石墨烯復(fù)合材料固相萃取環(huán)境水樣中的亞甲基藍(lán)*

仲淑賢， 吳西林， 楊利寧， 陳建榮,

(1.浙江師范大學(xué) 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院,浙江 金華 321004;2.浙江師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,浙江 金華 321004)

石墨烯復(fù)合材料固相萃取環(huán)境水樣中的亞甲基藍(lán)*

仲淑賢1， 吳西林2， 楊利寧2， 陳建榮1,2

(1.浙江師范大學(xué) 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院,浙江 金華 321004;2.浙江師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,浙江 金華 321004)

制備了磁性石墨烯-介孔二氧化硅(G/SiO2/Fe3O4)復(fù)合材料，并將其作為固相萃取的吸附劑，建立了水樣中亞甲基藍(lán)的分離富集方法.對(duì)固相萃取條件如pH、樣品溶液的體積、上樣速率、材料用量、洗脫劑的種類及體積等條件進(jìn)行了優(yōu)化.在最優(yōu)條件下，方法的檢測(cè)限(S/N=3)為10 μg/L，加標(biāo)回收率為94.3%～95.4%.該方法可應(yīng)用于環(huán)境水樣中亞甲基藍(lán)的檢測(cè).

石墨烯復(fù)合材料；固相萃取；亞甲基藍(lán)；環(huán)境水樣

染料廢水的排放造成環(huán)境質(zhì)量的惡化和生態(tài)平衡的嚴(yán)重失調(diào)[1-2].因此，對(duì)水源中染料的監(jiān)測(cè)與去除逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn).染料廢水的處理是目前世界性的難題之一，發(fā)展高選擇性和高靈敏度的染料殘留的分離富集和分析方法顯得極為迫切.

固相萃取技術(shù)具有萃取率高、萃取時(shí)間短、富集倍數(shù)高和污染少等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于樣品的預(yù)處理.近幾年來，碳納米材料等作為新型的吸附劑吸引了科學(xué)家們廣泛的關(guān)注和極大的興趣.這些新型吸附劑主要有高分子聚合物[3]、介孔材料[4]、碳納米管[5]、納米材料[6]、石墨烯[7]等.2011年，文獻(xiàn)[8]首次將石墨烯用作固相萃取的吸附劑，建立了環(huán)境水樣中氯酚的高靈敏檢測(cè)方法.隨后，以石墨烯為固相萃取吸附劑得到了一定程度的發(fā)展，用于不同基質(zhì)樣品中金屬離子[9]、農(nóng)藥[10]、藥物[11]和生物樣品[12]等待測(cè)物的分離富集，有效地消除了干擾物對(duì)測(cè)定的影響.但是，因石墨烯在制備中其厚度、尺寸和形狀不易控制，以及片狀結(jié)構(gòu)容易發(fā)生不可逆團(tuán)聚，阻礙分析物的有效吸附和解吸，從而限制了其在分離富集中的研究和應(yīng)用.為改善這一狀況，將石墨烯與氧化物、金屬納米粒子及聚合物等復(fù)合合成新型石墨烯復(fù)合材料，賦予石墨烯新的特性作為固相萃取吸附劑，逐漸成為研究的方向[13-14].

本文制備了磁性石墨烯-介孔二氧化硅(G/SiO2/Fe3O4)復(fù)合材料用于固相萃取柱為吸附劑，考察了其對(duì)水樣中亞甲基藍(lán)的吸附能力，并對(duì)固相萃取條件如pH、樣品溶液的體積、材料用量、萃取速率及洗脫劑的種類、濃度和體積進(jìn)行了考察，選擇最優(yōu)條件用于實(shí)際水樣的分離與富集.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器

Lambda 25紫外分光光度計(jì)(美國(guó)Perkin Elmer公司)；Sartorius BSA224S電子天平(賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司)；PHS-3C酸度計(jì)(上海儀電儀器股份有限公司)；HGC-8數(shù)控固相萃取儀(廣州智真生物科技有限公司)；ROTANTA-460R型高速離心機(jī)(德國(guó)Hettich)；真空干燥箱(上海比朗儀器有限公司)；Milli-Q超純水系統(tǒng)(Millipore公司)；STA449熱重分析儀(德國(guó)NETZSCH)；2100 JEOL電子透射顯微鏡(日本電子株式會(huì)社).

