基于磁性多壁碳纳米管的涡旋辅助分散基质固相萃取-高效液相色谱检测水中双酚A

刁春鹏，李 聪，彭 辉，蔡艳红，裴晓洋

聊城大学环境与规划学院，山东 聊城 252059

基于磁性多壁碳纳米管的涡旋辅助分散基质固相萃取-高效液相色谱检测水中双酚A

刁春鹏，李 聪，彭 辉，蔡艳红，裴晓洋

聊城大学环境与规划学院，山东 聊城 252059

针对分散基质固相萃取中吸附剂与液相难以彻底分离等问题，合成磁性多壁碳纳米管作为吸附剂，结合液相色谱检测，建立了基于涡旋辅助磁性分散基质固相萃取检测水中双酚A的分析方法。磁性多壁碳纳米管与液相可以实现简便、彻底的分离，省略分散基质固相萃取中的过滤或离心步骤。在优化条件下，方法检出限为0.02 μg/L，线性范围为0.05～10 μg/L(r=0.999 2)。将该方法用于实际水样的分析，相对回收率为89.6%。

磁性多壁碳纳米管；磁性分散基质固相萃取；双酚A；液相色谱；涡旋

双酚A(BPA)是一种熟知的环境内分泌干扰物，可以影响动物及人类的生殖能力[1-2]。由于BPA的广泛使用，世界范围内水体(如西班牙[3]、荷兰[4]、美国[5]等国家的地表水)都有BPA检出的报道。中国环境水体(如黄河[6]、长江三角洲地表水和东海[7]等)也有BPA检出的报道。由于内分泌干扰作用及广泛的水环境污染，BPA污染成为人们十分关注的环境污染问题，对水体BPA的监测也成为环境热点。

环境水体中BPA的分析主要采用化学发光[8]、气相色谱[9]、液相色谱[10]和毛细管电泳[11]等方法。由于环境水体中BPA浓度较低，仪器分析之前需要进行预处理。常见的预处理方法有固相萃取[8, 12-13]、液相微萃取[14-15]和固相微萃取[16]等。其中，固相萃取因其具有较高的可靠性和环境友好等优点，在实际分析中得到广泛应用。作为固相萃取的一种形式，基质分散固相萃取(MSPD)[17-18]相比于柱固相萃取具有萃取时间更短、有机溶剂用量更低的优点。但是，MSPD技术中吸附材料与水相的彻底分离难以实现，且需要过滤或者离心等步骤，操作繁琐、耗时。磁性基质分散固相萃取(MMSPD)以磁性吸附材料代替普通非磁性材料，可以实现彻底、简便的吸附材料和水相的分离[19-20]。

研究以多壁碳纳米管(MWCNTs)为材料，合成磁性多壁碳纳米管(MMWCNTs)作为MMSPD的吸附材料，用来吸附富集水样中的BPA，以永久性磁铁彻底分离水相与MMWCNTs，BPA经洗脱后利用高效液相色谱分析，建立了水样中BPA简便、快速、灵敏的分析方法。

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

Agilent 1100高效液相色谱仪荧光检测器(美国)，XD-6 X射线粉末衍射仪，Quadrasorb SI比表面和孔径分布分析仪(美国)，MPMS-XL-7磁性测量系统，涡旋振荡器，100 mL聚四氟乙烯反应釜，马弗炉，DZF-6090真空干燥箱。

BPA，二甘醇；乙二醇，氯化铁，丙烯酸钠，醋酸钠，乙醇，硝酸均为分析纯；MWCNTs，纯净水；乙腈，甲醇均为色谱纯(美国)。

水样取自某污水处理厂外排水，进行分析之前用0.45 μm 滤膜进行过滤。

1.2 色谱条件

荧光检测器的激发(EX)波长为283 nm，发射(EM)波长为323 nm；Spherigel C18色谱柱(250 mm×4.6 mm，5 μm)；以乙腈、水为流动相，进行梯度洗脱，详见表1。流速为1.0 mL/min，进样体积为10 μL。

表1 梯度洗脱程序

1.3 MMWCNTs的制备

MWCNTs的羧基化：将MWCNTs过筛，使粒径小于75 μm，取5 g MWCNTs和100 mL硝酸放入圆形烧瓶中，加入磁子，于80 ℃油浴下搅拌回流反应3 h。冷却后离心，加去离子水洗涤，离心后测定水相pH。反复洗涤多次，直至离心后水相pH为7左右，然后放入真空干燥箱内65 ℃烘干。

