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1 第 40 卷 分析化学 (FENXI HUAXUE) 研究 第期 2012 年月 Chinese Journal of Analytical Chemistry ~ DOI: /SP.J 双酚 A 分子印迹聚合物为萃取介质搅拌饼固相萃取的制备及其萃取性能研究 林福华黄晓佳 * 袁东星农舒予 ( 厦门大学近海海洋环境国家重点实验室, 环境科学研究中心, 厦门 ) 摘要以双酚 A 为模板,4- 乙烯基吡啶为单体, 利用整体材料 原位 聚合技术制备分子印迹聚合物为基质的萃取饼, 并与利用一次性注射器空管加工而成的萃取器相结合, 建立了分子印迹搅拌饼固相萃取 (MIP- SCSE) 技术 考察了制备条件对 MIP-SCSE 选择吸附性能的影响 在此基础上, 与高效液相色谱 - 二极管阵列检测器联用, 探讨 MIP-SCSE 对环境水样中双酚 A 及其它酚类物质的选择萃取性能, 考察萃取过程中基底离子强度 ph 值以及吸附与解吸时间等萃取条件对萃取性能的影响 结果表明 ; 在最佳萃取条件下,MIP-SCSE 对模板分子及其它酚类物质具有一定选择性能和较高的富集能力, 对双酚 A 的线性范围为 1.0~200 mg/l; 检出限 LOD(S/N=3) 为 0.67 mg/l; 定量限 LOQ(S/N=10) 为 2.24 mg/l 在实际水样分析中, 模板分子加标回收率为 86.2% ~112.2% 在 MIP-SCSE 使用过程中, 萃取饼不与容器壁接触, 因此具有优良的使用寿命, 至少可连续使用 600 h 关键词 分子印迹聚合物 ; 搅拌饼固相萃取 ; 双酚 A; 高效液相色谱 1 引言 分子印迹聚合物 (MIP) 是一种三维网状聚合物, 兼备生物识别体系和化学识别体系的优点, 具有选 择性高 稳定性好 机械强度高 制备简单等优点, 可选择性识别复杂样品中的目标物, 因此被广泛应用 于样品前处理过程中 [1,2] 目前, 利用 MIP 做吸附剂的萃取技术包括固相萃取 (SPE) [3,4] 固相微萃取 (SPME) [5,6] 管内固相微萃取 (ITSPME) [7] 和搅拌棒固相萃取 (SBSE) [8,9] 等 这些萃取技术均存在不足之 处, 如 SPE 操作较为繁琐, 且需一定的有机溶剂 ;SPME 和 ITSPME 所含吸附剂量较少而导致低的萃取 容量 ;SBSE 虽具有操作简便 高吸附容量和环境友好的特点, 但在搅拌吸附过程中, 其涂层不断与容器 壁进行摩擦, 导致涂层开裂, 影响使用寿命 因此, 发展高选择性 操作简易 富集容量高和环境友好的 样品前处理技术具有重要意义 本研究组曾根据整体材料的 原位 合成技术, 制备基于聚 ( 乙烯基咪唑 - 乙烯基苯 ) 整体材料的萃取 饼, 并与利用一次性注射器管加工而成的萃取器结合, 建立了搅拌饼吸附萃取技术 (Stir cake sorptive extraction, SCSE) [10] 与其它萃取方法相比,SCSE 具有操作简便 灵活 富集能力高 使用寿命长和环境 友好等特点 为了进一步证明 SCSE 的适用性, 同时为环境水样中双酚 A 提供一种简便有效的萃取方 法, 本研究以具有环境内分泌干扰效应的双酚 A 为模板分子, 制备 MIP 整体材料, 并将其作为 SCSE 的 吸附剂, 与液相色谱 / 二极管阵列检测器 (HPLC/DAD) 联用, 建立了测定环境水样中双酚 A 及其它酚类 物质的 MIP-SCSE-HPLC/DAD 分析体系 2 实验部分 2.1 仪器与试剂 高效液相色谱仪, 配 LC-20AB 泵,CBA-20A 控制器,SPD-M20A DAD 检测器 ( 日本 Shimadzu 公 司 );7725i 进样阀 ( 美国 Rheodyne 公司 ); 定量阀 :20 ml 双酚 A(BPA,99% ) 4- 乙烯基吡啶 (4-VP,99% ) 和乙二醇二甲基丙烯酸酯 (EDMA,97% ), 购自日本 收稿 ; 接受本文系国家自然科学基金 (No ) 福建省自然科学基金 (No. 2010J01047) 和厦门大学本科生基础创新科研基金 (No.CXB ) 资助 * hxj@ xmu.edu.cn

