磁性纳米吸附剂萃取多环芳烃的磁固相萃取

1、TalantaFeO离子液体甲基橙纳米粒子作为一种新型纳米3 4吸附剂应用于环境水样中多环芳烃的次固相萃取摘要：一种新型纳米吸附剂，Fe O 离子液体甲基橙纳米粒子（Fe O ILMO NPs） ，3 4*3 4被应用于环境水样中多环芳炷的磁固相萃取。Fe3O4ILMO NPs是通过离子液体、漠化 1-十八基-3-甲基咪唑和甲基橙在Fe3O4硅土磁性纳米颗粒表面合成的，是通过红外光谱、紫 外-可见光谱和超导量子磁强计接口设备确认的。Fe3O4ILMO NPs作为一种纳米吸附剂 的萃取性能是通过5种多环芳炷作为分析样本评价的，包括须FLu）、蒽（AnT）、芘（Pyr）、 苯并a蒽（BaA）、苯并

2、a芘（BaP）。在最佳条件下，通过HPLC-FLD得到的检出限范围在 0.12ng/L。这种方法已经成功地应用于通过MSPE-HPLC-FLD检测环境水样中的PAHs，在 加标实际样品中，这五种PAHs的回收率范围在80.4104%，相对标准偏差为2.34.9%。1.引言固相萃取（SPE）是一种最常用的预处理和预富集技术，用于分析环境和生物样品中的 污染物。然而，传统的SPE技术要求合格样品完全通过墨盒填充吸附剂，接着用有机溶剂 洗脱分析物。这种方法繁琐、耗时、比较昂贵、劳动密集，尤其对于大体积样品。为了解决 这些限制，一种新型SPE技术，称为磁固相萃取（MSPE），基于使用磁性的或磁改性的吸

3、 附剂，被开发并应用于生物分离和化学分析。在MSPE过程中，磁性吸附剂暴露在样品溶 液中来吸附分析物，然后通过外部磁场收集，从而大大简化了 SPE的过程，提高了萃取效 率。因此，最近几年中，在发展各种磁性纳米吸附剂并进一步利用其在MSPE中潜在的应 用潜能方面，人们已经作出了一些努力。例如，蔡群报道使用混合半胶束和十八烷基官能团 的磁性纳米复合材料作为吸附剂作为吸附剂来萃取目标化合物。王等人提出了基于石墨烯的 磁性纳米粒子应用于环境水样中氨基甲酸酯类农药的磁固相萃取。Pardasani等人用多层碳 纳米管一一功能化的MPS作为吸附剂，用于神经毒剂和浑水中分散的固相萃取。尽管已经 取得实质性的进

4、展，然而新的磁性吸附剂的制备方法简单，低价格和高吸附效率仍然是非常 可取的。离子液体（ILs）是一类有机盐，他们具有独特的化学和物理特性，如良好的稳定性、 可调节的水混溶性、高导电性和高热容量。这些吸引人的特性使它们成为有前途的材料，具 有一些分析的用途。特别是，离子液体已被广泛应用于样品的预处理，包括液-液萃取、液 相微萃取和固相微萃取。例如，Pino小组用离子液体漠化1-十六烷基-3-甲基咪唑在微波辅 助液液萃取系统中，分析了沉积物中的PAHs。姚等人研究了离子液体包裹的Fe3O4磁性纳 米粒子作为混合半胶束固相萃取吸附剂，用于环境样品中PAHs的预富集，然而，离子液体 在SPE中的探究尚

5、处于早期阶段。在目前的工作中，我们已经制备了一种新型纳米吸附剂：Fe3O4离子液体甲基橙纳 米粒子进行了自组装。这种新型纳米吸附剂结合了离子液体、甲基橙和磁性纳米粒子的优点， 相比于此前公布的结果，这种基于MSPE的纳米吸附剂提供了轻便、快速和有效的样品处 理方法，使得大体积样品的处理在很短的周期内完成。据我们所知，这是第一个 Fe3O4ILMO纳米吸附剂用于MSPE的例子。实验中的五种PAHs包括芴（FLu）、蒽（AnT）、 芘（Pyr）、苯并a蒽（BaA）、苯并a芘（BaP），它们被选择作为分析样品来评价所制备的 纳米吸附剂的萃取性能，此外，Fe3O4ILMO磁性纳米材料通过HPLC-FL

