快速制備鎳鈦合金固相微萃取纖維及其與高效液相色譜聯用測定環境水樣中的紫外線吸收劑

甄 琦，金盼霞，張 敏，王會菊，王雪梅,2，杜新貞,2*

(1.西北師范大學 化學化工學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省生物電化學與環境分析重點實驗室，甘肅 蘭州 730070)

快速制備鎳鈦合金固相微萃取纖維及其與高效液相色譜聯用測定環境水樣中的紫外線吸收劑

甄 琦1，金盼霞1，張 敏1，王會菊1，王雪梅1,2，杜新貞1,2*

(1.西北師范大學 化學化工學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省生物電化學與環境分析重點實驗室，甘肅 蘭州 730070)

以鎳鈦合金絲為基體，通過酸處理方法制得具有大比表面積的固相微萃取(SPME)纖維氧化物涂層。將其與高效液相色譜聯用，研究了氧化物涂層對芳香分析物的萃取性能。結果表明，該纖維對所選擇的紫外線吸收劑具有良好的萃取效率和選擇性。進一步優化了紫外線吸收劑2-羥基-4-甲氧基二苯甲酮(BP-3)、2-乙基己基-4-甲氧基肉桂酸酯(EHMC)、4-(二甲氨基)苯甲酸-2-乙基己酯(OD-PABA)和2-乙基己基水楊酸酯(EHS)的萃取條件。方法在0.1～300 μg·L-1范圍內具有良好的線性關系，檢出限為0.025～0.097 μg·L-1，使用單支SPME纖維同日內和隔日內的精密度分別為4.9%～5.8%和5.5%～6.4%，使用不同批次SPME纖維的精密度為6.3%～7.1%。所建立方法已成功用于環境水樣中目標紫外線吸收劑的富集分離和測定。該纖維制作快速簡單、穩定性高，不同批次制作的重現性好。

固相微萃取(SPME)；高效液相色譜(HPLC)；紫外線吸收劑；富集；樣品前處理

固相微萃取(SPME)是1990年初由Arthur和Pawliszyn提出的一個簡單、微型、無溶劑、高效的樣品預處理技術[1]，其萃取效率很大程度上取決于分析物在樣品基體和萃取纖維涂層材料的分配系數，因此，SPME技術的核心部位是吸附分析物的纖維涂層。大多數商用萃取纖維是在熔融石英纖維上浸涂聚二甲基硅氧烷[2-4]、聚丙烯酸酯、聚乙二醇[5]等有機涂層，一些課題組也致力于在熔融石英纖維上開發萃取性能優良的涂層[6]。但是，熔融石英纖維存在易折斷、涂層熱穩定性較低和易脫落等缺點。因此，開發剛性好、熱穩定性高和制備方法快速簡單的SPME纖維在近20多年成為了SPME技術的研究熱點，尤其是以不銹鋼絲[7-9]、鈦絲[10]、鋅絲[11]、銀絲[12]等為基體的金屬纖維引起了重點關注。

鎳鈦合金具有優異的超彈性能、抗腐蝕能力和生物相容性，以鎳鈦合金為基體的SPME纖維在近10年成為商用石英纖維的良好替代品[13-15]。Pawliszyn等[13]首次將鎳鈦合金絲用于自動化SPME；Carasek等將二氧化鋯電沉積到鎳鈦合金絲表面制備了SPME纖維，并用于對鹵代苯甲醚的萃取[14]。此后，該課題組進一步通過溶膠-凝膠法在鎳鈦合金表面分別鍵合了聚二甲基硅氧烷和聚乙二醇，并成功將其分別用于水樣中苯、甲苯、二甲苯、乙苯等的頂空萃取[15]和鄰苯二甲酸酯類的萃取[16]；Sidisky等[17]將鎳鈦合金基商用SPME纖維與高效液相色譜(HPLC)聯用分析測定了多環芳烴。由于利用鎳鈦合金絲直接制備SPME纖維的研究較少[18]。因此，對鎳鈦合金表面進行化學處理來快速直接制備SPME纖維值得進一步研究。

