自組裝金納米粒子涂層對環(huán)境水樣中紫外線吸收劑的固相微萃取

劉海霞 楊堯霞 馬明廣 王雪梅，2 杜新貞 ，2

1 (西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，蘭州730070)

2(甘肅省生物電化學(xué)與環(huán)境分析重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州730070)

1 引言

紫外線吸收劑是具有碳-碳共軛雙鍵或含雜環(huán)的芳香族有機(jī)合成化合物，目前已有多種產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于各類化妝品中，其中一些紫外線吸收劑表現(xiàn)出了對雌性激素的拮抗和協(xié)同作用［1］。在使用過程中，這些化合物通過生活污水被排放到環(huán)境水體中，近年來引起了人們的廣泛關(guān)注［2］。因此，開發(fā)簡單、快速、準(zhǔn)確和可靠的分析方法監(jiān)測不同環(huán)境水體中的紫外線吸收劑是非常有必要的。然而，環(huán)境水樣中紫外線吸收劑含量在痕量或超痕量濃度水平，進(jìn)行儀器分析之前，必須對樣品進(jìn)行預(yù)富集處理。

固相微萃取(SPME)是一種無溶劑樣品前處理技術(shù)［3，4］，因其操作簡單、快速、樣品需要量小、無需有機(jī)溶劑且易于與各種分離技術(shù)聯(lián)用等獨(dú)特的優(yōu)勢，具有對復(fù)雜體系中低含量組分的高效富集和/或選擇性萃取能力，已成為環(huán)境樣品分析中倍受青睞的一種樣品預(yù)處理技術(shù)，其核心部分是微萃取涂層材料［5～8］。常用商品化SPME 纖維以熔融石英纖維為基體，聚合物或其復(fù)合物作為吸附涂層材料，具有易折斷、穩(wěn)定性低、耐溶劑性差、壽命短和分析應(yīng)用成本較高的缺點(diǎn)，在一定程度上限制了其廣泛使用。金屬基SPME 纖維機(jī)械強(qiáng)度高和穩(wěn)定性好，延長了萃取涂層的使用壽命，降低了SPME 的操作難度。納米材料具有優(yōu)良的表面性能，其中金納米粒子(AuNPs)穩(wěn)定性好，可選擇性吸附芳香烴化合物［9］。目前已有的AuNPs 涂層制作方法繁瑣費(fèi)時(shí)［10］，影響了分析結(jié)果的精密度。刻蝕不銹鋼(SS)絲具有粗糙多孔表面［11］，利于不同類型涂層材料牢固結(jié)合［12，13］。目前，金納米粒子(AuNPs)涂層SPME 測定環(huán)境水中紫外線吸收劑還未見報(bào)道。本研究以刻蝕SS 絲為基體，通過快速自組裝法制備了比表面積大、結(jié)合牢固的AuNPs-SPME 纖維，并與HPLC 聯(lián)用，富集分離和測定了不同環(huán)境水樣中的紫外線吸收劑。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 儀器與試劑

Waters 600 高效液相色譜系統(tǒng)(美國Waters 公司)，配有Waters 2487 雙波長紫外檢測器和N2000色譜工作站(浙江大學(xué));SPME-HPLC 接口由六通閥和解析室組成(美國Supelco 公司);JSM-5600LV 掃描電子顯微鏡(日本JEOL 公司)，Ultra Plus 掃描電子顯微鏡(德國Zeiss 公司)，附能量色散X-射線光譜儀;盛德利超純水系統(tǒng)(重慶市澳凱龍醫(yī)療器械有限公司);SPME 裝置由2 μL 微量進(jìn)樣器(上海高鴿工貿(mào)有限公司)改制，不銹鋼絲(φ 0.2 mm)。

