Abstract

cadru

Introducere

Aspartamul (ASP; N-L-a-aspartil-1-fenilalanina-1-metil ester), un îndulcitor artificial, este utilizat în principal în alimente, băuturi răcoritoare, produse dietetice și fructe conservate pentru a crește calitatea produsului și termenul de valabilitate [1]. Există câțiva martori care susțin că există o relație între aportul de ASP și probleme de sănătate dăunătoare, cum ar fi obezitatea, cariile dentare, carcinogenitatea, riscul problemelor neurologice de apariție a tumorilor cerebrale și leucemia [2, 3]. Prin urmare, este necesar să se dezvolte o metodă analitică rapidă, simplă și sensibilă pentru detectarea ASP în produsele alimentare. Potrivit Organizației comune pentru alimentație și agricultură, Organizației Mondiale a Sănătății și Comitetului de experți în aditivi alimentari, valoarea zilnică admisibilă a ASP este între 0 și 40 mg/kg de masă corporală pe zi [4].

Spectroscopia (spectrofotometrie, colorimetrie și chemiluminiscență) [5,6,7], tehnici electrochimice [8] și cromatografie [9] sunt cele mai importante metodologii analitice care au fost dezvoltate pentru determinarea ASP. Dintre acestea, cromatografia lichidă de înaltă performanță (HPLC) este cea mai comună tehnică aplicată pentru determinarea îndulcitorilor, inclusiv ASP; dar această metodă suferă de solvenți organici foarte toxici, timp îndelungat de analiză și costuri ridicate.

Spectrofotometria este o tehnică obișnuită atractivă, cu avantaje, inclusiv precizie ridicată, precizie ridicată și costuri reduse de analiză [10], care este adecvată pentru determinarea multor compuși organici și anorganici. Principalele dezavantaje asociate cu această tehnică sunt lipsa de selectivitate și fezabilitatea detectării concentrațiilor scăzute de analiți [11]. Aceste probleme pot fi depășite prin aplicarea unei tehnici adecvate de extracție înainte de efectuarea spectrofotometriei.

Extracția în fază solidă (SPE) este una dintre cele mai importante metode de preparare a probelor care a fost aplicată pe scară largă în acest scop pentru separarea și preconcentrarea aditivilor alimentari și a îndulcitorilor artificiali într-o mare varietate de matrice de probe [12]. Avantajele acestei metode includ selectivitate ridicată, recuperare ridicată, bună reproductibilitate, susceptibilă de automatizare și cerințe scăzute de solvenți organici [13, 14]. În SPE, absorbantul este cea mai importantă parte care afectează în mod direct acuratețea, selectivitatea și sensibilitatea extracției și multe cercetări sunt axate pe îmbunătățirea sorbanților SPE [15].

Prin urmare, am decis să pregătim, să caracterizăm și să aplicăm PCN-222 (Fe) MOF ca sorbent pentru SPE a aspartamului, o moleculă de grup funcțional care conține acid carboxilic, din probe cu diferite matrice. Factorii experimentali care afectează extracția au fost studiați și optimizați.

Experimental

Produse chimice

Toți reactivii au fost de calitate analitică și utilizați fără purificare suplimentară. Clorură de zirconiu (IV) (ZrCl4), 4-formilbenzoat de metil (C9H8O3), pirol (C4H5N), acid benzoic (C7H6O2), clorură de fier (II) tetrahidrat (FeCl2 · 4H2O), acid propionic (C3H8O2) Clororman, metanol (CH4O), glucoză, zaharoză, fructoză, ascorbat de sodiu, ciclamat, acid clorhidric (HCl), N, N-dimetilformamida (DMF), hidroxidul de sodiu (NaOH) și tetrahidrofuranul (THF) au fost obținute de la Sigma-Aldrich Chemical Company (MO, SUA). Aspartamul de tip reactiv a fost obținut de la Merck KGaA (Darmstadt, Germania). Apa Milli-Q® (Merck-Millipore, MA, SUA) (18,3 MΩ cm -1) a fost utilizată pe parcursul tuturor experimentelor. S-a preparat o soluție standard de aspartam (1000 mg L -1) dizolvând 1,0000 g din acesta în 1000 ml de apă distilată. Soluțiile standard de lucru au fost preparate prin diluții seriale ale soluției stoc înainte de analiză.

Instrumentaţie

Sinteza MOF PCN-222 (Fe)

PCN-222 (Fe) MOF a fost sintetizat prin sinteză în cinci pași din disponibilitate comercială pe baza unei proceduri raportate anterior prin sinteză în cinci pași [26, 27].