6、D来测定环境 水样中PAHs的这种用途是已经被证明了的。2实验2.1试剂与材料芴、蒽、芘、苯并a蒽、苯并a芘从Aladdin公司购买，C18minBr离子液体是从中科院 兰州化物所购买，粒子规格为100nm的磁性Fe3O4/SiO2 NPs是从Chemicell GmbH(德国柏林) 购买，甲基橙购自上海试剂厂，HPLC级甲醇和乙腈购自百灵威化工厂，氢氧化钠购自国药 化学试剂厂(中国上海)，其他试剂均为分析级，本实验用水是通过Milli-Q纯化的。Flu、AnT、Pyr、BaA、BaP(1mg/ml)的标准储备液用甲醇配制。该工作溶液是用未使用 的流动相稀释储备液配得。C18minBr(20m

7、g/ml)的储备液用甲醇和水(1:1)制备，每天所用的 工作液用水稀释储备液至所需浓度。MO(4mg/ml)储备液用水配制。2.2合成Fe3O4ILMO纳米吸附剂Fe3O4ILMO纳米吸附剂是通过方案1(A)所示的方法合成。首先，将500uLFe3O4/SiO2 NPs(12mg/ml)和500uLC18minBr离子液体(15mg/m】)加入到离心管中，将混合物超声处理 15min，以确保C18minBr离子液体完全组装到Fe3O4/SiO2纳米粒子上。然后，将甲基橙溶 液加入到混合物中并超声25min，以促进甲基橙通过相互的静电和疏水作用分散到Fe3O4IL纳米粒子材料中。最后，一个强大的

8、磁铁施加到离心管外部，然后，Fe3O4ILMO NPs就从溶液中分离出来。5min后，溶液变得澄清，倒出上清液。2.3表征纳米颗粒的红外光谱用傅里叶变换红外光谱仪记录，波长范围为400-500cm-1,分辨率为 2cm-1，将少量纳米粒子压 入 KBr小球中，纯的 Fe3O4/SiO2 NPs、Fe3O4IL NPs、 Fe3O4ILMO NPs的紫外-可见光谱通过分辨率为0.5nm的TU-1901紫外-可见光谱获得。 磁化强度的测量是在300K时，用一个超导量子磁强计进行的。2.4样品采集所有的环境水样从桂林的不同地区获得。河水样品从丽江取得，废水样(包含90%生 活废水和10%工业废水)由

9、Wulidian污水处理厂提供，所有样品随机收集分析，并通过0.45um 的滤膜滤去悬浮颗粒。MSPE 程序MSPE过程，如方案1(B)所示。首先，将Fe3O4ILMO NPs加入到150mL包含Flu、 AnT、Pyr、BaA、BaP(pH=8.0)的水样中，将混合物置于一个缓慢移动的摇床使其平衡，在 35C放置15min，然后，将一个强磁铁放到烧杯底部，将Fe3O4ILMO NPs从悬浮物中分 离开来。10min后，将悬浮物倒出，将Fe3O4ILMO NPs残余溶液转移到2mL的离心管 中，通过之管壁外放置磁铁，对Fe3O4ILMO NPs再次进行了聚合，使得残余液体能够 通过吸管完全除去

10、。最后，被分离的纳米颗粒和1500uL乙月青(pH=9.0，包含2%的NaOH), 混合超声1min以洗脱预浓缩目标分析物。之后，在离心管外壁放置一块磁铁，上清液用微 量移液管收集起来，将上清液置于温和的N2气流中干燥，将残余物再溶于150uL乙青中， 将其中的20uL注入到HPLC中用于检测目标产物。HPLC 分析HPLC系统用于PAHs的检测，该系统由一个二元的LC-10A TVP泵和一个RF-10AVP FLD检测器，CTO-10A SVP柱温箱和SCL-10AVP系统控制器组成，分析柱为250mm 4.6mm 内径的Diamonsil C18(2)柱，注射环体积为20Ul，流动相由85

