磁性微孔聚合物富集/表面增强拉曼光谱法测定水与土壤中多环芳烃

温海滨，胡玉玲，李攻科

(中山大学 化学学院，广东 广州 510275)

研究简报

磁性微孔聚合物富集/表面增强拉曼光谱法测定水与土壤中多环芳烃

温海滨，胡玉玲*，李攻科*

(中山大学 化学学院，广东 广州 510275)

建立了磁性聚亚苯基共轭微孔聚合物富集/表面增强拉曼光谱法测定水样和土壤中4种多环芳烃的分析方法。待测物经磁性聚亚苯基共轭微孔聚合物吸附萃取，甲醇洗脱后进行SERS检测。结果表明，蒽、芘、荧蒽和苯[α]芘在0.1～10 μg/L范围内与其SERS特征峰峰强呈良好的线性关系，检出限为0.03 μg/L，回收率为71.6%～115.8%，相对标准偏差不大于13.7%。该分析方法灵敏度高，能够满足实际水样和土壤中4种多环芳烃同时检测的要求。

聚亚苯基共轭微孔聚合物；萃取；多环芳烃；表面增强拉曼光谱

多环芳烃(Polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)是一类广泛存在于环境中，含有两个或两个以上苯环或杂环的持久性有机污染物，具有强烈的致癌、致突变和致畸作用，且分布极为广泛[1-2]。由于这些多环芳烃结构稳定，几乎不溶于水且难降解，可通过食物链逐级传递或向周围环境释放影响生态稳定或危害人类健康，因此PAHs的监测与治理具有重要的实际意义。

迄今为止，液相色谱-质谱联用法[3-4]、气相色谱-质谱联用法[5-6]以及毛细管电泳法[7-8]因灵敏度高、重现性好、分辨率高等特点而被广泛应用于各种环境介质中PAHs等污染物的检测，但这些仪器昂贵、前处理和富集浓缩过程繁琐，无法实现现场快速原位监测。表面增强拉曼散射(Surface-enhanced Raman scattering,SERS)效应于20世纪70年代被发现后，就引起了科学界的广泛关注。SERS技术不仅能提供被测物结构的指纹信息，而且可实现单分子量级的检测[9]。因此，作为一种新型光谱分析技术，SERS技术以其超高灵敏度、无损分析、快速和可实时原位检测等优点，被广泛应用于环境监测[10-11]、司法鉴定[12]、催化[13]、生物医学[14-15]及传感器[16-17]等领域。

目前，SERS技术在PAHs检测方面已有较多报道。Zhao等[18]将长链烷基硫醇分子修饰到金/镍泡沫复合材料上，形成了具有分离富集功能的三维超疏水SERS基底，利用该SERS基底实现了对实际环境样品中芘等PAHs污染物的检测。史晓凤等[19]将球形金纳米颗粒和海胆状金银复合材料混合作为SERS基底，实现了芘、苯并蒽和苯并[α]芘3种高环PAHs的痕量检测，检出限为0.11 μg·L-1。然而环境样品中PAHs的含量很低，常需繁琐的富集浓缩前处理过程。为提高PAHs检测的灵敏度，本研究利用磁性聚亚苯基共轭微孔聚合物与PAHs分子之间的疏水作用和π-π堆叠作用，富集环境样品中痕量PAHs，结合SERS技术进行高灵敏快速检测，实现了4种PAHs(蒽、芘、荧蒽和苯[α]芘)的同时定性定量分析。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

机械搅拌器(上海新荣仪器公司)；恒温振荡摇床(江苏余姚仪器公司)；实验室拉曼系统采用美国Delta Nu 的Inspector便携式拉曼光谱仪。

FeCl2·4H2O(99.95%)购于沈阳化学试剂厂；3-缩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)钯(Pd(PPh3)4，99.8%)均购于百灵威科技有限公司；FeCl3·6H2O(99%)、蒽、芘、荧蒽、苯[α]芘均购自阿拉丁试剂公司；正硅酸乙酯(TEOS)、30% 氨水、碳酸钾均购于广州化学试剂厂；SERS增强试剂CP-S1(厦门市普识纳米科技有限公司)；实际水样取自广州市珠江江水和实验室自来水；土壤样品取自广州市海珠区某加油站旁。