Procedura de extragere în fază solidă

A fost efectuată o metodă SPE discontinuă pentru extracția ASP utilizând PCN-222 (Fe) MOF ca sorbent. 250,0 ml de soluție de probă au fost transferați într-un pahar și pH-ul său a fost ajustat la 6,0 folosind adăugarea prin picurare a soluției NaOH 0,1 M sau HCI 0,1 M. S-a adăugat adsorbant de 7 mg la soluție și a fost agitat pe un agitator (200 rmp, 10 min) apoi centrifugat la 4000 rpm timp de 8 min. Faza apoasă a fost complet aruncată. S-au adăugat 700 uL soluție de etanol-HCI (99: 1 v/v) la solid și s-au șocat din nou pe un agitator (200 rmp, 15 min). În cele din urmă, PCN-222 (Fe) MOF a fost separat de soluție prin centrifugare la 4000 rpm timp de 8 min și concentrația ASP în eluare a fost determinată prin spectrofotometrie UV - Vis împotriva unei semifabricate preparate cu același procedeu.

rezultate si discutii

Caracterizări ale PCN-222 (Fe) MOF

Modelul de difracție cu raze X în pulbere (PXRD) al MOF PCN-222 (Fe) preparat este prezentat în Fig. 1. Se poate observa că modelul este similar cu rapoartele anterioare [26, 27]. Vârfurile intensive la 2θ = 2.5, 4.9, 6.6, 7.1 și 9.9º sunt legate de reflexiile (1 0 0), (2 0 0), (2 -1 1), (2 0 1), (4 0 0) și (4 -2 1), respectiv (CCDC nr. 893.545) [22, 27].

Modelul PXRD al MOF PCN-222 (Fe) sintetizat

Spectrul în infraroșu transformat Fourier (FTIR) al PCN-222 (Fe) MOF este prezentat în Fig. 2. Vârfurile în jurul valorii de 1691 și 1417 cm -1 sunt atribuite vibrațiilor puternice de întindere a legăturilor -COO (asimetrice) și -COO (simetrice) ale grupurilor carboxilate. Vârfurile la aproximativ 1570, 650 și 712 cm -1 se datorează îndoirii în afara planului a C-Hs a inelelor fenilice [29]. După absorbția ASP, intensitatea maximă la 1700 cm -1 și 1570 cm -1 a scăzut și a condus la o deplasare către un număr de unde mai mic.

Spectrul FT-IR al PCN-222 (Fe) și PCN-222 (Fe) -ASP

Porozitatea MOF-ului preparat a fost măsurată prin experimente de adsorbție-desorbție a azotului la 77 K. Izoterma tipică IV și o suprafață Brunauer-Emmett-Teller (BET) de 1650 m 2 g -1 au fost obținute atunci când procedura de activare a fost aplicat (Fig. 3). Simularea teoriei funcționale a densității absorbției N2 a arătat că MOF nominal are două tipuri de pori, cu dimensiuni de

3 nm (Fig. 4), respectiv, corespundeau microcanalelor triunghiulare și canalelor mezo hexagonale.

Adsorbție de azot - izoterme de desorbție pentru PCN-222 (Fe) la 77 K

Distribuția mărimii porilor DFT pentru PCN-222 (Fe)

Imaginea microscopului electronic cu scanare (SEM) a fost aplicată pentru a caracteriza morfologia PCN-222 (Fe) ca sintetizat și este prezentată în Fig. 5. După cum se poate vedea în imaginea metalului - cadru organic sintetizat, acesta are o structură tipică asemănătoare tijei, care a fost similară studiilor raportate [30].

SEM al PCN-222 (Fe)

Optimizarea procedurii SPE

Au fost studiați și optimizați câțiva parametri importanți care influențează eficiența extracției, inclusiv pH-ul soluției probei, cantitatea de adsorbant, tipul și volumul solventului de eluare, precum și timpul de adsorbție și desorbție, după cum sa discutat mai jos. În acest scop a fost utilizată o soluție standard de 10 mg L -1 de ASP.

