氧化石墨烯掺杂2,2-双噻吩和5-甲氧基吲哚共聚物涂层的电化学制备及3种抗抑郁药的检测

郭霞飞 孟聪颖 赵发琼 曾百肇

摘 要 采用电化学共聚法制备了氧化石墨烯掺杂的聚2，2-双噻吩和5-甲氧基吲哚复合涂层，并将其用于3种抗抑郁药西酞普兰、氟西汀、去甲替林的顶空固相微萃取-气相色谱检测。此涂层均匀，呈花椰菜微观结构，可耐400℃的高温，经连续使用180次，萃取效率基本保持不变。由于涂层与目标分析物之间强的π-π和氢键作用，涂层对目标分析物表现出高的萃取能力和好的萃取选择性。在优化的条件下，方法的线性检测范围为0.01～50.00 μg/L，检出限为4.25～6.25 ng/L。对于不同分析物，单根萃取头多次检测的RSD为4.3%～5.3%（n=5），不同涂层的RSD为4.8%～6.5%（n=5）。将本方法用于湖水样的分析，加标回收率在93.6%～109.0%之间。

关键词 固相微萃取; 2，2-双噻吩; 5-甲氧基吲哚; 氧化石墨烯; 电聚合; 抗抑郁药

1 引 言

随着生活节奏的加快和压力的增大，抑郁症发病率呈上升趋势，抗抑郁药用量也在逐年增长[1，2]，也带来了一些环境问题。在以城市污水为主的河流中已检测到此类药物， 如氟西汀和舍曲林，虽然含量不高，但对人类的健康有潜在的威胁[3，4]。另外，水生生物具有较高的生物蓄积能力，使得药物在水生生物中浓度较高，并长期存在[5，6]。而水生生物和人类的关系密切，这无疑增加了对人类健康的影响。因此，对水体等环境中的抗抑郁药残留的检测有重要意义。

目前，抗抑郁药的检测方法已有较多报道。如Hanapi等[7]将负载型离子液体膜萃取与高效液相色谱联用檢测丙咪嗪、阿米替林和氯丙嗪。Vaghar-Lahijani等[8]采用超声辅助离子液体分散液-液微萃取（UA-IL-DLLME）与高效液相色谱-光电二极管阵列检测器（HPLC-PDA）结合对西酞普兰和去甲替林进行萃取和检测。Alves等[9]采用填充吸附剂和HPLC-PDA方法测定尿液中氟西汀、氯米帕明及其代谢物。近年来，固相微萃取（Solid-phase microextraction， SPME）也被用于抗抑郁药的检测。Jafari等[10]将ε-己内酯和吡咯共聚在铂丝上，用于尿液和血浆中抗抑郁药丙咪嗪的SPME，然后用色谱法检测，取得了良好结果。但这些方法分别只适于某些抗抑郁药和试样的检测。

SPME具有诸多优点，应用广泛。它的效果主要与涂层有关，因此，新型涂层是SPME技术重要的研究内容和方向。聚2，2-双噻吩（P（BT））和聚5-甲氧基吲哚（P（5-MIn））是富含p-π共轭体系的有机导电聚合物，常用于超级电容器、太阳能电池和传感器等领域[11～15]，但基于P（BT） 和P（5-MIn）的SPME涂层未见报道。P（BT）的热稳定性好，但单一的P（BT）涂层结构疏松、易破碎[16]。P（5-MIn）的机械性能高，但其导电性差，在不锈钢丝上电聚合难以得到足够厚的P（5-MIn）涂层，不宜用于SPME [17]。 电化学共聚和掺杂可结合不同组分的优点，克服单聚物存在的不足[18～20]。如Kazemipour等[20]制备了碳纳米管掺杂的邻苯二胺和邻甲苯胺共聚纳米结构用于检测多环芳烃，该复合涂层表现出高的萃取性能和长的使用寿命。因此，通过电化学共聚，有望实现BT和5-MIn的优势互补，从而得到性能良好的涂层材料P（BT-5-MIn）。

