磁性多壁碳納米管固相萃取-氣相色譜質譜聯用快速測定食用油中的苯并[a]芘

陳 冰，肖維毅，堯珍玉，衣志民，徐蘭蘭，閆洪喜，何雪峰

（1.云南瑞升煙草技術（集團）有限公司，云南 昆明 650106；2.浙江中煙工業有限責任公司，浙江 杭州 310008）

0 引 言

苯并[a]芘（BaP）又稱為 3，4-苯并芘，是一種五元環芳香烴。作為已發現的200多種致癌多環芳烴類化合物中最具有代表性的強致癌化合物，BaP對實驗動物的半致癌劑量為80μg，最小致癌劑量為0.4～2μg，因此一直受到廣泛關注[1-5]。高溫環境下有機物熱解所生成的有機小分子，經過復雜的聚合過程而形成多種稠環芳烴，其中最典型的就是BaP。BaP對人體健康有巨大危害，主要通過食品、烹飪油煙、飲用水等途徑進入機體。

食用油的加工過程、儲存運輸過程，以及產油植物的生長過程等因素都有可能產生BaP，同時，食用油在反復利用過程中也會產生BaP。因此，建立一種快速準確和穩定可靠的食用油BaP檢測方法具有重要意義。

目前，有大量文獻報道了分析不同樣品中BaP的方法，包括高效液相色譜法（HPLC）[6-7]、液相色譜-串聯質譜法（LC-MS/MS）[8-9]、氣相色譜-串聯質譜法（GC-MS/MS）[10]、同步熒光光譜法[11-12]、拉曼光譜法[13]等。隨著分析技術的發展，色譜法和色質聯用法逐漸成為BaP分析的主流方法。

BaP在樣品中的含量普遍較低，對于基質復雜的樣品，必須對樣品進行必要的前處理，以實現目標分析物的有效分離和富集。

磁固相萃取技術（magnetic solid phase extraction，MSPE)是在固相萃取（SPE）技術基礎上發展起來的一種新穎的樣品前處理方法。它選擇對分析物有特征吸附作用的磁性材料作固相萃取吸附劑，在MSPE過程中，磁性吸附劑不是填充到吸附柱中，而是直接添加到含目標分析物的樣品溶液中，經過簡單振蕩，磁性吸附劑與樣品溶液充分混合并將目標分析物吸附到均勻分散的磁性吸附劑表面，吸附完全后，在外部磁場作用下分離磁性吸附劑與樣品基質。最后，用溶劑從磁性吸附劑上洗脫目標分析物后進樣分析。MSPE[14]的基本過程如圖1所示。

與普通的SPE技術相比，MSPE主要有3方面的優勢：首先，MSPE使得萃取過程簡單化，不需要昂貴的設備就能在短時間內分離大體積樣品中的微量物質；其次，MSPE過程中化學試劑的使用量大為減少，且沒有二次污染產生，萃取用的磁性材料制備容易且能回收利用；另外，MSPE不僅能萃取溶液中的目標分析物，還能萃取懸浮液中的目標分析物，且由于樣品中的雜質一般都是反磁性物質，能有效避免雜質的干擾[15]。因此，MSPE被人們越來越多的應用于環境、食品、生物、醫藥等領域中樣品的分離和富集。

圖1 磁固相萃取過程圖

碳納米管（CNTs）具有各種獨特的性能，如中空管狀結構、巨大的比表面積、容易改性、對金屬的強力吸附作用、對有機物的選擇吸附作用等，使之在MSPE中得到廣泛應用[15-22]。

本文制備了磁性多壁碳納米管（Fe3O4/MWCNTs）復合材料，通過優化萃取時間、磁性碳納米管用量、洗脫溶劑的類型和用量、洗脫方式及時間等MSPE實驗條件，建立了磁性多壁碳納米管固相萃取-氣相色譜質譜聯用快速測定食用油中BaP的分析方法。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器與試劑

Agilent 6890/5973N氣相色譜-質譜聯用儀（美國Agilent公司）；TriStar II3020比表面積和孔隙度分析儀（美國micromeritics公司）；臺式高分辨率掃描電子顯微鏡 TM3000（日本日立公司）；AB104-S電子分析天平（上海梅特勒-托利多儀器有限公司）；VOS-60A真空干燥箱（鄭州南北儀器設備有限公司）；IKA微型漩渦振蕩器（上海萊貝科學儀器有限公司）；MPS-10軌道式搖床（杭州瑞誠儀器有限公司）。

苯并[a]芘標準品（純度≥99%，國家標準物質中心）；弗羅里硅土（Cleanert Florisil，天津博納艾杰爾科技有限公司）；多壁碳納米管（MWCNTs，純度＞95%，外徑 30～50 nm，長度 10～20μm，購自中國科學院成都有機化學有限公司）；乙醇、甲醇、乙酸乙酯、丙酮、甲苯、正己烷、乙二醇、三水合醋酸鈉、六水合氯化鐵均為分析純及以上級別；實驗用水皆為Milli-Q超純水系統純化所得二次水。