1.2 試劑

石墨粉(上海阿拉丁試劑有限公司)；亞甲基藍(lán)(天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所)；濃硝酸、丙酮、乙腈、無水乙酸鈉、無水乙醇、六水三氯化鐵、過氧化氫、高錳酸鉀、濃硫酸、十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)均購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；正硅酸乙酯(TEOS，江蘇強(qiáng)盛功能化學(xué)股份有限公司).實(shí)驗(yàn)用水均為二次蒸餾水.

1.3 石墨烯復(fù)合材料的合成

1.3.1 氧化石墨烯的制備

向含有1.0 g石墨粉和1.0 g NaNO3的干燥燒杯中加入33 mL濃硫酸，0～4 ℃冰水浴下攪拌10 min混合均勻，緩慢加入6 g KMnO4，35 ℃水浴中攪拌反應(yīng)90 min，逐滴加入40 mL水，95 ℃繼續(xù)攪拌35 min，加入100 mL水和3～6 mL 5%H2O2溶液，至溶液顏色由深棕色變?yōu)榱咙S色，離心洗滌至中性，60 ℃真空干燥箱烘干，制得氧化石墨烯固體.

1.3.2 G/Fe3O4的制備

在500 mL燒杯中取300 mg氧化石墨烯分散于30 mL乙二醇中，超聲4 h，至完全分散，加入0.125 g六水合氯化鐵，繼續(xù)超聲10 min，再加入1.3 g CH3COONa，攪拌20 min.將上述溶液倒入不銹鋼高壓反應(yīng)釜中,在180 ℃下反應(yīng)8 h，離心5 min，下層沉淀用水和乙醇各洗滌3次，將沉積物在60 ℃真空干燥箱中干燥24 h，制得G/Fe3O4.

1.3.3 G/Fe3O4/SiO2的制備

取G/Fe3O40.4 g超聲分散于200 mL水中，加入2.0 g CTAB作模板劑，4 mg/L NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值至8.5，加入1 mL正硅酸乙酯，40 ℃水浴加熱，攪拌20 h，乙醇離心洗滌3次，真空烘箱中干燥(60 ℃，48 h)，制得G/Fe3O4/SiO2.

1.4 固相萃取過程

稱取4 mg G/Fe3O4/SiO2裝入固相萃取空柱(博納艾爾杰科技有限公司，貨號(hào):AZ001-H，規(guī)格:1 mL)中，并放入上下篩板防止吸附劑損失.萃取前，依次用二次水和甲醇各5 mL緩慢通過固相萃取柱進(jìn)行活化，將100 mL樣品溶液以一定的流速通過固相萃取小柱.選擇合適的洗脫劑，以同樣的速度洗脫，收集洗脫液進(jìn)行測(cè)定.

2 結(jié)果與討論

2.1 G/Fe3O4/SiO2材料表征

圖1中A為氧化石墨烯的透射電鏡圖，由此可見,氧化石墨烯表面具有皺褶結(jié)構(gòu)的片狀結(jié)構(gòu).G/Fe3O4的形貌如圖1中B所示，可以看出，平均尺寸為10 nm左右的Fe3O4納米顆粒均勻地負(fù)載在氧化石墨烯納米片上.由高分辨透射電鏡照片(見圖1中B的內(nèi)嵌圖)進(jìn)一步看出，F(xiàn)e3O4納米顆粒的晶格間距約為0.25 nm，對(duì)應(yīng)于Fe3O4的(311)晶面，表示成功合成了G/Fe3O4復(fù)合結(jié)構(gòu).在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步包覆SiO2納米顆粒.圖1中C顯示尺寸約在20～80 nm的納米球均勻地分散在氧化石墨烯上.通過高倍率的透射電鏡圖(見圖1中D)可以看出，納米球是Fe3O4的小顆粒外包覆著一層厚度約為10 nm的SiO2層的核殼結(jié)構(gòu)，說明成功合成了G/Fe3O4/SiO2復(fù)合材料.

