槍頭式羧基化多壁碳納米管固相萃取/高效液相色譜測(cè)定飲用水中雙酚類化合物

朱培杰，涂雪元，周家歡，陳奕全，劉艷清，汪洪武

（肇慶學(xué)院 食品與制藥工程學(xué)院，廣東 肇慶 526061）

雙酚類化合物（Bisphenols，BPs）是一類重要的有機(jī)化工原料，被廣泛用于塑料瓶、食品接觸涂層、化妝品、藥物等各類工業(yè)和消費(fèi)產(chǎn)品中［1－2］。這些產(chǎn)品與人類的日常生活密切相關(guān)，近年來世界各地的飲用水中均檢出了該類物質(zhì)［3－4］。大量研究表明，雙酚類物質(zhì)是潛在的內(nèi)分泌干擾物，與多種人類疾病顯著相關(guān)，如生殖毒性、甲狀腺功能障礙、器官損傷、肥胖促進(jìn)作用等［5－7］。因此，建立快速、準(zhǔn)確、靈敏、高效的分析方法對(duì)于飲用水中雙酚類物質(zhì)的監(jiān)測(cè)尤為重要。

雙酚類物質(zhì)在飲用水中的殘留濃度低，且水體有一定的干擾物，因此需對(duì)樣品進(jìn)行前處理。目前，常用的樣品前處理技術(shù)主要包括液液萃取［8］、分散液液微萃取［9］、免疫親和柱凈化［10］、分子印跡技術(shù)［11］和固相萃?。⊿PE）［12］等。其中，SPE技術(shù)可同時(shí)完成樣品的富集和凈化，操作簡(jiǎn)便，已被廣泛用于水樣中雙酚類化合物的前處理［13－14］。固相萃取吸附劑是影響SPE柱富集和凈化效果的關(guān)鍵因素，常用的吸附劑包括活性炭、鍵合硅膠、分子印跡吸附劑和納米材料等［15］。通常，SPE柱中需加入20～30mg的固相萃取吸附劑，才能對(duì)樣品中的分析物進(jìn)行充分吸附。由于固相萃取吸附劑價(jià)格昂貴，在一定程度上增加了實(shí)驗(yàn)成本。

多壁碳納米管（MWCNTs）作為一種磁性材料，具有離域大π電子系，可通過非共價(jià)作用富集芳香類化合物，不受氫鍵和pH值干擾，是一種理想的固相萃取吸附劑。此外，MWCNTs還具有超高的比表面積，幾毫克的用量即可滿足實(shí)際樣品中待測(cè)物的富集需求，可降低實(shí)驗(yàn)成本。Guo等［16］以3mg MWCNTs為固相萃取吸附劑，結(jié)合氣相色譜－質(zhì)譜（GC－MS）檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境水樣中16種多環(huán)芳烴的定量檢測(cè)。Springer等［17］采用6mg MWCNTs為固相萃取吸附劑，結(jié)合毛細(xì)管電泳（CE），開發(fā)了水樣中氯磺隆和甲基甲磺隆的快速定量方法。本文以羧基功能化的MWCNTs為填料，制備新型的槍頭式固相萃?。≒T－SPE）小柱，結(jié)合高效液相色譜建立了飲用水中5種雙酚類化合物的分離分析方法，并用于實(shí)際樣品的檢測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

LC-2030高效液相色譜儀（日本島津公司），KX1613T型超聲清洗器（北京科璽世紀(jì)科技有限公司），TL80-1型高速離心機(jī)（江蘇天力醫(yī)療器械有限公司），ATY124分析天平（日本島津公司），1mL移液槍（大龍興創(chuàng)實(shí)驗(yàn)儀器有限公司）。

雙酚類化合物標(biāo)準(zhǔn)品：雙酚A（BPA）、雙酚E（BPE）、雙酚F（BPF）、雙酚Z（BPZ）、四甲基雙酚A（TMBPA）（純度≥98%，百靈威科技有限公司），甲醇（MeOH）、乙醇（EtOH）、乙腈（ACN）（色譜純，上海安譜科學(xué)儀器有限公司），氨基化多壁碳納米管（NH2－MWCNTs）、羧基化多壁碳納米管（COOH－MWCNTs）、羥基化多壁碳納米管（OH－MWCNTs）（純度≥95%，長(zhǎng)度8～15nm，南京先豐納米材料科技有限公司）。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制分別準(zhǔn)確稱取BPA、BPE、BPF、BPZ、TMBPA的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)各10mg，用甲醇溶解并定容至100mL，配成100mg/L的單標(biāo)儲(chǔ)備液，于4℃冰箱保存。

