磁性多壁碳纳米管固相萃取-气相色谱质谱联用快速测定食用油中的苯并[a]芘

陈 冰，肖维毅，尧珍玉，衣志民，徐兰兰，闫洪喜，何雪峰

（1.云南瑞升烟草技术（集团）有限公司，云南 昆明 650106；2.浙江中烟工业有限责任公司，浙江 杭州 310008）

0 引 言

苯并[a]芘（BaP）又称为 3，4-苯并芘，是一种五元环芳香烃。作为已发现的200多种致癌多环芳烃类化合物中最具有代表性的强致癌化合物，BaP对实验动物的半致癌剂量为80μg，最小致癌剂量为0.4～2μg，因此一直受到广泛关注[1-5]。高温环境下有机物热解所生成的有机小分子，经过复杂的聚合过程而形成多种稠环芳烃，其中最典型的就是BaP。BaP对人体健康有巨大危害，主要通过食品、烹饪油烟、饮用水等途径进入机体。

食用油的加工过程、储存运输过程，以及产油植物的生长过程等因素都有可能产生BaP，同时，食用油在反复利用过程中也会产生BaP。因此，建立一种快速准确和稳定可靠的食用油BaP检测方法具有重要意义。

目前，有大量文献报道了分析不同样品中BaP的方法，包括高效液相色谱法（HPLC）[6-7]、液相色谱-串联质谱法（LC-MS/MS）[8-9]、气相色谱-串联质谱法（GC-MS/MS）[10]、同步荧光光谱法[11-12]、拉曼光谱法[13]等。随着分析技术的发展，色谱法和色质联用法逐渐成为BaP分析的主流方法。

BaP在样品中的含量普遍较低，对于基质复杂的样品，必须对样品进行必要的前处理，以实现目标分析物的有效分离和富集。

磁固相萃取技术（magnetic solid phase extraction，MSPE)是在固相萃取（SPE）技术基础上发展起来的一种新颖的样品前处理方法。它选择对分析物有特征吸附作用的磁性材料作固相萃取吸附剂，在MSPE过程中，磁性吸附剂不是填充到吸附柱中，而是直接添加到含目标分析物的样品溶液中，经过简单振荡，磁性吸附剂与样品溶液充分混合并将目标分析物吸附到均匀分散的磁性吸附剂表面，吸附完全后，在外部磁场作用下分离磁性吸附剂与样品基质。最后，用溶剂从磁性吸附剂上洗脱目标分析物后进样分析。MSPE[14]的基本过程如图1所示。

与普通的SPE技术相比，MSPE主要有3方面的优势：首先，MSPE使得萃取过程简单化，不需要昂贵的设备就能在短时间内分离大体积样品中的微量物质；其次，MSPE过程中化学试剂的使用量大为减少，且没有二次污染产生，萃取用的磁性材料制备容易且能回收利用；另外，MSPE不仅能萃取溶液中的目标分析物，还能萃取悬浮液中的目标分析物，且由于样品中的杂质一般都是反磁性物质，能有效避免杂质的干扰[15]。因此，MSPE被人们越来越多的应用于环境、食品、生物、医药等领域中样品的分离和富集。

图1 磁固相萃取过程图

碳纳米管（CNTs）具有各种独特的性能，如中空管状结构、巨大的比表面积、容易改性、对金属的强力吸附作用、对有机物的选择吸附作用等，使之在MSPE中得到广泛应用[15-22]。

本文制备了磁性多壁碳纳米管（Fe3O4/MWCNTs）复合材料，通过优化萃取时间、磁性碳纳米管用量、洗脱溶剂的类型和用量、洗脱方式及时间等MSPE实验条件，建立了磁性多壁碳纳米管固相萃取-气相色谱质谱联用快速测定食用油中BaP的分析方法。

1 实验部分

1.1 实验仪器与试剂

Agilent 6890/5973N气相色谱-质谱联用仪（美国Agilent公司）；TriStar II3020比表面积和孔隙度分析仪（美国micromeritics公司）；台式高分辨率扫描电子显微镜 TM3000（日本日立公司）；AB104-S电子分析天平（上海梅特勒-托利多仪器有限公司）；VOS-60A真空干燥箱（郑州南北仪器设备有限公司）；IKA微型漩涡振荡器（上海莱贝科学仪器有限公司）；MPS-10轨道式摇床（杭州瑞诚仪器有限公司）。

苯并[a]芘标准品（纯度≥99%，国家标准物质中心）；弗罗里硅土（Cleanert Florisil，天津博纳艾杰尔科技有限公司）；多壁碳纳米管（MWCNTs，纯度＞95%，外径 30～50 nm，长度 10～20μm，购自中国科学院成都有机化学有限公司）；乙醇、甲醇、乙酸乙酯、丙酮、甲苯、正己烷、乙二醇、三水合醋酸钠、六水合氯化铁均为分析纯及以上级别；实验用水皆为Milli-Q超纯水系统纯化所得二次水。

