Fe3O4@COF的制備及用于食用植物油中多環(huán)芳烴的分析

朱振寶， 趙遠利， 李國梁

(陜西科技大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引言

多環(huán)芳烴(Polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)是由兩個或兩個以上的苯環(huán)稠合而成的化合物，在室溫下大多為固體，難溶于水，易溶于有機溶劑[1].PAHs具有生殖毒性、肝臟毒性、骨髓毒性等毒性，長期接觸此類物質(zhì)會對人類健康產(chǎn)生巨大危害[2].此外，飲食是人類接觸PAHs的主要途徑之一，而食用植物油是飲食中引入PAHs的主要來源[3].因此，建立簡單、快速、高效測定食用植物油中PAHs的分析方法尤為重要.

由于PAHs以低濃度存在于油樣中以及油樣基質(zhì)的復(fù)雜性，因此在進行儀器分析前需要進行樣品前處理.近年來，幾種不同前處理方法已經(jīng)用于PAHs的分析，比如液液萃取法(LLE)[4]、固相萃取法(SPE)[5]、攪拌棒吸附萃取法(SBSE)[6]、固相微相萃取法(SPME)[7]、磁固相萃取(MSPE)等.LLE需要消耗大量有害的有機溶劑，對操作人員及環(huán)境存在潛在危害[8]；SPE在解吸過程中容易堵塞濾筒且需要消耗大量有毒溶劑[9]；SBSE需要手動操作而且很容易產(chǎn)生殘留，影響實驗結(jié)果的精確度和準確度[10]；SPME所需的纖維相對比較昂貴且易碎，在萃取過程中容易產(chǎn)生遺留效應(yīng)，從而影響檢測結(jié)果的準確性[11].MSPE是一種以磁性納米顆粒為吸附劑的新型SPE技術(shù)[12].由于MSPE的吸附劑可通過外部磁鐵與樣品溶液快速分離，因此MSPE具有操作簡單、萃取時間短、低溶劑消耗等優(yōu)點，在樣品前處理中越來越受歡迎并得到廣泛使用.在MSPE過程中，磁性吸附劑對分析物的選擇和吸附能力決定了萃取結(jié)果，因此開發(fā)新型高效的吸附劑是MSPE技術(shù)的核心.

共價有機骨架(Covalent organic frameworks， COFs)是一類由共價鍵連接的多孔晶體結(jié)構(gòu)的聚合物[13].由于COFs具有可調(diào)的孔徑、高孔隙率、低晶體密度、大的比表面積、良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等特點，可作為樣品前處理的理想富集材料[14].PAHs是一類多苯環(huán)的疏水性化合物，COF(TAPB-DMTP)可以與其之間通過π-π堆積作用和疏水相互作用進行有效吸附，實現(xiàn)磁性COF(TAPB-DMTP)在PAHs檢測中的應(yīng)用.

本研究成功制備了磁性COF(Fe3O4@COF(TAPB-DMTP))，將其作為MSPE的吸附劑用于食用植物油中7種PAHs的快速分離、萃取，并結(jié)合氣相色譜(GC)技術(shù)進行定量分析.通過分析表征磁性納米材料的形貌尺寸、晶型結(jié)構(gòu)等來研究其特性，通過優(yōu)化MSPE的關(guān)鍵參數(shù)來獲得最佳萃取效率，從而為PAHs的分析建立一種快速、簡單、有效的方法.

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

1.1.1 主要試劑

六水合三氯化鐵(FeCl3·6H2O)、醋酸銨(NH4OAc)、檸檬酸鈉(C6H5Na3O7)，購買于國藥集團化學(xué)試劑有限公司；乙二醇、無水乙醇、1，4-二惡烷、丁醇、丙酮，購買于天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；2,5-二甲氧基苯-1，4-二甲醛(DMTP)、1，3，5-三(4-氨苯基)苯(TAPB)，購買于西安瑞亞化學(xué)科技有限公司；七種PAHs標準品，購買于上海Aladdin生化科技股份有限公司，分別為萘(Naphthalene，Nap)、苊烯(Acenaphthylene，Acy)、芴(Fluorene，F(xiàn)lu)、菲(Phenanthrene，Phe)、蒽(Anthracene，Ant)、熒蒽(Fluoranthene，F(xiàn)lt)、芘(Pyrene，Pyr).

