烴(polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs)是重要的環(huán)境和食品污染物，通常來自有機(jī)物質(zhì)的不完全燃燒，如煤、汽油、木材、肉類或其他有機(jī)食品[1]。其具有潛在的生物蓄積性，致突變、致癌和致畸性，對(duì)人類健康和環(huán)境構(gòu)成潛在威脅[2-3]。廣泛分布于環(huán)境和食品中的PAHs具有痕量水平的低濃度和低溶解性。因此，建立一種高效、靈敏的PAHs分析方法尤為重要。

目前，樣品前處理技術(shù)主要包括固相萃取[4-5]、攪拌棒吸附萃取[6-7]、固相微萃取[8-9]、磁性固相萃取[10-12]等。磁性固相萃取是一種基于固相萃取的分散固相萃取技術(shù)，相比于其他前處理技術(shù)，只需使用少量的吸附劑和較短的平衡時(shí)間就能夠?qū)崿F(xiàn)低濃度的微量萃取，具有非常高的萃取能力和萃取效率。磁性固相萃取的核心是磁性納米粒子，具有大的比表面積和獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，特有的超順磁性有助于通過磁鐵方便地分離和收集。近年來，基于磁性納米粒子的技術(shù)在分離領(lǐng)域中備受關(guān)注[13-15]。石墨烯、碳納米管、金屬—有機(jī)框架材料、分子印跡聚合物、共價(jià)有機(jī)骨架等材料用于制備磁性復(fù)合材料并應(yīng)用于磁性固相萃取。

共價(jià)有機(jī)骨架材料(covalent organic framework，COFs)是一類完全由C、H、O、N等輕元素組成并且通過強(qiáng)共價(jià)鍵連接的有機(jī)晶體材料。COFs作為晶型多孔材料，具有低密度、高比表面積、良好的化學(xué)及熱穩(wěn)定性等特點(diǎn)而備受關(guān)注和研究[16-17]。在過去的10余年中，COFs在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如氣體存儲(chǔ)與分離[18-20]、催化[21-23]、傳感[24-25]、吸附劑[26-28]。近年來，COFs在樣品前處理方面展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力[29-30]，尤其是磁性COFs材料可以克服因COFs材料密度輕及粒徑小所引起的使用不便的問題。目前，磁性COFs的制備及在磁性固相萃取應(yīng)用仍存在發(fā)展階段，磁性COFs的制備存在操作繁瑣、過程冗長、制備條件苛刻等問題。

試驗(yàn)分別制備磁性納米顆粒Fe3O4及共價(jià)有機(jī)骨架材料COF-SCU1，再將酸化處理的Fe3O4與COF-SCU1通過靜電吸附作用制備磁性共價(jià)有機(jī)骨架材料Fe3O4@COF-SCU1，并基于Fe3O4@COF-SCU1擬建立磁性固相萃取—高效液相色譜/紫外法分析大紅袍茶湯中的8種PAHs，以期為檢測(cè)環(huán)境和食品中的PAHs提供相關(guān)的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

1，3，5-苯三甲酰氯：純度≥98%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；

甲醇、乙腈：色譜純，國藥集團(tuán)上?；瘜W(xué)試劑有限公司；

對(duì)苯二胺、三氯化鐵、乙酸鈉、乙酸乙酯、乙醇、乙二醇、丙酮、二氯甲烷：分析純，國藥集團(tuán)上?；瘜W(xué)試劑有限公司；

芴(Flu)、菲(Phe)、蒽(Ant)、熒蒽(Flt)、芘(Pyr)、苯并(a)蒽(BaA)、苯并(b)熒蒽(BbF)、苯并(a)芘(BaP)標(biāo)準(zhǔn)品：純度≥99%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；

