分层多孔生物炭/纤维素气凝胶涂覆搅拌棒吸附萃取用于罐装食品中痕量双酚的快速测定

《Food Chemistry: X》：Hierarchically porous biochar/cellulose aerogel based stir-bar sorptive extraction for rapid determination of trace bisphenols in canned food samples

　　

搅拌棒通过以纤维素气凝胶（CA）作为载体和粘合剂将生物炭涂覆于磁性核上制备而成。该搅拌棒适用于搅拌棒吸附萃取（SBSE），因为大孔CA网络为分析物提供了可及的传输通道。此外，生物炭和CA的原料均为天然物质，且制备过程不涉及有机溶剂。该搅拌棒被应用于罐装食品中双酚的萃取。研究人员对萃取参数进行了研究，实验室自制的搅拌棒在萃取速度和容量方面优于商用搅拌棒。与超高效液相色谱-串联质谱（UPLC-MS/MS）联用后，所建立的方法可支持食品安全监测。据研究人员所知，这是生物炭/CA在SBSE中的首次应用，为SBSE引入了一种绿色涂层粘合剂。这种快速（萃取时间：8分钟）、灵敏（液态和固态食品的检出限（LOD）分别为1.0–3.5 ng/L和11–44 ng/kg）且低溶剂消耗（SBSE中有机溶剂体积为1 mL）的SBSE方法为样品前处理提供了一种创新性替代方案。

论文解读：基于生物炭/纤维素气凝胶搅拌棒吸附萃取测定罐装食品中痕量双酚的研究

一、研究背景与问题

罐装食品因便携性和长保质期在全球范围内广泛消费。为防止食品与金属罐直接接触，罐内表面通常涂覆环氧树脂。在环氧树脂的制造过程中，双酚类化合物（BPs）被引入以增强其强度和稳定性。然而，涂层中残留的BPs可缓慢迁移至食品中。BPs已被报道为一类内分泌干扰化学物，会影响人体激素系统。鉴于公共卫生关切，美国食品药品监督管理局（FDA）和欧洲委员会食品科学委员会已设定了BPs的每日耐受摄入量。因此，迫切需要准确的分析方法用于评估人群的BPs暴露水平。由于BPs在食品中呈痕量水平且食品基质复杂，高效的前处理方案必不可少。在众多前处理方法中，柱固相萃取（column SPE）被公认为金标准，但吸附剂紧密填充于SPE柱底部，堵塞现象不可忽视，限制了加载速率。为克服该问题，分散固相萃取（d-SPE）、磁固相萃取（MSPE）和搅拌棒吸附萃取（SBSE）等新型模式被提出。其中，SBSE中吸附剂涂覆于磁性核表面，借助磁力搅拌器即可实现快速自搅拌萃取，且整体式搅拌棒比粉末吸附剂更易回收，减少了繁琐的人工操作。然而，无论何种SPE模式，吸附剂均占据核心地位。近年来，多种新型吸附剂被应用于SPE领域，其中生物炭具有环境友好、来源广泛、比表面积高等独特优势，但生物炭在SBSE中的应用鲜有报道。因此，研究人员旨在探索生物炭在SBSE中的应用。实现该萃取技术的关键步骤是将生物炭成功固定在磁性核上。通常，磁性棒、铁棒和内置铁棒的中空纤维膜被用作磁性核，其中多孔中空纤维膜能提供更多吸附剂负载位点。传统上，有机聚合物如聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚乙烯醇和聚氨酯常被用作粘合剂，但其生产和应用过程中需要大量有机溶剂。随着绿色化学原则的发展，天然聚合物如纤维素受到日益关注。纤维素既可作为粘合剂，又具有良好的可塑性，可加工成多种形状。与致密的纤维素膜和微球相比，纤维素水凝胶和气凝胶因互连的大孔结构通常提供更多负载位点，但水凝胶在搅拌和重复操作中易溶胀变形。因此，研究人员选择纤维素气凝胶（CA）作为生物炭涂层的载体和粘合剂。

二、研究内容与结论

研究人员以家禽养殖产生的鸡粪废弃物为原料制备生物炭，将其作为SBSE的主要吸附剂，并以CA作为载体和粘合剂将生物炭负载于磁性核（内置铁棒的中空纤维膜）上，制备了生物炭/CA涂覆的搅拌棒。该制备过程不使用有机溶剂，CA的大孔网络为分析物提供传输通道。将所建立的SBSE方法与超高效液相色谱-串联质谱（UPLC-MS/MS）联用，应用于罐装食品中痕量BPs的测定。结果表明，该方法快速（萃取时间8分钟）、灵敏（液态食品LOD为1.0–3.5 ng/L，固态食品LOD为11–44 ng/kg），且有机溶剂消耗少（SBSE步骤仅1 mL），直接支持食品安全监测和监管需求。据研究人员所知，这是生物炭作为SBSE吸附剂以及大孔CA作为SBSE粘合剂的首次应用。该方法为样品前处理提供了一种创新性替代方案。

三、主要关键技术方法

研究人员采用了以下主要技术方法：（1）鸡粪生物炭的制备：将鸡粪在管式炉中于N₂气氛下600°C热解4小时，经HCl处理去除矿物残留；（2）纤维素水凝胶的制备：以脱脂棉为原料，采用NaOH/尿素溶液在低温下溶解纤维素，加入N,N′-亚甲基双丙烯酰胺交联形成水凝胶；（3）生物炭/CA涂覆搅拌棒的制备：将生物炭与液化纤维素水凝胶混合，注入含磁性核的模具中，经冷冻干燥成型；（4）SBSE萃取与UPLC-MS/MS分析：搅拌棒在样品溶液中自搅拌萃取8分钟，乙腈超声洗脱后进行UPLC-MS/MS检测。样本队列来源为当地市场（中国枣庄）购买的罐装液体样品（石榴汁、可乐、绿茶）和固体样品（鱼、猪肉、奶粉），每种类型收集六个品牌。所有液体样品经PVDF滤膜过滤；固体样品经甲醇提取后过滤并稀释。