2 分析化学 第 40 卷 TCI 公司 ; 乙腈 (ACN) 和甲醇 ( 色谱纯,Tedia 公司 ); 苯酚 (99% ) 和对硝基苯酚 (p-np,98% ) 购自上海试剂厂 ; 氯酚 (2-CP,98% ) 和 2,4- 二甲基苯酚 (2,4-DMP,98% ) 均购自 Alfa Aesar 公司 其它试剂均为分析纯 ; 实验用水均为 Milli-Q 水 ( 美国 Millipore 公司 ) 2.2 标准溶液的配制分别称取各标准样品 10.0 mg, 以甲醇溶解并定容于 10 ml 棕色瓶中, 配制成 1000 mg/l 的单标储备液 取各单标储备液 1 ml, 配制成 100 mg/l 混合标准储备液, 置于 4 的冰箱中保存 使用时, 用水稀释至所需浓度 实际水样分别为实验室自来水 某品牌矿泉水以及厦门大学附近海域的海水 使用前经 0.45 mm 滤膜过滤 2.3 色谱条件色谱分离柱 :Phenomenex LC-18 column ( 250 mm 4.6 mm i.d, 5 mm); 流动相 : 水 (A)- 乙腈 (B), 梯度洗脱程序 :0~10 min,30% B;10~ 12 min,70% B;12~ 15 min,30% B; 流速 :0.7 ml/min; 检测波长 : 271 nm; 进样体积 :20 ml 2.4 MIP-SCSE 的制备将适量 BPA 和 4- 乙烯基吡啶溶于致孔剂 ( 正丙醇 -1,4- 丁二醇 (3 2,V/V) 混合溶液 ) 中, 按比例加入乙二醇二甲基丙烯酸酯和 10 mg AIBN( 具体的比例见表 1) 将该溶液超声 10 min, 通氮气除氧 5 min, 将 0.4 ml 反应溶液倒入一端封闭 内径为 15 mm 针筒 ( 对应 10 ml 一次性注射器 ) 内, 密封后垂直置于烘箱中,60 恒温聚合反应 24 h 聚合反应完成后, 将聚合物从针筒中推出, 即可得厚度为 3 mm, 直径为 15 mm 的 MIP 萃取饼, 用甲醇 -10% 乙酸 (9 1,V/V) 混合液浸泡至无 BPA 检出 利用 10 ml 注射筒加工而成的搅拌萃取器如图 1A 所示, 其高度为 6 mm( 具体的制备方法可参考文献 [10]), 将 MIP 萃取饼小心嵌入萃取器的一端, 即可得 MIP-SCSE 装置 ( 图 1B) 空白分子印迹聚合物 (NIP) 萃取饼的合成除了不加入模板分子 BPA 外, 其余步骤与 MIP 相同 2.5 实验方法在室温条件下, 准确量取 100 ml 加标水样于 250 ml 烧杯中, 放入 SCSE, 以 200 r/min 的速度进行搅拌萃取 萃取完成后, 取出 SCSE, 置于 3.0 ml 解吸溶液中, 以同样搅拌速度进行解吸一定时间, 解吸液直接进行色谱分析 图 1 搅拌饼底座的结构示意图 3 结果与讨论 Fig.1 Structure diagram of the stir bar 3.1 MIP-SCSE 的制备与电镜表征为了获得 MIP-SBSE 的最佳制备条件, 以 BPA 和 p-np 为目标物质, 考察了模板分子用量 单体 / 交联剂比例及致孔剂用量对 MIP 的吸附性能的影响 ( 表 1) 由表 1 可见,MIP 的吸附性能受模板分子和致孔剂用量及单体 / 交联剂比例影响, 当 BPA 在总的反应液质量百分比为 5.5%,4- 乙烯基吡啶在单体混合液中质量百分比为 10%, 单体混合液与致孔剂质量比为 3 7 时 ( 搅拌棒 6),MIP-SBSE 具有最佳的选择吸附性能 因此, 搅拌棒 6 的制备条件用于后续研究 图 2 为 MIP 模板分子洗脱前后的扫描电镜图 (SEM) 由图 2 可见, 在模板分子未洗脱前 ( 图 2A), 聚合物粒间致密, 孔径细小 ; 模板分子洗脱后, 孔径有所增大 ( 图 2B), 因此有利于吸附和解析过程 3.2 MIP-SCSE 对 BPA 萃取条件的优化实验以苯酚 (P) 对硝基苯酚 (p-np) 双酚 A(BPA) 和 2,4- 二甲酚 (2, 4-DMP) 为目标物质, 考察 MIP-SCSE 对 BPA 的选择萃取性能 考察了水样基底的离子强度 ph 值 吸附和解吸时间等因素对 MIP-SCSE 吸附性能影响

