自制萃取头用于SPME-HPLC联用测定环境水样中的多环芳烃

陈娜,刘坤峰,杨玉洁,王利韦,张裕平

（河南科技学院,河南 新乡 453003）

自制萃取头用于SPME-HPLC联用测定环境水样中的多环芳烃

陈娜,刘坤峰,杨玉洁,王利韦,张裕平

（河南科技学院,河南 新乡 453003）

采用原位聚合法在石英毛细管内制备了甲基丙烯酸-己二醇二甲基丙烯酸酯（MAA-EDMA）纤维作为固相微萃取（SPME）的萃取头,与高效液相色谱联用测定了环境水样中的多环芳烃.系统考察了萃取时间、解吸时间、盐浓度等实验条件对萃取效率的影响,建立了测定环境水样中的多环芳烃的SPME-HPLC方法.实验结果表明：方法的柱内（n=6）和柱间（n=6）精密度（RSD）分别小于4.45%和5.97%,实际样品的加标回收率在100.8%～108.9%之间；3种多环芳烃化合物的线性范围为10～4000μg/L,线性相关系数R2＞0.9496,检出限在1.008 μg/L～2.876 μg/L之间.所制备的Poly（MAA-EDMA）萃取头操作简便、稳定性好、成本低；方法快速、灵敏,适于测定环境水样中的多环芳烃.

甲基丙烯酸；固相微萃取；高效液相色谱；多环芳烃

多环芳烃（PAHs）是一类广泛分布于环境中的重要污染物,可以在生活的每一个角落发现,在空气中、河流湖泊中以及任何有机物使用的地方都有可能产生多环芳烃.迄今已发现有200多种PAHs,其中有相当部分具有致癌、致畸、致突变性[1].随着煤炭产业和石油化工的高速发展,环境中PAHs的浓度在逐年增加,已经严重威胁到人类健康,多环芳烃的监测与治理越来越受到人们的重视.PAHs在水体中的浓度很低,样品基质比较复杂,难以直接测定,所以需要对样品进行前处理以提高灵敏度.比较常用的样品前处理方法有：液液萃取、固相萃取、固相微萃取和膜萃取技术等[2].

固相微萃取（SPME）技术是20世纪90年代兴起的一种样品前处理技术[3],它集采样、萃取、浓缩和进样于一体,具有无溶剂、操作简便、易于实现自动化及适于现场野外分析等优点,引起了广大分析工作者的广泛关注[4-9].商品化的固相微萃取头价格昂贵,寿命有限,成本高[4].人们尝试自制固相微萃取头来代替商品化的萃取头.刘志超等用涂有聚二甲基硅氧烷（PDMS）的石英光导纤维作萃取头,与高效液相色谱联用测定了环境水样中的菲、荧蒽和1,2-苯并菲,3种多环芳烃的检出限分别达到0.17、0.17和0.08 μg/L[5].周瑞娟等通过溶胶-凝胶法制备了一种含键合离子液体和苯基双功能基的SPME涂层,测定水样中5种多环芳烃的检出限为0.002～0.083 μg/L[6].刘威制备了聚（甲基丙烯酸丁酯一乙二醇二甲基丙烯酸醋）毛细管整体柱,自组装了管内固相微萃取装置与HPLC联用测定了熏肉中的多环芳烃[7].本研究将聚（甲基丙烯酸-己二醇二甲基丙烯酸酯）（MAA-EDMA）整体材料原位聚合在石英毛细管内,用细毛细管将整体材料推出,制备了Poly（MAA-EDMA）固相微萃取头,与HPLC联用测定了环境水样中的萘、联苯、菲3种多环芳烃.

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

P1201型高压输液泵（大连依利特分析仪器有限公司）；UV1201紫外-可见检测器（大连依利特分析仪器有限公司）；C18色谱柱（250*4.6 mm,Hypersil ODS 5 μm）；10 mL萃取瓶、微型磁转子（美国Supelco公司）；熔融石英毛细管（530μmI.D.690μmO.D.,徐州博瑞特钢有限公司）；微波炉（频率2450MHz,功率700 W,美的公司）；Quanta 200扫描电子显微镜（FEI,Hillsboro,Oregon,USA）；TWCL-D型磁力搅拌器（河南爱博特科技发展有限公司）；DZF-6020型真空干燥箱（上海-恒科技有限公司）；溶剂过滤器（天津津腾有限公司）；超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司）.

甲基丙烯酸（MAA,NewJersey.USA）；己二醇二甲基丙烯酸酯（EDMA,NewJersey,USA）；2,2-偶氮二异丁腈（AIBN）、甲醇及乙腈（天津科密欧化学试剂有限公司）；萘（C10H18,分析纯,北京市双华精细化工厂）；联苯（C12H10,分析纯）、菲（C14H10,95%,阿拉丁化学试剂）；氢氧化钠（分析纯,天津市瑞金特化学品有限公司）；盐酸（分析纯,洛阳市化学试剂厂）,实验用水为二次蒸馏水.