1.1.2 主要儀器

氣相色譜儀(GC，Agilent 8890，美國安捷倫)配備FID 檢測器和HP-5MS色譜柱(30 m×250μm×0.25μm，美國安捷倫公司)；透射電子顯微鏡(TEM，Talos F2100X，美國賽默飛世爾科技)；傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR，NEXUS-470，美國賽默飛世爾科技)；振動樣品磁強計(VSM，MPMS-XL-7，美國量子設(shè)計)；X射線粉末衍射儀(XRD，Bruker D8，德國布魯克).

1.2 實驗方法

標準溶液的制備：準確稱取PAHs標準品，用色譜級甲醇配制標準儲備液(100 mg/L).用色譜級乙腈稀釋儲備液配制標準使用液，上述所有標準溶液均在4 ℃下保存.采用外標法對PAHs進行定量分析.將7種PAHs標準品加入空白油樣的萃取液中配制成不同濃度的加標液.在0.8～200μg/kg之間選取6個不同濃度，以峰面積-濃度制作標準曲線圖.

氣相色譜條件：檢測器：FID檢測器；載氣：N2，純度≥99.999%；進樣口溫度：280 ℃；進樣模式：不分流；進樣體積：1μL；流速：1.2 mL/min.色譜柱升溫程序：初始溫度90 ℃，保持2 min；20 ℃/min的速率升溫至180 ℃，保持2 min；20 ℃/min速率升溫至226 ℃，保持1 min；20 ℃/min升溫至290 ℃，保持7 min.

1.3 Fe3O4@COF(TAPB-DMTP)的制備

首先采用已報道的方法制備Fe3O4納米顆粒[15].準確稱取1.35 g FeCl3·6H2O、3.85 g NH4OAc和0.48 g檸檬酸鈉溶于70 mL的乙二醇中，磁力攪拌1 h后，制得的黃色溶液轉(zhuǎn)移到100 mL不銹鋼反應(yīng)釜中，200 ℃反應(yīng)16 h.反應(yīng)完成后，冷卻室溫，產(chǎn)物用無水乙醇和水洗凈后，60 ℃真空干燥8 h.

然后，合成Fe3O4@TAPB-DMTP磁性納米顆粒，依據(jù)之前報道的方法進行稍加修改[16].具體的，120 mg Fe3O4超聲分散到40 mL的1，4-二惡烷∶正丁醇(1∶1，v/v)混合溶劑中，隨后依次添加105 mg TAPB和87 mg DMTP，超聲溶解后，逐滴滴加0.5 mL的冰乙酸，室溫反應(yīng)2 h，再加入4.5 mL乙酸水溶液(12 M)，70 ℃密封反應(yīng)三天.所得產(chǎn)物用丙酮和四氫呋喃洗凈后，在60 ℃干燥12 h.

1.4 樣品制備

食用植物油樣品從當(dāng)?shù)爻匈徺I，包括核桃油、芝麻油、大豆油和菜籽油，室溫陰涼處儲存.準確稱取4 g(精確至0.01 g)油樣于50 mL離心管，添加10 mL 乙腈∶丙酮(60∶40，v/v)混合溶劑，超聲10 min后，渦旋震蕩20 min，10 000 rpm離心20 min，靜置分層，收集上清液，殘渣再用10 mL混合溶劑重復(fù)提取兩次.合并上清液在40 ℃的旋轉(zhuǎn)真空蒸發(fā)儀中蒸發(fā)濃縮至近干.隨后，將萃取物用1 mL的乙腈復(fù)溶后，用純凈水稀釋到10 mL，備用.

