氧化石墨烯摻雜2,2-雙噻吩和5-甲氧基吲哚共聚物涂層的電化學制備及3種抗抑郁藥的檢測

郭霞飛 孟聰穎 趙發(fā)瓊 曾百肇

摘?要?采用電化學共聚法制備了氧化石墨烯摻雜的聚2，2-雙噻吩和5-甲氧基吲哚復合涂層，并將其用于3種抗抑郁藥西酞普蘭、氟西汀、去甲替林的頂空固相微萃取-氣相色譜檢測。此涂層均勻，呈花椰菜微觀結構，可耐400℃的高溫，經(jīng)連續(xù)使用180次，萃取效率基本保持不變。由于涂層與目標分析物之間強的π-π和氫鍵作用，涂層對目標分析物表現(xiàn)出高的萃取能力和好的萃取選擇性。在優(yōu)化的條件下，方法的線性檢測范圍為0.01～50.00 μg/L，檢出限為4.25～6.25 ng/L。對于不同分析物，單根萃取頭多次檢測的RSD為4.3%～5.3%（n=5），不同涂層的RSD為4.8%～6.5%（n=5）。將本方法用于湖水樣的分析，加標回收率在93.6%～109.0%之間。

關鍵詞?固相微萃取; 2，2-雙噻吩; 5-甲氧基吲哚; 氧化石墨烯; 電聚合; 抗抑郁藥

1?引 言

隨著生活節(jié)奏的加快和壓力的增大，抑郁癥發(fā)病率呈上升趨勢，抗抑郁藥用量也在逐年增長[1，2]，也帶來了一些環(huán)境問題。在以城市污水為主的河流中已檢測到此類藥物， 如氟西汀和舍曲林，雖然含量不高，但對人類的健康有潛在的威脅[3，4]。另外，水生生物具有較高的生物蓄積能力，使得藥物在水生生物中濃度較高，并長期存在[5，6]。而水生生物和人類的關系密切，這無疑增加了對人類健康的影響。因此，對水體等環(huán)境中的抗抑郁藥殘留的檢測有重要意義。

目前，抗抑郁藥的檢測方法已有較多報道。如Hanapi等[7]將負載型離子液體膜萃取與高效液相色譜聯(lián)用檢測丙咪嗪、阿米替林和氯丙嗪。Vaghar-Lahijani等[8]采用超聲輔助離子液體分散液-液微萃?。║A-IL-DLLME）與高效液相色譜-光電二極管陣列檢測器（HPLC-PDA）結合對西酞普蘭和去甲替林進行萃取和檢測。Alves等[9]采用填充吸附劑和HPLC-PDA方法測定尿液中氟西汀、氯米帕明及其代謝物。近年來，固相微萃?。⊿olid-phase microextraction， SPME）也被用于抗抑郁藥的檢測。Jafari等[10]將ε-己內酯和吡咯共聚在鉑絲上，用于尿液和血漿中抗抑郁藥丙咪嗪的SPME，然后用色譜法檢測，取得了良好結果。但這些方法分別只適于某些抗抑郁藥和試樣的檢測。

SPME具有諸多優(yōu)點，應用廣泛。它的效果主要與涂層有關，因此，新型涂層是SPME技術重要的研究內容和方向。聚2，2-雙噻吩（P（BT））和聚5-甲氧基吲哚（P（5-MIn））是富含p-π共軛體系的有機導電聚合物，常用于超級電容器、太陽能電池和傳感器等領域[11～15]，但基于P（BT） 和P（5-MIn）的SPME涂層未見報道。P（BT）的熱穩(wěn)定性好，但單一的P（BT）涂層結構疏松、易破碎[16]。P（5-MIn）的機械性能高，但其導電性差，在不銹鋼絲上電聚合難以得到足夠厚的P（5-MIn）涂層，不宜用于SPME [17]。 電化學共聚和摻雜可結合不同組分的優(yōu)點，克服單聚物存在的不足[18～20]。如Kazemipour等[20]制備了碳納米管摻雜的鄰苯二胺和鄰甲苯胺共聚納米結構用于檢測多環(huán)芳烴，該復合涂層表現(xiàn)出高的萃取性能和長的使用壽命。因此，通過電化學共聚，有望實現(xiàn)BT和5-MIn的優(yōu)勢互補，從而得到性能良好的涂層材料P（BT-5-MIn）。

