基于β-糊精氧化石墨烯管尖固相萃取/高效液相色譜檢測生活飲用水中苯并[a]芘

王 芹 馮曉青 宋 鑫 王 露

（淮安市疾病預防控制中心，淮安 223003）

苯并[a]芘(BaP)是由5個苯環構成的稠環芳烴，最初由煤焦油中分離得到，是致癌性最強的一種多環芳烴，可誘發肺癌，具有極強的致畸、致突變性[1]。苯并[a]芘在環境中存在廣泛，主要存在于工業生產和生活過程中煤炭、石油和天然氣等燃料不完全燃燒產生的廢氣中，是環境污染常規監測項目之一，并隨著雨水和工業廢水污染水資源，引起了全球高度關注。我國生活飲用水衛生標準[2]和地表水環境質量標準[3]規定苯并[a]芘的限值分別為0.01μg/L、2.8ng/L。

苯并[a]芘的檢測方法常見的有液相色譜法[4-6]、氣質聯用法[7，8]，熒光光度法[9],拉曼光譜法[10]也有報道。苯并[a]芘具有熒光特性，國內外主要選擇液相色譜法-熒光檢測器檢測，具有較高的靈敏度和選擇性。

水中苯并[a]芘濃度低，可以在pg/L到ng/L痕量濃度范圍，需要經過萃取濃縮后檢測。目前，常見的萃取方法主要有液液萃取(LLE)[11，12]、固相萃取(SPE)[7,8,13-16]、固相微萃取(SPME)[17]、單液滴微萃取(SDME)[18]、攪拌棒吸附萃取(SBSE)[19]等。固相萃取由于其操作簡便、低有機溶劑消耗、高富集系數得到了非常廣泛的應用。SPE技術的應用依賴于吸附劑的容量及吸附劑的選擇性。許多具有優異性能的吸附材料已被用作SPE的吸附劑，如納米材料、分子印跡聚合物等。

氧化石墨烯(GO)是石墨烯的前體，基面和邊緣具有豐富的含氧官能團及超高的比表面積，可通過π-π作用力、疏水作用力、氫鍵作用力吸附許多化合物。因氧化石墨烯在水中分散性較差，一般利用其含氧基團容易被修飾的特性，與其他化合物結合成復合物來改性[20]。β-糊精(β-CD)為水溶性低聚糖，價格便宜，具有內疏水、外親水的特性，可通過氫鍵作用力、疏水作用力、范德華力、靜電作用力等與多種化合物形成穩定的包合物，對化合物具有選擇性吸附性能。因此本研究采用β-CD官能化GO，調節GO的萃取性能。合成了基于β-CD@GO管尖固相萃取物，將其裝填入移液槍槍頭作為固相萃取劑與高效液相色譜快結合速檢測生活飲用水中苯并[a]芘，通過對萃取條件的優化改進，建立了生活飲用水中痕量苯并[a]芘定量分法。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

Agilent 1260液相色譜儀(美國Agilent公司)；PAH C18柱(4.6×250mm，5μm，Waters)；電子天平(瑞士梅特勒公司)；電熱恒溫干燥箱(上海精宏實驗設備有限公司)；高速冷凍離心機(長沙湘儀離心機儀器有限公司)；移液槍(eppendorf，0.5～10mL)；移液槍槍頭(eppendorf，0.5～10mL)；KH-250DE超聲波清洗器(昆山禾創超聲儀器有限公司)；PHS-15酸度計(上海雷磁儀器廠) ；電熱板(labtech)。

苯并[a]芘標準溶液(100μg/mL，1mL，壇墨)；生活飲用水中苯并[a]芘質控樣(大連中食國實檢測技術有限公司)；β-糊精(麥克林)；氧化石墨烯(aladdin)；甲醇(色譜純，默克)；丙酮(色譜純，Fisher Chemical)；甲苯(色譜純，Fisher Chemical )；乙腈(色譜純，羅恩試劑)；氫氧化鈉(分析純，國藥化學試劑有限公司)；氯化鈉(分析純，國藥化學試劑有限公司)；蒸餾水(屈臣氏)。