本文通過對鎳鈦合金表面進行酸處理，制備了具有大比表面積的鎳鈦合金SPME纖維，并與HPLC聯用研究了其對多環芳烴(PAHs)、多氯聯苯(PCBs)、鄰苯二甲酸酯(PAEs)和紫外線吸收劑的萃取性能,優化了其對紫外線吸收劑的萃取條件。方法進一步用于實際水樣中紫外線吸收劑的富集分離和測定，結果滿意。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(鄭州長城科工貿有限公司)，場發射掃描式電子顯微鏡(SEM)，能量色散X-射線光譜儀(EDX，德國Zeiss公司)，盛德利超純水系統(重慶市澳凱龍醫療器械研究有限公司)，Agilent 1260型高效液相色譜儀、G1314F可變波長紫外檢測器和OpenLAB色譜工作站(德國Agilent公司)，C18反相色譜柱(5 μm，4.6 mm×150 mm)；SPME-HPLC接口(美國Supelco公司)。

鎳鈦合金絲(50.8% Ni，美國Alfa Aesar公司)，氫氟酸和氯化鈉(分析純，天津凱通化學工業有限公司)，硝酸(分析純，煙臺雙雙化工有限公司)，甲醇(色譜級，山東禹王化工公司)；標準試劑鄰苯二甲酸二甲酯(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(DOP)、2,4,4′-三氯聯苯(PCB-28)、2,4′,5-三氯聯苯(PCB-31)、2,3′,4,4′,5-五氯聯苯(PCB-118)、2,2′,4,4′,5,5′-六氯聯苯(PCB-153)、2-羥基-4-甲氧基二苯甲酮(BP-3)、2-乙基己基-4-甲氧基肉桂酸酯(EHMC)、4-(二甲氨基)苯甲酸-2-乙基己酯(OD-PABA)和2-乙基己基水楊酸酯(EHS)(美國AccuStandard公司)，標準試劑萘(Nap)、芴(Flu)、熒蒽(Fla)和苯并[a]芘(B[a]p)(美國Aldrich公司)。

1.2 實驗方法

1.2.1 鎳鈦合金SPME纖維的制備 將鎳鈦合金絲用甲醇、丙酮和超純水分別超聲波清洗5 min，鎳鈦合金絲清洗后的一端插入氫氟酸-濃硝酸混合溶液(體積比1∶5)中，溫度為30 ℃，5 min后取出鎳鈦合金絲，超純水中清洗5 min，空氣中自然干燥2 h。

1.2.2 SPME與HPLC聯用 在20 mL萃取瓶中，加入15 mL樣品溶液，用磷酸緩沖溶液調節pH值為7.0。在預設溫度和攪拌條件下，將所制備的鎳鈦合金纖維直接浸入樣品溶液進行SPME。待萃取完成后，取出SPME纖維插入SPME-HPLC接口中進行靜態解吸。HPLC分析中，紫外線吸收劑、PCBs、PAEs和PAHs的流動相分別為體積比85∶15，90∶10，75∶25和90∶10的甲醇-水，流速為1 mL·min-1，紫外檢測器對應的檢測波長分別為310，254，280，254 nm。實驗中每次萃取之前，鎳鈦合金纖維分別在甲醇和超純水中進行清洗。

2 結果與討論

2.1 鎳鈦合金SPME纖維的表面形貌

采用SEM對未處理和酸處理的鎳鈦合金絲表面形貌進行了表征。如圖1所示，與未處理的鎳鈦合金絲(圖1A)相比，酸處理后的鎳鈦合金絲(圖1B)表面非常粗糙，有30～50 nm的顆粒物形成。通過EDX對鎳鈦合金絲表面元素組成進行表征，顯示在未處理鎳鈦合金絲表面產生了Ni，Ti和O元素峰(圖2A)，表明其表面形成一層鈍化膜，通常可使鎳鈦合金絲具有優良的抗腐蝕性和生物相容性[19]；酸處理后，鎳鈦合金絲表面的O元素峰幾近消失(圖2B)，說明其表面鈍化膜已基本清除，此時鎳鈦合金絲表面僅由Ni和Ti元素組成；由圖2C可以看出，在空氣中自然干燥后，鎳鈦合金絲表面又重新生成了一層新的Ni和Ti氧化物膜，但其表面微觀結構得以保留(圖1C)，這使得鎳鈦合金絲的比表面積極大，表面活性結合位點有利于樣品溶液中目標分析物的富集與萃取。

