基于共價(jià)有機(jī)骨架涂層的攪拌棒吸附萃取/高效液相色譜測定環(huán)境水樣中的多環(huán)芳烴

劉海霞，楊彩玲，饒紅紅，劉 芳，張 麗，趙國虎

（1.蘭州城市學(xué)院 化學(xué)工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.“城市環(huán)境污染控制”甘肅省高校省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070）

多環(huán)芳烴（PAHs）是一類重要的有機(jī)污染物，可在環(huán)境中積累，最終通過食物鏈進(jìn)入人體，具有較大的致癌、致畸、致突變危害［1-2］。該類化合物由兩個(gè)及以上的苯環(huán)結(jié)構(gòu)組成，其中4～6 環(huán)的稠環(huán)PAHs危害最大［3］。此類污染物在環(huán)境中分布廣泛，但常以微量或超微量的水平存在，常規(guī)的分析儀器很難對(duì)其進(jìn)行直接、準(zhǔn)確的檢測，需要結(jié)合樣品前處理技術(shù)進(jìn)行富集。因此，發(fā)展高效、簡易的樣品前處理技術(shù)快速檢測環(huán)境中痕量PAHs顯得非常重要。

近年來，越來越多的新方法被應(yīng)用于PAHs 的富集與檢測。目前報(bào)道的主要有固相萃?。⊿PE）［4-5］、分散固相萃取（DSPE）［6］、分散液液微萃?。―LLME）［7］、磁固相萃?。∕SPE）［8］、固相微萃?。⊿PME）［9-10］和攪拌棒吸附萃取（SBSE）［11］。其中，SBSE 由于具有萃取容量大、富集倍數(shù)高、易分離、簡單、有機(jī)溶劑消耗低及環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)［12-13］，已成為環(huán)境樣品分析中備受青睞的一種樣品前處理技術(shù)。現(xiàn)有文獻(xiàn)表明，涂層是SBSE 獲得良好萃取效果及選擇性的關(guān)鍵因素。而到目前為止，商用涂層只有3 種類型，應(yīng)用最廣泛的商用聚二甲基硅氧烷（PDMS）涂層僅適用于非極性分析物［14］。為滿足不同極性物質(zhì)微量分析的要求，構(gòu)建萃取效率高、萃取動(dòng)力學(xué)快、力學(xué)穩(wěn)定性好的新型涂層攪拌棒將一直是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

金屬有機(jī)骨架、多孔有機(jī)聚合物、介孔二氧化硅和介孔碳等材料因具有大的比表面積、豐富的多孔結(jié)構(gòu)和有效官能團(tuán)，已作為SBSE涂層應(yīng)用于各種目標(biāo)分析物的萃取中［15-16］。共價(jià)有機(jī)骨架（COFs）是由有機(jī)單體通過共價(jià)鍵構(gòu)建而成的一類新型多孔晶體材料［17］。與其他多孔材料相比，COFs不僅具有大的比表面積和良好的孔結(jié)構(gòu)，更重要的是，COFs因其強(qiáng)共價(jià)相互作用具有更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，且π-π相互作用提高了其與目標(biāo)物間的親和力［18］。COFs還具有密度低、通道結(jié)構(gòu)可調(diào)、可修飾功能化及表面足夠多的吸附位點(diǎn)可大大提高對(duì)目標(biāo)分析物的吸附容量等優(yōu)點(diǎn)［19-20］。因此，本研究用1，3，5-三（4-氨苯基）苯（TPB）和2，5-二乙烯基-1，4-苯二甲醛（DVA）兩種單體，在超聲波輔助下，通過原位生長法，在刻蝕不銹鋼絲（ESSW）基體上制備了一種分散良好的共價(jià)有機(jī)骨架（TPB-DVA-COF）涂層攪拌棒，并結(jié)合高效液相色譜（HPLC）建立了環(huán)境水體中6種PAHs目標(biāo)污染物的高效、靈敏、可靠的檢測方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Waters 600 高效液相色譜儀配雙波長紫外-可見檢測器（美國Waters 公司），Waters Symmetry C18反相色譜柱（4.6 mm×150 mm，5 μm），Waters 2487 雙波長紫外檢測器和N2000 色譜工作站（浙江大學(xué)智達(dá)信息工程有限公司）；Zeiss Ultra Plus 場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM，德國Zeiss公司）：附Aztec-X-80能量色散-X 射線光譜儀（EDX，英國Oxford 公司）；D/Max-2400 X 射線衍射儀（XRD，日本Rigaku 公司）；Talos F200x 透射電子顯微鏡（TEM，美國FEI 公司）；優(yōu)普超純水制造系統(tǒng)（四川優(yōu)普超純科技有限公司）；KQ-500De 型數(shù)控超聲波清洗器（東莞市科橋超聲設(shè)備有限公司）；DF-101S 集熱式恒溫磁力攪拌器（鄭州長城科工貿(mào)有限公司）；304不銹鋼絲（達(dá)晨金屬材料有限公司）。

