陽離子固相萃取填料微波快速制備及其在胺類有機(jī)污染物萃取中的應(yīng)用

蒙素仟 ，劉博 , ，趙嘉輝，張傲，賴華杰 , *

1. 中國(guó)科學(xué)院廣州化學(xué)研究所，廣東 廣州 510650；2. 中科檢測(cè)技術(shù)服務(wù)（廣州）股份有限公司，廣東 廣州 510650；3. 中科廣化（重慶）新材料研究院有限公司，重慶 400714

隨著人類科技以及工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，人們賴以生存的生態(tài)環(huán)境污染日趨嚴(yán)重。為監(jiān)測(cè)環(huán)境中污染物的排放及管控需求，環(huán)境檢測(cè)行業(yè)緊跟步伐快速發(fā)展（Karlsson et al.，2016；Clark et al.，2020；肖燁，2020）。聯(lián)苯胺和三聚氰胺被廣泛應(yīng)用于化工、印染等行業(yè)，在地表水頻有檢出（曹向禹，2013；李恒等，2021）。聯(lián)苯胺具有強(qiáng)烈的致癌作用，可通過人類的呼吸道、皮膚、腸胃道滲入并誘導(dǎo)身體發(fā)生癌變；三聚氰胺以 2008年三鹿奶粉事件走進(jìn)大眾的視野，長(zhǎng)期被動(dòng)攝入對(duì)腎臟、肝臟造成負(fù)擔(dān)（叢小明，2012；吳紅巖等，2019）。因此，對(duì)這類胺類有機(jī)污染物的檢測(cè)方法的研究具有非常重要的意義。

環(huán)境中的有機(jī)污染物因基質(zhì)復(fù)雜或含量低，通常需要進(jìn)行凈化、提取、濃縮等前處理步驟，實(shí)現(xiàn)待測(cè)目標(biāo)物的分離和濃縮，再進(jìn)行后續(xù)的光譜、色譜、質(zhì)譜分析（Katsumata，2019；Wang et al.，2019）。固相萃取技術(shù)是目前最常用的前處理方法（Ali et al.，2019；Fontanals et al.，2020；Khan et al.，2020；程加德等，2020）。聯(lián)苯胺和三聚氰胺屬于堿性有機(jī)污染物，可利用離子交換作用原理進(jìn)行萃取。但目前市售的商品強(qiáng)陽離子固相萃取柱（MCX柱）售價(jià)高，單只售價(jià)在十幾元到幾十元不等，且為一次性使用耗材，給環(huán)境檢測(cè)行業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)壓力。因此，本實(shí)驗(yàn)的意義是快速自制性能優(yōu)異的陽離子交換固相萃取柱，降低環(huán)境檢測(cè)的成本。

目前，商品固相萃取柱的基質(zhì)材料主要是硅膠基質(zhì)和聚合物基質(zhì)（Zheng et al.，2009；Zhang et al.，2014；Xiao et al.，2016；Fedotova et al.，2019）。與硅膠基質(zhì)相比，聚合物基質(zhì)有廣泛的pH耐受范圍（0—14）。聚合物基質(zhì)的固相萃取材料通常是微球樹脂，主要采用懸浮聚合法、乳液聚合法、種子溶脹法制備。其中種子溶脹法則存在工藝復(fù)雜耗時(shí)長(zhǎng)等問題（Yu et al.，2017；Cong et al.，2019；郭丹丹，2019）。微波輔助化學(xué)反應(yīng)是利用微波產(chǎn)生高頻電磁場(chǎng)，使極性分子轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)受阻而產(chǎn)生摩擦力，對(duì)分子進(jìn)行“內(nèi)加熱”。該反應(yīng)機(jī)理可以提高化學(xué)反應(yīng)速率，節(jié)省反應(yīng)時(shí)間，同時(shí)避免了傳統(tǒng)加熱中的熱傳導(dǎo)和對(duì)流傳熱。因此，本實(shí)驗(yàn)的目的是利用微波輻射快速制備聚苯乙烯-二乙烯基苯微球作為固相萃取柱的基質(zhì)材料。再對(duì)其進(jìn)行表面修飾，引入強(qiáng)陽離子官能團(tuán)磺酸基團(tuán)（-SO3H），得到反相/強(qiáng)陽離子固相萃取填料。將其壓制成固相萃取柱并與知名同類商品固相萃取柱進(jìn)行對(duì)比，以河水中的聯(lián)苯胺和三聚氰胺為目標(biāo)有機(jī)污染物檢驗(yàn)填料的萃取性能。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)所用到的試劑包括苯乙烯（St）、甲苯、無水硫酸鎂、冰乙酸、氨水（色譜純）和丙酮購(gòu)自于天津大茂，二乙烯苯（DVB）（80%單體含量）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP，K=30）、偶氮二異丁腈（ANBN）、辛烷磺酸鈉、檸檬酸、乙酸銨（色譜純）購(gòu)自于麥克林，正庚烷和濃硫酸購(gòu)自于廣州化學(xué)試劑，以上試劑除特殊說明外均為分析純。甲醇和乙腈購(gòu)自于上海安譜，為色譜純。聯(lián)苯胺和三聚氰胺標(biāo)準(zhǔn)品購(gòu)自于Dr. Ehrenstorfer，分別采用甲醇和甲醇水溶液（VCH3OH∶VH2O=1∶1）配制 1000 μg·mL-1標(biāo)準(zhǔn)貯備液。NaOH和HCl標(biāo)準(zhǔn)溶液購(gòu)自于深圳博林達(dá)，濃度為1 mol·L-1，用于電位滴定。實(shí)驗(yàn)用水由Milli-Q 型號(hào) 8/16系統(tǒng)超純水凈化機(jī)提供（Millipore，美國(guó)）。