1.2 磁性聚亚苯基共轭微孔聚合物(PP-CMP)的合成与萃取条件研究

本文所用磁性PP-CMP参照本课题组报道的合成方法[20]。首先采用化学沉淀法合成10 nm Fe3O4纳米粒子，然后经TEOS水解作用对Fe3O4纳米粒子表面进行硅烷化，再经环氧丙基化和硼酸化后得到硼酸功能化的Fe3O4纳米粒子，将其作为硼酸基团的单体，与聚亚苯基共轭微孔聚合物的两种反应单体共同参与铃木交叉偶联反应，从而获得嵌入型磁性PP-CMP。实验考察了磁性PP-CMP对多环芳烃萃取的最优解吸溶剂、萃取时间和解吸时间：取一系列浓度的4种多环芳烃单标溶液20 mL，加入5 mg磁性PP-CMP萃取，磁分离后用200 μL解吸溶剂洗脱，最后利用SERS技术进行检测。

1.3 标准PAHs溶液的配制与仪器分析条件

以甲醇为溶剂分别配制质量浓度为1.00 mg/L的4种多环芳烃单标储备溶液和混合标准溶液，再分别用超纯水逐级稀释成不同浓度的单标溶液和混合标准溶液。SERS测试时，将等量的洗脱液、SERS增强试剂CP-S1和等离激元增强拉曼光谱(PERS)助剂滴于硅片上混合后进行SERS检测，积分时间为1 s，连续采集3次光谱，每次测试扣除暗电流1 s，激光功率为High，结果为Average，分辨率为Low。

1.4 样品前处理与制备

环境水样：经0.45 μm 有机滤膜过滤后储存于 4 ℃冰箱中待测。土壤样品：将泥土在室温下风干，磨碎，过180目筛网，粒径约为0.088 mm。称取10 g过筛网后的泥土，加入30 mL丙酮提取1 h，离心10 min，获得上层清液后再用0.45 μm 有机滤膜过滤，收集所有滤液用N2吹干，再用5 mL 乙醇复溶得到萃取液，取其0.5 mL用超纯水稀释至20 mL后用于多环芳烃的检测。

2 结果与讨论

2.1 SERS特征峰的判定

在材料合成中，采用一锅法反应将10 nm的磁性纳米粒子镶嵌于直径约为800 nm的PP-CMP圆球中，得到的圆球状磁性PP-CMP不仅拥有33.6 emu/g的磁场强度，比表面积高，而且其微孔大小主要分布在1.3 nm左右，说明所采用的磁性PP-CMP具有高度共轭、多孔结构以及磁性特征，是一种理想的用于芳环共轭结构物质痕量分析的磁性吸附材料。

图1 5.0 μg/L PAHs标准溶液及2.5 μg/L加标PAHs自来水样品的SERS谱图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，本实验采用该磁性材料作为痕量多环芳烃的萃取介质。为了鉴别4种PAHs的特征峰和寻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单标溶液和混合标准溶液，洗脱后进行SERS检测，结果如图1所示。蒽在754 cm-1处的特征峰由骨架伸缩振动引起[21]；芘在409 cm-1和591 cm-1处的特征峰均由骨架伸缩振动引起，1 065 cm-1和1 238 cm-1为C—H键面内弯曲振动峰[21-22]；荧蒽在559 cm-1和671 cm-1处分别为骨架伸缩振动峰和C—H伸缩振动峰[20,22]；苯[α]芘在337 cm-1处的特征峰属于骨架弯曲振动，610 cm-1和1 238 cm-1处为C—H面内弯曲振动峰，1 386 cm-1处的峰由C—C伸缩振动引起[21]。1 590 cm-1和1 628 cm-1处是芘和苯[α]芘的C—C键伸缩振动峰，而520 cm-1处为这4种PAHs的骨架变形振动峰，1 408 cm-1处为PAHs的苯环伸缩振动[21-23]。

当洗脱液中同时存在这4种PAHs时，可以分辨出混合标准溶液的SERS谱图上各自对应的拉曼特征峰，且337 cm-1(苯[α]芘)、591 cm-1(芘)、671 cm-1(荧蒽)和754 cm-1(蒽)处的特征峰之间基本无特征峰相互叠加的影响，故该方法能实现这4种PAHs的同时SERS鉴别和定量分析。

