雙孔COF材料用于固相萃取水體中16種多環(huán)芳烴

魯秋玉，李明堂，何沛橋，張丹陽，姜紅新*，劉瀟威*

（1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，長春 130012；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全環(huán)境因子控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測所，天津 300191）

多環(huán)芳烴是一類分布廣泛的環(huán)境和食品污染物，具有致癌、致畸、致突變性等特點(diǎn)，對(duì)人類健康構(gòu)成極大威脅[1-2]。由于多環(huán)芳烴具有很好的生物化學(xué)穩(wěn)定性，因此在自然界中很難降解，極易在生物體內(nèi)積累[3]。研究表明，即使接觸痕量的多環(huán)芳徑，也會(huì)增加癌癥的患病率[4]。當(dāng)前，幾乎所有國家都已經(jīng)對(duì)水體及食品中的多環(huán)芳烴制定了嚴(yán)格的限量標(biāo)準(zhǔn)[5-8]。目前，多環(huán)芳烴常用檢測方法是氣相色譜法、液相色譜和質(zhì)譜聯(lián)用法[9-11]等。但實(shí)際水體樣品基質(zhì)復(fù)雜，且多環(huán)芳烴水溶性較低，在水體中通常痕量存在，直接進(jìn)樣檢測的方法無法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定量分析。為了實(shí)現(xiàn)靈敏準(zhǔn)確檢測，有必要在儀器分析前采用一些前處理技術(shù)對(duì)樣品進(jìn)行分離富集。

迄今，已有多種前處理方法被用于多環(huán)芳烴的吸附富集[12-14]，當(dāng)前最為常用的萃取方法包括液液萃取和固相萃取兩種方式。其中液液萃取是利用樣品中不同組分溶解度或分配比的不同來達(dá)到分離、提取或純化的目的。雖然該方法無需特殊裝置，但是操作繁瑣、費(fèi)時(shí)，需要耗費(fèi)大量的有機(jī)溶劑，不僅成本高，而且會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，更為重要的是難以從水中提取高水溶性的目標(biāo)物[14]。固相萃取（Solid phase extrac?tion，SPE）是20 世紀(jì)80 年代中期發(fā)展起來的一項(xiàng)樣品前處理技術(shù)。SPE 是基于液-固相色譜理論，采用選擇性吸附、選擇性洗脫的方式對(duì)樣品進(jìn)行富集、分離、凈化的方法。SPE 具有多重優(yōu)勢(shì)：①可同時(shí)完成樣品富集與凈化，大大提高檢測靈敏度；②比液液萃取速度更快，更節(jié)省溶劑；③可批量處理，吸附劑可以多次重復(fù)使用[15]。吸附劑是SPE 的核心，優(yōu)良的吸附材料不僅可以有效提高萃取能力，還可增加其重復(fù)使用率。共價(jià)有機(jī)骨架（Covalent organic frameworks，COFs）材料是一種新興的晶體多孔有機(jī)聚合物[16]。由于具有高度的穩(wěn)定性、大的比表面積以及易于功能化等優(yōu)點(diǎn)，COFs 材料在吸附分離方面顯示了良好的應(yīng)用前景[17]。目前，在樣品前處理過程中，已有多種COFs 材料用于對(duì)多環(huán)芳烴進(jìn)行吸附富集[18-20]。但傳統(tǒng)的COFs材料通常只有單一尺寸的孔徑。然而實(shí)際樣品中可能同時(shí)存在多種尺寸的多環(huán)芳烴（從含有2個(gè)苯環(huán)的萘到含有5 個(gè)苯環(huán)的苯并（a）芘）。因此為了提高其對(duì)多種不同尺寸目標(biāo)物的吸附性能，兩種或兩種以上孔徑的COFs可能更為理想。近年來出現(xiàn)了不同孔徑的COFs，即異孔COFs，它的出現(xiàn)大大拓寬了COFs 的應(yīng)用范圍[21]，但異孔COFs 作為吸附劑用于多種多環(huán)芳烴吸附富集的研究仍鮮有報(bào)道。

本研究制備了一種同時(shí)具有兩種尺寸（微孔和介孔）孔徑的異孔COFs（圖1），研究了其作為SPE 吸附劑對(duì)多環(huán)芳烴的吸附性能，并結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法（GC-MS）建立了16 種多環(huán)芳烴定量分析的方法。本方法操作簡單、高效靈敏、線性范圍較寬，適用于多種實(shí)際水體樣品中痕量多環(huán)芳烴的準(zhǔn)確測定。