四、研究结果

1. 生物炭、CA和生物炭/CA的表征

扫描电子显微镜（SEM）显示生物炭呈不规则形貌且表面有明显沟槽，CA呈现具有可区分网络的大孔结构，负载生物炭后CA的大孔结构保持完好，表面变得粗糙且生物炭颗粒清晰可见。X射线衍射（XRD）结果表明生物炭在约25°处出现宽衍射峰，对应石墨烯的（002）晶面，表明鸡粪部分碳化形成类石墨域；CA呈无定形结构；生物炭/CA复合物在25°处出现宽峰，证实生物炭成功整合。N₂吸附-脱附分析显示生物炭既含微孔又含中孔，CA富含大中孔和大孔。生物炭的比表面积（SSA）为432.5 m²/g，CA为5.4 m²/g，复合物理论SSA为310.3 m²/g，实测为103.5 m²/g，表明部分孔隙被CA堵塞。Zeta电位分析表明生物炭等电点为pH 3.3。

2. SBSE程序优化

以萃取回收率为指标，考察了生物炭负载量、样品溶液pH值、萃取时间、洗脱剂种类和体积。结果表明：与纯CA相比，负载生物炭后六种BPs的萃取回收率显著提高，说明生物炭是主要萃取组分；负载量从5 mg增至10 mg时回收率快速上升，继续增至15 mg时无显著增强，因此选择10 mg。pH值在1–7范围内五种BPs（BPA、BPE、BPF、BPZ、BPAF）回收率保持高水平，pH 9–13时急剧下降；BPS因pKa值低2个单位而趋势不同；综合考虑选择pH 5。萃取时间从4 min延长至8 min回收率明显增加，之后趋于平稳，故采用8 min。三种洗脱剂中乙腈洗脱效果最佳，体积优化为1000 μL。

3. 商用与自制搅拌棒吸附性能比较

以BPA为模型分析物，比较商用PDMS搅拌棒与自制生物炭/CA搅拌棒的吸附性能。结果显示自制搅拌棒达到吸附平衡的时间（20 min）短于商用PDMS搅拌棒（40 min），且单位质量涂层的吸附容量明显更高，证明自制搅拌棒在萃取速度和容量方面优于商用搅拌棒。

4. 搅拌棒重复使用性

在最佳条件下进行五次连续吸附-解吸循环，萃取回收率保持相对稳定，表明搅拌棒具有良好的重复使用前景。

5. 方法验证

所有程序空白均未检出BPs，证明无背景干扰。基质匹配校准曲线线性良好（r>0.99）。液态样品LOD为1.0–3.5 ng/L，LOQ为3.0–29 ng/L；固态样品LOD为11–44 ng/kg，LOQ为53–384 ng/kg。加标样品的重复性RSD（n=5）为1.6%–5.2%。真实样品加标回收率为71.1%–110.3%，RSD低于7.7%。基质效应为71.4%–107.2%（RSD≤7.9%），表明部分复杂基质存在信号抑制，因此采用基质匹配校准曲线进行定量。

6. 真实样品分析

应用所建方法分析罐装液体和固体样品（室温储存0–3个月）。液体样品中，仅石榴汁3检出BPAF（149 ng/L），多数样品检出BPA，浓度范围为14–371 ng/L。固体样品中，大多数样品检出BPA，浓度范围为101–1315 ng/kg。对储存9–12个月的样品分析表明，三种罐装食品中BPA浓度随储存时间延长明显增加，因此确定保质期时应考虑BPs含量变化。

7. 方法比较

与文献报道的柱SPE、MSPE和d-SPE方法相比，本方法的样品加载体积与萃取时间之比为6.3 mL/min，与多数d-SPE和MSPE相当，且整体式搅拌棒易分离，避免了离心或材料转移的繁琐步骤。同时，本方法吸附剂用量仅14 mg，有机溶剂消耗仅1 mL，LOD更低（液态1.0–3.5 ng/L，固态12–44 ng/kg），灵敏度更高。

8. 吸附机理

（1）相互作用力：在优化pH 5.0下，生物炭表面带负电（等电点3.3），而BPs（pKa 7.42–9.84）主要以分子形式存在，静电吸引非主导作用。XRD显示生物炭含石墨域，与BPs苯环间的π-π堆积作用贡献吸附。BPAF（含氟原子）和BPS（含磺酰基）因强吸电子基团降低苯环电子云密度，π-π作用减弱，导致其萃取回收率低于其他分析物。此外，生物炭碳化过程中产生的羟基和羧基可与BPs的酚羟基形成氢键。（2）孔结构：生物炭富含中孔，六种BPs分子尺寸均小于1 nm，尺寸相容性有利于BP分子进入内部孔位，促进吸附。

五、讨论与结论

讨论部分总结：CA作为传统有机粘合剂的替代品，被证明是SBSE的理想粘合剂。一方面，大孔CA网络为分析物提供可及的传输通道；另一方面，搅拌棒涂层采用无溶剂制备路线，消除了制备过程中的有机溶剂使用。此外，SBSE过程本身相比传统SPE技术显著减少了有机溶剂消耗（解吸仅需1 mL溶剂）。结合UPLC-MS/MS，该方法成功应用于罐装食品中BPs的分析。

研究结论翻译：总之，所建立的方法快速、灵敏，同时显著减少了SBSE中的有机溶剂消耗，为样品前处理提供了一种创新方法。