柚子皮制备磁性生物炭的表征及其对水中氯胺酮的检测

马 双，游嘉德，巫端浩，江茉莉，周 琴，曹淑瑞*

（1．重庆化工职业学院 环境与质量检测学院，重庆 401228；2．西南政法大学 司法鉴定中心，重庆 401120；3．长江师范学院 现代农业与生物工程学院，重庆 408100）

氯胺酮（Ketamine）俗称K粉，是苯环己哌啶的衍生物，为唯一具有镇痛作用的静脉全麻药，临床上主要用于全麻的诱导和维持、小儿麻醉及镇痛［1-2］。氯胺酮可导致幻觉、妄想、身心分离等精神分裂症样表现，造成认知功能损伤，长期滥用可产生与精神分裂症相似的精神障碍［3-4］。有研究发现，在中国台湾、香港及深圳等地，氯胺酮广泛存在于污水中，且浓度较高［5-8］。Khan等［6］在北京的污水处理厂中也发现了氯胺酮的存在，但浓度较低。氯胺酮在地表水中也曾被检出，浓度一般为几纳克到几百纳克每升［9-10］，可对人体健康造成威胁。

目前，常见的氯胺酮的提取方法有液-液萃取［11］、固相萃取［12］、液相微萃取［13］、固相微萃取［14］等传统方法，以及磁性固相萃取［15］等新兴技术。磁性固相萃取的原理是将磁性吸附剂分散于样品提取液中与目标物成分接触，通过分子扩散使目标物快速从提取液转移至吸附剂中，然后用强磁铁吸附磁性吸附剂，弃去提取液后再将目标物从吸附剂上洗脱下来［16］。该方法原材料方便易得、磁性强、可重复利用，萃取操作简单，避免了过滤、离心等繁琐操作［17］。Fe3O4磁性纳米粒子是目前应用最为广泛的磁性纳米材料，然而单一的Fe3O4磁性纳米粒子在水中的稳定性较差，容易团聚，导致其表面积减小，吸附性能降低。生物炭是一种新型的环保富碳材料，其成本低、环保且具有可再生和再利用的可能性［18-19］，同时因具有比表面积大、孔隙率发达、表面官能团丰富等特点，常被用于吸附水体中的重金属杂质，但其在水溶液介质中难以分离，需要进行改性。对生物炭进行赋磁改性可以增加其吸附量，便于回收利用［20］。柚子皮内表面含有大量的孔隙和纤维素，是优质生物炭的重要生物质来源，同时水果废弃物价廉易得，为后续柚子皮等水果废弃物的减量化、无害化和资源化利用提供了基础条件［21-22］。

本文以柚子皮为生物质原料，嫁接Fe3O4磁性纳米粒子制备磁性生物炭（MBC）复合材料，结合超高效液相色谱-串联质谱（UPLC-MS/MS）建立了一种准确、快速、简便检测水中氯胺酮的方法。方法具有分析时间短、分离能力强、定性分析结果可靠、检出限低的优点。同时，该法成本较低、原料简单易得、绿色环保，利于推广使用。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

API4000Qtrap超高效液相色谱串联质谱仪（美国ABSciex公司），ZeissGenimi500场发射扫描电镜（德国Zeiss公司），NicoletIS10傅里叶变换红外光谱仪（美国Thermo Fisher Scientific公司），RenishawinVia拉曼光谱仪（英国Renishaw公司），LakeShore7404振动样品磁强计（美国LakeShore公司），ME-204分析天平（梅特勒-托利多国际贸易（上海）有限公司），Milli-Q超纯水系统（美国Millipore公司）。

氯胺酮标准品（C13H16ClNO，纯度＞99．0%）由CFW Laboratories，Inc．（美国纽瓦克）提供；甲醇、甲酸（色谱纯，霍尼韦尔（中国）有限公司）；乙酸铵（分析纯，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；乙腈（色谱纯，成都市科隆化学品有限公司）。实验所用其它化学品均为分析级，无需进一步纯化。柚子购自中国重庆。

1.2 磁性生物炭的制备

柚子皮切成小块，用超纯水洗涤除去杂质，于80℃下干燥48 h。将干燥的柚子皮块研磨成细粉后浸入8 mol/L KOH溶液（质量比1∶1）中30 min。将1．8 g FeCl2·4H2O和4．0 g FeCl3·6H2O放入装有机械搅拌器的三口烧瓶中，在通氮气条件下，加入60 mL超纯水，加热至60℃并保持30 min。然后，向混合反应体系中加入20 mL 28%NH3·H2O，搅拌40 min，制备得到Fe3O4。将所得产物通过外部磁场从反应介质中分离，并用乙醇和超纯水反复洗涤，直至滤液达到恒定的pH值。最后，将磁性产物在60℃真空烘箱中干燥。