1 材料與方法

1.1 儀器、試劑及材料

氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS，安捷倫7000）由Agilent 7693A 自動(dòng)液體進(jìn)樣器、Agilent 7820A氣相色譜儀和Agilent 7000C質(zhì)譜儀組成；氣相色譜柱固定相（5%苯基）-甲基聚硅氧烷，30 m×250 μm×0.25 μm（安捷倫）；掃描電鏡SEM（日本島津SS-550）；傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR，德國Bruker TENSOR Ⅱ）；X射線粉末衍射儀（PXRD，日本Rigaku Smart Lab 9 kW）；0.22 μm 濾膜（美國PALL）；4-4′聯(lián)苯二甲醛（BPDA，上海畢得醫(yī)藥）和四-（四-氨基苯乙烯）（ET?TA，上海畢得醫(yī)藥）；1-4 二氧六環(huán)，N-N 二甲基乙酰胺（DMF）和乙酸（天津康科德）；丙酮、正己烷、環(huán)己烷、甲基叔丁基醚為色譜純，購自德國默克公司；實(shí)驗(yàn)用水為實(shí)驗(yàn)室一級(jí)水；16 種多環(huán)芳烴標(biāo)準(zhǔn)液（美國Accustandard）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 異孔COFs材料的合成制備

根據(jù)文獻(xiàn)[22]，將180 mg ETTA 和192.6 mg BPDA溶解在9 mL 1-4 二氧六環(huán)中，完全溶解后，在超聲條件下向其中緩慢滴加0.3 mL 6 mol·L-1的醋酸，所得的混合液在常溫條件下放置72 h后，用DMF和1，4二氧六環(huán)交替洗滌，充分去除未反應(yīng)的原料和雜質(zhì)，洗凈的異孔COFs 在60 ℃下真空干燥10 h，最終獲得橙黃色異孔COFs粉末（圖1）。

圖1 異孔COFs的合成示意圖Figure 1 Schematic diagram for synthesis of heteropore COFs

1.2.2 實(shí)驗(yàn)樣品制備

通過向?qū)嶒?yàn)用水中定量添加多環(huán)芳烴混合標(biāo)準(zhǔn)溶液制備實(shí)驗(yàn)樣品。

1.2.3 樣品前處理

實(shí)驗(yàn)樣品混合均勻后，過0.22 μm 濾膜，直接上機(jī)測定。

1.2.4 吸附富集過程

吸附富集實(shí)驗(yàn)具體步驟如下：將3 mg COFs 材料加入40 mL多環(huán)芳烴加標(biāo)實(shí)驗(yàn)樣品中，超聲30 min 使COFs 充分接觸多環(huán)芳烴。然后以10 000 r·min-1的轉(zhuǎn)速離心3 min，將COFs材料從樣品中分離并去除上清液。向分離后的COFs 材料中加入1 mL 丙酮并超聲30 min，收集洗脫液加入無水硫酸鎂去除其中的水分，過0.22μm濾膜后上機(jī)測定。

1.3 儀器條件

1.3.1 氣相條件

載氣為氦氣，速度36.623 cm·s-1，恒流模式；不分流模式進(jìn)樣（1 μL），傳輸線溫度280 ℃。梯度程序：初始60 ℃（保持1 min），以40 ℃·min-1升溫至170 ℃，然后以10 ℃·min-1升到310 ℃（保持3 min）。

1.3.2 質(zhì)譜條件

離子源：電子轟擊離子源（EI），離子源溫度280 ℃；檢測方式：多反應(yīng)監(jiān)測（MRM）。16 種多環(huán)芳烴多重反應(yīng)監(jiān)測的質(zhì)譜條件見附表1（附表、附圖可掃描首頁OSID碼查看，下同）。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法及作圖軟件

掃描電子顯微鏡圖未經(jīng)任何處理；傅里葉紅外光譜圖利用Origin 軟件繪制；X 射線晶體衍射圖依據(jù)MS Jade（Materials Studio Jade）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用Origin 軟件作圖；N2吸附-解吸等溫線圖依據(jù)非定域密度泛函理論（Nonlocal density functional theory，NLDFT）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用Origin 軟件繪圖。另外SPE條件優(yōu)化圖均利用Origin軟件繪制。

