基于掺杂金属有机骨架CeDUT-52分散固相萃取/高效液相色谱法检测水中的双酚类化合物

2022-03-04郭丽囡王雅慧冀欠欠姜心瑶王曼曼郝玉兰

分析测试学报 2022年2期

郭丽囡，王雅慧，闫萌，冀欠欠，姜心瑶，王曼曼，王茜，郝玉兰

（华北理工大学公共卫生学院，河北唐山 063210）

双酚类化合物（BPs）是一类广泛存在于水体中的内分泌干扰物，由2个羟基苯酚通过化学结构键合而成。常见的双酚类化合物包括双酚A（BPA）、双酚F（BPF）和双酚AF（BPAF）。BPs因成本低廉、化学性质稳定，常被作为塑料生产的原料单体或添加剂使用［1］。由于BPs不易降解，可通过塑料管道溶出，而大量未经妥善处理的塑料废弃物，即使经过污水处理和生物降解等工艺仍会进入水体环境，导致水中BPs 含量增加，因此水体中BPs 污染不容忽视［2-4］。研究表明，BPs 可以模拟雌激素活性，与内源性激素竞争，干扰内源性激素的正常生成和代谢，引起内分泌紊乱，从而导致机体的生殖功能异常，如哺乳动物雌性性早熟、雄性精子数量减少［5-7］，且会降低免疫系统功能，增加乳腺癌和前列腺癌发生的风险［8］。GB5749-2006《生活饮用水卫生标准》对自来水中的BPA 浓度限制在10 μg/L 以下［9］。因此，建立快速、高效的方法检测环境水中BPA、BPF和BPAF十分必要。

水中BPs 的常用检测方法有高效液相色谱-紫外检测法（HPLC-UV）、高效液相色谱-质谱法和气相色谱法等［2］。由于水样中BPs 通常为痕量水平，且环境水样基质复杂，难以直接检出，因此需对水样中目标分析物进行富集净化［10］。目前，水中BPs 的前处理方法主要有液相微萃取、固相萃取和溶剂萃取等。分散固相萃取（DSPE）是在固相萃取技术基础上发展而来，该技术将吸附剂直接分散于样品基质中进行萃取，通过离心等手段实现目标物与样品基质的分离［11-13］。吸附材料是影响DSPE 吸附效果的核心，常用的吸附材料有碳纳米管、石墨烯和金属有机骨架等［14-16］。

金属有机骨架（MOFs）是由金属离子或簇和有机配体组合形成的多孔晶体材料［17］，因具有结晶度高、比表面积大和孔道可调控等特性在吸附分离领域备受关注［18-20］。以锆（Zr）金属为中心的MOFs具有良好的水稳定性与化学稳定性，是近年来发展迅速的一种新型吸附剂。DUT-52是以［Zr6O4（OH）4］12+为二级构建单元，与12 个2，6-萘二羧酸单元连接形成的具有微孔结构的金属有机骨架［21-22］。研究表明，在MOFs 骨架中原位掺杂镧系金属或过渡金属离子能够增加材料表面的活性位点，增强吸附剂与有机物间的吸附作用，从而改善原有MOFs 的吸附和分离性能［23-25］。本研究采用溶剂热法，在DUT-52 合成过程中掺杂Ce（Ⅲ），构筑CeDUT-52 吸附剂，对水中上述3 种BPs 进行富集净化，并结合高效液相色谱（HPLC）建立了快速、高效地检测水中3种BPs的分析方法。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

Agilent 1200 高效液相色谱仪-紫外检测器（美国Agilent 公司）；D/MAX 2500 PC X 射线衍射仪（XRD，日本Rigaku 公司）；VERTEX 70 傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR，德国Bruker 公司）；Hitachi S-4800 场发射扫描电子显微镜（SEM，日本Hitachi 公司）；Noran7 X 射线能谱仪（EDS，美国Thermo Fisher Scientific公司）；80 mL水热合成反应釜（天津凯易达仪器有限公司）；LC-36热风循环烘箱（上海旦顺实业有限公司）；DZF-6 020型真空干燥箱（江苏江东精密仪器有限公司）。

氯化锆（ZrCl4）、七水三氯化铈（CeCl3·7H2O）、2，6-萘二羧酸（H2NDC）和冰乙酸（分析纯，上海阿拉丁试剂有限公司）；甲醇（MeOH）、乙腈（ACN）（色谱纯，美国Fisher公司）；N，N-二甲基甲酰胺（DMF）、无水乙醇（分析纯，天津光复试剂有限公司）；丙酮（DMK）、异丙醇（IPA）（分析纯，天津市大茂化学试剂厂）；超纯水（杭州娃哈哈集团有限公司）。

