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    鎳鉻合金纖維上原位可控生長鎳鉻層狀雙氫氧化物納米片及其對氯酚的固相微萃取

    2025-04-17 00:00:00劉海霞饒紅紅劉芳鄭艷萍姜永強
    分析化學 2025年3期
    關鍵詞:固相微萃取

    摘要 以機械強度高、柔韌性強、抗蝕性能好和熱穩(wěn)定性高的鎳鉻合金絲(NiCr)為纖維基體,采用原位生長策略在NiCr纖維基體上組裝了鎳鉻層狀雙氫氧化物納米片(NiCr LDHs NSs)。將所組裝的NiCr@NiCr LDHs NSs纖維與高效液相色譜-紫外檢測(HPLC-UV)聯(lián)用,對氯酚類化合物(CPs)的萃取性能進行了研究。結果表明,與商品化的聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚二甲基硅氧烷/二乙烯基苯(PDMS/DVB)和聚丙烯酸酯(PA)纖維相比, NiCr@NiCr LDHs NSs 纖維對CPs 顯示良好的萃取選擇性和更高的萃取效率。在優(yōu)化的實驗條件下,本方法檢測0.2~200 μg/L 濃度范圍內的CPs 具有良好的線性關系,相關系數(shù)(R2)gt;0.9989,檢出限(LODs)和定量限(LOQs)分別為0.050~0.157 μg/L 和0.165~0.502 μg/L。單根纖維的日內和日間相對標準偏差(RSDs)分別在2.85%~4.05%和3.16%~4.96%之間。將本方法應用于環(huán)境水樣中目標CPs 的萃取富集和測定,加標回收率為80.0%~106.9%, RSDs 在3.12%~7.81%之間。制備的NiCr@NiCr LDHs NSs 纖維組裝精密可控,可穩(wěn)定使用240 次以上。

    關鍵詞 鎳鉻合金纖維;鎳鉻層狀雙氫氧化物;原位生長;固相微萃??;氯酚

    苯酚及其衍生物是日常生活中廣泛使用的化學品,尤其是廢水中含有大量酚類物質[1]。氯酚類化合物(CPs)不僅會嚴重影響人體神經系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng),也會對人體健康造成潛在的危害,具有持久性、毒性和致癌性[2]。這類污染物被排放入生態(tài)環(huán)境中會造成嚴重的水污染。因此,建立快速靈敏的環(huán)境水體中CPs 的檢測方法至關重要。

    固相微萃?。⊿PME)作為一種綠色的無溶劑樣品預處理技術,集采樣、萃取、富集、凈化和進樣于一體,通常由SPME 纖維完成[3]。層狀雙氫氧化物(LDHs)由于其可調控的內部結構、高的比表面積、豐富的金屬離子位點和良好的耐水性能,已發(fā)展成為有良好發(fā)展前景的SPME 纖維涂層材料[4]。作為一類層狀結構的2D 無機納米材料, LDHs主要由帶正電荷的金屬陽離子和層間陰離子或水分子構成,常采用通式[M1?x 2+ Mx3+(OH)2]x+(An?)x/n·mH2O 表示,其中, M2+和M3+分別代表二價和三價金屬陽離子, An?代表存在于層間電荷平衡的陰離子, m 為水分子的數(shù)量[5]。研究結果表明,層間陰離子可以調節(jié)LDHs層間距,影響其熱穩(wěn)定性和重結晶行為,從而改變其結構與性質,進而影響其對分析物的表面吸附性能[6-7]。因此, LDHs 的結構和吸附性能可通過層間陰離子進行調控。

    近年來,研究者已經成功通過物理粘附法在不銹鋼絲上制備了LDHs 涂覆SPME 纖維,或者在外源金屬離子存在下直接在金屬絲上生長LDHs[8]。但通過這些方法將LDHs 固定在纖維基體上通常存在一些弊端[9],例如, LDHs 結構的坍塌使得纖維的使用壽命較短以及與纖維基體之間缺乏強有力的結合力而脫落等。因此,在不加任何外源金屬離子源的情況下,直接在金屬合金絲基體上原位生長目標LDHs是一種理想的策略。在SPME 中,鈦絲、銅絲、鋁絲、不銹鋼絲和鎳鈦合金絲等金屬纖維因具有良好的物理化學性能和極大的使用便利性,已被用作吸附材料原位生長的基體[10-11]。鎳鉻合金(NiCr)絲作為一種市售且成本低廉的合金纖維,因其獨特的耐腐蝕性、高的熱穩(wěn)定性、強的機械性能及優(yōu)異的柔韌性在很多領域有廣泛的應用,因此可以被嘗試替代熔融石英纖維[12-13]。目前,文獻報道的NiCr 纖維在SPME中的應用主要通過引入外源吸附涂層,而未對NiCr 纖維基體本身的處理進行深入研究。

