王振峰， 王學(xué)東， 鮑秀敏， 李镕基， 黃 金， 高仕謙*

( 1.溫州醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生與管理學(xué)院，浙江溫州 325035;2.蘇州科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇蘇州 215009;3.蘇州科技大學(xué)天平學(xué)院環(huán)境工程系，江蘇蘇州 215009)

加強(qiáng)農(nóng)業(yè)廢料的綜合開發(fā)和資源再生已成為農(nóng)業(yè)的熱點(diǎn)問題[1]。茶籽殼占油茶果實(shí)質(zhì)量的50%～60%，是農(nóng)業(yè)的重要廢料之一，其中木質(zhì)素含量約為42.2%，可與纖維素、半纖維素相互交聯(lián)形成良好的木質(zhì)素-碳水化合物復(fù)合體[2,3]，為制備功能型生物質(zhì)炭提供了必要的物理化學(xué)條件[4]。生物質(zhì)炭孔隙率較高、比表面積大、化學(xué)性能穩(wěn)定，對(duì)環(huán)境介質(zhì)中的金屬和持久性有機(jī)污染物具備良好的吸附/催化性能[5 - 7]。

近年來，水體富營(yíng)養(yǎng)化日益嚴(yán)重，其中藻細(xì)胞死亡后釋放出的單環(huán)七肽化合物微囊藻毒素(Microcystins，MCs)對(duì)生物肝臟造成潛在威脅，人體長(zhǎng)期暴露于低濃度水平時(shí)即存在致癌的風(fēng)險(xiǎn)，高濃度時(shí)可致肝細(xì)胞腫脹，甚至壞死[8]。世界各國(guó)和相關(guān)國(guó)際組織嚴(yán)格制定了飲用水中MCs的限制標(biāo)準(zhǔn)，世界衛(wèi)生組織(WHO)和我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T20466-2006)均對(duì)飲用水中MCs的濃度作了嚴(yán)格的限定，濃度不高于1.0 μg·L-1。由此可見，建立一種MCs的高選擇性富集及精準(zhǔn)分析方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水環(huán)境中MCs的快速檢測(cè)和控制迫在眉睫。

目前處理水體中 MCs 的方法主要有吸附法[9]、化學(xué)氧化劑法[10]和生物降解法[11]等?；钚蕴恳云浔缺砻娣e比較大、經(jīng)濟(jì)、易得等優(yōu)勢(shì)在快速吸附環(huán)境水體中持久性有機(jī)污染物的研究中得到拓展[12]。普通熱源法是炭化活性炭的主要形式，使熱由原料外表面向內(nèi)里滲透，使材料體形成溫度梯度，活化體主要停留在外表面，導(dǎo)致生物炭獲得率比較低。而微波輻射法采用電磁能瞬間“中間心”加熱模式，使其受熱均勻[13]、節(jié)省時(shí)間、能耗低，近來在生物炭等各方面得到廣泛應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)以茶籽殼為原料，H3PO4作為活化劑，F(xiàn)e3O4為磁性添加劑和微波吸收介質(zhì)，采用微波輔助法制備磁性生物質(zhì)活性炭(MBAC)材料，考察了多種因素的影響，用亞甲基藍(lán)吸附值評(píng)價(jià)MBAC中的孔率及微孔率，以獲得較優(yōu)的工藝條件。將該MBAC材料應(yīng)用于水樣中的微囊藻毒素(MC-LR、MC-RR)的富集，并對(duì)影響富集效率的各個(gè)因素進(jìn)行優(yōu)化，以獲得最優(yōu)的富集條件；將該材料應(yīng)用于本市內(nèi)實(shí)際環(huán)境水中微囊藻毒素的富集，考察該磁性納米材料對(duì)未經(jīng)過濾和過濾后的實(shí)際環(huán)境水體中微囊藻毒素的富集效率。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

TSQ Quantum Ultra EMR三重四極桿質(zhì)譜儀和Ultimate 3000超高效液相色譜儀(美國(guó)，Thermo 公司)；UWave-2000多功能微波合成萃取儀(上海新儀微波化學(xué)科技有限公司)；BJ-800A多功能粉碎機(jī)(浙江德清拜杰電器有限公司)。

