功能化聚丙烯腈納米纖維膜同時高效萃取莠去津及其毒性代謝物

曹衛鑫+楊碧漪+祁菲菲+錢靚靚+許茜

摘要 研制了一種新型固相萃取（SPE）介質，用于同時高效萃取莠去津（ATZ）及其兩種毒性代謝產物脫乙基莠去津（DEA）和脫異丙基莠去津（DIA），為全面客觀地評價ATZ的水污染狀況提供基礎。以聚丙烯腈納米纖維（PAN NFs）膜為基底膜，制備了3種功能化的NFs膜。吸附容量和吸附效率實驗結果表明，羧基修飾的PAN NFs（COOHPAN NFs）膜對3種目標物的靜態和動態吸附容量分別為2.00和0.19 mg/g，動態吸附流出率低于30.0%，顯著優于其它3種NFs膜，且對極性較大的目標物保留最強，表明其為同時高效吸附ATZ、 DIA和DEA的優勢SPE介質，且主要通過羧基基團與目標物之間形成的氫鍵進行目標物吸附。采用基于COOHPAN NFs膜的SPE，結合高效液相色譜二極管陣列檢測器（HPLCDAD），建立了同時檢測水樣中ATZ、 DIA和DEA的方法，方法回收率為81.4%～120.3%， DIA檢出限（LOD， S/N=3）為0.12 ng/mL，DEA和ATZ的檢出限為0.09 ng/mL，可應用于實際水樣監測。

關鍵詞 莠去津； 納米纖維膜； 功能化修飾； 固相萃取； 吸附介質

1引 言

莠去津（Atrazine， ATZ）是一種近幾十年來被全球廣泛使用的除草劑[1]，其代謝產物主要分為兩類：脫烷基代謝產物與羥基取代代謝產物。美國環保局的調查數據表明，羥基取代代謝產物毒性較小，而脫烷基代謝產物中的脫乙基莠去津（Deethylatrazine， DEA）和脫異丙基莠去津（Deisopropylatrazine， DIA）內分泌干擾的毒性與莠去津相似[2]。ATZ及其DIA、DEA兩種毒性代謝產物的極性較大，水溶性強，常隨地表徑流進入河流、湖泊，造成水環境污染。因此，同時監測ATZ、DIA及DEA對全面客觀地評價ATZ的水污染情況是十分必要的。目前，水體污染監測大多僅限于ATZ。我國環境保護總局（GB 38382002）[3]規定在集中式生活飲用水地表水源地中ATZ的標準限值為0.003 mg/L，DIA和DEA卻尚未納入水質標準。

水體中污染物成分復雜，測定前須經除雜、凈化、分離、富集等預處理。固相萃取（Solidphase extraction， SPE）法是常用的樣品預處理技術之一[4]，其中吸附介質是SPE前處理技術的核心。非極性或弱極性，乃至中等極性的目標物提取技術目前已比較成熟，如何實現水樣中極性目標物的高效提取仍是一項具有挑戰性的工作。水體中ATZ檢測的SPE介質多為Oasis MAX、OASIS HLB、LiChrolut EN等[5～7]，處理一份樣品需要60～500 mg填料、6～20 mL有機溶劑。實現ATZ及其DIA、DEA兩種極性更高的代謝物的同時測定，需研制更為高效的SPE介質。

納米纖維（Nanofibers， NFs）具有極高的長徑比，易于制成膜，并且能保留納米材料的特性。不同于傳統的SPE膜，納米纖維膜是一種“整體膜”，不需要裝填，從根本上避免了“溝流效應”，而極大的比表面積又可提供豐富的與目標物之間的作用位點，為高效提取提供了保證。使用納米纖維膜處理一份樣品僅需幾毫克NFs以及不足1 mL有機溶劑，成為極富潛力的綠色、高效的新型SPE介質[8～10]。 迄今為止， 已有數百種聚合物可采用靜電紡絲法有效地制備NFs[11]，其中，聚丙烯腈納米纖維（PolyacrylonitrileNFs， PAN NFs）因骨架中存在大量氰基〖JG（（〖ZJYC〖ZJSX，YN），〖JG）使其具有較強的功能化改性潛力，可修飾不同官能基團，有利于高效提取極性目標物。前期研究[12，13]發現，NFs經聚吡咯（Polypyrrole， PPy）修飾后，可高效提取水樣中的農藥、偶氮染料等極性污染物。