甲醇（色譜純，山東禹王實(shí)業(yè)有限公司）；氯化鈉 （分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；丙酮和NaOH （分析純，天津光復(fù)科技公司）；HNO3（分析純，煙臺(tái)雙雙化工有限公司）；3-氨丙基三甲氧基硅烷（APTES，純度97%）和1，3，5-三（4-氨苯基）苯（TPB，純度大于93%）購自Aladdin 公司；2，5-二乙烯基-1，4-苯二甲醛（DVA，純度98%）購自Macklin 公司；菲（Phe，99%）、熒蒽（Fla，98%）、芘（Pyr，99%）、?（Chr，99%）、苯并［b］熒蒽（B［b］f，99%）、苯并［a］芘（B［a］p，98%），均購于Aldrich公司。

1.2 TPB-DVA-COF涂層攪拌棒的制備

取一段不銹鋼絲（10 mm×1.2 mm）分別用丙酮和超純水超聲清洗10 min，室溫干燥后將其浸入王水（HCl/HNO3=3∶1，體積比）中預(yù)處理10 min，然后用去離子水和甲醇沖洗，室溫干燥。隨后，將其浸入1 mol/L NaOH溶液中1 h，用去離子水沖洗、干燥。最后將其浸沒在含有20% APTES、8%水和72%乙醇（體積分?jǐn)?shù)）的混合溶液中4 h，并在真空干燥箱中干燥，完成硅烷化。

將以上氨基改性的攪拌棒浸入含一定量DVA 的乙腈溶液中，室溫反應(yīng)5 h，以保證DVA 成功接枝到攪拌棒上。稱取TPB（14.1 mg，0.04 mmol）和DVA（11.2 mg，0.06 mmol）加入到樣品管中，取5 mL乙腈加入樣品管中，在超聲輔助下溶解直至溶液變澄清。然后滴加1 mL 3.4 mol/L 醋酸劇烈振蕩10 s，將改性后的攪拌棒垂直插入樣品管中，靜置3 天后攪拌棒表面生成黃色固體。最后用無水乙醇和超純水沖洗，于60 ℃在真空干燥箱中干燥、備用，具體制備流程如圖1所示。

圖1 共價(jià)有機(jī)骨架涂層（TPB-DVA-COF）攪拌棒的制備流程圖Fig.1 The flow diagram of preparation covalent organic framework coating（TPB-DVA-COF）

1.3 攪拌棒吸附萃取過程

將攪拌棒置于含有10 mL PAHs 混合標(biāo)準(zhǔn)溶液的樣品瓶中，設(shè)置攪拌速率為600 r/min，溫度為45 ℃，攪拌萃取40 min后取出攪拌棒，用濾紙擦干其表面的殘留溶液。將攪拌棒置于含100 μL甲醇的解吸管中解吸3 min。解吸液經(jīng)0.22 μm 濾膜過濾后，取20 μL 解吸溶液待檢測。解吸后的攪拌棒置于甲醇和超純水中分別攪拌清洗10 min后，再重復(fù)使用。

1.4 色譜條件

色譜柱：Waters Symmetry C18（4.6 mm×150 mm，5 μm）；流動(dòng)相：甲醇-水（90∶10，體積比）；流速：1.0 mL/min；UV檢測波長：254 nm；進(jìn)樣量：20 μL。