MMWCNTs的制备：取0.8 g羟基化的MWCNTs，1.7 g丙烯酸钠，1.7 g醋酸钠，1.2 g FeCl3·6H2O，17 mL乙二醇和6 mL二乙二醇放入烧杯中进行搅拌，超声2 h，然后放入聚四氟乙烯反应釜，于200 ℃下密闭反应10 h。冷却后先用乙醇洗涤6次，再用去离子水洗涤6次，放入真空干燥箱内65 ℃烘干。

1.4 材料表征

对MWCNTs、羧基化MWCNTs以及制备的MMWCNTs进行比表面积分析(BET)，判断MMWCNTs制备过程中比表面积的变化。对MMWCNTs进行粉末衍射分析(XRD)，判断磁性引入物质。对MMWCNTs进行磁性分析(M-H曲线)，判断MMWCNTs磁性的大小。

1.5 MMSPD过程

MMSPD过程如图1所示。取50 mg MMWCNTs加入置于锥形瓶内的50 mL水样中，以涡旋振荡器涡旋辅助吸附。吸附完成后，以永久性磁铁吸引并将MMWCNTs固定于锥形瓶内壁，丢弃水相。向锥形瓶中加入洗脱剂，涡旋辅助解吸。然后以永久性磁铁吸引并将MMWCNTs固定于锥形瓶内壁，将洗脱剂转移至试管中，以液相色谱微量进样针吸取10 μL进行分析。将脱附后的MMWCNTs以2.0 mL洗脱剂清洗2次，再以5.0 mL去离子水清洗3次，除去可能存在的杂质后重复利用。

图1 MMSPD过程示意图

2 结果与讨论

2.1 材料表征

图2显示了MMWCNTs的XRD和M-H表征图。

图2 MMWCNTs的XRD和M-H表征图

图2(a)为MMWCNTs的XRD表征图，其中，2θ=30.12°、35.56°、42.82°、54.04°、56.74°、62.34°和73.45°的特征峰，分别对应Fe3O4的(220)晶面、(311)晶面、(400)晶面、(422)晶面、(511)晶面、(440)晶面和(533)晶面。XRD分析结果显示，MMWCNTs的磁性来自于顺磁性的Fe3O4晶体。MWCNTs、羧基化MWCNTs和MMWCNTs的比表面积分别为149、139、 85 m2/g。MWCNTs、羧基化MWCNTs和MMWCNTs的比表面积依次降低，特别是羧基化MWCNTs经过磁化后，比表面积出现大幅下降。这是因为在磁化过程中，MWCNTs的部分微孔被Fe3O4晶体堵塞所致。MWCNTs的M-H表征如图2(b)所示，饱和磁化度为23.3 emu/g，处于超顺磁性范围，证明是纯的Fe3O4结构。

2.2 涡旋吸附时间

MMWCNTs 吸附水样中BPA主要是在涡旋辅助下完成的，研究考察了不同的涡旋辅助时间(2、5、7、10、15 min)对MMSPD的影响(图3)。

图3 涡旋时间对MMSPD的影响

图3中BPA的峰面积随时间的延长不断增加，7 min后，峰面积随时间的延长则基本保持不变。为了得到理想的灵敏度和节省分析时间，后续实验采用涡旋吸附时间为7 min。

2.3 洗脱剂种类及其体积

洗脱剂种类决定了其对MMWCNTs 吸附的BPA的洗脱效率，研究考察了丙酮、甲醇和乙腈作为洗脱剂的情况。结果如图4所示。

图4 洗脱剂种类对MMSPD的影响

由图4可见，丙酮作洗脱剂时BPA峰面积最大，说明丙酮对BPA的吸附效果最好。因此，后续实验采用丙酮作为洗脱剂。洗脱剂体积能够影响BPA在洗脱剂中的浓度，进而影响方法的灵敏度。研究了不同丙酮体积(0.2、0.5、1.0、2.0、3.0 mL)对MMSPD的影响，结果如图5所示，峰面积随着洗脱剂体积减小而增大。但是，当洗脱剂体积为0.2 mL时，方法的误差明显变大。因此，后续实验采用洗脱剂体积为0.5 mL。

图5 洗脱剂体积对MMSPD的影响

2.4 洗脱时间

利用洗脱剂将MMWCNTs吸附的BPA洗脱下来需要一定的时间，研究了不同洗脱时间(0.5、1、1.5、2、3、4 min)对MMSPD的影响，结果如图6所示。当洗脱时间超过2 min时，峰面积变化不大，表明2 min时洗脱已经完成。为节约分析时间，后续实验中洗脱时间采用2 min。

