基于共价有机骨架涂层的搅拌棒吸附萃取/高效液相色谱测定环境水样中的多环芳烃

刘海霞，杨彩玲，饶红红，刘 芳，张 丽，赵国虎

（1.兰州城市学院 化学工程学院，甘肃 兰州 730070；2.“城市环境污染控制”甘肃省高校省级重点实验室，甘肃 兰州 730070）

多环芳烃（PAHs）是一类重要的有机污染物，可在环境中积累，最终通过食物链进入人体，具有较大的致癌、致畸、致突变危害［1-2］。该类化合物由两个及以上的苯环结构组成，其中4～6 环的稠环PAHs危害最大［3］。此类污染物在环境中分布广泛，但常以微量或超微量的水平存在，常规的分析仪器很难对其进行直接、准确的检测，需要结合样品前处理技术进行富集。因此，发展高效、简易的样品前处理技术快速检测环境中痕量PAHs显得非常重要。

近年来，越来越多的新方法被应用于PAHs 的富集与检测。目前报道的主要有固相萃取（SPE）［4-5］、分散固相萃取（DSPE）［6］、分散液液微萃取（DLLME）［7］、磁固相萃取（MSPE）［8］、固相微萃取（SPME）［9-10］和搅拌棒吸附萃取（SBSE）［11］。其中，SBSE 由于具有萃取容量大、富集倍数高、易分离、简单、有机溶剂消耗低及环境友好等优点［12-13］，已成为环境样品分析中备受青睐的一种样品前处理技术。现有文献表明，涂层是SBSE 获得良好萃取效果及选择性的关键因素。而到目前为止，商用涂层只有3 种类型，应用最广泛的商用聚二甲基硅氧烷（PDMS）涂层仅适用于非极性分析物［14］。为满足不同极性物质微量分析的要求，构建萃取效率高、萃取动力学快、力学稳定性好的新型涂层搅拌棒将一直是该领域的研究热点。

金属有机骨架、多孔有机聚合物、介孔二氧化硅和介孔碳等材料因具有大的比表面积、丰富的多孔结构和有效官能团，已作为SBSE涂层应用于各种目标分析物的萃取中［15-16］。共价有机骨架（COFs）是由有机单体通过共价键构建而成的一类新型多孔晶体材料［17］。与其他多孔材料相比，COFs不仅具有大的比表面积和良好的孔结构，更重要的是，COFs因其强共价相互作用具有更稳定的结构，且π-π相互作用提高了其与目标物间的亲和力［18］。COFs还具有密度低、通道结构可调、可修饰功能化及表面足够多的吸附位点可大大提高对目标分析物的吸附容量等优点［19-20］。因此，本研究用1，3，5-三（4-氨苯基）苯（TPB）和2，5-二乙烯基-1，4-苯二甲醛（DVA）两种单体，在超声波辅助下，通过原位生长法，在刻蚀不锈钢丝（ESSW）基体上制备了一种分散良好的共价有机骨架（TPB-DVA-COF）涂层搅拌棒，并结合高效液相色谱（HPLC）建立了环境水体中6种PAHs目标污染物的高效、灵敏、可靠的检测方法。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

Waters 600 高效液相色谱仪配双波长紫外-可见检测器（美国Waters 公司），Waters Symmetry C18反相色谱柱（4.6 mm×150 mm，5 µm），Waters 2487 双波长紫外检测器和N2000 色谱工作站（浙江大学智达信息工程有限公司）；Zeiss Ultra Plus 场发射扫描电子显微镜（SEM，德国Zeiss公司）：附Aztec-X-80能量色散-X 射线光谱仪（EDX，英国Oxford 公司）；D/Max-2400 X 射线衍射仪（XRD，日本Rigaku 公司）；Talos F200x 透射电子显微镜（TEM，美国FEI 公司）；优普超纯水制造系统（四川优普超纯科技有限公司）；KQ-500De 型数控超声波清洗器（东莞市科桥超声设备有限公司）；DF-101S 集热式恒温磁力搅拌器（郑州长城科工贸有限公司）；304不锈钢丝（达晨金属材料有限公司）。

