磁性微孔聚合物富集/表面增強拉曼光譜法測定水與土壤中多環芳烴

溫海濱，胡玉玲，李攻科

(中山大學 化學學院，廣東 廣州 510275)

研究簡報

磁性微孔聚合物富集/表面增強拉曼光譜法測定水與土壤中多環芳烴

溫海濱，胡玉玲*，李攻科*

(中山大學 化學學院，廣東 廣州 510275)

建立了磁性聚亞苯基共軛微孔聚合物富集/表面增強拉曼光譜法測定水樣和土壤中4種多環芳烴的分析方法。待測物經磁性聚亞苯基共軛微孔聚合物吸附萃取，甲醇洗脫后進行SERS檢測。結果表明，蒽、芘、熒蒽和苯[α]芘在0.1～10 μg/L范圍內與其SERS特征峰峰強呈良好的線性關系，檢出限為0.03 μg/L，回收率為71.6%～115.8%，相對標準偏差不大于13.7%。該分析方法靈敏度高，能夠滿足實際水樣和土壤中4種多環芳烴同時檢測的要求。

聚亞苯基共軛微孔聚合物；萃取；多環芳烴；表面增強拉曼光譜

多環芳烴(Polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)是一類廣泛存在于環境中，含有兩個或兩個以上苯環或雜環的持久性有機污染物，具有強烈的致癌、致突變和致畸作用，且分布極為廣泛[1-2]。由于這些多環芳烴結構穩定，幾乎不溶于水且難降解，可通過食物鏈逐級傳遞或向周圍環境釋放影響生態穩定或危害人類健康，因此PAHs的監測與治理具有重要的實際意義。

迄今為止，液相色譜-質譜聯用法[3-4]、氣相色譜-質譜聯用法[5-6]以及毛細管電泳法[7-8]因靈敏度高、重現性好、分辨率高等特點而被廣泛應用于各種環境介質中PAHs等污染物的檢測，但這些儀器昂貴、前處理和富集濃縮過程繁瑣，無法實現現場快速原位監測。表面增強拉曼散射(Surface-enhanced Raman scattering,SERS)效應于20世紀70年代被發現后，就引起了科學界的廣泛關注。SERS技術不僅能提供被測物結構的指紋信息，而且可實現單分子量級的檢測[9]。因此，作為一種新型光譜分析技術，SERS技術以其超高靈敏度、無損分析、快速和可實時原位檢測等優點，被廣泛應用于環境監測[10-11]、司法鑒定[12]、催化[13]、生物醫學[14-15]及傳感器[16-17]等領域。

目前，SERS技術在PAHs檢測方面已有較多報道。Zhao等[18]將長鏈烷基硫醇分子修飾到金/鎳泡沫復合材料上，形成了具有分離富集功能的三維超疏水SERS基底，利用該SERS基底實現了對實際環境樣品中芘等PAHs污染物的檢測。史曉鳳等[19]將球形金納米顆粒和海膽狀金銀復合材料混合作為SERS基底，實現了芘、苯并蒽和苯并[α]芘3種高環PAHs的痕量檢測，檢出限為0.11 μg·L-1。然而環境樣品中PAHs的含量很低，常需繁瑣的富集濃縮前處理過程。為提高PAHs檢測的靈敏度，本研究利用磁性聚亞苯基共軛微孔聚合物與PAHs分子之間的疏水作用和π-π堆疊作用，富集環境樣品中痕量PAHs，結合SERS技術進行高靈敏快速檢測，實現了4種PAHs(蒽、芘、熒蒽和苯[α]芘)的同時定性定量分析。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

