碳點(diǎn)基固相微萃取涂層測(cè)定水體中鄰苯二甲酸酯

陳秀林 田彤 吳劍鋒 趙廣超

摘 ?????要：利用溶膠-凝膠法制備了納米碳點(diǎn)基固相微萃取涂層，建立了固相微萃取-氣相色譜法（SPME-GC）測(cè)定水體中四種鄰苯二甲酸酯的方法，優(yōu)化了方法條件。結(jié)果表明，在優(yōu)化條件下，方法線性范圍2.5～200 μg/L內(nèi)線性良好（R²=0.990 3～0.998 1），檢出限為0.83 ～1.81 μg/L（遠(yuǎn)低于國(guó)標(biāo)0.09～2.70 mg/L），相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差1.4%～9.8%。在5和10 g/L加標(biāo)濃度水平下，水樣的加標(biāo)回收率為82.2%～121.3%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差2.6%～9.7%。建立的方法滿足實(shí)際水樣的分析要求。

關(guān) ?鍵 ?詞：固相微萃取;納米碳點(diǎn);鄰苯二甲酸酯;溶膠-凝膠

中圖分類號(hào)：TE685.3⁺1 ??????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：?A ??????文章編號(hào)： 1671-0460（2020）03-0753-04

Determination of Phthalate Acid Ester in Water by

Carbon Nanodots-based SPME Coating

CHEN Xiu-lin^1，2， TIAN Tong¹， WU Jian-feng¹， ZHAO Guang-chao¹

（1. School of Environmental Science and Engineering， Anhui Normal University，?Anhui Wuhu 241000， China;

2. Shanghai Chemical Monitoring Station for Environment Protection， Shanghai 201540， China）

Abstract： ?A carbon nanodots-based solid-phase microextraction（SPME） coating was prepared using a sol-gel technique. Coupled with gas chromatography （GC）， an analytical method for the determination of phthalate acid ester （PAEs） in water was proposed. The experimental parameters were optimized. The results showed that the prepared coating extracted target analytes with good linearity in the wide concentration range from 2.5 μg/L?to 200 μg/L，with the correlation coefficient （R²） of 0.990 3～0.998 1. The detection limit of proposed method was from 0.83 μg/L?to 1.81 μg/L（which was far lower than the national standard of 0.09～2.70 mg/L） and the relative standard deviation （RSD） was between 1.4% and 9.8%. In the level of 5～10 μg/L， spiked recoveries for four PAEs in water samples were in the range from 82.2% to 121.3% with RSDs of 2.6%～9.7%. The proposed method can meet the requirement of the determination of PAEs in actual water samples.

Key words： solid phase micro-extraction; ?carbon nanodots; ?phthalate acid esters;??sol-gel

鄰苯二甲酸酯（PAEs）作為一類改善材料物理性能的增塑劑被廣泛添加于塑料產(chǎn)品中，由于其沒(méi)有與塑料之間形成相對(duì)穩(wěn)定的化學(xué)鍵，受產(chǎn)品使用壽命影響，產(chǎn)品中PAEs可轉(zhuǎn)移至環(huán)境中，造成環(huán)境污染^[1]。有研究表明： PAEs作為一類環(huán)境激素，進(jìn)入人體后擾亂內(nèi)分泌系統(tǒng)，容易形成人類生殖和發(fā)育方面潛在危害^[2]。2005年美國(guó)環(huán)境保護(hù)署（USEPA）將鄰苯二甲酸二甲酯（DMP）、鄰苯二甲酸二乙酯（DEP）、鄰苯二甲酸二丁酯（DBP）、鄰苯二甲酸二辛酯（DNOP）等PAEs列入了優(yōu)先控制污染物名單。我國(guó)相關(guān)部門(mén)也采取了相應(yīng)行動(dòng)，將DMP，DEP和 DNOP?等PAEs列入“中國(guó)環(huán)境優(yōu)先控制污染物黑名單”^[3]， 并就食品安全、食品接觸材料及制品中的PAEs的測(cè)定和遷移量的測(cè)定制定了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)^[4]。

