基于共價有機骨架涂層的攪拌棒吸附萃取/高效液相色譜測定環境水樣中的多環芳烴

劉海霞，楊彩玲，饒紅紅，劉 芳，張 麗，趙國虎

（1.蘭州城市學院 化學工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.“城市環境污染控制”甘肅省高校省級重點實驗室，甘肅 蘭州 730070）

多環芳烴（PAHs）是一類重要的有機污染物，可在環境中積累，最終通過食物鏈進入人體，具有較大的致癌、致畸、致突變危害［1-2］。該類化合物由兩個及以上的苯環結構組成，其中4～6 環的稠環PAHs危害最大［3］。此類污染物在環境中分布廣泛，但常以微量或超微量的水平存在，常規的分析儀器很難對其進行直接、準確的檢測，需要結合樣品前處理技術進行富集。因此，發展高效、簡易的樣品前處理技術快速檢測環境中痕量PAHs顯得非常重要。

近年來，越來越多的新方法被應用于PAHs 的富集與檢測。目前報道的主要有固相萃取（SPE）［4-5］、分散固相萃取（DSPE）［6］、分散液液微萃取（DLLME）［7］、磁固相萃取（MSPE）［8］、固相微萃取（SPME）［9-10］和攪拌棒吸附萃取（SBSE）［11］。其中，SBSE 由于具有萃取容量大、富集倍數高、易分離、簡單、有機溶劑消耗低及環境友好等優點［12-13］，已成為環境樣品分析中備受青睞的一種樣品前處理技術。現有文獻表明，涂層是SBSE 獲得良好萃取效果及選擇性的關鍵因素。而到目前為止，商用涂層只有3 種類型，應用最廣泛的商用聚二甲基硅氧烷（PDMS）涂層僅適用于非極性分析物［14］。為滿足不同極性物質微量分析的要求，構建萃取效率高、萃取動力學快、力學穩定性好的新型涂層攪拌棒將一直是該領域的研究熱點。

金屬有機骨架、多孔有機聚合物、介孔二氧化硅和介孔碳等材料因具有大的比表面積、豐富的多孔結構和有效官能團，已作為SBSE涂層應用于各種目標分析物的萃取中［15-16］。共價有機骨架（COFs）是由有機單體通過共價鍵構建而成的一類新型多孔晶體材料［17］。與其他多孔材料相比，COFs不僅具有大的比表面積和良好的孔結構，更重要的是，COFs因其強共價相互作用具有更穩定的結構，且π-π相互作用提高了其與目標物間的親和力［18］。COFs還具有密度低、通道結構可調、可修飾功能化及表面足夠多的吸附位點可大大提高對目標分析物的吸附容量等優點［19-20］。因此，本研究用1，3，5-三（4-氨苯基）苯（TPB）和2，5-二乙烯基-1，4-苯二甲醛（DVA）兩種單體，在超聲波輔助下，通過原位生長法，在刻蝕不銹鋼絲（ESSW）基體上制備了一種分散良好的共價有機骨架（TPB-DVA-COF）涂層攪拌棒，并結合高效液相色譜（HPLC）建立了環境水體中6種PAHs目標污染物的高效、靈敏、可靠的檢測方法。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Waters 600 高效液相色譜儀配雙波長紫外-可見檢測器（美國Waters 公司），Waters Symmetry C18反相色譜柱（4.6 mm×150 mm，5 μm），Waters 2487 雙波長紫外檢測器和N2000 色譜工作站（浙江大學智達信息工程有限公司）；Zeiss Ultra Plus 場發射掃描電子顯微鏡（SEM，德國Zeiss公司）：附Aztec-X-80能量色散-X 射線光譜儀（EDX，英國Oxford 公司）；D/Max-2400 X 射線衍射儀（XRD，日本Rigaku 公司）；Talos F200x 透射電子顯微鏡（TEM，美國FEI 公司）；優普超純水制造系統（四川優普超純科技有限公司）；KQ-500De 型數控超聲波清洗器（東莞市科橋超聲設備有限公司）；DF-101S 集熱式恒溫磁力攪拌器（鄭州長城科工貿有限公司）；304不銹鋼絲（達晨金屬材料有限公司）。

