基于β-糊精氧化石墨烯管尖固相萃取/高效液相色譜檢測生活飲用水中苯并[a]芘

王 芹 馮曉青 宋 鑫 王 露

（淮安市疾病預(yù)防控制中心，淮安 223003）

苯并[a]芘(BaP)是由5個苯環(huán)構(gòu)成的稠環(huán)芳烴，最初由煤焦油中分離得到，是致癌性最強的一種多環(huán)芳烴，可誘發(fā)肺癌，具有極強的致畸、致突變性[1]。苯并[a]芘在環(huán)境中存在廣泛，主要存在于工業(yè)生產(chǎn)和生活過程中煤炭、石油和天然氣等燃料不完全燃燒產(chǎn)生的廢氣中，是環(huán)境污染常規(guī)監(jiān)測項目之一，并隨著雨水和工業(yè)廢水污染水資源，引起了全球高度關(guān)注。我國生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[2]和地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[3]規(guī)定苯并[a]芘的限值分別為0.01μg/L、2.8ng/L。

苯并[a]芘的檢測方法常見的有液相色譜法[4-6]、氣質(zhì)聯(lián)用法[7，8]，熒光光度法[9],拉曼光譜法[10]也有報道。苯并[a]芘具有熒光特性，國內(nèi)外主要選擇液相色譜法-熒光檢測器檢測，具有較高的靈敏度和選擇性。

水中苯并[a]芘濃度低，可以在pg/L到ng/L痕量濃度范圍，需要經(jīng)過萃取濃縮后檢測。目前，常見的萃取方法主要有液液萃取(LLE)[11，12]、固相萃取(SPE)[7,8,13-16]、固相微萃取(SPME)[17]、單液滴微萃取(SDME)[18]、攪拌棒吸附萃取(SBSE)[19]等。固相萃取由于其操作簡便、低有機溶劑消耗、高富集系數(shù)得到了非常廣泛的應(yīng)用。SPE技術(shù)的應(yīng)用依賴于吸附劑的容量及吸附劑的選擇性。許多具有優(yōu)異性能的吸附材料已被用作SPE的吸附劑，如納米材料、分子印跡聚合物等。

氧化石墨烯(GO)是石墨烯的前體，基面和邊緣具有豐富的含氧官能團及超高的比表面積，可通過π-π作用力、疏水作用力、氫鍵作用力吸附許多化合物。因氧化石墨烯在水中分散性較差，一般利用其含氧基團容易被修飾的特性，與其他化合物結(jié)合成復(fù)合物來改性[20]。β-糊精(β-CD)為水溶性低聚糖，價格便宜，具有內(nèi)疏水、外親水的特性，可通過氫鍵作用力、疏水作用力、范德華力、靜電作用力等與多種化合物形成穩(wěn)定的包合物，對化合物具有選擇性吸附性能。因此本研究采用β-CD官能化GO，調(diào)節(jié)GO的萃取性能。合成了基于β-CD@GO管尖固相萃取物，將其裝填入移液槍槍頭作為固相萃取劑與高效液相色譜快結(jié)合速檢測生活飲用水中苯并[a]芘，通過對萃取條件的優(yōu)化改進，建立了生活飲用水中痕量苯并[a]芘定量分法。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

Agilent 1260液相色譜儀(美國Agilent公司)；PAH C18柱(4.6×250mm，5μm，Waters)；電子天平(瑞士梅特勒公司)；電熱恒溫干燥箱(上海精宏實驗設(shè)備有限公司)；高速冷凍離心機(長沙湘儀離心機儀器有限公司)；移液槍(eppendorf，0.5～10mL)；移液槍槍頭(eppendorf，0.5～10mL)；KH-250DE超聲波清洗器(昆山禾創(chuàng)超聲儀器有限公司)；PHS-15酸度計(上海雷磁儀器廠) ；電熱板(labtech)。

苯并[a]芘標(biāo)準(zhǔn)溶液(100μg/mL，1mL，壇墨)；生活飲用水中苯并[a]芘質(zhì)控樣(大連中食國實檢測技術(shù)有限公司)；β-糊精(麥克林)；氧化石墨烯(aladdin)；甲醇(色譜純，默克)；丙酮(色譜純，F(xiàn)isher Chemical)；甲苯(色譜純，F(xiàn)isher Chemical )；乙腈(色譜純，羅恩試劑)；氫氧化鈉(分析純，國藥化學(xué)試劑有限公司)；氯化鈉(分析純，國藥化學(xué)試劑有限公司)；蒸餾水(屈臣氏)。