本實驗采用靜電紡絲法制備PAN NFs膜，并以其作為基體材料進行功能化修飾，獲得3種功能化NFs膜，分別為PPy修飾的PAN NFs（PPyPAN NFs）膜、氨基修飾的PAN NFs（NH2PAN NFs）膜和羧基修飾的PAN NFs（COOHPAN NFs）膜。通過靜態、動態吸附實驗，優選其中吸附效能最佳的NFs膜作為SPE介質，并對其可能的吸附機理進行探討。結合高效液相色譜二極管陣列檢測器（HPLCDAD），建立了同時檢測水中ATZ、DIA和DEA的方法。

2實驗部分

2.1儀器與試劑

LC20AD高效液相色譜儀（HPLC）、SPDM20A二極陣列管檢測器、LC Solution色譜工作站、Prominence SIL20AC自動進樣器（日本島津公司）；Dikma platisil C18色譜柱（150 mm ×4.6 mm，5 μm）；BT25S微量電子天平（賽多利斯科學儀器（北京）有限公司）；Hitachi S3000N掃描電子顯微鏡（SEM，日本日立公司）；Nexus 870傅里葉紅外光譜儀（FTIR，美國Nicolet公司）；Visiprep DL固相萃取儀（美國Supelco公司）。

ATZ、DIA和DEA標準品（純度>99%，美國SigmaAldrich公司）；PAN（上海麥克林生化科技有限公司）；吡咯（上海科豐實業有限公司）；二甲基甲酰胺、85%水合肼、乙醇、甲醇、FeCl3、NaOH、濃HCl等（國藥集團化學試劑有限公司）。

2.2標準溶液的配制

準確稱取10 mg的ATZ、DIA和DEA標準品，用甲醇稀釋并定容至10 mL， 得到1.0 mg/mL的混合標準儲備液（4℃保存）。儲備液用二次蒸餾水逐級稀釋至所需濃度，得到系列標準溶液。

2.3膜的制備

2.3.1PAN NFs膜以二甲基甲酰胺為溶劑，配制濃度為11%的PAN紡絲溶液，并置于配有6.5號不銹鋼針頭的20 mL注射器中，針頭尖端磨平作為噴針。針頭接高壓電源正極，鋁箔接收屏接高壓電源負極。噴射電壓設定為12 kV，調整針頭至鋁箔接收屏的距離為15 cm，紡絲液推進速度為1.0 mL/h。當收集纖維3 h后，將NFs膜連同鋁箔在40℃真空干燥箱中放置2 h，揮發殘留的溶劑，即得PAN NFs膜。將PAN NFs膜剪裁成質量約200 mg、直徑約為15 cm的圓形片作為基底膜，進行如下各官能基團修飾，制得不同功能化的NFs膜。

2.3.2PPyPAN NFs膜將基底膜置于100 mL 0.125 mol/L吡咯單體乙醇溶液中，室溫下浸泡1 h，使吡咯單體在纖維表面充分分散。隨后加入50 mL 0.125 mol/L氧化劑FeCl3溶液，在室溫下通過化學氧化的方式聚合12 h。反應結束后， NFs膜用乙醇和水分別淋洗3次，至洗液無色， 40℃烘干。

2.3.3NH2PAN NFs膜

將基底膜置于100 mL，85%水合肼溶液中，在90℃水浴條件下反應2.5 h后，用甲醇和水交替反復沖洗兩遍，于40℃烘箱中烘干。

2.3.4COOHPAN NFs膜

將基底膜置于150 mL PANNaOH（1〖KG-3∶〖KG-530， w/w）中，在90℃水浴條件下反應30 min，得到羧基鈉修飾的PAN NFs。反應結束后取出纖維，用蒸餾水沖洗殘留的NaOH。2然后浸泡在0.1 mol/L 100 mL HCl中，得到COOHPAN NFs膜，用蒸餾水反復沖洗纖維表面，于40℃烘箱中烘干。