1.5 MSPE過程

取10 mg Fe3O4@COF(TAPB-DMTP)分散到10 mL的樣品溶液中，渦旋吸附10 min后，磁性吸附劑磁性分離后用1 mL乙腈超聲洗脫15 min.最后，將洗脫液收集、過膜，進GC-FID分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 磁性納米材料的表征

采用透射電鏡圖(TEM)對制備的磁性納米材料的形貌及尺寸進行研究.圖1是Fe3O4、Fe3O4@COF(TAPB-DMTP)的TEM圖.從圖1(a)可以看出，F(xiàn)e3O4納米顆粒的形體為近似球形，平均直徑為200 nm;圖1(b)是Fe3O4@COF(TAPB-DMTP)的TEM圖，F(xiàn)e3O4@COF(TAPB-DMTP)的形貌呈現(xiàn)明顯的核殼結(jié)構(gòu)，外層殼層的平均厚度為165 nm，表明COF(TAPB-DMTP)成功地形成于Fe3O4表面.

圖2是Fe3O4@COF(TAPB-DMTP)的XRD圖.由圖2可看出，在30.33 °、35.65 °、43.19 °、53.53 °、57.2 °5和62.8 °處出現(xiàn)強烈的衍射峰，這歸因于Fe3O4的特征晶面(220)、(311)、(400)、(422)、(511)和(440)(JCPDS：75-1609)，表明Fe3O4@COF(TAPB-DMTP)保留了Fe3O4良好的結(jié)晶度和完整的框架結(jié)構(gòu).此外，在5.61 °、7.42 °、9.73 °和25.50 °也出現(xiàn)了強烈的衍射峰，分別對應(yīng)于(200)、(210)、(220)和(001)晶面，這歸因于包裹的COF殼層，進一步說明合成的磁性COF具有良好的晶型結(jié)構(gòu).

(a)Fe3O4 的TEM圖 (b)Fe3O4@COF(TAPB-DMTP)的TEM圖圖1 Fe3O4、Fe3O4@COF(TAPB-DMTP)磁性納米材料的TEM圖

圖2 Fe3O4@COF(TAPB-DMTP)的XRD圖

圖3是Fe3O4、Fe3O4@COF(TAPB-DMTP)的FT-IR光譜圖.對于Fe3O4，在586 cm-1和628 cm-1處有強烈的吸收峰，這對應(yīng)于Fe-O鍵的存在，此外在1622 cm-1和1 405 cm-1處出現(xiàn)的吸收峰是由于Fe3O4表面羧基的存在.相比Fe3O4，F(xiàn)e3O4@COF(TAPB-DMTP) 除了Fe-O鍵存在外，在1 613 cm-1出現(xiàn)了強烈的吸收峰，這歸因于C=N鍵的存在，表明COF(TAPB-DMTP)成功聚合于Fe3O4表面.

圖3 Fe3O4、Fe3O4@COF(TAPB-DMTP)的FT-IR光譜圖

圖4是Fe3O4、Fe3O4@COF(TAPB-DMTP)的磁滯曲線圖.由圖4可知，F(xiàn)e3O4、Fe3O4@COF(TAPB-DMTP)均表現(xiàn)出較強的磁響應(yīng)且具有超順磁性，F(xiàn)e3O4、Fe3O4@COF(TAPB-DMTP)的飽和磁化強度值分別為83.6 emu/g和47.29 emu/g，這足以使得磁性COF在磁鐵的作用下在水溶液中實現(xiàn)快速聚合.

圖4 Fe3O4、Fe3O4@COF(TAPB-DMTP)的磁滯曲線

2.2 MSPE條件的優(yōu)化

2.2.1 吸附劑用量

研究吸附劑的用量在3～20 mg范圍內(nèi)對PAHs萃取效果的影響.如圖5所示，隨著吸附劑量的增加，萃取效果隨之增加.當(dāng)吸附劑的量為10 mg時，萃取效果達到最佳，繼續(xù)增加吸附劑的用量到20 mg，萃取效果并沒有明顯的提升，因此10 mg為最佳吸附劑的用量.

