可壓縮回彈的石墨烯氣凝膠在固相萃取中的應用

夏大廈 鐘秀 唐盛

摘 ? ? ?要：傳統的固相萃取方法操作流程相對復雜，洗脫劑用量大。采用水熱法交聯聚乙烯醇和石墨烯合成了一種具有可壓縮回彈性的石墨烯氣凝膠，并將其應用于固相萃取富集西維因與利谷隆兩種農藥。研究了不同萃取條件對該方法富集倍數的影響。實驗表明，該石墨烯氣凝膠可實現對利谷隆和西維因穩定富集32.8倍和55.7倍。

關 ?鍵 ?詞：石墨烯氣凝膠;注射器內萃取;農藥;高效液相色譜

中圖分類號：O658.2 ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? 文章編號： 1671-0460（2020）02-0291-04

Abstract： For the traditional solid phase extraction method， the operation process is complicated， and the amount of eluent is large. In this paper， a kind of graphene aerogel with compressible resilience was synthesized from polyvinyl alcohol and graphene through cross-linking by hydrothermal method， and it was applied to solid phase extraction in syringe to enrich two pesticides， carbaryl and ligulon. The effect of different extraction conditions on the enrichment factor of the method was studied. Experiments showed that the graphene aerogel achieved 32.8 times and 55.7 times stable enrichment of linuron and carbaryl.

Key words： Graphene aerogel; In-syringe extraction; Pesticide; High performance liquid chromatography

碳質材料，如石墨烯、富勒烯、碳納米管及其多種功能化形式，可通過氫鍵、π-π堆積、靜電力、范德華力、疏水相互作用或其他非共價力及有機分子相互作用[1，2]，具有良好的萃取能力。石墨烯為一種新興碳質材料[3]，具有大的比表面積的單層結構，能與含有苯環的芳香類化合物形成強烈的π-π堆積相互作用，使石墨烯片的兩側均可吸附，更有石墨烯易于被各種官能團進行修飾改性。因此石墨烯材料可作為良好吸附劑，用于固相萃取（Solid Phase Extraction，SPE）。

石墨烯片經交聯得到的石墨烯氣凝膠（Graphene aerogel，GA）表現出更好的吸附性，密度可調和比表面積高，可用于固相萃取、固相微萃取和注射器內固相萃取，提取多種分析物，如農藥[4，5]、抗生素[6]、重金屬離子[7]、內分泌干擾物和多氯聯苯[8]等。

傳統的SPE需要經歷填料活化、樣品加載，淋洗和分析物洗脫等[9]，過程較為復雜，加之無法避免死體積問題，必須使用大量溶劑（大于填料體積的溶劑）洗脫分析物，降低了富集倍數濃度，甚至需要吹脫處理才能充分排出洗脫劑。

本文以可壓縮回彈GA為注射器內SPE方法中的吸附劑，利用石墨烯與農藥分子的π-π堆積作用萃取分析農藥，僅需對注射器推桿施加機械壓力便可以將GA內的樣品溶液完全排出。在進行洗脫操作時，GA的可壓縮性使得僅需要少量的洗脫劑就可對GA上的萃取物進行充分洗脫，綠色環保，提升了固相萃取的富集效率。

1 ?實驗部分

1.1 ?實驗原料與儀器

實驗主要材料：氧化石墨膏體（50%），常州第六元素材料有限公司;聚乙烯醇（優級純）、戊二醛（分析純），上海國藥集團化學試劑有限公司;乙腈、石油醚、甲醇、乙醇，皆為色譜純，上海國藥集團化學試劑有限公司;利谷隆、西維因皆為標準品，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。所有試劑在使用前均未經過進一步純化，實驗中使用的水為超純水，實際樣品取自江蘇省鎮江市九里街橋上游的河水。

主要儀器：真空冷凍干燥機，FD-1A-50，北京博醫康實驗儀器有限公司;高效液相色譜儀，LC-20AD，日本島津制作所;超純水機，YL-100B，深圳市億利源水處理設備有限公司。

1.2 ?實驗方法

1.2.1 ?溶液的配制

氧化石墨烯（Graphene oxide，GO）溶液制備：稱取10 g氧化石墨膏體，1 L超純水浸泡1 h，低速（<500 r/min）攪拌30 min后高速（>2 000 r/min）攪拌3 h，得到氧化石墨烯，層數小于4層，片徑約為18 μm的5 mg/mL氧化石墨烯（GO）分散液。

