王莎莎， 李 霈， 冉金鳳， 董 南*

（貴州大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，貴州 貴陽 550025）

苯酚類（Phenols）化合物是一類重要的化學(xué)工業(yè)原料，許多工業(yè)領(lǐng)域諸如煤氣、焦化、醫(yī)藥、農(nóng)藥等工業(yè)排除的廢水中均含有酚類化合物。因其生產(chǎn)和應(yīng)用的廣泛性已逐漸成為人類生存環(huán)境中普遍存在的污染物[1-3]。酚類物質(zhì)進(jìn)入環(huán)境后，直接影響了飲用水的質(zhì)量，對(duì)水生物和人們的生命健康產(chǎn)生巨大的危害[4-5]。因?yàn)樗w的稀釋作用，苯酚類物質(zhì)在水中的濃度很低，因此測(cè)定前需對(duì)樣品進(jìn)行富集、濃縮以提高儀器分析的靈敏度。液-液萃取、離子交換萃取、固相萃?。⊿PE）等是傳統(tǒng)的樣品處理方法，但大量使用有機(jī)溶劑和操作繁瑣是其主要的缺點(diǎn)。固相微萃?。⊿oild phase microextraction, SPME）是一種新型微型化和綠色環(huán)保的樣品前處理技術(shù)，于1989年由加拿大Waterloo大學(xué)Pawliszy教授課題組提出。這種方法具有樣品用量少、操作簡(jiǎn)單、富集倍數(shù)高的特點(diǎn)，可以集成樣品的吸附、解吸、進(jìn)樣于一體，不使用或使用很少的有機(jī)溶劑[6-7]。SPME有多種萃取形式包括管內(nèi)固相微萃取、固相微萃取纖維和固相微萃取攪拌棒等。SPME對(duì)化合物的萃取主要依賴其涂層的物理化學(xué)性質(zhì)（如溶劑穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性）、萃取性能和涂層的厚度[8-9]。由于酚類化合物較強(qiáng)極性的特點(diǎn)，目前使用的一些商品涂層纖維如聚二甲基硅氧烷（PDMS） 和聚丙烯酸酯（PA）表現(xiàn)出對(duì)這類化合物選擇性較差、熱穩(wěn)定性較低的缺點(diǎn)，因而報(bào)道開發(fā)了一些新的SPME纖維來萃取這類化合物。這些纖維涂層包括聚苯胺[10]、納米羥基磷灰石[11]、金屬有機(jī)框架[12]和碳納米管等[13]。

瓜環(huán)是一類人工合成的新型大環(huán)化合物。亞甲基橋聯(lián)不同數(shù)目的苷脲單元形成不同空腔大小的瓜環(huán)（Q[n],n＝5～10）。瓜環(huán)的空腔是疏水的，與小分子可通過疏水作用發(fā)生包結(jié)作用。瓜環(huán)的端口由羰基氧原子構(gòu)成呈負(fù)電性，可通過離子-偶極、氫鍵作用與極性分子發(fā)生主客體相互作用[14-15]。多種識(shí)別模式使瓜環(huán)表現(xiàn)出分子識(shí)別能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

本團(tuán)隊(duì)曾報(bào)道將普通七元瓜環(huán)衍生化為單羥基七元瓜環(huán)后與端羥基聚二甲基硅氧烷（OH-PDMS）一起作為固定相，溶膠-凝膠法制備了基于單羥基七元瓜環(huán)的新型涂層，并將其應(yīng)用于固相微萃取攪拌棒和毛細(xì)管氣相色譜固定相[16-17]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該涂層的熱穩(wěn)定性好、應(yīng)用對(duì)象廣泛，可以萃取從非極性到極性的化合物。在本工作中，將此涂層制備成固相微萃取纖維形式并聯(lián)用氣相色譜，對(duì)環(huán)境水樣中的5種酚類化合物同時(shí)進(jìn)行了富集和檢測(cè)，取得了滿意的結(jié)果。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 儀器與試劑

DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器（鄭州長(zhǎng)城工貿(mào)有限公司），MODEL818精密酸度計(jì)（美國奧利龍公司），JY-B型快速渦旋混勻器（江蘇姜堰市康健醫(yī)療器具廠），HP6820氣相色譜儀（美國安捷倫公司），F(xiàn)FAP毛細(xì)管色譜柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）（中國科學(xué)院蘭州化學(xué)研究所），商品PDMS萃取頭（厚度100 μm）和PA 萃取頭（厚度85 μm）購買于色譜科公司（美國）。