氧化石墨烯（GO）具有大的表面積、高的化學穩(wěn)定性和強的吸附能力，被認為是良好的吸附劑[21]。GO 帶有許多含氧基團，與石墨烯相比，它與極性分析物有更強的相互作用。此外，GO 在水溶液中有良好的分散性。用于SPME時， GO常與聚合物或粘合劑結合使用。

本研究通過電化學方法制備了GO摻雜的P（BT-5-MIn）復合SPME涂層，采用多種方法對其進行了表征。在此基礎上，采用頂空固相微萃?。℉S-SPME）和GC-FID分析檢測了3種抗抑郁藥。

2?實驗方法

2.1?儀器與試劑

CHI 617A電化學工作站（上海辰華儀器公司），采用三電極系統(tǒng)，包括不銹鋼絲工作電極、鉑絲對電極、Ag/AgCl參比電極; Quanta-200掃描電子顯微鏡（SEM，荷蘭FEI公司）; ?SP-6890型氣相色譜儀（山東魯南瑞虹化工儀器有限公司），配氫火焰離子化檢測器（FID）; N2000色譜工作站（浙江大學智達信息工程有限公司）; 毛細管柱SE-54（5%芐基-95%甲基聚硅氧烷，30 m × 0.25 mm × 0.25 μm，蘭州中科安泰分析科技有限責任公司）。

5-甲氧基吲哚、2，2-雙噻吩和高氯酸四丁基銨（TBAP，>98%）購于阿拉丁化學有限公司（上海）; 氧化石墨烯（99.95%）購于南京XF NANO公司; N，N-二甲基甲酰胺、西酞普蘭（CIT）、氟西?。‵LU）、去甲替林（NOR）、NaCl等試劑購于國藥集團化學試劑公司。用甲醇配制0.010 mg/mL抗抑郁藥標準溶液，置4℃保存。水樣取自武漢市東湖。商用萃取頭為表面有聚二甲基硅氧烷（PDMS）的熔融石英纖維（膜厚100 μm，美國Supelco公司）。

2.2?P（BT-5-MIn）/GO涂層的制備

將不銹鋼絲切成2 cm長，分別用1 mol/L NaOH、1 mol/L HNO3和蒸餾水超聲處理10 min。然后將三電極系統(tǒng)置于含0.10 mol/L TBAP、0.10 mol/L BT、0.010 mol/L 5-MIn和 0.10 mg/mL GO的乙腈溶液中，在0.2～1.6 V電位范圍內循環(huán)掃描20圈，掃速為50 mV/s。電沉積之后的涂層用蒸餾水、甲醇依次清洗去除殘留在涂層上的多余單體和支持電解質，然后置于干燥箱， 室溫放置24 h。 將涂層置于管式電爐內老化，升溫程序設定為： 100℃老化30 min，250℃老化2 h，同時通N2保護。將老化好的萃取頭用環(huán)氧樹脂粘在自制的SPME手柄上。通過測量可知，涂層的厚度約為40 μm。在同樣的實驗條件下制備P（BT）、P（5-MIn）、P（BT-5-MIn）和P（BT-5-MIn）/GO涂層。

2.3?頂空固相微萃取過程

取10 mL 0.35 g/mL NaCl溶液置于15 mL樣品萃取瓶中，用NaOH調節(jié)溶液至pH 11，然后加入適量抗抑郁藥和攪拌磁子，用PTFE材質的硅橡膠塞和鋁蓋將萃取瓶密封好，置于恒溫水浴磁力攪拌器上。當溫度達到設定值時，將萃取頭插入萃取瓶并使其暴露在溶液的上方。萃取一定時間后，將萃取頭插入氣相色譜氣化室解吸4 min。色譜峰面積用于評價SPME涂層材料的萃取性能和效率。

色譜檢測條件： 進樣口采用不分流模式，溫度設為250℃，檢測器溫度為250℃。色譜柱室的升溫程序設定為： 50℃保持3 min，以20℃/min的速率升至170℃，不停留; 再以10℃/min的速率升至260℃，保留2 min; 總運行時間為20 min。