商品固相萃取柱選市售知名品牌分別標(biāo)記為商品1（進(jìn)口品牌，60 mg/3 mL）、商品2（國(guó)產(chǎn)品牌，60 mg/3 mL）、商品3（國(guó)產(chǎn)品牌，150 mg/6 mL），固相萃取空柱（含篩板）購(gòu)于深圳逗點(diǎn)技術(shù)有限公司。

本實(shí)驗(yàn)所使用的河水樣品于2021年3月取自廣州市某河流，采樣后4 ℃冷藏保存，7天內(nèi)完成萃取實(shí)驗(yàn)。

1.2 微波輻射快速制備陽離子固相萃取填料

苯乙烯（St）和二乙烯苯（DVB）在使用前需要凈化，方法如下：用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaOH溶液分別與 St或 DVB單體等體積混合（VNaOH∶VMonomer=1∶1），洗滌至無色后，再用水洗滌至中性，經(jīng)無水硫酸鎂除水后轉(zhuǎn)移至棕色瓶避光冷藏待用。

本實(shí)驗(yàn)以聚乙烯吡咯烷酮（PVP）作為水相分散劑，以正庚烷、甲苯為油相致孔劑，偶氮二異丁腈（ANBN）作為油相引發(fā)劑，采用懸浮聚合法來制備聚苯乙烯-二乙烯基苯（PS-DVB）微球。具體的實(shí)驗(yàn)步驟為：2.5 g PVP溶解于150 mL水中作為水相；另取0.5 g ANBN、25 mL甲苯和正庚烷混合液（VC7H8∶VC7H16=1∶2）、25 mL St和 DVB 混合液（VSt∶VDVB=2∶3）作為油相。兩相分別溶解后，將水相加入油相中，在冰水浴條件下超聲分散30 min。然后轉(zhuǎn)移至 XH-100B微波反應(yīng)儀（祥鵠科技，中國(guó)），在功率500 W、70 ℃下反應(yīng)30 min。待反應(yīng)結(jié)束后，依次用水、丙酮、甲醇對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行洗滌抽濾，最后于 80 ℃真空干燥，即可獲得 PS-DVB微球。

然后對(duì)上述得到的微球進(jìn)行磺化引入-SO3H基團(tuán)，即1 g微球加入8 mL的濃硫酸，勻速攪拌，60 ℃下反應(yīng)8 h。待反應(yīng)結(jié)束后，冰水浴猝滅磺化反應(yīng)。隨后依次用水、甲醇、丙酮、甲醇洗滌反應(yīng)產(chǎn)物，于 80 ℃真空干燥，即可獲得強(qiáng)陽離子固相萃取交換材料（MCX）。

為避免手工壓制固相萃取柱所帶來的不確定因素的影響，采用實(shí)驗(yàn)室自制固相萃取柱壓柱機(jī)（專利號(hào)：ZL2021 3 0300215.6）將上述制備的MCX填料壓制成60 mg/3 mL的固相萃取柱，施加壓強(qiáng)為1 MPa。