甲醇(色譜純，山東蜀王實(shí)業(yè)有限公司化工分公司);1，8-辛二硫醇(Aladdin，98%);2-羥基-4-甲氧基二苯甲酮(BP-3，100%)、2-乙基己基-4-(N，N-二甲氨基)苯甲酸酯(OD-PABA，97%)、2-乙基己基-4-甲氧基肉桂酸酯(EHMC，98%)和2-乙基己基水楊酸酯(EHS，99%)購自AccuStandard 公司，用甲醇配制成500 μg/L 的儲備液，于4 ℃避光保存。實(shí)驗(yàn)用水為超純水。其它試劑為國產(chǎn)分析純。

2.2 AuNPs涂層自組裝

將微量注射器內(nèi)SS 絲的一端(2 cm)分別用丙酮和超純水超聲清洗5 min，然后將其浸入40 ℃的HF 溶液中刻蝕60 min，取出后在超純水中超聲清洗，插入0.05%(w/w)氯金酸溶液中化學(xué)沉積AuNPs涂層，2 h 后用超純水沖洗，室溫干燥后浸入0.1%(w/w)1，8-辛二硫醇中自組裝12 h，取出后用甲醇和超純水清洗。隨后，將其浸入AuNPs 溶膠(參照文獻(xiàn)［14］方法制備)中48 h，以保證AuNPs 的有效組裝，取出后用超純水清洗，室溫干燥后備用。

2.3 水樣的采集

實(shí)驗(yàn)中收集的水樣為蘭州不同地段的黃河水(pH 8.03)、當(dāng)?shù)匚鬯幚韽S廢水(pH 8.14)和雨水(pH 7.49)，水樣經(jīng)離心分離后再用0.45 μm 微孔濾膜過濾去除懸浮顆粒物，于4 ℃保存。

2.4 SPME-HPLC步驟

調(diào)節(jié)水樣pH 值，移取15 mL 水樣于20 mL 萃取瓶中，在設(shè)定實(shí)驗(yàn)條件下萃取一定時(shí)間，然后將SPME 頭從萃取瓶中取出，插入SPME-HPLC 接口，以流動(dòng)相作溶劑靜態(tài)解吸后進(jìn)行HPLC 分析。流動(dòng)相為甲醇-水(90∶10，V/V)，流速1 mL/min，檢測波長310 nm。

3 結(jié)果與討論

3.1 自組裝AuNPs涂層的表征及AuNPs涂層纖維的表面組成

用掃描電鏡(SEM)分別對刻蝕SS 絲和AuNPs 涂層表面形貌進(jìn)行表征。與未刻蝕SS 絲表面相比，刻蝕SS 表面出現(xiàn)了大量縫隙和孔道(圖1a)，極大地增加了SS 絲的表面積。通過化學(xué)沉積方法在其表面可生成一層分布均勻的AuNPs 涂層作為基體［10］，利用辛二硫醇再自組裝一層均一致密的AuNPs (見圖1b 和1c)，粒徑100 ～310 nm，其較大的表面積有利于SPME 時(shí)的高效吸附。

圖1 刻蝕SS 絲上自組裝AuNPs 的SEM 圖Fig.1 SEM images of self-assembled AuNPs coating on the etched stainless steel (SS)wire

用能量色散X-射線光譜法(EDX)進(jìn)一步分析了AuNPs 涂層纖維表面的化學(xué)組成。將刻蝕SS 絲(圖2a)直接浸入氯金酸溶液，使Au3+還原沉積在刻蝕SS 絲表面，顯示強(qiáng)的Au 譜峰(圖2b)。通過辛二硫醇進(jìn)一步自組裝AuNPs 涂層，其EDS 譜峰進(jìn)一步顯示了硫的存在及纖維表面碳含量的提高(圖2c)。

