磁固相萃取-液相色谱法测定环境水样中有机紫外防晒剂

刘 程,陈 蕾,叶子雯,黄晓佳

(厦门大学环境与生态学院近海环境化学与毒理研究中心,福建 厦门 361005)

有机紫外防晒剂(organic ultraviolet filters,OUFs)由单个或多个苯环及一些疏水基团组合而成,是一类对紫外线具有较好吸收的化合物[1]。此类化合物被广泛应用于防晒霜、口红和洗发水等个人护理品的生产中,以减少紫外线对人体皮肤的伤害[2]。随着OUFs使用量的日益增加,在生产和使用过程中,OUFs会通过多种途径进入水环境。已有的研究表明,OUFs对人类具有内分泌干扰效应、遗传毒性和生殖毒性等潜在危害[3]。因此急需发展可用于环境水样中痕量OUFs的高灵敏检测方法。

目前,常用于检测OUFs的方法主要包括高校液相色谱法(HPLC)[4-6]和气相色谱法(GC)[7],其中HPLC的应用更为广泛。为了避免基底的干扰,同时实现对目标物的富集,在色谱分离测定之前需进行合适的样品前处理。迄今为止,用于OUFs分析所采取的前处理方法主要包括固相萃取法(solid phase extraction,SPE)[8,9]、固相微萃取法(solid phase microextraction,SPME)[10]、分散液-液微萃取法(dispersive liquid-liquid microextraction,DLLME)[11]等。但是SPE操作过程较为繁琐,而SPME和DLLME萃取容量相对较低。因此发展新的萃取方式对于OUFs的检测具有重要的实际应用价值。磁固相萃取(magnetic solid-phase extraction,MSPE)由于操作简便、萃取速度快、有机溶剂用量少等优点,受到人们的广泛关注[12-15]。

聚离子液体(PIL)由离子液体聚合而成,因此兼具聚合物和离子液体的优良性质,如热稳定性、化学稳定性及离子导电性强等,目前已成为理想的萃取介质[16,17]。本实验室在前期研究中以1-烯丙基-3-甲基咪唑双三氟黄酰亚胺盐为单体,制备了一种新型聚离子液体功能化磁性材料(Fe3O4@PIL),由于其表面具有丰富的活性官能团,如咪唑基团、苯环和烷基等,因而该吸附剂展现了多重作用力机制,可实现对极性化合物的有效萃取[18]。基于OUFs的检测现状及MSPE的诸多优点,本研究将自制的Fe3O4@PIL在MSPE模式下,用于萃取环境水样中6种有机紫外防晒剂,并与高效液相色谱-二极管阵列检测器(HPLC-DAD)联用,建立了检测环境水样中痕量OUFs的高灵敏检测方法。

1 实验部分

1.1 仪器、试剂与材料

1260高效液相色谱仪(美国Agilent公司),配备四元泵、二极管阵列检测器;RE3725i手动进样器(美国Rheodyne公司),配备20 μL定量环;Thermo C18色谱柱(250 mm×4.6 mm,5 μm)。

异丙醇、乙腈和甲醇(色谱纯)均购自美国Tedia公司;超纯水取自Milli-Q制水机(美国Millipore公司)。标准品:2,2′,4,4′-四羟基二苯甲酮(2,2,4,4-tetrahydroxy benzophenol,BP-2,纯度>95%)、2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮(2-hydroxy-4-methoxy-benzophenon,BP-3,纯度>99%)、4-甲基苯亚甲基樟脑(3-(4′-methyl benzylidene)camphor,4-MBC,纯度98%)、对甲氧基肉桂酸-2-乙基己酯(octyl 4-methoxycinnamate,OMC,纯度98.5%)、二甲氨基苯酸辛酯(2-ethylhexyl 4-dimethylaminobenzoate,EDP,纯度98.4%)、水杨酸辛酯(octyl salicylate,OS,纯度98.6%)等均购自上海安谱实验科技股份有限公司。环境水样分别采自漳州九龙江、厦门芙蓉湖和茂林湖。磁性材料Fe3O4@PIL由本课题组自制,其详细的合成可参考文献[18],该材料粒径在35 nm左右,饱和磁化强度为33.7 emu/g。Fe3O4@PIL的结构见图1。

图1 Fe3O4@PIL磁性粒子的结构式Fig.1 Structural formula of Fe3O4@PILPIL:polymeric ionic liquid.