1.2 標準溶液的配制

標準儲備液配制：準確稱量0.1g（精確到0.001g）BaP標準品，用正己烷定容至100mL，配制1g/L的單標儲備液，置于4℃冰箱保存待用。實驗優化及測試用BaP標準溶液均用正己烷稀釋單標儲備液制備。

1.3 實驗方法

1.3.1 磁性碳納米管的合成

Fe3O4/MWCNTs磁性納米復合材料的合成與文獻方法[14]略有不同。主要步驟如下：稱取0.50 g FeCl3·6H2O溶于25mL乙二醇中，加入0.20g MWCNTs，攪拌使MWCNTs均勻分散后加入1.20g三水合乙酸鈉，攪拌混合后于室溫下放置10min，然后轉移至聚四氟乙烯反應釜中，于190℃下反應16h。合成產物用二次水、無水乙醇洗滌數次后，于80℃干燥箱中干燥備用。

1.3.2 樣品磁固相萃取處理

調和油、橄欖油、麻油、芝麻油、魚油、玉米油、葵花油等食用油隨機購自超市。準確稱取1.0g樣品（精確到0.001g）于離心管中，用40mL正己烷溶解，加入2.0g弗羅里硅土，漩渦混合5min。在3000 r/min轉速下離心5min后取40mL上層清液轉移至50mL錐形瓶中，加入3.6mg磁性MWCNTs，在150 r/min速率下振蕩萃取10min后，用磁鐵將磁性MWCNTs吸附于錐形瓶底部，棄去正己烷，加入4mL甲苯。在99Hz頻率下超聲3min后，再用磁鐵將磁性MWCNTs吸附于錐形瓶底部，取出甲苯洗脫液，過0.45μm的有機濾膜后，GC-MS進樣分析。

1.3.3 GC-MS儀器條件

GC-MS的工作參數如表1所示。

表1 儀器條件

2 結果與討論

2.1 磁性MWCNTs的表征

所制備的磁性MWCNTs為黑色粉末狀，振蕩時能均勻的分散在水中，并且具有很好的磁性。

對制備的磁性MWCNTs進行了掃描電鏡和比表面積測定分析。從表2中可以看出，Fe3O4負載后的MWCNTs比原始的MWCNTs比表面積、孔容皆大幅度下降但孔徑卻有所增加。這是由于Fe3O4與MWCNTs的結合，導致新生成的磁性碳納米管由兩部分組成（Fe3O4和 MWCNTs），其中Fe3O4并無任何孔徑，因此提供吸附的仍然是原MWCNTs粒子，從而導致其比表面積下降；Fe3O4的無規則生長同樣導致MWCNTs的孔容降低。此外MWCNTs的孔由兩部分構成：一是MWCNTs內的孔；另一部分主要由碳管之間的空隙構成的“堆積孔”，相應的孔徑等于管之間的距離，Fe3O4的引入導致了MWCNTs之間的距離增加從而使堆積孔的孔徑增大，最終導致了Fe3O4/MWCNTs納米粒子的吸附性能有所減低。

表2 MWCNTs和Fe3O4/MWCNTs的BET測定數值

圖2 MWCNTs的掃描電鏡圖

圖3 Fe3O4/MWCNTs的掃描電鏡圖

對比MWCNTs和Fe3O4/MWCNTs的SEM圖（圖2和圖3），可以看出反應生成的球形Fe3O4粒子（圖3中的白色顆粒）很好地吸附在MWCNTs的表面。Fe3O4粒子的尺寸基本保持一致，同時由于反應溫度和時間等因素導致少部分Fe3O4粒子產生了團聚現象，使得部分粒子直徑偏大。

2.2 MSPE過程的優化

配制40mL質量濃度為20μg/L的BaP溶液（溶劑為正己烷），優化萃取時間、洗脫劑類型、洗脫劑用量、洗脫時間等實驗參數。

2.2.1 弗羅里硅土的使用

弗羅里硅土作為一種常用的選擇性吸附劑，主要成分是二氧化硅（84%），氧化鎂（15.5%）和硫酸鈉（0.5%），能有效去除食用油中的脂類化合物，同時對BaP并無任何吸附，大大降低了基體效應。實驗發現，當弗羅里硅土與待測油樣的質量之比達到2∶1時，能有效去除食用油中的脂類化合物。

2.2.2 洗脫溶劑類型的選擇

選擇合適的洗脫溶劑是MSPE實驗的關鍵。實驗選取了甲醇、乙醇、乙酸乙酯、丙酮和甲苯5種常用溶劑作為洗脫劑。分析結果如圖4所示，除了丙酮和甲苯外，其他溶劑都完全不能從磁性MWCNTs上洗脫目標化合物。這可能是由于碳納米管的π-π堆積作用；使其對于BaP有著很強的吸附作用，同時BaP的極性較弱，使得一般的極性溶劑很難對BaP進行洗脫，而甲苯極性較小，其與BaP之間存在較強的π-π具有較好的相似相容作用，因此能對BaP進行洗脫，本文最終選擇了甲苯作為洗脫溶劑。