甲醇（色譜純，山東禹王實業有限公司）；氯化鈉 （分析純，國藥集團化學試劑有限公司）；丙酮和NaOH （分析純，天津光復科技公司）；HNO3（分析純，煙臺雙雙化工有限公司）；3-氨丙基三甲氧基硅烷（APTES，純度97%）和1，3，5-三（4-氨苯基）苯（TPB，純度大于93%）購自Aladdin 公司；2，5-二乙烯基-1，4-苯二甲醛（DVA，純度98%）購自Macklin 公司；菲（Phe，99%）、熒蒽（Fla，98%）、芘（Pyr，99%）、?（Chr，99%）、苯并［b］熒蒽（B［b］f，99%）、苯并［a］芘（B［a］p，98%），均購于Aldrich公司。

1.2 TPB-DVA-COF涂層攪拌棒的制備

取一段不銹鋼絲（10 mm×1.2 mm）分別用丙酮和超純水超聲清洗10 min，室溫干燥后將其浸入王水（HCl/HNO3=3∶1，體積比）中預處理10 min，然后用去離子水和甲醇沖洗，室溫干燥。隨后，將其浸入1 mol/L NaOH溶液中1 h，用去離子水沖洗、干燥。最后將其浸沒在含有20% APTES、8%水和72%乙醇（體積分數）的混合溶液中4 h，并在真空干燥箱中干燥，完成硅烷化。

將以上氨基改性的攪拌棒浸入含一定量DVA 的乙腈溶液中，室溫反應5 h，以保證DVA 成功接枝到攪拌棒上。稱取TPB（14.1 mg，0.04 mmol）和DVA（11.2 mg，0.06 mmol）加入到樣品管中，取5 mL乙腈加入樣品管中，在超聲輔助下溶解直至溶液變澄清。然后滴加1 mL 3.4 mol/L 醋酸劇烈振蕩10 s，將改性后的攪拌棒垂直插入樣品管中，靜置3 天后攪拌棒表面生成黃色固體。最后用無水乙醇和超純水沖洗，于60 ℃在真空干燥箱中干燥、備用，具體制備流程如圖1所示。

圖1 共價有機骨架涂層（TPB-DVA-COF）攪拌棒的制備流程圖Fig.1 The flow diagram of preparation covalent organic framework coating（TPB-DVA-COF）

1.3 攪拌棒吸附萃取過程

將攪拌棒置于含有10 mL PAHs 混合標準溶液的樣品瓶中，設置攪拌速率為600 r/min，溫度為45 ℃，攪拌萃取40 min后取出攪拌棒，用濾紙擦干其表面的殘留溶液。將攪拌棒置于含100 μL甲醇的解吸管中解吸3 min。解吸液經0.22 μm 濾膜過濾后，取20 μL 解吸溶液待檢測。解吸后的攪拌棒置于甲醇和超純水中分別攪拌清洗10 min后，再重復使用。

1.4 色譜條件

色譜柱：Waters Symmetry C18（4.6 mm×150 mm，5 μm）；流動相：甲醇-水（90∶10，體積比）；流速：1.0 mL/min；UV檢測波長：254 nm；進樣量：20 μL。

1.5 水樣的采集與處理

實驗中所測水樣均來自蘭州不同地段的黃河水、污水處理廠廢水和雨水。采集的水樣先用砂芯漏斗過濾懸浮顆粒物，然后用0.22 μm 的微孔濾膜過濾。最后將處理好的實際水樣儲存在棕色的試劑瓶中，于4 ℃避光保存、備用。

2 結果與討論

2.1 TPB-DVA-COF涂層的表征

采用SEM 對涂層的表面形貌和厚度進行表征。如圖2A 和2B 所示，不銹鋼絲基體表面生成了均勻且致密的COF，厚度約為5.76 μm，該結構對提高涂層的吸附性能非常有利［21］。TEM 進一步證實制備了分散性良好且具有球狀結構的COF涂層（圖2C）。對COF涂層表面元素進行分析，EDX結果表明，其表面由C、N 和O 元素組成（圖2D～2G）。此外，對從攪拌棒上刮下的COF 材料采用FTIR 和XRD 表征，從圖2H 可以看出，在2θ=2.82o出現強衍射峰，其他5 種衍射峰在2θ=4.76°、5.54°、7.36°、9.74°和25.3°也被觀察到。根據文獻報道［22］，上述6 種衍射峰分別屬于（100）、（110）、（200）、（210）、（220）和（001）晶面。結果表明，TPB-DVA-COF 材料具有良好的結晶度。利用FTIR 對TPB-DVA-COF 的官能團進行鑒定，圖2I 中在1 615 cm-1和1 593 cm-1處出現C=N 和C=C 伸縮振動峰，為TPB 與DVA 的共價耦合提供了有力的證據。上述結果表明，在不銹鋼絲攪拌棒上成功制備了晶型良好的TPB-DVACOF涂層。

