碳點基固相微萃取涂層測定水體中鄰苯二甲酸酯

陳秀林 田彤 吳劍鋒 趙廣超

摘 ?????要：利用溶膠-凝膠法制備了納米碳點基固相微萃取涂層，建立了固相微萃取-氣相色譜法（SPME-GC）測定水體中四種鄰苯二甲酸酯的方法，優(yōu)化了方法條件。結(jié)果表明，在優(yōu)化條件下，方法線性范圍2.5～200 μg/L內(nèi)線性良好（R²=0.990 3～0.998 1），檢出限為0.83 ～1.81 μg/L（遠低于國標0.09～2.70 mg/L），相對標準偏差1.4%～9.8%。在5和10 g/L加標濃度水平下，水樣的加標回收率為82.2%～121.3%，相對標準偏差2.6%～9.7%。建立的方法滿足實際水樣的分析要求。

關(guān) ?鍵 ?詞：固相微萃取;納米碳點;鄰苯二甲酸酯;溶膠-凝膠

中圖分類號：TE685.3⁺1 ??????文獻標識碼：?A ??????文章編號： 1671-0460（2020）03-0753-04

Determination of Phthalate Acid Ester in Water by

Carbon Nanodots-based SPME Coating

CHEN Xiu-lin^1，2， TIAN Tong¹， WU Jian-feng¹， ZHAO Guang-chao¹

（1. School of Environmental Science and Engineering， Anhui Normal University，?Anhui Wuhu 241000， China;

2. Shanghai Chemical Monitoring Station for Environment Protection， Shanghai 201540， China）

Abstract： ?A carbon nanodots-based solid-phase microextraction（SPME） coating was prepared using a sol-gel technique. Coupled with gas chromatography （GC）， an analytical method for the determination of phthalate acid ester （PAEs） in water was proposed. The experimental parameters were optimized. The results showed that the prepared coating extracted target analytes with good linearity in the wide concentration range from 2.5 μg/L?to 200 μg/L，with the correlation coefficient （R²） of 0.990 3～0.998 1. The detection limit of proposed method was from 0.83 μg/L?to 1.81 μg/L（which was far lower than the national standard of 0.09～2.70 mg/L） and the relative standard deviation （RSD） was between 1.4% and 9.8%. In the level of 5～10 μg/L， spiked recoveries for four PAEs in water samples were in the range from 82.2% to 121.3% with RSDs of 2.6%～9.7%. The proposed method can meet the requirement of the determination of PAEs in actual water samples.

Key words： solid phase micro-extraction; ?carbon nanodots; ?phthalate acid esters;??sol-gel

鄰苯二甲酸酯（PAEs）作為一類改善材料物理性能的增塑劑被廣泛添加于塑料產(chǎn)品中，由于其沒有與塑料之間形成相對穩(wěn)定的化學鍵，受產(chǎn)品使用壽命影響，產(chǎn)品中PAEs可轉(zhuǎn)移至環(huán)境中，造成環(huán)境污染^[1]。有研究表明： PAEs作為一類環(huán)境激素，進入人體后擾亂內(nèi)分泌系統(tǒng)，容易形成人類生殖和發(fā)育方面潛在危害^[2]。2005年美國環(huán)境保護署（USEPA）將鄰苯二甲酸二甲酯（DMP）、鄰苯二甲酸二乙酯（DEP）、鄰苯二甲酸二丁酯（DBP）、鄰苯二甲酸二辛酯（DNOP）等PAEs列入了優(yōu)先控制污染物名單。我國相關(guān)部門也采取了相應行動，將DMP，DEP和 DNOP?等PAEs列入“中國環(huán)境優(yōu)先控制污染物黑名單”^[3]， 并就食品安全、食品接觸材料及制品中的PAEs的測定和遷移量的測定制定了國家標準^[4]。

環(huán)境中PAEs存在的濃度普遍為痕量水平，現(xiàn)代分析測試儀器很難達到直接測定的靈敏度要求。一般儀器測定前都需要對樣品進行富集、濃縮等前處理。固相微萃取法（SPME）是一種省時高效、簡單方便與綠色環(huán)保的前處理技術(shù)^[5]，它與氣相色譜儀聯(lián)用被廣泛應用于環(huán)境分析領(lǐng)域。已有文獻報道了商業(yè)化SPME纖維被廣泛應用于分析環(huán)境中PAEs^[6，7]。這些方法有一定的優(yōu)勢，但市場上商業(yè)化纖維存在著如萃取范圍有限、使用壽命較短、熱穩(wěn)定性不足、萃取效不高等問題^[8]。為此，發(fā)展新的涂層材料以便擴展萃取對象、提高萃取性能是SPME研究方向之一^[9]。

