金屬-有機骨架ZIF-8@Fe3O4復合物的制備及其用于磁固相萃取對水中內分泌干擾物的測定

楊成雄，嚴秀平

(1.南開大學 化學學院 分析科學研究中心，天津 300071；2.江南大學 食品學院 分析食品安全學研究所，江蘇 無錫 214122)

內分泌干擾物(EDCs)是一類干擾內分泌系統的外源性化學物質，通過攝入、積累等途徑產生類似雌激素作用，可引起生物體內分泌失衡，導致生物體生殖器障礙、行為異常、生殖能力下降、幼體死亡甚至滅絕[1]。近年來，由EDCs造成的環境污染問題已引起人們的高度重視[2]。為了保障人類安全，免受EDCs威脅和困擾，必須對環境中的EDCs進行監測和控制[3]。然而，由于環境中的EDCs含量低，直接檢測非常困難[4],因此，必須采用適當的樣品前處理方法進行富集。固相萃取法(SPE)是最常用的痕量或微量污染物樣品前處理方法[5-6]。吸附劑是SPE技術的核心，開發新穎的適用于EDCs富集的SPE吸附劑具有重要意義[7-9]。

金屬-有機骨架(MOFs)是以含氧或氮的有機配體與金屬離子配位形成的一類多孔骨架材料，具有比表面積大、種類和性質多樣、孔道和性質可控等優點，目前在諸多領域得到了廣泛研究和應用[10-12]。同時，MOFs在SPE中的應用也引起了關注[12-13]。磁分離因具有分離快速、生物兼容性良好、在復雜介質中選擇性高等特點引起了大家的廣泛關注[14]，結合了磁分離和SPE優勢的磁性固相萃取(MSPE)技術在樣品預處理和分離中具有良好的應用前景[15]。將MOFs與MSPE相結合，發展基于MOFs磁性復合材料的MSPE研究具有重要意義[16-20]。

本文采用原位生長法制備ZIF-8@Fe3O4復合物，建立了以ZIF-8@Fe3O4復合物為吸附劑的MSPE結合高效液相色譜(HPLC)檢測環境水樣中雙酚A、雌酚酮、壬基酚和辛基酚4種典型EDCs(結構式見圖1)的方法。考察了ZIF-8原位生長次數、萃取時間、離子強度、pH值、解吸溶劑和解吸時間等條件對萃取和解吸的影響。在最優條件下，該方法檢測雙酚A、雌酚酮、壬基酚和辛基酚的線性范圍是1.0～1 000 μg/L，檢出限為0.42～0.81 μg/L，富集因子為61～144，日內和日間精密度分別為2.1%～4.3%和3.5%～5.8%。該方法成功用于環境水樣中EDCs的檢測。

圖1 4種內分泌干擾物的結構式Fig.1 Structures of the studied EDCs

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

X-射線粉末衍射儀(日本理學公司)，紅外光譜分析儀(美國尼高力公司)，透射電子顯微鏡(荷蘭飛利浦公司)，Zeta電位儀(美國布魯克海文公司)，高效液相色譜儀(美國沃特世公司)。

超純水(天津娃哈哈食品有限公司)，硝酸鈉、氫氧化鈉、檸檬酸鈉、七水合硫酸亞鐵、2-甲基咪唑、六水合硝酸鋅、雙酚A(BPA)、雌酚酮(Estrone)、壬基酚(NP)和辛基酚(OP)(上海阿拉丁試劑有限公司)，甲醇、乙醇和乙腈(天津康科德試劑有限公司)，氯化鈉和鹽酸(天津光復精細化工研究所)。實驗所用試劑均為分析純及以上。

以甲醇配制EDCs的儲備液(1 mg/mL)，于-4 ℃暗處保存，使用前用超純水逐級稀釋至所需質量濃度。湖水樣品采自本地，以0.45 μm濾膜過濾后倒入干凈的玻璃瓶中備用。

HPLC檢測條件：C18色譜柱(4.6 mm × 25 cm，5 μm，天津倍思樂色譜技術開發中心)，流動相甲醇-水(9∶1)，流速1.0 mL/min，檢測波長280 nm。

1.2 磁性Fe3O4微球的制備

在100 mL三口燒瓶中依次加入34 g硝酸鈉、0.32 g氫氧化鈉、0.59 g檸檬酸鈉和38 mL超純水，升溫至100 ℃，機械攪拌使其完全溶解后快速加入1.1 g七水合硫酸亞鐵和2 mL超純水，反應1 h后生成黑色Fe3O4微球。將產物轉移至燒杯，外加磁鐵進行磁分離后棄去上清液，依次用超純水和乙醇超聲洗滌，室溫真空干燥得磁性Fe3O4微球。

1.3 ZIF-8的制備

在100 mL單口瓶中加入664 mg 2-甲基咪唑、240 mg六水合硝酸鋅和32 mL甲醇，于70 ℃下磁力攪拌2 h。離心(10 000 r/min，5 min)收集產物，再用乙醇洗滌數次后，室溫真空干燥得ZIF-8。

1.4 ZIF-8@Fe3O4的制備

在100 mL單口瓶中加入120 mg Fe3O4微球和30 mL甲醇，超聲分散5 min后加入240 mg六水合硝酸鋅，機械攪拌10 min后加入664 mg 2-甲基咪唑。待70 ℃下反應1 h后，冷卻至室溫，在外加磁場作用下收集ZIF-8@Fe3O4復合物，用乙醇和超純水洗滌，最后室溫真空干燥得一次ZIF-8包覆的ZIF-8@Fe3O4復合物。再重復上述操作一次和兩次，分別得到兩次和三次ZIF-8包覆的ZIF-8@Fe3O4復合物。