交聯劑制備：將2 mL濃硫酸稀釋到10 mL備用。將戊二醛（50%，5 mL）稀釋到100 mL，再依次向其中加入20 mL甲醇、20 mL水、20 mL乙醇、20 mL水，然后再向其中加入稀釋后的10 mL稀硫酸。攪拌均勻后制得交聯劑。

聚乙烯醇溶液制備：稱取10 g PVA，將其放入1 L的超純水中。在95 ℃下不停攪拌直至PVA顆粒完全溶解。待溶液冷卻至室溫后，得到10 mg/mL PVA溶液。

1.2.2 ?可恢復石墨烯氣凝膠的合成

磁力攪拌的同時分別將5、10 mg/mL和15 mg/mL的聚乙烯醇（Polyvinyl alcohol，PVA）各20 mL緩慢加入20 mL 5 mg/mL GO溶液，攪拌20 min;然后加入1.9 mL交聯劑和60 mL水，攪拌20 min;反應液轉入反應釜50 ℃ 反應12 h，取出，冷卻至室溫后-18 ℃冷凍12 h，取出自然解凍取出反應釜中的水，得到氧化石墨烯水凝膠。向水凝膠加入還原劑氫碘酸HI（30%），浸沒水凝膠，60 ℃反應8 h，以純水洗去殘余的HI，得到還原氧化石墨烯水凝膠，再以水浸沒冰箱冷凍和真空冷凍干燥至冰被完全去除，得到GA。

1.2.3 ?石墨烯氣凝膠固相萃取（SPE）方法

取0.5 mL 5 ppm的利谷隆和西維農藥混合液，置于49.5 mL超純水中，稀釋成50 ppb樣品溶液;稱取5 mg的GA，填充于5 mL的注射器內;用注射器抽取5 mL樣品溶液，停留一定時間后將其排出并收集;重復抽排操作，直至樣品液被抽空，然后將收集的排出液按相同步驟移回到原樣品瓶中;用注射器抽取500 μL的洗脫劑乙腈，洗脫停留1 min，再排入HPLC樣品瓶的玻璃內襯中，重復操作5次。

1.2.4 ?農藥濃度分析檢測

本文采用HPLC法分析檢測農藥濃度，選用安捷倫通用C18反相柱、流動相55%： 45%的乙腈/超純水、流速為1 mL/min、紫外檢測器、檢測波長為256 nm、40 ℃恒溫。所有待測樣品在測試前均過0.45 μm微濾膜。該測試條件下利谷隆出峰時間為5.75～7.25 min;西維因出峰時間為 3.50～3.85 min。

1.2.5 ?校準曲線測定

配制100 ppb、200 ppb、500 ppb、1 ppm、2 ppm、5 ppm、10 ppm的西維因與利谷隆標準溶液，以1.2.4的分析條件分別獲得每個濃度對應的西維因與利谷隆的信號峰，LCsolution 軟件積分得到峰的面積，擬合濃度和峰面積的對應關系，得到校準曲線。

2 ?結果與討論

2.1 ?校準曲線繪制

西維因與利谷隆的校準曲線如圖1所示，在100 ppb至10 ppm范圍內有很好的線性關系，R2皆為0.999 99，表明HPLC法能夠準確測定西維因與利谷隆的濃度。

2.2 ?萃取溫度對SPE富集倍數的影響

取50 mL 50 ppb農藥混合液置于5個潔凈燒杯，分別于20、25、30、35和40 ℃水浴25 min。

向5 mL的注射器中填入5 mg的GA，然后按照1.2.3所述方法對五種萃取溫度的混合液進行萃取富集分離，萃取富集停留時間2 min，洗脫停留時間1 min。洗脫液中農藥濃度的分析檢測以1.2.4的分析條件，分別獲得每個濃度對應的西維因與利谷隆的信號峰，LCsolution 軟件積分得到峰面積，對照校正曲線獲得農藥的濃度，根據檢測便可計算得到固相萃取后農藥濃度相較于原始樣品溶液的富集倍數，結果如圖2所示。