制備涂層的試劑包括三氟乙酸（TFA）、 γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷（KH-560）、甲基三甲氧基硅烷（MTMOS）、端羥基聚二甲基硅氧烷（OH-PDMS）和含氫硅油（PMHS），購自阿拉丁試劑公司。其余試劑如丙酮、乙酸、氯化鈉、二氯甲烷等為分析純。去離子水由 Millipore公司超純水器制得。對(duì)照品2-硝基苯酚、2,6-二甲基苯酚、苯酚、2,5-二甲基苯酚、4-乙基苯酚購自阿拉丁試劑公司，用甲醇配成濃度分別為1.0×10-4g/mL的混合儲(chǔ)備液，于冰箱中4℃保存。

根據(jù)文獻(xiàn)方法[17]，實(shí)驗(yàn)室自制單羥基七元瓜環(huán)（Q[7]-OH）。

1.2 溶膠-凝膠涂層的制備

將20 mg Q[7]-OH和300 μL 98% TFA先后加入到7 mL聚乙烯離心管中混勻溶解，然后依次加入500 μL CH2Cl2、300 μL KH-560、300 μL OH-PDMS、30 μL MTMOS和 50 μL PMHS ，將溶液混勻后于12 000 r/min下離心5 min，取上層清液作為溶膠–凝膠涂層。溶膠-凝膠形成的過程可參考文獻(xiàn)[17]，涂層的可能結(jié)構(gòu)如圖1所示。在上述制備過程中不加入Q[7]-OH，其他過程相同就可得到空白溶膠-凝膠PDMS涂層。

圖1 涂層的可能結(jié)構(gòu)

1.3 固相微萃取頭裝置的制備

取一根長(zhǎng)度約為15 cm，直徑約20 μm的石英纖維作為涂層載體。涂漬前對(duì)石英纖維進(jìn)行預(yù)處理。將大約 2 cm的石英纖維浸泡在丙酮中 2 h以除去石英纖維表面的雜質(zhì)。室溫干燥后，將石英纖維浸泡在1 mol/L的NaOH溶液中1 h以對(duì)其表面進(jìn)行羥基化處理。去離子水洗凈后，再將其放入0.1 mol/L的HCl溶液中0.5 h以中和纖維表面殘留的NaOH，最后用去離子水洗凈、烘干備用。將已預(yù)處理好的石英纖維放入“1.2”項(xiàng)制備好的溶膠中浸泡20 min后，通過反復(fù)垂直提拉的次數(shù)來控制涂層的厚度。最后將涂漬好的石英纖維于室溫下成膠24 h備用。

依次取下5 μL微量進(jìn)樣針針尖的套筒和推桿，先將上述涂漬好的石英纖維穿過密封墊，再將石英纖維和密封墊一起穿進(jìn)套筒中，固定于微量進(jìn)樣器中后用環(huán)氧樹脂將推桿和石英纖維粘合，得到如圖2所示的固相微萃取頭裝置。將做好的萃取頭在氮?dú)獗Ｗo(hù)下于GC進(jìn)樣口進(jìn)行程序升溫老化。依次分別在60、180、250℃下老化1 h，之后在300℃下老化0.5 h。實(shí)驗(yàn)之前，需要將老化好的萃取頭置于氣相色譜儀進(jìn)樣口解吸3 min以消除纖維涂層上的雜質(zhì)。制備好的萃取頭經(jīng)電鏡測(cè)量其涂層厚度大約為68 μm（如圖2所示）。萃取頭的涂層表面具有粗糙、多孔的特點(diǎn)，與本團(tuán)隊(duì)以前報(bào)道的結(jié)果一致，因此不做過多贅述。有關(guān)的表征如電鏡、紅外、熱重等可參見文獻(xiàn)[16-17]。

圖2 自制固相微萃取頭裝置

1.4 SPME Fiber- GC實(shí)驗(yàn)方法

精密量取經(jīng)0.45 μm 濾膜過濾后的水樣樣品8.0 mL置于10 mL帶密封墊的樣品瓶中，用鹽酸調(diào)節(jié)溶液的pH為3.0，加入固體NaCl使溶液呈飽和狀態(tài)。采用浸入式萃取方式：輕輕推出1 cm的萃取頭，使之浸泡在待測(cè)溶液里，30℃下攪拌萃取50 min。萃取完成后，將萃取頭收回套筒內(nèi)，再插入氣相色譜儀進(jìn)樣口中推出萃取頭解吸3 min。為避免涂層上滯留的被分析物對(duì)下一次分析結(jié)果產(chǎn)生影響，在每次萃取開始前，萃取頭應(yīng)在氣相色譜進(jìn)樣口解吸5 min后再使用。

1.5 氣相色譜條件

采用FFAP毛細(xì)管柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）為色譜分離柱；程序升溫過程：設(shè)置初始溫度為100℃，保持該溫度1 min，之后以10℃/min的速度升溫到180℃，保持15 min，再以15℃/min的速度升溫到220℃保持15 min。進(jìn)樣口溫度為250℃；檢測(cè)器溫度為280℃；載氣為高純氮?dú)猓?9.999%）；不分流進(jìn)樣；流速為2.0 mL/min；檢測(cè)器為氫火焰離子檢測(cè)器（FID）。