1.2 实验方法

1.2.1 萃取头的制备 取MAA 0.171 mL,EDMA 1.886 mL,乙腈5 mL配制成混合溶液,超声10 min；再加入AIBN 0.02 g（单体量的1%）,超声10 min；然后将此混合溶液充入石英毛细管中,两端封口,采用微波聚合（700 W）7 min后,用细毛细管（外径小于530 μm的均可）将整体材料推出1 cm,即制得了Poly（MAA-EDMA）固相微萃取头.随后将制得的萃取头插入甲醇中磁力搅拌洗脱（200 r/min）30 min,重复过程5次直至洗脱液用高效液相色谱检测不再有杂峰出现为止.

1.2.2 SPME-HPLC分析 将制备好的萃取头插入5 mL萃取液（不同浓度的多环芳烃溶液）中,磁力搅拌萃取30 min后取出,放入200 μL乙腈的解吸池中静态解吸20 min.解吸液采用流动相为乙腈∶水（80∶20, V/V）,流速为1 mL/min,检测波长为200 nm的色谱条件进行分离分析,以峰面积进行定量.

2 结果与讨论

2.1 Poly（MAA-EDMA）固相微萃取头的形态表征

用扫描电子显微镜（SEM）对所制备的萃取头形态进行了表征,如图1所示.

图1 Poly（MAA-EDMA）固相微萃取头的电镜扫描Fig.1 Scanning electron micrographs of Poly（MAA-EDMA）SPME fiber

从图1中可以看出,所制备的萃取头连续、均匀、致密,表面有大小不一的孔径结构,可吸附多环芳烃化合物进行富集.

2.2 SPME萃取条件的优化

不同萃取时间、解析时间、盐浓度对多环芳烃化合物萃取效率的影响见图2.

图2 各种因素对3种多环芳烃类化合物萃取效率的影响Fig.2 Effect of different factors on extraction efficiency of PAHs

2.2.1 萃取时间 萃取时间是影响SPME萃取效率的一个重要因素,在0～90 min范围内,考察萃取时间对萃取效率的影响.从图2（a）中可以看出,随萃取时间的延长,萃取效率先逐渐提高,后稳定在一个高度.萘、联苯和菲都是在60 min时接近最大萃取效率,随后萘和菲基本保持在这一富集效率；而只有联苯出现了缓慢下降.根据SPME非平衡理论[10],综合考虑样品分析时间,最后选取萃取时间30 min,因为在30 min时,这3种多环芳烃均已接近最大萃取效率.

2.2.2 解吸时间 考察了0～50 min内解吸时间对萃取效率的影响,从图2（b）中可以看出,随着解吸时间的不断延长,解吸量也不断增大；当解吸时间达到20 min后,样品的萃取效率变化不明显.相对于萃取时间来说,解吸过程要快得多,这可能跟涂层的孔径结构和大比表面积有关.为了达到最佳的解吸效果,选取解吸时间为20 min.

2.2.3 盐浓度 为考察盐浓度对多环芳烃类化合物萃取效率的影响,在萃取液中分别加入10、50、100 g/L的氯化钠.从图2（c）中可以看到,随盐浓度的增加,萃取效率逐渐降低.说明了溶液盐浓度对Poly（MAA-EDMA）萃取头与多环芳烃分子之间存在的电荷诱导偶极－偶极相互作用产生的影响,不利于其在萃取头表面上吸附；而且,由于多环芳烃有较稳定的共轭结构,不易受到较高盐浓度的影响[7].所以,选取实验条件为不加盐.

2.3 线性范围、精密度和检出限

对比研究了HPLC法直接进样和Poly（MAA-EDMA）萃取头SPME-HPLC法萃取进样的灵敏度,如图3所示.

图3 多环芳烃化合物代表性色谱Fig.3 Chromatograms of PAHs

经过SPME-HPLC,3种多环芳烃化合物有比较明显的富集效果；萘、联苯和菲的富集倍数分别达到12、91和52倍,极大地提高了分析检测的灵敏度.

在优化的萃取条件下,对方法的线性范围、检出限和精密度进行了考察,结果如表1所示.

由表1可知,3种多环芳烃化合物在10～4 000 μg/L范围内线性关系较好（R2＞0.949 6）；以S/N=3时对应浓度作为检出限,3种多环芳烃化合物的检出限均在3 μg/L以下.采用相同的实验条件,用同一根Poly（MAA-EDMA）萃取头,连续测定6次,3种多环芳烃化合物的保留时间的RSD在3.56%～4.45%之间；同时制备6根Poly（MAA-EDMA）萃取头,相同实验条件下,3种多环芳烃化合物的保留时间的RSD在3.04%～5.97%之间.实验结果表明,制备的Poly（MAA-EDMA）固相微萃取头重现性良好,可满足日常分析需要.