由圖2可得，35 ℃前利谷隆和西維因的富集倍數隨著溫度的升高而增大，35 ℃后增幅不明顯。因此，選擇35 ℃作為后續實驗的溫控條件。

2.3 ?萃取時間對SPE富集倍數的影響

取50 mL 50 ppb農藥混合液置于5個潔凈燒杯，35 ℃水浴25 min。

向5 mL的注射器中填入5 mg的GA，然后按照1.2.3所述方法對設定的五種萃取時間的混合液進行萃取富集分離。萃取富集的停留時間依次為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 min，洗脫停留時間1 min。洗脫液中農藥濃度的分析檢測以1.2.4的分析條件，分別獲得每個濃度對應的西維因與利谷隆的信號峰，L Csolution 軟件積分得到峰面積，對照校正曲線獲得農藥濃度，根據檢測結果計算得到固相萃取后濃度相較于原始樣品液的富集倍數，結果如圖3所示。

圖3表明，萃取富集停留時間2 min前，利谷隆和西維因的富集倍數隨著停留時間2 min的增加而增加，當到達2 min時，西維因和利谷隆的富集倍數增幅較小，后續研究中，萃取富集停留時間選擇2 min作為富含時間。

2.4 ?樣品溶液pH對SPE富集倍數的影響

取50 mL 50 ppb農藥混合液置于6個潔凈燒杯，以0.1 M HCl和0.1 M NaOH調節農藥混合液的pH為4、5、6、7、8、9、35 ℃水浴25 min。

向5 mL的注射器中填入5 mg的GA，然后按照1.2.3所述方法對6種pH萃取體系的混合液進行萃取富集分離，萃取富集停留時間為2.0 min，洗脫停留時間1 min。洗脫液中農藥濃度的分析檢測以1.2.4的分析條件，分別獲得每個濃度對應的西維因與利谷隆的信號峰，LCsolution 軟件積分得到峰面積，對照校正曲線獲得農藥的濃度，根據檢測便可計算得到固相萃取后農藥濃度相較于原始樣品溶液的富集倍數，結果如圖4所示。

從圖4可以看出，pH=5時利谷隆的萃取效果最好，而西維因的萃取效果以pH=6最好。pH對萃取效果的影響并不像其他影響因素那么大。本文采用pH=6作為后續實驗條件。

2.5 ?洗脫劑對SPE富集倍數的影響

取50 mL 50 ppb農藥混合液置于4個潔凈燒杯，以0.1 M HCl調節農藥混合液的pH=6，35 ℃水浴25 min。

向5 mL的注射器中填入5 mg的GA，然后按照1.2.3所述方法對農藥混合液進行萃取富集分離，萃取富集停留時間為2.0 min，洗脫劑分別為石油醚，甲醇、乙醇、乙腈，洗脫停留時間1 min。洗脫液中農藥濃度的分析檢測以1.2.4的分析條件，分別獲得每個濃度對應的西維因與利谷隆的信號峰，LCsolution 軟件積分得到峰面積，對照校正曲線獲得農藥的濃度，根據檢測便可計算得到固相萃取后農藥濃度相較于原始樣品溶液的富集倍數，結果如圖5所示。

由圖5可知，當SPE萃取過程其他條件為最優參數時，石油醚為洗脫劑的富集倍數最大，利谷隆和西維因的富集倍數分別高達32.8倍和55.7倍。

2.6 ?實際樣品檢測

本文對取自江蘇省鎮江市九里街橋上游的河水進行了加標分析，檢驗本文制備的GA抗干擾、高富集性能。取5 ppm的農藥混合0、250、500、1 000 μL液置于4個燒杯中，稀釋到50 mL，依次編號為對照組、加標1、加標2、加標3。

按照本文優化的萃取富集條件，對這4個體系進行萃取富集操作和農藥濃度HPLC分析。實際樣品萃取富集洗脫液色譜分析結果如圖6所示。

圖6中可以看出河水中存在某些物質，出峰時間與西維因重疊現象（4.00～4.50 min），故對此處的峰進行面積積分后，加標分析回收率計算時，HPLC所得西維因的峰面積應減去河水的峰面積。

表1給出了GA注射器內SPE對實際樣品的分析結果，可以看出，GA作為穩定的注射器內固相萃取劑，可用于樣品中農藥的富集分離和檢測。

3 ?結 論

本課題將可壓縮GA作為一種新型的固相萃取劑，用于對水體中農藥的固相萃取富集。結果表明，GA能夠對濃度低至50 ppb的農藥利谷隆和西維因作高效固相萃取富集能力，富集倍數分別為32.8倍和55.7倍;實際樣品檢測中體現出高抗干擾性和高萃取富集效率，對利谷隆和西維因加標50 ppb回收率分別為105%和98.5%。可壓縮GA是一種較為理想的高效固相萃取富集材料，可用于農殘等的富集分離和去除。

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