1.5 水樣的采集與處理

實(shí)驗(yàn)中所測水樣均來自蘭州不同地段的黃河水、污水處理廠廢水和雨水。采集的水樣先用砂芯漏斗過濾懸浮顆粒物，然后用0.22 μm 的微孔濾膜過濾。最后將處理好的實(shí)際水樣儲(chǔ)存在棕色的試劑瓶中，于4 ℃避光保存、備用。

2 結(jié)果與討論

2.1 TPB-DVA-COF涂層的表征

采用SEM 對(duì)涂層的表面形貌和厚度進(jìn)行表征。如圖2A 和2B 所示，不銹鋼絲基體表面生成了均勻且致密的COF，厚度約為5.76 μm，該結(jié)構(gòu)對(duì)提高涂層的吸附性能非常有利［21］。TEM 進(jìn)一步證實(shí)制備了分散性良好且具有球狀結(jié)構(gòu)的COF涂層（圖2C）。對(duì)COF涂層表面元素進(jìn)行分析，EDX結(jié)果表明，其表面由C、N 和O 元素組成（圖2D～2G）。此外，對(duì)從攪拌棒上刮下的COF 材料采用FTIR 和XRD 表征，從圖2H 可以看出，在2θ=2.82o出現(xiàn)強(qiáng)衍射峰，其他5 種衍射峰在2θ=4.76°、5.54°、7.36°、9.74°和25.3°也被觀察到。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道［22］，上述6 種衍射峰分別屬于（100）、（110）、（200）、（210）、（220）和（001）晶面。結(jié)果表明，TPB-DVA-COF 材料具有良好的結(jié)晶度。利用FTIR 對(duì)TPB-DVA-COF 的官能團(tuán)進(jìn)行鑒定，圖2I 中在1 615 cm-1和1 593 cm-1處出現(xiàn)C=N 和C=C 伸縮振動(dòng)峰，為TPB 與DVA 的共價(jià)耦合提供了有力的證據(jù)。上述結(jié)果表明，在不銹鋼絲攪拌棒上成功制備了晶型良好的TPB-DVACOF涂層。

圖2 TPB-DVA-COF的SEM圖（A、B）、TEM圖（C）、EDX圖（D～G）、XRD圖（H）與FTIR圖（I）Fig.2 SEM images（A-B），TEM image（C），EDX images（D-G），XRD spectrum（H） and FTIR spectrum（I） of TPB-DVA-COF

2.2 TPB-DVA-COF涂層攪拌棒的富集性能

采用6 種PAHs 評(píng)價(jià)了TPB-DVA-COF 涂層攪拌棒的富集分離能力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。對(duì)于50μg/L 的6 種PAHs 混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，與HPLC 直接進(jìn)樣（圖3a）相比，裸露的不銹鋼絲攪拌棒對(duì)PAHs 具有一定的萃取富集能力（圖3b），而經(jīng)過TPB-DVA-COF 攪拌棒萃取后（圖3c），6種PAHs表現(xiàn)出更大的富集效果。因此，后續(xù)實(shí)驗(yàn)選擇TPB-DVA-COF涂層攪拌棒對(duì)6種PAHs進(jìn)行萃取性能研究。

圖3 6種PAHs的HPLC圖和SBSE/HPLC圖Fig.3 Chromatograms of six PAHs with direct injection and SBSE/HPLC