11、%A提高到100%A,超过0.5min, 保持9.5min，然后在1min内降低到85%A，保持5min，以平衡色谱柱，流动相流速设定为 1.0mL/min。荧光检测结果如下：Flu(0-7.3min 入ex 270nm 入em 323nm);AnT(7.3-8.3min 入ex 252nm 入em 402nm );Pyr(8.3-10min 入ex270nm 入em 390nm);BaA(10-12min 入ex 270nm 入em 390nm );BaP(12-20min、290nm y 410nm)o 柱温保持在 25C。3结果与讨论3.1表征Fe3O4ILMO纳米吸附剂首先用紫外-可见

12、光检测器研究了离子液体和Fe3O4/SiO2 NPs结合其结果如图S1所示， 未添加离子液体和甲基橙的Fe3O4/SiO2 NPs的紫外-可见光谱在300-600nm无吸收峰（曲线 a），离子液体与Fe3O4/SiO2 NPs经过温育后，在466nm处可观察到一个吸收峰，表明离子液 体成功结合在Fe3O4/SiO2 NPs的表面（曲线b）。曲线c是Fe3O4IL NPs与MO结合后的紫 外-可见光谱，与曲线b相比，在426nm处，MO有一个吸收峰，这个结果表明MO已经结 合到了 Fe3O4IL NPs 表面。ILs和MO结合到Fe3O4/SiO2 NPs表面可通过傅里叶变换光谱进一步检测。图1

13、是 Fe3O4/SiO2 NPs与ILs和MO结合前后的傅里叶变换光谱图。结合前，Si-O-Si信号只在1092 cm-1处出现，与离子液体结合后，在2923 cm-1和2852 cm-1处都有信号，这是由于C-H键 在十八烷基链中伸展。此外，接近1637 cm-1和1647 cm-1处的信号是Fe3O4IL NPs中咪唑 翁盐的典型信号。对于Fe3O4ILMO NPs，其它的典型信号在1611 cm-1处很明显，这是 由于苯基键在1372、1216和1120 cm-1处伸缩振动和磺酸基的不对称伸缩。这表明ILs和 MO在Fe3O4/SiO2 NPs表面成功结合。此外，对Fe3O4/SiO2

14、NPs与ILs和MO结合前后的磁性也进行了研究，如图2，由于没 有迟滞、剩磁和矫顽力，Fe3O4/SiO2 NPs和Fe3O4ILMO NPs都显示出典型的超顺磁性。 Fe3O4/SiO2 NPs 和 Fe3O4ILMO NPs 的饱和磁化强度分别为 57.86 和 48.02emu/g。 Fe3O4ILMO NPs的最大饱和磁化强度的减小是由非磁性的ILs和MO外壳所致。据报道， 16.3emu/g的磁饱和强度对于磁铁的磁力分离是有效的。因此，由于它们的超顺磁性和较高 的饱和磁化强度，制备的Fe3O4ILMO NPs可以轻易地用磁铁从溶液中分离。3.2萃取过程的优化为了提高用Fe3O4ILM

15、O纳米吸附剂萃取PAHs的磁固相萃取的效率，对相关的实 验参数，例如对磁性纳米吸附剂的量、pH值、萃取时间、萃取温度、洗脱剂种类和体积、 洗脱时间、采样量进行了研究。在这些实验中，记录了分析一个包含80ng/L Flu、80ng/L AnT、 150ng/L Pyr、150ng/L BaA和80ng/L BaP的混合溶液的色谱峰面积。实验条件根据三组分析 试用样得到的平均结果进行了优化，每个测试点的相对标准偏差小于5.0%。3.2.1纳米吸附剂量的影响纳米吸附剂的量对PAHs的萃取有重要的影响。为了提高萃取效率，对Fe3O4ILMO NPs的不同的量在5-22ng范围内进行实验，结果如图3，随

16、着Fe3O4ILMO NPs量的增 加，萃取效率提高。当Fe3O4ILMO NPs的量选18mg时，得到了最大萃取效率。根据以 上结果，最佳吸附剂的量为18mg。3.2.2 pH值的影响pH值是萃取过程中的一个很重要的因素，因为它不仅影响MO的存在形式，而且可以 改变Fe3O4ILMO NPs表面的负电荷密度。因此，研究pH值对萃取效率的影响很有必要。 如图4所示，当pH值从5升至8时，萃取效率也提高。进一步升高pH值，Flu和AnT的 萃取效率进一步增加，在pH为10时达到最大。同时，Pyr、BaA、BaP的萃取效率逐渐降 低。考虑到所有分析物的萃取效率，后续实验选择pH为8.0。3.2.3