1.2 标准溶液的配制

标准储备液配制：准确称量0.1g（精确到0.001g）BaP标准品，用正己烷定容至100mL，配制1g/L的单标储备液，置于4℃冰箱保存待用。实验优化及测试用BaP标准溶液均用正己烷稀释单标储备液制备。

1.3 实验方法

1.3.1 磁性碳纳米管的合成

Fe3O4/MWCNTs磁性纳米复合材料的合成与文献方法[14]略有不同。主要步骤如下：称取0.50 g FeCl3·6H2O溶于25mL乙二醇中，加入0.20g MWCNTs，搅拌使MWCNTs均匀分散后加入1.20g三水合乙酸钠，搅拌混合后于室温下放置10min，然后转移至聚四氟乙烯反应釜中，于190℃下反应16h。合成产物用二次水、无水乙醇洗涤数次后，于80℃干燥箱中干燥备用。

1.3.2 样品磁固相萃取处理

调和油、橄榄油、麻油、芝麻油、鱼油、玉米油、葵花油等食用油随机购自超市。准确称取1.0g样品（精确到0.001g）于离心管中，用40mL正己烷溶解，加入2.0g弗罗里硅土，漩涡混合5min。在3000 r/min转速下离心5min后取40mL上层清液转移至50mL锥形瓶中，加入3.6mg磁性MWCNTs，在150 r/min速率下振荡萃取10min后，用磁铁将磁性MWCNTs吸附于锥形瓶底部，弃去正己烷，加入4mL甲苯。在99Hz频率下超声3min后，再用磁铁将磁性MWCNTs吸附于锥形瓶底部，取出甲苯洗脱液，过0.45μm的有机滤膜后，GC-MS进样分析。

1.3.3 GC-MS仪器条件

GC-MS的工作参数如表1所示。

表1 仪器条件

2 结果与讨论

2.1 磁性MWCNTs的表征

所制备的磁性MWCNTs为黑色粉末状，振荡时能均匀的分散在水中，并且具有很好的磁性。

对制备的磁性MWCNTs进行了扫描电镜和比表面积测定分析。从表2中可以看出，Fe3O4负载后的MWCNTs比原始的MWCNTs比表面积、孔容皆大幅度下降但孔径却有所增加。这是由于Fe3O4与MWCNTs的结合，导致新生成的磁性碳纳米管由两部分组成（Fe3O4和 MWCNTs），其中Fe3O4并无任何孔径，因此提供吸附的仍然是原MWCNTs粒子，从而导致其比表面积下降；Fe3O4的无规则生长同样导致MWCNTs的孔容降低。此外MWCNTs的孔由两部分构成：一是MWCNTs内的孔；另一部分主要由碳管之间的空隙构成的“堆积孔”，相应的孔径等于管之间的距离，Fe3O4的引入导致了MWCNTs之间的距离增加从而使堆积孔的孔径增大，最终导致了Fe3O4/MWCNTs纳米粒子的吸附性能有所减低。

表2 MWCNTs和Fe3O4/MWCNTs的BET测定数值

图2 MWCNTs的扫描电镜图

图3 Fe3O4/MWCNTs的扫描电镜图

对比MWCNTs和Fe3O4/MWCNTs的SEM图（图2和图3），可以看出反应生成的球形Fe3O4粒子（图3中的白色颗粒）很好地吸附在MWCNTs的表面。Fe3O4粒子的尺寸基本保持一致，同时由于反应温度和时间等因素导致少部分Fe3O4粒子产生了团聚现象，使得部分粒子直径偏大。

2.2 MSPE过程的优化

配制40mL质量浓度为20μg/L的BaP溶液（溶剂为正己烷），优化萃取时间、洗脱剂类型、洗脱剂用量、洗脱时间等实验参数。

2.2.1 弗罗里硅土的使用

弗罗里硅土作为一种常用的选择性吸附剂，主要成分是二氧化硅（84%），氧化镁（15.5%）和硫酸钠（0.5%），能有效去除食用油中的脂类化合物，同时对BaP并无任何吸附，大大降低了基体效应。实验发现，当弗罗里硅土与待测油样的质量之比达到2∶1时，能有效去除食用油中的脂类化合物。

2.2.2 洗脱溶剂类型的选择

选择合适的洗脱溶剂是MSPE实验的关键。实验选取了甲醇、乙醇、乙酸乙酯、丙酮和甲苯5种常用溶剂作为洗脱剂。分析结果如图4所示，除了丙酮和甲苯外，其他溶剂都完全不能从磁性MWCNTs上洗脱目标化合物。这可能是由于碳纳米管的π-π堆积作用；使其对于BaP有着很强的吸附作用，同时BaP的极性较弱，使得一般的极性溶剂很难对BaP进行洗脱，而甲苯极性较小，其与BaP之间存在较强的π-π具有较好的相似相容作用，因此能对BaP进行洗脱，本文最终选择了甲苯作为洗脱溶剂。

