劉 娜, 李佩儀, 孫蒙蒙, 秦海洋,李沅鑫, 李晉成, 劉 歡, 吳立冬*

(1. 上海海洋大學食品學院, 上海 201306; 2. 中國水產科學研究院農業(yè)農村部水產品質量安全控制重點實驗室, 北京 100141; 3. 大連海洋大學食品科學與工程學院, 遼寧 大連 116023)

隨著國家工業(yè)化的發(fā)展和生產力的提高,環(huán)境污染成為亟待解決的問題[1],尤其是染料和重金屬污染[2],不僅會致癌致畸致突變,甚至會直接威脅到生命[3,4]?？兹甘G(malachite green, MG)是一種常用染料[5],也曾是水產品中的一種抗菌藥物,其“三致”效應嚴重威脅人體健康[6]。雖然MG已經被農業(yè)農村部明令禁止使用,但仍有不法商家在使用。目前,吸附法、物理氧化法、生物降解法等很多技術被用來處理污染廢水[7],吸附法因其操作流程較為簡便、成本較低而成為廢水中染料等污染物去除的一種重要方法[8,9]。可用于吸附孔雀石綠的材料有活性炭、磁性吸附劑、農業(yè)廢料等[10],但存在吸附效率低、成本高、制備工藝復雜等缺點,且需要施加外力(如離心、過濾、磁鐵吸引等)才可與吸附完成后的孔雀石綠溶液分離,不能滿足快速檢測的需要。

水凝膠是一種具有三維網絡狀結構的高分子材料[11],通常以海藻酸鈉[12]、纖維素[13]、明膠[14]、淀粉[15]、透明質酸、殼聚糖等多糖分子作為其中的一種網絡結構,與丙烯酰胺、丙烯酸、N,N-亞甲基雙丙烯酰胺等第二種網絡結構形成復合的雙網絡結構水凝膠[16]。水凝膠含水量極高,具有很強的親水性卻不會溶于水,因此在固液分離方面具有十分大的應用潛力。研究發(fā)現以聚丙烯酰胺-海藻酸鈉(PAAM-SA)體系的水凝膠作為吸附劑具有很好的吸附效果[17],主要原因是海藻酸鈉中存在許多羥基和羧基,易吸附陽離子染料[18,19]。

但是,只有水凝膠作為吸附劑其吸附效果并不能達到最佳[20],吸附率只能達到60%左右,因此我們考慮將多孔的金屬有機框架(MOF)材料與水凝膠結合,制備成一種新的吸附劑。粉末狀的MOF材料通常吸附后難以與溶液相分離[21,22],因此在吸附領域的發(fā)展有所限制[23,24]。故我們將水凝膠與MOF這兩種優(yōu)異的吸附材料進行復合,制備成一種便攜、可在待測溶液中原位提取且節(jié)省時間和經濟成本的水凝膠吸附劑。本研究中,對MOF及PAAM-SA、聚丙烯酰胺-海藻酸鈉/金屬有機框架材料(PAAM-SA/MOF)水凝膠的形貌結構采用多種表征手段進行分析。通過對吸附和脫附條件進行一系列優(yōu)化,水凝膠吸附劑的吸附效率最高可達97%,脫附效率達99%。對養(yǎng)殖水體中的MG進行了吸附提取,HPLC-MS/MS檢測,結果表明該前處理方法大大簡化了檢測過程,是一種很有潛力的新型吸附劑。

1 實驗部分

1.1 儀器、試劑與材料

F15-8x50cy高速冷凍離心機(賽默飛世爾科技(中國)有限公司), FE28 pH計(梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司), SPECORD PLUS 210紫外可見分光光度計(德國耶拿公司), ZEISS Sigma 500場發(fā)射掃描電子顯微鏡(德國蔡司公司), HT7700透射電子顯微鏡(日本Hitachi公司), X0-18S真空冷凍干燥機(南京先歐儀器制造有限公司), ZQ-990LB萬能拉力試驗機(東莞市智取精密儀器有限公司), AB SCIEX QTRAP 5500三重四極桿質譜儀(美國AB SCIEX公司)。