樣品為2份末梢水、2份出廠水、1份河水。采集時每升水樣加入0.5mL硫代硫酸鈉(100g/L)混勻去除余氯。樣品采集后4℃冰箱保存。

1.2 β-CD@GO制備

將4.0g氫氧化鈉溶解于200mL蒸餾水中，在超聲波作用下，加入5gβ-CD充分溶解，80℃下凝膠化30min。取2.5gGO于200mL蒸餾水在超聲波作用下充分溶解后，加入到β-CD溶液中，在80℃下繼續(xù)反應(yīng)3h。降溫至50℃再反應(yīng)1.5h，隨后冷卻至室溫。β-CD@GO通過離心(4000rmp,10min)收集，蒸餾水洗滌5次，60℃烘干備用。

1.3 儀器條件

流動相：甲醇：水(v:v，80%:20%)；恒流：1.0mL/min；進樣體積10μL；熒光檢測器Ex=303nm,Em=425nm。

1.4 試驗方法

取水樣上清液，每100mL水樣加入氯化鈉25g，使水樣離子濃度為25%。

在10mL移液槍槍頭內(nèi)裝填25mgβ-CD@GO固相萃取材料，兩端用玻璃棉固定，作為固相萃取柱，見圖1。使用前依次用2mL丙酮和2mL蒸餾水活化固相萃取柱，然后吸入待分析水樣10mL，吸附20分鐘后棄水樣，兩次吸入1mL蒸餾水以去除未吸附在萃取柱上的雜質(zhì)，最后用1mL甲苯洗脫5分鐘，洗脫液過0.22μm濾膜待分析測定，固相萃取柱用1mL甲苯清洗兩次備用。

圖1 固相萃取裝置

2 結(jié)果與討論

為了獲得最佳試驗參數(shù)，以40μg/L的BaP標(biāo)準(zhǔn)溶液為試樣，對影響B(tài)aP提取效率的參數(shù)分別進行了優(yōu)化，包括吸附劑的比例、吸附劑的量、樣品pH值、吸附時間、離子強度、吸附劑的重復(fù)使用次數(shù)、洗脫液的選擇、洗脫液的用量、洗脫時間。

2.1 吸附劑的優(yōu)化

2.1.1 吸附劑的比例

試驗比較了GO和β-CD@GO的提取效率。結(jié)果表明GO的提取回收率為45～50%，而β-CD@GO的提取回收率大于80%。這個差異可以認為是由GO表面的β-CD產(chǎn)生。吸附劑復(fù)合物表面β-CD的存在增加了主客包合物與BaP之間的吸附作用。β-CD@GO吸附劑因為兼具GO的π-π作用力和主客包合物作用力，吸附效率更優(yōu)。

為了獲得有效的吸附劑，優(yōu)化了GO和β-CD的質(zhì)量配比。比較了GO和β-CD不同配比(1:1、1:2、1:3)下的吸附效率。試驗結(jié)果顯示，1:1配比下的吸附效率略低，可能1:1配比下吸附劑表面沒有足夠的β-CD吸附BaP，1:2和1:3配比下的吸附效率相差不大，最后選擇1:2的配比。

2.1.2 吸附劑的量

試驗比較了10、15、20、25、30、35、40mg吸附劑的提取效率，結(jié)果見圖2A。BaP的提取回收率隨著吸附劑的增加而增加，當(dāng)吸附劑的量達到25mg時，回收率最高。因此，用25mg吸附劑提取。

圖2 吸附劑的量、鹽加入量、吸附時間、吸附劑使用次數(shù)對回收率的影響

2.1.3 離子強度

離子強度對萃取效率也有重要影響，試驗考察了不同NaCl濃度(0、5、10、15、20、25、30、35%)對提取效率的影響，見圖2B。結(jié)果顯示0～25%范圍內(nèi)，提取效率隨NaCl濃度的升高而升高，25%NaCl提取效率最高。這是由于當(dāng)NaCl濃度升高，鹽析效應(yīng)使得BaP在水中溶解度降低，更多的吸附于吸附劑，提取效率增高。當(dāng)離子強度進一步增高(＞25%)，樣品溶液粘性增加，阻止了BaP向吸附劑包合物傳質(zhì)。所以選擇25%NaCl。

