孫美娜， 劉佰威， 項(xiàng) 奇， 王春春， 毛時(shí)強(qiáng)， 沈昊宇*， 葉仙森

(1.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院，浙江寧波 315100； 2.浙江杭康檢測(cè)技術(shù)有限公司,浙江杭州 310011； 3.國家海洋局寧波海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，浙江寧波 315012)

氯酚類(CPs)污染物廣泛存在于環(huán)境中，其中2,4-二氯酚、2,4,6-三氯酚、五氯酚都具有較高的毒性,已被美國環(huán)保局列入優(yōu)先控制污染物名單[1]。海洋環(huán)境中殘留的痕量酚類環(huán)境污染物屬于溶解有機(jī)物。溶解有機(jī)物在海水中的含量雖低，但它和海水的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)卻有很大的關(guān)系，且對(duì)海洋生物的生長和繁殖有重要的作用。隨著人們對(duì)海洋環(huán)境保護(hù)意識(shí)的加強(qiáng)，海洋環(huán)境中殘留痕量酚類污染物的檢測(cè)與防治已成為重點(diǎn)研究方向之一[2]。雖然近年來經(jīng)過研究者們的努力，已經(jīng)建立了氣相色譜法[3 - 4]、液相色譜法[5 - 6]和毛細(xì)管電泳法[7]等CPs化合物的檢測(cè)方法。然而，海水基體復(fù)雜，CPs化合物含量處于痕量水平[8]，往往需要富集后才能準(zhǔn)確測(cè)定。新近發(fā)展起來的以磁性復(fù)合材料為富集材料，建立的磁固相萃取(MSPE)技術(shù)進(jìn)行樣品預(yù)處理，可以克服現(xiàn)有的樣品富集方法存在吸附容量小、富集能力差、不易實(shí)現(xiàn)固液分離等不足，并且在外磁場(chǎng)作用下可以實(shí)現(xiàn)快速、有效固液分離，已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的重要方向之一[9 - 10]。

石墨烯基材料作為一種新型材料，其巨大的應(yīng)用潛力在材料、環(huán)境等眾多領(lǐng)域引起了重視和研究[11]。尤其是近年發(fā)展起來的石墨烯基磁性材料綜合了石墨烯的高吸附性能和磁性材料易分離的特性，在化學(xué)污染物的分離與富集方面有廣泛的應(yīng)用前景[12]。本文采用氨基功能化石墨烯磁性材料為富集材料，建立了一種磁固相萃取-高效液相色譜(MSPE-HPLC)法分離檢測(cè)海水中的痕量氯酚。將磁性納米Fe3O4引入石墨烯材料，并進(jìn)行功能化修飾，可以對(duì)CPs化合物進(jìn)行高選擇性識(shí)別和富集，富集后的復(fù)合材料在外加磁場(chǎng)作用下可實(shí)現(xiàn)快速磁分離。研究表明該方法具有快速、高效、靈敏、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。

1 材料與方法

1.1 儀器與工作條件

大連伊利特液相色譜儀，液相色譜分析條件：采用伊利特 C8反相液相色譜柱(250×4.6 mm i.d.,5 μm)分離，以體積比為70∶30的甲醇-5 mmol/L NH4Ac水溶液為流動(dòng)相，流速1 mL/min，進(jìn)樣量20 μL，用UV230Ⅱ紫外檢測(cè)器在230 nm檢測(cè)。Bruker D8 Advance X-射線衍射儀；日立H-7650透射電子顯微鏡(TEM)和Lake Shore 7410振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)用于材料的表征。