    本研究采用NiCr 絲作為纖維基體,以自身Ni 和Cr 元素為金屬源,在NiCr 纖維基體上原位水熱可控生長鎳鉻層狀雙氫氧化物納米片(NiCr LDHs NSs)。將其與高效液相色譜-紫外檢測器(HPLC-UV)聯(lián)用,選擇4 種氯酚(CPs)為目標分析物,對所組裝NiCr@NiCr LDHs NSs 纖維的萃取性能進行了評價。與商品化的聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚二甲基硅氧烷/二乙烯基苯(PDMS/DVB)和聚丙烯酸酯(PA)纖維的萃取性能進行了對比研究。在優(yōu)化的實驗條件下,所組裝的NiCr@NiCr LDHs NSs 纖維與HPLC-UV 聯(lián)用對實際水樣中的4 種CPs 進行了富集與檢測,結果令人滿意。

    1 實驗部分

    1.1 儀器與試劑

    LC-10A 高效液相色譜儀(日本Shimadzu 公司),配紫外檢測器;C18色譜柱(250 mm×4.6 mm,5 μm,美國Diamonsil 公司)用于分離目標分析物;SPME-HPLC 接口(美國Supelco 公司);Ultra Plus 型掃描電子顯微鏡(SEM,德國Zeiss 公司),附Aztec-X-80 能量色散X-射線光譜儀;D/max-2400 X 射線粉末衍射儀(XRD,日本Rigaku 公司);超純水制備系統(tǒng)(四川優(yōu)普超純科技有限公司);PC-420D 電磁加熱攪拌器(美國Corning 公司);KQ-500De 型數(shù)控超聲波清洗器(東莞市科橋超聲設備有限公司);真空干燥箱(上海一恒科學儀器有限公司);PHS-3C 型酸度計(上海儀電科學儀器股份有限公司);鎳鉻合金纖維(Ni/Cr, 80%/20%,? 250 μm,美國Alfa Aesar 公司);100 μm PDMS 纖維、85 μm PA 纖維和65 μmPDMS/DVB 纖維(美國Supelco 公司);0.45 μm/0.22 μm 聚偏氟乙烯微孔膜(上海興亞凈化材料廠)。

    2-氯苯酚(2-CP, 100%)、2,4-二氯苯酚(2,4-DCP, 99.8%)、2,6-二氯苯酚(2,6-DCP, 99%)和2,4,6-三氯苯酚(2,4,6-TCP, 99%)購自美國AccuStandard 公司;NaOH(98.5%,美國Thermo Fisher Scientific 公司);甲醇(色譜純,禹王實業(yè)有限公司)。其它試劑均為國產分析純;實驗用水為超純水(18.2 MΩ·cm)。

    1.2 NiCr LDHs NSs 的原位生長

    將市售的NiCr 絲分別用丙酮和水超聲清洗10 min 以除去表面的油污和雜質,再置于10%(V/V)HNO3 溶液中預處理30 min,最后用水沖洗,并在空氣中干燥,備用。

    將預處理的NiCr 纖維浸入裝有20 mL 3.0 mol/L 的NaOH 溶液的50 mL Teflon 內襯不銹鋼反應釜中,密封,于110 ℃水熱反應10 h。取出水熱處理的NiCr 纖維,用水沖洗多次,干燥備用。

    1.3 樣品溶液的制備

    采用甲醇于棕色容量瓶中分別配制濃度為100 mg/L 的4 種CPs 的標準儲備溶液,在4 ℃保存。測試前,用超純水逐步稀釋至所需濃度。實際水樣采自蘭州不同地段的黃河水和當?shù)匚鬯幚韽S,所有水樣經0.45 μm 微孔濾膜過濾后使用。

