石墨烯復合材料固相萃取環境水樣中的亞甲基藍*

仲淑賢， 吳西林， 楊利寧， 陳建榮,

(1.浙江師范大學 化學與生命科學學院,浙江 金華 321004;2.浙江師范大學 地理與環境科學學院,浙江 金華 321004)

石墨烯復合材料固相萃取環境水樣中的亞甲基藍*

仲淑賢1， 吳西林2， 楊利寧2， 陳建榮1,2

(1.浙江師范大學 化學與生命科學學院,浙江 金華 321004;2.浙江師范大學 地理與環境科學學院,浙江 金華 321004)

制備了磁性石墨烯-介孔二氧化硅(G/SiO2/Fe3O4)復合材料，并將其作為固相萃取的吸附劑，建立了水樣中亞甲基藍的分離富集方法.對固相萃取條件如pH、樣品溶液的體積、上樣速率、材料用量、洗脫劑的種類及體積等條件進行了優化.在最優條件下，方法的檢測限(S/N=3)為10 μg/L，加標回收率為94.3%～95.4%.該方法可應用于環境水樣中亞甲基藍的檢測.

石墨烯復合材料；固相萃取；亞甲基藍；環境水樣

染料廢水的排放造成環境質量的惡化和生態平衡的嚴重失調[1-2].因此，對水源中染料的監測與去除逐漸成為人們關注的焦點.染料廢水的處理是目前世界性的難題之一，發展高選擇性和高靈敏度的染料殘留的分離富集和分析方法顯得極為迫切.

固相萃取技術具有萃取率高、萃取時間短、富集倍數高和污染少等優點，因而被廣泛應用于樣品的預處理.近幾年來，碳納米材料等作為新型的吸附劑吸引了科學家們廣泛的關注和極大的興趣.這些新型吸附劑主要有高分子聚合物[3]、介孔材料[4]、碳納米管[5]、納米材料[6]、石墨烯[7]等.2011年，文獻[8]首次將石墨烯用作固相萃取的吸附劑，建立了環境水樣中氯酚的高靈敏檢測方法.隨后，以石墨烯為固相萃取吸附劑得到了一定程度的發展，用于不同基質樣品中金屬離子[9]、農藥[10]、藥物[11]和生物樣品[12]等待測物的分離富集，有效地消除了干擾物對測定的影響.但是，因石墨烯在制備中其厚度、尺寸和形狀不易控制，以及片狀結構容易發生不可逆團聚，阻礙分析物的有效吸附和解吸，從而限制了其在分離富集中的研究和應用.為改善這一狀況，將石墨烯與氧化物、金屬納米粒子及聚合物等復合合成新型石墨烯復合材料，賦予石墨烯新的特性作為固相萃取吸附劑，逐漸成為研究的方向[13-14].

本文制備了磁性石墨烯-介孔二氧化硅(G/SiO2/Fe3O4)復合材料用于固相萃取柱為吸附劑，考察了其對水樣中亞甲基藍的吸附能力，并對固相萃取條件如pH、樣品溶液的體積、材料用量、萃取速率及洗脫劑的種類、濃度和體積進行了考察，選擇最優條件用于實際水樣的分離與富集.

1 實驗部分

1.1 儀器

Lambda 25紫外分光光度計(美國Perkin Elmer公司)；Sartorius BSA224S電子天平(賽多利斯科學儀器(北京)有限公司)；PHS-3C酸度計(上海儀電儀器股份有限公司)；HGC-8數控固相萃取儀(廣州智真生物科技有限公司)；ROTANTA-460R型高速離心機(德國Hettich)；真空干燥箱(上海比朗儀器有限公司)；Milli-Q超純水系統(Millipore公司)；STA449熱重分析儀(德國NETZSCH)；2100 JEOL電子透射顯微鏡(日本電子株式會社).

1.2 試劑

石墨粉(上海阿拉丁試劑有限公司)；亞甲基藍(天津市光復精細化工研究所)；濃硝酸、丙酮、乙腈、無水乙酸鈉、無水乙醇、六水三氯化鐵、過氧化氫、高錳酸鉀、濃硫酸、十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)均購自國藥集團化學試劑有限公司；正硅酸乙酯(TEOS，江蘇強盛功能化學股份有限公司).實驗用水均為二次蒸餾水.