圖2為G/Fe3O4/SiO2復(fù)合材料的熱重分析圖.由圖2可知：在溫度由0 ℃升至100 ℃時(shí)，G/Fe3O4/SiO2復(fù)合材料的質(zhì)量約有10%的減少，原因在于材料中含有一定的水分，此質(zhì)量變化為材料中水分的變化；在溫度由100 ℃升至400 ℃的過程中，G/Fe3O4/SiO2復(fù)合材料的質(zhì)量銳減，原因在于石墨烯在高溫條件下會(huì)被分解而導(dǎo)致復(fù)合材料質(zhì)量銳減；當(dāng)溫度達(dá)到400 ℃之后，因SiO2

圖2 G/Fe3O4/SiO2的熱重分析圖

及Fe3O4較難被分解，所以復(fù)合材料的質(zhì)量基本沒有變化；溫度在100～300 ℃時(shí)，G/Fe3O4/SiO2復(fù)合材料的質(zhì)量變化較小.因此，G/Fe3O4/SiO2復(fù)合材料在一定溫度范圍內(nèi)具有較好的熱穩(wěn)定性.

2.2 固相萃取條件優(yōu)化

2.2.1 樣品溶液pH

樣品溶液的pH對(duì)固相萃取效率具有很大的影響.亞甲基藍(lán)在水中以陽(yáng)離子的形式存在，而G/Fe3O4/SiO2復(fù)合材料帶有負(fù)電荷，通過靜電作用可實(shí)現(xiàn)高效固相萃取.當(dāng)溶液的pH值較小時(shí)，溶液中存在較多的質(zhì)子與亞甲基藍(lán)陽(yáng)離子產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)吸附，極大地影響了復(fù)合材料對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附效率.隨著pH值的增大，溶液中的質(zhì)子數(shù)量逐步減少，因此有更多的亞甲基藍(lán)陽(yáng)離子被吸附，吸附效率增高(見圖3).當(dāng)溶液pH值為11時(shí)，吸附效果最好.再增大pH值到12時(shí)，溶液堿性過大，破壞了亞甲基藍(lán)的存在形式，萃取效率大大降低.因此，選擇樣品溶液的pH值為11.

圖3 樣品溶液pH對(duì)萃取效率的影響

2.2.2 樣品溶液體積

固相萃取是一個(gè)吸附平衡過程.當(dāng)樣品溶液的體積達(dá)到允許流過的最大容量之前，富集倍率隨流過樣品溶液體積的增加而增大；當(dāng)樣品溶液體積超過了最大容量，萃取率會(huì)明顯下降.原因在于：低濃度溶液時(shí)，需富集大體積溶液使目標(biāo)待測(cè)物達(dá)到低檢出限；如果超過最大體積，因目標(biāo)分析物具有一定的保留因子，超出的部分不能被固相萃取柱吸附而隨樣品基質(zhì)流出，致使萃取率降低.本實(shí)驗(yàn)取不同體積(25,50,75,100,125,150和250 mL)1 mg/L亞甲基藍(lán)溶液，經(jīng)過固相萃取柱萃取，研究了樣品溶液體積對(duì)萃取效率的影響.如圖4所示：當(dāng)樣品溶液體積小于100 mL時(shí)，對(duì)分析物的萃取率無太大的影響；但溶液體積大于100 mL時(shí)，固相萃取柱的吸附效果明顯降低.因此，為保證萃取效率，選擇樣品溶液的體積為100 mL.

圖4 樣品溶液體積對(duì)萃取效率的影響

2.2.3 上樣速率

為在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到較好的吸附效果，本實(shí)驗(yàn)對(duì)上樣的速率進(jìn)行了考察.上樣時(shí)，液體流經(jīng)固相萃取柱，如果速度太快，溶液與固相萃取的填料接觸的時(shí)間較少，從而降低了填料的富集能力；如果速度慢，溶液與固相萃取的填料接觸的時(shí)間較長(zhǎng)，填料的富集能力會(huì)增加.本實(shí)驗(yàn)將樣品溶液以不同的流速(0.7～3.5 mL/min)流經(jīng)固相萃取柱，對(duì)其萃取效率進(jìn)行了考察.結(jié)果表明，當(dāng)流速為0.7 mL/min時(shí)，萃取效率可達(dá)95%以上.因此，選擇上樣速率為0.7 mL/min.