2.1.4 吸附時間

考察了不同吸附時間(1、5、10、15、20、25、30min)對吸附效率的影響。如圖2C所示，20min吸附效率最高。所以本試驗選20min吸附時間。

2.1.5 吸附劑的重復(fù)使用性

吸附劑的循環(huán)使用次數(shù)也是影響吸附劑性能的參數(shù)之一。為了確定吸附劑重復(fù)使用性，考察重復(fù)使用5～20次的提取回收率(圖2D)。結(jié)果顯示，β-CD@GO吸附劑重復(fù)使用10次以內(nèi)，回收率沒有影響，說明GO和β-CD之間的有效連接保證了β-CD@GO復(fù)合物結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2.2 解吸條件優(yōu)化

由于GO和BaP之間存在強的π-π共價鍵，β-CD和BaP之間形成了聯(lián)結(jié)緊密主客包合物，需要有效的洗脫溶劑和足夠的洗脫時間來完全解吸。

考察了1mL甲苯不同洗脫時間(1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、8.0、10.0min)下的回收率。洗脫時間1～5min時，回收率大幅增加，6～10min回收率呈下降趨勢，所以本試驗5min為最佳吸附時間。

2.3 HPLC測定

苯并[a]芘標(biāo)準(zhǔn)溶液(10μg/L)色譜圖如圖3（a）所示，保留時間22.691min。

圖3 色譜圖

2.4 線性范圍和檢出限

取100μg/mL苯并[a]芘標(biāo)準(zhǔn)溶液，用蒸餾水逐步稀釋成濃度為0.01、0.05、0.1、0.5、1.0、5μg/L的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用液。在本試驗最佳條件下，分別取10mL進行吸附，解吸到1mL得到濃度為0.1、0.5、1.0、5.0、10、50μg/L的標(biāo)準(zhǔn)系列，HPLC-FLD檢測，以保留時間定性、峰面積定量。在0.1～50μg/L范圍內(nèi)，苯并[a]芘線性關(guān)系良好，r=0.9996。以3倍信噪比計算方法的檢出限(LOD)為3ng/L。

在本試驗最佳條件下進行樣本檢測，5份水樣中均未檢出苯并[a]芘。取1份空白末梢水進行加標(biāo)回收試驗，結(jié)果見表1，3個加標(biāo)水平的平均回收率在89.2%～92.5%之間，RSD在3.7%～5.2%之間。

表1 空白水樣中BaP的加標(biāo)回收試驗結(jié)果(n=6)

2.5 質(zhì)控樣檢測

取生活水中苯并[a]芘質(zhì)控樣(CFAPAQC1100D-1，標(biāo)準(zhǔn)偏差13.0ng/L) 10mL按本試驗條件檢測，結(jié)果見表2。Z值等于0.56，小于2，測定值與標(biāo)準(zhǔn)值相近，方法準(zhǔn)確性良好。

表2 生活水中苯并[a]芘的測定（n=3）

2.6 與其他方法相比

本方法與《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗方法 有機物指標(biāo)》(GB/T5750.8-2006)[21]相比所需樣品量更少、提取更簡便、有機溶劑消耗更少等優(yōu)點。表3列出了苯并[a]芘不同提取方法和檢測方法下的方法性能參數(shù)。結(jié)果顯示，本試驗具有較寬的線性范圍，較低的檢出限和較高的精密度。

表3 本文方法與其他方法比較

2.7 樣品檢測

在本試驗最佳條件下，對所采集5份水樣進行檢測，均未檢出BaP,空白樣品譜圖見圖3（b）。

3 小結(jié)

建立了β-糊精氧化石墨烯管尖固相萃取-高效液相色譜法檢測生活飲用水中苯并[a]芘(BaP)新方法。合成了β-CD@GO吸附劑，其中GO提供了強大π-π共價鍵與BaP結(jié)合、β-CD通過主客包合物對BaP產(chǎn)生特異性吸附。本方法填料用量少、所需樣品量少、有機溶劑消耗少、吸附選擇性高、操作簡單快捷、可重復(fù)使用，適用于生活飲用水中苯并[a]芘的檢測。