3.2 SPME條件優(yōu)化

3.2.1 萃取和解吸時(shí)間的影響 室溫下考察了萃取時(shí)間對20 μg/L 紫外線吸收劑加標(biāo)水樣萃取效率的影響，由圖3 可見，在30 min 內(nèi)萃取已基本達(dá)到了平衡。在流動(dòng)相中進(jìn)行解吸，3 min 內(nèi)可解吸完全，二次解吸未發(fā)現(xiàn)AuNPs 涂層有記憶效應(yīng)。因此，實(shí)驗(yàn)中選擇萃取時(shí)間為30 min，解吸時(shí)間為3 min。

3.2.2 溫度的影響 考察了25 ℃～65 ℃范圍內(nèi)溫度對紫外線吸收劑萃取效率的影響，由圖4 可見，55 ℃時(shí)萃取效率最高。因此，本實(shí)驗(yàn)選擇55 ℃作為萃取溫度。

圖2 刻蝕SS 絲、化學(xué)沉積AuNPs 涂層和自組裝AuNPs 涂層纖維的EDX 光譜Fig.2 Energy dispersive X-ray (EDX)spectra of etched SS wire (a)，chemically deposited AuNPs coating (b)and self-assembled AuNPs coating (c)

圖3 萃取時(shí)間對SPME 萃取效率的影響Fig.3 Effect of extraction time on the extraction efficiency of SPME

圖4 溫度對萃取效率的影響Fig.4 Effect of temperature on the extraction efficiency of SPME

3.2.3 鹽析效應(yīng)的影響 配制不同濃度的NaCl，考察了鹽析效應(yīng)對萃取效率的影響，結(jié)果表明，鹽的存在降低了4 種紫外線吸收劑的萃取效率。因此，本實(shí)驗(yàn)中不加鹽。

3.2.4 攪拌速率和pH 的影響 攪拌可加快待測物的質(zhì)量傳遞，提高萃取效率。實(shí)驗(yàn)中攪拌速率達(dá)到800 r/min 時(shí)，萃取效率最高。當(dāng)溶液pH=7 時(shí)，萃取效率最高。

3.3 線性范圍、精密度和檢出限

在優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件下，以AuNPs-SPME-HPLC法測定了4 種紫外線吸收劑，方法的線性范圍和檢出限(S/N=3)、20 μg/L 紫外線吸收劑加標(biāo)溶液的回收率和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差見表1。結(jié)果表明，所建立的AuNPs-SPME-HPLC法測定紫外吸收劑線性范圍寬，精密度好，靈敏度高。

表1 AuNPs-SPME-HPLC法測定水樣中紫外線吸收劑的分析參數(shù)Table 1 Analytical parameters for AuNPs-SPME-HPLC determination of UV filters (n=5)

3.4 水樣分析

在優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件下，用AuNPs-SPME-HPLC 方法測定了采集水樣中的4 種紫外線吸收劑的含量，分析結(jié)果如表2 所示，圖5 為黃河水樣直接HPLC 和AuNPs-SPME-HPLC 測定得到的色譜圖。AuNPs-SPME 纖維對水中紫外線吸收劑具有很高的富集分離效率，所建立的AuNPs-SPME-HPLC 方法適用于環(huán)境水樣中痕量紫外線吸收劑的富集分離和測定，基體效應(yīng)小。

表2 不同環(huán)境水樣中紫外線吸收劑的分析結(jié)果Table 2 Analytical results of UV filters in different environmental water samples (n=5)

3.5 AuNPs涂層的穩(wěn)定性

考察了所組裝AuNPs-SPME 纖維的耐有機(jī)溶劑和耐酸堿性，將纖維分別浸入充分?jǐn)嚢璧募状肌⒈⒁译妗⒍燃淄楹驼和橹? h 及0.01 mol/L HCl 和0.1 mol/L NaOH 中12 h，未發(fā)現(xiàn)有AuNPs 溶脹脫落現(xiàn)象，這主要?dú)w因于AuNPs 本身不溶于有機(jī)溶劑，兩層AuNPs 之間以AuS 鍵結(jié)合在一起。而且，AuNPs 與粗糙多孔的刻蝕SS 絲之間牢固結(jié)合，使AuNPs-SPME 纖維具有很長的壽命，實(shí)驗(yàn)中所組裝AuNPs-SPME 纖維已使用200 余次，仍然具有優(yōu)良的萃取效率。