1.2 試劑

4-氯酚(4-CP)、2,4-二氯酚(2,4-DCP)、2,4,6-三氯苯酚(2,4,6-TCP)、2,3,4,6-四氯苯酚(2,3,4,6-TeCP)、五氯苯酚(PCP)(分析純，阿拉丁試劑有限公司)。分別準(zhǔn)確稱取0.05 g各CPs化合物，然后溶于100 mL甲醇中，配制成500 mg/L的儲(chǔ)備液；工作液采用移取一定體積的儲(chǔ)備液用模擬海水稀釋定容，當(dāng)天配制。二乙烯苯(DVB)、甲基丙烯酸縮水甘油酯(GMA)(分析純，F(xiàn)luke試劑有限公司)；1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亞胺(EDC)、N-羥基琥珀酰亞胺(NHS)(TCI Tokyo化學(xué)工業(yè)有限公司)；四乙烯五胺(TEPA)、FeCl3·7H2O、乙二醇(EG)、聚乙二醇400(PEG400)、NaAc、2,2′-偶氮雙(異丁腈)(ABIN)(分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；氧化石墨烯(GO)(先豐納米材料科技有限公司)；甲醇(色譜純，Merck試劑有限公司)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1模擬樣品制備模擬海水樣品按照文獻(xiàn)方法[13]配制，組成如表1所示。

表1 模擬海水樣品組成Table 1 Component of synthesized sea water

1.3.2氨基功能化石墨烯磁性材料合成氨基功能化石墨烯磁性材料(NH2-MGO)按照改進(jìn)的文獻(xiàn)方法[14]合成。其制備過程如下：先采用溶劑熱法制備磁性納米Fe3O4，進(jìn)一步通過沉淀聚合法得到環(huán)氧基功能化的Fe3O4-高分子材料(Fe3O4@P(GMA-co-DVB))；GO經(jīng)酰胺化活化，進(jìn)一步通過TEPA與Fe3O4@-P(GMA-co-DVB)開環(huán)鍵合得到氨基功能化石墨烯磁性材料(NH2-MGO)。

1.3.3磁固相萃取(MSPE)實(shí)驗(yàn)過程移取50.00 mL經(jīng)0.45 μm微孔濾膜真空過濾后的海水樣品，置于150 mL平底燒瓶中，加入20 mg NH2-MGO，溫度308 K下恒溫振蕩10 min，磁分離，棄除上層溶液。然后加入1 mL 1%NaOH的甲醇溶液振蕩4 min進(jìn)行脫附，磁分離，吸取上層清液，氮吹至干，以200 μL 5%HCl-甲醇溶液溶解，過0.2 μm濾膜，在伊利特液相色譜儀上進(jìn)樣分析。

圖1 NH2-MGO的透射電鏡(TEM)圖Fig.1 TEM image of NH2-MGO

2 結(jié)果與討論

2.1 氨基功能化石墨烯磁性材料(NH2-MGO)的表征

圖1為NH2-MGO的透射電子顯微鏡(TEM)圖。由圖1可知，NH2-MGO中磁性高分子為典型的核殼結(jié)構(gòu)，平均粒徑約為800 nm。深色部分為Fe3O4磁核，平均粒徑約為200 nm；淺灰色部分為高分子層，均勻分布在磁核外層，厚度約為300 nm；磁性高分子與氧化石墨烯之間通過共價(jià)鍵實(shí)現(xiàn)交聯(lián)。

圖2為NH2-MGO的磁滯回線(MHL)。從圖2可以看出，NH2-MGO的飽和磁化強(qiáng)度約為45.6 emu/g，磁響應(yīng)良好，能夠在磁場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)良好的分離。

圖3為NH2-MGO的X-射線衍射(XRD)圖。由圖可知，NH2-MGO出現(xiàn)了Fe3O4的6個(gè)典型的2θ角位于30.1°、35.5°、43.1°、53.4°、57.0°和62.6°的吸收峰，分別對(duì)應(yīng)于Fe3O4在(220)、(311)、(400)、(422)、(511)和(440)的吸收，說明NH2-MGO保持了Fe3O4的尖晶石構(gòu)型。