2.2.4 材料用量

對(duì)于吸附劑的優(yōu)劣，吸附容量是一個(gè)重要的參考因素.為達(dá)到較好的萃取效果，本實(shí)驗(yàn)對(duì)填料G/Fe3O4/SiO2的用量(1～10 mg)進(jìn)行了探討.當(dāng)G/Fe3O4/SiO2的用量達(dá)到4 mg以后，可實(shí)現(xiàn)對(duì)亞甲基藍(lán)的完全吸附，表明此時(shí)該吸附劑具有顯著的富集能力.因此，選擇4 mg作為G/Fe3O4/SiO2材料的最佳用量.

2.2.5 洗脫劑種類及體積

在上述優(yōu)化的條件下進(jìn)行洗脫實(shí)驗(yàn)，嘗試用甲醇、乙醇、乙腈、甲烷、丙酮、硝酸、硫酸和磷酸進(jìn)行洗脫，考察了不同洗脫劑對(duì)亞甲基藍(lán)的洗脫效率.相同濃度的亞甲基藍(lán)溶液進(jìn)行固相萃取后，用上述洗脫劑分別進(jìn)行洗脫，結(jié)果顯示硝酸可以將吸附于固相萃取柱的亞甲基藍(lán)完全洗脫.由此，選擇硝酸作為該固相萃取柱的洗脫劑.

隨后，對(duì)硝酸的濃度進(jìn)行了討論.隨著硝酸濃度的增加，洗脫效果越來越好，但硝酸濃度過高對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的腐蝕性增大.從保護(hù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和確保較好的洗脫效果方面考慮，選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32.5%的硝酸溶液2 mL進(jìn)行洗脫.

2.2.6 重復(fù)利用率

考慮到填料的再生能力和穩(wěn)定性，對(duì)材料的重復(fù)利用率進(jìn)行了討論.結(jié)果表明，用5 mL水和5 mL甲醇分別流經(jīng)固相萃取柱，對(duì)其填料進(jìn)行再生，吸附洗脫循環(huán)使用7次后回收率逐漸降低.

2.2.7 競(jìng)爭(zhēng)吸附

染料之間存在競(jìng)爭(zhēng)吸附.選擇結(jié)晶紫進(jìn)行對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，其對(duì)亞甲基藍(lán)存在一定的競(jìng)爭(zhēng)吸附，原因是亞甲基藍(lán)和結(jié)晶紫均為陽(yáng)離子染料，可被G/Fe3O4/SiO2通過靜電作用吸附于表面.因此，G/Fe3O4/SiO2亦可實(shí)現(xiàn)其他類似染料的固相萃取.

2.2.8 不同材料固相萃取性能對(duì)比

本實(shí)驗(yàn)對(duì)G，G/Fe3O4及G/Fe3O4/SiO2固相萃取材料進(jìn)行了對(duì)比.石墨烯(G)因其具有片狀結(jié)構(gòu)，很難分散均勻，不利于裝入固相萃取小柱作為萃取劑填料；G/Fe3O4作為固相萃取劑對(duì)亞甲基藍(lán)的萃取效率較G/Fe3O4/SiO2低.原因在于介孔SiO2納米球均勻平鋪在石墨烯片層上，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)石墨烯片層的隔離，有效地防止了石墨烯片層的團(tuán)聚，且G和介孔SiO2都具有較高的比表面積，因此G/Fe3O4/SiO2復(fù)合材料可實(shí)現(xiàn)對(duì)染料的快速萃取.

綜上所述，最佳固相萃取條件為：樣品溶液pH值為11，體積為100 mL；石墨烯復(fù)合材料用量為4 mg；萃取速率為0.7 mL/min；用32.5%的硝酸溶液2 mL進(jìn)行洗脫.