2.4膜的表征

采用SEM觀察PAN NFs的表面形貌。樣品觀察前真空干燥48 h，噴金120 s，加速電壓3.0 kV，掃描電鏡圖片采用Image J軟件進行處理，計算NFs的平均直徑。采用FTIR分析NFs所含的官能團，將樣品與溴化鉀粉末按1〖KG-3∶〖KG-5100混合，充分研磨后分散在溴化鉀粉末中，壓片后進行紅外光譜分析，測量范圍為400～4000 cmSymbolm@@ 1。

2.5吸附實驗

2.5.1靜態吸附動力學實驗由于SPE過程的實際完成時間通常為30 min以內，故本研究測定各NFs膜在30 min內不同時間對目標物的吸附容量，考察其靜態吸附效能。分別取2.0 mg PAN NFs膜、PPyPAN NFs膜、NH2PAN NFs膜和COOHPAN NFs膜于10 mL具塞玻璃小瓶中，依次用丙酮＼，二次蒸餾水＼，甲醇、二次蒸餾水各200 μL浸洗NFs膜1次。在保持NFs膜浸潤的條件下，加入10 mg/L混合目標物溶液2 mL，在298 K條件下進行吸附實驗，在不同的時間點（0、5 、10、15 和30 min），分別取樣50 μL， 并及時補充相同體積的空白介質，用HPLCDAD檢測所取樣品中3種目標物的濃度。目標物的吸附量為qt：

qt=（C0-Ct）V/m〖FH（1）

其中， C0為原始溶液中物質的濃度（mg/L）； Ct為吸附時間為t時溶液中剩余目標物的濃度（mg/L）； qt為吸附容量（mg/g）； V為吸附溶液的體積（L）； m為NFs膜的質量（g）。

2.5.2動態吸附動力學實驗以流出率（Runoff ratio）為指標，通過動態吸附動力學實驗考察NFs在SPE過程中的實際吸附效能，采用實驗室自制裝置對目標物進行動態吸附實驗。將PAN NFs膜、PPyPAN NFs膜、NH2PAN NFs膜和COOHPAN NFs膜裁剪為圓形膜（直徑2.0 cm，4.0 mg），以篩板上下固定并裝填在空固相萃取小柱（1 cm，3 mL）中，制成樣品處理器， 并將其置于真空固相萃取儀上。以蒸餾水甲醇蒸餾水（各0.6 mL）的順序活化NFs膜， 2 mL 0.5 mg/L混合標準樣品液以0.6 mL/min的速度通過活化后的NFs膜，取20 μL流出液供HPLC檢測。流出率的計算公式如下：

Runoff ratio=C/C0×100%〖FH（2）

其中， C0為原始溶液中物質的濃度（0.5 mg/L）； C為流出液中目標物的濃度（mg/L）。

2.6HPLC檢測目標物

采用HPLCDAD 檢測ATZ、DIA和DEA的濃度。流動相A為乙腈，流動相B為水，梯度洗脫： 0～15 min， 80%～0% B；15～16 min，0%～80% B。柱溫30℃；進樣量20 μL；流速1.0 mL/min。檢測波長222 nm。

2.7SPE過程

取4.0 mg優選NFs膜， 裁剪為直徑2.0 cm的圓形膜，依2.5.2節操作，10 mL水樣以0.6 mL/min的速度通過NFs膜后，膜用400 μL甲醇洗脫，取20 μL洗脫液直接進行HPLCDAD 檢測。