1.3 石墨烯復合材料的合成

1.3.1 氧化石墨烯的制備

向含有1.0 g石墨粉和1.0 g NaNO3的干燥燒杯中加入33 mL濃硫酸，0～4 ℃冰水浴下攪拌10 min混合均勻，緩慢加入6 g KMnO4，35 ℃水浴中攪拌反應90 min，逐滴加入40 mL水，95 ℃繼續攪拌35 min，加入100 mL水和3～6 mL 5%H2O2溶液，至溶液顏色由深棕色變為亮黃色，離心洗滌至中性，60 ℃真空干燥箱烘干，制得氧化石墨烯固體.

1.3.2 G/Fe3O4的制備

在500 mL燒杯中取300 mg氧化石墨烯分散于30 mL乙二醇中，超聲4 h，至完全分散，加入0.125 g六水合氯化鐵，繼續超聲10 min，再加入1.3 g CH3COONa，攪拌20 min.將上述溶液倒入不銹鋼高壓反應釜中,在180 ℃下反應8 h，離心5 min，下層沉淀用水和乙醇各洗滌3次，將沉積物在60 ℃真空干燥箱中干燥24 h，制得G/Fe3O4.

1.3.3 G/Fe3O4/SiO2的制備

取G/Fe3O40.4 g超聲分散于200 mL水中，加入2.0 g CTAB作模板劑，4 mg/L NaOH溶液調節pH值至8.5，加入1 mL正硅酸乙酯，40 ℃水浴加熱，攪拌20 h，乙醇離心洗滌3次，真空烘箱中干燥(60 ℃，48 h)，制得G/Fe3O4/SiO2.

1.4 固相萃取過程

稱取4 mg G/Fe3O4/SiO2裝入固相萃取空柱(博納艾爾杰科技有限公司，貨號:AZ001-H，規格:1 mL)中，并放入上下篩板防止吸附劑損失.萃取前，依次用二次水和甲醇各5 mL緩慢通過固相萃取柱進行活化，將100 mL樣品溶液以一定的流速通過固相萃取小柱.選擇合適的洗脫劑，以同樣的速度洗脫，收集洗脫液進行測定.

2 結果與討論

2.1 G/Fe3O4/SiO2材料表征

圖1中A為氧化石墨烯的透射電鏡圖，由此可見,氧化石墨烯表面具有皺褶結構的片狀結構.G/Fe3O4的形貌如圖1中B所示，可以看出，平均尺寸為10 nm左右的Fe3O4納米顆粒均勻地負載在氧化石墨烯納米片上.由高分辨透射電鏡照片(見圖1中B的內嵌圖)進一步看出，Fe3O4納米顆粒的晶格間距約為0.25 nm，對應于Fe3O4的(311)晶面，表示成功合成了G/Fe3O4復合結構.在此基礎上進一步包覆SiO2納米顆粒.圖1中C顯示尺寸約在20～80 nm的納米球均勻地分散在氧化石墨烯上.通過高倍率的透射電鏡圖(見圖1中D)可以看出，納米球是Fe3O4的小顆粒外包覆著一層厚度約為10 nm的SiO2層的核殼結構，說明成功合成了G/Fe3O4/SiO2復合材料.

圖2為G/Fe3O4/SiO2復合材料的熱重分析圖.由圖2可知：在溫度由0 ℃升至100 ℃時，G/Fe3O4/SiO2復合材料的質量約有10%的減少，原因在于材料中含有一定的水分，此質量變化為材料中水分的變化；在溫度由100 ℃升至400 ℃的過程中，G/Fe3O4/SiO2復合材料的質量銳減，原因在于石墨烯在高溫條件下會被分解而導致復合材料質量銳減；當溫度達到400 ℃之后，因SiO2

圖2 G/Fe3O4/SiO2的熱重分析圖

及Fe3O4較難被分解，所以復合材料的質量基本沒有變化；溫度在100～300 ℃時，G/Fe3O4/SiO2復合材料的質量變化較小.因此，G/Fe3O4/SiO2復合材料在一定溫度范圍內具有較好的熱穩定性.

