單羥基七元瓜環(huán)的固相微萃取纖維對環(huán)境水樣中苯酚類物質的分析檢測

王莎莎， 李 霈， 冉金鳳， 董 南*

（貴州大學 化學與化工學院，貴州 貴陽 550025）

苯酚類（Phenols）化合物是一類重要的化學工業(yè)原料，許多工業(yè)領域諸如煤氣、焦化、醫(yī)藥、農藥等工業(yè)排除的廢水中均含有酚類化合物。因其生產和應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]。酚類物質進入環(huán)境后，直接影響了飲用水的質量，對水生物和人們的生命健康產生巨大的危害[4-5]。因為水體的稀釋作用，苯酚類物質在水中的濃度很低，因此測定前需對樣品進行富集、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，但大量使用有機溶劑和操作繁瑣是其主要的缺點。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，于1989年由加拿大Waterloo大學Pawliszy教授課題組提出。這種方法具有樣品用量少、操作簡單、富集倍數(shù)高的特點，可以集成樣品的吸附、解吸、進樣于一體，不使用或使用很少的有機溶劑[6-7]。SPME有多種萃取形式包括管內固相微萃取、固相微萃取纖維和固相微萃取攪拌棒等。SPME對化合物的萃取主要依賴其涂層的物理化學性質（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極性的特點，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)出對這類化合物選擇性較差、熱穩(wěn)定性較低的缺點，因而報道開發(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)生包結作用。瓜環(huán)的端口由羰基氧原子構成呈負電性，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]。多種識別模式使瓜環(huán)表現(xiàn)出分子識別能力強的特點。

本團隊曾報道將普通七元瓜環(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，并將其應用于固相微萃取攪拌棒和毛細管氣相色譜固定相[16-17]。實驗結果表明該涂層的熱穩(wěn)定性好、應用對象廣泛，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，對環(huán)境水樣中的5種酚類化合物同時進行了富集和檢測，取得了滿意的結果。

1 實驗

1.1 儀器與試劑

DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器（鄭州長城工貿有限公司），MODEL818精密酸度計（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毛細管色譜柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）（中國科學院蘭州化學研究所），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的混合儲備液，于冰箱中4℃保存。

根據文獻方法[17]，實驗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[17]，涂層的可能結構如圖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 涂層的可能結構

1.3 固相微萃取頭裝置的制備

取一根長度約為15 cm，直徑約20 μm的石英纖維作為涂層載體。涂漬前對石英纖維進行預處理。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。室溫干燥后，將石英纖維浸泡在1 mol/L的NaOH溶液中1 h以對其表面進行羥基化處理。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。將已預處理好的石英纖維放入“1.2”項制備好的溶膠中浸泡20 min后，通過反復垂直提拉的次數(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套筒中，固定于微量進樣器中后用環(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氣保護下于GC進樣口進行程序升溫老化。依次分別在60、180、250℃下老化1 h，之后在300℃下老化0.5 h。實驗之前，需要將老化好的萃取頭置于氣相色譜儀進樣口解吸3 min以消除纖維涂層上的雜質。制備好的萃取頭經電鏡測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，與本團隊以前報道的結果一致，因此不做過多贅述。有關的表征如電鏡、紅外、熱重等可參見文獻[16-17]。

圖2 自制固相微萃取頭裝置

1.4 SPME Fiber- GC實驗方法

精密量取經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，再插入氣相色譜儀進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下一次分析結果產生影響，在每次萃取開始前，萃取頭應在氣相色譜進樣口解吸5 min后再使用。

1.5 氣相色譜條件

采用FFAP毛細管柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）為色譜分離柱；程序升溫過程：設置初始溫度為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。進樣口溫度為250℃；檢測器溫度為280℃；載氣為高純氮氣（99.999%）；不分流進樣；流速為2.0 mL/min；檢測器為氫火焰離子檢測器（FID）。

2 結果與討論

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、萃取時間、解吸時間等因素對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