    1.4 SPME-HPLC-UV 處理和檢測過程

    將15 mL 待測樣品加入20 mL 萃取瓶中,采用Tris-HCl 緩沖溶液調節(jié)溶液的pH 值,并加入不同濃度NaCl 控制溶液的離子強度。將所組裝的NiCr@NiCr LDHs NSs 纖維通過隔墊垂直固定在樣品瓶中,并置于攪拌器中,于一定溫度下攪拌萃取一定時間。萃取完成后,纖維立即轉入SPME-HPLC 接口,在流動相中進行靜態(tài)解吸。六通閥切換到“Inject”,將解吸后的分析物引入C18 分析柱中進行分離檢測。采用甲醇-水(85∶15, V/V)混合流動相,檢測波長為286 nm,流速為1 mL/min,對CPs 進行HPLC 分析。在萃取過程中,為了避免可能的記憶效應,在每次萃取完成后,分別用甲醇和水清洗纖維5 min。

    2 結果與討論

    2.1 NiCr 絲表面的預處理和表征

    對NiCr 絲的表面形貌和組成的SEM 表征結果如圖1 所示,市售的NiCr 絲表面光滑(圖1A),并存在一些淺凹槽(圖1C)。能量色散X-射線光譜(EDX)表征結果表明,市售的NiCr 絲由Ni 和Cr 元素組成(圖1E), Ni/Cr 原子質量比約為4∶1。經過HNO3 處理后(圖1B 和1D), NiCr 纖維表面呈現(xiàn)出一些相似的凹槽和刻蝕槽,其EDX 結果表明Ni 和Cr 元素的組成與市售NiCr 絲的組成幾乎相同(圖1F),這表明所選擇的NiCr 纖維具有優(yōu)異的化學穩(wěn)定性和耐腐蝕性,可作為SPME 纖維的理想基體。

    2.2 NiCr LDHs NSs 的原位生長和表征

    2.2.1 NaOH 濃度的影響

    將預處理的NiCr 纖維浸入NaOH 體系中進行原位生長NiCr LDHs NSs 涂層。不同濃度NaOH 中生長的納米片(NSs)涂層的SEM 圖如圖2 所示。當NaOH 濃度為1.0 mol/L 時,纖維表面生長了稀疏且尺寸較小的NSs(圖2A);當NaOH 濃度為2.0 mol/L 時, NSs 尺寸變大(圖2B);進一步增加NaOH 濃度, NSs的尺寸基本不變,但相互交聯(lián)的NSs 變得越來越致密(圖2C 和2D)。當NaOH 濃度增至5.0 mol/L 時,生長的NSs 開始變厚(圖2E);在6.0 mol/L NaOH 溶液中,致密的NSs 完全覆蓋NiCr 纖維基體(圖2F)。選擇4 種CPs(2-CP、2,4-DCP、2,6-DCP 和2,4,6-TCP)為目標分析物,考察在不同濃度的NaOH 溶液中構建的NiCr LDHs NSs 涂層的萃取能力。結果表明(電子版文后支持信息圖S1),在3.0 和4.0 mol/L NaOH 溶液中構建的NSs 的形貌及分析性能相當,而且更厚的NSs 不利于纖維的高效萃取。因此,在后續(xù)研究中選擇3.0 mol/L NaOH 作為NSs 生長的前驅體。

    2.2.2 反應溫度的影響

    在3.0 mol/L NaOH 條件下,考察了反應溫度對NSs 生長的影響。如圖3 所示,在70 ℃時, NiCr 纖維表面有少量的NSs 從基體表面垂直生長(圖3A);溫度升至90 ℃,生長的NSs 尺寸變大,而且越來越多的NSs 開始生長(圖3B);溫度升至110 ℃,形成了致密的NSs 且互相交聯(lián)(圖3C);溫度升至130 ℃,NiCr 纖維基體上生長了更厚且有部分外延取向的NSs(圖3D)。采用CPs 評價不同溫度下構建的NiCr@NiCr LDHs NSs 纖維的萃取能力(電子版文后支持信息圖S2),結果表明,在110 ℃下構建的NiCr@NiCrLDHs NSs 纖維對CPs 的萃取能力更高,這進一步表明較厚的NSs 不利于目標分析物的萃取。因此,后續(xù)實驗選擇110 ℃為水熱反應溫度。

    2.2.3 反應時間的影響

    考察了水熱反應時間對NSs 生長的影響。由圖4 可見,當反應時間為1 h 時,有很少的NSs 在NiCr纖維表面垂直生長(圖4A);當反應時間為5 h 時,在基體表面生長了越來越多的NSs(圖4B);當反應時間為8 h 時,垂直生長的NSs 越來越致密(圖4C);繼續(xù)延長時間到10 h,纖維基底上生長出了更致密、輪廓更分明的六邊取向的NSs 涂層(圖4D)。此外,考察了不同水熱反應時間下構建的NiCr@NiCr LDHsNSs 纖維對CPs 的萃取能力(電子版文后支持信息圖S3),結果表明,水熱反應10 h所構建的纖維對目標CPs 的萃取效率最高。因此,后續(xù)實驗選擇水熱反應時間為10 h。

