原位自組裝石墨烯固相微萃取探頭的制備及其在水體苯系物分析中的應用

李 悅，劉全亨，龍安應

(貴州省地礦局一一三地質大隊，貴州 六盤水 553000)

苯是眾所周知的致癌物，苯系物也對人體和水生生物有不同程度的毒性，可對人體的血液、神經、生殖系統產生較強的危害。苯系物是化工廠的常見溶劑和原料，有機化工、制藥廠、煉焦化工等行業所排放的廢水中含有較多的苯系物，這些苯系物將直接污染生活用水，影響居民的身體健康[1-2]。因此，對水中的苯系物進行檢測是非常有必要的。

目前，水體中苯系物的檢測多采用合適的樣品前處理技術結合氣相色譜或氣相色譜-質譜聯用儀進行[3-4]，其中，樣品前處理是分析的關鍵[5-6]。固相微萃取技術(SPME)是由加拿大滑鐵盧大學的Janusz Pawliszyn教授提出的一種新型樣品前處理技術[7]，該技術集萃取、濃縮、解吸、進樣于一體，具有靈敏度高、操作簡便、環境友好等優點，已經在環境分析、食品分析、醫藥分析、生物分析等領域得到了廣泛應用[8-12]。SPME對目標分析物的萃取性能主要取決于涂層材料。但現有的PDMS、PA、PDMS/DVB、PDMS/CAR、PEG等商品化的SPME探頭涂層，仍然無法滿足復雜多樣分析物的測定需求，尤其在對特定化合物的高效萃取方面。

在眾多材料中，石墨烯由于具有比表面積大、平面結構易于調控、易與芳香化合物形成π-π鍵等優異性質，已在電子、能源、生物醫藥、環境等領域顯示出了巨大應用前景。研究者在石墨烯SPME涂層制備方面也進行了一系列研究[13-15]。Luo 等[16]采用水熱法制備了無基質石墨烯SPME探頭，通過對水中有機氯農藥的分析，評價了其萃取性能，結果表明，相對于商用PDMS探頭，所制備的石墨烯探頭具有更好的萃取效果和更長的使用壽命。

本文利用石墨烯的自組裝特性，在光纖表面原位生長石墨烯涂層，制備出基于石墨烯的SPME探頭，并結合GC-MS對水體中的甲苯、乙苯、鄰二甲苯進行了測定。

1 實驗部分

1.1 試劑、材料與儀器

NaCl(分析純，天津市科密歐化學試劑開發中心)，甲醇(色譜純，天津市德恩化學試劑有限公司)；甲苯、乙苯和鄰二甲苯標準溶液購于西格瑪奧德里奇上海貿易有限公司；石墨、NaNO3、KMnO4購于國藥集團化學試劑有限公司；氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)購于阿拉丁試劑公司。

Agilent 6890-5973N氣相色譜-質譜聯用儀(GC-MS)(美國安捷倫公司)，配置HP-5MS色譜柱(長30 m，外徑0.25 mm，膜厚0.25 μm)。SU8010場發射電子掃描顯微鏡(SEM，日本Hitachi公司)。

1.2 氣相色譜-質譜條件

進樣口溫度250 ℃，載氣He，流速1 mL/min；不分流進樣；柱溫箱初始溫度35 ℃，以5 ℃/min升至75 ℃；傳輸線溫度280 ℃，電子轟擊源(EI)，離子源溫度230 ℃，四極桿溫度150 ℃，掃描模式分別為全掃描和選擇離子監測模式。

1.3 石墨烯SPME探頭的制備

1.3.1 氧化石墨烯的制備采用改進的Hummers方法制備氧化石墨烯(GO)：稱取10 g石墨和8.0 g NaNO3于燒杯中，緩慢加入300 mL濃硫酸，攪拌1 h。再稱取40 g KMnO4緩慢加入混合液中，維持機械攪拌5 d后，溶液變為黃褐色，向燒杯中緩慢加入1 000 mL去離子水。待攪拌均勻后，緩慢加入60 mL 30% H2O2，此時燒杯中有大量氣泡產生，混合液變為亮黃色。待不再有氣泡產生后，離心。將收集到的黃褐色GO置于去離子水中透析7 d。

1.3.2 還原氧化石墨烯 SPME探頭的制備截取4～5 cm的石英光纖，將其下端浸入丙酮溶液中浸泡30 min，去除光纖外層保護膜，并用去離子水清洗干凈。將處理好的石英光纖浸入到APTES溶液中，室溫下保持6 h后，置于烘箱中于70 ℃條件下完成硅烷化反應。隨后將硅烷化后的石英光纖插入到盛有GO分散液的1.5 mL離心管中，70 ℃加熱2 h。最后，取出石英光纖在室溫下干燥，制備出原位生長的還原氧化石墨烯(rGO) SPME探頭。萃取之前，將探頭插入氣相色譜進樣口中，于250 ℃氮氣氛圍中老化20 min。

1.4 SPME/GC-MS萃取分析

向盛有10 mL去離子水的20 mL頂空瓶中分別加入一定濃度的苯系物標準溶液，制備成加標水溶液。采用制備的還原氧化石墨烯SPME探頭進行萃取，并進行GC-MS分析?？疾燧腿囟?、萃取時間和鹽度對萃取分析的影響。

