基于β-糊精氧化石墨烯管尖固相萃取/高效液相色谱检测生活饮用水中苯并[a]芘

王 芹 冯晓青 宋 鑫 王 露

（淮安市疾病预防控制中心，淮安 223003）

苯并[a]芘(BaP)是由5个苯环构成的稠环芳烃，最初由煤焦油中分离得到，是致癌性最强的一种多环芳烃，可诱发肺癌，具有极强的致畸、致突变性[1]。苯并[a]芘在环境中存在广泛，主要存在于工业生产和生活过程中煤炭、石油和天然气等燃料不完全燃烧产生的废气中，是环境污染常规监测项目之一，并随着雨水和工业废水污染水资源，引起了全球高度关注。我国生活饮用水卫生标准[2]和地表水环境质量标准[3]规定苯并[a]芘的限值分别为0.01μg/L、2.8ng/L。

苯并[a]芘的检测方法常见的有液相色谱法[4-6]、气质联用法[7，8]，荧光光度法[9],拉曼光谱法[10]也有报道。苯并[a]芘具有荧光特性，国内外主要选择液相色谱法-荧光检测器检测，具有较高的灵敏度和选择性。

水中苯并[a]芘浓度低，可以在pg/L到ng/L痕量浓度范围，需要经过萃取浓缩后检测。目前，常见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]、单液滴微萃取(SDME)[18]、搅拌棒吸附萃取(SBSE)[19]等。固相萃取由于其操作简便、低有机溶剂消耗、高富集系数得到了非常广泛的应用。SPE技术的应用依赖于吸附剂的容量及吸附剂的选择性。许多具有优异性能的吸附材料已被用作SPE的吸附剂，如纳米材料、分子印迹聚合物等。

氧化石墨烯(GO)是石墨烯的前体，基面和边缘具有丰富的含氧官能团及超高的比表面积，可通过π-π作用力、疏水作用力、氢键作用力吸附许多化合物。因氧化石墨烯在水中分散性较差，一般利用其含氧基团容易被修饰的特性，与其他化合物结合成复合物来改性[20]。β-糊精(β-CD)为水溶性低聚糖，价格便宜，具有内疏水、外亲水的特性，可通过氢键作用力、疏水作用力、范德华力、静电作用力等与多种化合物形成稳定的包合物，对化合物具有选择性吸附性能。因此本研究采用β-CD官能化GO，调节GO的萃取性能。合成了基于β-CD@GO管尖固相萃取物，将其装填入移液枪枪头作为固相萃取剂与高效液相色谱快结合速检测生活饮用水中苯并[a]芘，通过对萃取条件的优化改进，建立了生活饮用水中痕量苯并[a]芘定量分法。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

Agilent 1260液相色谱仪(美国Agilent公司)；PAH C18柱(4.6×250mm，5μm，Waters)；电子天平(瑞士梅特勒公司)；电热恒温干燥箱(上海精宏实验设备有限公司)；高速冷冻离心机(长沙湘仪离心机仪器有限公司)；移液枪(eppendorf，0.5～10mL)；移液枪枪头(eppendorf，0.5～10mL)；KH-250DE超声波清洗器(昆山禾创超声仪器有限公司)；PHS-15酸度计(上海雷磁仪器厂) ；电热板(labtech)。

苯并[a]芘标准溶液(100μg/mL，1mL，坛墨)；生活饮用水中苯并[a]芘质控样(大连中食国实检测技术有限公司)；β-糊精(麦克林)；氧化石墨烯(aladdin)；甲醇(色谱纯，默克)；丙酮(色谱纯，Fisher Chemical)；甲苯(色谱纯，Fisher Chemical )；乙腈(色谱纯，罗恩试剂)；氢氧化钠(分析纯，国药化学试剂有限公司)；氯化钠(分析纯，国药化学试剂有限公司)；蒸馏水(屈臣氏)。

样品为2份末梢水、2份出厂水、1份河水。采集时每升水样加入0.5mL硫代硫酸钠(100g/L)混匀去除余氯。样品采集后4℃冰箱保存。

1.2 β-CD@GO制备

将4.0g氢氧化钠溶解于200mL蒸馏水中，在超声波作用下，加入5gβ-CD充分溶解，80℃下凝胶化30min。取2.5gGO于200mL蒸馏水在超声波作用下充分溶解后，加入到β-CD溶液中，在80℃下继续反应3h。降温至50℃再反应1.5h，随后冷却至室温。β-CD@GO通过离心(4000rmp,10min)收集，蒸馏水洗涤5次，60℃烘干备用。