樣品為2份末梢水、2份出廠水、1份河水。采集時每升水樣加入0.5mL硫代硫酸鈉(100g/L)混勻去除余氯。樣品采集后4℃冰箱保存。

1.2 β-CD@GO制備

將4.0g氫氧化鈉溶解于200mL蒸餾水中，在超聲波作用下，加入5gβ-CD充分溶解，80℃下凝膠化30min。取2.5gGO于200mL蒸餾水在超聲波作用下充分溶解后，加入到β-CD溶液中，在80℃下繼續反應3h。降溫至50℃再反應1.5h，隨后冷卻至室溫。β-CD@GO通過離心(4000rmp,10min)收集，蒸餾水洗滌5次，60℃烘干備用。

1.3 儀器條件

流動相：甲醇：水(v:v，80%:20%)；恒流：1.0mL/min；進樣體積10μL；熒光檢測器Ex=303nm,Em=425nm。

1.4 試驗方法

取水樣上清液，每100mL水樣加入氯化鈉25g，使水樣離子濃度為25%。

在10mL移液槍槍頭內裝填25mgβ-CD@GO固相萃取材料，兩端用玻璃棉固定，作為固相萃取柱，見圖1。使用前依次用2mL丙酮和2mL蒸餾水活化固相萃取柱，然后吸入待分析水樣10mL，吸附20分鐘后棄水樣，兩次吸入1mL蒸餾水以去除未吸附在萃取柱上的雜質，最后用1mL甲苯洗脫5分鐘，洗脫液過0.22μm濾膜待分析測定，固相萃取柱用1mL甲苯清洗兩次備用。

圖1 固相萃取裝置

2 結果與討論

為了獲得最佳試驗參數，以40μg/L的BaP標準溶液為試樣，對影響BaP提取效率的參數分別進行了優化，包括吸附劑的比例、吸附劑的量、樣品pH值、吸附時間、離子強度、吸附劑的重復使用次數、洗脫液的選擇、洗脫液的用量、洗脫時間。

2.1 吸附劑的優化

2.1.1 吸附劑的比例

試驗比較了GO和β-CD@GO的提取效率。結果表明GO的提取回收率為45～50%，而β-CD@GO的提取回收率大于80%。這個差異可以認為是由GO表面的β-CD產生。吸附劑復合物表面β-CD的存在增加了主客包合物與BaP之間的吸附作用。β-CD@GO吸附劑因為兼具GO的π-π作用力和主客包合物作用力，吸附效率更優。

為了獲得有效的吸附劑，優化了GO和β-CD的質量配比。比較了GO和β-CD不同配比(1:1、1:2、1:3)下的吸附效率。試驗結果顯示，1:1配比下的吸附效率略低，可能1:1配比下吸附劑表面沒有足夠的β-CD吸附BaP，1:2和1:3配比下的吸附效率相差不大，最后選擇1:2的配比。

2.1.2 吸附劑的量

試驗比較了10、15、20、25、30、35、40mg吸附劑的提取效率，結果見圖2A。BaP的提取回收率隨著吸附劑的增加而增加，當吸附劑的量達到25mg時，回收率最高。因此，用25mg吸附劑提取。

圖2 吸附劑的量、鹽加入量、吸附時間、吸附劑使用次數對回收率的影響

2.1.3 離子強度

離子強度對萃取效率也有重要影響，試驗考察了不同NaCl濃度(0、5、10、15、20、25、30、35%)對提取效率的影響，見圖2B。結果顯示0～25%范圍內，提取效率隨NaCl濃度的升高而升高，25%NaCl提取效率最高。這是由于當NaCl濃度升高，鹽析效應使得BaP在水中溶解度降低，更多的吸附于吸附劑，提取效率增高。當離子強度進一步增高(＞25%)，樣品溶液粘性增加，阻止了BaP向吸附劑包合物傳質。所以選擇25%NaCl。