2.2 固相萃取條件優化

2.2.1 樣品溶液pH

樣品溶液的pH對固相萃取效率具有很大的影響.亞甲基藍在水中以陽離子的形式存在，而G/Fe3O4/SiO2復合材料帶有負電荷，通過靜電作用可實現高效固相萃取.當溶液的pH值較小時，溶液中存在較多的質子與亞甲基藍陽離子產生競爭吸附，極大地影響了復合材料對亞甲基藍的吸附效率.隨著pH值的增大，溶液中的質子數量逐步減少，因此有更多的亞甲基藍陽離子被吸附，吸附效率增高(見圖3).當溶液pH值為11時，吸附效果最好.再增大pH值到12時，溶液堿性過大，破壞了亞甲基藍的存在形式，萃取效率大大降低.因此，選擇樣品溶液的pH值為11.

圖3 樣品溶液pH對萃取效率的影響

2.2.2 樣品溶液體積

固相萃取是一個吸附平衡過程.當樣品溶液的體積達到允許流過的最大容量之前，富集倍率隨流過樣品溶液體積的增加而增大；當樣品溶液體積超過了最大容量，萃取率會明顯下降.原因在于：低濃度溶液時，需富集大體積溶液使目標待測物達到低檢出限；如果超過最大體積，因目標分析物具有一定的保留因子，超出的部分不能被固相萃取柱吸附而隨樣品基質流出，致使萃取率降低.本實驗取不同體積(25,50,75,100,125,150和250 mL)1 mg/L亞甲基藍溶液，經過固相萃取柱萃取，研究了樣品溶液體積對萃取效率的影響.如圖4所示：當樣品溶液體積小于100 mL時，對分析物的萃取率無太大的影響；但溶液體積大于100 mL時，固相萃取柱的吸附效果明顯降低.因此，為保證萃取效率，選擇樣品溶液的體積為100 mL.

圖4 樣品溶液體積對萃取效率的影響

2.2.3 上樣速率

為在短時間內達到較好的吸附效果，本實驗對上樣的速率進行了考察.上樣時，液體流經固相萃取柱，如果速度太快，溶液與固相萃取的填料接觸的時間較少，從而降低了填料的富集能力；如果速度慢，溶液與固相萃取的填料接觸的時間較長，填料的富集能力會增加.本實驗將樣品溶液以不同的流速(0.7～3.5 mL/min)流經固相萃取柱，對其萃取效率進行了考察.結果表明，當流速為0.7 mL/min時，萃取效率可達95%以上.因此，選擇上樣速率為0.7 mL/min.

2.2.4 材料用量

對于吸附劑的優劣，吸附容量是一個重要的參考因素.為達到較好的萃取效果，本實驗對填料G/Fe3O4/SiO2的用量(1～10 mg)進行了探討.當G/Fe3O4/SiO2的用量達到4 mg以后，可實現對亞甲基藍的完全吸附，表明此時該吸附劑具有顯著的富集能力.因此，選擇4 mg作為G/Fe3O4/SiO2材料的最佳用量.

2.2.5 洗脫劑種類及體積

在上述優化的條件下進行洗脫實驗，嘗試用甲醇、乙醇、乙腈、甲烷、丙酮、硝酸、硫酸和磷酸進行洗脫，考察了不同洗脫劑對亞甲基藍的洗脫效率.相同濃度的亞甲基藍溶液進行固相萃取后，用上述洗脫劑分別進行洗脫，結果顯示硝酸可以將吸附于固相萃取柱的亞甲基藍完全洗脫.由此，選擇硝酸作為該固相萃取柱的洗脫劑.

隨后，對硝酸的濃度進行了討論.隨著硝酸濃度的增加，洗脫效果越來越好，但硝酸濃度過高對實驗儀器的腐蝕性增大.從保護實驗設備和確保較好的洗脫效果方面考慮，選擇質量分數為32.5%的硝酸溶液2 mL進行洗脫.