微囊藻毒素(MC-LR、MC-RR，純度大于95%，美國(guó)Standford Chemicals公司)標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液的質(zhì)量濃度為50.0 mg·L-1。甲醇、乙腈(色譜純，美國(guó)Tedia公司);甲酸(色譜純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司);H3PO4(分析純，西隴化工股份有限公司)；FeCl3·6H2O(分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；無水乙醇(分析純，無錫晶科化工有限公司)。實(shí)驗(yàn)用水為Milli-Q(美國(guó)Millipore公司)超純水。

茶籽殼去塵、洗凈、風(fēng)干后，待用。

1.2 色譜-質(zhì)譜條件

色譜條件：色譜柱為Agilent Eclipse XDB-C18柱(50 mm×3.0 mm，1.8 μm)，柱溫 25 ℃。流動(dòng)相：A為甲醇，B為 0.1%甲酸溶液。梯度洗脫：0～3.0 min，5.0%～95.0%A；3.0～4.5 min，95%～98.0%A；4.5～5.5 min，98.0%～5.0%A。流速:0.4 mL·min-1；進(jìn)樣量：5.0 μL。

質(zhì)譜條件：電噴霧離子源，正離子模式(ESI+)掃描；掃描方式：選擇反應(yīng)監(jiān)測(cè)(SRM)；正極噴霧電壓：3 500 V；負(fù)極噴霧電壓：3 000 V；毛細(xì)管溫度：300 ℃；鞘氣壓力：35 MPa；輔助氣壓力：15 MPa；碰撞氣壓力：1.5 mTorr。色譜-質(zhì)譜條件如表1所示。

1.3 MBAC的制備

1.3.1 Fe3O4磁性納米粒子的制備準(zhǔn)確稱取6.74 g (0.025 mol) FeCl3·6H2O和14.37 g (0.104 mol) 無水NaAc，溶解于125 mL 的17.931 mol·L-1乙二醇中，超聲30 min得黃色均相透明溶液。將上述溶液轉(zhuǎn)移至高壓反應(yīng)釜內(nèi)，于200 ℃反應(yīng)8 h，緩慢冷卻至室溫。在外加磁場(chǎng)作用下，用超純水和無水乙醇交替清洗三遍，60 ℃真空干燥8 h，得Fe3O4磁性納米粒子，待用。

1.3.2 微波輻射法制備MBAC采用微波方法制備MBAC。潔凈茶籽殼于105 ℃下干燥3 h，研磨、過篩。將50%的H3PO4與150目茶籽殼粉末以5∶1(V/m)比例混合，于105 ℃下活化24 h。將已活化生物質(zhì)炭與Fe3O4磁性粒子按5∶2的質(zhì)量比混合均勻，于N2保護(hù)下，500 W微波碳化40 min，得到初產(chǎn)物。用0.1 mol·L-1HCl浸泡去除灰分，用超純水洗至中性，105 ℃ 真空干燥12 h，取出，研磨得MBAC。

1.4 磁性固相萃取過程

1.4.1 MBAC吸附亞甲基藍(lán)移取5 mg·L-1的亞甲基藍(lán)溶液10.0 mL于離心管中，投加 5.0 mg MBAC，磁力攪拌20 min 使MBAC充分吸附亞甲基藍(lán)，而后進(jìn)行磁性分離。取上清液經(jīng)0.22 μm有機(jī)濾膜過濾，濾液于662 nm波長(zhǎng)處進(jìn)行測(cè)定。根據(jù)亞甲基藍(lán)標(biāo)準(zhǔn)曲線：y=0.1719x+0.0024，計(jì)算MBAC對(duì)亞甲基藍(lán)的去除效率。

1.4.2 MBAC吸附微囊藻毒素取100 mL水樣于錐形瓶中，用冰HAc調(diào)節(jié)pH到4.0，稱取10.0 mg MBAC加入到上述水樣中，高速磁力攪拌20 min。棄去上清液，外加磁場(chǎng)回收MBAC。以1.0 mL甲醇(8%氨水)渦旋洗脫1.5 min，收集洗脫液。上述洗脫過程重復(fù)3次，合并洗脫液，N2吹揮至近干。用初始流動(dòng)相復(fù)溶至1.0 mL，用0.22 μm有機(jī)濾膜過濾，濾液經(jīng)超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法(UHPLC-MS/MS)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 材料制備條件的優(yōu)化