3?結果與討論

3.1?制備條件的優(yōu)化

3.1.1?BT和5-MIn的濃度比?制備的P（BT-5-MIn）/GO復合涂層的性質和萃取性能與BT和5-MIn的濃度比有關。當GO的濃度保持在0.10 mg/mL時，改變BT和5-MIn的濃度比為2∶1、1∶1、1∶5、1∶10 和1∶20，得到的涂層有所不同。在兩者濃度接近時（如2∶1和1∶1），涂層不均勻，肉眼可見裸露的不銹鋼絲。在二者濃度比為1∶5、1∶10 和1∶20時，通過掃描電鏡觀察，涂層較均勻。進一步比較發(fā)現(xiàn)，當兩者的濃度比為1∶10時，得到的涂層對3種抗抑郁藥的萃取效率最高。

3.1.2?GO濃度的影響?改變GO濃度（0＼， 0.05＼，0.10＼， 0.15和0.20 mg/mL）， 考察了GO對所得涂層萃取能力的影響。結果表明，隨著GO濃度增加，萃取效率明顯增加，這是因為GO的引入使涂層表面積增大，也增大了涂層材料與目標分析物的π-π和氫鍵作用。但是，當GO濃度超過0.10 mg/mL時，萃取效率反而下降，這是因為過量GO阻礙了BT和5-MIn的電化學共聚。因此，后續(xù)實驗選用0.10 mg/mL GO。

3.2?P（BT-5-MIn）/GO涂層的表征

3.2.1?FTIR表征 P（BT）、P（5-MIn）、P（BT-5-MIn）和 P（BT-5-MIn）/GO的FTIR圖。對比P（BT）和P（5-MIn）圖可知， P（BT-5-MIn）圖中強而尖的728 cm1峰屬于P（BT）中CSC振動峰[22]; 而3407 cm1 峰為5-MIn中的NH的特征吸收峰，1560 cm1為NH的伸縮和變形振動峰[23]。與GO的譜圖比較可知，在P（BT-5-MIn）/GO 的譜圖中3401和1070 cm1峰為GO特征峰[24]。這說明得到的是P（BT-5-MIn）/GO涂層。

3.2.2?熱重分析 P（BT）、P（5-MIn）、P（BT-5-MIn）和 P（BT-5-MIn）/GO的熱重曲線。P（BT）和P（5-MIn）在達到200℃有明顯重量損失。但是，對于P（BT-5-MIn）和 P（BT-5-MIn）/GO，溫度超過250℃才開始有重量損失; 特別是P（BT-5-MIn）/GO，當溫度達到400℃時，涂層損失量僅9%，說明此復合涂層的熱穩(wěn)定性得到提高。

3.2.3?涂層形貌結構?由P（BT-5-MIn）/GO的掃描電鏡圖可見，此復合涂層較均勻，呈花椰菜的微觀結構。高倍電鏡圖中則看到明顯的褶皺狀結構，表明有GO。單聚BT不均勻，涂層機械性能差，有部分涂層材料散落在不銹鋼絲的周圍; 單聚5-MIn涂層不完整，涂層很薄，裸露的不銹鋼絲明顯。可見，摻雜共聚使涂層結構和機械性能得到了改善。

3.3?萃取選擇性

為探究P（BT-5-MIn）/GO復合涂層的萃取選擇性，用其萃取醛類、酯類、胺類和抗抑郁類藥。P（BT-5-MIn）/GO復合涂層對抗抑郁藥有較強的萃取作用，這可能是因為抗抑郁藥和P（BT-5-MIn）/GO之間強的π-π相互作用和氫鍵作用，因為涂層和抗抑郁藥都含有π電子，以及OH、COOH和NH2基團。

3.4?不同圖層萃取能力比較

P（BT）、P（5-MIn）、P（BT-5-MIn）、P（BT-5-MIn）/GO和商用的PDMS（厚度： 100 μm）的萃取能力比較。在涂層厚度、萃取解析條件相同的條件下，它們的萃取能力為： P（BT-5-MIn）/GO>PDMS>