1.3 材料表征

為研究固相萃取填料的物理化學(xué)性質(zhì)及結(jié)構(gòu)特性，填料的紅外光譜（FTIR）由IRAFFINITY-1S傅里葉變換紅外光譜儀測(cè)得（島津，日本），粒徑及分布由Mastersizer 2000激光粒度儀（Maivern，英國(guó)）測(cè)得，表面元素由 K-α X 射線光電子能譜（Thermo Fisher，美國(guó)）測(cè)得。填料的陽離子交換容量采用GB/T 8144—2008《陽離子交換樹脂交換容量測(cè)定方法》（中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局等，2008），由 ZD-2自動(dòng)電位滴定儀（Metrohm，瑞士）測(cè)得。微球和篩板表面分別在L100BD-HK830高倍顯微鏡（奧斯微，中國(guó)）和SB8010場(chǎng)發(fā)射電子掃描顯微鏡（日立，日本）下觀察得到。

1.4 固相萃取應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

河水中的聯(lián)苯胺和三聚氰胺的測(cè)定采用固相萃取-高效液相色譜法進(jìn)行測(cè)定，用于評(píng)價(jià)制備的MCX固相萃取柱的性能。實(shí)驗(yàn)方法參考HJ 1017—2019《水質(zhì)聯(lián)苯胺的測(cè)定高效液相色譜法》和GB/T 22388—2008《原料乳與乳制品中三聚氰胺檢測(cè)方法》（中華人民共和國(guó)生態(tài)環(huán)境部，2019；中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局等，2008）。

測(cè)試水樣制備如下：在 150 mL河水樣品中加入一定量聯(lián)苯胺標(biāo)準(zhǔn)溶液，使其質(zhì)量濃度為2.67×10-1μg·L-1。另取 10 mL 樣品加入一定量的三聚氰胺標(biāo)準(zhǔn)溶液，使其質(zhì)量濃度為 5×104μg·L-1。

測(cè)試水樣分別用MCX固相萃取柱以及3種商品固相萃取柱提取，固相萃取柱為一次性耗材，使用后按照實(shí)驗(yàn)室固體廢棄物統(tǒng)一處理。聯(lián)苯胺的固相萃取方法如下：分別用5 mL水和5 mL甲醇活化固相萃取柱，將待測(cè)水樣以2 mL·min-1的流速通過固相萃取柱。依次用 5 mL乙酸（VCH3COOH∶VH2O=3∶97）、8 mL甲醇淋洗固相萃取柱，然后用真空泵將其徹底抽干。用 7 mL氨水甲醇（VNH3·H2O∶VCH3OH=5∶95）洗脫目標(biāo)化合物，收集洗脫液在40 ℃下氮吹濃縮至1 mL，用水定容至2 mL，保存?zhèn)溆谩Ｈ矍璋返墓滔噍腿》椒椋? mL水和5 mL甲醇活化固相萃取柱，將待測(cè)水樣以 1 mL·min-1的流速通過固相萃取柱。依次用3 mL水和3 mL甲醇洗滌，真空泵抽至近干，用6 mL氨水-甲醇（VNH3.H2O∶VCH3OH=5∶95）洗脫目標(biāo)化合物，收集洗脫液于 40 ℃下用氮?dú)獯蹈?，用流?dòng)相溶液定容至1 mL。所有固相萃取實(shí)驗(yàn)平行操作3次，隨后用 LC-20AT型高效液相色譜儀（SHIMADZU，日本）測(cè)定濃縮液中目標(biāo)化合物的質(zhì)量濃度。

聯(lián)苯胺的高效液相色譜測(cè)定：采用乙腈-乙酸銨混合液（VC2H3N∶VCH3COONH4=20∶80）作為流動(dòng)相，使用C18液相色譜柱（4.6 mm×250 mm，Agilent）和熒光檢測(cè)器，激發(fā)波長(zhǎng)為292 nm，檢測(cè)波長(zhǎng)為395 nm。三聚氰胺的高效液相色譜測(cè)定：采用檸檬酸-辛烷磺酸鈉離子對(duì)試劑 (VC6H8O7∶VC8H19NaO4S=21∶25)-乙腈 (V離子對(duì)試劑溶液∶VC2H3N=85∶15) 作為流動(dòng)相，使用 C8色譜柱（4.6 mm×250 mm，Thermo Fisher）和二極管陣列檢測(cè)器，檢測(cè)波長(zhǎng)為240 nm。

本實(shí)驗(yàn)以回收實(shí)驗(yàn)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）表示精密度，以加標(biāo)回收率表示準(zhǔn)確度，回收率R公式如下：

式中：

S0——空白測(cè)得的目標(biāo)物的質(zhì)量濃度；

S1——加標(biāo)測(cè)得的目標(biāo)物的質(zhì)量濃度；

S2——添加相同濃度標(biāo)準(zhǔn)溶液所測(cè)得的目標(biāo)物質(zhì)量濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 微球形貌和化學(xué)組成