1.2 标准溶液配制

分别称取6种有机紫外防晒剂标准品各10.0 mg,用10 mL甲醇溶解,制得质量浓度为1 000 mg/L的单标准储备液;再分别取1 mL单标准储备液,用甲醇稀释为100 mg/L的混合标准使用液,于4 ℃保存备用。

1.3 萃取过程

将20 mg Fe3O4@PIL磁性粒子置于100 mL离心管中,用1.0 mL甲醇和1.0 mL超纯水活化后,加入50 mL样品溶液,在室温下以200 r/min的速率振荡12.0 min,待吸附完全后,借助外置磁铁将粒子与样品溶液分离。然后加入500 μL解吸溶剂乙醇,以170 r/min的速率振荡1.0 min,所得的解吸液经0.22 μm尼龙滤头过滤后,取20 μL直接进行HPLC-DAD检测。Fe3O4@PIL磁性粒子则用甲醇和超纯水洗涤后供下次使用。

1.4 色谱条件

色谱柱:Thermo C18柱(250 mm×4.6 mm,5 μm);柱温:25 ℃;流动相:A为0.1%(v/v)甲酸水,B为乙腈;流速:1.0 mL/min。梯度洗脱程序:0～5.0 min,10%B～70%B;5.0～10.0 min,70%B～90%B;10.0～18.0 min,90%B;18.0～20.0 min,90%B～10%B;20.0 ～25.0 min,10%B。进样体积:20 μL;检测波长:311 nm。

2 结果与讨论

2.1 萃取条件的优化

2.1.1解吸溶剂

实验首先考察了甲醇、乙醇和乙腈3种不同溶剂的解吸效果(见图2a)。结果显示,乙醇和乙腈的解吸效果较为接近且优于甲醇,考虑到乙醇较乙腈更为低毒、环保,因此选择乙醇作为解吸溶剂。

本实验考察乙醇-1%(v/v)甲酸水的体积比对萃取效果的影响。图2b为乙醇的体积分数对解吸效果的影响,除BP-2 (几乎不受影响)外,其他目标物的解吸效果随乙醇体积分数的降低出现了不同程度的减弱。因此,在后续实验中选择纯乙醇作为解吸溶剂。

图2 (a)不同解吸溶剂和(b)解吸溶剂中乙醇的体积分数对萃取效果的影响(n=3)Fig.2 Effect of(a)different elution solvents and thevolume percentages of ethanol in the desorption solvent on the extraction performance(n=3) BP-2:2,2,4,4-tetrahydroxy benzophenol;BP-3:2-hydroxy-4-methoxy-benzophenon;4-MBC:3-(4′-methyl benzylidene)camphor;OMC:octyl 4-methoxycinnamate;EDP:2-ethylhexyl 4-dimethylaminobenzoate;OS:octyl salicylate. Conditions:amount of Fe3O4@MAIDB,10 mg;adsorption time,10 min;desorption time,5 min;the spiked content:100 μg/L.

图3 吸附时间对萃取效果的影响(n=3)Fig.3 Effect of adsorption time on the extraction performance(n=3) Using 500 μL ethanol as the desorption solvent.The other conditions were the same as those in Fig.2.

2.1.2吸附和解吸附时间

本实验以2.0 min为间隔考察了吸附时间为2.0～14.0 min时对吸附效果的影响(见图3)。结果显示,当吸附时间从2.0 min增至10.0 min时,Fe3O4@PIL磁性粒子对6种紫外防晒剂的吸附效果明显增强;当吸附时间超过10.0 min时,除EDP外,其他物质的吸附效果仍有缓慢上升的趋势。综合考虑灵敏度和所需时间,确定选择12.0 min为最佳吸附时间。

同时对解吸附时间进行了考察,结果表明,解吸附1.0 min足以使目标物解吸完全。

表1 6种有机紫外防晒剂的线性范围、相关系数、检出限、定量限和精密度Table1 Linear ranges,correlation coefficients(R2),LODs,LOQs and precisions of the six organic ultraviolet filters

图4 样品pH值对萃取效果的影响(n=3)Fig.4 Effect of sample pH values on the extraction performance(n=3) Adsorption and desorption time were 12.0 min and 1.0 min,respectively.The other conditions were the same as those in Fig.3.