将Fe3O4和10．0 g KOH活化柚子皮粉末浸入100 mL纯水中，室温下搅拌12 h，沉淀物经外部磁铁分离并在60℃真空下干燥。随后将混合物放入管式炉慢速热解（氮气保护下的加热速率为5℃/min），并于600℃下连续热解2 h，使其热解完全。冷却至室温后，将热解产物浸入1 mol/L HCl中去除碱等杂质，用乙醇和超纯水反复洗涤，直至滤液pH值为中性，干燥，研磨并储存于干燥器中。

1.3 色谱-质谱条件

1.3.1 色谱条件色 谱 柱：美 国Waters ACQUITY UHPLC®BEH C18（100 mm×2．1 mm内 径，1．7 μm），柱温：40℃。流动相A为2 mmol/L乙酸铵水溶液（含0．1%甲酸），流动相B为乙腈。梯度洗脱程序：0~1 min，10%B；1~3．5 min，10%~90%B；3．5~5 min，90%B；5~5．5 min，90%~10%B。进样量为5 μL，流速为0．3 mL·min-1。

1.3.2 质谱条件电喷雾离子源，正离子模式（ESI+）用于质谱检测，多反应监测模式（MRM）用于监测分析物。碰撞室入口电压为10．0 V，离子源温度为550℃，气幕气压、雾化气压和辅助气压分别为0．21、0．34、0．34 MPa。氯胺酮的最佳质谱参数为：保留时间1．26 min，母离子为m/z237．8，定量和定性子离子分别为m/z124．8和219．8，去簇电压（DP）分别为25、20 V，碰撞能（CE）分别为24、14 V。在最佳条件下，可获得尖锐，较为对称的色谱峰形。

1.4 样品处理

将水样过滤后量取100 mL，加入适量吸附剂充分振荡，然后利用外磁场将吸附剂与水样分离，最后以解吸溶剂洗脱吸附剂上的氯胺酮。解吸溶液经0．22 μm微孔滤膜过滤后，应用超高效液相色谱串联质谱仪检测，计算回收率。

2 结果与讨论

2.1 磁性生物炭的表征分析

2.1.1 扫描电镜分析由图1A可知Fe3O4纳米粒子呈近似球形。磁性生物炭的扫描电镜图（图1B）显示，磁性生物炭表面缺陷较多，具有粗糙的三维立体结构，有利于增大生物炭的总比表面积。在50 000倍放大倍数下可以清晰观察到Fe3O4纳米粒子成功附着在生物炭表面（图1C），证明磁性生物炭成功合成。

图1 Fe3O4（A）和MBC（B~C）的扫描电镜图Fig．1 SEM images of Fe3O4（A）and MBC（B-C）B．1 200×，C．50 000×

2.1.2 振动样品磁强计表征MBC在常温条件下的磁滞回线呈光滑的S形（图2），磁场强度达到一定值后，呈饱和磁化状态，磁化强度不随磁场强度的增大而变化，磁性生物炭的饱和磁化强度值为24．22 emu/g。当磁场强度减小到0时，磁化强度并不为0；继续增加反向磁场，铁磁材料达到反向饱和磁化状态，说明其具有良好的磁响应性，在外部磁场下，可与样品溶液有效分离。

图2 磁性生物炭的磁滞回线Fig．2 Hysteresis loop of magnetic biochar

2.2 单因素实验优化

为了实现磁性生物炭对样品的高效吸附，对吸附剂用量、吸附时间、溶液pH值进行了优化。

2.2.1 吸附剂用量吸附剂用量是吸附过程中需要考虑的主要因素。通过测定萃取回收率对不同用量（1~9 mg）的磁性生物炭材料进行考察。由于MBC提供了丰富的活性吸附位点，萃取回收率随着磁性生物炭量的增加而增加。当吸附剂用量为7 mg时，活性位点饱和，氯胺酮的萃取回收率最高；进一步增加MBC用量，氯胺酮的回收率反而下降。故选择7 mg为最佳吸附剂用量。

2.2.2 吸附时间要达到良好的萃取效果需要充分的吸附时间，考察了振荡时间为10~60 min时磁性生物炭的吸附效率。实验结果显示，初始阶段回收率随时间延长缓慢增加，随着越来越多的吸附位点被占据，在50 min时吸附剂与被分析物之间达到吸附平衡，萃取效率不再随时间的增加而变化。因此，选择50 min为最佳吸附时间。

2.2.3 溶液pH值由于溶液的pH值对分析物的存在形式（解离或非解离）和吸附剂表面的电荷密度有较大影响，因此溶液的pH值在吸附过程中对萃取效率起着关键作用。氯胺酮pKa值为7．5，磁性生物炭的零点电荷为8．9。通过氢氧化钠溶液和盐酸溶液调节溶液pH值考察了pH 2．0~12．0条件下氯胺酮的回收率（图3），结果显示，pH 9．0时吸附性能最佳，此时磁性生物炭表面带正电，氯胺酮呈解离状态，表面带负电，两者间以静电吸附为主要作用力，吸附量大，回收率高。