3結果與討論

3.1NFs膜的形貌及官能團表征

3.1.1SEM各NFs的SEM結果如圖1所示。電紡PAN NFs表面光滑，粗細均勻，平均直徑約為160 mm； PPy在PAN NFs表面沉積并包裹在NFs外，致使PPyPAN NFs表面變得粗糙，并有少量PPy顆粒沉積，同時纖維直徑較修飾前增加，平均直徑約為280 mm；NH2PAN NFs和COOHPAN NFs較PAN NFs發生蜷曲，局部可見纖維粘結，可能由于引入親水基團后，纖維在水溶液中容易溶脹所致[14]，但表面形貌均無明顯變化，平均直徑略有增加，分別為190和180 nm。Symbolm@@ 1處對應的氰基〖JG（（〖ZJYCN）〖JG）伸縮振動，1736 cmSymbolm@@ 1處對應的羰基〖JG（（〖ZJYC〖ZJLX，YO）〖JG）伸縮振動以及1042～1069 cmSymbolm@@ 1處對應的醚基伸縮振動均是典型的PAN分子結構的特征譜帶[15]。但在PPyPAN NFs圖譜（曲線b）中，這些特征峰的強度有所減弱甚至消失，取而代之的是PPy的特征峰，包括〖CM（21*31542 cmSymbolm@@ 1 處的吡咯環振動， 1170 cmSymbolm@@ 1 處的〖JG（C〖ZJYN〖JG）〖CM）伸縮振動，1046 cmSymbolm@@ 1處的〖JG（C〖ZJLX，Z；YH〖JG）面內變形振動，895 cmSymbolm@@ 1處的〖JG（C〖ZJLX，Z；YH〖JG）面外變形振動，證明PPy已經包裹修飾在PAN NFs上。由圖2B（b）可見，2250 cmSymbolm@@ 1處的氰基峰強度明顯變弱，次級氨基基團的〖JG（N〖ZJYH〖JG）的伸縮振動使得在3100～3400 cmSymbolm@@ 1處出現新峰，羰基和〖JG（C〖ZJLX，YN〖JG）鍵的耦合引起1700～1630 cmSymbolm@@ 1寬帶產生。此外，〖JG（C〖ZJYH〖JG）的彎曲振動覆蓋了〖JG（N〖ZJYH〖JG）的伸縮振動，從而使1570～1560 cmSymbolm@@ 1峰變弱，表明PAN的氰基與水合肼發生反應，引入〖JG（NH2〖ZJZ〖JG）基團，成功制備了NH2PAN NFs。由圖2C可見，經羧基功能化修飾后，PAN NFs的〖JG（CN〖ZJZ〖JG）特征吸收峰明顯降低，〖JG（C〖ZJZ；LX，YO〖JG）吸收峰的強度增加，3544 cmSymbolm@@ 1處的〖JG（NH2〖ZJZ〖JG）伸縮振動吸收峰轉移至3352 cmSymbolm@@ 1且強度增加，而在1695 cmSymbolm@@ 1處的吸收峰主要是由反應過程中生成的環狀中間體上的雙鍵和酰胺基產生[16]。以上結果表明，PAN NFs在羧基功能化修飾后成功引入了〖JG（COOH〖ZJZ〖JG）和〖JG（CONH2〖ZJZ〖JG）基團。

3.2吸附性能考察

3.2.1靜態吸附4種NFs膜對于3種目標物在不同時間的吸附容量變化如圖3所示。由圖3可見，4種吸附材料的吸附效率在0～30 min內有明顯區別。COOHPAN NFs膜對3種目標物的吸附更穩定，在前5 min內的吸附效率均大于其余3種膜，吸附目標物更快，同時，在30 min，吸附容量均大于2.0 mg/g，且高于其余3種膜。因此，靜態吸附實驗表明， COOHPAN NFs膜對3種目標物的吸附效率及吸附容量均具有顯著優勢。

3.2.2動態吸附動態吸附實驗結果見表1，COOHPAN NFs膜在3種目標物的SPE過程中與基底膜相比流出率最低（p<0.05），對3種目標物的流出率均小于30.0%，提示能保留更多的目標物，吸附效率最高。高極性目標物是SPE吸附材料研究的難點，3種目標物的極性大小順序為DIA>DEA>ATZ[17]，對于極性最大的目標物DIA，COOHPAN NFs膜吸附優勢更明顯。

3.3COOHPAN NFs膜吸附機理

考察了COOHPAN NFs膜吸附目〖ZH（標物前后紅外圖譜的變化。目標物含有三氮雜環、氨基和亞氨基，有可能與羧基基團產生氫鍵作用而被吸附： 羧基中的〖JG（OH〖ZJZ〖JG）鍵可以與目標物雜環中的N原子形成氫鍵〖JG（（OH〖ZJYN）；〖JG）羧〖ZH）基中的O原子也可以與目標物側鏈的〖JG（NH〖ZJZ〖JG）形成氫鍵〖JG（（O〖ZJYNH）。〖JG）由圖2D可見，COOHPAN NFs膜吸附目標物后在3500 cm

