徐 菘， 錢旭芳， 賈金平， 王亞林

(上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240)

固相微萃取(Solid Phase Microextraction，SPME)技術(shù)由加拿大Pawliszyn教授在1990年提出[1]，SPME技術(shù)集采樣、分離、富集以及進(jìn)樣于一體，適用于痕量有機(jī)物的檢測(cè)。由于其操作簡(jiǎn)單，可以與分析儀器聯(lián)用，因此在環(huán)境檢測(cè)[2 - 3]、食品檢測(cè)[4 - 5]以及生物醫(yī)藥[6 - 7]領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。SPME技術(shù)通過(guò)涂在熔融石英絲的固定相對(duì)樣品中的待測(cè)物進(jìn)行吸附、富集，因此涂層材料的選取對(duì)萃取效果尤為重要。目前，美國(guó)Supelco公司已經(jīng)將聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚丙烯酸酯(PA)等高分子涂層材料商業(yè)化，但是這些商業(yè)化涂層材料存在易折斷、價(jià)格昂貴、操作溫度較低、在有機(jī)溶劑中的穩(wěn)定性差(易溶脹)等缺陷[8 - 9]。

碳材料，如富勒烯、石墨烯、活性炭纖維以及碳納米管，由于其優(yōu)異的穩(wěn)定性、高比表面積在SPME領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用。近些年來(lái)有序介孔碳(Ordered Mesoporous Carbon,OMC)因其規(guī)則的孔道結(jié)構(gòu)、高比表面積(可以達(dá)到968 m2/g[10])以及穩(wěn)定的性質(zhì)而受到廣泛的關(guān)注，其在吸附、催化、電化學(xué)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[11 - 13]。Anbia等人以環(huán)氧樹(shù)脂為粘合劑將有序介孔碳CMK-5固定到了銅絲上用于水體中氯酚類物質(zhì)的檢測(cè)[14]，也有學(xué)者采用類似的方法將有序介孔碳CMK-1、CMK-3制備成了SPME涂層[8 - 15]。但是這些制備過(guò)程中引入了環(huán)氧樹(shù)脂，制備得到的纖維仍面臨著高溫易裂解、不耐有機(jī)溶劑等缺陷。因此，本文嘗試以介孔碳合成過(guò)程中使用的前驅(qū)液為粘合劑，將OMC材料固定在不銹鋼絲表面制備萃取纖維，改善了涂層材料熱穩(wěn)定差、溶劑穩(wěn)定性差、易折斷等缺陷，用掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)和氮?dú)馕?脫附對(duì)其進(jìn)行聯(lián)合表征。同時(shí)以不易直接使用氣相色譜法檢測(cè)的水體中的苯系物為研究對(duì)象，優(yōu)化萃取條件，研究其萃取性能，并對(duì)實(shí)際水樣中的苯系物進(jìn)行了檢測(cè)分析，考察了該萃取方法的實(shí)用性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

7890A型氣相色譜(美國(guó)，安捷倫公司)；Pegasus HT飛行時(shí)間質(zhì)譜儀(美國(guó)，力可公司)；DMFAMEWAX色譜柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm，北京迪馬公司)；Autosorb-IQ型比表面儀(美國(guó)，康塔儀器有限公司)；JSM7600掃描電子顯微鏡(日本，JEOL公司)；JEM-2100型透射電子顯微鏡(日本，JEOL公司)；φ0.15 mm不銹鋼絲；商用100 μm聚二甲基硅氧烷(PDMS)涂層萃取頭、85 μm聚丙烯酸酯(PA)涂層萃取頭(美國(guó)，Supelco公司)。

三嵌段共聚物F127 (聚(環(huán)氧丙烯)·聚(環(huán)氧乙烯)·聚(環(huán)氧丙烯) EO106PO70EO106,Mw=126 000)購(gòu)買于Sigma公司；苯、甲苯、乙苯、鄰二甲苯(分析純)(純度≥99%，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；高純氦氣(純度99.999%)；其他所用試劑均為分析純。