2.1.1 茶籽殼粉末粒徑茶籽殼粒徑是影響MBAC吸附性能的因素之一。如圖1，隨著茶籽殼粉末從60目增加到150目，MBAC對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附效率呈上升趨勢(shì)。這是因?yàn)椴枳褮し勰┝６葴p小，比表面積增大，H3PO4與茶籽殼粉末的接觸面積增大，可形成更多的微孔或中孔，增強(qiáng)MBAC吸附能力。繼續(xù)增大到200目，MBAC吸附效率基本恒定。實(shí)驗(yàn)確定茶籽殼粉末目數(shù)為150目。

2.1.2 H3PO4體積分?jǐn)?shù)實(shí)驗(yàn)對(duì)H3PO4的體積分?jǐn)?shù)和與生物質(zhì)炭的浸漬比進(jìn)行考察，如圖2(a)和2(b)所示。H3PO4體積分?jǐn)?shù)增大到50%，MBAC的吸附效率不斷上升，繼續(xù)增加體積分?jǐn)?shù)，吸附效率呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)镠3PO4體積分?jǐn)?shù)較小時(shí)，劑量不充足，對(duì)造孔作用有限，致使MBAC孔隙率降低；隨著H3PO4體積分?jǐn)?shù)的增加，促進(jìn)MBAC微孔及中孔的快速形成；H3PO4體積分?jǐn)?shù)過高時(shí)，過量的H3PO4可能會(huì)使微孔和中孔進(jìn)一步擴(kuò)大，導(dǎo)致MBAC吸附性能下降。本實(shí)驗(yàn)最佳H3PO4體積分?jǐn)?shù)選為50%。

50%H3PO4與MBAC按體積(mL)/質(zhì)量(g)比進(jìn)行混合，考察浸漬比對(duì)吸附效率的影響。50%H3PO4與MBAC浸漬比增大到5∶1(V/m)時(shí)，MBAC的吸附效率隨之增加，這是因?yàn)榻n比增大，H3PO4量增大，與茶籽殼粉末充分作用，有利于孔隙的形成，使MBAC的吸附性能增強(qiáng)。隨著浸漬比的繼續(xù)增加，MBAC的吸附效率下降。因此本實(shí)驗(yàn)選擇最佳浸漬比為5∶1。

2.1.3 Fe3O4投加量在微波場(chǎng)中碳含量的增加，可使相對(duì)介電常數(shù)增加，即介電實(shí)部ε′更小，虛部ε″更大[14]，電磁波的阻抗匹配增大，電磁波進(jìn)入材料內(nèi)部的可能性增加，進(jìn)而提高微波利用率。Fe3O4是良好的微波吸收介質(zhì)，在微波場(chǎng)中，減小磁導(dǎo)率實(shí)部μ′，增大虛部μ″[15]，可提高微波利用率，增加碳化率。經(jīng)H3PO4活化后的MBAC表面帶有O=P-OH鍵，F(xiàn)e3O4表面帶有羥基，兩者可通過配位體交換自組裝結(jié)合，并且在微波場(chǎng)作用下帶電的Fe3O4與H3PO4之間存在弱電吸附作用。如圖3所示，F(xiàn)e3O4投加量2.0 g時(shí)吸附效率最高，繼續(xù)增加用量，MBAC的吸附性能反而下降。實(shí)驗(yàn)選用2.0 g為Fe3O4最佳投加量。

2.1.4 微波功率實(shí)驗(yàn)考察不同微波功率對(duì)MBAC碳化率的影響，如圖4所示。當(dāng)微波功率從 300 W 增加到500 W，MBAC的吸附效率不斷增加，這是因?yàn)槲⒉üβ实脑黾樱拧?，μ′和μ″均有所降低，頻散特性較好，偏磷酸等磷酸衍生物與木質(zhì)素各單元形成一定的孔隙，但在較低溫度時(shí)形成的孔隙較寬；當(dāng)微波功率處于500 W附近時(shí)，中孔繼續(xù)形成的同時(shí)部分開始收縮形成微孔，進(jìn)而使比表面積增大；但是過高的溫度使中孔和微孔均發(fā)生收縮現(xiàn)象，同時(shí)可能出現(xiàn)芳香環(huán)的過度聚合，致使孔體積和比表面積均出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。本實(shí)驗(yàn)最佳微波功率為 500 W。