海藻酸鈉(純度99%)、N,N,N′,N′-四甲基乙二胺(TEMED)、丙烯酰胺(AAm,純度≥99%)、N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺(MBAA,純度99%)、過硫酸銨(APS,純度≥98%)和二水硫酸鈣(CaSO4·2H2O, 純度≥99%)購自美國Sigma公司。苯甲酸(BA,純度99.5%)購于上海阿拉丁試劑公司;四(4-羧苯基)卟啉(TCPP, 純度97%)購于日本TCI試劑公司;八水氧氯化鋯(ZrOCl2·8H2O, 純度99.9%)購于北京Inno Chem科技公司;氨水(NH3·H2O,分析純)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF,色譜純)、乙醇(C2H5OH,色譜純)和MG(色譜純)購自上海麥克林生化有限公司;甲醇、乙腈、正己烷(色譜純)購于美國Fisher Chemical公司。18.2 MΩ·cm超純水通過Milli-Q(美國Millipore公司)超純水儀制得。養(yǎng)殖水體實際樣品采自北京房山區(qū)五渡鱘魚養(yǎng)殖基地。

1.2 孔雀石綠標準溶液配制及標準曲線制作

先配制100 mg/L的孔雀石綠水溶液,分別取0.25、0.5、0.75、1.0、1.25 mL于5支25 mL的比色管中,并加入超純水至刻度,反復搖勻,即得1～5 mg/L的孔雀石綠標準溶液。用純水作為對比,用紫外可見分光光度計在616 nm波長下進行吸光度測試,制作標準曲線,線性方程為A=0.027 3C+0.027 2,r2=0.999 2(A為吸光度,C為孔雀石綠溶液的質量濃度,r2為相關系數)。后續(xù)吸附條件考察中的孔雀石綠含量均由該方程計算得出。

精確稱量孔雀石綠粉末1 mg,用超純水溶解于100 mL容量瓶中定容至刻度,得到0.01 g/L的標準儲備液,再用超純水逐級稀釋,得到質量濃度分別為0.25、0.5、1.0、10、20 μg/L的標準溶液。該系列溶液用于制作實際樣品測定的標準曲線。

1.3 MOF材料的制備

參照文獻[25]方法進行制備,具體如下:取100 mL DMF加入到200 mL錐形瓶中。稱取300 mg ZrOCl2·8H2O、100 mg TCPP和5.6 g BA,超聲1 min使其混合均勻。將混勻的混合溶液轉移至油浴鍋中,設置恒定反應溫度為90 ℃,反應4 h。待反應結束后,將得到的產物以13 000 r/min轉速進行離心后,用DMF洗滌3次,最終將產物溶于DMF中,并定容至50 mL,得到深紫色MOF溶液。

1.4 PAAM-SA/MOF水凝膠的制備

將2 mL 50 g/L SA溶液與3 mL 230 g/L 丙烯酰胺、80 μL 45.64 g/L APS、200 μL 2 g/L MBAA、1 mL 0.01 g/L的MOF溶液混合均勻,加入20 mL注射器中,抽真空60 min以除去氣泡,再與300 μL 172.2 g/L CaSO4溶液、10 μL TEMED快速混合,迅速注入模具中。將模具放在紫外線照射器下避光交聯1 h。將交聯好的水凝膠用蒸餾水沖洗3次,除去未反應的物質。清洗后的水凝膠放入70 ℃烘箱烘干至恒重,備用。

1.5 樣品前處理

取0.1 g干燥水凝膠作為吸附劑,加入到含有5 mL待測樣品的離心管中,用氫氧化鈉溶液調節(jié)pH至9,在溫度40 ℃下吸附萃取5 h,使目標分析物保留在吸附劑中。加入2 mL乙腈,使孔雀石綠從水凝膠中脫附下來,收集洗脫液過0.45 μm濾膜,進行HPLC-MS/MS測試。

1.6 表征

為了解MOF材料的形貌特征,對其進行了透射電鏡表征。為進一步了解MOF材料是否成功摻雜在水凝膠中并確定MOF材料在水凝膠中的相對位置,對PAAM-SA/MOF水凝膠進行了SEM表征。拍攝SEM時需要對水凝膠冷凍干燥后做噴金處理。

1.7 水凝膠力學性能測試

水凝膠的機械拉伸性能用萬能拉力試驗機進行了評估,該儀器配備了1 kg的稱重傳感器,拉伸測試在室溫下進行。水凝膠的尺寸為36 mm×18 mm×2.5 mm,呈啞鈴形。拉伸速度保持在100 mm/min。