    2.3 NSs 纖維表面結構的表征

    采用XRD對所組裝的NSs纖維表面的晶體結構進行表征。如圖5所示,除了以星號標記的衍射峰歸屬于NiCr基體外,在22.7o、33.5o、34.4o、38.8o、45.9o 和59.9o 處出現(xiàn)的衍射峰歸屬于LDHs的(006)、(101)、(012)、(015)、(018)和(110)特征晶面[14],表明在NiCr纖維基體上成功構筑了NiCr LDHs NSs涂層。

    2.4 SPME 條件的優(yōu)化

    為了獲得NiCr@NiCr LDHs NSs 纖維高效萃取水樣中CPs 的最佳效率,采用單次單變量方法考察了溶液的pH 值、離子強度、攪拌速率、萃取溫度、萃取時間以及解吸時間對萃取效率的影響(分析物濃度為50 μg/L)。

    2.4.1 pH 值對萃取效率的影響

    由于所選4 種氯酚2-CP (pKa = 8.49)、2,4-DCP (pKa = 7.85)、2,6-DCP (pKa = 6.78)和2,4,6-TCP(pKa = 6.23)是具有不同pKa 值的有機弱酸[15],在pH 3.0~8.0 范圍內考察了溶液pH 值對萃取效率的影響。由圖6A 可見, pH = 6.0~7.0 時, 4 種分析物的萃取效率都達到最高。這是由于NiCr LDHs NSs 含有羥基,酸性或堿性環(huán)境都會影響提取效率,還會對CPs 在水中的存在形式產生一定的影響,進而影響萃取效率[15]。因此,控制工作溶液和實際水樣的pH = 7.0。

    2.4.2 離子強度對萃取效率的影響

    通過添加0~25%(m/V)的NaCl考察離子強度對萃取效率的影響。當NaCl濃度增至15%(m/V)時,4 種CPs 的萃取效率最高(圖6B),推測可能是加入NaCl 會降低CPs 在樣品溶液中的溶解度,從而增強了涂層對CPs 的萃取能力。然而,過量的NaCl 會增加溶液的黏度,并占據(jù)吸附涂層的活性位點,不利于CPs 萃取。因此,選擇在樣品溶液中添加15%(m/V)NaCl 。

    2.4.3 攪拌速率對CPs 萃取效率的影響

    攪拌速率在100~600 r/min 范圍內變化對CPs 萃取效率的影響如圖6C 所示。在300 r/min 時, 4 種CPs 萃取效率達到最大值;隨著攪拌速率進一步增大, 2,4,6-TCP的萃取效率基本保持恒定,其它3 種CPs 的萃取效率都下降。這可歸因于過快的攪拌速率加快了CPs 的揮發(fā),從而使纖維涂層吸附的CPs 減少,進而降低了萃取效率[16]。因此,選擇最佳攪拌速率為300 r/min。

    2.4.4 萃取溫度對萃取效率的影響

    由圖6D 可見,隨著溫度從10 ℃升至20 ℃, 4 種CPs 的萃取效率都有所升高,說明升高溫度有效地加快了CPs 的擴散速率,動力學效應起主導作用。但是,當溫度高于20 ℃時,萃取效率出現(xiàn)了下降趨勢,熱力學效應起主導作用。而且溫度越高, CPs 的揮發(fā)性越大,不利于CPs 的提取。因此,選擇最佳的萃取溫度為20 ℃。

    2.4.5 萃取時間和解吸時間對萃取效率的影響

    如圖6E 所示,當萃取時間從5 min 延長至15 min 時,小分子量的2-CP、2,4-DCP 和2,6-DCP 基本達到萃取平衡,大分子量的2,4,6-TCP 在20 min 時才達到萃取平衡。這是因為不同分子量的CPs 的擴散速率不同,對于大分子量的2,4,6-TCP 需要相對較長的平衡時間。綜合考慮,選擇15 min為最佳萃取時間,以達到縮短分析時間的目的。如圖6F 所示,當解吸時間為3 min 時,分析物可達到解吸平衡。