2 結(jié)果與討論

2.1 異孔COFs材料的表征

如圖2A 所示，制備的異孔COFs具有二維平面結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)不規(guī)則的形態(tài)。同時(shí)利用FT-IR 和PXRD 對(duì)其化學(xué)組成進(jìn)行了分析。如圖2B所示，單體ETTA和BPDA 的特征峰在COFs 材料的譜圖上都有體現(xiàn)，如兩個(gè)單體在1 499、1 594 cm-1處的芳香環(huán)上的伸縮振動(dòng)峰，814 cm-1處為典型的苯環(huán)對(duì)應(yīng)峰，以及ETTA 單體在3 420 cm-1處伸縮振動(dòng)峰，說明COFs 材料成功合成。圖2C 是COFs 的X-射線衍射圖譜，圖譜中2θ為2.19°處的衍射峰對(duì)應(yīng)（100）晶面，同文獻(xiàn)中報(bào)道的雙孔COFs 完全一致[22-23]，表明此COFs具有AA堆疊模型的雙孔結(jié)構(gòu)。圖2D氮吸附解吸測定結(jié)果是Ⅰ型和Ⅳ型氮?dú)馕降葴鼐€型的組合，直觀地證明本研究制備的異孔COFs 同時(shí)包含微孔和介孔兩種尺寸孔徑。

圖2 異孔COFs的表征Figure 2 Characterization of heteropore COFs

2.2 SPE條件優(yōu)化

采用單一變量法，對(duì)SPE 的COFs吸附劑用量、萃取時(shí)間、洗脫劑種類、洗脫劑體積和洗脫時(shí)間等萃取條件進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果見圖3。實(shí)驗(yàn)所用的混合樣品中16種多環(huán)芳烴濃度均為5μg·L-1。

2.2.1 吸附劑用量

考察了不同用量（1、2、3、4、5 mg）的COFs吸附劑對(duì)萃取效率的影響，萃取時(shí)間設(shè)為60 min。如圖3A所示，隨著吸附劑用量從1 mg 增加到3 mg，16 種PAHs 的萃取效率顯著提高，之后即使吸附劑用量再增加，萃取效率仍基本保持在穩(wěn)定的水平，因此后續(xù)實(shí)驗(yàn)中吸附劑用量選擇3 mg。

2.2.2 萃取時(shí)間

考察萃取時(shí)間（1、5、10、15、20、25 min）對(duì)萃取效率的影響，COFs用量3 mg，結(jié)果如圖3B所示，結(jié)合16種PAHs 在不同萃取時(shí)間下的萃取效率，在保證較高萃取效率下盡量縮短萃取時(shí)間，選擇15 min為最優(yōu)萃取時(shí)間。

2.2.3 洗脫劑種類

在COFs 用量3 mg、萃取時(shí)間15 min、洗脫時(shí)間60 min 的條件下，研究甲基叔丁基醚、正己烷、環(huán)己烷、丙酮4 種洗脫劑對(duì)洗脫效率的影響，從圖3C 中可以觀察到，丙酮對(duì)多環(huán)芳烴目標(biāo)物具有最佳的洗脫效果，因此后續(xù)實(shí)驗(yàn)中選擇丙酮作為洗脫劑。

2.2.4 洗脫劑體積

在COFs用量3 mg、萃取時(shí)間15 min、洗脫劑為丙酮、洗脫時(shí)間為60 min 的條件下，參考文獻(xiàn)[18-20]，考察洗脫劑體積（0.2、0.4、0.8、1.0、1.2 mL）對(duì)洗脫效果的影響。如圖3D 所示，綜合考慮16 種PAHs 在不同體積洗脫劑下的洗脫效率，在保證較高洗脫效率下盡量減少洗脫體積、提高富集倍數(shù)，選擇1 mL 作為最佳的洗脫劑體積。

2.2.5 洗脫時(shí)間

在COFs用量3 mg、萃取時(shí)間15 min、洗脫劑為丙酮、洗脫劑體積為1 mL 條件下考察洗脫時(shí)間對(duì)洗脫效率的影響。如圖3E 所示，洗脫效率在前10 min 迅速增加，之后的時(shí)間內(nèi)增加緩慢，15 min 后洗脫達(dá)到平衡，基本不再變化，因此在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中洗脫時(shí)間選擇15 min。

圖3 固相萃取條件優(yōu)化Figure 3 Optimization of solid-phase extraction conditions

2.3 方法驗(yàn)證

在優(yōu)化的最佳條件下，配制一系列濃度的16 種多環(huán)芳烴的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，以峰面積對(duì)多環(huán)芳烴質(zhì)量濃度作圖，分析以COFs 作為吸附劑的SPE 前處理方法結(jié)合GC-MS 測定16種多環(huán)芳烴的性能。如表1所示，本方法在0.25～50μg·L-1濃度范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系（R2>0.99）。取3 倍和10 倍信噪比所對(duì)應(yīng)的多環(huán)芳烴濃度作為方法的檢出限（LOD）和定量限（LOQ），16 種化合物的LOD 和LOQ 分別在0.04～0.08μg·L-1和0.10～0.20μg·L-1范圍內(nèi)。