1.2.2 樣品前處理 準(zhǔn)確稱取1.5 mg多壁碳納米管，裝填在兩端塞有棉花的1mL移液槍槍頭中，制成簡(jiǎn)易PT－SPE小柱，依次經(jīng)3mL甲醇和3mL純水活化平衡，備用。取5mL水樣，調(diào)節(jié)其pH值為5，經(jīng)PT－SPE小柱富集后，用3mL純水沖洗殘留在柱上的離子及強(qiáng)極性干擾物質(zhì)，減少對(duì)目標(biāo)化合物檢測(cè)的影響，然后用0.5 mL甲醇洗脫目標(biāo)化合物，待HPLC分析（圖1）。

圖1 PT－SPE小柱的操作流程圖Fig.1 Schematic diagram of PT－SPE cartridge

1.3 液相色譜條件

色譜柱：Shim－pack GIST C18（250mm×4.6 mm，5μm）；柱溫：30℃；檢測(cè)波長(zhǎng)：230nm；流速：1.0 mL/min；進(jìn)樣量：5μL；流動(dòng)相：ACN（A）和H2O（B）。梯度洗脫程序：0～5.0 min，35%B；5.0 ～10.0 min，35%～5%B；10.0 ～11.0 min，5%～35%B；11.0 ～15.0 min，35%B。

2 結(jié)果與討論

2.1 液相色譜條件的優(yōu)化

考察了質(zhì)量濃度為20mg/L的BPF、BPE、BPA、BPZ和TMBPA混合標(biāo)樣在不同流動(dòng)相下的分離情況。結(jié)果表明，采用ACN－H2O（75∶25，體積比）為流動(dòng)相進(jìn)行等度洗脫時(shí)，由于流動(dòng)相的洗脫能力太強(qiáng)，BPE和BPA未能實(shí)現(xiàn)基線分離。當(dāng)采用ACN－H2O（65∶35）作為流動(dòng)相時(shí)，所有化合物均能實(shí)現(xiàn)基線分離，但分析時(shí)間大于20min。為提高方法準(zhǔn)確性和實(shí)驗(yàn)效率，確定采用“1.3 ”所示的梯度洗脫方式對(duì)雙酚類化合物進(jìn)行分離。5種雙酚類化合物在13min內(nèi)均實(shí)現(xiàn)了基線分離，峰形良好，無拖尾現(xiàn)象（圖2）。

圖2 5種雙酚類化合物的液相色譜圖Fig.2 HPLC chromatogram of five bisphenol compounds

2.2 固相萃取條件的優(yōu)化

2.2.1 多壁碳納米管種類的選擇雙酚類化合物在飲用水中的含量非常低，一般需經(jīng)過富集才能被液相色譜儀檢測(cè)。本文選取3種功能化的多壁碳納米管（羧基化、氨基化和羥基化），按照“1.2.2 ”步驟制備PT－SPE小柱，5種雙酚類化合物的添加水平均為110μg/L，上樣量為5mL，考察多壁碳納米管的種類對(duì)雙酚類化合物富集效果的影響。結(jié)果表明，氨基化、羥基化、羧基化多壁碳納米管的富集效率分別為14.8 %～64.7 %、53.9 %～80.0 %和73.9 %～95.8 %。羧基化多壁碳納米管的富集效果明顯較優(yōu)，這可能與羧基化多壁碳納米管與雙酚類化合物之間有較強(qiáng)的π－π作用有關(guān)。因此，后續(xù)實(shí)驗(yàn)選擇羧基化多壁碳納米管作為富集材料。

2.2.2 羧基化多壁碳納米管用量的選擇羧基化多壁碳納米管的用量會(huì)影響PT－SPE小柱對(duì)雙酚類物質(zhì)的吸附效率。其他實(shí)驗(yàn)條件保持不變，向1mL槍頭中分別加入不同質(zhì)量（0.5 ～2.0 mg）的羧基化多壁碳納米管，考察5種雙酚類化合物的回收率（圖3）。結(jié)果顯示，5種雙酚類化合物的回收率隨著羧基化多壁碳納米管用量的增大呈先增加后降低的趨勢(shì)，當(dāng)其用量為1.5 mg時(shí)，5種化合物的回收率最高（76.4 %～99.6 %）。因此，選擇羧基化多壁碳納米管的用量為1.5 mg。

圖3 羧基化多壁碳納米管的用量對(duì)5種雙酚類化合物回收率的影響Fig.3 Effect of amounts of COOH－MWCNTs on the recoveries of five bisphenol compounds