采集當地某化工廠附近河流水樣(1#、2#、3#)，過濾后置于冰箱4 ℃保存。采用所建立的方法進行萃取分析。

2 結果與討論

2.1 SPME探頭表征

采用SEM對所制備的SPME探頭進行表征，如圖1所示。由圖1A可見，rGO在石英光纖表面形成了均勻的涂層；局部放大后的圖像(圖1B)顯示rGO層層自組裝形成三維材料，并呈現褶皺狀，有效增大了吸附接觸面積。

圖1 制備探頭的SEM圖像Fig.1 SEM images of prepared probeA.whole image,B.local enlarged image

圖2 萃取模式的影響Fig.2 Effect of extraction model

圖3 萃取溫度的影響Fig.3 Effect of extraction temperature

2.2 萃取條件的優化

2.2.1 萃取模式的影響對比了浸入式萃取(DI-SPME)模式和頂空萃取(HS-SPME)模式下固相微萃取的萃取效率，如圖2所示。從圖中可以看出，在頂空萃取模式下，SPME對水中苯系物的萃取效率顯著高于浸入式萃取模式。這是由于苯系物屬于易揮發物質，在加熱條件下，水中的大部分苯系物會釋放到樣品瓶的頂空部分，使得頂空部分苯系物的含量高于水體中的量。再者，浸入式萃取模式是將萃取探頭直接與水樣接觸來萃取樣品中的物質，這使在水樣和涂層之間容易形成一層水膜，這層水膜會阻礙水樣中的有機物向涂層擴散，導致水樣萃取時間較長；而頂空取樣是將萃取纖維頭置于密閉樣品液上方空間，適用于易揮發或半揮發類有機物的萃取，同時，由于萃取探頭不與樣品直接接觸，不會形成阻礙萃取的水膜，從而縮短了樣品的萃取時間，也可保護萃取探頭，延長其使用壽命。因此本文選用頂空萃取模式。

2.2.2 萃取溫度的影響溫度可以改變分析物從基體擴散到涂層表面的速率，適當提高溫度可以增加萃取效率；而過高的溫度則會降低待測物質在SPME涂層上的分配系數，進而降低其萃取效率。選擇合適的萃取溫度既可縮短萃取時間又可達到最佳的萃取結果。本文考察了萃取溫度(30～60 ℃)對探頭涂層萃取效率的影響，結果如圖3所示。由圖3可知，萃取效率隨著溫度的增加呈現出先升高后降低的趨勢，當萃取溫度為 40 ℃時，萃取效率達到最高。因此本研究選擇最佳萃取溫度40 ℃進行后續實驗。

2.2.3 萃取時間的影響在SPME萃取過程中，待測物質在基質、頂空、涂層中的分配需要一定的萃取時間才可達到平衡，只有當萃取達到平衡后方能獲得最佳的分析結果。因此，本文考察了萃取時間(2、3、5、10 min)對萃取效率的影響。結果顯示，隨著萃取時間的增加，峰面積先升高后降低。這是因為，萃取過程是一個平衡過程，萃取時間過長，平衡遭到破壞，反而易使目標物從萃取探頭上脫落，影響萃取效率。因此本實驗選取3 min 為最佳萃取時間。

2.2.4 鹽度對萃取效率的影響在水溶液中加入無機鹽能增大溶液中的離子強度并降低有機物在基質中的溶解度，有利于分析物向頂空部分的遷移，增大分析物在頂空部分的分配系數，進而提高涂層的萃取效率。本研究采用NaCl溶液增大萃取體系的離子強度，分別考察了NaCl含量在0%～30%范圍內時對探頭涂層萃取效率的影響。結果發現3種苯系物的萃取效率隨著NaCl濃度的增加而升高。因此本研究選擇30%的NaCl作為最佳鹽度條件。

2.3 方法性能評價

在最佳萃取條件下，分別配制質量濃度為0.2、1.0、5.0、10、20、50、100、200 μg/L的一系列甲苯、乙苯和鄰二甲苯標準水溶液，以峰面積對目標物質量濃度作圖，繪制標準曲線。結果顯示，上述3種苯系物在0.2～200 μg/L范圍內線性良好，相關系數(r2)依次為0.998 7、0.999 3、0.999 6。根據3倍信噪比(S/N=3)[17]計算本方法的檢出限(LOD)，甲苯、乙苯和鄰二甲苯的LOD分別為0.004 2、0.001 4、0.001 2 μg/L。連續萃取5次標準水溶液，其測定結果的相對標準偏差(RSD)分別為4.5%、3.9%和4.1%，說明方法的精密度良好。

2.4 實際樣品測定

分別采集當地某化工廠附近河流水樣(1#、2#、3#)，采用本文建立的方法進行測定，并進行加標回收實驗，結果見表1。分析發現，所采集的樣品均不同程度地檢出甲苯、乙苯和鄰二甲苯3種苯系物，樣品的加標回收率為90.3%～111%。

表1 實際樣品分析結果與加標回收率Table 1 Analytical results for real samples and spiked recoveries

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3 結 論

本文基于石墨烯的自組裝性能，原位制備了基于石墨烯材料的SPME探頭，并結合GC-MS建立了環境水樣中苯系物的分析方法。該方法無需進行其它處理，僅需3 min便可完成水樣中甲苯、乙苯和鄰二甲苯3種苯系物的高效萃取。方法具有處理簡單、耗時短、靈敏度高、重現性好、無二次污染等優點，適用于環境水樣中苯系物的分析檢測。