氧化石墨烯（GO）具有大的表面积、高的化学稳定性和强的吸附能力，被认为是良好的吸附剂[21]。GO 带有许多含氧基团，与石墨烯相比，它与极性分析物有更强的相互作用。此外，GO 在水溶液中有良好的分散性。用于SPME时， GO常与聚合物或粘合剂结合使用。

本研究通过电化学方法制备了GO掺杂的P（BT-5-MIn）复合SPME涂层，采用多种方法对其进行了表征。在此基础上，采用顶空固相微萃取（HS-SPME）和GC-FID分析检测了3种抗抑郁药。

2 实验方法

2.1 仪器与试剂

CHI 617A电化学工作站（上海辰华仪器公司），采用三电极系统，包括不锈钢丝工作电极、铂丝对电极、Ag/AgCl参比电极; Quanta-200扫描电子显微镜（SEM，荷兰FEI公司）;  SP-6890型气相色谱仪（山东鲁南瑞虹化工仪器有限公司），配氢火焰离子化检测器（FID）; N2000色谱工作站（浙江大学智达信息工程有限公司）; 毛细管柱SE-54（5%苄基-95%甲基聚硅氧烷，30 m × 0.25 mm × 0.25 μm，兰州中科安泰分析科技有限责任公司）。

5-甲氧基吲哚、2，2-双噻吩和高氯酸四丁基铵（TBAP，>98%）购于阿拉丁化学有限公司（上海）; 氧化石墨烯（99.95%）购于南京XF NANO公司; N，N-二甲基甲酰胺、西酞普兰（CIT）、氟西汀（FLU）、去甲替林（NOR）、NaCl等试剂购于国药集团化学试剂公司。用甲醇配制0.010 mg/mL抗抑郁药标准溶液，置4℃保存。水样取自武汉市东湖。商用萃取头为表面有聚二甲基硅氧烷（PDMS）的熔融石英纤维（膜厚100 μm，美国Supelco公司）。

2.2 P（BT-5-MIn）/GO涂层的制备

将不锈钢丝切成2 cm长，分别用1 mol/L NaOH、1 mol/L HNO3和蒸馏水超声处理10 min。然后将三电极系统置于含0.10 mol/L TBAP、0.10 mol/L BT、0.010 mol/L 5-MIn和 0.10 mg/mL GO的乙腈溶液中，在0.2～1.6 V电位范围内循环扫描20圈，扫速为50 mV/s。电沉积之后的涂层用蒸馏水、甲醇依次清洗去除残留在涂层上的多余单体和支持电解质，然后置于干燥箱， 室温放置24 h。 将涂层置于管式电炉内老化，升温程序设定为： 100℃老化30 min，250℃老化2 h，同时通N2保护。将老化好的萃取头用环氧树脂粘在自制的SPME手柄上。通过测量可知，涂层的厚度约为40 μm。在同样的实验条件下制备P（BT）、P（5-MIn）、P（BT-5-MIn）和P（BT-5-MIn）/GO涂层。

2.3 顶空固相微萃取过程

取10 mL 0.35 g/mL NaCl溶液置于15 mL样品萃取瓶中，用NaOH调节溶液至pH 11，然后加入适量抗抑郁药和搅拌磁子，用PTFE材质的硅橡胶塞和铝盖将萃取瓶密封好，置于恒温水浴磁力搅拌器上。当温度达到设定值时，将萃取头插入萃取瓶并使其暴露在溶液的上方。萃取一定时间后，将萃取头插入气相色谱气化室解吸4 min。色谱峰面积用于评价SPME涂层材料的萃取性能和效率。

色谱检测条件： 进样口采用不分流模式，温度设为250℃，检测器温度为250℃。色谱柱室的升温程序设定为： 50℃保持3 min，以20℃/min的速率升至170℃，不停留; 再以10℃/min的速率升至260℃，保留2 min; 总运行时间为20 min。