图3 溶液pH值对氯胺酮回收率的影响Fig．3 Effect of solution pH value on ketamine recovery

2.3 Box-Behnken设计实验

在预实验和单因素优化实验过程中发现MBC对氯胺酮具有很好的吸附性，吸附后的样品中未检出氯胺酮。解吸实验发现甲醇-甲酸（95∶5，体积比）对氯胺酮有较高的回收率。因此，基于甲醇-甲酸混合溶液的Box-Behnken设计实验对解吸条件进一步优化，以解吸溶剂甲酸占甲醇的比例（A，%）、解吸体积（B，mL）、解吸时间（C，min）为连续变化的自变量，以氯胺酮的回收率为考察指标（响应值），在置信度为95%（α=0．05）条件下，设置三因素三水平的设计实验。吸附条件：氯胺酮 为10 μg·L-1，在25℃恒 温振荡器中以155 r·min-1进行振荡。所有实验均进行3个平行，对照实验在不添加吸附剂的条件下同时进行。表1详细列出了设计矩阵和阶乘水平，根据表1设置三因素三水平17次随机实验（表2）。

表1 响应面优化实验表Table 1 Response surface optimization experiment

2.3.1 方差分析根据表2结果，对实验数据进行拟合，建立回归模型，得到残差分析线性方程为Y=95．49-1．32A+1．78B+1．90C-0．39AB+6．62AC+2．57BC-3．81A2-5．01B2-10．31C2。方程中的正号表示参数之间的协同作用，负号表示拮抗作用。

表2 三因子Box-Behnken实验设计（n=3）Table 2 Box-Behnken experiment design with three independent variables（n=3）

对实验结果分别进行方差分析（ANOVA），通过F检验和P值评估模型的显著性和适用性。方差分析结果如表3所示，该模型F值（15．31）大于临界值F0．05（2，14）=3．739，P值小于0．01，表明差异极显著，模型能够准确预测变异量，建模成功。失拟项P值为0．675 6，差异不显著，表明本研究所得方程与实际实验拟合中的非正常误差所占比例较小，可以用该回归方程取代实验中的真实点对结果进行分析。

表3 方差分析结果Table 3 Results of variance analysis

（续表3）

2.3.2 各因素交互作用分析根据回归分析结果绘制解吸溶剂甲酸比例、解吸体积、解吸时间三因素对氯胺酮回收率影响的响应面图及等高线图（图4）。

图4 交互作用对氯胺酮回收率的响应面图及等高线图Fig．4 The response surface plots and contour maps of the interaction on the recovery of ketamine

由图可看出，甲酸比例与解吸体积、甲酸比例与解吸时间、解吸体积与解吸时间的响应面图均呈凸形曲面。图4A曲面较缓，表明甲酸比例与解吸体积的交互作用相对不明显；图4B、4C响应面图曲面较陡且等高线图呈椭圆形，表明甲酸比例和解吸时间交互作用相对明显，而解吸体积和解吸时间交互作用最明显，与方差分析表一致。通过统计软件Design-Expert对模型进行优化和求解，得到水中氯胺酮的最佳检测条件为：解吸剂（V甲酸∶V甲醇=5∶95）、解吸剂体积5．6 mL、解吸时间53 min。

2.4 检出限与定量下限

在最优条件下对所建立的方法进行评估，并分别以信噪比（S/N）约为3和10计算检出限（LOD）和定量下限（LOQ）。在1~100 μg·L-1线性范围内，氯胺酮的峰面积（Y）与质量浓度（X）呈良好的线性关系Y=35．3X，相关系数（r）为0．999 7，LOD和LOQ分别为0．263 μg·L-1和0．878 μg·L-1。

2.5 实际样品分析

采用所建立的方法测定3种不同水样（自来水、矿泉水、纯净水）中氯胺酮的含量，结果均未检出。自来水样品中氯胺酮的加标（10 μg·L-1）色谱图如图5所示。向3种阴性水样中分别添加1、10、20、50 μg·L-14个水平的氯胺酮标准溶液，在最佳条件下考察方法的回收率和相对标准偏差（RSD），样品回收率结果见表4。氯胺酮在3种样品中的回收率为84．0%~99．9%，其日内和日间RSD分别为0．40%~3．4%和0．25%~1．9%。表明该方法具有良好的准确性和精密度，可用于水中氯胺酮含量的检测。

图5 自来水样品加标（10 μg·L-1）色谱图Fig．5 Chromatogram of a spiked（10 μg·L-1）tap water sample

表4 样品加标回收率及相对标准偏差Table 4 The recoveries and relative standard deviations of actual samples

3 结论

本实验以磁性生物炭为吸附剂萃取水中的氯胺酮，并结合超高效液相色谱-质谱进行测定。优化的条件为：磁性生物炭材料用量为7 mg、吸附时间50 min、溶液pH值9．0、解吸剂（V甲酸∶V甲醇=5∶95）、解吸剂体积5．6 mL、解吸时间53 min。结果表明，所建立的方法具有良好的重复性和准确度，方法简便、快速、准确，满足实际检测要求，适用于水中氯胺酮的检测，为我国质检部门在食品监管、打击饮用水中非法添加物和禁毒方面的工作提供了技术参考。