圖2 鎳鈦合金絲表面的EDX光譜Fig.2 EDX spectra of Ni-Ti alloy wire surfaceA：original Ni-Ti alloy wire；B：pretreated Ni-Ti alloy wire；C：pretreated Ni-Ti alloy wire after drying in air

圖3 不同芳香族化合物的HPLC和SPME-HPLC色譜圖Fig.3 Typical chromatograms of direct HPLC and SPME-HPLC with the prepared Ni-Ti alloy fiber for different aromatic compound direct HPLC：a.UV filters，c.PCBs，e.PAEs，g.PAHs;SPME-HPLC：b.UV filters，d.PCBs，f.PAEs,h.PAHs；concentration of each analyte in spiking water is 100 μg·L-1

2.2 萃取效率與選擇性

以紫外線吸收劑、PCBs、PAHs和PAEs作為模型分析物，考察了所制備鎳鈦合金SPME纖維的萃取性能。如圖3所示，當溫度為25 ℃、攪拌速率為200 r·min-1、萃取時間為20 min，解吸時間為3 min時，該纖維對于紫外線吸收劑(BP-3，OD-PABA，EHMC和EHS)(圖3b)具有較好的萃取能力，但對于PCBs(PCB-28，PCB-31，PCB-118和PCB-153)(圖3d)和PAEs(DMP，DEP，DBP和DOP)(圖3f)幾乎無萃取能力；對于PAHs(Nap，Flu，Fla和B[a]p)(圖3 h)，該纖維具有較低的萃取效率，且對不同分子量的PAHs萃取能力有顯著差異，表現出一定的萃取選擇性。這可能是由于酸處理之后形成的氧化物表面上有路易斯酸性位點，對具有路易斯堿性基團的弱極性芳香族化合物具有強親合作用。在后續實驗中，以紫外線吸收劑為目標分析物，研究和優化了所制備鎳鈦合金SPME纖維的萃取性能。

2.3 SPME條件的優化

采用色譜峰面積考察了不同萃取條件下鎳鈦合金SPME纖維對紫外線吸收劑BP-3，OD-PABA，EHMC和EHS的萃取性能，樣品濃度均為50 μg·L-1。2.3.1 溫度的影響 溫度在SPME過程中對于萃取效率具有雙重影響。升溫雖然可以增加擴散速率，但會減小目標分析物在纖維表面和水相中的分配系數[20]。研究結果顯示，萃取效率在25 ℃時最優。

2.3.2 萃取時間與解吸時間的影響 SPME過程是平衡萃取過程，待測物達到吸附平衡前，吸附量與萃取時間有很大關系[21]。考察了萃取時間對萃取效率的影響，結果顯示，30 min內BP-3，EHS，OD-PABA和EHMC達到萃取平衡。進一步實驗表明，在流動相中靜態解吸80 s時達到解吸平衡，而且可確保該纖維二次解吸無記憶效應。

2.3.3 攪拌速率的影響 考察了攪拌速率對目標分析物萃取效率的影響。結果表明，攪拌速率為300 r·min-1時，萃取效率達到最大。

2.3.4 離子強度的影響 選取濃度為5%～25%的NaCl溶液，考察了不同鹽濃度對萃取效率的影響。研究結果顯示，增強體系的離子強度，可顯著增大所制備纖維對目標分析物的萃取效率，但離子強度過高時，溶液黏度增大，反而使SPME萃取頭對目標分析物的萃取效率減小。實驗選取NaCl的最佳濃度為20%。2.3.5 pH值的影響 考察了溶液pH值對萃取效率的影響。結果顯示，當pH值為7.0時，目標紫外線吸收劑能以未解離形式存在于溶液中，此時可獲得該纖維的最大萃取效率。

2.4 線性范圍、精密度與檢出限

考察了所建立方法的線性關系、回收率以及檢出限等參數。從表1可以看出，該方法具有良好的回收率、精密度和低的檢出限。所制備的3批次鎳鈦合金基纖維具有很好的重現性，使用單支SPME纖維同日內和隔日內的精密度分別為4.9%～5.8%和5.5%～6.4%，使用不同批次SPME纖維的精密度為6.3%～7.1%。