1.2 有序介孔碳(OMC)涂層萃取纖維的制備

利用溶劑揮發(fā)自組裝法[16]合成OMC粉末。在40 ℃下，取1 g三嵌段共聚物F127溶于一定量的乙醇中，并按照酚醛樹(shù)脂∶F127=1∶1(質(zhì)量比)加入一定量的酚醛樹(shù)脂-乙醇溶液，繼續(xù)攪拌10 min后，得到透明均一的溶液，取部分溶液作粘合劑，待用。剩余的溶液轉(zhuǎn)移至培養(yǎng)皿中，過(guò)夜揮發(fā)，再置于烘箱中于100 ℃下熱聚24 h，得到淺黃色的薄膜，將薄膜刮下轉(zhuǎn)移至管式爐中，在N2氣氛下進(jìn)行焙燒，升溫速率為1 ℃/min，350 ℃下保持5 h去除模板劑F127，然后在600 ℃下保持2 h進(jìn)行碳化，冷卻至室溫后研磨得到OMC粉末。

先將打磨過(guò)的不銹鋼絲插入待用的酚醛樹(shù)脂-F127-乙醇溶液中，再插入OMC粉末中，待溶液揮發(fā)15 min后，重復(fù)上述過(guò)程數(shù)次，直至獲得適當(dāng)厚度的OMC涂層。之后將不銹鋼絲轉(zhuǎn)入烘箱中于100 ℃下，烘干1 h，隨后轉(zhuǎn)入管式爐中在N2氣氛下進(jìn)行焙燒從而得到負(fù)載有OMC涂層的萃取纖維。此外，纖維制備好后，每次使用前，需將該纖維在He氣氛中老化1 h，老化溫度為250 ℃。

1.3 SPME萃取方式

取40 mL萃取瓶，在其中加入一定量的苯系物溶液和磁力攪拌子，置于恒溫磁力攪拌器上，恒速攪拌；采用所制備的OMC萃取纖維頂空萃取，而后用氣相色譜質(zhì)譜(GC-MS)聯(lián)用技術(shù)進(jìn)行分析。

1.4 GC-MS工作條件

以高純He為載氣，流速為1 mL/min，進(jìn)樣口溫度為250 ℃，采用不分流模式，柱溫采用程序升溫：初始溫度為50 ℃保持2 min，隨后以10 ℃/min的速率升溫至100 ℃，再以20 ℃/min的速率升溫至200 ℃。傳輸線溫度設(shè)定為240 ℃，離子源溫度設(shè)定為200 ℃；電子能量70 eV；質(zhì)量采集范圍為m/z35～350；數(shù)據(jù)采集方式：全掃描；檢測(cè)器電壓1 500 V。

2 結(jié)果與討論

2.1 OMC粉末以及OMC萃取纖維的表征

不銹鋼絲及OMC涂層的微觀形貌通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)觀察，如圖1所示。不銹鋼絲表面光滑(圖1A)；OMC粉末通過(guò)層層交聯(lián)的方式均勻分布在不銹鋼絲表面上，負(fù)載了OMC粉末的纖維表面非常粗糙(圖1B)，有利于萃取效率的提高[17]。萃取纖維的截面照片(圖1C、1D))顯示涂層與基體之間結(jié)合較為緊密，具有良好的機(jī)械性能。

圖1 不銹鋼絲、OMC涂層表面(A、B，放大100倍)及涂層截面(C,D，放大500和2 000倍)掃描電鏡(SEM)圖Fig.1 The SEM images of the surface of stainless wire(A) at magnification of 100,the surface(B) at magnification of 100 and the cross section(C,D) at magnification of 500 and 2 000 of OMC fiber

OMC粉末的吸附脫附等溫線如圖2所示。從圖2(a)中可以看出，該吸附脫附等溫線是典型的Ⅳs型等溫線，在P/P0=0.4～0.7的范圍內(nèi)具有H1型滯后環(huán)，說(shuō)明該材料具有介孔結(jié)構(gòu)，且孔徑分布相對(duì)較窄。孔徑分布曲線圖2(b)同樣也表明涂層材料的孔徑集中在3.4 nm，同時(shí)材料中還有少量的微孔存在。由N2脫附曲線計(jì)算所得到的比表面積為701.413 m2/g，孔容為0.353 cm3/g。為了進(jìn)一步考察OMC粉末的有序結(jié)構(gòu)，對(duì)粉末進(jìn)行了透射電鏡(TEM)分析。從TEM照片(圖2(c))可以看出，制備的OMC具有有序的孔道結(jié)構(gòu)。

圖2 OMC粉末的N2吸附、脫附曲線(a)，對(duì)應(yīng)的孔徑分布曲線(b)和透射電鏡(TEM)圖(c)Fig.2 N2 adsorption-desorption isotherms(a),the corresponding pore distribution curve(b) and the TEM images(c) of the unsupported OMC powder