2.2 磁性PP-CMP的萃取条件研究

为了贴近实际环境水样的基质，选定水为萃取溶剂，优化了解吸溶剂、萃取时间、解吸时间等PAHs的萃取条件。

PAHs的解吸过程需破坏或者减弱磁性PP-CMP材料与PAHs之间的π-π共轭作用，所以选择甲醇、乙腈、丙酮、乙醇和乙酸乙酯5种溶剂作为解吸溶剂，研究其对磁性PP-CMP萃取性能的影响。上述5种溶剂的极性大小顺序为甲醇>乙腈>丙酮>乙醇>乙酸乙酯。结果表明，由于乙酸乙酯的极性最小，不能破坏或减弱磁性PP-CMP与PAHs之间的π-π共轭作用力，同时磁性PP-CMP在乙酸乙酯中的分散性较差，所以对多环芳烃的洗脱效果最差。在相同检测条件下，乙腈、丙酮和乙醇在低于1 000 cm-1波数段的SERS特征峰较多，且拉曼信号较大，这对于PAHs的SERS检测有较大的谱峰干扰。综合考虑解吸溶剂对SERS信号的影响和对PAHs的洗脱效果，选取甲醇作为最佳解吸溶剂。另外，实验中还考察了萃取时间和解吸时间对萃取效果的影响，结果表明，当萃取时间为60 min，且洗脱时间达15 min时，4种PAHs均能获得较高的萃取效果，故选择最佳萃取时间为60 min，最佳解吸时间为15 min。

2.3 环境水样与土壤中多环芳烃的分析

2.3.1分析方法的建立配制质量浓度分别为0.10、0.50、2.0、5.0、8.0、10 μg/L的系列PAHs混合标准溶液(蒽、芘、荧蒽和苯[α]芘)，在优化的条件下以337、591、671、754 cm-1处特征峰峰强度(Y)对相应标准溶液的质量浓度(X，μg/L)绘制标准曲线，结果如表1所示。蒽、芘、荧蒽和苯[α]芘均在0.10～10 μg/L浓度范围内具有良好的线性关系，相关系数(r2)为0.983 0～0.999 3，检出限(LOD，S/N=3)均为0.03 μg/L；以蒽、芘、荧蒽和苯[α]芘的5.0 μg/L混合标准溶液为基础，经磁性PP-CMP萃取富集，甲醇洗脱后用便携式拉曼光谱仪进行检测，得到4种PAHs混合标准溶液浓度的批内相对标准偏差(RSD，n=3)为2.3%～5.0%，批间RSD(n=3)为7.4%～10.4%。

表1 磁性PP-CMP富集/SERS法测定4种PAHs的线性范围、检出限及相对标准偏差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实际样品分析为验证所提出的分析方法在实际环境样品中的适用性和可行性，采集环境水样(实验室自来水和珠江水)和土壤实际样品，在最优萃取条件下进行磁性PP-CMP富集/SERS方法分析，均未发现阳性样品。以空白实际样品分别添加0.7、2.5、8.0 μg/L的PAHs标准溶液进行回收率实验，每个浓度平行3次，记录其峰强度(如图2)。结果表明，4种PAHs在环境水样和土壤中的加标回收率为71.6%～115.8%，RSD(n=3)为4.4%～13.7%，说明方法的重现性较好，可满足实际环境样品中多环芳烃的同时分析要求。

3 结 论

本文建立了自来水、珠江水和土壤中4种PAHs磁性聚亚苯基共轭微孔聚合物富集/SERS检测的分析方法。样品经磁性聚亚苯基共轭微孔聚合物富集，通过磁性分离并洗脱后进行SERS检测。4种PAHs的检出限(LOD)均为0.03 μg/L，回收率为71.6%～115.8%。研究表明该方法操作简单、试剂用量少、灵敏度高，可用于环境样品中痕量污染物PAHs的同时定性定量检测，并有潜力应用于PAHs的现场、快速、实时监测。

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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

国家自然科学基金(21575168，21475153，21675178)；国家重大科学仪器设备开发专项(2011YQ03012409)；广东省自然科学基金重点项目(2015A030311020)；广东省公益研究与能力建设专项(2015A030401036)；广州市科技计划项目(201604020165，201704020040)

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胡玉玲,教授，研究方向:现代分离分析，Tel:020-84110922，E-mail:ceshyl@mail.sysu.edu.cn 李攻科，教授，研究方向:色谱及光谱分析、食品及药物分析，Tel:020-84110922，E-mail:cesgkl@mail.sysu.edu.cn