表1 方法的線性范圍、相關系數、回收率、相對標準偏差及檢出限(n=3)Table 1 Linear range，correlation coefficient(r)，recovery，relative standard deviation(RSD) and limit of detection(LOD) of the proposed method(n=3)

2.5 實際水樣的測定

近年來，由于臭氧層的不斷破壞，紫外線輻射量不斷增加，因此，人工合成紫外線吸收劑已廣泛應用于化妝品、洗滌劑、護發產品和針織物的處理中[22]，以保護人體免受過量紫外線的損傷。因此，各類合成紫外線吸收劑也隨生活污水以新型環境污染物排入環境水體中。但是，該類環境污染物濃度水平極低且基體復雜，需要對其富集分離后方能用常規儀器檢測。 為了驗證該纖維與HPLC聯用分析檢測水樣中目標紫外線吸收劑的可行性，對當地不同環境水樣進行了采集和檢測，分析結果列于表2。該方法的加標回收率為82.2%～103%，精密度(RSD)為6.1%～9.6%，表明該方法具有良好的加標回收率和重現性，所制備的鎳鈦合金纖維對樣品具有較好的凈化作用，可用于實際環境水樣中目標紫外線吸收劑的富集分離和檢測。

表2 不同環境水樣中紫外線吸收劑的測定(n=3)Table 2 Determination of UV filters in different environmental water samples(n=3)

ND：no detected

3 結 論

本文通過酸處理制備了具有大比表面積的鎳鈦合金SPME纖維，并顯示出對目標紫外線吸收劑的良好萃取效率和選擇性。該纖維制作快速簡單、穩定性高，不同批次制作的重現性好。以此萃取纖維所建立的SPME-HPLC方法，適用于對實際環境水樣中目標紫外線吸收劑的富集分離與檢測。而且，鎳鈦合金基纖維的使用壽命長，所以，鎳鈦合金絲是一種具有發展前景的SPME候選基體纖維，可在鎳鈦合金絲表面直接組裝不同吸附涂層，從而為SPME技術提供了多樣化選擇。

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Determination of Ultraviolet Filters in Environmental Water Samples Using Rapidly Prepared NiTi Alloy Based Solid Phase Microextraction Fiber Coupled with High Performance Liquid Chromatography

ZHEN Qi1，JIN Pan-xia1，ZHANG Min1，WANG Hui-ju1，WANG Xue-mei1,2，DU Xin-zhen1,2*

(1.College of Chemistry and Chemical Engineering，Northwest Normal University，Lanzhou 730070，China；2.Key Lab of Bioelectrochemistry & Environmental Analysis of Gansu，Lanzhou 730070，China)

A new fiber coating with a large specific surface area was prepared by direct acid pretreatment of NiTi alloy wire.The extraction performance of the prepared fiber was evaluated by high performance liquid chromatography(HPLC) using aromatic compounds as model analytes .Good extraction efficiency and selectivity were achieved for different types of ultraviolet filters.The key parameters influencing the extraction efficiency were optimized for 2-hydroxy-4-methoxybenzophenone(BP-3)，2-ethylhexylp-methoxycinnamate(EHMC)，2-ethylhexyl 4-(dimethylamino)benzoate(OD-PABA) and 2-ethylhexyl 2-hydroxybenzoate(EHS).Under the optimized conditions，the linearity was obtained in the range of 0.1-300 μg·L-1.The limits of detection ranged from 0.025 μg·L-1to 0.097 μg·L-1.The intra-day and inter-day precisions for the proposed method with the single fiber were in the ranges of 4.9%-5.8% and 5.5%-6.4%，respectively.Its fiber-to-fiber reproducibility ranged from 6.3% to 7.1%.The proposed method was successfully applied in the concentration and determination of target UV filters in environmental water samples.The resulting fiber is very stable in SPME procedure,and could be rapidly prepared in a highly reproducible manner.

solid phase microextraction(SPME)；high performance liquid chromatography(HPLC)；ultraviolet filters；enrichment；sample preparation

10.3969/j.issn.1004-4957.2017.03.012

2016-09-28；

2016-11-14

國家自然科學基金項目(21265019)

O657.72;TQ314.257

A

1004-4957(2017)03-0367-05

*通訊作者：杜新貞，博士，教授，研究方向：環境分析化學，Tel：0931-7970796，E-mail：duxz@nwnu.edu.cn