1.8 HPLC-MS/MS條件

色譜柱:Dionex Bonded Silica Products C18柱(50 mm×2.1 mm, 3 μm);柱溫:35 ℃;流動相A:乙酸銨溶液(0.005 mol/L);流動相B:乙腈。梯度洗脫程序:0～2 min, 30%B; 2～5 min, 30%B～90%B; 5～7 min, 90%B; 7～8 min, 90%B～30%B; 8～9 min, 30%B。流速:0.3 mL/min;進樣量:5 μL。

采用電噴霧離子(ESI)源,正離子模式,噴霧電壓(IS) 5 500 V,離子源溫度(TEM) 550 ℃,氣簾氣(CUR)壓力241.325 kPa,霧化氣(GS1)壓力379.225 kPa,輔助加熱氣(GS2)壓力379.225 kPa。采用多反應監(jiān)測(MRM)模式采集數據,監(jiān)測離子:母離子m/z329.1,定量離子m/z313.2 (碰撞能50 eV),定性離子m/z208.1(碰撞能60 eV)。

2 結果與討論

2.1 PAAM-SA/MOF復合水凝膠的制備及吸附

圖1為工作流程圖。首先,將制備好的MOF材料與預凝膠溶液混合,混合均勻后在紫外光(波長365 nm)下照射1 h,形成一塊完整的水凝膠。水凝膠為SA和PAAM兩種網絡形成的雙網絡結構,MOF均勻分布在水凝膠基質中。將交聯完成的水凝膠烘干即完成吸附劑的制備。稱取一定干燥的水凝膠,浸泡在適當濃度的孔雀石綠溶液中進行吸附,可以看到水凝膠由紫紅色變?yōu)樯钏{色,孔雀石綠溶液幾乎變?yōu)闊o色,即水凝膠將孔雀石綠基本吸附完全。隨后用一定量有機溶劑對吸附了孔雀石綠的水凝膠進行洗脫,孔雀石綠溶解在有機溶劑中。

2.2 MOF及水凝膠材料的表征

為明確制備的MOF材料大小及形貌,對其進行透射電鏡表征,如圖2a、b所示,MOF納米材料呈現出大小較為均勻的方形。PAAM-SA/MOF復合水凝膠的SEM圖見圖2c、d,PAAM-SA的SEM圖見圖2e,可以看出,PAAM-SA的孔徑較大,約為16 μm,只能看到水凝膠網絡結構中的孔壁,而PAAM-SA/MOF復合水凝膠的孔徑有所減小,孔隙增多,表面粗糙,具有許多小孔且內部堅實;從圖2f、g可以看出,吸附完孔雀石綠后的水凝膠孔徑大大增加,這主要是因為在水溶液中干燥的水凝膠發(fā)生了溶脹。吸附后的水凝膠SEM圖中能夠清晰地看到MOF的立方體結構,既驗證了MOF材料均勻摻雜在水凝膠網絡結構內,直觀地說明本研究成功制備了摻雜有MOF的水凝膠;又表明在加入MOF后,有利于形成水凝膠骨架,增加孔隙,從而能夠提高水凝膠對孔雀石綠染料的吸附效果。圖2f中可以看到一些除方形結構外的粗糙褶皺,這可能是吸附的孔雀石綠在拍攝SEM時冷凍干燥而析出的晶體。

圖 1 PAAM-SA/MOF水凝膠復合材料吸附及脫附流程圖Fig. 1 Flow chart for adsorption and desorption of polyacrylamide-sodium alginate/metal-organic framework (PAAM-SA/MOF) hydrogel composites

圖 2 MOF材料的透射電鏡圖和水凝膠的掃描電鏡圖Fig. 2 Transmission electron micrographs (TEM) of the MOF material and scanning electron microscope (SEM)images of the hydrogel a, b. TEM images of MOF; c, d. SEM images of hydrogel before adsorption of malachite green (MG); e. SEM image of PAAM-SA hydrogel; f, g. SEM images of hydrogel after adsorption of MG.

2.3 PAAM-SA/MOF水凝膠的力學性能測試

對PAAM-SA/MOF水凝膠進行力學性能測試,實測圖和萬能拉力試驗機測試的應力應變曲線如圖3所示。對應圖3a拉伸過程,其應力應變曲線如圖3b所示,最大應變約為300%,表明制備的水凝膠材料仍然具有一定的力學性能,吸附完成后可以很好地將水凝膠吸附劑與MG溶液分離,不會發(fā)生水凝膠破碎而無法分離取出的現象[26]。

圖 3 PAAM-SA/MOF水凝膠的力學性能測試Fig. 3 PAAM-SA/MOF hydrogel mechanical properties testa. physical diagrams of the hydrogel during stretching; b. stress-strain curve.