3 第期林福华等 : 双酚 A 分子印迹聚合物为萃取介质搅拌饼固相萃取的制备及其萃取性能研究 表 1 不同制备条件的 MIP-SCSE 对 BPA 和 p-np 的萃取性能 Table 1 Extraction performance of different MIP-stir cake sorptive extraction (SCSE) for bisphenol A(BPA) and p-nitrophenol (p-np) 分子印迹搅拌棒 MIP-SBSE 双酚 A a BPA (%, w/w) 单体混合物 b Monomer mixture 4-VP (%, w/w) EDMA (%, w/w) 聚合反应液混合物 Polymerization mixture 单体混合物 Monomer mixture (%,w/w) 致孔剂 Porogen solvent (%,w/w) 峰面积 Peak area ( 10 4 ) a: 占总的聚合反应液重量百分数 (Weight fraction of the total polymerization mixture);b: 单体混合液的重量百分数 (Weight fraction in monomer mixture) 4-VP:4-Vinylpyridine; EDMA: Ethylene glycol dimethacrylate. BPA p-np 图 2 模板分子洗脱前 (A) 后 (B) 的扫描电镜图 ( 放大 倍 ) Fig.2 SEM of MIP before (A) and after (B) the removal of template ( magnification) [11,12] 离子强度的影响根据文献及本课题组已有的研究基础, 离子强度对萃取效率有较大影响 本实验通过添加不同量的 NaCl 改变基底的离子强度, 添加量分别为 0, 5%, 10%, 15%, 20% 和 25%, 考察离子强度对萃取效果的影响 从图 3a 可见, 随着离子强度的增加,MIP-SCSE 对 BPA 的吸附量有所增大, 但不是非常明显, 在 15% 时达到最大值 ; 而对于其它 3 种分离物质, 其吸附效果随着离子强度的增加而明显上升 上述变化可能是因为 BPA 为模板分子,MIP-SCSE 对其主要通过特异性吸附进行萃取, 因此离子强度影响较小 ; 而对于 P,p-NP 和 2,4-DMP, 虽然可通过氢键作用与 MIP-SCSE 产生特异性吸附, 但仍存在一定的非特异性吸附作用 因此, 增加离子强度产生的盐析作用可提高其吸附效果 考虑到研究的主要目标物质为 BPA, 因此选择添加 15% NaCl, 改变基底的离子强度 ph 值的影响在其它实验参数固定条件下, 样品基底 ph 值从 2.0 增加到 11.0, 其对萃取结果的影响如图 4 所示 对模板分子 BPA 而言,pH 值从 2.0 增加到 9.0 时, 吸附量没有明显变化, 当 ph 值继续增加时, 吸附性能显著下降 而对于 p-np 和 2,4-DMP, 当样品 ph> 7 时,MIP-SCSE 对其吸附量减少 ; 当 ph<9 时, 吸附量则急剧下降 ; 对于 P, 当样品 ph>7 时,MIP-SCSE 对其吸附性能明显降低 上述变化主要是由于 MIP 中的印迹空穴可通过氢键作用实现对模板分子 BPA 有效作用, 因此 MIP-SCSE 对 BPA 的吸附受 ph 值的影响较小 ; 但当 ph 值高于 BPA 的 pka 时 (9.4),BPA 中的 OH 基团解离, 打断了其与印迹空穴中的氢键作用, 因此吸附量逐渐下降 ;MIP-SCSE 对其它 3 种酚类化合物, 虽然印迹空穴也与它们产生氢键作用力, 但主要作用为它们与涂层间的疏水作用 因此在较高 ph 值时, 酚类化合物逐渐解离, 它们与涂层的疏水性作用力下降, 导致萃取量的减少 本实验中 ph=9