3种BPs标准品：BPA、BPF和BPAF（纯度≥99%，北京迪马科技有限公司）。

1.2 标准溶液的配制

分别用ACN 配制1 g/L 的3种BPs 标准储备液，后续实验用ACN 将标准储备液逐级稀释为100 mg/L的标准混合工作液，于4 ℃下避光保存。

1.3 CeDUT-52吸附剂的制备

通过溶剂热法制备CeDUT-52［26］。称量372.4 mg CeCl3•7H2O 置于20 mL DMF 中超声10 min，使其充分溶解；加入216 mg H2NDC继续超声60 min，充分混匀后加入230 mg ZrCl4超声10 min；向反应体系中加入3 mL 冰乙酸，超声处理20 min；将反应溶液转移至聚四氟乙烯内衬的反应釜中，120 ℃下反应24 h。自然冷却至室温，离心收集沉淀，将所得固体用DMF 和无水乙醇分别洗涤3 次，离心弃去上清液，120 ℃下真空干燥2 h即得。

1.4 样品制备

环境水样采集自曹妃甸区青龙湖湖水，自来水水样采集于华北理工大学实验室。将采集的水样于4 ℃避光保存，使用前经0.45 μm滤膜过滤，以除去悬浮颗粒。

1.5 色谱分离条件

色谱柱为Agilent Eclipse Plus-C18柱（4.6 mm×250 mm，5 μm）；流动相为ACN 和H2O（52∶48，体积比）；流速为1 mL/min；进样量为20 μL；检测波长为200 nm；柱温为25 ℃。

1.6 分散固相萃取流程

称取40 mg CeDUT-52加至50 mL水样中，吸附20 min后，通过离心（1 800 r/min，3 min）将吸附剂与样品溶液分离，弃去上清液。用0.5 mL MeOH对BPs进行洗脱，充分混匀10 min后离心保留上清液，重复3次后合并洗脱液，氮吹浓缩至近干，采用MeOH定容至0.5 mL，待测。

2 结果与讨论

2.1 CeDUT-52吸附剂的表征

通过XRD 对制备的DUT-52 和CeDUT-52 的晶体结构进行了表征。如图1A 所示，CeDUT-52 谱图具备DUT-52 典型的衍射峰，但强度略有下降，且在约2θ=6.5°和2θ=7.3°处出现一定偏移（图1A插图），此现象与Wan 和Sun 等［27-28］的研究结果一致，表明Zr-O 基团中Zr（Ⅳ）被原子半径较大的Ce（Ⅲ）部分取代，导致晶格收缩并抑制了DUT-52 的晶体生长。采用FT-IR 对DUT-52 和CeDUT-52的基团构成进行了表征。如图1B 所示，CeDUT-52 具备DUT-52 的所有特征峰，其中658 cm-1和758 cm-1处存在Zr-O 基团的特征峰，O-C-O 基团的振动在1 580 cm-1和1 480 cm-1附近出现，证明结构中存在二羧酸盐［29］；Ce（Ⅲ）的掺入使CeDUT-52 谱图中约在1 700 cm-1处出现Ce-O 拉伸和Ce-O-C 振动引起的新的谱带［30］。XRD 与FT-IR 的结果证实吸附剂制备成功。利用SEM 对吸附剂的基本形貌进行分析，与纯DUT-52（图1C）相比，掺杂后的吸附剂CeDUT-52（图1D）保持了八面体结构，但粒径由原来的2 μm降低至约500 nm。

图1 DUT-52和CeDUT-52的XRD（A）和FT-IR（B）；以及DUT-52（C）和CeDUT-52（D）的SEM图Fig.1 XRD patterns（A）and FT-IR spectra（B）of DUT-52 and CeDUT-52；SEM images of DUT-52（C）and CeDUT-52（D）

通过EDS 对所制备的CeDUT-52 进行成分、元素种类与含量分析，由图2 可知，Ce（Ⅲ）已成功掺杂到DUT-52 中。EDS 面扫元素分布结果显示，掺杂后各元素占比如下：C 为41.60%；O 为27.04%；Zr为30.17%；Ce为1.19%。

图2 CeDUT-52的EDS图Fig.2 EDS mappings of CeDUT-52

2.2 分散固相萃取条件的优化

优化DSPE 吸附和洗脱条件可以保证目标物被最大程度吸附且易于洗脱，提高方法的准确度。因此实验考察了吸附剂用量、吸附时间、洗脱溶剂种类和洗脱体积对目标物回收率的影响。3种BPs的质量浓度均为20 μg/L，所有实验平行测定3次。

2.2.1 吸附剂用量与吸附时间分别考察了吸附剂用量（10、20、30、40、50 mg）和吸附时间（5、10、15、20、25 min）对3 种BPs 回收率的影响。结果显示，当吸附剂用量为40 mg 时，3 种BPs 的回收率达到最高，继续增加吸附剂用量，目标物的回收率保持稳定（图3A）。当吸附时间为20 min 时，3 种BPs 的回收率均达到80%以上，继续增加吸附时间，BPAF 的回收率反而下降（图3B）。因此，实验选择最佳吸附剂用量为40 mg，最佳吸附时间为20 min。