2.2 萃取條件優(yōu)化

2.2.1萃取方式的影響固相微萃取的萃取方式通常分為兩種：頂空萃取(HS-SPME)和浸入式萃取(DI-SPME)。頂空萃取是將萃取纖維暴露于樣品上方的氣氛中萃取待測(cè)物的方式，但只適用于揮發(fā)性物質(zhì)的檢測(cè)。浸入式萃取是直接將萃取纖維插入樣品基質(zhì)進(jìn)行萃取，方法簡(jiǎn)單，應(yīng)用范圍廣。圖3比較了頂空和浸入萃取方式對(duì)OMC涂層纖維吸附苯系物的性能差異。從圖中可以看出，應(yīng)用頂空萃取法萃取得到的苯系物的量要高于浸入式萃取法，其原因是苯系物易揮發(fā)，加熱后大量的苯系物從水相轉(zhuǎn)移到了氣相。因此后續(xù)實(shí)驗(yàn)都采用頂空萃取的方式。

2.2.2萃取時(shí)間的影響固相微萃取過(guò)程是一個(gè)基于吸附平衡的過(guò)程，萃取時(shí)間對(duì)吸附效果的影響如圖4所示。由圖可見(jiàn)，在10～30 min內(nèi)，4種苯系物的峰面積均隨萃取時(shí)間的增加而增加，表明吸附未達(dá)到平衡，待測(cè)物的吸附量隨吸附時(shí)間的增加而增加；30 min后4種待測(cè)物的峰面積僅有小幅度的波動(dòng)，基本保持不變，說(shuō)明吸附達(dá)到平衡，待測(cè)物的吸附量不再隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。為了達(dá)到最大萃取量，后續(xù)實(shí)驗(yàn)將萃取時(shí)間略作延長(zhǎng)，設(shè)定為40 min。

2.2.3萃取溫度的影響提高萃取溫度能夠加快萃取纖維吸附待測(cè)物的速率；然而萃取纖維吸附待測(cè)物的過(guò)程是放熱的，當(dāng)萃取溫度過(guò)高時(shí)，萃取纖維的解析速率會(huì)高于其吸附速率，萃取量反而會(huì)隨著溫度的增高而減少，因此需要綜合考慮溫度對(duì)萃取效率的影響。如圖5所示，苯的峰面積在20～40 ℃的范圍內(nèi)逐漸增加，隨后減??；而甲苯、乙苯、鄰二甲苯的峰面積在20～30 ℃的范圍內(nèi)逐漸增加，隨后減小。綜合考慮所有待測(cè)物的萃取效果后，萃取溫度選擇為30 ℃。

2.2.4攪拌速率的影響增加溶液的攪拌速率也可以加快待測(cè)物從基質(zhì)中釋放出來(lái)的速度。圖6展示了攪拌速率對(duì)于萃取效率的影響。在400～1 200 r/min內(nèi)4種苯系物的萃取效率均隨攪拌速率的增加而增加，并同時(shí)在1 200 r/min達(dá)到最大值，當(dāng)攪拌速率超過(guò)1 200 r/min后，萃取效率變化不大。在高轉(zhuǎn)速的條件下，盡管待測(cè)物向萃取涂層的轉(zhuǎn)移速率加快，但是轉(zhuǎn)子與萃取瓶的碰撞會(huì)引起纖維的晃動(dòng)，從而導(dǎo)致萃取效率的降低，兩種作用相互疊加導(dǎo)致進(jìn)一步增加攪拌速率也無(wú)法明顯的提高萃取效率。因此在后續(xù)試驗(yàn)中攪拌速率選擇為1 200 r/min。

2.2.5離子強(qiáng)度的影響提高溶液中的離子強(qiáng)度也是增加萃取效率的常用手段之一。對(duì)某些物質(zhì)而言，溶液中離子強(qiáng)度的增加可以促進(jìn)物質(zhì)向頂空氣氛中轉(zhuǎn)移。實(shí)驗(yàn)以常用無(wú)水Na2SO4為添加劑，研究了不同離子強(qiáng)度(0%～20%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))對(duì)OMC纖維萃取苯系物的影響。當(dāng)不加鹽即離子強(qiáng)度為0%時(shí)，OMC纖維萃取4種苯系物的效果最好；隨著離子強(qiáng)度的增加(0%～5%)，纖維的吸附量下降；再進(jìn)一步提高離子強(qiáng)度后(5%～20%)，纖維的萃取量沒(méi)有發(fā)生明顯的改變。這可能是因?yàn)楸较滴锸且环N非極性物質(zhì)且其揮發(fā)性很高。因此在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中不再向溶液中加入無(wú)水Na2SO4。

圖3 萃取方法對(duì)OMC纖維萃取苯系物的影響(n=3)Fig.3 Effect of extraction method on the extraction efficiency of BTEX using OMC fiber(n=3)concentration of benzene series:1 mg/L;ion strength:15%;agitation rate:1 000 r/min;extraction temperature:40 ℃;extraction time:40 min;desorption temperature:250 ℃;desorption time:5 min.