4 分析化学 第 40 卷 吸附和解吸时间的影响 吸附时间对 MIP- SCSE 的吸附性能有较大影响 分别考察 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5 和 3.0 h 的吸附时间对 4 种酚类物质的萃取效果, 结果表明, 在 2.0 h 时,MIP-SCSE 对所有目标物质可达到最佳吸附 ; 以含 0.5% (V/V) 乙酸 - 乙腈为解吸溶剂, 分别考察 10, 20, 30, 40, 60 和 120 min 的解析时间 实验表明, 解吸 60 min 时, 目标化合物可以从 MIP-SCSE 上被完全解吸, 说明以整体材料制备的 SBSE 涂层具有高的通透性和较快的传质作用 根据实验结果, 吸附和解吸时间分别确定为 2.0 h 和 1.0 h 图 3 离子强度对萃取效率的影响 综上,MIP-SCSE 对 BPA 的最佳选择萃取条件为 : Fig.3 Effect of ionic strength on extraction efficiency 样品基底 ph=9, 离子强度为 15% (w/v), 吸附 2.0 h, 含 0.5% (V/V) 乙酸 - 乙腈为解吸溶剂, 解吸 1.0 h 实验条件 : 吸附和解吸时间均为 2.0 h, 未调节样品的 ph 值, 4 种目标化合物的添加浓度均为 100 mg/l 3.3 萃取选择性能评价在最佳萃取条件下,MIP-SCSE 和 NIP-SCSE 对 Conditions: The extraction and desorption time were 2.0 and 2.0 h, respectively; the ph value in the matrix was not changed. The spiked concentration of each analyte was 100 mg/l. P: Phenol; 2,4-4 种酚类 苯 (Benzene) 和甲苯 (Toluene) 萃取效果见 DMP: 2,4-Dimethylphenol. 图 5 MIP-SCSE 对 4 种酚类物质吸附性能均明显高 于 NIP-SCSE, 显示较强的选择吸附性能 ;MIP-SCSE 对 P,p-NP, BPA 和 2,4-DMP 的选择因子分别为 1.52, 1.73, 1.41 和 1.42; 而对于苯和甲苯, 其在 MIP-SCSE 和 NIP-SCSE 上的吸附则没有明显差异 研究表明, MIP-SCSE 可通过氢键作用实现对酚类物质的选择性萃取, 而对于无法形成氢键的苯和甲苯, 主要通过 疏水作用被吸附, 因此 MIP-SCSE 和 NIP-SCSE 对其吸附性能没有明显差异 图 4 样品基底 ph 值对萃取效率的影响 Fig.4 Effect of ph value of sample on extraction efficiency 实验条件 : 吸附和解吸时间均为 2.0 h, 用 15% NaCl 调样品的离子强度,4 种目标化合物的添加浓度均为 100 mg/l Conditions: The extraction and desorption time were 2.0 and 2.0 h, respectively; 15% NaCl was added in the matrix. The spiked coṉ centration of each analyte was 100 mg/l. 图 5 印迹聚合物和非印迹聚合物对 4 种酚类物质 苯和甲苯的萃取效果比较 Fig.5 Comparison results of four phenols, benzene and toḻ uene extracted with MIP-SCSE and NIP-SCSE 每种化合物的加标浓度为 200 mg/l(the spiked concentration for each compound was 200 mg/l) 3.4 使用寿命考察在 SBSE 萃取模式中, 涂层不断与容器底部进行接触, 因此产生机械磨损, 严重影响涂层使用寿命, 一般情况下, 涂层可使用 80~200 h 而对于 SCSE, 萃取饼在搅拌吸附过程中未与容器壁接触, 无机械磨损问题 图 6 为 MIP-SCSE 的使用寿命考察结果,MIP-SCSE 在连续使用 600 h 过程中, 对 4 种酚类物质的萃取效果未明显改变, 具有非常理想的使用寿命