Efectul pH-ului

PH-ul soluției eșantionului este unul dintre cei mai critici parametri în adsorbția ASP pe MOF, care arată influența sa de doi factori: forma analitului și locurile de legare a suprafeței pe adsorbant [31]. PH-ul unei serii de soluții standard ASP a fost variat în intervalul 3.0-9.0 și rezultatele sunt prezentate în Fig. 6. După cum se poate observa, punctul optim apare la pH 6,0. Mecanismul adsorbției aspartamului pe MOF PCN-222 (Fe) poate fi explicat prin interacțiunea electrostatică dintre aspartam și adsorbant. Conform unei cercetări anterioare, punctul zero de încărcare al PCN-222 (Fe) MOF a fost observat la pH = 6,4 [32]. La pH-uri diferite de această valoare, încărcarea de suprafață a MOF este încărcată. Pe de altă parte, punctul izoelectric al ASP a fost determinat ca 5,25 (pK1 3,18, pK2 7,82) [33]. La pH în jur de 6, MOF este încărcat pozitiv, în timp ce ASP este sub formă anionică, prin urmare recuperarea crește.

Efectul pH-ului asupra recuperării extracției ASP (condiții de adsorbție: 100 (L de 10,0 mg L -1 soluție ASP; 10 mg adsorbant; timp de contact de 15 min)

Efectul tipului și volumului eluentului

A fost studiat efectul tipului de eluant asupra recuperării ASP din MOF. S-au testat metanol, etanol, acetonitril, apă-HCI (99: 1 v/v), metanol-HCI (99: 1 v/v) și etanol-HCI (99: 1 v/v). Concentrația de acid trebuie menținută la cel mai scăzut nivel posibil pentru a preveni degradarea MOF. Rezultatele obținute sunt prezentate în Fig. 7. O recuperare cantitativă pentru ASP a fost obținută folosind etanol-HCI (99: 1 v/v) ca eluent, poate pentru că acidul poate transforma ASP din forma sa anionică în neutru.

Efectul tipului de eluant asupra recuperării extracției ASP (condiții de adsorbție: 100 (L de 10,0 mg L -1 soluție ASP; 10 mg de adsorbant; 15 min timp de contact; pH: 6)

Efectul volumului solventului de eluare a fost investigat în intervalul 200-1000 µL (Fig. 8). Rezultatele arată că 700 uL de etanol-HCI (99: 1 v/v) este favorabil pentru a obține recuperarea maximă de extracție a ASP. La volume mai mari, se observă un efect divers, probabil datorită efectului de diluare al ASP eluat.

Efectul volumului solventului de eluare asupra recuperării extracției ASP (condiții de adsorbție: 100 µL de 10,0 mg L -1 soluție ASP; 10 mg adsorbant; 15 min timp de contact; pH: 6)

Influența cantității de sorbent

Efectul dozei adsorbante asupra recuperării extracției ASP în intervalul de 1,0-10,0 mg este prezentat în Fig. 9. Recuperarea maximă a extracției a fost obținută atunci când cantitatea de MOF a fost de 7,0 mg. După cum se poate observa, doar o cantitate mică de adsorbant a fost suficientă pentru a extrage ASP datorită capacității sale ridicate de adsorbție. Astfel, 7 mg de PCN-222 (Fe) au fost utilizate pentru alte experimente.

Efectul cantității de PCN-222 (Fe) MOF asupra recuperării extracției ASP (condiții de adsorbție: 100 (L de 10,0 mg L -1 soluție ASP; 15 min timp de contact; pH: 6)

Efectul timpilor de adsorbție și eluție

Pentru a atinge cel mai bun timp de echilibru, este necesar să se optimizeze timpul de contact pentru adsorbția și desorbția analitului. Timpii de contact de 2, 5, 10, 15, 20 și 25 min au fost testați atât pentru extracție, cât și pentru eluzie. Rezultatele sunt prezentate în Fig. 10. Timpul necesar pentru obținerea echilibrului pentru adsorbție și eluție a fost de 10 min, respectiv 15 min. Această cinetică rapidă se datorează suprafeței specifice ridicate și porilor mari ai MOF sintetizat.

Efectul timpilor de contact de adsorbție și eluție asupra recuperării extracției ASP (condiții de adsorbție: 100 (L de 10,0 mg L -1 soluție ASP; pH: 6; 7 mg de adsorbant)

Efectul puterea ionică

Impactul puterii ionice asupra performanței extracției ASP a fost studiat prin obținerea soluției probei de 0,0-1,0 mol L -1 în raport cu clorura de sodiu, în timp ce alte condiții experimentale au fost menținute constante. Rezultatele au arătat că semnalul de absorbanță al ASP a fost aproape independent de puterea ionică a soluției; prin urmare, toate experimentele de extracție au fost efectuate fără adăugare de sare.