Symbolm@@ 1處出現明顯變化，說明有新鍵的形成，而這正是由于〖JG（OH〖ZJZ〖JG）的伸縮振動所引起的，證明了氫鍵的存在[18]。因此，COOHPAN NFs膜的羧基基團與目標物之間形成的氫鍵可能是主要的吸附作用力。

3.4方法評價及應用

采集太湖西岸入水口6個采樣點的水樣，按2.7節方法完成樣品預處理后進行HPLCDAD檢測。同時將收集的6個采樣點的水樣按同比例混合得到樣品基質，并對其中3種目標物的初始（本底）濃度進行了檢測。結果表明，樣品基質中ATZ濃度為0.3 ng/mL，DIA和DEA則僅能檢出。2在樣品基質中準確加入標準溶液，制得3種目標物加標水平分別為0.4， 2.0和20.0 ng/mL的樣品，進行加標回收實驗，計〖CM（44算回收率時， ATZ的測得濃度需扣除其本底濃度。結果如表2所示，表明本方法具有較好的準確〖CM）

度和可靠性。樣品中3種目標物的富集〖ZH（倍數為25倍，DIA線性范圍為0.4～40.0 ng/mL，DEA和ATZ線性范圍為0.3～40.0 ng/mL。以3倍信噪比計，DIA的檢出限（LOD）為0.12 ng/mL，DEA和ATZ的LOD為0.09 ng/mL。6個采樣點的檢測結果如表3所示。

被檢測的6個采樣點均檢出DIA，〖CM（17DEA和ATZ，表明ATZ及其兩種代謝產〖CM）〖ZH）物DIA和DEA廣泛殘留于地表水中，建立環境水中ATZ及其代謝產物的檢測方法對于評估地表水農藥殘留污染具有重要的現實意義。

4結 論

COOHPAN NFs膜兼具納米材料和功能化材料的優勢，僅用少量（4.0 mg）即可同時高效萃取10 mL 環境水樣中ATZ及其代謝物。用400 μL甲醇洗脫，洗脫液直接進樣檢測，無需濃縮、復溶等步驟，樣品預處理過程快速、環保。COOHPAN NFs膜對ATZ及其代謝產物的吸附可能是通過羧基基團與目標物之間形成的氫鍵相互作用，由此可以推測其對極性大且分子中含有電負性較強元素的目標物會有較好的吸附效果，可作為該類目標物的SPE吸附介質。

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AbstractA novel solidphase extraction （SPE） adsorbent for simultaneous extraction of atrazine （ATZ） and its metabolites， deisopropylatrazine （DIA） and deethylatrazine （DEA） from environmental water samples was prepared. Polyacrylonitrile nanofibers （PAN NFs） mat was prepared via electrospinning， and was further functionalized to obtain polypyrrole modified polyacrylonitrile nanofibers （PPyPAN NFs） mat， hydrazine modified polyacrylonitrile nanofibers （NH2PAN NFs） mat and carboxyl modified polyacrylonitrile （COOHPAN NFs） mat. The results showed that the adsorption capacity of COOHPAN NFs mat was better than other three NFs mats in both static （2.0 mg/g） and dynamic （0.19 mg/g） experiments. Meanwhile， the runoff ratios of COOHPAN NFs mat were the lowest （less than 30.0%） in the adsorption of three analytes， especially for high polar analytes， which showed that the hydrogen bond between carboxyl groups and analytes was the main interactive force. A combination of matbased SPE and high performance liquid chromatographydiode array detection was further established for determination of 3 analytes in environmental water samples. The recoveries were 81.4%-120.3% and the limits of detection were 0.12 ng/mL for DIA， 0.09 ng/mL for DEA and ATZ， respectively.

KeywordsAtrazine； Nanofibers mat； Functionalized modification； Solidphase extraction； Adsorbent

（Received 14 November 2016； accepted 25 January 2017）

This work was supported by the National Natural Science Foundation of China （Nos.81172721， 81473019）