碳點材料作為繼石墨烯、碳納米管后的碳材料家族的新成員，具有尺寸更小，比表面積更大等特點，在環(huán)境分析領(lǐng)域具有良好應用前景^[10]。本研究中使用碳點作為涂層材料，結(jié)合固相微萃取-氣相色譜法（SPME-GC）對水體中4種PAEs進行了分析。該方法為環(huán)境水體中PAEs測定提供了新的選擇。

1 ?實驗部分

1.1 ?主要儀器與試劑

GC-2010氣相色譜儀（Shimadzu公司）;Hitachi S-4800掃描電子顯微鏡（Hitachi公司）;8400s- FTIR傅里葉紅外變換光譜（Shimadzu公司）。

四種PAEs混合標準溶液：鄰苯二甲酸二甲酯（DMP）、鄰苯二甲酸二乙酯（DEP）、鄰苯二甲酸二丁酯（DBP）、鄰苯二甲酸二辛酯（DNOP）（上海百靈威科技有限公司）。實驗均采用超純水。

工作儲備溶液配制：取四種PAEs混合標準溶液用丙酮配制成100 mg/L混標溶液，在4 ℃條件下保存，待用。

1.2 ?樣品采集與處理

塑料杯水樣：取超純水50 mL用熱水壺加熱至沸騰，將沸水倒入一次性塑料杯中浸泡兩小時，冷卻后獲得水樣，保存于4 ℃冰箱中。

長江水樣：取長江干流蕪湖段濱江公園段水樣250 mL， 用45 μm濾紙過濾水樣中泥沙、大顆粒等不溶性雜質(zhì)，裝入清潔的玻璃瓶中，保存于4 ℃冰箱中。

1.3 ?GC-FID條件

GC條件：進樣口溫度250 ℃，無分流進樣，色譜柱初始60 ℃，保持1 min;以20.0 ℃/min升溫至220 ℃，保持1 min;以5.0 ℃/min升至280 ℃，保持5 min。FID檢測溫度300 ℃。載氣為氮氣（純度>99.999%），柱流量1.51 mL/min，氫氣（純度>99.999%）， 流量40.0 mL/min; 采取空氣自動進氣裝置，流量400.0 mL/min。

1.4 ?SPME纖維制備

采用文獻報道的方法^[11]，合成了納米碳點材料，烘干后待用。

取10 mL離心管加入2 mL無水乙醇，加入20 μL?10%的稀鹽酸，于超聲情況下緩慢加入200 μL鈦酸正四丁酯，2 min后緩緩滴入25 μL超純水，蓋上管塞。10 min后，加入0.02 g碳點材料，磁力低速攪拌12 h，獲得均勻的納米碳點基凝膠溶液，置于4 ℃下保存待用。

取一根不銹鋼絲（??0.5 mm），拋光后用丙酮、2 mol/L NaOH溶液處理。將其處理后的一端1 cm插入納米碳點基凝膠溶液，放置5 min，緩慢取出于80 ℃烘箱中烘干，獲得SPME纖維。再與微量進樣器組裝成SPME裝置，在260 ℃?下將纖維老化1?h，待用。

1.5 ?頂空SPME過程

取10 mL水樣，將SPME萃取頭插入樣品中，采用頂空模式下萃取目標分析物，萃取溫度60 ℃、攪拌速率100 r/min、鹽濃度為0%下萃取20 min。萃取結(jié)束后將萃取頭緩慢拔出，立即插入GC進樣口，熱解吸5 min，進行GC-FID檢測分析。每項進行三次平行實驗。

2 ?結(jié)果與討論

2.1 ?自制SPME涂層與碳點材料的表征

采用掃描電子顯微鏡對制備的SPME涂層進行了表征。圖1（a）和圖1（b）分別表示不同放大倍率下SPME涂層的SEM圖，其中圖1（b）清晰地顯示許多球狀顆粒團聚在一起，形成孔隙率較高的三維空間結(jié)構(gòu)。圖1（c）和（d）是沒有納米碳點存在時的SPME涂層的SEM圖，圖1（d）顯示支撐體體表面形成了凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，但與碳點基涂層相比，顯然沒有密集的立體孔隙結(jié)構(gòu)。碳點基材料作為更小尺寸的碳納米材料，比表面積更大，故制備的碳點基SPME涂層更高的萃取效率。