甲醇（色谱纯，山东禹王实业有限公司）；氯化钠 （分析纯，国药集团化学试剂有限公司）；丙酮和NaOH （分析纯，天津光复科技公司）；HNO3（分析纯，烟台双双化工有限公司）；3-氨丙基三甲氧基硅烷（APTES，纯度97%）和1，3，5-三（4-氨苯基）苯（TPB，纯度大于93%）购自Aladdin 公司；2，5-二乙烯基-1，4-苯二甲醛（DVA，纯度98%）购自Macklin 公司；菲（Phe，99%）、荧蒽（Fla，98%）、芘（Pyr，99%）、䓛（Chr，99%）、苯并［b］荧蒽（B［b］f，99%）、苯并［a］芘（B［a］p，98%），均购于Aldrich公司。

1.2 TPB-DVA-COF涂层搅拌棒的制备

取一段不锈钢丝（10 mm×1.2 mm）分别用丙酮和超纯水超声清洗10 min，室温干燥后将其浸入王水（HCl/HNO3=3∶1，体积比）中预处理10 min，然后用去离子水和甲醇冲洗，室温干燥。随后，将其浸入1 mol/L NaOH溶液中1 h，用去离子水冲洗、干燥。最后将其浸没在含有20% APTES、8%水和72%乙醇（体积分数）的混合溶液中4 h，并在真空干燥箱中干燥，完成硅烷化。

将以上氨基改性的搅拌棒浸入含一定量DVA 的乙腈溶液中，室温反应5 h，以保证DVA 成功接枝到搅拌棒上。称取TPB（14.1 mg，0.04 mmol）和DVA（11.2 mg，0.06 mmol）加入到样品管中，取5 mL乙腈加入样品管中，在超声辅助下溶解直至溶液变澄清。然后滴加1 mL 3.4 mol/L 醋酸剧烈振荡10 s，将改性后的搅拌棒垂直插入样品管中，静置3 天后搅拌棒表面生成黄色固体。最后用无水乙醇和超纯水冲洗，于60 ℃在真空干燥箱中干燥、备用，具体制备流程如图1所示。

图1 共价有机骨架涂层（TPB-DVA-COF）搅拌棒的制备流程图Fig.1 The flow diagram of preparation covalent organic framework coating（TPB-DVA-COF）

1.3 搅拌棒吸附萃取过程

将搅拌棒置于含有10 mL PAHs 混合标准溶液的样品瓶中，设置搅拌速率为600 r/min，温度为45 ℃，搅拌萃取40 min后取出搅拌棒，用滤纸擦干其表面的残留溶液。将搅拌棒置于含100 µL甲醇的解吸管中解吸3 min。解吸液经0.22 µm 滤膜过滤后，取20 µL 解吸溶液待检测。解吸后的搅拌棒置于甲醇和超纯水中分别搅拌清洗10 min后，再重复使用。

1.4 色谱条件

色谱柱：Waters Symmetry C18（4.6 mm×150 mm，5 µm）；流动相：甲醇-水（90∶10，体积比）；流速：1.0 mL/min；UV检测波长：254 nm；进样量：20 µL。

1.5 水样的采集与处理

实验中所测水样均来自兰州不同地段的黄河水、污水处理厂废水和雨水。采集的水样先用砂芯漏斗过滤悬浮颗粒物，然后用0.22 µm 的微孔滤膜过滤。最后将处理好的实际水样储存在棕色的试剂瓶中，于4 ℃避光保存、备用。

2 结果与讨论

2.1 TPB-DVA-COF涂层的表征

采用SEM 对涂层的表面形貌和厚度进行表征。如图2A 和2B 所示，不锈钢丝基体表面生成了均匀且致密的COF，厚度约为5.76 µm，该结构对提高涂层的吸附性能非常有利［21］。TEM 进一步证实制备了分散性良好且具有球状结构的COF涂层（图2C）。对COF涂层表面元素进行分析，EDX结果表明，其表面由C、N 和O 元素组成（图2D～2G）。此外，对从搅拌棒上刮下的COF 材料采用FTIR 和XRD 表征，从图2H 可以看出，在2θ=2.82o出现强衍射峰，其他5 种衍射峰在2θ=4.76°、5.54°、7.36°、9.74°和25.3°也被观察到。根据文献报道［22］，上述6 种衍射峰分别属于（100）、（110）、（200）、（210）、（220）和（001）晶面。结果表明，TPB-DVA-COF 材料具有良好的结晶度。利用FTIR 对TPB-DVA-COF 的官能团进行鉴定，图2I 中在1 615 cm-1和1 593 cm-1处出现C=N 和C=C 伸缩振动峰，为TPB 与DVA 的共价耦合提供了有力的证据。上述结果表明，在不锈钢丝搅拌棒上成功制备了晶型良好的TPB-DVACOF涂层。