2.3 方法線性范圍與檢測(cè)限

為檢測(cè)方法的可靠性，在最優(yōu)條件下對(duì)方法的線性范圍與檢測(cè)限進(jìn)行了考察.結(jié)果表明：在0.05～1 mg/L濃度范圍內(nèi)，樣品濃度與紫外吸收強(qiáng)度呈良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.998 7；信噪比為3時(shí)，測(cè)得方法的檢測(cè)限為10 μg/L.對(duì)同一樣品多次萃取的重現(xiàn)性進(jìn)行了考察，測(cè)得精密度在8%以內(nèi)，表明此方法具有較好的可靠性.

2.4 環(huán)境水樣分析

在最優(yōu)條件下對(duì)環(huán)境水樣進(jìn)行了分析.水樣取自金華市婺城區(qū)婺江.水樣在萃取前通過0.45 μm濾膜過濾.將100 mL水樣通過裝有G/Fe3O4/SiO2復(fù)合石墨烯材料的固相萃取柱，在最優(yōu)萃取和洗脫條件下進(jìn)行檢測(cè).采用此方法，未檢測(cè)到水樣中含有亞甲基藍(lán).向100 mL水樣中加入0.5，1.0和2.0 mg/L的亞甲基藍(lán)標(biāo)準(zhǔn)品進(jìn)行固相萃取，測(cè)得回收率為94.3%～95.4%(見表1).因此，該方法可用于實(shí)際樣品的測(cè)定.

表1 水樣中加標(biāo)回收率的測(cè)定結(jié)果(n=3)

3 結(jié) 論

本文制備了石墨烯復(fù)合材料G/Fe3O4/SiO2，用于固相萃取柱為吸附劑.研究了該吸附劑對(duì)于樣品中亞甲基藍(lán)的萃取效率，并對(duì)pH值、樣品溶液的體積、吸附劑用量、上樣速率、洗脫劑的種類等條件進(jìn)行了探究，建立了最優(yōu)條件.結(jié)果表明，該方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)亞甲基藍(lán)的萃取富集，具有較高的精密度及方法簡(jiǎn)便、重現(xiàn)性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，并成功應(yīng)用于實(shí)際水樣的分析.因此，作為一種新型的吸附材料，對(duì)于G/Fe3O4/SiO2石墨烯復(fù)合材料作為固相萃取劑可進(jìn)行更深入的研究.

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(責(zé)任編輯 薛 榮)

Application of graphene composites for the SPE clean-up of Methylene Blue from environment water samples

ZHONG Shuxian1, WU Xilin2, YANG Li′ning2, CHEN Jianrong1,2

(1.CollegeofChemistryandLifeSciences,ZhejiangNormalUniversity,Jinhua321004,China； 2.CollegeofGeographyandEnvironmentalSciences,ZhejiangNormalUniversity,Jinhua321004,China)

Synthesis of magnetic graphene mesoporous silica (G/SiO2/Fe3O4) composites and a new method using a column packed with G/SiO2/Fe3O4as sorbent was developed for the separation and preconcentration of Methylene Blue (MB). Some effective parameters on the extraction such as pH, sample volume, flow rates, amounts used of adsorbents, eluent type and its volume were selected and optimized. Under the optimum condition, the qualitative limit (S/N=3) for MB were found to be 10 μg/L, the recoveries for the analytes were in the range of 94.3%～95.4%.The proposed method was showed to be an effective approach for determination of MB in environment water samples.

grapheme composites; solid phrase extraction; methylene blue; environment water sample

10.16218/j.issn.1001-5051.2017.03.008

?2016-11-22；

2017-02-20

浙江省高校化學(xué)重中之重學(xué)科和先進(jìn)催化材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題基金資助項(xiàng)目；浙江省公益性技術(shù)應(yīng)用研究分析測(cè)試項(xiàng)目(2017C37024)

仲淑賢(1984-)，女，山東鄒城人，實(shí)驗(yàn)師.研究方向：樣品前處理及光譜分析.

陳建榮．E-mail: cjr@zjnu.cn>

O658.2

A

1001-5051(2017)03-0294-05