機械攪拌器(上海新榮儀器公司)；恒溫振蕩搖床(江蘇余姚儀器公司)；實驗室拉曼系統采用美國Delta Nu 的Inspector便攜式拉曼光譜儀。

FeCl2·4H2O(99.95%)購于沈陽化學試劑廠；3-縮水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷(GLYMO，97%)、3-氨基苯硼酸(APB，98%)、1,4-苯二硼酸(TBB，98%)、1,2,4,5-四溴苯(BDBA，97%)、四(三苯基膦)鈀(Pd(PPh3)4，99.8%)均購于百靈威科技有限公司；FeCl3·6H2O(99%)、蒽、芘、熒蒽、苯[α]芘均購自阿拉丁試劑公司；正硅酸乙酯(TEOS)、30% 氨水、碳酸鉀均購于廣州化學試劑廠；SERS增強試劑CP-S1(廈門市普識納米科技有限公司)；實際水樣取自廣州市珠江江水和實驗室自來水；土壤樣品取自廣州市海珠區某加油站旁。

1.2 磁性聚亞苯基共軛微孔聚合物(PP-CMP)的合成與萃取條件研究

本文所用磁性PP-CMP參照本課題組報道的合成方法[20]。首先采用化學沉淀法合成10 nm Fe3O4納米粒子，然后經TEOS水解作用對Fe3O4納米粒子表面進行硅烷化，再經環氧丙基化和硼酸化后得到硼酸功能化的Fe3O4納米粒子，將其作為硼酸基團的單體，與聚亞苯基共軛微孔聚合物的兩種反應單體共同參與鈴木交叉偶聯反應，從而獲得嵌入型磁性PP-CMP。實驗考察了磁性PP-CMP對多環芳烴萃取的最優解吸溶劑、萃取時間和解吸時間：取一系列濃度的4種多環芳烴單標溶液20 mL，加入5 mg磁性PP-CMP萃取，磁分離后用200 μL解吸溶劑洗脫，最后利用SERS技術進行檢測。

1.3 標準PAHs溶液的配制與儀器分析條件

以甲醇為溶劑分別配制質量濃度為1.00 mg/L的4種多環芳烴單標儲備溶液和混合標準溶液，再分別用超純水逐級稀釋成不同濃度的單標溶液和混合標準溶液。SERS測試時，將等量的洗脫液、SERS增強試劑CP-S1和等離激元增強拉曼光譜(PERS)助劑滴于硅片上混合后進行SERS檢測，積分時間為1 s，連續采集3次光譜，每次測試扣除暗電流1 s，激光功率為High，結果為Average，分辨率為Low。

1.4 樣品前處理與制備

環境水樣：經0.45 μm 有機濾膜過濾后儲存于 4 ℃冰箱中待測。土壤樣品：將泥土在室溫下風干，磨碎，過180目篩網，粒徑約為0.088 mm。稱取10 g過篩網后的泥土，加入30 mL丙酮提取1 h，離心10 min，獲得上層清液后再用0.45 μm 有機濾膜過濾，收集所有濾液用N2吹干，再用5 mL 乙醇復溶得到萃取液，取其0.5 mL用超純水稀釋至20 mL后用于多環芳烴的檢測。

2 結果與討論

2.1 SERS特征峰的判定

在材料合成中，采用一鍋法反應將10 nm的磁性納米粒子鑲嵌于直徑約為800 nm的PP-CMP圓球中，得到的圓球狀磁性PP-CMP不僅擁有33.6 emu/g的磁場強度，比表面積高，而且其微孔大小主要分布在1.3 nm左右，說明所采用的磁性PP-CMP具有高度共軛、多孔結構以及磁性特征，是一種理想的用于芳環共軛結構物質痕量分析的磁性吸附材料。

圖1 5.0 μg/L PAHs標準溶液及2.5 μg/L加標PAHs自來水樣品的SERS譜圖Fig.1 SERS spectrum of 5.0 μg/L PAHs mixed standard solution and tap water spiked with 2.5 μg/L PAHsa：blank solution,b：anthracene,c：pyrene,d：fluoranthene,e：benzo[α]pyrene,f：PAHs mixed solution,g：tap water spiked with 2.5 μg/L PAHs