圖2 NH2-MGO的磁滯回線Fig.2 Magnetic hysteresis loop of NH2-MGO

圖3 NH2-MGO的X-射線衍射(XRD)圖Fig.3 XRD of NH2-MGO

2.2 富集條件的優(yōu)化

2.2.2吸附時(shí)間的優(yōu)化考察了吸附時(shí)間對(duì)5種CPs吸附性能的影響。配制5種CPs濃度為2.0 μg/L的混合溶液，加入NH2-MGO 20 mg， 溫度308 K下恒溫振蕩，分別控制吸附時(shí)間為1～20 min，吸附結(jié)束后，磁分離，分析上清液中CPs的含量，結(jié)果如圖5所示。由圖可知，隨著吸附時(shí)間的延長，5種CPs的吸附率逐漸增大，當(dāng)吸附時(shí)間為8 min后，吸附率達(dá)到最大，進(jìn)一步增加吸附時(shí)間，吸附率基本上保持不變。因此，將10 min作為5種CPs的最優(yōu)吸附時(shí)間，用于下一步的實(shí)驗(yàn)。

圖4 溶液pH值對(duì)NH2-MGO吸附CPs的影響Fig.4 Effects of the pH values on the adsorption properties of NH2-MGO to CPs

圖5 吸附時(shí)間對(duì)CPs萃取效率的影響Fig.5 Effect of the extraction time on the extraction efficiency to CPs

2.2.3脫附溶液的選擇分別選擇甲醇、2%氨水甲醇溶液、1%NaOH的甲醇溶液作為5種CPs的脫附溶液，控制溶液體積為1 mL，恒溫振蕩20 min，結(jié)果如圖6所示。由圖可知，當(dāng)甲醇作為脫附溶液時(shí)，2,4,6-TCP、2,3,4,6-TeCP和PCP的回收率可達(dá)80%以上，而另外2種CPs的回收率較低(<80%)?？赡艿脑蚴牵?,4,6-TCP、2,3,4,6-TeCP和PCP苯環(huán)上的取代基團(tuán)較多，酚羥基較難與NH2-MGO之間形成氫鍵作用力，而主要通過π-π相互作用力與石墨烯相結(jié)合，甲醇就能將其破壞，所以三者的脫附率較高；相反地4-CP和2,4-DCP與吸附劑氨基之間存在氫鍵作用力，甲醇難以將其破壞，所以回收率較低。當(dāng)采用2%氨水甲醇溶液作為脫附溶液時(shí)，2,4-DCP的回收率有了明顯的提高，可能的原因是堿性條件不利于氫鍵的形成，但4-CP的回收率(73.2%)并沒有因?yàn)榘彼募尤攵靡燥@著改善，可能是因?yàn)?-CP的沸點(diǎn)相對(duì)較低，在脫附溶液氮吹揮干過程中4-CP有所損失，所以脫附回收率較低。為此，實(shí)驗(yàn)采用1%NaOH的甲醇溶液，將4-CP轉(zhuǎn)化成鈉鹽，減小揮干過程中的損失，從而提高脫附回收率。結(jié)果顯示，當(dāng)1%NaOH甲醇溶液作為脫附溶液時(shí)，4-CP的脫附回收率較為理想(>95%)，而其余4種氯酚的回收率也較高。因此，后續(xù)的實(shí)驗(yàn)選擇1%NaOH的甲醇溶液作5種CPs的脫附劑。

2.2.4脫附劑體積和脫附時(shí)間的優(yōu)化分別以0.5、1、2、3 mL的1%NaOH的甲醇溶液為脫附劑，考察了脫附劑體積對(duì)CPs回收率的影響(圖7)，結(jié)果表明，當(dāng)選擇脫附劑的體積≥1 mL時(shí)，5種CPs的回收率均可以高于90%，且隨著脫附劑體積的增加，回收率無明顯增加；而增加脫附劑的體積，不僅溶劑用量增加，且后續(xù)氮吹的時(shí)間也較長，因此，選擇1 mL 1%NaOH的甲醇溶液為脫附劑較為合理。