2.2.3 樣品pH值的選擇樣品的pH值不僅影響雙酚類化合物在色譜柱上的保留時(shí)間，也會(huì)影響多壁碳納米管對(duì)雙酚類化合物的吸附。選取甲酸和氨水調(diào)節(jié)水樣的pH值，考察了pH值對(duì)樣品回收率的影響（圖4）。結(jié)果表明，pH值為3～5時(shí)，5種雙酚類化合物的回收率隨著pH值的升高而增加，在pH5時(shí)回收率達(dá)到最大。當(dāng)pH值繼續(xù)升高（pH5～7）時(shí)，回收率呈下降趨勢(shì)。因此選擇最佳pH值為5。

圖4 不同pH值對(duì)雙酚類化合物回收率的影響Fig.4 Effect of pH values on the recoveries of bisphe?nol compounds

2.2.4 洗脫劑種類的選擇洗脫劑的種類也是固相萃取中影響回收率和富集倍數(shù)的重要因素之一。本文選擇MeOH、EtOH、ACN、MeOH/H2O（50∶50，體積比）4種溶劑作為洗脫劑，考察其對(duì)雙酚類化合物的洗脫效果。結(jié)果顯示，當(dāng)MeOH、EtOH、ACN、MeOH/H2O（50∶50）作為洗脫劑時(shí)，5種雙酚類化合物的回收率分別為59.8 %～112%、20.1 %～77.9 %、8.6 %～32.8 %和67.9 %～102%。而4種溶劑的洗脫能力順序?yàn)椋篗eOH＞MeOH/H2O（50∶50）＞EtOH＞ACN。與其他溶劑相比，甲醇的洗脫能力更好，這可能與甲醇更易與雙酚類化合物形成分子間氫鍵有關(guān)。因此本文選擇MeOH作為洗脫劑。

2.2.5 洗脫劑用量的選擇洗脫劑用量不僅影響分析物的富集倍數(shù)，也會(huì)影響方法回收率?？疾炝思状加昧浚?.3 、0.5 、0.7 mL）對(duì)5種雙酚類化合物回收率的影響。結(jié)果顯示，甲醇用量為0.3 、0.5 、0.7 mL時(shí)，5種雙酚類化合物的回收率分別為19.7 %～94.2 %、59.8 %～109%和40.7 %～87.3 %。由于本方法主要依靠液體重力進(jìn)行洗脫，隨著洗脫劑用量的增加，樣品前處理的時(shí)間也隨之延長(zhǎng)。為獲得較大的富集倍數(shù)和較短的洗脫時(shí)間，最終選擇甲醇用量為0.5 mL。

2.3 競(jìng)爭(zhēng)性吸附考察

5種雙酚類化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)相似，均具有苯環(huán)和酚羥基等官能團(tuán)，與羧基化多壁碳納米管有較強(qiáng)的π－π相互作用。由于羧基化多壁碳納米管的化學(xué)結(jié)合位點(diǎn)有限，因此5種雙酚類化合物在富集過程中可能存在一定的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。以5mL空白水樣為考察對(duì)象，加標(biāo)質(zhì)量濃度均為110μg/L，實(shí)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)添加BPF、BPE、BPA、BPZ和TMBPA的混合標(biāo)樣時(shí)，其平均回收率分別為101%、92.9 %、92.5 %、111%、59.8 %；而單獨(dú)添加BPF、BPE、BPA、BPZ、TMBPA標(biāo)樣時(shí)，其平均回收率分別為91.9 %、98.7 %、102%、99.9 %、102%。與添加單標(biāo)相比，混合標(biāo)樣中TMBPA的回收率明顯降低，而其他4種化合物的回收率無明顯變化。這可能是因?yàn)門MBPA苯環(huán)上的甲基較多，空間位阻較大，影響了苯環(huán)與羧基化多壁碳納米管的π－π相互作用。與其他4種化合物相比，TMBPA的競(jìng)爭(zhēng)性吸附能力較弱。

2.4 選擇性考察

選擇性是固相萃取抗干擾能力的重要性能。在樣品篩選中，考察了鄰苯二甲酸酯、苯酚、苯胺以及萘等化合物（質(zhì)量濃度均為100μg/L），結(jié)果發(fā)現(xiàn)羧基化多壁碳納米管對(duì)鄰苯二甲酸酯、苯酚、苯胺無明顯的富集效果，但對(duì)萘的富集效果良好，回收率達(dá)到70%以上。這可能是因?yàn)猷彵蕉姿狨?、苯酚、苯胺等化合物只?個(gè)苯環(huán)，與羧基化多壁碳納米管的π－π相互作用較弱，不能有效富集。而萘與雙酚類化合物均有2個(gè)苯環(huán)，π電子較多，與羧基化多壁碳納米管π－π相互作用較強(qiáng)，富集效果良好。上述結(jié)果表明，羧基化多壁碳納米管對(duì)含有多個(gè)苯環(huán)的化合物具有良好的選擇性。