基于以上特性，本實驗采用該磁性材料作為痕量多環芳烴的萃取介質。為了鑒別4種PAHs的特征峰和尋找各自的定量特征峰，利用磁性PP-CMP富集萃取5.0 μg/L的 PAHs單標溶液和混合標準溶液，洗脫后進行SERS檢測，結果如圖1所示。蒽在754 cm-1處的特征峰由骨架伸縮振動引起[21]；芘在409 cm-1和591 cm-1處的特征峰均由骨架伸縮振動引起，1 065 cm-1和1 238 cm-1為C—H鍵面內彎曲振動峰[21-22]；熒蒽在559 cm-1和671 cm-1處分別為骨架伸縮振動峰和C—H伸縮振動峰[20,22]；苯[α]芘在337 cm-1處的特征峰屬于骨架彎曲振動，610 cm-1和1 238 cm-1處為C—H面內彎曲振動峰，1 386 cm-1處的峰由C—C伸縮振動引起[21]。1 590 cm-1和1 628 cm-1處是芘和苯[α]芘的C—C鍵伸縮振動峰，而520 cm-1處為這4種PAHs的骨架變形振動峰，1 408 cm-1處為PAHs的苯環伸縮振動[21-23]。

當洗脫液中同時存在這4種PAHs時，可以分辨出混合標準溶液的SERS譜圖上各自對應的拉曼特征峰，且337 cm-1(苯[α]芘)、591 cm-1(芘)、671 cm-1(熒蒽)和754 cm-1(蒽)處的特征峰之間基本無特征峰相互疊加的影響，故該方法能實現這4種PAHs的同時SERS鑒別和定量分析。

2.2 磁性PP-CMP的萃取條件研究

為了貼近實際環境水樣的基質，選定水為萃取溶劑，優化了解吸溶劑、萃取時間、解吸時間等PAHs的萃取條件。

PAHs的解吸過程需破壞或者減弱磁性PP-CMP材料與PAHs之間的π-π共軛作用，所以選擇甲醇、乙腈、丙酮、乙醇和乙酸乙酯5種溶劑作為解吸溶劑，研究其對磁性PP-CMP萃取性能的影響。上述5種溶劑的極性大小順序為甲醇>乙腈>丙酮>乙醇>乙酸乙酯。結果表明，由于乙酸乙酯的極性最小，不能破壞或減弱磁性PP-CMP與PAHs之間的π-π共軛作用力，同時磁性PP-CMP在乙酸乙酯中的分散性較差，所以對多環芳烴的洗脫效果最差。在相同檢測條件下，乙腈、丙酮和乙醇在低于1 000 cm-1波數段的SERS特征峰較多，且拉曼信號較大，這對于PAHs的SERS檢測有較大的譜峰干擾。綜合考慮解吸溶劑對SERS信號的影響和對PAHs的洗脫效果，選取甲醇作為最佳解吸溶劑。另外，實驗中還考察了萃取時間和解吸時間對萃取效果的影響，結果表明，當萃取時間為60 min，且洗脫時間達15 min時，4種PAHs均能獲得較高的萃取效果，故選擇最佳萃取時間為60 min，最佳解吸時間為15 min。

2.3 環境水樣與土壤中多環芳烴的分析

2.3.1分析方法的建立配制質量濃度分別為0.10、0.50、2.0、5.0、8.0、10 μg/L的系列PAHs混合標準溶液(蒽、芘、熒蒽和苯[α]芘)，在優化的條件下以337、591、671、754 cm-1處特征峰峰強度(Y)對相應標準溶液的質量濃度(X，μg/L)繪制標準曲線，結果如表1所示。蒽、芘、熒蒽和苯[α]芘均在0.10～10 μg/L濃度范圍內具有良好的線性關系，相關系數(r2)為0.983 0～0.999 3，檢出限(LOD，S/N=3)均為0.03 μg/L；以蒽、芘、熒蒽和苯[α]芘的5.0 μg/L混合標準溶液為基礎，經磁性PP-CMP萃取富集，甲醇洗脫后用便攜式拉曼光譜儀進行檢測，得到4種PAHs混合標準溶液濃度的批內相對標準偏差(RSD，n=3)為2.3%～5.0%，批間RSD(n=3)為7.4%～10.4%。