5 第期林福华等 : 双酚 A 分子印迹聚合物为萃取介质搅拌饼固相萃取的制备及其萃取性能研究 图 6 MIP-SCSE 的使用寿命考察 Fig 标准工作曲线和检出限 Stability study of MIP-SCSE 1: 苯酚 (P);2: 对硝基酚 (p-np);3: 双酚 A(BPA);4:2,4- 二甲基苯酚 (2,4-DMP) 用标准储备液配制不同浓度梯度的 BPA 标准溶液 (1.0, 5.0, 10.0, 20.0, 50.0 和 mg/l), 在最佳的 萃取条件下, 按 2.4 节所述方法, 考察方法的线性相关系数 检出限和线性范围 本方法对 BPA 测定的线性范围为 1.0~ 200 mg/l, 具有良好的线性关系 (R 2 = ); 检出限 LOD (S/N=3) 和定量限 LOQ(S/N=10) 分别为 0.67 和 2.24 mg/l 本方法具有良好的重现性, 日间 RSD 为 4.6% (n=3) 3.6 对实际水样的测定 将 MIP-SBSE 与 HPLC-DAD 联用, 用于 3 个实 际水样中 BPA 的测定 ( 表 2),3 个水样中均未检出 BPA 实际样品复杂的基底常干扰萃取, 通过测定 实际水样不同加标量的回收率, 考察本方法用于实 际水样中 BPA 测定的可行性 表 2 数据表明, 本 方法具有理想的回收率, 其值在 86.2% ~112.2% 之 间,RSD<8% 同时考察了 MIP-SCSE 对苯酚 2- 氯酚和 2,4- 二甲酚的实际水样不同加标量 (10 和 100 mg/l) 的回收率, 其值在 65.7% ~105.3% 之间 实验结果表明, 所建立的 MIP-SCSE-HPLC/ DAD 方法可灵敏测定实际水样中的 BPA 具有操 作简便 灵敏度高 重现性好 优良的使用寿命和环 境友好等优点 表 2 3 种水样的空白及加标回收率 Table 2 Results of determination and recoveries of real water samples spiked with BPA 水样 Water sample 自来水 Tap water 矿泉水 Mineral water 海水 Sea water 加标量 Spiked (mg/l) ND: 检出 (Not detected) 测定值 Found (mg/l) 0.0 ND 回收率 Recovery (% ±RSD,n=3) ± ± ND ± ± ND ± ±3.2 References 1 HUANG JiaṉXiang,HU Yu-Fei,PAN Jai-Liang,XU Zhi-Gang,LIGong-Ke.ChineseSci.B,2009,39(8): 733~746 黄健祥, 胡玉斐, 潘加亮, 许志刚, 李攻科. 中国科学 B 辑,2009,39(8):733~746 2 WANG YaṉHong,HUOJia-Ping,ZHANG Hong,WANGShi-Cheng,SIShi-Hui,LIN Gui-Feng,LIGuo-Chen,LIU Wei.ChineseJ.Anal.Chem.( 分析化学 ),2010,38(5):678~682 王颜红, 霍佳平, 张红, 王世成, 司士辉, 林桂凤, 李国琛, 刘伟. 分析化学,2010,38(5):678~682 3 QinL,HeX,LiW,ZhangY.J.Chromatogr.A,2008,1187(1-2):94~102 4 Zhou W H,GuoXC,ZhaoH Q,WuSX,YangH H,WangXR.Talanta,2011,84(3):777~782 5 QiuLJ,Liu W,Huang M,ZhangL.J.Chromatogr.A,2010,1217(48):7461~ HeJA,LvR H,ZhanHJ,WangH Z,ChengJ,LuK,WangFC.Anal.Chim.Acta,2010,674(1):53~58