圖4 微波功率對(duì)MBAC吸附效率的影響

2.2 材料的表征

采用掃描電鏡-能譜(SEM-EDS)和透射電鏡(TEM)對(duì)MBAC的表面形貌進(jìn)行表征。H3PO4活化后的茶籽殼粉末組織比較致密，表面比較光滑(圖5(a))。而經(jīng)碳化后的MBAC表觀形態(tài)發(fā)生改變，空隙量增加 (圖5(b))。在磁性改性過程中，F(xiàn)e3O4與生物質(zhì)炭表面的強(qiáng)結(jié)合是通過Fe3O4與被處理材料表面之間的范德華力、靜電引力和疏水相互作用而實(shí)現(xiàn)。由圖5(c -d) SEM-EDS所示，C、O、P 和 Fe元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為17.3%、40.3%、14.0%和28.4%。圖5(e)TEM圖顯示，可觀察到明顯的Fe3O4磁核，在外加磁場(chǎng)的條件下，MBAC可以有效地與基質(zhì)分離。MBAC的BET/BJH測(cè)試如圖5(f)所示，比表面積約為222.9 m2·g-1，平均孔徑大小約為2.4 nm，孔容約為0.083 cm3·g-1。

圖5 經(jīng)H3PO4活化的茶籽殼(a)和微波碳化的MBAC(b)的掃描電鏡(SEM)圖、SEM-EDS (c -d)、TEM (e) 和BET/BJH圖(f)

MBAC的紅外光譜表征如圖6所示。3 419.23 cm-1是-OH 的特征吸收峰，3 101.63 cm-1為烯烴中的 C-H 的伸縮振動(dòng)引起的吸收峰，2 924.78 cm-1和 1 229.62 cm-1為 CH3和-CH 的特征吸收峰，1 269.65～1 121.28 cm-1和1 180 cm-1處的峰可以歸因于磷酸鹽或多聚磷酸鹽的P-OOH和P-O基團(tuán)的氫鍵伸縮振動(dòng)，以及P-O-C(芳香)鍵上的O-C伸縮振動(dòng)。970.64 cm-1為 C=O 伸縮振動(dòng)引起的吸收峰，735.13 cm-1處的波段表明芳香環(huán)中存在 C-H 彎曲，547.76 cm-1為 Fe-O 伸縮振動(dòng)引起的吸收峰。說明MBAC納米材料含有C、H、O、P 和 Fe等元素。

圖6 MBAC的紅外光譜圖

2.3 磁性固相萃取條件優(yōu)化

2.3.1 MBAC的用量實(shí)驗(yàn)探究MBAC的投加量為5.0～25.0 mg時(shí)對(duì)MC-RR和MC-LR萃取效率的影響，如圖7(a)所示。當(dāng)MBAC用量從 5.0 mg 增加到 10.0 mg時(shí)，對(duì)MCs的萃取效率也隨之增大，當(dāng)投加量為 10.0 mg時(shí)，對(duì)于MC-RR和MC-LR的富集效果達(dá)到較優(yōu)值。當(dāng)MBAC投加量繼續(xù)增大時(shí)，MCs的萃取效率略有降低。因此選擇10.0 mg的MBAC作為固相萃取吸附劑用量。

2.3.2 水樣pH和離子強(qiáng)度溶液的pH直接影響吸附劑與吸附質(zhì)之間的表面電荷分布[16]。探究pH在2.0～8.0范圍內(nèi)MBAC對(duì)MCs萃取率的影響。如圖7(b)所示，隨著pH從2.0增大到4.0，MC-LR和MC-RR的回收率都在上升，當(dāng)pH為4.0時(shí)，MBAC對(duì)MCs的富集效果最好；而后隨著pH 的繼續(xù)增大，溶液從酸性變?yōu)橹行灾笞優(yōu)閴A性，MBAC表面正電荷密度逐漸降低，靜電作用減弱，導(dǎo)致其對(duì)MCs的萃取效率會(huì)逐漸降低。因此選擇4.0為最佳pH。

圖7 MBAC用量(a)和pH (b)對(duì)萃取效率的影響

探究離子強(qiáng)度對(duì)MCs 萃取效率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，水樣的離子強(qiáng)度對(duì)MC-LR 和MC-RR 的萃取回收率的影響可忽略不計(jì)，即離子強(qiáng)度對(duì)實(shí)驗(yàn)影響不大，所以在接下來的實(shí)驗(yàn)選擇不添加NaCl。