2.2.6 重復利用率

考慮到填料的再生能力和穩定性，對材料的重復利用率進行了討論.結果表明，用5 mL水和5 mL甲醇分別流經固相萃取柱，對其填料進行再生，吸附洗脫循環使用7次后回收率逐漸降低.

2.2.7 競爭吸附

染料之間存在競爭吸附.選擇結晶紫進行對比研究發現，其對亞甲基藍存在一定的競爭吸附，原因是亞甲基藍和結晶紫均為陽離子染料，可被G/Fe3O4/SiO2通過靜電作用吸附于表面.因此，G/Fe3O4/SiO2亦可實現其他類似染料的固相萃取.

2.2.8 不同材料固相萃取性能對比

本實驗對G，G/Fe3O4及G/Fe3O4/SiO2固相萃取材料進行了對比.石墨烯(G)因其具有片狀結構，很難分散均勻，不利于裝入固相萃取小柱作為萃取劑填料；G/Fe3O4作為固相萃取劑對亞甲基藍的萃取效率較G/Fe3O4/SiO2低.原因在于介孔SiO2納米球均勻平鋪在石墨烯片層上，從而實現了對石墨烯片層的隔離，有效地防止了石墨烯片層的團聚，且G和介孔SiO2都具有較高的比表面積，因此G/Fe3O4/SiO2復合材料可實現對染料的快速萃取.

綜上所述，最佳固相萃取條件為：樣品溶液pH值為11，體積為100 mL；石墨烯復合材料用量為4 mg；萃取速率為0.7 mL/min；用32.5%的硝酸溶液2 mL進行洗脫.

2.3 方法線性范圍與檢測限

為檢測方法的可靠性，在最優條件下對方法的線性范圍與檢測限進行了考察.結果表明：在0.05～1 mg/L濃度范圍內，樣品濃度與紫外吸收強度呈良好的線性關系，相關系數為0.998 7；信噪比為3時，測得方法的檢測限為10 μg/L.對同一樣品多次萃取的重現性進行了考察，測得精密度在8%以內，表明此方法具有較好的可靠性.

2.4 環境水樣分析

在最優條件下對環境水樣進行了分析.水樣取自金華市婺城區婺江.水樣在萃取前通過0.45 μm濾膜過濾.將100 mL水樣通過裝有G/Fe3O4/SiO2復合石墨烯材料的固相萃取柱，在最優萃取和洗脫條件下進行檢測.采用此方法，未檢測到水樣中含有亞甲基藍.向100 mL水樣中加入0.5，1.0和2.0 mg/L的亞甲基藍標準品進行固相萃取，測得回收率為94.3%～95.4%(見表1).因此，該方法可用于實際樣品的測定.

表1 水樣中加標回收率的測定結果(n=3)

3 結 論

本文制備了石墨烯復合材料G/Fe3O4/SiO2，用于固相萃取柱為吸附劑.研究了該吸附劑對于樣品中亞甲基藍的萃取效率，并對pH值、樣品溶液的體積、吸附劑用量、上樣速率、洗脫劑的種類等條件進行了探究，建立了最優條件.結果表明，該方法可以實現對亞甲基藍的萃取富集，具有較高的精密度及方法簡便、重現性好、成本低等優點，并成功應用于實際水樣的分析.因此，作為一種新型的吸附材料，對于G/Fe3O4/SiO2石墨烯復合材料作為固相萃取劑可進行更深入的研究.

[1]Bautista P,Mohedano A F,Casas J A,et al.An overview of the application of Fenton oxidation to industrial wastewaters treatment[J].Journal of Chemical Technology and Biotechnology,2008,83(10):1323-1338.

[2]Dong Ya′nan,Su Yanlei,Chen Wenjuan,et al.Ultrafiltration enhanced with activated carbon adsorption for efficient dye removal from aqueous solution[J].Chinese Journal of Chemical Engineering,2011,19(5):863-869.