圖5 吸附劑用量對萃取效率的影響

2.2.2 吸附時間

研究吸附時間在3～30 min內(nèi)對萃取效果的影響.如圖6所示，10 min已達到最佳吸附效果，繼續(xù)延長時間萃取效率并沒有顯著提升.因此，10 min為最佳吸附時間.

圖6 吸附時間對萃取效率的影響

2.2.3 洗脫劑類型

研究乙腈、甲醇和乙酸乙酯對PAHs的洗脫作用.由圖7所示，在相同的實驗條件下，乙腈對分析物的洗脫效果更好.因此，乙腈為最佳洗脫劑.

圖7 洗脫劑類型對萃取效率的影響

2.2.4 洗脫時間

研究洗脫時間在5～30 min內(nèi)對萃取效果的影響.如圖8所示，在洗脫時間為15 min時，萃取效果達到最佳，隨著洗脫時間進一步延長，萃取效果并無顯著變化.所以，最佳洗脫時間為15 min.

圖8 洗脫時間對萃取效率的影響

2.3 方法驗證與比較

在最佳萃取條件下，對建立的方法進行評估.結(jié)果如表1所示，該方法具有良好的線性(R2≥0.998 3)，相對較低的檢出限(0.25～0.52μg/kg，S/N=3)、定量限(0.8～1.7μg/kg，S/N=10)，可接受的日間和日內(nèi)相對標準偏差(RSD分別低于6.3% 和5.2%).為進一步評估方法的精度和準確度，通過加入兩個濃度水平(10μg/kg、50μg/kg)進行加標分析.結(jié)果如表3所示，回收率在75.5～112.3% 范圍內(nèi)，相對標準偏差低于7.3%.

為了清楚地描述所建立方法優(yōu)勢，將該方法與已報道的檢測PAHs的分析方法進行比較.結(jié)果如表2所示，本研究制備的磁性納米材料可以通過較少的量來吸附較多的PAHs，而且萃取時間短，達到了快速、高效的目的.

2.4 實際樣品

通過在真實油樣(核桃油、芝麻油、大豆油和菜籽油)的應(yīng)用，來評估所建立方法的實用性.圖9是核桃油在最佳MSPE條件下色譜圖.結(jié)果如表3所示，在四種食用植物油中均發(fā)現(xiàn)了Nap，濃度為3.59μg/kg、3.78μg/kg、3.73μg/kg和3.04μg/kg，僅在大豆油發(fā)現(xiàn)Pyr(1.61μg/kg)，其它PAHs均未在油樣中檢出.

a：7種PAHs標樣的GC-FID色譜圖；b：核桃油加標50 μg/kg經(jīng)MSPE后的GC-FID色譜圖；c：空白核桃油經(jīng)MSPE后的GC-FID色譜圖.色譜峰：(1)Nap；(2)Acy；(3)Flu；(4)Phe；(5)Ant；(6)Flt；(7)Pyr.圖9 核桃油在優(yōu)化的MSPE條件下的GC-FID色譜圖

表1 方法測定多環(huán)芳烴的線性范圍、回歸方程、相關(guān)系數(shù)(R2)、檢出限、定量限、相對標準偏差

表2 不同PAHs測定方法的分析比較

表3 實際油樣中PAHs的回收率(±RSD，n=3)和濃度

3 結(jié)論

本研究建立了以磁性COF(Fe3O4@TAPB-DMTP))為吸附劑結(jié)合GC-FID用于檢測油中PAHs的分析方法.與其它方法相比，該方法快速、簡單、高效，可適用于同時檢測多種PAHs，不僅為PAHs的測定提供了新思路也拓展了磁性COF在食品污染物分析中的應(yīng)用.