2.3.3 萃取時(shí)間探究不同萃取時(shí)間(5、10、20、30 、40 min)對(duì)MCs萃取效率的影響。由圖8所示，隨著萃取時(shí)間從5 min 增加到20 min，MCs 的回收率總體上在不斷增大；在20 min 時(shí)，MC-LR 和MC-RR的回收率都處于最大值，此時(shí)MBAC與MCs之間達(dá)到吸附平衡；隨著萃取吸附時(shí)間的繼續(xù)增加，MCs 的回收率基本保持恒定。因此，固相萃取吸附時(shí)間選為20 min。

圖8 萃取時(shí)間對(duì)萃取效率的影響

2.3.4 洗脫劑種類考察了不同洗脫溶劑甲醇、乙腈、丙酮和不同百分比氨水作添加劑的甲醇對(duì)MCs洗脫效果的影響，結(jié)果如圖9所示。丙酮并不能有效地將MCs從MBAC表面洗脫下來，洗脫效果較差；而甲醇和乙腈相比，甲醇的洗脫效果更好；當(dāng)甲醇中添加一定比例的氨水后，發(fā)現(xiàn)洗脫效果明顯增強(qiáng)，MC-RR和MC-LR的回收率都達(dá)到最高。因此選擇甲醇作為洗脫劑，其中氨水添加比例為8.0%。

圖9 洗脫劑種類對(duì)回收效率的影響

2.3.5 洗脫劑體積實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)洗脫劑體積分別為 0.5 mL×3、 1.0 mL×3、1.5 mL×3 和 2.0 mL×3，探究洗脫劑體積對(duì)MCs回收率的影響。研究表明1.5 mL的洗脫劑由于量太少，并不能充分洗脫MBAC表面吸附的MCs；當(dāng)增加到3.0 mL，由于洗脫劑的體積充分，洗脫效果增強(qiáng)，所以回收率明顯增大，MC-RR的回收率最高。綜合考慮，本實(shí)驗(yàn)的洗脫劑體積為1.0 mL，平行洗脫3次，每次1.0 min。

2.4 方法評(píng)估

配制系列混合標(biāo)準(zhǔn)溶液(1.0、2.0、4.0、6.0和10.0 μg·L-1)，在最佳萃取條件下進(jìn)行富集，在確定的色譜-質(zhì)譜條件下測(cè)定，建立色譜峰面積(y)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度(x,μg·L-1)的線性關(guān)系，結(jié)果見表2。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在 1.0～10.0 μg·L-1范圍內(nèi)，MC-LR的濃度與色譜峰面積呈現(xiàn)良好的線性，檢出限(LOD)為0.073 μg·L-1，相關(guān)系數(shù)為0.9953；在 0.1～10.0 μg·L-1范圍內(nèi)，MC-RR的濃度與色譜峰面積線性關(guān)系良好，LOD為0.016 μg·L-1，相關(guān)系數(shù)為 0.9904。

表2 微囊藻毒素的線性方程

2.5 實(shí)際水樣的測(cè)定

以某市3條內(nèi)河水體為研究對(duì)象，于6～9月份期間每周采集一次水樣，采用該方法對(duì)實(shí)際環(huán)境水體中的MCs進(jìn)行濃度評(píng)估。研究結(jié)果表明，實(shí)際水體中MC-RR的濃度范圍為51.2～56.6 ng·L-1，MC-LR未檢出。

表3 某市6～9月份實(shí)際環(huán)境水樣中微囊藻毒素的平均濃度

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)選擇富含高比例木質(zhì)素的農(nóng)業(yè)廢料茶籽殼為碳源，以Fe3O4作為賦磁劑和微波吸收介質(zhì)，采用微波輻射技術(shù)制備磁性茶籽殼基磁性生物質(zhì)活性炭。采用磁性固相萃取法實(shí)現(xiàn)對(duì)水樣中的微囊藻毒素進(jìn)行富集，并以超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法對(duì)其進(jìn)行定量測(cè)定。該方法的檢出限低于世界衛(wèi)生組織(WHO)的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。制備該磁性納米材料具有節(jié)約時(shí)間、原料經(jīng)濟(jì)、富集過程簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)。