萃取溫度對固相微萃取具有較大的影響。溫度升高可加快傳質速度，縮短分析物在涂層上達到平衡所需要的時間，但是過高的溫度會減小被分析物在涂層上的分配系數(shù)導致萃取效率降低[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℃下進行浸入式萃取，經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系。從圖3a可以看出，在30℃時，5種苯酚類化合物的萃取效率均為最佳，故選30℃為實驗萃取溫度。

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，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，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

鹽效應可通過增加溶液中離子強度的方式降低有機物在水中的溶解度，使待測物以分子形式析出，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個酚類化合物的萃取效率在提高。鹽離子濃度為0.3 g/mL時幾乎已達到其飽和濃度，因此采用飽和氯化鈉作為鹽離子濃度。

2.1.4 萃取時間

萃取時間越長，待測物在纖維涂層上吸附的量越多，最后吸附達到平衡，萃取量不再增加。從圖3d可以看出，當萃取時間為50 min時達到最大吸附量，所以選擇50 min為最佳萃取時間。

2.1.5 解吸時間

一般來說，解吸時間越長，目標物解吸越徹底，但解吸時間過長會損害涂層，影響纖維的使用壽命。從圖3e可以看出，解吸時間為3 min時就可獲得最好的萃取效率，因此選擇3 min為最佳解析時間。

圖3 PDMS/Q[7]-OH涂層的萃取纖維對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 萃取頭對水樣中苯酚類化合物的萃取效果進行了比較，結果見圖4。從圖4可以看出，四種萃取頭對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極性有關?？瞻兹苣z-凝膠 PDMS比商品PDMS萃取效率好是因為溶膠-凝膠制備方法使得涂層具有三維網狀結構，萃取面積增大，吸附位點多，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為Q[7]對苯酚類化合物具有良好的分子識別作用[20]，它可提高涂層對目標化合物的選擇性，另外涂層三維網狀結構的優(yōu)勢也提高了涂層的萃取效率，這兩方面共同作用的結果使得自制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分析方法的方法學驗證

精密量取相同體積不同濃度的混合標準溶液分別加入到8 mL水樣中配成一系列濃度的加標溶液，按照“1.4”和“1.5”項下的方法進行處理并測定。以峰高值Y對質量濃度（X，μg/L）進行線性回歸，五個酚類化合物的線性范圍、相關系數(shù)、檢出限、定量限、富集倍數(shù)和日內、日間精密度總結于表1。

表1 五個酚類化合物的線性范圍，相關系數(shù)，檢測限，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進行計算，其中S0為10次空白試劑所測值的標準偏差，S為分析校準曲線的斜率。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，檢測限在0.1～3.1 μg/L之間，日內日間精密度的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。本法對五個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。這是因為涂層的萃取量是一定的，在萃取時，5個酚類化合物之間必然存在著對涂層的競爭吸附作用。與涂層作用能力越強，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，它們增加了整個分子的疏水性，從而提高了與 Q[7]的空腔疏水作用[20]，導致與涂層的作用增強，富集倍數(shù)提高。2-硝基苯酚上的強電負性基團硝基增強了與涂層三維網狀結構上吸附位點的氫鍵相互作用，因而比苯酚與涂層的作用能力強，富集倍數(shù)高。

2.4 實際樣品分析

采取當?shù)鼗ㄏ铀乃畼永帽痉ㄟM行了檢測，沒有發(fā)現(xiàn)目標化合物。向水樣中分別加入高、中和低3種濃度的標準品混合溶液，測定結果如表2，相關的色譜圖如圖5所示。3個加標濃度的平均相對回收率在 70.1%～113.7%之間，RSD在1.1%～8.9%之間，說明所建立方法的準確度和精密度良好，可用于實際水樣中痕量酚類物質的測定。

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定結果（n＝3）

2.5 本方法與其他分析方法的比較

將本方法與文獻報道具有不同涂層的SPME處理環(huán)境水樣中酚類并進行檢測的方法進行了比較，結果如表3所示。從表3可看出，本方法與文獻報道的方法相比具有相當或更好的靈敏度和重現(xiàn)性，同時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定的靈敏度。

表3 本法與其他分析方法的比較

3 結論

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的檢測要求。