圖2是制備的納米碳點的傅立葉紅外變換光譜（FT-IR）圖，如圖所示：制備的納米碳點在3 419和1 483 cm^-1處發(fā)生了明顯伸縮振動，這代表了其表面有豐富的O-H官能團;1 614 cm^-1處也發(fā)生了伸縮振動，這是由表面存在C=C骨架振動產(chǎn)生的;1 101 cm^-1吸收峰處是由是由O-H或者C-O-C伸縮振動產(chǎn)生的。由上述的吸收峰可知，納米碳點基表面具有大量O-H存在，它們?nèi)菀着cPAEs分子之間形成氫鍵;而C=C的存在，可以與PAEs分子形成電子云重疊，增加相互作用;C-O-C的存在可能有助于與PAEs分子間形成螯合結(jié)構(gòu)，提高其萃取效果^[12]。

2.2 ?萃取條件優(yōu)化

SPME是一種預平衡技術(shù)，基于涂層及均一的樣品基質(zhì)之間分配平衡而建立。在這一過程中，萃取萃取溫度、溶液的運動、萃取時間等因素都會影響萃取效果^[13-15]。

另外，萃取物的解吸也是SPME過程中不可或缺的步驟，較低溫度不利于目標分析物從涂層中解吸，而較高溫度可能導致目標分析物中大分子發(fā)生裂解，影響分析準確性。本實驗選擇對萃取效果影響較大的萃取時間、萃取溫度、攪拌速率和解析時間等條件參數(shù)進行了優(yōu)化。通過正交試驗，篩選出最佳條件。正交實驗選擇的實驗參數(shù)條件列于表1中。

根據(jù)Design-Expert 8.0.6軟件對實驗的正交設計，進行條件優(yōu)化實驗，將各組合設計獲得的峰面積對不同的PAEs的影響關(guān)系運用響應面分析方法（Responsed area analysis， RSA）進行分析得出不同組分的優(yōu)化條件，經(jīng)過軟件系統(tǒng)評估選擇對各組分萃取最優(yōu)的實驗參數(shù)條件。圖3為軟件處理優(yōu)化實驗過程中所制備的碳點基涂層對水樣四種PAEs中典型的DNOP萃取效果的影響與條件評估。綜合評估結(jié)果顯示，涂層對目標分析物的萃取最佳條件為：萃取溫度60 ℃;攪拌速率100 r/min;萃取時間20 min;離子強度8%。

2.3 ?檢測方法的線性范圍、相關(guān)系數(shù)、檢出限和重現(xiàn)性等

在最優(yōu)化條件參數(shù)下，使用制備的碳點基涂層對4種PAEs進行了SPME-GC分析， 實驗結(jié)果見表2。

由表2可知，濃度在2.5～200μg/L范圍內(nèi)，4種不同PAEs具有良好線性關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)（R²）在0.990 3～0.994 1之間;方法的檢出限為0.83～1.81μg/L;單根纖維日內(nèi)與日間相對標準偏差（RSD）為1.4%～6.7%;多根纖維間RSD為5.6%～9.8%。與文獻報道的涂層相比較，本實驗制備的涂層也具有一定的優(yōu)勢，如表3所示。

2.4 ?實際水樣的測定及加標回收率

實際水樣按1.5的步驟在最優(yōu)化參數(shù)條件下進行SPME-GC檢測分析。結(jié)果顯示：沸水沖泡2 h后的塑料杯水樣中未檢測到四種PAEs;在長江水樣中未檢測到四種PAEs中的DMP和DNOP，但檢測出DEP，其濃度為4.17 μg/L;檢測出DBP的濃度為3.2 μg/L。使用5和10 μg/L兩種濃度的混標溶液對水樣分別進行加標實驗（n=3），結(jié)果顯示在塑料杯水樣中PAEs加標回收率82.2%～121.3%，RSD為2.6%～9.7%。長江水樣中PAEs加標回收率87.2%～117%，RSD為3.5%～9.5%。實驗結(jié)果總結(jié)在表4中。

3 ?結(jié)論

制備的納米碳點材料具有較大比表面積、孔隙率和吸附容量，適宜于制備固相微萃取涂層并能用于測定水體中鄰苯二甲酸酯的測定。與文獻相比，建立的測定方法在檢測水體中PAEs時能滿足食品檢測、環(huán)境檢測的要求。另外，制備的碳點基涂層還可用于檢測環(huán)境中存在的其他痕量有機污染物樣品（如TPHs、PCBs、雙酚A、有機氯農(nóng)藥、荻氏劑、異荻氏劑、DDT、PAHs、以及SVOCs等），具有廣闊的發(fā)展前景。

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