茶葉：大紅袍，福建省武夷山市。

1.1.2 主要儀器設(shè)備

高效液相色譜儀：LC-20A型，配有紫外檢測(cè)器，島津-GL(上海)商貿(mào)有限公司；

電子天平：ME204/02型，梅特勒—托利多儀器(上海)有限公司；

超聲波清洗器：KQ5200E型，昆明市超聲儀器有限公司；

超純水系統(tǒng)：Milli-Q IQ7000型，美國Merck公司；

氮吹儀：MG-2200型，上海虔鈞科學(xué)儀器有限公司；

X射線粉末衍射(XRD)：D8 Advance型，德國Bruker公司；

超導(dǎo)量子干涉裝置磁力計(jì)(SQUID)：PPMS-9型，美國Quantum Design公司；

物理吸附分析儀：ASAP 2020型，美國Micromeritics公司；

傅里葉變換紅外(FT-IR)光譜儀：Nicolet 5700型，美國Nicolet公司；

透射電子顯微鏡(TEM)：FEI Tecnai G20型，美國FEI公司；

掃描電子顯微鏡(SEM)：FEI Inspect QUANTA 430型，美國FEI公司。

1.2 方法

1.2.1 Fe3O4@COF-SCU1的制備

(1) Fe3O4合成：根據(jù)文獻(xiàn)[31]。將2.7 g三氯化鐵和7.2 g乙酸鈉溶解在100 mL乙二醇中，并將混合液置于反應(yīng)釜中在200 ℃下反應(yīng)8 h。反應(yīng)結(jié)束后，用乙醇和超純水清洗干凈，于50 ℃真空干燥箱中干燥備用。

(2) COF-SCU1合成：根據(jù)文獻(xiàn)[17]。將1.06 g 1，3，5-苯三甲酰氯溶解在30 mL乙酸乙酯中。將0.32 g對(duì)苯二胺溶解于15 mL乙酸乙酯，在0 ℃冰水浴條件下逐滴滴入1，3，5-苯三甲酰氯溶液中并在室溫下攪拌24 h，反應(yīng)結(jié)束后將所得的產(chǎn)物用乙醇和超純水清洗干凈，于50 ℃真空干燥箱中干燥備用。

(3) 制備Fe3O4@COF-SCU1：將2 g的Fe3O4溶解于0.1 mol/L的HCl溶液中，超聲處理10 min，然后用超純水清洗干凈，并分散于20 mL超純水中；將2 g的COF-SCU1分散于20 mL的超純水中，超聲處理10 min。將上述兩種溶液混合，渦旋1 min，即可得Fe3O4@COF-SCU1。

1.2.2 色譜條件 色譜柱：Agilent C18(4.6 mm×150 mm，5 μm)，柱溫30 ℃，進(jìn)樣體積20 μL，流速1 min/mL。流動(dòng)相：A為水，B為乙腈；梯度洗脫程序：0～5 min，60% B；5～11 min，60%～100% B；11～16 min，100% B；16～21 min，100%～60% B；21～25 min，60% B。PAHs的檢測(cè)波長：Flu 210 nm，Phe 251 nm，Ant 251 nm，F(xiàn)lt 232 nm，Pyr 238 nm，BaA 287 nm，BbF 258 nm，BaP 295 nm。

1.2.3 混合標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制 分別稱取Flu、Phe、Ant、Flt、Pyr、BaA、BbF、BaP標(biāo)準(zhǔn)品，精確至0.000 1 g，用乙腈配制成1 000 μg/mL 的儲(chǔ)備液。將8種標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液混合配制成200 μg/mL的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液。用水逐級(jí)稀釋質(zhì)量濃度分別為4.00，2.00，1.00，0.50，0.25，0.10 μg/mL的標(biāo)準(zhǔn)溶液。將上述溶液置于4 ℃的冰箱中保存。

1.2.4 樣品前處理 0.5 g大紅袍茶葉加入120 mL開水沖泡3 min，茶湯用0.45 μm濾膜過濾，冷卻至室溫備用。

1.2.5 磁性固相萃取過程 萃取試驗(yàn)過程具體步驟如圖1所示，將10 mg磁性吸附劑材料加入40 mL PAHs加標(biāo)水樣中，渦旋3 min使分析物與磁性材料充分接觸。通過磁鐵使吸附劑從水樣中分離并去除上清液。加入2 mL二氯甲烷—乙腈(體積比1∶4)渦旋4 min，收集洗脫液并用溫和的氮?dú)獯抵?00 μL，用流動(dòng)相定容至500 μL，經(jīng) 0.22 μm微孔濾膜過濾，取20 μL于HPLC分析。

圖1 Fe3O4@COF-SCU1的制備及MSPE-HPLC-UV法檢測(cè)PAHs示意圖

Figure 1 Schematic diagram of the preparation of Fe3O4@COF-SCU1 and the detection of PAHs by MSPE-HPLC-UV

2 結(jié)果與討論

2.1 Fe3O4@COF-SCU1的表征

2.1.1 形貌表征 圖2為SEM和TEM表征結(jié)果，揭示了材料的微觀形態(tài)。如圖2(a)所示，COF-SCU1為聚集狀態(tài)，是由于大量的COF-SCU1團(tuán)聚形成粒徑約為200 nm 的小球形顆粒。從圖2(b)可以觀察到COF-SCU1黏附在Fe3O4周圍和表面。從圖2(d)可以觀察到Fe3O4周圍分布的COF-SCU1，進(jìn)一步說明了COF-SCU1已經(jīng)成功修飾在Fe3O4表面。