表1 16種多環(huán)芳烴化合物線性范圍、決定系數(shù)、檢出限和定量限Table 1 Linear range，determination coefficient（R2），LOD and LOQ of 16 PAHs

2.4 實(shí)際樣品分析

將建立的方法用于分析天津2 個(gè)不同地區(qū)的地表水樣品，均未檢出16 種多環(huán)芳烴化合物，說明目前該地區(qū)尚未受到此類化合物的污染。如表2 所示，其在0.5、2.0 μg·L-1加標(biāo)水平下的回收率為82.3%～110.1%。同時(shí)得出了標(biāo)準(zhǔn)溶液（多環(huán)芳烴濃度為100μg·L-1）和實(shí)際水樣中添加2.5 μg·L-1多環(huán)芳烴并經(jīng)COFs吸附富集后樣品（多環(huán)芳烴上機(jī)濃度為100μg·L-1）的MRM 圖（附圖1）。相比于標(biāo)準(zhǔn)溶液的MRM圖，樣品的MRM圖中沒有增加任何雜質(zhì)峰，同時(shí)峰高和面積也沒有明顯變化，說明測試過程基本未受干擾，也進(jìn)一步證明了該方法用于實(shí)際水樣中多環(huán)芳烴測定的可行性。

2.5 基質(zhì)效應(yīng)

基質(zhì)效應(yīng)是影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和精密度的主要因素之一，本研究通過以下方法評(píng)價(jià)了使用COFs 作為固相萃取劑富集16 種多環(huán)芳烴的基質(zhì)效應(yīng)。分別用溶劑標(biāo)液和基質(zhì)標(biāo)液配制了兩套標(biāo)準(zhǔn)曲線（曲線范圍10～500 μg·L-1），對(duì)這兩套標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率進(jìn)行了計(jì)算，并在此基礎(chǔ)上計(jì)算了基質(zhì)效應(yīng)（附表2）?；|(zhì)效應(yīng)均為正值，多數(shù)在+20%以內(nèi)，雖然有些基質(zhì)效應(yīng)稍微超過了+20%，但對(duì)測試結(jié)果影響不大，同時(shí)結(jié)合加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)的回收率可充分說明基質(zhì)效應(yīng)不會(huì)對(duì)測試結(jié)果產(chǎn)生干擾。

表2 實(shí)際水體樣品中16種多環(huán)芳烴的測定（平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差，n=10）Table 2 Detection results of 16 PAHs in real surface water samples（Mean±SD，n=10）

2.6 方法比較

為了更為直觀地分析此方法的性能，將本方法與其他材料對(duì)多環(huán)芳烴的吸附性能進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如附表3 所示。與其他材料作為吸附劑的方法相比，本研究所提出的方法具有吸附PAHs 種類齊全、富集倍數(shù)較高、線性范圍較寬等特點(diǎn)。同時(shí)與其他方法相比，本方法可提供更低的檢出限。綜上所述，本方法對(duì)于水體中痕量多環(huán)芳烴的吸附富集是可行的且具有優(yōu)異性能。

3 結(jié)論

（1）采用溶劑熱法合成了異孔COFs 化合物并對(duì)其進(jìn)行了表征，結(jié)果表明異孔COFs 不僅具有高的結(jié)晶度、優(yōu)異的比表面積和高的孔隙率，且同時(shí)擁有兩種尺寸（微孔和介孔）的孔徑。

（2）該雙孔COFs 材料可用于快速萃取環(huán)境水樣中的多環(huán)芳烴。在優(yōu)化的最佳條件下，16 種多環(huán)芳烴在0.25～50μg·L-1濃度范圍內(nèi)與色譜峰面積具有良好的線性關(guān)系（R2>0.99），檢出限為0.04～0.08μg·L-1。

（3）用該方法對(duì)實(shí)際水體樣品進(jìn)行分析，加標(biāo)回收率為82.3%～110.1%。該方法簡單快速、成本低廉、檢出限低、重復(fù)性好，適用于環(huán)境水樣中痕量多環(huán)芳烴的準(zhǔn)確定量檢測。

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