3 结果与讨论

3.1 制备条件的优化

3.1.1 BT和5-MIn的浓度比 制备的P（BT-5-MIn）/GO复合涂层的性质和萃取性能与BT和5-MIn的浓度比有关。当GO的浓度保持在0.10 mg/mL时，改变BT和5-MIn的浓度比为2∶1、1∶1、1∶5、1∶10 和1∶20，得到的涂层有所不同。在两者浓度接近时（如2∶1和1∶1），涂层不均匀，肉眼可见裸露的不锈钢丝。在二者浓度比为1∶5、1∶10 和1∶20时，通过扫描电镜观察，涂层较均匀。进一步比较发现，当两者的浓度比为1∶10时，得到的涂层对3种抗抑郁药的萃取效率最高。

3.1.2 GO浓度的影响 改变GO浓度（0＼， 0.05＼，0.10＼， 0.15和0.20 mg/mL）， 考察了GO对所得涂层萃取能力的影响。结果表明，随着GO浓度增加，萃取效率明显增加，这是因为GO的引入使涂层表面积增大，也增大了涂层材料与目标分析物的π-π和氢键作用。但是，当GO浓度超过0.10 mg/mL时，萃取效率反而下降，这是因为过量GO阻碍了BT和5-MIn的电化学共聚。因此，后续实验选用0.10 mg/mL GO。

3.2 P（BT-5-MIn）/GO涂层的表征

3.2.1 FTIR表征 P（BT）、P（5-MIn）、P（BT-5-MIn）和 P（BT-5-MIn）/GO的FTIR图。对比P（BT）和P（5-MIn）图可知， P（BT-5-MIn）图中强而尖的728 cm1峰属于P（BT）中CSC振动峰[22]; 而3407 cm1 峰为5-MIn中的NH的特征吸收峰，1560 cm1为NH的伸缩和变形振动峰[23]。与GO的谱图比较可知，在P（BT-5-MIn）/GO 的谱图中3401和1070 cm1峰为GO特征峰[24]。这说明得到的是P（BT-5-MIn）/GO涂层。

3.2.2 热重分析 P（BT）、P（5-MIn）、P（BT-5-MIn）和 P（BT-5-MIn）/GO的热重曲线。P（BT）和P（5-MIn）在达到200℃有明显重量损失。但是，对于P（BT-5-MIn）和 P（BT-5-MIn）/GO，温度超过250℃才开始有重量损失; 特别是P（BT-5-MIn）/GO，当温度达到400℃时，涂层损失量仅9%，说明此复合涂层的热稳定性得到提高。

3.2.3 涂层形貌结构 由P（BT-5-MIn）/GO的扫描电镜图可见，此复合涂层较均匀，呈花椰菜的微观结构。高倍电镜图中则看到明显的褶皱状结构，表明有GO。单聚BT不均匀，涂层机械性能差，有部分涂层材料散落在不锈钢丝的周圍; 单聚5-MIn涂层不完整，涂层很薄，裸露的不锈钢丝明显。可见，掺杂共聚使涂层结构和机械性能得到了改善。

3.3 萃取选择性

为探究P（BT-5-MIn）/GO复合涂层的萃取选择性，用其萃取醛类、酯类、胺类和抗抑郁类药。P（BT-5-MIn）/GO复合涂层对抗抑郁药有较强的萃取作用，这可能是因为抗抑郁药和P（BT-5-MIn）/GO之间强的π-π相互作用和氢键作用，因为涂层和抗抑郁药都含有π电子，以及OH、COOH和NH2基团。

3.4 不同图层萃取能力比较

P（BT）、P（5-MIn）、P（BT-5-MIn）、P（BT-5-MIn）/GO和商用的PDMS（厚度： 100 μm）的萃取能力比较。在涂层厚度、萃取解析条件相同的条件下，它们的萃取能力为： P（BT-5-MIn）/GO>PDMS>