图2 TPB-DVA-COF的SEM图（A、B）、TEM图（C）、EDX图（D～G）、XRD图（H）与FTIR图（I）Fig.2 SEM images（A-B），TEM image（C），EDX images（D-G），XRD spectrum（H） and FTIR spectrum（I） of TPB-DVA-COF

2.2 TPB-DVA-COF涂层搅拌棒的富集性能

采用6 种PAHs 评价了TPB-DVA-COF 涂层搅拌棒的富集分离能力，实验结果如图3 所示。对于50µg/L 的6 种PAHs 混合标准溶液，与HPLC 直接进样（图3a）相比，裸露的不锈钢丝搅拌棒对PAHs 具有一定的萃取富集能力（图3b），而经过TPB-DVA-COF 搅拌棒萃取后（图3c），6种PAHs表现出更大的富集效果。因此，后续实验选择TPB-DVA-COF涂层搅拌棒对6种PAHs进行萃取性能研究。

图3 6种PAHs的HPLC图和SBSE/HPLC图Fig.3 Chromatograms of six PAHs with direct injection and SBSE/HPLC

2.3 萃取及解吸条件的优化

为使TPB-DVA-COF@SBSE 对6种PAHs达到最佳的萃取效率，对离子强度、萃取温度、搅拌速率、萃取时间和解吸时间进行了优化。由图4A可见，在0%～15%范围内，6种PAHs的萃取效率随着NaCl含量的增加而增大，尤其是分子量大的Chr、B［b］f 和B［a］p 的萃取效率明显增加。当NaCl 含量高于15%时，萃取效率开始下降，这是因为盐析效应，在水样中加入盐可提高有机分析物的萃取效率，而当盐浓度过高时，粘度效应起主导作用，不利于分析物从溶液扩散到纤维涂层［20］。综合考虑，选取15% 的NaCl控制溶液离子强度。由图4B 可见，PAHs 在45 ℃之前萃取效率增加，说明提高温度可显著提升PAHs 在水中的扩散速率，动力学效应起主导作用。温度继续升高反而使萃取效率降低，因为吸附过程属放热过程，热力学效应起主导作用。故选择萃取温度为45 ℃。在萃取过程中，搅拌有利于分析物的扩散。如图4C 所示，在300～800 r/min 范围内，随着搅拌速率的增大，加快了目标分析物的扩散，涂层的萃取量增加。当搅拌速率超过600 r/min 时，萃取效率开始有所下降，这是因为过快的搅拌速率使溶液形成漩涡状，从而影响了纤维的萃取效率，因而选取最佳搅拌速率为600 r/min。考察了萃取时间在10～60 min范围内对萃取效率的影响（图4D），结果发现，萃取40 min后，6种PAHs的萃取效率基本不变，说明PAHs在涂层和样品基质中的分配基本达到平衡。另外，在本实验所用的解吸管中，100 µL甲醇可使搅拌棒完全浸没。因此，本实验以100 µL甲醇作为解吸剂，考察了不同解吸时间对PAHs解吸效果的影响。结果如图4E所示，搅拌棒可在3 min内达到解析平衡，因此选择解吸时间为3 min。结果表明，TPB-DVA-COF 涂层搅拌棒由于其大的比表面积和优异的结构而呈现出快速的吸附和解吸动力学。

图4 离子强度（A）、萃取温度（B）、搅拌速率（C）、萃取时间（D）、解吸时间（E）对PAHs萃取效率的影响Fig.4 Effects of ionic strength（A），extraction temperature（B），stirring rate（C），extraction time（D）and desorption time（E） on extraction efficiencies of PAHs