17、萃取温度的影响温度也影响着萃取的效率。温度高能降低分配系数，升高扩散系数，这有利于分析物 到固相萃取吸附剂的快速过渡。或者，吸附过程是放热的，因此，当温度升高至某个温度时， 分析物可能会从吸附剂中解析出来。为了实现更好的萃取效率，从2560C不同温度对萃取 的影响进行了研究，如图S2所示。当35C时，获得Pyr、BaA和BaP的最高的萃取效率。 然而，Flu和AnT的最大吸附效率分别在40C和50C。考虑到所有检测的5种PAHs的萃取 效率，MSPE选定35C。3.2.4萃取时间的影响为了研究萃取时间对PAHs萃取效率的影响，萃取时间从5-25min进行实验，结果如图 S3所示，随着萃取时间的

18、增加，萃取效率也逐渐升高，而且在15min后几乎保持不变。因 此，最佳萃取时间选择15min。3.2.5洗脱条件的影响研究用不同的有机洗脱液方案，包括甲醇和乙腈，从磁纳米吸附剂中解析分析物，结 果如图5所示，显然，含有2%1M NaOH(pH=9)的乙腈的洗脱能力比甲醇洗脱能力强的多。 因此，pH=9的乙腈选为解析剂。此外，洗脱液体积对分析物解析效率的影响也进行了研究， 我们发现，用1500uLpH=9.0的乙月青漂洗纳米吸附剂，所有分析物都能从吸附剂中定量的解 析下来。因此，从纳米吸附剂中洗脱分析物选择1500uLpH=9.0的乙青。3.2.6样品体积的影响为了用更短的操作时间达到更好的萃取

19、效率和更高的预富集系数，用一系列不同体积 的样品(50-300mL)与固定量的分析物和纳米吸附剂，对样品体积的影响进行了研究，如图 S4所示，若体积超过150mL，获得的量不足。因此，最佳样品体积选择150mL。3.2.7 Fe3O4/SiO2 NPs 重复利用为了研究Fe3O4/SiO2 NPs的回收，在每次MSPE进行后，用2mL乙青将Fe3O4/SiO2 NPs 洗两次，然后和ILs和MO结合起来，每次重新制备纳米吸附剂用于MSPE，实验结果如图 S5,很明显，在10次回收后，吸附能力无明显损失。这些结果表明，自组装对Fe3O4/SiO2 NPs 重复利用的稳定性没有影响。3.3分析性能

20、通过使用MSPE-HPLC-FLD在其线性、检出限以及再现性方面评价了该方法。校准曲 线通过测定包含5种PAHs的溶液获得，其浓度范围为Flu 4-400ng/L,AnT 0.5-400ng/L,Pyr 4-800ng/L,BaA 4-800ng/L,BaP 2-800ng/L。五种 PAHs 的检出限用 IUPAC 法估算得到，结果 如表1所示，显然，线性校准曲线通过相关系数R2)获得，范围从0.9984到0.9999，检出限 范围在 0.1-2ng/L，再现性通过分别含 Flu、AnT、Pyr、BaA、BaP 80、40、80、80、40ng/L 的混合物来研究，进行5次。所有分析物的结果

21、表明，RSDs(n=5)W3.7%。此外，对用于 MSPE-HPLC-FLD对Fe3O4ILMO NPs的选择性也进行了研究。通过分析其它目标物例 如，双酚A、4-叔-辛基苯酚、4-正壬基苯酚、苯胺、联苯胺、2-氯苯酚、2,4-二氯苯酚和2,4,6- 三氯苯酚。结果发现，在HPLC-FLD的选择条件下，其中没有一种能够被检测到。这些结 果表明，MSPE-HPLC-FLD方法用于检测PAHs有很高的选择性。3.4 MSPE方法的富集效果用在标准溶液中，将Fe3O4ILMO纳米吸附剂用于MSPE前后，用HPLC-FLD来检 测五种PAHs的方法来评价富集效果。对已富集和未富集的五种PAHs进行了比