表1 磁性PP-CMP富集/SERS法測定4種PAHs的線性范圍、檢出限及相對標準偏差Table 1 Linear ranges,limits of detection(LODs)and precisions of magnetic PP-CMP enrichment based SERS method for the determination of PAHs

2.3.2實際樣品分析為驗證所提出的分析方法在實際環境樣品中的適用性和可行性，采集環境水樣(實驗室自來水和珠江水)和土壤實際樣品，在最優萃取條件下進行磁性PP-CMP富集/SERS方法分析，均未發現陽性樣品。以空白實際樣品分別添加0.7、2.5、8.0 μg/L的PAHs標準溶液進行回收率實驗，每個濃度平行3次，記錄其峰強度(如圖2)。結果表明，4種PAHs在環境水樣和土壤中的加標回收率為71.6%～115.8%，RSD(n=3)為4.4%～13.7%，說明方法的重現性較好，可滿足實際環境樣品中多環芳烴的同時分析要求。

3 結 論

本文建立了自來水、珠江水和土壤中4種PAHs磁性聚亞苯基共軛微孔聚合物富集/SERS檢測的分析方法。樣品經磁性聚亞苯基共軛微孔聚合物富集，通過磁性分離并洗脫后進行SERS檢測。4種PAHs的檢出限(LOD)均為0.03 μg/L，回收率為71.6%～115.8%。研究表明該方法操作簡單、試劑用量少、靈敏度高，可用于環境樣品中痕量污染物PAHs的同時定性定量檢測，并有潛力應用于PAHs的現場、快速、實時監測。

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Determination of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons in Environmental Water and Soil Samples by Magnetic Microporous Polymer Enrichment Coupled with Surface-enhanced Raman Spectroscopy

WEN Hai-bin，HU Yu-ling*，LI Gong-ke*

(School of Chemistry，Sun Yat-sen University，Guangzhou 510275，China)

A new analytical method was developed for the determination of four polycyclic aromatic hydrocarbons(PAHs) in environmental water and soil samples by magnetic polyphenylene conjugated microporous polymer(PP-CMP)enrichment coupled with surface-enhanced Raman spectroscopy(SERS).The PAHs in environmental water and soil sample were enriched with magnetic polyphenylene conjugated microporous polymer via hydrophobic interaction and π-π stacking effect,then eluted with methanol.In the experiment,desorption solvent,extraction time and desorption time were investigated.The results showed that good linearities between Raman intensities and concentrations were in the range of 0.1-10 μg/L for anthracene,pyrene,fluoranthene and benzo[α]pyrene with the limits of detection of 0.03 μg/L.The spiked recoveries for four PAHs were in the range of 71.6%-115.8% with their RSDs no more than 13.7%.The results indicated that this method has the advantage of high-sensitivity,and could meet the requirements for monitoring four PAHs in real water and soil samples.

polyphenylene conjugated microporous polymer；extraction；polycyclic aromatic hydrocarbons；surface-enhanced Raman spectroscopy

10.3969/j.issn.1004-4957.2017.10.008

O657.37；X132

A

1004-4957(2017)10-1214-05

2017-05-29；

2017-07-24

國家自然科學基金(21575168，21475153，21675178)；國家重大科學儀器設備開發專項(2011YQ03012409)；廣東省自然科學基金重點項目(2015A030311020)；廣東省公益研究與能力建設專項(2015A030401036)；廣州市科技計劃項目(201604020165，201704020040)

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胡玉玲,教授，研究方向:現代分離分析，Tel:020-84110922，E-mail:ceshyl@mail.sysu.edu.cn 李攻科，教授，研究方向:色譜及光譜分析、食品及藥物分析，Tel:020-84110922，E-mail:cesgkl@mail.sysu.edu.cn