图4 洗脱剂种类对BaP回收率的影响（MWCNTs=3.6mg、萃取时间15min、洗脱体积4mL，洗脱时间5min）

2.2.3 萃取时间的优化

萃取时间对BaP回收率的影响如图5所示。结果表明，只需5min就能实现对BaP的快速稳定萃取，而且回收率超过95.0%。选择5min为最佳萃取时间。

2.2.4 洗脱溶剂用量的优化

洗脱溶剂的用量关系到目标化合物的洗脱效率，对于最终的分析回收率有着重要影响。实验考察了不同体积甲苯对分析回收率的影响，结果如图6所示。可以看出，当甲苯体积为5mL时，回收率最大，但考虑到甲苯的毒性且4mL甲苯已能满足回收率的要求，因此选取4mL甲苯作为最佳洗脱剂用量。

图5 萃取时间对BaP回收率的影响（n=3，MWCNTs=3.6mg、洗脱溶剂：甲苯、洗脱体积4mL、洗脱时间5min）

图6 洗脱剂体积对BaP回收率的影响（n=3，MWCNTs=3.6mg、萃取时间 10min、洗脱溶剂甲苯、洗脱时间5min）

2.2.5 洗脱时间的优化

实验考察 1，2，3，4，5min 洗脱时间对 BaP 分析的影响，结果如图7所示。从结果可知，仅用3min就能得到满意的BaP洗脱效果，故选择3min作为最佳BaP洗脱时间。

2.2.6 磁性MWCNTs用量的选择

实验通过测定磁性MWCNTs对BaP的饱和吸附量来确定磁性MWCNTs用量。配制100μg/L、40mL BaP溶液，在上述最佳条件下称取不同质量的磁性MWCNTs进行萃取，在最大萃取回收率下计算得到BaP被吸附的质量即为BaP的饱和吸附量。计算公式为：BaP饱和吸附量=（初始溶液质量浓度－萃取后剩余溶液质量浓度）×萃取液体积/MWCNTs质量。结果表明，磁性MWCNTs对BaP有较强的吸附作用，少量的磁性MWCNTs就能满足回收率要求，但磁性MWCNTs的用量太少会造成称量不便且增加了萃取时间；同时，磁性MWCNTs用量太多，又会增加洗脱剂的用量。实验测得磁性MWCNTs对BaP的饱和吸附量为0.95mg/mg。综合考虑各种因素的影响，选择3.6mg磁性MWCNTs作为MSPE吸附剂的用量。

图7 洗脱时间对BaP回收率的影响（n=3，MWCTNs=3.6mg、萃取时间 10min、洗脱溶剂甲苯、洗脱体积4mL）

2.3 分析性能

2.3.1 标准曲线线性范围和方法检出限

配制 20，50，100，200，500μg/L 的 BaP 工作标准溶液，用GC-MS分析，以BaP的峰面积对相应的浓度进行线性回归，建立标准曲线如图8所示，线性相关系数为0.9993。20μg/L BaP标准溶液的SIM色谱图如图9所示，以3倍信噪比计算得出方法检出限为0.15μg/L，结果表明该方法具有很高的灵敏度，可以满足实际检测要求。

图8 BaP标准曲线图

图9 20μg/L的BaP标准溶液SIM色谱图（m/z=252）

2.3.2 方法的准确度和精密度

配制质量浓度分别为5，20，50μg/mL的BaP空白样品，经优化的处理方法处理后，进行准确度和精密度测定，其结果如表3所示。

表3 方法准确度和精密度测定（n=7）

从表中可以看出，所测空白样品均有很高的回收率，同时相对标准偏差也较小，说明该方法具有很好的准确度和精密度，能用于对实际样品的检测。

2.4 食用油中BaP的分析

在最佳条件下对市售的不同类型食用油进行了分析，如表4所示。结果表明：所有样品中均未检出BaP，与包装标识一致。样品平均加标回收率：77.2%～89.1%，相对标准偏差：1.1%～6.0%。比较了加标麻油处理前后样品的SIM图可以看出，磁性碳纳米管对BaP有很好的选择吸附性能，谱图干净。

表4 市售食用油BaP检测结果（n=7）

3 结束语

本文合成了磁性MWCNTs，结合GC-MS用于磁固相萃取食用油中的BaP检测。所建立的分析方法操作简单，耗时短，有机溶剂用量较少，二次污染少，同时还具有较高的准确度和精密度，对于实际样品测定有着不错效果。同时由于油样中含有较为复杂的基质，MWCNTs对于除BaP以外的其他化合物仍有一定的吸附作用，会影响对BaP的分析选择性。因此，需要研究MWCNTs改性方法，以进一步提高对BaP的选择性和分析灵敏度。

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