圖4 萃取時(shí)間對(duì)OMC纖維萃取苯系物的影響(n=3)Fig.4 Effect of extraction time on the extraction efficiency of BTEX using OMC fiber(n=3)concentration of benzene series:1 mg/L;ion strength:15%;agitation rate:1 000 r/min;extraction temperature:40 ℃;desorption temperature:250 ℃;desorption time:5 min.

圖5 萃取溫度對(duì)OMC纖維萃取苯系物的影響(n=3)Fig.5 Effect of extraction temperature on the extraction efficiency of BTEX using OMC fiber(n=3)concentration of benzene series:1 mg/L;ion strength:15%;agitation rate:1 000 r/min;desorption temperature:250 ℃;desorption time:5 min.

圖6 攪拌速率對(duì)OMC纖維萃取苯系物的影響(n=3)Fig.6 Effect of agitation rate on the extraction efficiency of BTEX using OMC fiber(n=3)concentration of benzene series:1 mg/L;ion strength:15%;extraction temperature:30 ℃;desorption temperature:250 ℃;desorption time:5 min.

圖7 在最佳條件下萃取苯系物溶液的GC-MS圖Fig.7 The GC-MS choromatogram of benzene series solution under the optimized conditionsconcentration of benzene series:0.5 mg/L;ion strength:0%;agitation rate:1 200 r/min;extraction temperature:30 ℃;extraction time:40 min;desorption temperature:250 ℃;desorption time:3min.Peak 1,2,3,4 refer to benzene,toluene,ethylbenzene and o-xylene,respectively.

2.2.6脫附時(shí)間的影響脫附時(shí)間也是非常重要的一個(gè)因素。合適的脫附時(shí)間既能使待測(cè)物從萃取纖維上完全脫附下來(lái)，同時(shí)也能減少萃取纖維在色譜進(jìn)樣口高溫環(huán)境下的暴露時(shí)間。實(shí)驗(yàn)對(duì)脫附時(shí)間對(duì)萃取效果的影響進(jìn)行研究。當(dāng)脫附時(shí)間達(dá)到2 min時(shí)，4種苯系物均已完全脫附。為了使苯系物能夠完全脫附下來(lái)，后續(xù)實(shí)驗(yàn)中OMC纖維在色譜進(jìn)樣口脫附時(shí)間為3 min。

在最佳萃取條件下萃取苯系物溶液色譜圖如圖7所示。

2.3 OMC纖維的穩(wěn)定性及使用壽命

固相微萃取纖維的穩(wěn)定性包括兩個(gè)方面，熱穩(wěn)定性和溶劑穩(wěn)定性。為了考察自制纖維的穩(wěn)定性，將自制纖維置于GC進(jìn)樣口高溫下暴露1 h或是浸入有機(jī)溶劑中，考察其暴露前后的萃取性能。從表1中可以看出，大部分R值在0.9～1.1之間變化(R為未處理前纖維的萃取量與處理后纖維的萃取量的比值)，說(shuō)明在經(jīng)過(guò)熱處理和溶劑浸沒(méi)后，自制纖維的萃取能力沒(méi)有明顯的下降，也沒(méi)有發(fā)生溶脹或是脫落，其最高使用溫度可達(dá)350 ℃，超過(guò)了SUPELCO公司所有的商用纖維涂層(最高340 ℃)。

表1 OMC纖維的穩(wěn)定性

使用壽命也是評(píng)價(jià)纖維的一個(gè)重要指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)表明，OMC纖維連續(xù)使用150次后，其萃取效率沒(méi)有明顯的下降。說(shuō)明本研究的自制OMC纖維具有良好的耐高溫性、耐溶劑性以及較高的使用壽命，使其在測(cè)定高沸點(diǎn)物質(zhì)和復(fù)雜樣品的測(cè)定中具有良好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2.4 與商品化涂層的對(duì)比