2.5 分析方法的評(píng)價(jià)

2.5.1 線性關(guān)系、檢出限及回收率用初始流動(dòng)相（65%乙腈水溶液）配制質(zhì)量濃度分別為2.2 、11、22、110、220μg/L的5種雙酚類化合物標(biāo)準(zhǔn)溶液，采用本方法進(jìn)行檢測(cè)，以其質(zhì)量濃度作為橫坐標(biāo)（x，μg/L），以峰面積作為縱坐標(biāo)（y）繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，得到線性回歸方程和相關(guān)系數(shù)（見表1）。結(jié)果顯示，5種化合物在2.2 ～220μg/L質(zhì)量濃度范圍內(nèi)與其峰面積呈良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)r≥0.9985 。按照優(yōu)化的樣品前處理和色譜條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以3倍信噪比對(duì)應(yīng)的空白樣品添加濃度為方法檢出限（MDL），BPF、BPE、BPA、BPZ、TMBPA的MDL分別為0.050 、0.022 、0.005 、0.031 、0.097 μg/L。

表1 本方法的線性關(guān)系、方法檢出限、回收率及相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差Table1 Linear relations，MDLs，recoveries and RSDs of this proposed method

在空白瓶裝水樣中，分別添加BPF、BPE、BPA、BPZ、TMBPA標(biāo)樣，加標(biāo)水平為22、110、220μg/L，每個(gè)濃度做3次平行實(shí)驗(yàn)，考察方法的回收率。結(jié)果表明，BPF、BPE、BPA、BPZ、TMBPA的平均回收率為91.1 %～110%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）為0.20 %～4.3 %，說明該方法準(zhǔn)確、穩(wěn)定。

2.5.2 重現(xiàn)性及穩(wěn)定性在相同實(shí)驗(yàn)條件下，平行制備3個(gè)PT－SPE小柱，對(duì)5種雙酚類化合物加標(biāo)濃度均為44μg/L的自來水樣品進(jìn)行測(cè)定，其回收率的RSD為8.1 %～16%，表明此PT－SPE小柱具有良好的重現(xiàn)性。使用同一PT－SPE小柱對(duì)自來水樣品進(jìn)行平行測(cè)定，日內(nèi)（n=9）和日間（n=3）RSD分別為1.2 %～5.9 %、2.9 %～5.6 %，表明該P(yáng)T－SPE小柱具有良好的穩(wěn)定性。

2.6 與文獻(xiàn)報(bào)道方法的比較

將本方法與文獻(xiàn)報(bào)道的分析方法比較，結(jié)果見表2。與文獻(xiàn)方法相比，本方法的PT－SPE小柱制備簡(jiǎn)單，且分析方法的檢出限較低（5～97ng/L），適用于水樣中雙酚類化合物的快速檢測(cè)。

表2 不同分析方法測(cè)定雙酚類化合物的對(duì)比Table2 Comparison of different analytical methods for BPs determination

2.7 實(shí)際樣品測(cè)定

在本地市場(chǎng)購買了5種不同品牌的塑料瓶裝飲用水，按照本方法進(jìn)行處理和檢測(cè)。5種飲用水中均未檢出BPF、BPE、BPA、BPZ、TMBPA。結(jié)果表明，本方法簡(jiǎn)單快捷，可以滿足飲用水中雙酚類化合物的快速定性與定量檢測(cè)要求。

3 結(jié) 論

本文以羧基化多壁碳納米管為固相萃取吸附劑，制備了新型的PT－SPE小柱，結(jié)合高效液相色譜對(duì)飲用水中5種雙酚類化合物進(jìn)行快速定量檢測(cè)。通過考察碳納米管的種類和用量、樣品溶液的pH值、洗脫劑的種類和用量等對(duì)方法回收率的影響，確定了最佳實(shí)驗(yàn)條件。與文獻(xiàn)報(bào)道的方法相比，本方法的檢出限和實(shí)驗(yàn)成本較低，可滿足現(xiàn)行法規(guī)和飲用水中雙酚類化合物的痕量檢測(cè)需求。