圖4 洗脫劑種類對BaP回收率的影響（MWCNTs=3.6mg、萃取時間15min、洗脫體積4mL，洗脫時間5min）

2.2.3 萃取時間的優化

萃取時間對BaP回收率的影響如圖5所示。結果表明，只需5min就能實現對BaP的快速穩定萃取，而且回收率超過95.0%。選擇5min為最佳萃取時間。

2.2.4 洗脫溶劑用量的優化

洗脫溶劑的用量關系到目標化合物的洗脫效率，對于最終的分析回收率有著重要影響。實驗考察了不同體積甲苯對分析回收率的影響，結果如圖6所示。可以看出，當甲苯體積為5mL時，回收率最大，但考慮到甲苯的毒性且4mL甲苯已能滿足回收率的要求，因此選取4mL甲苯作為最佳洗脫劑用量。

圖5 萃取時間對BaP回收率的影響（n=3，MWCNTs=3.6mg、洗脫溶劑：甲苯、洗脫體積4mL、洗脫時間5min）

圖6 洗脫劑體積對BaP回收率的影響（n=3，MWCNTs=3.6mg、萃取時間 10min、洗脫溶劑甲苯、洗脫時間5min）

2.2.5 洗脫時間的優化

實驗考察 1，2，3，4，5min 洗脫時間對 BaP 分析的影響，結果如圖7所示。從結果可知，僅用3min就能得到滿意的BaP洗脫效果，故選擇3min作為最佳BaP洗脫時間。

2.2.6 磁性MWCNTs用量的選擇

實驗通過測定磁性MWCNTs對BaP的飽和吸附量來確定磁性MWCNTs用量。配制100μg/L、40mL BaP溶液，在上述最佳條件下稱取不同質量的磁性MWCNTs進行萃取，在最大萃取回收率下計算得到BaP被吸附的質量即為BaP的飽和吸附量。計算公式為：BaP飽和吸附量=（初始溶液質量濃度－萃取后剩余溶液質量濃度）×萃取液體積/MWCNTs質量。結果表明，磁性MWCNTs對BaP有較強的吸附作用，少量的磁性MWCNTs就能滿足回收率要求，但磁性MWCNTs的用量太少會造成稱量不便且增加了萃取時間；同時，磁性MWCNTs用量太多，又會增加洗脫劑的用量。實驗測得磁性MWCNTs對BaP的飽和吸附量為0.95mg/mg。綜合考慮各種因素的影響，選擇3.6mg磁性MWCNTs作為MSPE吸附劑的用量。

圖7 洗脫時間對BaP回收率的影響（n=3，MWCTNs=3.6mg、萃取時間 10min、洗脫溶劑甲苯、洗脫體積4mL）

2.3 分析性能

2.3.1 標準曲線線性范圍和方法檢出限

配制 20，50，100，200，500μg/L 的 BaP 工作標準溶液，用GC-MS分析，以BaP的峰面積對相應的濃度進行線性回歸，建立標準曲線如圖8所示，線性相關系數為0.9993。20μg/L BaP標準溶液的SIM色譜圖如圖9所示，以3倍信噪比計算得出方法檢出限為0.15μg/L，結果表明該方法具有很高的靈敏度，可以滿足實際檢測要求。

圖8 BaP標準曲線圖

圖9 20μg/L的BaP標準溶液SIM色譜圖（m/z=252）

2.3.2 方法的準確度和精密度

配制質量濃度分別為5，20，50μg/mL的BaP空白樣品，經優化的處理方法處理后，進行準確度和精密度測定，其結果如表3所示。

表3 方法準確度和精密度測定（n=7）

從表中可以看出，所測空白樣品均有很高的回收率，同時相對標準偏差也較小，說明該方法具有很好的準確度和精密度，能用于對實際樣品的檢測。

2.4 食用油中BaP的分析

在最佳條件下對市售的不同類型食用油進行了分析，如表4所示。結果表明：所有樣品中均未檢出BaP，與包裝標識一致。樣品平均加標回收率：77.2%～89.1%，相對標準偏差：1.1%～6.0%。比較了加標麻油處理前后樣品的SIM圖可以看出，磁性碳納米管對BaP有很好的選擇吸附性能，譜圖干凈。

表4 市售食用油BaP檢測結果（n=7）

3 結束語

本文合成了磁性MWCNTs，結合GC-MS用于磁固相萃取食用油中的BaP檢測。所建立的分析方法操作簡單，耗時短，有機溶劑用量較少，二次污染少，同時還具有較高的準確度和精密度，對于實際樣品測定有著不錯效果。同時由于油樣中含有較為復雜的基質，MWCNTs對于除BaP以外的其他化合物仍有一定的吸附作用，會影響對BaP的分析選擇性。因此，需要研究MWCNTs改性方法，以進一步提高對BaP的選擇性和分析靈敏度。

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