    2.5 NiCr@NiCr LDHs NSs 纖維與商品化纖維的比較

    在優(yōu)化的實驗條件下,將NiCr@NiCr LDHs NSs 纖維與商品化100-μm PDMS、65-μm PDMS/DVB 和85-μm PA 纖維的萃取性能進行了對比。如圖7 所示,非極性的PDMS 纖維(圖7b)對極性化合物CPs 的萃取能力很小,而極性較低的PDMS/DVB 纖維(圖7c)對CPs 的萃取能力很有限,極性PA 纖維(圖7d)對CPs 表現(xiàn)出了較好的提取能力,這主要歸因于極性化合物更有可能被極性涂層萃取[17]。然而,與市售的PA 和PDMS/DVB 商品化纖維相比,自制的NiCr@NiCr LDHs NSs 纖維(圖7e)表現(xiàn)出更強的萃取能力,其原因可能是除了NiCr LDHs NSs 表面陽離子位點與富電子芳香結構的CPs 之間的陽離子-π相互作用外,額外的氫鍵相互作用可能有助于進一步提高對CPs 的萃取能力[18]。因此,將組裝的NiCr@NiCr LDHsNSs 纖維與HPLC-UV 聯(lián)用進一步探究其在實際樣品中分析應用的可行性。

    2.6 NiCr@NiCr LDHs NSs 纖維的萃取和分析性能

    配制4 種CPs 的系列標準溶液,在最佳條件下采用SPME 纖維與HPLC-UV 聯(lián)用方法進行分析,結果見表1。在0.2~200 μg/L濃度范圍內, 4 種CPs 的線性關系良好,相關系數(shù)(R2)gt;0.9989,方法檢出限(LODs, S/N=3)為0.050~0.157 μg/L,定量限(LOQs, S/N=10)為0.165~0.501 μg/L。

    采用加標水樣(50 μg/L)評估日內、日間和3 批次纖維之間的精密度(RSDs), 4 種CPs 的日內RSDs為2.85%~4.05%,日間RSDs 為3.16%~4.96%, 3 批次材料之間的RSDs 為4.09%~5.23%,這表明本方法具有良好的穩(wěn)定性和重復性。

    將所建立的分析方法與文獻報道的方法對環(huán)境水體中CPs 檢測的分析參數(shù)進行了對比(表2),本方法的萃取時間相對較短或者相當, LODs 相對較低。此外,與文獻報道的纖維相比,本研究所制備的纖維使用壽命更長。

    2.7 NiCr@NiCr LDHs NSs 纖維的穩(wěn)定性

    纖維基體和涂層材料的物理化學性質和制備策略對SPME 纖維的穩(wěn)定性具有重要影響[26-27]。對制備的纖維進行240 次萃取-解吸循環(huán)后, NiCr LDHs NSs 涂層仍保持初始的NSs 結構(電子版文后支持信息圖S4)。此外,構建的NiCr@NiCr LDHs NSs 纖維在經過240 次萃取-解吸循環(huán)后,仍然保持了優(yōu)異的萃取效率(電子版文后支持信息圖S5),這表明構建的NiCr@NiCr LDHs NSs 纖維具有較高的耐水性和較長的使用壽命。

    2.8 實際樣品分析

    將NiCr@NiCr LDHs NSs 纖維與SPME-HPLC-UV 聯(lián)用,用于富集和檢測當?shù)夭煌S河區(qū)段采集的水樣和生活污水中的目標CPs。由于水樣中CPs 的濃度較低,向水樣中分別添加1.0、5.0 和10.0 μg/L 的CPs標準溶液進行加標回收實驗,每個濃度平行測定3 次,結果見電子版文后支持信息表S1,加標回收率在80.0%~106.9%之間, RSDs 為3.12%~7.81%,生活污水萃取前后的典型色譜圖見圖8。結果表明,本方法適用于環(huán)境水樣中痕量目標CPs 的富集與測定。

    3 結論

    本研究以柔性好、穩(wěn)定性高和耐腐蝕性強的NiCr 絲為SPME 纖維基體和前驅體,在3.0 mol/L NaOH溶液中110 ℃原位水熱反應10 h,獲得致密且生長良好的NiCr LDHs NSs 涂層。將組裝的NiCr@NiCrLDHs NSs 纖維的萃取性能與商品化萃取纖維進行了比較,結果表明,此纖維對目標CPs 表現(xiàn)出優(yōu)異的萃取能力。同時, NiCr@NiCr LDHs NSs 纖維強度高、穩(wěn)定性好,單支纖維能夠完成240 次以上萃取-解吸循環(huán),機械穩(wěn)定性高。

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