P（BT-5-MIn）>P（BT）>P（5-MIn），说明P（BT-5-MIn）/GO复合涂层对目标分析物具有较高的萃取能力。

3.5 萃取和解析条件的优化

温度是影响萃取效果的一个重要因素。温度升高，有利于被分析物质的挥发及在涂层材料里的传质，使萃取效率提高; 但升温也会减弱分配和吸附作用，导致萃取量减少。当萃取温度达到40℃时，萃取效率达到最大值。因而选择在40℃萃取。

SPME是一个平衡吸附过程，萃取总量和萃取时间有着密切关系。萃取时间还会影响分析方法的灵敏度和重现性。萃取40 min基本达到萃取平衡，这时萃取量也最大。

利用盐析效应可降低分析物在溶液中的溶解度，增加分析物在顶空相中的浓度，从而增加萃取量。本研究中， NaCl的浓度从0.15 g/mL增加到0.35 g/mL时，萃取量随之增加。因此，选用0.35 g/mL NaCl（近饱和NaCl溶液）作为基质。

对于弱酸和弱碱性物质，溶液的pH值会对其在溶液中的存在形式产生影响。以中性分子的形式存在且较易挥发的物质，有利于HS-SPME。对于这3种抗抑郁药，随pH值增大，萃取效率增加; 在pH=11时， 效果最好。

將搅拌速率从200 r/min增加到 600 r/min，发现萃取效率先增加，后降低，在500 r/min时最大。继续增加搅拌速度， 搅拌稳定性差，萃取效率反而下降。

将解析时间由1 min延长到5 min，色谱峰面积随之变大;  但4 min后，峰面积基本保持不变。所以，解析4 min足以使目标分析物从萃取涂层上完全解析出来。

3.6 方法性能评价

P（BT-5-MIn）/GO复合涂层在优化条件下测得的分析性能参数见表1。以最低浓度下色谱峰面积标准偏差的3倍除以标准曲线的斜率，得到的检出限（LOD）为4.25～6.25 ng/L; 色谱峰面积与抗抑郁药浓度在0.01～50.00 μg/L范围内呈线性关系，线性相关系数大于0.9958。对5 μg/L抗抑郁药进行检测，单根萃取头的RSD为4.3%～5.3%（n=5），不同涂层的RSD为4.8%～6.5%（n=5）。与文献报道的测定这些抗抑郁药的方法比较（表2）[8，9，25，26]可知， 本方法具有低检出限、宽线性范围和良好的重复性。此外，P（BT-5-MIn）/GO的使用寿命也较长，经吸附/解析循环使用180次后，萃取效率变化在10%以内（包括其它因素波动的影响），这归因于P（BT-5-MIn）/GO良好的热稳定性和机械性能。

3.7 实际样品分析

将3.5 g NaCl加入到10 mL湖水水样中，搅拌均匀，用NaOH溶液调节至pH 11，分别加入0、5.0和10.0 μg/L的标准溶液，在上述优化的条件下萃取后，峰1～3分别对应西酞普兰、氟西汀和去甲替林。

进行GC测定。P（BT-5-MIn）/GO用于萃取实际样品中的抗抑郁药和加标后的色谱图。水样中未检出目标分析物，加标回收率为93.6%～109.0%。

4 结 论

采用电化学聚合的方法制备了掺杂GO的共聚BT和5-Min复合涂层。复合涂层呈花椰菜微观结构，与单聚体涂层相比，其机械性能、热稳定性和结构都有较大改进。由于P（BT-5-MIn）/GO和抗抑郁药之间的氢键和π-π相互作用，涂层对其表现出高的萃取效率和萃取选择性。与GC联用进行检测，3种抗抑郁药的线性范围宽、检出限低。将本方法用于实际水样检测，加标回收率为93.6%～109.0%。

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