圖6 脫附溶液的影響Fig.6 Effect of the desorption solvent on the desorption efficiency to CPs

圖7 脫附溶液體積的影響Fig.7 Effect of the usage amount of desorption solvent on the desorption efficiency to CPs

圖8 脫附時(shí)間的影響Fig.8 Effect of the desorption time on the desorption efficiency to CPs

圖8表明，隨著脫附時(shí)間的延長，5種CPs的脫附率逐漸增大，2,4,6-TCP、2,3,4,6-TeCP和PCP的最大脫附率所需的時(shí)間為2 min，4-CP和2,4-DCP的最大脫附率所需時(shí)間為4 min。綜合考慮，選擇4 min作為5種CPs的脫附時(shí)間。

2.3 方法的檢出限、定量限、回收率和精密度

5種CPs在濃度為1～500 ng/L的范圍內(nèi)與峰強(qiáng)度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)(R2)均大于0.9994，見表2。以3倍信噪比(S/N=3)和10倍信噪比(S/N=10)分別作為檢出限(LOD)和定量限(LOQ)，結(jié)果表明：5種CPs的檢出限分別為0.18～1.20 ng/L，定量限為0.6～4.0 ng/L。

表2 5種CPs的回歸方程、線性范圍、檢出限(LODs)和定量限(LOQs)Table 2 Regression equation,linear range,LODs and LOQs of the five CPs

以不含待測(cè)物的模擬海水樣品為空白，分別加入5種CPs進(jìn)行低、中、高三個(gè)濃度水平的回收實(shí)驗(yàn)(表3)。5種CPs在三個(gè)水平的加標(biāo)回收率分別為92.6%～98.2%、93.2%～99.5%和92.8%～101.2%，日內(nèi)精密度(RSD)為0.6%～6.8%，日間RSD(7 d)為1.0%～7.2%。

表3 5種CPs在模擬海水樣品中的回收率和精密度(RSD)(n=5)Table 3 Precision and accuracy of the five CPs in synthesized sea water samples(n=5)

圖9 海水空白樣品(a)、實(shí)際樣品(b)和5種CPs的加標(biāo)樣品(加標(biāo)2 μg/L)采用MSPE法富集前(c)和富集后(d)的色譜圖Fig.9 Chromatograms of the blank(a),real seawater sample(b) and spiked sample(2 μg/L) before(c) and after(d) MSPE enrichment

2.4 實(shí)際樣品分析與文獻(xiàn)方法比較

采用所建立的方法對(duì)寧波沿海海域的5個(gè)實(shí)際海水樣品中的CPs進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)其中的1種樣品中含有2,4,6-TCP，濃度為6.5 ng/L。圖9為海水空白樣品(未檢出CPs樣品，曲線a)、實(shí)際樣品(曲線b)和加標(biāo)樣品采用MSPE法富集前(曲線c)和富集后(曲線d)的HPLC圖譜，可見本文所建MSPE法可以有效去除海水中基體干擾，達(dá)到富集CPs的目的。將本文所建立的方法與文獻(xiàn)方法[15-25]進(jìn)行比較，本文所建立的MSPE-HPLC方法具有操作簡(jiǎn)單、檢出限低等優(yōu)點(diǎn)。

3 結(jié)論

本文建立了磁固相萃取-高效液相色譜(MSPE-HPLC)法檢測(cè)海水中的5種CPs殘留量的分析方法。樣品經(jīng)氨基功能化石墨烯磁性材料(NH2-MGO)富集、磁固相萃取，通過磁分離，HPLC法檢測(cè)。結(jié)果表明，以NH2-MGO為海水中5種CPs的富集材料，海水樣品無需調(diào)節(jié)pH值，前處理快速簡(jiǎn)便，無需特別裝置，試劑用量少，對(duì)環(huán)境污染小，可以實(shí)現(xiàn)5種CPs化合物的同時(shí)測(cè)定。