2.1.2 磁性能(VSM)分析 從磁滯曲線(圖3)可知，F(xiàn)e3O4和Fe3O4@COF-SCU1具有超順磁性，F(xiàn)e3O4飽和磁化值高達(dá)79.8 emu/g，F(xiàn)e3O4@COF-SCU1飽和磁化值為55.4 emu/g，這種高飽和磁性可賦予其對(duì)磁鐵的快速響應(yīng)，利于收集和分離。

2.1.3 紅外光譜(FTIR)分析 為了考察所制備材料的化學(xué)基團(tuán)，分別對(duì)Fe3O4、COF-SCU1和Fe3O4@COF-SCU1進(jìn)行了FTIR表征見圖4。從COF-SCU1譜圖可以觀察到在3 378 cm-1處有很強(qiáng)的吸收峰，歸屬于—OH或—NH鍵的伸縮振動(dòng)；在2 923 cm-1的峰為苯環(huán)C—H的伸縮振動(dòng)峰；在1 713 cm-1的峰為苯環(huán)的特征吸收峰；在1 658 cm-1的峰為羧酸和酰胺C═O鍵的吸收峰；從Fe3O4譜圖可以觀察到578 cm-1處有強(qiáng)吸收峰，歸屬于Fe—O鍵伸縮振動(dòng)引起的特征吸收峰，說明存在Fe3O4。從Fe3O4@COF-SCU1的FTIR圖中清晰可見Fe3O4和COF-SCU1的特征峰，結(jié)果表明了Fe3O4@COF-SCU1為Fe3O4和COF-SCU1組成的復(fù)合材料。

圖2 Fe3O4、COF-SCU1和Fe3O4@COF-SCU1的SEM圖和TEM圖

Figure 2 SEM images and TEM images of Fe3O4, COF-SCU1 and Fe3O4@COF-SCU1

圖3 Fe3O4和Fe3O4@COF-SCU1的磁滯曲線

圖4 Fe3O4、COF-SCU1和Fe3O4@COF-SCU1的FTIR圖

2.1.4 X射線衍射(XRD)分析 采用XRD考察了Fe3O4、COF-SCU1和Fe3O4@COF-SCU1的晶體結(jié)構(gòu)，結(jié)果見圖5。Fe3O4分別在30.24°，35.48°，43.11°，57.00°，62.66°處有明顯的特征衍射峰，與文獻(xiàn)[31]相一致。COF-SCU1在26°處有較寬的衍射峰，說明其為無定型結(jié)構(gòu)。從Fe3O4@COF-SCU1的XRD圖可以觀察到Fe3O4和COF-SCU1的特征峰均有出現(xiàn)，再次表明了Fe3O4@COF-SCU1為Fe3O4和COF-SCU1組成的復(fù)合材料。

圖5 Fe3O4、COF-SCU1和Fe3O4@COF-SCU 1的XRD圖

2.1.5 比表面積(BET)氮?dú)馕矫摳奖碚?通過氮?dú)獾葴匚摳?，得Fe3O4的BET比表面積和孔體積分別為25.44 m2/g 和0.077 cm3/g。COF-SCU1的BET比表面積和孔體積分別為60.59 m2/g和0.47 cm3/g。

2.2 MSPE條件優(yōu)化

2.2.1 Fe3O4與COF-SCU1配比的影響 Fe3O4@COF-SCU1主要通過疏水相互作用，π-π堆積作用力來萃取分析物，為獲得最佳的萃取效果，分別制備了Fe3O4和COF-SCU1的質(zhì)量比為5∶5，6∶4，7∶3，8∶2的吸附劑。如圖6(a)所示，當(dāng)質(zhì)量比為5∶5時(shí)，觀察到8種PAHs有較佳的回收率，且均在61%以上，其中BbF和BaP的回收率超過了90%。因此，后續(xù)試驗(yàn)使用的是基于Fe3O4和COF-SCU1的質(zhì)量比為5∶5的吸附劑。