Efectul volumului probei

Pentru a obține un factor de preconcentrare ridicat, influența volumului probei asupra eficienței extracției ASP a fost investigată în intervalul 10,0-500,0 ml. Rezultatele au arătat că recuperarea ASP a fost foarte eficientă (> 98%) într-un interval de volum al eșantionului de 10-250 ml și după aceea, recuperarea scade. Prin urmare, 250 ml de soluție de probă au fost folosiți în studii ulterioare.

Factorul de îmbogățire (EF), definit ca raportul dintre volumul probei de 250 mL și volumul final de eluție de 700 µL, era de așteptat să fie de 357 de ori, care a fost închis la cele 350 de ori determinate experimental.

Efectul interferențelor

Selectivitatea prezentei metode a fost investigată prin analiza soluțiilor standard care conțin 10 mg L -1 de ASP în prezența unor cantități mari de compuși obișnuiți care în mod normal coexistă cu ASP. Limita de toleranță a fost definită ca concentrația maximă de specii străine provocând o eroare mai mică de ± 5% la determinarea ASP. Rezultatele care sunt rezumate în Tabelul 1 au arătat că nu există interferențe de la speciile testate asupra preconcentrării și determinării ASP prin metoda sugerată.

Gama liniară, limita de detecție și precizie

În condițiile optime, intervalul liniar, limita de detecție, coeficientul de determinare, factorul de îmbogățire, precizia și precizia metodei sugerate au fost obținute și sintetizate în tabelul 2. Curba de calibrare a fost liniară într-un interval de concentrație de 0,1–100 mg L - 1 cu un coeficient de determinare (R 2) de 0,997. Detectarea limitei od (LOD), obținută din 3 (Sd) gol/m (unde (Sd) gol este abaterea standard a zece măsurători consecutive ale golului și m este panta curbei de calibrare), a fost 0,019 mg L -1. Pentru evaluarea capacității de sorbție a MOF, în condițiile optime de adsorbție ASP, 7 mg din acest sorbent au fost adăugați la 250,0 ml de 10 mg L -1 soluție standard de ASP și după atingerea echilibrului, concentrația ASP rămasă a fost determinată folosind un HPLC prin injectarea directă a 10 µL de soluție și compararea cu o curbă de calibrare. Zonele de vârf au fost utilizate pentru cuantificări.

Sa constatat că capacitatea de adsorbție este de 356 mg g -1, care a fost calculată din următoarea ecuație [34]:

unde C0 și Ce sunt concentrații inițiale și de echilibru ale ASP, V (L) este volumul soluției probei și m (g) este doza adsorbantă. Abaterea standard relativă (RSD%) a celor șapte măsurători replicate pentru aceeași soluție a fost Tabelul 3 Compararea metodei propuse cu alte metode pentru determinarea ASP

Analiza eșantionului real

Pentru a evalua performanța acestei metode pentru analiza eșantioanelor reale în matrici complicate, procedura propusă a fost aplicată determinării ASP în trei eșantioane diferite, adică o băutură moale de cola, un suc de piersici și o gumă cu bule.

Sucul a fost degazat și omogenizat timp de 10 minute într-o baie cu ultrasunete și băutura cola a fost degazată prin punerea unui agitator timp de 15 minute. Pentru guma cu bule, un băț (cu o greutate de 2,7 g) a fost rupt în bucăți mici (aproximativ 3 × 3 mm) și transferat într-un balon volumetric de 120 ml și un amestec de acid acetic, apă și cloroform (1:50:25 v/c) s-a adăugat la acesta și s-a agitat la viteză mare timp de 10 min. Toate soluțiile finale au fost filtrate prin filtre de 0,45 μm și, în cele din urmă, o alicotă de 10 ml din fiecare dintre ele a fost diluată într-un balon volumetric de 100 ml înainte de analiză. Cantitatea detectabilă de ASP a fost observată în toate probele (Tabelul 4). Pentru a valida veridicitatea analizelor, a fost efectuată și o metodă HPLC standard [35]. Pentru a evalua mai bine efectul matricei, probele au fost adăugate prin adăugarea cantităților adecvate de ASP și analizate conform metodei MOF-SPE/spectrofotometrică. Recuperările medii au variat de la 97% la 104%, cu RSD între 1,0 și 3,6% (n = 3) care au fost obținute, ceea ce arată clar că această procedură poate fi aplicată cu succes pentru determinarea nivelului de urmărire a îndulcitorului ASP în diferite probe. De exemplu, spectrul unei probe de cola cu 50 µg L -1 de ASP și extras prin MOF-SPE este descris în Fig. 11.

Spectrul de probă de băutură cola a crescut cu 50 Lg L -1 de ASP după extracția MOF-SPE