環(huán)境中PAEs存在的濃度普遍為痕量水平，現(xiàn)代分析測(cè)試儀器很難達(dá)到直接測(cè)定的靈敏度要求。一般儀器測(cè)定前都需要對(duì)樣品進(jìn)行富集、濃縮等前處理。固相微萃取法（SPME）是一種省時(shí)高效、簡(jiǎn)單方便與綠色環(huán)保的前處理技術(shù)^[5]，它與氣相色譜儀聯(lián)用被廣泛應(yīng)用于環(huán)境分析領(lǐng)域。已有文獻(xiàn)報(bào)道了商業(yè)化SPME纖維被廣泛應(yīng)用于分析環(huán)境中PAEs^[6，7]。這些方法有一定的優(yōu)勢(shì)，但市場(chǎng)上商業(yè)化纖維存在著如萃取范圍有限、使用壽命較短、熱穩(wěn)定性不足、萃取效不高等問(wèn)題^[8]。為此，發(fā)展新的涂層材料以便擴(kuò)展萃取對(duì)象、提高萃取性能是SPME研究方向之一^[9]。

碳點(diǎn)材料作為繼石墨烯、碳納米管后的碳材料家族的新成員，具有尺寸更小，比表面積更大等特點(diǎn)，在環(huán)境分析領(lǐng)域具有良好應(yīng)用前景^[10]。本研究中使用碳點(diǎn)作為涂層材料，結(jié)合固相微萃取-氣相色譜法（SPME-GC）對(duì)水體中4種PAEs進(jìn)行了分析。該方法為環(huán)境水體中PAEs測(cè)定提供了新的選擇。

1 ?實(shí)驗(yàn)部分

1.1 ?主要儀器與試劑

GC-2010氣相色譜儀（Shimadzu公司）;Hitachi S-4800掃描電子顯微鏡（Hitachi公司）;8400s- FTIR傅里葉紅外變換光譜（Shimadzu公司）。

四種PAEs混合標(biāo)準(zhǔn)溶液：鄰苯二甲酸二甲酯（DMP）、鄰苯二甲酸二乙酯（DEP）、鄰苯二甲酸二丁酯（DBP）、鄰苯二甲酸二辛酯（DNOP）（上海百靈威科技有限公司）。實(shí)驗(yàn)均采用超純水。

工作儲(chǔ)備溶液配制：取四種PAEs混合標(biāo)準(zhǔn)溶液用丙酮配制成100 mg/L混標(biāo)溶液，在4 ℃條件下保存，待用。

1.2 ?樣品采集與處理

塑料杯水樣：取超純水50 mL用熱水壺加熱至沸騰，將沸水倒入一次性塑料杯中浸泡兩小時(shí)，冷卻后獲得水樣，保存于4 ℃冰箱中。

長(zhǎng)江水樣：取長(zhǎng)江干流蕪湖段濱江公園段水樣250 mL， 用45 μm濾紙過(guò)濾水樣中泥沙、大顆粒等不溶性雜質(zhì)，裝入清潔的玻璃瓶中，保存于4 ℃冰箱中。

1.3 ?GC-FID條件

GC條件：進(jìn)樣口溫度250 ℃，無(wú)分流進(jìn)樣，色譜柱初始60 ℃，保持1 min;以20.0 ℃/min升溫至220 ℃，保持1 min;以5.0 ℃/min升至280 ℃，保持5 min。FID檢測(cè)溫度300 ℃。載氣為氮?dú)猓兌?gt;99.999%），柱流量1.51 mL/min，氫氣（純度>99.999%）， 流量40.0 mL/min; 采取空氣自動(dòng)進(jìn)氣裝置，流量400.0 mL/min。