圖2 TPB-DVA-COF的SEM圖（A、B）、TEM圖（C）、EDX圖（D～G）、XRD圖（H）與FTIR圖（I）Fig.2 SEM images（A-B），TEM image（C），EDX images（D-G），XRD spectrum（H） and FTIR spectrum（I） of TPB-DVA-COF

2.2 TPB-DVA-COF涂層攪拌棒的富集性能

采用6 種PAHs 評價了TPB-DVA-COF 涂層攪拌棒的富集分離能力，實驗結果如圖3 所示。對于50μg/L 的6 種PAHs 混合標準溶液，與HPLC 直接進樣（圖3a）相比，裸露的不銹鋼絲攪拌棒對PAHs 具有一定的萃取富集能力（圖3b），而經過TPB-DVA-COF 攪拌棒萃取后（圖3c），6種PAHs表現出更大的富集效果。因此，后續實驗選擇TPB-DVA-COF涂層攪拌棒對6種PAHs進行萃取性能研究。

圖3 6種PAHs的HPLC圖和SBSE/HPLC圖Fig.3 Chromatograms of six PAHs with direct injection and SBSE/HPLC

2.3 萃取及解吸條件的優化

為使TPB-DVA-COF@SBSE 對6種PAHs達到最佳的萃取效率，對離子強度、萃取溫度、攪拌速率、萃取時間和解吸時間進行了優化。由圖4A可見，在0%～15%范圍內，6種PAHs的萃取效率隨著NaCl含量的增加而增大，尤其是分子量大的Chr、B［b］f 和B［a］p 的萃取效率明顯增加。當NaCl 含量高于15%時，萃取效率開始下降，這是因為鹽析效應，在水樣中加入鹽可提高有機分析物的萃取效率，而當鹽濃度過高時，粘度效應起主導作用，不利于分析物從溶液擴散到纖維涂層［20］。綜合考慮，選取15% 的NaCl控制溶液離子強度。由圖4B 可見，PAHs 在45 ℃之前萃取效率增加，說明提高溫度可顯著提升PAHs 在水中的擴散速率，動力學效應起主導作用。溫度繼續升高反而使萃取效率降低，因為吸附過程屬放熱過程，熱力學效應起主導作用。故選擇萃取溫度為45 ℃。在萃取過程中，攪拌有利于分析物的擴散。如圖4C 所示，在300～800 r/min 范圍內，隨著攪拌速率的增大，加快了目標分析物的擴散，涂層的萃取量增加。當攪拌速率超過600 r/min 時，萃取效率開始有所下降，這是因為過快的攪拌速率使溶液形成漩渦狀，從而影響了纖維的萃取效率，因而選取最佳攪拌速率為600 r/min。考察了萃取時間在10～60 min范圍內對萃取效率的影響（圖4D），結果發現，萃取40 min后，6種PAHs的萃取效率基本不變，說明PAHs在涂層和樣品基質中的分配基本達到平衡。另外，在本實驗所用的解吸管中，100 μL甲醇可使攪拌棒完全浸沒。因此，本實驗以100 μL甲醇作為解吸劑，考察了不同解吸時間對PAHs解吸效果的影響。結果如圖4E所示，攪拌棒可在3 min內達到解析平衡，因此選擇解吸時間為3 min。結果表明，TPB-DVA-COF 涂層攪拌棒由于其大的比表面積和優異的結構而呈現出快速的吸附和解吸動力學。

圖4 離子強度（A）、萃取溫度（B）、攪拌速率（C）、萃取時間（D）、解吸時間（E）對PAHs萃取效率的影響Fig.4 Effects of ionic strength（A），extraction temperature（B），stirring rate（C），extraction time（D）and desorption time（E） on extraction efficiencies of PAHs