2.2.2 洗脱溶剂与洗脱体积在固定吸附剂用量为40 mg，吸附时间为20 min，洗脱体积为0.5 mL×3的条件下，对MeOH、ACN、DMK和IPA 4种洗脱溶剂进行了考察。结果如图3C所示，当洗脱溶剂为MeOH 时，目标物的回收率最高。实验同时考察了不同洗脱体积（0.5 mL×1、0.5 mL×2、0.5 mL×3和0.5 mL×4）对3种BPs回收率的影响（如图3D），结果显示随着MeOH 体积的增加，3种BPs的回收率逐渐升高，并在0.5 mL×3时回收率达到最佳（88.9%～101%），因此选择0.5 mL×3的MeOH 作为最佳洗脱溶剂。

图3 CeDUT-52用量（A）、吸附时间（B）、洗脱溶剂种类（C）和洗脱体积（D）对BPs回收率的影响Fig.3 Effects of CeDUT-52 amount（A），adsorption time（B），elution solvent（C）and elution volume（D）on the recoveries of BPs

2.3 方法验证

2.3.1 线性范围、检出限与定量下限在最佳DSPE条件下，以低于检出限的实际水样作为空白水样，在0.3～600 μg/L范围内对同一空白水样配制7个不同质量浓度的3种BPs混合标准溶液，采用本方法进行测定，并以峰面积（y）对BPs 的质量浓度（x，μg/L）绘制标准曲线。表1 结果显示，BPA、BPF 在0.3～300 μg/L范围内，BPAF在0.6～600 μg/L范围内线性关系良好，相关系数（r）均不小于0.999 8；方法检出限（LOD，S/N=3）分别为0.1、0.1、0.2 μg/L，定量下限（LOQ，S/N=10）分别为0.3、0.3、0.6 μg/L。

表1 3种BPs的线性关系、检出限和定量下限Table 1 Linear relations，LODs and LOQs of three BPs

2.3.2 准确度与精密度为验证方法的准确度和精密度，对空白水样进行加标回收实验，3种BPs 的加标水平分别为1、5、10 μg/L，每个加标水平平行测定3次。在3个加标水平下，3种BPs的回收率为82.5%～101%，以日内和日间测定的峰面积计算相对标准偏差（RSD，n= 3）分别为1.9%～6.3%和2.4%～10%（见表2）。表明本方法在实际水样处理中具有良好的准确度和精密度，可以满足分析要求。

表2 本方法的回收率和相对标准偏差（n=3）Table 2 Recoveries and relative standard deviations of this method（n=3）

2.4 实际样品分析

为进一步验证所建方法的可行性，分别对5例湖水和5例自来水实际水样进行分析，均未检出上述3种目标物。对实际水样进行10 μg/L 加标回收实验，所有样品的加标回收率为85.9%～102%（见表3）。表明方法的准确度较高，可用于实际水样中BPs的分析。

表3 实际水样中BPs的分析结果及加标回收率（n=3）Table 3 Analytical results and spiked recoveries for the determination of three BPs in water samples（n=3）

在最优的DSPE条件下，将3种BPs按照10 μg/L水平加入青龙湖水样，将加标水样直接进样分析、经本方法萃取后进样分析以及1 mg/L 标准溶液直接分析得到的色谱图进行比较。结果如图4 所示，与直接进样（图4A）相比，经本方法处理后的加标样品中杂质峰明显降低（图4B）；与标准溶液的色谱峰（图4C）相比，本方法处理后3种BPs得到了有效富集。以前处理后3种BPs的浓度与原始溶液中浓度的比值作为富集倍数［31］，得到本方法对目标物的富集倍数为92～102。

图4 加标水样（10 μg/L）直接进样（A）、经本方法前处理后进样（B）和1 mg/L标准溶液直接进样（C）的色谱图Fig.4 Chromatograms of spiked water sample（10 μg/L）direct injection（A），pretreatment with the proposed DSPE method（B）and BPs standard solution（C）

2.5 CeDUT-52与商品化吸附剂C18对比

为进一步评价CeDUT-52 的吸附性能，将掺杂Ce（Ⅲ）前、后的DUT-52与商品化吸附剂C18的吸附能力进行对比，在50 mL 水样中分别加入40 mg CeDUT-52 和C18吸附剂，经过20 min 确保完全吸附。由图5 可见，所制备的CeDUT-52 对3 种BPs 的回收率可达87.4%～98.2%，与DUT-52 相比，3 种BPs 回收率明显提高；并且其吸附能力与商品化吸附剂C18（90.9%～99.7%）相当，而重现性更加优异。表明所制备的CeDUT-52 在吸附领域有良好的应用前景。

图5 DUT-52、CeDUT-52和商品化C18吸附剂对3种BPs的吸附性能比较（n=3）Fig.5 Comparison of adsorption properties between DUT-52，CeDUT-52 with commercial C18 adsorbent（n=3）

2.6 与文献方法对比

将本方法与测定环境水中BPs的文献方法［32-35］进行比较，结果见表4。本方法的上样体积为50 mL时，采用40 mg CeDUT-52吸附剂，仅需20 min 即可完成吸附。采用HPLC 分析，在回收率相当的情况下，本方法的LOD（0.1～0.2 μg/L）优于文献方法，且低于GB5749-2006［9］对饮用水中BPA的限值。本方法操作快速、灵敏，能够满足水中BPs的分析要求。