2.1.4 吸附時間

考察了不同吸附時間(1、5、10、15、20、25、30min)對吸附效率的影響。如圖2C所示，20min吸附效率最高。所以本試驗選20min吸附時間。

2.1.5 吸附劑的重復使用性

吸附劑的循環使用次數也是影響吸附劑性能的參數之一。為了確定吸附劑重復使用性，考察重復使用5～20次的提取回收率(圖2D)。結果顯示，β-CD@GO吸附劑重復使用10次以內，回收率沒有影響，說明GO和β-CD之間的有效連接保證了β-CD@GO復合物結構的穩定性。

2.2 解吸條件優化

由于GO和BaP之間存在強的π-π共價鍵，β-CD和BaP之間形成了聯結緊密主客包合物，需要有效的洗脫溶劑和足夠的洗脫時間來完全解吸。

考察了1mL甲苯不同洗脫時間(1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、8.0、10.0min)下的回收率。洗脫時間1～5min時，回收率大幅增加，6～10min回收率呈下降趨勢，所以本試驗5min為最佳吸附時間。

2.3 HPLC測定

苯并[a]芘標準溶液(10μg/L)色譜圖如圖3（a）所示，保留時間22.691min。

圖3 色譜圖

2.4 線性范圍和檢出限

取100μg/mL苯并[a]芘標準溶液，用蒸餾水逐步稀釋成濃度為0.01、0.05、0.1、0.5、1.0、5μg/L的標準應用液。在本試驗最佳條件下，分別取10mL進行吸附，解吸到1mL得到濃度為0.1、0.5、1.0、5.0、10、50μg/L的標準系列，HPLC-FLD檢測，以保留時間定性、峰面積定量。在0.1～50μg/L范圍內，苯并[a]芘線性關系良好，r=0.9996。以3倍信噪比計算方法的檢出限(LOD)為3ng/L。

在本試驗最佳條件下進行樣本檢測，5份水樣中均未檢出苯并[a]芘。取1份空白末梢水進行加標回收試驗，結果見表1，3個加標水平的平均回收率在89.2%～92.5%之間，RSD在3.7%～5.2%之間。

表1 空白水樣中BaP的加標回收試驗結果(n=6)

2.5 質控樣檢測

取生活水中苯并[a]芘質控樣(CFAPAQC1100D-1，標準偏差13.0ng/L) 10mL按本試驗條件檢測，結果見表2。Z值等于0.56，小于2，測定值與標準值相近，方法準確性良好。

表2 生活水中苯并[a]芘的測定（n=3）

2.6 與其他方法相比

本方法與《生活飲用水標準檢驗方法 有機物指標》(GB/T5750.8-2006)[21]相比所需樣品量更少、提取更簡便、有機溶劑消耗更少等優點。表3列出了苯并[a]芘不同提取方法和檢測方法下的方法性能參數。結果顯示，本試驗具有較寬的線性范圍，較低的檢出限和較高的精密度。

表3 本文方法與其他方法比較

2.7 樣品檢測

在本試驗最佳條件下，對所采集5份水樣進行檢測，均未檢出BaP,空白樣品譜圖見圖3（b）。

3 小結

建立了β-糊精氧化石墨烯管尖固相萃取-高效液相色譜法檢測生活飲用水中苯并[a]芘(BaP)新方法。合成了β-CD@GO吸附劑，其中GO提供了強大π-π共價鍵與BaP結合、β-CD通過主客包合物對BaP產生特異性吸附。本方法填料用量少、所需樣品量少、有機溶劑消耗少、吸附選擇性高、操作簡單快捷、可重復使用，適用于生活飲用水中苯并[a]芘的檢測。