图6 洗脱时间对MMSPD的影响

2.5 水样pH

BPA携带有酸性基团，因此，水样的pH能够对MMSPD过程产生影响。考察了不同pH(2、4、6、7、8)对MMSPD的影响，结果如图7所示。峰面积随着pH的减小而增加。当pH为2时，部分MMWCNTs颗粒不能很好地被永久性磁铁固定，彻底的固液分离产生困难。其原因是，在较小pH下，部分Fe3O4溶解，使得MMWCNTs磁性降低，甚至消失。为了实现较好的固液分离和较高的灵敏度，后续实验中调节水样pH为4。

图7 水样pH对MMSPD的影响

2.6 离子强度

增加水样离子强度能够使有机污染物在水样中的溶解度降低，提高MMSPD的吸附效率。向样品中加入不同含量的NaCl(0、2.5、5.0、10.0、15.0、20.0%)，以考察离子强度对实验的影响。实验结果如图8所示，峰面积随着盐浓度的增加逐渐增加，当达到10%时达到最大且保持平衡。因此，后续实验选择10%的盐浓度。

2.7 MMWCNTs重复使用情况

采用MMWCNTs作为吸附剂，在MMSPD过程中并未被破坏，可以重复利用。在水样pH为4时，将一份MMWCNTs重复使用，以此研究其可重复利用性。当重复使用超过80次时，部分MMWCNTs不能很好地与水相分离。为了得到可靠的结果，实验将MMWCNTs重复使用60次。

图8 水样离子强度对MMSPD的影响

2.8 方法的性能指标及环境水样分析

所建立方法检出限为0.02 μg/L，线性范围为0.05～10 μg/L(r=0.999 2)，相对标准偏差为4.9%。水样取自某污水处理厂外排水，进行分析之前用0.45 μm滤膜进行过滤。分析结果发现，该外排水中BPA浓度为0.12 μg/L。为了考察水样基质对该方法的影响，向该水样中加标0.5 μg/L BPA，相对回收率为89.6%，结果令人满意。水样及加标水样的液相色谱图如图9所示。

图9 水样及加标水样液相色谱图

2.9 与其他方法的比较

表2为本研究方法与其他方法的比较。

表2 本研究所建立方法与其他方法的比较

注：DLLME为分散液相微萃取；HPLC为高效液相色谱。

3 结论

开发了一种基于磁性多壁碳纳米管的分散基质固相萃取技术，结合高效液相色谱-荧光检测，建立了水中BPA的分析方法。所建立方法检出限为0.02 μg/L，线性范围为0.05～10 μg/L，相对回收率为89.6%。用于实际水样分析，结果令人满意。

[1] BPMDESSON M,JONSSON J,PONGRATZ I,et al.A CASCADE of effects of bisphenol A [J].Reprod Toxicol,2009,28(4)：563-567.

[2] VANDENBERG L N,CHAHOUD I,HEINDEL J J,et al.Urinary, circulating, and tissue biomonitoring studies indicate widespread exposure to bisphenol A [J].Environ Health Persp,2010,118(8):1 055-1 062.

[3] OLMO M,GONZBLEZ-CASADO A,NAVAS N A,et al.Determination of bisphenol A (BPA) in water by gas chromatography-mass spectrometry [J].Anal Chim Acta,1997,346(1):87-92.

[4] BELFROID A,VELZEN M V,HORST B V D,et al.Occurrence of bisphenol A in surface water and uptake in fish: evaluation of field measurements [J].Chemosphere,2002,49(1):97-103.

[5] STAPLES C A,DORN P B,KLECKA G M,et al.Bisphenol A concentrations in receiving waters near US manufacturing and processing facilities [J].Chemosphere,2000,40(5):521-525.

[6] 邹荣婕,邓旭修,王斌,等.黄河调水调沙对黄河口海域双酚A的影响 [J].生态学报,2015,35(2):263-269.

[7] SHI J H,LIU X W,CHEN Q C,et al.Spatial and seasonal distributions of estrogens and bisphenol A in the Yangtze River Estuary and the adjacent East China Sea [J].Chemosphere,2014,111:336-343.

[8] 张立科,张艳鸽,何琴,等.固相萃取富集-化学发光法测定水环境中痕量双酚A [J].化学试剂,2010,32(4):334-336.

[9] ROS O,VALLEJO A,BLANCO-ZUBIAGUIRRE L,et al.Microextraction with polyethersulfone for bisphenol-A, alkylphenols and hormones determination in water samples by means of gas chromatography-mass spectrometry and liquid chromatography-tandem mass spectrometry analysis [J].Talanta,2015,134(1):247-255.