P（BT-5-MIn）>P（BT）>P（5-MIn），說明P（BT-5-MIn）/GO復合涂層對目標分析物具有較高的萃取能力。

3.5?萃取和解析條件的優(yōu)化

溫度是影響萃取效果的一個重要因素。溫度升高，有利于被分析物質的揮發(fā)及在涂層材料里的傳質，使萃取效率提高; 但升溫也會減弱分配和吸附作用，導致萃取量減少。當萃取溫度達到40℃時，萃取效率達到最大值。因而選擇在40℃萃取。

SPME是一個平衡吸附過程，萃取總量和萃取時間有著密切關系。萃取時間還會影響分析方法的靈敏度和重現(xiàn)性。萃取40 min基本達到萃取平衡，這時萃取量也最大。

利用鹽析效應可降低分析物在溶液中的溶解度，增加分析物在頂空相中的濃度，從而增加萃取量。本研究中， NaCl的濃度從0.15 g/mL增加到0.35 g/mL時，萃取量隨之增加。因此，選用0.35 g/mL NaCl（近飽和NaCl溶液）作為基質。

對于弱酸和弱堿性物質，溶液的pH值會對其在溶液中的存在形式產(chǎn)生影響。以中性分子的形式存在且較易揮發(fā)的物質，有利于HS-SPME。對于這3種抗抑郁藥，隨pH值增大，萃取效率增加; 在pH=11時， 效果最好。

將攪拌速率從200 r/min增加到 600 r/min，發(fā)現(xiàn)萃取效率先增加，后降低，在500 r/min時最大。繼續(xù)增加攪拌速度， 攪拌穩(wěn)定性差，萃取效率反而下降。

將解析時間由1 min延長到5 min，色譜峰面積隨之變大; ?但4 min后，峰面積基本保持不變。所以，解析4 min足以使目標分析物從萃取涂層上完全解析出來。

3.6?方法性能評價

P（BT-5-MIn）/GO復合涂層在優(yōu)化條件下測得的分析性能參數(shù)見表1。以最低濃度下色譜峰面積標準偏差的3倍除以標準曲線的斜率，得到的檢出限（LOD）為4.25～6.25 ng/L; 色譜峰面積與抗抑郁藥濃度在0.01～50.00 μg/L范圍內呈線性關系，線性相關系數(shù)大于0.9958。對5 μg/L抗抑郁藥進行檢測，單根萃取頭的RSD為4.3%～5.3%（n=5），不同涂層的RSD為4.8%～6.5%（n=5）。與文獻報道的測定這些抗抑郁藥的方法比較（表2）[8，9，25，26]可知， 本方法具有低檢出限、寬線性范圍和良好的重復性。此外，P（BT-5-MIn）/GO的使用壽命也較長，經(jīng)吸附/解析循環(huán)使用180次后，萃取效率變化在10%以內（包括其它因素波動的影響），這歸因于P（BT-5-MIn）/GO良好的熱穩(wěn)定性和機械性能。

3.7?實際樣品分析

將3.5 g NaCl加入到10 mL湖水水樣中，攪拌均勻，用NaOH溶液調節(jié)至pH 11，分別加入0、5.0和10.0 μg/L的標準溶液，在上述優(yōu)化的條件下萃取后，峰1～3分別對應西酞普蘭、氟西汀和去甲替林。

進行GC測定。P（BT-5-MIn）/GO用于萃取實際樣品中的抗抑郁藥和加標后的色譜圖。水樣中未檢出目標分析物，加標回收率為93.6%～109.0%。

4?結 論

采用電化學聚合的方法制備了摻雜GO的共聚BT和5-Min復合涂層。復合涂層呈花椰菜微觀結構，與單聚體涂層相比，其機械性能、熱穩(wěn)定性和結構都有較大改進。由于P（BT-5-MIn）/GO和抗抑郁藥之間的氫鍵和π-π相互作用，涂層對其表現(xiàn)出高的萃取效率和萃取選擇性。與GC聯(lián)用進行檢測，3種抗抑郁藥的線性范圍寬、檢出限低。將本方法用于實際水樣檢測，加標回收率為93.6%～109.0%。

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