2.3 萃取及解吸條件的優(yōu)化

為使TPB-DVA-COF@SBSE 對(duì)6種PAHs達(dá)到最佳的萃取效率，對(duì)離子強(qiáng)度、萃取溫度、攪拌速率、萃取時(shí)間和解吸時(shí)間進(jìn)行了優(yōu)化。由圖4A可見，在0%～15%范圍內(nèi)，6種PAHs的萃取效率隨著NaCl含量的增加而增大，尤其是分子量大的Chr、B［b］f 和B［a］p 的萃取效率明顯增加。當(dāng)NaCl 含量高于15%時(shí)，萃取效率開始下降，這是因?yàn)辂}析效應(yīng)，在水樣中加入鹽可提高有機(jī)分析物的萃取效率，而當(dāng)鹽濃度過高時(shí)，粘度效應(yīng)起主導(dǎo)作用，不利于分析物從溶液擴(kuò)散到纖維涂層［20］。綜合考慮，選取15% 的NaCl控制溶液離子強(qiáng)度。由圖4B 可見，PAHs 在45 ℃之前萃取效率增加，說明提高溫度可顯著提升PAHs 在水中的擴(kuò)散速率，動(dòng)力學(xué)效應(yīng)起主導(dǎo)作用。溫度繼續(xù)升高反而使萃取效率降低，因?yàn)槲竭^程屬放熱過程，熱力學(xué)效應(yīng)起主導(dǎo)作用。故選擇萃取溫度為45 ℃。在萃取過程中，攪拌有利于分析物的擴(kuò)散。如圖4C 所示，在300～800 r/min 范圍內(nèi)，隨著攪拌速率的增大，加快了目標(biāo)分析物的擴(kuò)散，涂層的萃取量增加。當(dāng)攪拌速率超過600 r/min 時(shí)，萃取效率開始有所下降，這是因?yàn)檫^快的攪拌速率使溶液形成漩渦狀，從而影響了纖維的萃取效率，因而選取最佳攪拌速率為600 r/min?？疾炝溯腿r(shí)間在10～60 min范圍內(nèi)對(duì)萃取效率的影響（圖4D），結(jié)果發(fā)現(xiàn)，萃取40 min后，6種PAHs的萃取效率基本不變，說明PAHs在涂層和樣品基質(zhì)中的分配基本達(dá)到平衡。另外，在本實(shí)驗(yàn)所用的解吸管中，100 μL甲醇可使攪拌棒完全浸沒。因此，本實(shí)驗(yàn)以100 μL甲醇作為解吸劑，考察了不同解吸時(shí)間對(duì)PAHs解吸效果的影響。結(jié)果如圖4E所示，攪拌棒可在3 min內(nèi)達(dá)到解析平衡，因此選擇解吸時(shí)間為3 min。結(jié)果表明，TPB-DVA-COF 涂層攪拌棒由于其大的比表面積和優(yōu)異的結(jié)構(gòu)而呈現(xiàn)出快速的吸附和解吸動(dòng)力學(xué)。

圖4 離子強(qiáng)度（A）、萃取溫度（B）、攪拌速率（C）、萃取時(shí)間（D）、解吸時(shí)間（E）對(duì)PAHs萃取效率的影響Fig.4 Effects of ionic strength（A），extraction temperature（B），stirring rate（C），extraction time（D）and desorption time（E） on extraction efficiencies of PAHs

2.4 方法驗(yàn)證

在優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件下，采用TPB-DVA-COF@SBSE/HPLC 法測定6 種PAHs，考察了方法的線性范圍、檢出限（LOD）、富集倍數(shù)和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）。結(jié)果表明，Phe、Fla 和Pyr 在0.20～200 μg/L，Chr、B［b］f和B［a］p在0.05～200 μg/L范圍內(nèi)均具有良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)（r）不小于0.998 5，方法檢出限（3S/N）為0.007～0.150 μg/L。另外通過5 μg/L 的加標(biāo)溶液考察萃取重復(fù)性，結(jié)果表明同一根攪拌棒的RSD 為3.8%～6.1%，批內(nèi)、批間RSD 分別為4.3%～7.8%和5.2%～9.4%。富集倍數(shù)由富集前的色譜峰面積與富集后的峰面積相比得到，6 種PAHs 的富集倍數(shù)為41～225 倍。具體性能參數(shù)見表1。

表1 基于TPB-DVA-COF涂層的分析參數(shù)（n=5）Table 1 Analytical parameters of the proposed method based TPB-DVA-COF coating（n=5）