圖1為制備的MCX、商品1和商品3中填料在500倍顯微鏡下的圖片?？梢钥闯鯩CX的表面呈單分散的圓球狀，邊緣清晰且光滑。兩種商品柱填料均為球形，呈單分散狀態(tài)，無團(tuán)聚、無變形，邊緣整齊。在相同的放大倍數(shù)和光學(xué)條件下，MCX與商品1填料粒徑較接近，且表面泛有光澤，而商品3填料微球粒徑較大且表面暗淡。

圖1 MCX（a）、商品1（b）和商品3（c）填料的形貌Figure 1 Morphology of MCX microspheres (a), commercial 1microspheres (b) and the commercialization of 3 (c) microspheres

MCX濕態(tài)微球的粒徑分布如圖2所示，具體數(shù)據(jù)見表1。MCX填料的平均粒徑為54.0 μm，其中顆粒粒徑小于48.9 μm的顆粒體積含量占全部顆粒的50%，填料的跨度（D(90)-D(10)/D(50)）為1.2。在以MCX微球?yàn)樘盍?，將其壓制成固相萃取柱過程中，小粒徑的微球可以填充在大粒徑微球空隙，使固相萃取柱更密實(shí)和均勻，從而樣品可以勻速地通過固相萃取柱，使目標(biāo)物與填料的相互作用更充分。

表1 MCX的粒徑分布Table 1 Particle size distribution of MCX

圖2 MCX的粒徑分布圖Figure 2 Particle size distribution of MCX

圖3所示為MCX和3種商品柱填料的FTIR圖。由圖可知，所制備的MCX和商品填料的主要振動(dòng)和吸收峰相同。在1450、1490、1600 cm-1處觀察到苯環(huán)骨架上C=C鍵伸縮振動(dòng)吸收峰，2800—3000 cm-1附近為苯環(huán)的C-H鍵的伸縮振動(dòng)峰，對(duì)應(yīng)指紋區(qū)710 cm-1附近為苯環(huán)上C-H鍵的面外彎曲振動(dòng)（鐘鶯鶯，2010）。以上數(shù)據(jù)表明在微波條件下合成的基質(zhì)微球與市售聚合物固相萃取柱基質(zhì)相同，且與種子溶脹法72 h得到的微球結(jié)構(gòu)一致（鐘鶯鶯，2010）。而微波輔助化學(xué)反應(yīng)可以提高反應(yīng)速度，將懸乳聚合法制備微球的時(shí)間從24 h（Liet al.，2006）或72 h（黃忠平，2014）降至本實(shí)驗(yàn)的1 h。此外，MCX和商品柱填料在1170—1200 cm-1處均有 S-O的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收帶，1040—1065 cm-1處有磺酸基團(tuán)S-O的對(duì)稱伸縮振動(dòng)帶（楊迎生，2009）。因此，實(shí)驗(yàn)得到的MCX和商品柱填料均含有磺酸基-SO3H官能團(tuán)，且均能觀察到PS-DVB微球的振動(dòng)吸收峰，說明在磺化過程中基質(zhì)的結(jié)構(gòu)未受到影響。

圖3 MCX 及商品固相萃取柱填料的FTIR 圖 Figure 3 FTIR spectrum of MCX and commercial solid phase extraction materials

為進(jìn)一步分析填料微球表面元素，用XPS測(cè)定MCX和商品柱填料表面元素。由圖4可知，162 eV附近為s2p1/2的響應(yīng)，MCX和3種商品柱填料表面均有S元素，進(jìn)一步表明在MCX微球表面成功引入磺酸基團(tuán)，與FTIR結(jié)果一致。

圖4 MCX及商品柱填料的XPS圖Figure 4 XPS spectrum of MCX and commercial solid phase extraction materials

填料的交換能力決定了固相萃取柱的萃取量，MCX和3種市售商品柱填料的交換量見表2。由表可知，MCX和3種商品柱填料均具有陽離子交換能力，在0.74—0.90 mmol·g-1之間，可作為陽離子固相萃取柱填料使用，其交換能力由引入的磺酸基（-SO3H）貢獻(xiàn)。

表2 MCX和商品固相萃取柱填料的離子交換量Table 2 Cation exchange capacity of MCX and commercial solid phase extraction column

圖5為固相萃取柱篩板的SEM照片，由圖可知，篩板表面粗糙度一致，空隙約為20 μm，小于MCX的粒徑，可以有效截留MCX微球，且MCX不會(huì)造成篩板的堵塞。