2 結(jié)果與討論

2.1 萃取條件的優(yōu)化

用自制的PDMS/Q[7]-OH固相微萃取纖維考察萃取溫度、pH值、鹽離子濃度、萃取時(shí)間、解吸時(shí)間等因素對(duì)5種苯酚類化合物萃取效率的影響，確定最佳萃取條件。

2.1.1萃取溫度

萃取溫度對(duì)固相微萃取具有較大的影響。溫度升高可加快傳質(zhì)速度，縮短分析物在涂層上達(dá)到平衡所需要的時(shí)間，但是過高的溫度會(huì)減小被分析物在涂層上的分配系數(shù)導(dǎo)致萃取效率降低[18]。采用自制的PDMS/Q[7]-OH固相微萃取頭，分別在20、30、40、50、60、70℃下進(jìn)行浸入式萃取，經(jīng)氣相色譜儀分析后得到各萃取溫度與5種苯酚類化合物峰面積的關(guān)系。從圖3a可以看出，在30℃時(shí)，5種苯酚類化合物的萃取效率均為最佳，故選30℃為實(shí)驗(yàn)萃取溫度。

2.1.2 萃取溶液的pH值

酸性或堿性化合物在溶液中的存在形式受溶液pH值的影響很大。一般中性存在形式更利于涂層的萃取。酚類化合物是酸性物質(zhì)，在酸性條件下以分子形式存在有利于萃取。從圖3b可以看出，5種苯酚類化合物在pH為3時(shí)，萃取效率均為最佳，故選擇pH為3作為最佳萃取pH值。

2.1.3 鹽離子濃度

鹽效應(yīng)可通過增加溶液中離子強(qiáng)度的方式降低有機(jī)物在水中的溶解度，使待測(cè)物以分子形式析出，有利于在涂層上的吸附。從圖3c可以看出，隨著加入鹽離子濃度的增大，5個(gè)酚類化合物的萃取效率在提高。鹽離子濃度為0.3 g/mL時(shí)幾乎已達(dá)到其飽和濃度，因此采用飽和氯化鈉作為鹽離子濃度。

2.1.4 萃取時(shí)間

萃取時(shí)間越長(zhǎng)，待測(cè)物在纖維涂層上吸附的量越多，最后吸附達(dá)到平衡，萃取量不再增加。從圖3d可以看出，當(dāng)萃取時(shí)間為50 min時(shí)達(dá)到最大吸附量，所以選擇50 min為最佳萃取時(shí)間。

2.1.5 解吸時(shí)間

一般來說，解吸時(shí)間越長(zhǎng)，目標(biāo)物解吸越徹底，但解吸時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)損害涂層，影響纖維的使用壽命。從圖3e可以看出，解吸時(shí)間為3 min時(shí)就可獲得最好的萃取效率，因此選擇3 min為最佳解析時(shí)間。

圖3 PDMS/Q[7]-OH涂層的萃取纖維對(duì)酚類化合物萃取條件的優(yōu)化

2.2 自制PDMS/Q[7]-OH萃取頭與商品萃取頭的萃取性能比較

將自制的PDMS/Q[7]-OH萃取頭與非極性的商品PDMS萃取頭、極性的PA萃取頭以及自制空白溶膠-凝膠PDMS 萃取頭對(duì)水樣中苯酚類化合物的萃取效果進(jìn)行了比較，結(jié)果見圖4。從圖4可以看出，四種萃取頭對(duì)酚類化合物的萃取效率依次為：PDMS/Q[7]-OH＞商品PA＞溶膠-凝膠PDMS＞商品PDMS。商品PDMS萃取效率最低與 PDMS涂層是非極性而酚類化合物是強(qiáng)極性有關(guān)?？瞻兹苣z-凝膠 PDMS比商品PDMS萃取效率好是因?yàn)槿苣z-凝膠制備方法使得涂層具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，萃取面積增大，吸附位點(diǎn)多，從而萃取效率得到提高[19]。商品PA因其涂層極性與酚類化合物相近因而具有較好的萃取效率。PDMS/Q[7]-OH的萃取效率最好是因?yàn)镼[7]對(duì)苯酚類化合物具有良好的分子識(shí)別作用[20]，它可提高涂層對(duì)目標(biāo)化合物的選擇性，另外涂層三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)也提高了涂層的萃取效率，這兩方面共同作用的結(jié)果使得自制PDMS/Q[7]-OH萃取頭的萃取性能最好。