22、较，结果如 表S1所示，富集了的检出限在0.1-2ng/L范围内，未富集的检出限在100-750ng/L范围内， 这些结果表明，MSPE-HPLC-FLD方法的灵敏度被提高了 150-1000倍，这是由于较高的萃 取效率。根据之前公布的结果，高萃取效率源于一个事实，PAHs与Fe3O4ILMO纳米 吸附剂通过pahs与纳米吸附剂的官能团之间的氢键和n-n键相互作用。这些多种相互作 用也是纳米吸附剂萃取PAHs的萃取机理。3.5环境水样分析该方法通过分析环境水样中的PAHs得到了进一步应用。图6示出了典型加标样品萃取 前后的HPLC色谱图。如图6所示，从加标河水样品中萃取PAHs前，在色谱图中没

23、有观察到 峰(曲线a)，这一现象表明，HPLC不能在加标溶液中直接检测Flu、AnT、Pyr、BaA、BaP。 用Fe3O4IL纳米吸附剂从加标河水样品中萃取PAHs后，观察到五个较小的PAHs的峰， 这表明，Fe3O4IL纳米吸附剂对萃取PAHs有弱的萃取能力。然而，用Fe3O4ILMO纳 米吸附剂，可观察到五个PAHs的峰，这些峰的强度比用Fe3O4IL NPs得到的峰强得多(图 6,曲线c)。这个结果表明Fe3O4ILMO纳米吸附剂比Fe3O4IL纳米吸附剂萃取效率高。 在加标水样中，用Fe3O4ILMO纳米吸附剂通过MSPE-HPLC-FLD，得到的Flu、AnT、 Pyr、BaA、B

24、aP的实验结果如表2所示，在加标水样中，所测的五种PAHs的回收率在 81.6-104.0%范围内，RSDs(n=5)在 2.3-4.9%范围内。因此，MSPE-HPLC-FLD 方法被用作 废水中PAHs的测定。图6为废水样和加标准PAHs的废水样的色谱图，样品分析结果总结 在表2中，废水样中Flu、AnT、Pyr、BaA、BaP的回收率在80.4-104.0%范围内，RSDs(n=5) 在2.4-4.9%范围内。这些结果表明，制备的Fe3O4ILMO纳米吸附剂可以用来萃取和分 析实际水样中的PAHs。4结论总之，我们发现了一种新型的纳米吸附剂，Fe3O4ILMO NPs用作环境水样中PAH

25、s 的磁固相萃取。这种磁性纳米吸附剂通过自组装技术获得，条件简单又温和，与传统SPE 相比，基于Fe3O4ILMO NPs作为SPE吸附剂的MSPE很快速，且这种吸附剂可以简单 地从样品溶液中分离出来。此外，这种纳米吸附剂有较大的吸附量和较高的富集指数，可以 在短期时间内处理大体积样品。这种纳米吸附剂表面的MO的苯环和ILs的碳氢链可以为其 它通过n-n键和氢键相互作用的有机污染物提供吸附场所。因此，这种纳米吸附剂在萃取 和分析其它有机污染物方面也有潜在的应用。Fig. 1. FT【R spectra of :时 质口KPs, (b)KPs, and (c) Fe.,酬L剧UD XP5.吨.|

26、LMD NPi Fe304/SiO2 NPsJ5M*Fig. 2. Magneticimooo -100004 -HOOUOf)-WIHJU-判 IMJU卸 IHI IOOOO I5IMM1Magnetic Held (Oe)hysrerE5L5 Loops of rhe FejO-hSlDj KPs and FejO_|LMO KPs.1200000 lunuouii .刷叩如o 600004)-jououo2000004 b K IO 12 U 6 IH 2022AjriouiH of FeOIL(jft：MO NPs .mgFig. 3. Effect of rhe amount of Fe jOqILMO KPs on rhe adsorprion of rhe five PAHs. Extrcrion condirions: sample solurion, 15。eL containing E0 n；L Flu, E0 n；L AnT, 150 n；L P