1.4 ?SPME纖維制備

采用文獻(xiàn)報(bào)道的方法^[11]，合成了納米碳點(diǎn)材料，烘干后待用。

取10 mL離心管加入2 mL無(wú)水乙醇，加入20 μL?10%的稀鹽酸，于超聲情況下緩慢加入200 μL鈦酸正四丁酯，2 min后緩緩滴入25 μL超純水，蓋上管塞。10 min后，加入0.02 g碳點(diǎn)材料，磁力低速攪拌12 h，獲得均勻的納米碳點(diǎn)基凝膠溶液，置于4 ℃下保存待用。

取一根不銹鋼絲（??0.5 mm），拋光后用丙酮、2 mol/L NaOH溶液處理。將其處理后的一端1 cm插入納米碳點(diǎn)基凝膠溶液，放置5 min，緩慢取出于80 ℃烘箱中烘干，獲得SPME纖維。再與微量進(jìn)樣器組裝成SPME裝置，在260 ℃?下將纖維老化1?h，待用。

1.5 ?頂空SPME過(guò)程

取10 mL水樣，將SPME萃取頭插入樣品中，采用頂空模式下萃取目標(biāo)分析物，萃取溫度60 ℃、攪拌速率100 r/min、鹽濃度為0%下萃取20 min。萃取結(jié)束后將萃取頭緩慢拔出，立即插入GC進(jìn)樣口，熱解吸5 min，進(jìn)行GC-FID檢測(cè)分析。每項(xiàng)進(jìn)行三次平行實(shí)驗(yàn)。

2 ?結(jié)果與討論

2.1 ?自制SPME涂層與碳點(diǎn)材料的表征

采用掃描電子顯微鏡對(duì)制備的SPME涂層進(jìn)行了表征。圖1（a）和圖1（b）分別表示不同放大倍率下SPME涂層的SEM圖，其中圖1（b）清晰地顯示許多球狀顆粒團(tuán)聚在一起，形成孔隙率較高的三維空間結(jié)構(gòu)。圖1（c）和（d）是沒(méi)有納米碳點(diǎn)存在時(shí)的SPME涂層的SEM圖，圖1（d）顯示支撐體體表面形成了凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，但與碳點(diǎn)基涂層相比，顯然沒(méi)有密集的立體孔隙結(jié)構(gòu)。碳點(diǎn)基材料作為更小尺寸的碳納米材料，比表面積更大，故制備的碳點(diǎn)基SPME涂層更高的萃取效率。

圖2是制備的納米碳點(diǎn)的傅立葉紅外變換光譜（FT-IR）圖，如圖所示：制備的納米碳點(diǎn)在3 419和1 483 cm^-1處發(fā)生了明顯伸縮振動(dòng)，這代表了其表面有豐富的O-H官能團(tuán);1 614 cm^-1處也發(fā)生了伸縮振動(dòng)，這是由表面存在C=C骨架振動(dòng)產(chǎn)生的;1 101 cm^-1吸收峰處是由是由O-H或者C-O-C伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的。由上述的吸收峰可知，納米碳點(diǎn)基表面具有大量O-H存在，它們?nèi)菀着cPAEs分子之間形成氫鍵;而C=C的存在，可以與PAEs分子形成電子云重疊，增加相互作用;C-O-C的存在可能有助于與PAEs分子間形成螯合結(jié)構(gòu)，提高其萃取效果^[12]。

2.2 ?萃取條件優(yōu)化

SPME是一種預(yù)平衡技術(shù)，基于涂層及均一的樣品基質(zhì)之間分配平衡而建立。在這一過(guò)程中，萃取萃取溫度、溶液的運(yùn)動(dòng)、萃取時(shí)間等因素都會(huì)影響萃取效果^[13-15]。