圖8 自制OMC纖維和商業(yè)纖維的比較Fig.8 Comparison of the extraction efficiency on BTEX between OMC fiber and commercial fibersconcentration of benzene series,1 mg/L;ion strength,0%;agitation rate,1 200 r/min;extraction temperature,30 ℃;extraction time 40 min;desorption temperature 250 ℃;and desorption time 3 min

為評(píng)估自制纖維的萃取性能，選取常用商用85 μm PA纖維和100 μm PDMS纖維，在同一萃取條件下與自制的OMC纖維進(jìn)行比較，結(jié)果如圖8所示。苯及其同系物屬于低極性或非極性化合物，根據(jù)相似相容的原理，極性較強(qiáng)的PA涂層纖維對(duì)4種苯系物的富集性能相對(duì)較差，因此在萃取苯系物的能力上表現(xiàn)最差；而PDMS和OMC屬于非極性材料，對(duì)4種苯系物的萃取性能相對(duì)較高。另外，OMC涂層的萃取性能高于PDMS涂層，OMC涂層的萃取性能是100 μm PDMS纖維的11.4～24.2倍。分析其原因可能為：OMC具有較大的比較表面積、發(fā)達(dá)的孔隙、有序的孔道結(jié)構(gòu)以及相對(duì)疏水的表面等優(yōu)勢(shì)。更重要的是，除了OMC與苯系物極性相近外，OMC本身π-π結(jié)構(gòu)與苯系物中的苯環(huán)產(chǎn)生了π-π電子堆積作用，因此苯系物與碳涂層之間有較強(qiáng)的吸附親和力[12]，從而提高了萃取效率。另外兩者相比，萃取效率相差最大的是鄰二甲苯。鄰二甲苯在4種分析物中具有較大的動(dòng)力學(xué)直徑和較小的結(jié)構(gòu)靈活性，OMC豐富的介孔孔隙為其吸附提供了良好的基礎(chǔ)。而PDMS作為一種吸收型的纖維涂層，大分子在涂層中的遷移速度要小于小分子的，PDMS對(duì)鄰二甲苯的萃取量較少，因此兩種涂層在萃取鄰二甲苯的效率上出現(xiàn)了較大的差異。

2.5 方法評(píng)價(jià)

配制0.01～1 000 μg/L標(biāo)準(zhǔn)溶液，在上述優(yōu)化條件下對(duì)4種苯系物進(jìn)行萃取測(cè)定，結(jié)果如表2所示。另外，將自制OMC纖維的萃取性能與其他文獻(xiàn)報(bào)道的固相微萃取涂層萃取苯系物的萃取性能進(jìn)行比較，見(jiàn)表3，結(jié)果表明自制的OMC纖維有優(yōu)于其他涂層或是與其他涂層相當(dāng)?shù)木€性范圍、檢出限以及精密度。

表2 4種苯系物的線性范圍、檢出限、相關(guān)系數(shù)和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差

a：concentration of benzene series,0.5 mg/L.

表3 自制OMC涂層與文獻(xiàn)報(bào)道涂層的比較

2.6 實(shí)際水樣分析

為了考察該方法在實(shí)際樣品中檢測(cè)的可行性，將其用于檢測(cè)自來(lái)水和某湖水中的苯系物，并考察不同加標(biāo)水平下的加標(biāo)回收率。在自來(lái)水和湖水中均沒(méi)有檢測(cè)到上述的4種苯系物；然后在水樣中分別加入50 μg/L和250 μg/L的標(biāo)準(zhǔn)溶液，獲得的加標(biāo)回收率如表4所示，自來(lái)水和湖水的加標(biāo)回收率分別在85.0%～111.9%和81.0%～112.8%之間，可滿足實(shí)際分析的要求。

表4 兩種實(shí)際水樣中4中苯系物的分析結(jié)果和回收率(n=3)

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3 結(jié)論

本文以酚醛樹(shù)脂-F127-乙醇溶液為粘合劑，采用直接粘合的方法將OMC粉末負(fù)載于不銹鋼絲上，制備OMC固相微萃取涂層，該萃取纖維具有良好的熱穩(wěn)定性和溶劑穩(wěn)定性，擴(kuò)大了OMC涂層在固相微萃取領(lǐng)域的使用范圍。同時(shí)，由于OMC具有較高的比表面積和較大的孔容，因此OMC涂層纖維對(duì)苯系物有著良好的萃取能力，用于對(duì)苯系物的檢測(cè)具有較寬的線性范圍、較低的檢出限以及良好的精密度。因此，本文所制備的負(fù)載型萃取纖維在利用固相微萃取技術(shù)測(cè)定水中苯系物的領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。