2.1.3样品pH值

样品pH值可影响目标化合物和Fe3O4@PIL中所含极性官能团的存在形态,从而影响萃取效果。图4为萃取效果在pH为2.0～9.0时目标化合物的变化趋势。结果显示,pH为7.0时吸附效果最佳,原因可能是低pH值时,吸附剂表面的咪唑基团质子化,因此Fe3O4@PIL主要通过π-π作用和疏水作用吸附目标化合物。当pH值升高后,吸附剂的咪唑基团去质子化,这时氢键和偶极-偶极作用也参与萃取,因此萃取效率随之升高。但当样品pH值高于目标物的pKa值时(pKa7.6～8.1),OUFs中的酚羟基解离,目标物呈离子状态而易溶于水;同时,样品溶液中过多的OH-会削弱吸附剂与目标物间氢键和偶极-偶极作用,这两方面因素导致萃取性能的下降。因此,根据实验结果和上述讨论,最佳样品pH值设为7.0。

2.1.4离子强度

本实验还考察了100 mL水样中NaCl的加入量(5～20 g)对萃取效果的影响。由图5可知,NaCl的加入抑制了目标物的吸附,这可能是因为溶液离子强度的增加,使得目标物与溶液间的静电作用力增强,目标物在溶液中的溶解增加从而导致萃取效果的下降。因此后续实验选择不调节样品的离子强度。

图5 离子强度对萃取效果的影响(n=3)Fig.5 Effect of ionic strength on the extraction performance(n=3) The pH value of matrix was set at 7.0.The other conditions were the same as those in Fig.4.

2.2 方法评价

在最佳萃取条件下,以超纯水为基底,配制系列质量浓度为0.2、0.5、1.0、5.0、10.0、50.0、100.0和200.0 μg/L的标准工作液,建立标准工作曲线,对方法的线性范围、检出限(LOD)、定量限(LOQ)等参数进行考察,结果见表1。结果表明,除OS (线性范围为0.5～200.0 μg/L)外,其他有机紫外防晒剂的线性范围为0.2～200.0 μg/L,线性相关性良好,相关系数(R2)均>0.993;LOD(S/N=3)和LOQ(S/N=10)分别为0.0091～0.13 μg/L和0.031～0.43 μg/L;日内、日间重复性良好,相对标准偏差(RSD)均小于10%。

另外,研究对Fe3O4@PIL的制备重复性进行了考察,不同批次制备得到的吸附剂对BP-2、BP-3、4-MBC、OMC、EDP和OS萃取性能的RSD值分别为3.2%、5.6%、1.9%、5.2%、6.3%和3.3%,良好的制备重复性有利于所建方法的推广使用。

2.3 实际样品测定及加标回收率

将本方法应用于九龙江水和两处湖水中目标防晒剂类化合物的检测,测定结果见表2。除BP-2外,其他目标物均有检出,含量为0.25～0.57 μg/L。考察样品加标含量分别为1.0、10.0和100.0 μg/L时的加标回收率,结果显示,目标化合物的加标回收率为71.4%～120%,RSD为0.53%～9.4%。

表2 实际样品中6种有机紫外防晒剂的含量和加标回收率Table2 Contents and recoveries of the six organic ultraviolet filters in real samples

ND:not detected.

图6 经Fe3O4@PIL富集后6种有机紫外防晒剂类的色谱图Fig.6 Chromatograms of the six organic ultraviolet filters treated with Fe3O4@PILa.blank sample;b.spiked sample (100.0 μg/L).

图6为最佳萃取条件下,加标100.0 μg/L的实际水样经Fe3O4@PIL-MSPE富集前后的色谱图。结果表明,经富集后,目标化合物的峰高明显增加,同时富集后没有杂峰干扰。

2.4 与其他方法比较

为了进一步说明方法的特点,将本方法的萃取时间、有机溶剂用量、检出限和加标回收率与其他方法进行比较,结果见表3。与搅拌棒分散微萃取(SBSDμE)[13]和SPME[10,16-19]等前处理方法相比,本方法萃取快速,仅需13 min;与SPE[14]和SPME[9,16,19]方法相比,本方法有机溶剂消耗量少,更符合绿色化学的要求。此外,本方法的检出限低于相同检测器所得的LOD值[2,10,16-20],甚至低于采用SBSDμE-GC/MS时的LOD值[13]。因此本方法适用于环境水样中痕量有机紫外防晒剂类物质的快速高灵敏检测。

表3 本方法与其他方法的比较Table3 Comparison of the present method with other methods

SBSDμE:stir bar sorptive-dispersive microextraction;IT:in-tube;MSPE:magnetic solid-phase extraction;DAD:diode array detection.

3 结论

本研究采用自制的新型功能化磁性材料Fe3O4@PIL萃取环境水样中6种有机紫外防晒剂,并与高效液相色谱联用,建立了检测环境水样中痕量有机紫外防晒剂的MSPE-HPLC/DAD方法,在优化萃取条件下取得了令人满意的结果。研究结果表明，所建方法具有操作简便、萃取速度快、成本低廉、灵敏度高和环境友好等优点,具有较好的应用前景。