另外，萃取物的解吸也是SPME過(guò)程中不可或缺的步驟，較低溫度不利于目標(biāo)分析物從涂層中解吸，而較高溫度可能導(dǎo)致目標(biāo)分析物中大分子發(fā)生裂解，影響分析準(zhǔn)確性。本實(shí)驗(yàn)選擇對(duì)萃取效果影響較大的萃取時(shí)間、萃取溫度、攪拌速率和解析時(shí)間等條件參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。通過(guò)正交試驗(yàn)，篩選出最佳條件。正交實(shí)驗(yàn)選擇的實(shí)驗(yàn)參數(shù)條件列于表1中。

根據(jù)Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)的正交設(shè)計(jì)，進(jìn)行條件優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，將各組合設(shè)計(jì)獲得的峰面積對(duì)不同的PAEs的影響關(guān)系運(yùn)用響應(yīng)面分析方法（Responsed area analysis， RSA）進(jìn)行分析得出不同組分的優(yōu)化條件，經(jīng)過(guò)軟件系統(tǒng)評(píng)估選擇對(duì)各組分萃取最優(yōu)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)條件。圖3為軟件處理優(yōu)化實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所制備的碳點(diǎn)基涂層對(duì)水樣四種PAEs中典型的DNOP萃取效果的影響與條件評(píng)估。綜合評(píng)估結(jié)果顯示，涂層對(duì)目標(biāo)分析物的萃取最佳條件為：萃取溫度60 ℃;攪拌速率100 r/min;萃取時(shí)間20 min;離子強(qiáng)度8%。

2.3 ?檢測(cè)方法的線性范圍、相關(guān)系數(shù)、檢出限和重現(xiàn)性等

在最優(yōu)化條件參數(shù)下，使用制備的碳點(diǎn)基涂層對(duì)4種PAEs進(jìn)行了SPME-GC分析， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，濃度在2.5～200μg/L范圍內(nèi)，4種不同PAEs具有良好線性關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)（R²）在0.990 3～0.994 1之間;方法的檢出限為0.83～1.81μg/L;單根纖維日內(nèi)與日間相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）為1.4%～6.7%;多根纖維間RSD為5.6%～9.8%。與文獻(xiàn)報(bào)道的涂層相比較，本實(shí)驗(yàn)制備的涂層也具有一定的優(yōu)勢(shì)，如表3所示。

2.4 ?實(shí)際水樣的測(cè)定及加標(biāo)回收率

實(shí)際水樣按1.5的步驟在最優(yōu)化參數(shù)條件下進(jìn)行SPME-GC檢測(cè)分析。結(jié)果顯示：沸水沖泡2 h后的塑料杯水樣中未檢測(cè)到四種PAEs;在長(zhǎng)江水樣中未檢測(cè)到四種PAEs中的DMP和DNOP，但檢測(cè)出DEP，其濃度為4.17 μg/L;檢測(cè)出DBP的濃度為3.2 μg/L。使用5和10 μg/L兩種濃度的混標(biāo)溶液對(duì)水樣分別進(jìn)行加標(biāo)實(shí)驗(yàn)（n=3），結(jié)果顯示在塑料杯水樣中PAEs加標(biāo)回收率82.2%～121.3%，RSD為2.6%～9.7%。長(zhǎng)江水樣中PAEs加標(biāo)回收率87.2%～117%，RSD為3.5%～9.5%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)在表4中。

3 ?結(jié)論

制備的納米碳點(diǎn)材料具有較大比表面積、孔隙率和吸附容量，適宜于制備固相微萃取涂層并能用于測(cè)定水體中鄰苯二甲酸酯的測(cè)定。與文獻(xiàn)相比，建立的測(cè)定方法在檢測(cè)水體中PAEs時(shí)能滿足食品檢測(cè)、環(huán)境檢測(cè)的要求。另外，制備的碳點(diǎn)基涂層還可用于檢測(cè)環(huán)境中存在的其他痕量有機(jī)污染物樣品（如TPHs、PCBs、雙酚A、有機(jī)氯農(nóng)藥、荻氏劑、異荻氏劑、DDT、PAHs、以及SVOCs等），具有廣闊的發(fā)展前景。

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