2.5 實(shí)際樣品分析

采用本方法在最佳實(shí)驗(yàn)條件下分別對(duì)采集于當(dāng)?shù)氐挠晁畼?、河水樣和污水樣中的目?biāo)分析物進(jìn)行富集與檢測，分析結(jié)果見表2，其中生活污水直接進(jìn)樣和萃取后進(jìn)樣檢測的色譜圖如圖5所示。對(duì)3種實(shí)際水樣進(jìn)行5.0、10 μg/L 兩個(gè)水平的加標(biāo)實(shí)驗(yàn)，6 種PAHs 的加標(biāo)回收率分別為89.4%～104%和87.1%～103%，RSD 分別為4.3%～10%和3.6%～9.6%，表明所建立的方法具有良好的準(zhǔn)確度與精密度，可用于不同實(shí)際水樣中PAHs的富集與檢測。

表2 不同環(huán)境水樣中PAHs的分析結(jié)果（n=3）Table 2 Analytical results of PAHs in different environmental water samples（n=3）

圖5 生活污水直接HPLC（a）和TPB-DVA-COF@SBSE/HPLC測定 （b）及加標(biāo)10 μg/L的色譜圖（c）Fig.5 Chromatograms of domestic sewage by direct HPLC （a），TPB-DVA-COF@SBSE/HPLC analysis（b）and spiked with 10 μg/L（c）

2.6 TPB-DVA-COF涂層的穩(wěn)定性及萃取機(jī)理

為考察自制TPB-DVA-COF 涂層的穩(wěn)定性，將攪拌棒浸入甲醇、丙酮、乙腈、二氯甲烷、1.0 mol/L HCl 和2.0 mol/L NaOH 溶液中12 h，未發(fā)現(xiàn)有涂層脫落及溶脹現(xiàn)象。這主要?dú)w因于COF 材料本身耐有機(jī)溶劑，最重要的是通過原位鍵合法在不銹鋼絲和COF 涂層之間形成了穩(wěn)定的共價(jià)鍵。因此，所制備的TPB-DVA-COF具有較長的使用壽命，實(shí)驗(yàn)中攪拌棒被使用80次后，萃取效率無明顯下降（圖6）。另外，該涂層優(yōu)良的萃取親和性主要?dú)w因于TPB-DVACOF 和PAHs 之間的強(qiáng)疏水效應(yīng)和π-π 堆積作用，以及大的比表面積和合適的孔徑。此外，COF 材料的優(yōu)異形貌可有效提高有機(jī)污染物的萃取效率。因此，TPB-DVA-COF 涂層攪拌棒適用于PAHs的分析。

圖6 初次使用TPB-DVA-COF涂層攪拌棒和使用80次后峰面積的比較Fig.6 Comparison of the peak areas of the fresh TPB-DVA-COF coating stir bar with the reused after 80 cycles extraction

2.7 與其它方法比較

將該方法與文獻(xiàn)報(bào)道的PDMS 攪拌棒進(jìn)行比較，結(jié)果見表3。從表中可以看出，本方法的檢出限高于一些PDMS 攪拌棒，但本方法制備的攪拌棒RSD較低，富集倍數(shù)更高。

表3 本方法與其他方法的比較Table 3 Comparison between the proposed method and other reported methods

3 結(jié) 論

本文選用TPB 和DVA 兩種單體，在超聲輔助下，于不銹鋼絲上成功制備了TPB-DVACOF 涂層攪拌棒。其制備方法簡單，制備的涂層具有均一的球狀結(jié)構(gòu)，比表面積大、穩(wěn)定性好。將TPB-DVA-COF 涂層攪拌棒結(jié)合HPLC，建立了環(huán)境水體中6 種PAHs 的檢測方法。本方法具有低的檢出限（0.007～0.150 μg/L），良好的重現(xiàn)性（4.3%～10%）和回收率（87.1%～104%），可滿足復(fù)雜基體中PAHs 的檢測要求，實(shí)驗(yàn)還對(duì)攪拌棒的穩(wěn)定性和可能的萃取機(jī)理進(jìn)行了探討。本方法為開發(fā)新型SBSE涂層材料，以及為復(fù)雜基體中痕量組分的選擇性萃取富集和定量分析提供了參考數(shù)據(jù)。