4 結(jié)論

以刻蝕SS 絲為基體，快速自組裝制備了高強(qiáng)度AuNPs-SPME 纖維頭，AuNPs 與粗糙多孔性SS 基體之間結(jié)合牢固，穩(wěn)定性高，使用壽命長;因所組裝AuNPs 涂層比表面積更大，AuNPs-SPME 纖維對紫外線吸收劑具有較快傳質(zhì)速率和更高的萃取富集效率，而且，在HPLC 流動(dòng)相中快速解吸，無記憶效應(yīng)。建立的AuNPs-SPME-HPLC 方法適用于不同環(huán)境水樣中紫外線吸收劑的富集分離和測定，基體效應(yīng)小。相對于文獻(xiàn)［10］報(bào)道的方法，本方法中AuNPs涂層的制備簡單快速，重現(xiàn)性好，使其在SPME 中的應(yīng)用具有優(yōu)越性。

1 Giokas D L，Salvador A，Chisvert A.Trends Anal.Chem.，2007，26(5):360 －374

2 MA Yong-Min，QU Zhi-Hua，LIU Ke-Ming，LI Wei-Hong，GUO Chang-Sheng，WANG Yu-Qiu.Asian J.Ecotoxicol.，2006，1(3):278 －282

馬永民，渠志華，劉克明，李維宏，郭昌勝，王玉秋.生態(tài)毒理學(xué)報(bào)，2006，1(3):278 －282

3 Arthur C L，Pawliszyn J.Anal.Chem.，1990，62(19):2145 －2148

4 ZHANG Meng-Juan，F(xiàn)EI Xu，TIAN Jing，F(xiàn)AN Shu-Qi，WANG Yi.Chem.J.Chinese Universities，2013，34(3):698－702

張夢娟，費(fèi)旭，田晶，范叔奇，王一.高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報(bào)，2013，34(3):698 －702

5 Cao D D，Lu J X，Liu J F，Jiang G B.Anal.Chim.Acta，2008，611(1):56 －61

6 CUI Zong-Yan，GE Na，CAO Yan-Zhong，LIU Yong-Ming，LI Jin，WU Yan-Ping.Chinese J.Anal.Chem.，2013，41(12):1887 －1892

崔宗巖，葛娜，曹彥忠，劉永明，李金，吳艷萍.分析化學(xué)，2013，41(12):1887 －1892

7 Pang L，Liu J F.J.Chromatogr.A，2012，1230:8 －14

8 PENG Ying，HE Huan，SUN Cheng，ZHANG Ya-Ling，LI Wen-Chao，CHEN Hong-Zhe，YANG Shao-Gui.Chinese J.Anal.Chem.，2013，41(4):529 －533

彭英，何歡，孫成，張雅玲，李文超，陳泓哲，楊紹貴.分析化學(xué)，2013，41(4):529 －533

9 Wang H Y，Campiglia A D.Anal.Chem.，2008，80(21):8202 －8209

10 Feng J J，Sun M，Liu H M，Li J B，Liu X，Jiang S X.J.Chromatogr.A，2010，1217(52):8079 －8086

11 Xu，H L，Li Y，Jiang D Q，Yan X P.Anal.Chem.，2009，81(12):4971 －4977

12 Cui X Y，Gu Z Y，Jiang D Q，Li Y，Wang H F，Yan X P.Anal.Chem.，2009，81(23):9771 －9777

13 Liu L，Liu H X，Li Y，Wang X M，Du X Z.Anal.Methods，2014，6(10):3467 －3473

14 Frens G.Nature，1973，241(105):20 －22