圖5 篩板的SEM圖Figure 5 SEM of sieve-plate composition

2.2 固相萃取柱的萃取效率

固相萃取是利用溶劑與固定相之間對(duì)化合物的選擇性分配系數(shù)不同而將目標(biāo)化合物從混合物中分離出來。和液液萃取相比，兩相分離更徹底、降低了溶劑消耗量。強(qiáng)陽離子固相萃取是利用固定相上的-SO3H與目標(biāo)物形成靜電吸附將目標(biāo)物吸附在填料表面（Natalia et al.，2017）。在后續(xù)解吸時(shí)，通過解析液解離填料與目標(biāo)物的靜電作用，從而將目標(biāo)物洗脫到解析液中，達(dá)到濃縮和凈化的目的。用河水作為載體，以聯(lián)苯胺和三聚氰胺作目標(biāo)有機(jī)污染物，考察以MCX為填料的固相萃取柱和商品柱的萃取效率，結(jié)果如圖6—9和表3所示。由圖6和圖7可知，MCX柱在空白水樣測(cè)試中，目標(biāo)物吸收附近無干擾峰且基線平穩(wěn)無雜質(zhì)峰，說明所制備的MCX柱潔凈無干擾，滿足固相萃取的使用要求。

圖6 聯(lián)苯胺空白樣品液相色譜圖和聯(lián)苯胺的標(biāo)準(zhǔn)曲線圖（內(nèi)附圖）Figure 6 Liquid chromatogram of blank sample and the standard curve of benzidine (inside image)

圖7 三聚氰胺空白樣品液相色譜圖和三聚氰胺 標(biāo)準(zhǔn)曲線圖（內(nèi)附圖）Figure 7 Liquid chromatogram of blank sample and the standard curve of melamine (inside image)

由圖 8可知，在 2.00—200 μg·L-1線性范圍內(nèi)，MCX柱對(duì)聯(lián)苯胺的檢測(cè)的回收率與商品柱相近，為 112.7%±3.5%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）為 3.5%（n=3），說明MCX柱均一性好，對(duì)聯(lián)苯胺的萃取性能穩(wěn)定。

圖8 聯(lián)苯胺萃取液的高效液相色譜圖Figure 8 Liquid chromatogram of benzidine

由圖 9 可知，在 8×102—8×104μg·L-1線性范圍內(nèi)，三聚氰胺的回收率為 102.3%±2.8%，RSD為2.6%（n=3）?？傊?，用微波輔助快速制備的MCX固相萃取柱回收率穩(wěn)定，重現(xiàn)性好，具有與市售商品固相萃取柱相近的萃取效率（表3）。

圖9 三聚氰胺萃取液的高效液相色譜圖Figure 9 Liquid chromatogram of melamine

表3 河水中聯(lián)苯胺和三聚氰胺回收率和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差Table 3 Recovery and RSD of benzidine and melamine

為檢驗(yàn)微波輔助法制備固相萃取柱的穩(wěn)定性，采用不同批次制備的萃取柱萃取水樣，結(jié)果見表4。由表可知，不同批次的萃取柱對(duì)萃取聯(lián)苯胺和三聚氰胺均保持穩(wěn)定的回收率，聯(lián)苯胺的回收率在90%—120%、三聚氰胺的回收率在 95%—105%，表明微波輔助快速制備固相萃取填料的方法穩(wěn)定，重復(fù)性強(qiáng)。

表4 不同批次MCX柱對(duì)河水中聯(lián)苯胺和三聚氰胺回收率Table 4 The recovery of benzidine and melamine in the river water sample with different batch of MCX

3 結(jié)論

本文應(yīng)用微波輔助加熱技術(shù)快速制備出形貌較均勻的PS-DVB微球，將固相萃取填料的制備方法由傳統(tǒng)的24 h或72 h縮短為1 h。填料呈單分散的圓球形貌，平均粒徑為54 μm。FTIR和XPS表明引入離子交換基團(tuán)后填料保持PS-DVB的結(jié)構(gòu)且含有磺酸基官能團(tuán)。所制備的MCX填料裝填的固相萃取柱對(duì)河水中的聯(lián)苯胺回收率為112.7%±3.5%，三聚氰胺的回收率為102.3%±2.8%，與兩種國(guó)產(chǎn)知名品牌固相萃取柱和1種國(guó)際知名品牌的固相萃取柱萃取效率相似。因此，微波輔助加熱技術(shù)可以快速制備MCX固相萃取柱填料，降低環(huán)境檢測(cè)中使用固相萃取柱進(jìn)行前處理操作的成本，同時(shí)可有效富集濃縮河水中的聯(lián)苯胺與三聚氰胺等胺類有機(jī)污染物，且萃取效果與商品固相萃取柱相近。