圖 4 (a)有無MOF材料、(b)水凝膠吸附劑用量、(c)吸附時間、(d)溶液pH、(e)溫度和(f)初始MG濃度對吸附效率的影響(n=3)Fig. 4 Influences of (a) the presence or absence of MOF material, (b) hydrogel adsorbent dose, (c) adsorption time,(d) solution pH, (e) temperature, and (f) initial mass concentration of MG on adsorption efficiency of MG (n=3)

2.4 吸附條件的優(yōu)化

2.4.1有無MOF對吸附性能的影響

將MOF復合水凝膠PAAM-SA/MOF與不添加MOF材料的純水凝膠PAAM-SA在同樣條件下進行吸附效率的對比。結果如圖4a所示,PAAM-SA/MOF水凝膠的吸附率為96.47%,而PAAM-SA水凝膠對MG的吸附率為63.17%,即吸附率比純水凝膠PAAM-SA增加了約33%。復合水凝膠對MG的吸附效率比純水凝膠高,表明添加的MOF材料可以很好地在水凝膠體系中發(fā)揮良好的吸附作用[27],既解決了傳統的MOF材料因粒徑太小而回收率低的難題,還解決了純水凝膠吸附效率較低的問題。

2.4.2水凝膠吸附劑用量對吸附性能的影響

干燥水凝膠的用量對于去除效果的影響非常大。結果如圖4b所示,當吸附劑質量由0.025 g增加至0.1 g時,吸附率從63%提高到了94%, 0.1 g到0.4 g吸附效率基本保持恒定。考慮到經濟成本,確定吸附劑的添加量為0.1 g。

2.4.3吸附時間對吸附性能的影響

吸附時間的影響見圖4c。吸附時間從1 h增加到5 h,吸附率由71%增加到94%之后達到平衡,5 h之后基本達到穩(wěn)定,因此確定吸附達到平衡的時間為5 h。在一定的時間范圍內,對MG的吸附率與吸附作用時間呈正相關,吸附5 h時基本到達飽和點,再增加吸附時間其吸附效率并沒有顯著提升。因此后續(xù)實驗都在5 h內完成吸附效率的測試。

2.4.4pH對吸附性能的影響

圖4d是在不同pH條件下,水凝膠對孔雀石綠染料吸附效率的影響。當溶液pH值從3增大至6時,水凝膠對MG的吸附率迅速從83%增大至92%;但當染料溶液pH>6時,水凝膠對MG的吸附率增加緩慢。主要原因是當溶液為酸性條件時,大量的H+使吸附劑中的-COO-、-NH2質子化為-COOH和-NH3+[28,29],染料與水凝膠中的羧基、氨基間絡合及靜電作用降低,且大量的H+能與羧基形成分子內氫鍵[3],使水凝膠溶脹程度降低,吸附效率下降。后續(xù)實驗控制pH為9進行吸附測試。

2.4.5溫度對吸附性能的影響

溫度對水凝膠吸附MG的影響如圖4e所示,整體呈現先升高后下降的趨勢,吸附溫度從10 ℃升高至40 ℃,吸附效率由76%升高到97.5%;高于40 ℃后,吸附效率明顯下降。由此可得在適當高的溫度下,吸附效率可達到最佳。主要原因是適當的溫度下,水凝膠溶脹度增大,更多的MG分子可以與羧基、氨基等官能團構成的吸附位點結合[30],但當溫度太高(40～50 ℃)時,可能會降低水凝膠的溶脹度,因此吸附位點減少,降低了吸附效率。綜上,選擇吸附效果最好的溫度40 ℃。

2.4.6孔雀石綠初始濃度對吸附性能的影響

此外還研究了初始MG濃度對PAAM-SA/MOF吸附MG的影響。PAAM-SA/MOF水凝膠吸附效率隨著MG濃度的變化如圖4f所示。設置MG初始質量濃度為50、100、200、300、400 mg/L,100 mg/L時吸附效率最高,可達97.62%,而隨著MG初始濃度從100 mg/L升高到400 mg/L,吸附效率由97.62%下降到72.36%。主要原因是水凝膠吸附劑的質量一定,當吸附到達飽和點時,剩余的MG分子無法再與水凝膠結合[31,32]。