2 結果與討論

2.1 材料表征

通過X-射線粉末衍射(XRD)、紅外光譜(IR)和透射電鏡(TEM)對所合成的ZIF-8和ZIF-8@Fe3O4復合物進行表征(圖2)。ZIF-8@Fe3O4復合物的XRD譜圖中，ZIF-8和Fe3O4特征衍射峰同時出現，證明ZIF-8@Fe3O4復合物成功合成。ZIF-8@Fe3O4復合物的IR譜圖中既含有ZIF-8的特征吸收峰，又有Fe3O4的特征吸收峰，進一步證明了ZIF-8@Fe3O4復合物的成功合成。TEM結果顯示ZIF-8的粒徑約為20 nm，所形成的ZIF-8@Fe3O4復合物粒徑約為60 nm。

2.2 影響因素考察

首先考察了ZIF-8生長次數對EDCs萃取效果的影響(圖3A)。結果顯示，增加ZIF-8的生長次數，EDCs的萃取效率無明顯增加，故在后續實驗中均選擇在Fe3O4磁球上生長一次ZIF-8的復合物。同時，ZIF-8@Fe3O4對EDCs的萃取效果明顯高于未包覆ZIF-8的Fe3O4微球，表明ZIF-8在萃取EDCs中起著重要作用。本文所研究的4種EDCs結構中均含有苯環和羥基，同時NP和OP中含有疏水性的烷基鍵，而ZIF-8是以2-甲基咪唑為配體合成，具有一定的疏水性、芳香性和氫鍵結合位點[21]。因此，推測ZIF-8@Fe3O4對EDCs良好的萃取效果源于EDCs和ZIF-8之間的π-π、疏水和氫鍵作用。

考察了萃取時間對4種EDCs萃取效果的影響(圖3B)。當萃取時間小于15 min時，4種EDCs的峰面積隨著萃取時間的增加而逐漸增大，在15 min時峰面積基本達到平衡，繼續增加萃取時間對4種EDCs的萃取影響不大。因此，選擇萃取時間為15 min。

考察了離子強度對4種EDCs萃取效果的影響(圖3C)，當NaCl濃度為0.02 mol/L時，4種EDCs的峰面積達到最大值，繼續增大NaCl濃度至0.10 mol/L時，4種EDCs的峰面積逐漸降低。綜合考慮離子強度對目標物在水中的溶解度、擴散速率的影響，推斷離子強度較小時目標物的鹽析作用占主要地位，使得4種EDCs的峰面積增加。當NaCl的濃度增加到一定程度時，溶液的粘度不斷增加，從而減小了目標物在溶液中的擴散速度，導致4種EDCs的峰面積降低。因此，選擇添加濃度為0.02 mol/L的NaCl進行萃取。

在pH 3.0～10.0范圍內考察了pH值對4種EDCs萃取效果的影響(圖3D)。當pH值由3.0增加到5.0時，萃取峰面積略有增加，當pH值繼續增大時，4種EDCs的峰面積基本不變，方便起見，選擇在中性條件下進行萃取。

選擇甲醇、乙醇和乙腈為解吸溶劑考察其對EDCs的洗脫效果(圖4A)。結果表明，甲醇對4種EDCs的解吸效果優于乙醇和乙腈。因此，選擇甲醇作為解吸溶劑。

考察了甲醇在不同時間下的解吸效果(圖4B)。當解吸時間從1 min增加到5 min時，解吸效果明顯提高，5 min后除對BPA的解吸量稍有提高外，對其他3種EDCs的解吸量均趨于平穩。因此，選擇解吸時間為5 min。

2.3 方法驗證

在最佳萃取條件下，配制了一系列EDCs的標準溶液，以峰面積(y)對EDCs質量濃度(x，μg/L)作圖，得到以ZIF-8@Fe3O4為吸附劑的MSPE結合HPLC測定4種EDCs的線性范圍為1.0～1 000 μg/L，檢出限(LODs，S/N=3)為0.42～0.81 μg/L，富集因子(EFs)為61～144，日內和日間相對標準偏差(RSD)分別為2.1%～4.3%和3.5%～5.8%(表1)。與已報道的EDCs的檢測方法相比，本方法具有更寬的線性范圍。同時，本方法與IL/SPE/HPLC和SPE/MMEC方法相比具有更低的檢出限(表2)。

表1 ZIF-8@Fe3O4 MSPE 4種EDCs的分析特征量Table 1 Figures of merit of ZIF-8@Fe3O4 for MSPE of EDCs

表2 檢測EDCs的方法比較Table 2 Comparison of the proposed method with other methods for EDCs determination

圖5 實際樣品和加標樣品色譜圖Fig.5 HPLC chromatograms of the EDCs obtained by the developed methoda.the wastewater sample;spiked level(b-d):20,50,200 μg/L;1.BPA,2.estrone,3.NP,4.OP

2.4 實際樣品分析

將ZIF-8@Fe3O4用于MSPE結合HPLC檢測實際水樣中的EDCs(圖5)。結果表明，實際水樣中4種EDCs均未檢出，其在20、50、200 μg/L加標水平下的回收率為81.7%～102%，證明了該方法的可行性。

3 結 論

采用原位生長法合成了ZIF-8@Fe3O4復合物用于MSPE結合HPLC檢測水中的EDCs，考察了萃取條件對ZIF-8@Fe3O4復合物萃取EDCs的影響。結果表明，該復合物可用于快速磁固相萃取環境水樣中的EDCs。該方法簡單、成本低廉、所需樣品量小，適用于環境樣品中痕量污染物的萃取。