2.4 方法驗證

在優化的實驗條件下，采用TPB-DVA-COF@SBSE/HPLC 法測定6 種PAHs，考察了方法的線性范圍、檢出限（LOD）、富集倍數和相對標準偏差（RSD）。結果表明，Phe、Fla 和Pyr 在0.20～200 μg/L，Chr、B［b］f和B［a］p在0.05～200 μg/L范圍內均具有良好的線性關系，相關系數（r）不小于0.998 5，方法檢出限（3S/N）為0.007～0.150 μg/L。另外通過5 μg/L 的加標溶液考察萃取重復性，結果表明同一根攪拌棒的RSD 為3.8%～6.1%，批內、批間RSD 分別為4.3%～7.8%和5.2%～9.4%。富集倍數由富集前的色譜峰面積與富集后的峰面積相比得到，6 種PAHs 的富集倍數為41～225 倍。具體性能參數見表1。

表1 基于TPB-DVA-COF涂層的分析參數（n=5）Table 1 Analytical parameters of the proposed method based TPB-DVA-COF coating（n=5）

2.5 實際樣品分析

采用本方法在最佳實驗條件下分別對采集于當地的雨水樣、河水樣和污水樣中的目標分析物進行富集與檢測，分析結果見表2，其中生活污水直接進樣和萃取后進樣檢測的色譜圖如圖5所示。對3種實際水樣進行5.0、10 μg/L 兩個水平的加標實驗，6 種PAHs 的加標回收率分別為89.4%～104%和87.1%～103%，RSD 分別為4.3%～10%和3.6%～9.6%，表明所建立的方法具有良好的準確度與精密度，可用于不同實際水樣中PAHs的富集與檢測。

表2 不同環境水樣中PAHs的分析結果（n=3）Table 2 Analytical results of PAHs in different environmental water samples（n=3）

圖5 生活污水直接HPLC（a）和TPB-DVA-COF@SBSE/HPLC測定 （b）及加標10 μg/L的色譜圖（c）Fig.5 Chromatograms of domestic sewage by direct HPLC （a），TPB-DVA-COF@SBSE/HPLC analysis（b）and spiked with 10 μg/L（c）

2.6 TPB-DVA-COF涂層的穩定性及萃取機理

為考察自制TPB-DVA-COF 涂層的穩定性，將攪拌棒浸入甲醇、丙酮、乙腈、二氯甲烷、1.0 mol/L HCl 和2.0 mol/L NaOH 溶液中12 h，未發現有涂層脫落及溶脹現象。這主要歸因于COF 材料本身耐有機溶劑，最重要的是通過原位鍵合法在不銹鋼絲和COF 涂層之間形成了穩定的共價鍵。因此，所制備的TPB-DVA-COF具有較長的使用壽命，實驗中攪拌棒被使用80次后，萃取效率無明顯下降（圖6）。另外，該涂層優良的萃取親和性主要歸因于TPB-DVACOF 和PAHs 之間的強疏水效應和π-π 堆積作用，以及大的比表面積和合適的孔徑。此外，COF 材料的優異形貌可有效提高有機污染物的萃取效率。因此，TPB-DVA-COF 涂層攪拌棒適用于PAHs的分析。

圖6 初次使用TPB-DVA-COF涂層攪拌棒和使用80次后峰面積的比較Fig.6 Comparison of the peak areas of the fresh TPB-DVA-COF coating stir bar with the reused after 80 cycles extraction

2.7 與其它方法比較

將該方法與文獻報道的PDMS 攪拌棒進行比較，結果見表3。從表中可以看出，本方法的檢出限高于一些PDMS 攪拌棒，但本方法制備的攪拌棒RSD較低，富集倍數更高。

表3 本方法與其他方法的比較Table 3 Comparison between the proposed method and other reported methods

3 結 論

本文選用TPB 和DVA 兩種單體，在超聲輔助下，于不銹鋼絲上成功制備了TPB-DVACOF 涂層攪拌棒。其制備方法簡單，制備的涂層具有均一的球狀結構，比表面積大、穩定性好。將TPB-DVA-COF 涂層攪拌棒結合HPLC，建立了環境水體中6 種PAHs 的檢測方法。本方法具有低的檢出限（0.007～0.150 μg/L），良好的重現性（4.3%～10%）和回收率（87.1%～104%），可滿足復雜基體中PAHs 的檢測要求，實驗還對攪拌棒的穩定性和可能的萃取機理進行了探討。本方法為開發新型SBSE涂層材料，以及為復雜基體中痕量組分的選擇性萃取富集和定量分析提供了參考數據。