2.4 方法验证

在优化的实验条件下，采用TPB-DVA-COF@SBSE/HPLC 法测定6 种PAHs，考察了方法的线性范围、检出限（LOD）、富集倍数和相对标准偏差（RSD）。结果表明，Phe、Fla 和Pyr 在0.20～200 µg/L，Chr、B［b］f和B［a］p在0.05～200 µg/L范围内均具有良好的线性关系，相关系数（r）不小于0.998 5，方法检出限（3S/N）为0.007～0.150 µg/L。另外通过5 µg/L 的加标溶液考察萃取重复性，结果表明同一根搅拌棒的RSD 为3.8%～6.1%，批内、批间RSD 分别为4.3%～7.8%和5.2%～9.4%。富集倍数由富集前的色谱峰面积与富集后的峰面积相比得到，6 种PAHs 的富集倍数为41～225 倍。具体性能参数见表1。

表1 基于TPB-DVA-COF涂层的分析参数（n=5）Table 1 Analytical parameters of the proposed method based TPB-DVA-COF coating（n=5）

2.5 实际样品分析

采用本方法在最佳实验条件下分别对采集于当地的雨水样、河水样和污水样中的目标分析物进行富集与检测，分析结果见表2，其中生活污水直接进样和萃取后进样检测的色谱图如图5所示。对3种实际水样进行5.0、10 µg/L 两个水平的加标实验，6 种PAHs 的加标回收率分别为89.4%～104%和87.1%～103%，RSD 分别为4.3%～10%和3.6%～9.6%，表明所建立的方法具有良好的准确度与精密度，可用于不同实际水样中PAHs的富集与检测。

表2 不同环境水样中PAHs的分析结果（n=3）Table 2 Analytical results of PAHs in different environmental water samples（n=3）

图5 生活污水直接HPLC（a）和TPB-DVA-COF@SBSE/HPLC测定 （b）及加标10 µg/L的色谱图（c）Fig.5 Chromatograms of domestic sewage by direct HPLC （a），TPB-DVA-COF@SBSE/HPLC analysis（b）and spiked with 10 µg/L（c）

2.6 TPB-DVA-COF涂层的稳定性及萃取机理

为考察自制TPB-DVA-COF 涂层的稳定性，将搅拌棒浸入甲醇、丙酮、乙腈、二氯甲烷、1.0 mol/L HCl 和2.0 mol/L NaOH 溶液中12 h，未发现有涂层脱落及溶胀现象。这主要归因于COF 材料本身耐有机溶剂，最重要的是通过原位键合法在不锈钢丝和COF 涂层之间形成了稳定的共价键。因此，所制备的TPB-DVA-COF具有较长的使用寿命，实验中搅拌棒被使用80次后，萃取效率无明显下降（图6）。另外，该涂层优良的萃取亲和性主要归因于TPB-DVACOF 和PAHs 之间的强疏水效应和π-π 堆积作用，以及大的比表面积和合适的孔径。此外，COF 材料的优异形貌可有效提高有机污染物的萃取效率。因此，TPB-DVA-COF 涂层搅拌棒适用于PAHs的分析。

图6 初次使用TPB-DVA-COF涂层搅拌棒和使用80次后峰面积的比较Fig.6 Comparison of the peak areas of the fresh TPB-DVA-COF coating stir bar with the reused after 80 cycles extraction

2.7 与其它方法比较

将该方法与文献报道的PDMS 搅拌棒进行比较，结果见表3。从表中可以看出，本方法的检出限高于一些PDMS 搅拌棒，但本方法制备的搅拌棒RSD较低，富集倍数更高。

表3 本方法与其他方法的比较Table 3 Comparison between the proposed method and other reported methods

3 结 论

本文选用TPB 和DVA 两种单体，在超声辅助下，于不锈钢丝上成功制备了TPB-DVACOF 涂层搅拌棒。其制备方法简单，制备的涂层具有均一的球状结构，比表面积大、稳定性好。将TPB-DVA-COF 涂层搅拌棒结合HPLC，建立了环境水体中6 种PAHs 的检测方法。本方法具有低的检出限（0.007～0.150 µg/L），良好的重现性（4.3%～10%）和回收率（87.1%～104%），可满足复杂基体中PAHs 的检测要求，实验还对搅拌棒的稳定性和可能的萃取机理进行了探讨。本方法为开发新型SBSE涂层材料，以及为复杂基体中痕量组分的选择性萃取富集和定量分析提供了参考数据。