6 分析化学 第 40 卷 7 ZhangS W,XingJ,CaiLS,WuCY.Anal.Bioanal.Chem.,2009,395(2):479~486 8 ZhuXL,CaiJB,YangJ,SuQ D,GaoY.J.Chromatogr.A,2006,1131(1-2):37~44 9 LINFu-Hua,HUANG Xiao-Jia,YUAN Dong-Xing,LIUBao-Min.ChineseJ.Chromatogr,2010,28(5):507~512 林福华, 黄晓佳, 袁东星, 刘宝敏. 色谱,2010,28(5):507~ HuangXJ,ChenLL,LinF H,YuanDX.J.Sep.Sci.,2011,34(16-17):2145~ HuangXJ,LinJB,YuanDX,HuRZ.J.Chromatogr.A,2009,1216(16):3508~ HuangXJ,QinN N,YuanDX.J.Sep.Sci.,2009,32(9):1407~1414 PreparationofStirCakeSorptiveExtractionBasedonBisphenol AImprintedPolymerandItsExtractionPerformance ( 萃取饼翻译不佳, 请核实确认 ) LINFu-Hua,HUANG Xiao-Jia *,YUAN Dong-Xing,NONGShu-Yu (StateKeyLaboratoryof MarineEnvironmentalScience,EnvironmentalScienceResearchCenter, XiamenUniversity,Xiamen361005) Abstract Anewstircakesorptiveextraction(SCSE)basedonmolecularlyimprintedpolymer(MIP) withbisphenola (BPA)astemplatewasprepared.Theefectofpreparationconditionsontheextractionperformanceof MIP-SCSE wasstudied.then,a methodologycombinedthestirbarsorptive extractionandliquiddesorption,folowed by high performanceliquidchromatography with diode arraydetectionforthedirectanalysisoftracesofbisphenola (BPA)in waterwasdeveloped.to achievetheoptimumextractionperformance,severalmainparameters,includingph valueandcoṉ tentsofinorganicsaltinthesamplematrix,extractionanddesorptiontime,wereinvestigated.under theoptimizedexperimentalconditions,themethodshowedgoodlinearitybetween1-200 mg/lfor BPA.Thedetectionlimit(S/N=3)andquantificationlimit(S/N=10)oftheproposed methodfor BPA was0.67and2.24 mg/l,respectively.therecoveriesofspikedtargetcompoundinrealsamples rangedfrom86.2%-112.2%.themip-scseshowsexcelentlongevityandcanbeused morethan 600h. Keywords Stircakesorptiveextraction (SCSE);Molecularlyimprintedpolymer;Highperformance liquidchromatography/diodearraydetector(hplc/dad);bisphenola (Received2June2011;accepted8September2011)

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