圖4 PDMS/Q[7]-OH萃取頭與商品萃取頭對(duì)苯酚類化合物萃取性能的比較（c＝500 μg/L）

2.3 PDMS/Q[7]-OH SMP fiber- GC-FID分析方法的方法學(xué)驗(yàn)證

精密量取相同體積不同濃度的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液分別加入到8 mL水樣中配成一系列濃度的加標(biāo)溶液，按照“1.4”和“1.5”項(xiàng)下的方法進(jìn)行處理并測(cè)定。以峰高值Y對(duì)質(zhì)量濃度（X，μg/L）進(jìn)行線性回歸，五個(gè)酚類化合物的線性范圍、相關(guān)系數(shù)、檢出限、定量限、富集倍數(shù)和日內(nèi)、日間精密度總結(jié)于表1。

表1 五個(gè)酚類化合物的線性范圍，相關(guān)系數(shù)，檢測(cè)限，精密度和富集倍數(shù)

檢出限（LOD）、定量限（LOQ）分別按照公式LOD＝3S0/S和 LOQ＝10S0/S進(jìn)行計(jì)算，其中S0為10次空白試劑所測(cè)值的標(biāo)準(zhǔn)偏差，S為分析校準(zhǔn)曲線的斜率。富集倍數(shù)（EF）由富集后的濃度與富集前的濃度之比得到。從表1可看出，本法的線性范圍在0.5～5 000 μg/L，檢測(cè)限在0.1～3.1 μg/L之間，日內(nèi)日間精密度的RSD≤9.9, 說明該法具有較寬的線性范圍、良好的靈敏度以及重現(xiàn)性。本法對(duì)五個(gè)酚類化合物的富集倍數(shù)為6～104倍，差別較大。2,6-二甲基苯酚和2,5-二甲基苯酚的富集倍數(shù)最高，4-乙基苯酚次之，2-硝基苯酚較低，苯酚最低。這是因?yàn)橥繉拥妮腿×渴且欢ǖ?，在萃取時(shí)，5個(gè)酚類化合物之間必然存在著對(duì)涂層的競(jìng)爭(zhēng)吸附作用。與涂層作用能力越強(qiáng)，該化合物被涂層吸附得也越多。2,6-二甲基苯酚、2,5-二甲基苯酚和 4-乙基苯酚都帶有疏水性的烷基基團(tuán)，它們?cè)黾恿苏麄€(gè)分子的疏水性，從而提高了與 Q[7]的空腔疏水作用[20]，導(dǎo)致與涂層的作用增強(qiáng)，富集倍數(shù)提高。2-硝基苯酚上的強(qiáng)電負(fù)性基團(tuán)硝基增強(qiáng)了與涂層三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)上吸附位點(diǎn)的氫鍵相互作用，因而比苯酚與涂層的作用能力強(qiáng)，富集倍數(shù)高。

2.4 實(shí)際樣品分析

采取當(dāng)?shù)鼗ㄏ铀乃畼永帽痉ㄟM(jìn)行了檢測(cè)，沒有發(fā)現(xiàn)目標(biāo)化合物。向水樣中分別加入高、中和低3種濃度的標(biāo)準(zhǔn)品混合溶液，測(cè)定結(jié)果如表2，相關(guān)的色譜圖如圖5所示。3個(gè)加標(biāo)濃度的平均相對(duì)回收率在 70.1%～113.7%之間，RSD在1.1%～8.9%之間，說明所建立方法的準(zhǔn)確度和精密度良好，可用于實(shí)際水樣中痕量酚類物質(zhì)的測(cè)定。

圖5 PDMS/Q[7]-OH SPME纖維萃取酚類化合物的HPLC-UV色譜圖

表2 花溪河水樣品的分析測(cè)定結(jié)果（n＝3）

2.5 本方法與其他分析方法的比較

將本方法與文獻(xiàn)報(bào)道具有不同涂層的SPME處理環(huán)境水樣中酚類并進(jìn)行檢測(cè)的方法進(jìn)行了比較，結(jié)果如表3所示。從表3可看出，本方法與文獻(xiàn)報(bào)道的方法相比具有相當(dāng)或更好的靈敏度和重現(xiàn)性，同時(shí)具備較寬的線性范圍，說明自制PDMS/Q[7]-OH涂層選擇性好，萃取性能高，能較好地提高儀器測(cè)定的靈敏度。

表3 本法與其他分析方法的比較

3 結(jié)論

使用自制的PDMS/Q[7]-OH固相微萃取纖維，建立了SPME fiber-GC-FID分析測(cè)定水樣中5種酚類化合物的方法。方法的線性范圍寬、檢出限低（0.1～3.1 μg/L）、重復(fù)性好（RSD小于9.9%）、回收率高（70.1%～113.7%），滿足水樣中痕量酚類物質(zhì)的檢測(cè)要求。