2.2.2 離子強(qiáng)度的影響 為了研究離子強(qiáng)度對(duì)萃取分析物的影響，使用NaCl來調(diào)節(jié)溶液的鹽溶度。如圖6(b)所示，當(dāng)NaCl濃度從0.02 mol/L增加到0.06 mol/L時(shí)，分析物的回收率基本保持不變。而繼續(xù)添加鹽時(shí)，回收率均有所下降。這可能是添加的鹽增加了溶液的黏度，影響了PAHs在吸附劑上的吸附動(dòng)力學(xué)，因此后續(xù)試驗(yàn)中不添加NaCl。

2.2.3 吸附程序的優(yōu)化

(1) 吸附劑用量對(duì)萃取效果的影響：考察了不同用量(5，10，15，20，25 mg)的吸附劑對(duì)萃取效率的影響。如圖6(c) 所示，當(dāng)吸附劑從5 mg增加到10 mg，PAHs回收率均有著顯著的提高。其后隨著吸附劑用量的增加，回收率基本保持恒定。因此，后續(xù)試驗(yàn)中吸附劑用量選擇10 mg。

圖6 磁性固相萃取條件優(yōu)化

(2) 萃取時(shí)間對(duì)萃取效果的影響：如圖6(d)所示，萃取3 min時(shí)8種PAHs即可達(dá)到吸附平衡。因此，在后續(xù)試驗(yàn)中萃取時(shí)間選擇3 min。

2.2.4 洗脫程序的優(yōu)化 選取甲醇、乙醇、丙酮、乙腈以及二氯甲烷—乙腈(體積比1∶4)5種洗脫劑進(jìn)行了探索。從圖6(e)可以觀察到，二氯甲烷—乙腈(體積比1∶4)解析效果最好。因此，進(jìn)一步優(yōu)化了洗脫時(shí)間和二氯甲烷—乙腈(體積比1∶4)的用量，結(jié)果如圖6(f)和(g)所示。最終選擇2 mL的二氯甲烷—乙腈(體積比1∶4)作為洗脫溶劑，洗脫時(shí)間為4 min。

2.3 重復(fù)利用性

為考察材料的重復(fù)利用性，每次MSPE過程后，分別用1 mL的甲醇和水清洗吸附劑，再進(jìn)行試驗(yàn)。經(jīng)過5次試驗(yàn)，PAHs的回收率沒有明顯變化，說明Fe3O4@COF-SCU1具有良好的穩(wěn)定性。

2.4 方法的線性范圍與檢出限

通過使用優(yōu)化的MSPE條件確定方法的線性范圍，靈敏度，驗(yàn)證方法的分析性能。配制一系列濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液，在最佳萃取條件下，經(jīng)MSPE后進(jìn)行HPLC-UV分析，如表1所示，8種PAHs均得到良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)≥0.998 7。檢測(cè)限(LODs，S/N=3)和定量限(LOQs，S/N=10)分別為0.10～0.40，0.33～1.34 ng/mL。

2.5 實(shí)際樣品的分析

將建立的方法應(yīng)用于大紅袍茶湯中8種PAHs的分析檢測(cè)。結(jié)果表明，大紅袍茶湯中的Ant的含量為0.471 2 ng/mL，其余的PAHs未檢出。分別添加濃度為2，10，20 ng/mL的PAHs混合標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行加標(biāo)回收試驗(yàn)，重復(fù)3次。如表2所示，8種PAHs的平均回收率在74%～106%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.20%～8.50%。圖7為大紅袍茶湯中分別加入濃度為2，10 ng/mL的PAHs混合標(biāo)準(zhǔn)溶液前后對(duì)比的色譜圖。上述試驗(yàn)結(jié)果表明：該方法滿足分析檢測(cè)的要求，可用于檢測(cè)低濃度的PAHs。

3 結(jié)論

通過簡易的方法成功制備了Fe3O4@COF-SCU1并將其作為吸附劑，建立MSPE-HPLC-UV法檢測(cè)大紅袍茶湯中PAHs的分析方法。該方法操作簡單，快速準(zhǔn)確，充分利用了COF-SCU1的吸附能力以及MSPE的優(yōu)勢(shì)，避免了過濾等繁瑣操作，且吸附劑可以快速方便地回收再利用，在同時(shí)富集萃取多種PAHs方面具有很好的應(yīng)用前景。此外，研究出該技術(shù)的自動(dòng)化萃取裝置，實(shí)現(xiàn)在線磁性萃取進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)分析，是該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展方向。

表1 方法的線性方程、線性范圍、相關(guān)系數(shù)、檢出限和定量限

表2 大紅袍樣品中8種PAHs的加標(biāo)回收率和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差

a. 沒有加標(biāo) b. 加標(biāo)2 ng/mL c. 加標(biāo)10 ng/mL