[10] BALLESTEROS-GMEZ A,RUIZ F,RUBIO S,et al.Determination of bisphenols A and F and their diglycidyl ethers in wastewater and river water by coacervative extraction and liquid chromatography-fluorimetry [J].Anal Chim Acta,2007,603(1):51-59.

[11] ZHONG S,TAN S N,GE L,et al.Determination of bisphenol A and naphthols in river water samples by capillary zone electrophoresis after cloud point extraction[J].Talanta,2011,85(1): 488-492.

[12] 赵彬，张敏，张付海,等.盘式固相萃取-液相色谱-串联质谱法快速测定地表水中n-壬基酚、n-辛基酚和双酚A [J].中国环境监测，2014,30(4):106-110.

[13] 易谷洋,魏瑞萍,谭小旺,等.多壁碳纳米管固相萃取-高效液相色谱法测定水中四溴双酚A [J]. 理化检验(化学分册),2013(4):487-488.

[14] 谭小旺,宋燕西,魏瑞萍,等.三相中空纤维膜液相微萃取-高效液相色谱法测定水中痕量双酚A [J].分析化学,2012,40(9):1 409-1 414.

[15] REZAEE M,YAMINI Y,SHARIATI S,et al.Dispersive liquid-liquid microextraction combined with high-performance liquid chromatography-UV detection as a very simple, rapid and sensitive method for the determination of bisphenol A in watersamples [J].J Chromatogr A,2009,1 216(9):1 511-1 514.

[16] MOUSA A,BASHEER C,AL-ARFAJ A R.Application of electro-enhanced solid-phase microextraction for determination of phthalate esters and bisphenol A in blood and seawater samples [J].Talanta,2013,115:308-313.

[17] TSAI W H,Chuang H Y,Chen H H,et al.Application of dispersive liquid-liquid microextraction and dispersive micro-solid-phase extraction for the determination of quinolones in swine muscle by high-performance liquid chromatography with diode-array detection [J]. Anal Chim Acta,2009,656(1-2):56-62.

[18] CHEN W L,WANG G S,GWO J C,et al.Ultra-high performance liquid chromatography/tandem mass spectrometry determination of feminizing chemicals in river water, sediment and tissue pretreated using disk-type solid-phase extraction and matrix solid-phase dispersion [J].Talanta,2012,89:237-245.

[19] 白沙沙,李芝,臧晓欢,等.磁性石墨烯固相萃取-分散液液微萃取-气相色谱法测定水和绿茶中酰胺类除草剂残留 [J].分析化学,2013,41(8):1 177-1 182.

[20] 张凌怡, 张润生, 高方园, 等. C(18)修饰的磁性纳米材料用于不同性质农药的固相萃取理论研究与应用 [J].分析试验室,2014(9):1 024-1 029.

[22] 李鱼, 刘建林, 王晓丽, 等. 分散液-液微萃取-高效液相色谱法测定水样中的痕量双酚A[J]. 高等学校化学学报,2008,29(11):2 142-2 148.

Vortex Assisted Magnetic Matrix Solid Phase Dispersion Based on Magnetic Multi-Walled Carbon Nanotubes for the Determination of Bisphenol A in Water Samples by High Performance Liquid Chromatography Detection

DIAO Chunpeng,LI Cong,PENG Hui,CAI Yanhong,PEI Xiaoyang

School of Environment and Planning,Liaocheng 252059，China

In matrix solid phase dispersion (MSPD), it was difficult to achieve complete separation of the adsorbent and the aqueous phase. Magnetic multi-walled carbon nanotubes (MMWCNTs) was synthesized to adsorb Bisphenol A (BPA) in water samples. A new vortex assisted magnetic matrix solid phase dispersion (MMSPD) method based on MMWCNTs was proposed for the determination of BPA in water samples by high performance liquid chromatography. Complete separation of MMWCNTs and the aqueous phase was easily achieved, and the filtration or centrifugation step was saved. On the optimized conditions, the limit of detection (LOD) was 0.02 μg/L, and the linearity was obtained from 0.05 to 10 μg/L. It was satisfied for the proposed method to be used for the determination of BPA in water samples with relative recovery of 89.6%.

magnetic multi-walled carbon nanotubes；magneticatrix solid phase dispersion；Bisphenol A；high performance liquid chromatography；vortex

2015-08-24;

2016-01-20

山东省优秀中青年科学家奖励基金(BS2015HZ014)

刁春鹏(1983-)，男，山东栖霞人，博士，讲师。

X832.02

A

1002-6002(2016)05- 0111- 05

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.05.21