2.4 实际样品测定

用所建立的分析方法对河南科技学院西湖水进行检测,均未检出多环芳烃化合物.准确加入不同浓度的多环芳烃标准溶液,同时作空白样品,确定加标回收率.表2为各加标浓度的回收率结果,加标回收率在100.8%～108.9%之间,可满足分析要求.

表2 样品加标回收率Tab.2 Recoveries of spiked sudan dyes samples

3 小结

本文建立了一种新型的Poly（MAA-EDMA）萃取头固相微萃取的样品预处理方法,并与HPLC联用检测环境水样中的多环芳烃.该方法成本低,一次可制得多根萃取头,且自制SPME萃取头可重复多次使用；方法操作简单,快速、灵敏,精密度好,实际样品分析的回收率高.该方法适用于环境水样中的多环芳烃检测.

[1] 王爱娟.利用固相萃取技术检测环境水样中多环芳烃的方法[J].环境研究与监测,2012,25（4）：3-4.

[2] 王统艳,邓晓燕.水体中多环芳烃的前处理技术与分析方法[J].分析仪器,2012（1）：6-12.

[3] Arthur C L,Pawliszyn J.Solid phase microextraction with thermal desorption using fused silica optical fibers[J].Anal.Chem., 1990,62（19）：2145-2148.

[4] 陈娜,张毅军,陈军,等.基于聚甲基丙烯酸酯类固相微萃取头的SPME-HPLC联用检测环境水样中的痕量芳香烃[J].分析试验室,2013,32（8）：53-57.

[5] 刘志超,胡霞林,刘景富.一次性固相微萃取-高效液相色谱法测定环境水样中的3种多环芳烃[J].色谱,2010,28（5）：513-516.

[6] 周瑞娟,邢钧.离子液体和苯基双功能基键合固相微萃取涂层用于水样中多环芳烃的测定[J].分析化学,2013,41（7）：1115-1119.

[7] 刘威.聚（甲基丙烯酸丁醋）整体柱的制备及其在多环芳烃分析中的应用[D].长春：吉林大学,2011.

[8] Fan Y,Zhang M,Feng Y Q.Poly（acrylamide-vinylpyridine-N,N'-methylene bisacrylamide）monolithic capillary for in-tube solid-phase microextraction caupled to high performance liquid chromatography[J].J Chromatogr.A,2005,1099（1/2）：84-91.

[9] 彭英,何欢,孙成,等.新型固相微萃取-高效液相色谱测定牛奶中4种磺胺类药物残留[J].分析化学,2013,41（4）：529-533.

[10] Ai J.Solid phase microextraction for quantitative analysis in nonequilibriumsituations[J].Anal.Chem.,1997,69（6）：1230-1236.

（责任编辑：卢奇）

Self-prepared MAA-EDMA fiber for SPME-HPLC of polycyclic aromatic hydrocarbons in environmental waters

Chen Na,Liu Kunfeng,Yang Yujie,Wang Liwei,Zhang Yuping
（Henan Institute of Science and Technology,Xinxiang 453003,China）

An in-situ polymerization method was used in the preparation of a novel solid-phase microextraction（SPME）fiber,where methacrylic acid-ethylene glycol dimethacrylate（MAA-EDMA）was directly polymerization in fused silica capillary.Coupled to high performance liquid chromatography（HPLC）,the prepared fiber was applied to the extraction and determination of polycyclic aromatic hydrocarbons（PAHs）in environmental waters.The experimental conditions of SPME,such as extraction time,desorption time and salt concentration were optimized.As a result,the run-to-run（n=6）and fiber-to-fiber（n=6）relative standard deviations of this method were lower than 4.45%and 5.97%,respectively；and the recoveries of PAHs were in the range of 100.8%～108.9%；the linear relationships between the concentration 10 μg/L and 4 000 μg/L for PAHs were obtained（R2＞0.949 6）；the limits of detection ranged from1.008 μg/L to 2.876 μg/L in the optimal conditions.The prepared Poly（MAA-EDMA）fiber possesses some advantages including simplicity,good stability and lowcost.The method was fast,sensitive,and suitable for the determination of PAHs in environmental waters.

methacrylic acid；solid-phase microextraction；high performance liquid chromatography；polycyclic aromatic hydrocarbons

O652.6

A

1008-7516（2014）03-0072-04

10.3969/j.issn.1008-7516.2014.03.016

2014-02-28

2013年河南科技学院校攀登计划创新团队计划资助

陈娜（1984-）,女,河南洛阳人,硕士,助理实验师.主要从事现代分离分析技术研究.

张裕平（1968-）,男,湖南常德人,博士,教授,硕士生导师.主要从事现代分离分析技术研究.