2.5 脫附條件的優(yōu)化

2.5.1洗脫劑對脫附效率的影響

本實驗中采用5種不同的有機溶劑各2 mL對吸附基本達到飽和的5塊PAAM-SA/MOF水凝膠在相同環(huán)境條件下進行洗脫,選取的有機試劑分別為乙腈、甲醇、乙醇、DMF和正己烷。如圖5a所示,極性比較高的乙腈、甲醇對于孔雀石綠的脫附效率較高,用乙腈脫附時達到最高脫附效率,約為99%,可以滿足實際工業(yè)化處理需要。因此選擇乙腈作為較優(yōu)的洗脫劑來進行后續(xù)的洗脫。

2.5.2洗脫劑體積對脫附效率的影響

洗脫劑的用量對脫附效果也有很大程度影響。若洗脫劑的量太少,吸附的孔雀石綠難以完全脫離;量太多則會增加經濟成本,且脫附下來的孔雀石綠濃度可能會太低,不便于后續(xù)檢測分析。分別用1、2、3、4、5 mL乙腈對吸附條件相同并且吸附達到飽和的水凝膠進行脫附。乙腈體積從1 mL增加到2 mL,脫附效率從91%增加到99%(見圖5b)。從2 mL到5 mL時,脫附效率略有下降。同時考慮到經濟成本問題,選擇用2 mL乙腈來進行脫附處理。

圖 5 孔雀石綠洗脫條件優(yōu)化(n=3)Fig. 5 Optimization of MG elution conditions (n=3)a. desorption organic solvents; b. acetonitrile volume.DMF: N,N-dimethylformamide.

2.6 方法學考察

2.6.1線性關系、檢出限和定量限

采用HPLC-MS/MS測定1.2節(jié)配制的0.25～20 μg/L標準溶液,結果表明,在0.25～20 μg/L范圍內,MG具有良好的線性關系,得到標準曲線方程:y=1.744 44x+0.057 28(x為質量濃度μg/L,y為對應的峰面積),r2=0.998。以3倍、10倍信噪比計算得出孔雀石綠的檢出限為0.083 μg/L,定量限為0.25 μg/L。

2.6.2準確度與精密度

在空白基質中加入0.5、1.0、5.0 μg/L 3個水平的MG標準溶液以測試該方法的準確度,并計算加標回收率。結果表明養(yǎng)殖水體中孔雀石綠的加標回收率為84.8%～118.1%,相對標準偏差(RSD)為0.12%～5.1%,即該方法滿足實際測試中準確度及精密度的要求。

2.7 實際樣品的分析

將本吸附劑應用在實際樣品中進行分析測試,以驗證可行性。采集了6個養(yǎng)殖水體樣本,經PAAM-SA/MOF水凝膠吸附劑萃取,用1.5節(jié)方法對樣本中的孔雀石綠進行富集和洗脫,再用HPLC-MS/MS測試,結果均未檢出孔雀石綠(典型譜圖見圖6a)。在養(yǎng)殖水體樣本中加標(1.5 μg/L)測試,得到的色譜圖如圖6b所示,測得的MG含量為1.61 μg/L,該結果表明所制備的新型水凝膠吸附劑可以用于實際樣品中低濃度MG的富集,簡化前處理過程,且不受樣品中其他雜質的干擾,是一種具有潛在應用前景的便攜式吸附提取方法。

圖 6 加標(a)前、(b)后養(yǎng)殖水體經MOF復合水凝膠富集的提取離子色譜圖Fig. 6 Extracted ion chromatograms of aquaculture water enriched by MOF composite hydrogel (a) before and (b) after spiking

3 結論

本工作成功地將MOF材料包裹在水凝膠中,制備出兼容MOF和水凝膠特點的復合吸附材料,可以更加便攜、高效地提取實際樣品中的孔雀石綠染料。該研究建立了基于MOF復合水凝膠的快速富集方法,同時結合HPLC-MS/MS可以實現對養(yǎng)殖水體中孔雀石綠的檢測,在最佳吸附條件下,水凝膠吸附劑顯示出較高的吸附能力,可通過有機溶劑進行完全洗脫,簡化富集過程,對準確定量分析實際樣品中的孔雀石綠具有潛在的應用價值。