[3]Qiang G,Dan L,Jun D,et al.Rapid magnetic solid-phase extraction based on magnetite/silica/poly (methacrylic acid-co-ethylene glycol dimethacrylate) composite microspheres for the determination of sulfonamide in milk samples[J].Journal of Chromatography A,2010,1217(35):5602-5609.

[5]Ravelo-Pérez L M,Herrera-Herrera A V,Hernández-Borges J,et al.Carbon nanotubes:Solid-phase extraction[J].Journal of Chromatography A,2010,1217(16):2618-2641.

[6]Zhao Xiaoli,Shi Yali,Cai Yaqi,et al.Cetyltrimethylammonium bromide-coated magnetic nanoparticles for the preconcentration of phenolic compounds from environmental water samples [J].Environmental Science & Technology,2008,42(4):1201-1206.

[8]Liu Qian,Shi Jianbo,Zeng Lixi,et al.Evaluation of graphene as an advantageous adsorbent for solid-phase extraction with chlorophenols as model analytes[J].Journal of Chromatography A,2011,1218(2):197-204.

[9]Wang Yukun,Gao Shutao,Zang Xiaohuan,et al.Graphene-based solid-phase extraction combined with flame atomic absorption spectrometry for a sensitive determination of trace amounts of lead in environmental water and vegetable samples[J].Analytica Chimica Acta,2012,716:112-118.

[10]Shi Zhihong,Hu Junda,Li Qi,et al.Graphene based solid phase extraction combined with ultra high performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry for carbamate pesticides analysis in environmental water samples[J].Journal of Chromatography A,2014,1355:219-227.

[11]Chen Linyao,Zhou Tao,Zhang Yanping,et al.Rapid determination of trace sulfonamides in fish by graphene-based SPE coupled with UPLC/MS/MS[J].Analytical Methods,2013,5(17):4363-4370.

[12]Huang Kejing,Yu Sheng,Li Jing,et al.Extraction of neurotransmitters from rat brain using graphene as a solid-phase sorbent,and their fluorescent detection by HPLC[J].Microchimica Acta,2012,176(3):327-335.

[13]Liu Qian,Shi Jianbo,Sun Jianteng,et al.Graphene and graphene oxide sheets supported on silica as versatile and high-performance adsorbents for solid-phase extraction[J].Angewandte Chemie International Edition,2011,50(26):5913-5917.

[14]Luo Yanbo,Zhu Gangtian,Li Xiaoshui,et al.Facile fabrication of reduced graphene oxide-encapsulated silica:A sorbent for solid-phase extraction[J].Journal of Chromatography A,2013,1299(14):10-17.

(責任編輯 薛 榮)

Application of graphene composites for the SPE clean-up of Methylene Blue from environment water samples

ZHONG Shuxian1, WU Xilin2, YANG Li′ning2, CHEN Jianrong1,2

(1.CollegeofChemistryandLifeSciences,ZhejiangNormalUniversity,Jinhua321004,China； 2.CollegeofGeographyandEnvironmentalSciences,ZhejiangNormalUniversity,Jinhua321004,China)

Synthesis of magnetic graphene mesoporous silica (G/SiO2/Fe3O4) composites and a new method using a column packed with G/SiO2/Fe3O4as sorbent was developed for the separation and preconcentration of Methylene Blue (MB). Some effective parameters on the extraction such as pH, sample volume, flow rates, amounts used of adsorbents, eluent type and its volume were selected and optimized. Under the optimum condition, the qualitative limit (S/N=3) for MB were found to be 10 μg/L, the recoveries for the analytes were in the range of 94.3%～95.4%.The proposed method was showed to be an effective approach for determination of MB in environment water samples.

grapheme composites; solid phrase extraction; methylene blue; environment water sample

10.16218/j.issn.1001-5051.2017.03.008

?2016-11-22；

2017-02-20

浙江省高校化學重中之重學科和先進催化材料教育部重點實驗室開放課題基金資助項目；浙江省公益性技術應用研究分析測試項目(2017C37024)

仲淑賢(1984-)，女，山東鄒城人，實驗師.研究方向：樣品前處理及光譜分析.

陳建榮．E-mail: cjr@zjnu.cn>

O658.2

A

1001-5051(2017)03-0294-05