1.3 仪器条件

流动相：甲醇：水(v:v，80%:20%)；恒流：1.0mL/min；进样体积10μL；荧光检测器Ex=303nm,Em=425nm。

1.4 试验方法

取水样上清液，每100mL水样加入氯化钠25g，使水样离子浓度为25%。

在10mL移液枪枪头内装填25mgβ-CD@GO固相萃取材料，两端用玻璃棉固定，作为固相萃取柱，见图1。使用前依次用2mL丙酮和2mL蒸馏水活化固相萃取柱，然后吸入待分析水样10mL，吸附20分钟后弃水样，两次吸入1mL蒸馏水以去除未吸附在萃取柱上的杂质，最后用1mL甲苯洗脱5分钟，洗脱液过0.22μm滤膜待分析测定，固相萃取柱用1mL甲苯清洗两次备用。

图1 固相萃取装置

2 结果与讨论

为了获得最佳试验参数，以40μg/L的BaP标准溶液为试样，对影响BaP提取效率的参数分别进行了优化，包括吸附剂的比例、吸附剂的量、样品pH值、吸附时间、离子强度、吸附剂的重复使用次数、洗脱液的选择、洗脱液的用量、洗脱时间。

2.1 吸附剂的优化

2.1.1 吸附剂的比例

试验比较了GO和β-CD@GO的提取效率。结果表明GO的提取回收率为45～50%，而β-CD@GO的提取回收率大于80%。这个差异可以认为是由GO表面的β-CD产生。吸附剂复合物表面β-CD的存在增加了主客包合物与BaP之间的吸附作用。β-CD@GO吸附剂因为兼具GO的π-π作用力和主客包合物作用力，吸附效率更优。

为了获得有效的吸附剂，优化了GO和β-CD的质量配比。比较了GO和β-CD不同配比(1:1、1:2、1:3)下的吸附效率。试验结果显示，1:1配比下的吸附效率略低，可能1:1配比下吸附剂表面没有足够的β-CD吸附BaP，1:2和1:3配比下的吸附效率相差不大，最后选择1:2的配比。

2.1.2 吸附剂的量

试验比较了10、15、20、25、30、35、40mg吸附剂的提取效率，结果见图2A。BaP的提取回收率随着吸附剂的增加而增加，当吸附剂的量达到25mg时，回收率最高。因此，用25mg吸附剂提取。

图2 吸附剂的量、盐加入量、吸附时间、吸附剂使用次数对回收率的影响

2.1.3 离子强度

离子强度对萃取效率也有重要影响，试验考察了不同NaCl浓度(0、5、10、15、20、25、30、35%)对提取效率的影响，见图2B。结果显示0～25%范围内，提取效率随NaCl浓度的升高而升高，25%NaCl提取效率最高。这是由于当NaCl浓度升高，盐析效应使得BaP在水中溶解度降低，更多的吸附于吸附剂，提取效率增高。当离子强度进一步增高(＞25%)，样品溶液粘性增加，阻止了BaP向吸附剂包合物传质。所以选择25%NaCl。

2.1.4 吸附时间

考察了不同吸附时间(1、5、10、15、20、25、30min)对吸附效率的影响。如图2C所示，20min吸附效率最高。所以本试验选20min吸附时间。

2.1.5 吸附剂的重复使用性

吸附剂的循环使用次数也是影响吸附剂性能的参数之一。为了确定吸附剂重复使用性，考察重复使用5～20次的提取回收率(图2D)。结果显示，β-CD@GO吸附剂重复使用10次以内，回收率没有影响，说明GO和β-CD之间的有效连接保证了β-CD@GO复合物结构的稳定性。

2.2 解吸条件优化

由于GO和BaP之间存在强的π-π共价键，β-CD和BaP之间形成了联结紧密主客包合物，需要有效的洗脱溶剂和足够的洗脱时间来完全解吸。

考察了1mL甲苯不同洗脱时间(1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、8.0、10.0min)下的回收率。洗脱时间1～5min时，回收率大幅增加，6～10min回收率呈下降趋势，所以本试验5min为最佳吸附时间。

2.3 HPLC测定

苯并[a]芘标准溶液(10μg/L)色谱图如图3（a）所示，保留时间22.691min。

图3 色谱图

2.4 线性范围和检出限

取100μg/mL苯并[a]芘标准溶液，用蒸馏水逐步稀释成浓度为0.01、0.05、0.1、0.5、1.0、5μg/L的标准应用液。在本试验最佳条件下，分别取10mL进行吸附，解吸到1mL得到浓度为0.1、0.5、1.0、5.0、10、50μg/L的标准系列，HPLC-FLD检测，以保留时间定性、峰面积定量。在0.1～50μg/L范围内，苯并[a]芘线性关系良好，r=0.9996。以3倍信噪比计算方法的检出限(LOD)为3ng/L。

在本试验最佳条件下进行样本检测，5份水样中均未检出苯并[a]芘。取1份空白末梢水进行加标回收试验，结果见表1，3个加标水平的平均回收率在89.2%～92.5%之间，RSD在3.7%～5.2%之间。

表1 空白水样中BaP的加标回收试验结果(n=6)

2.5 质控样检测

取生活水中苯并[a]芘质控样(CFAPAQC1100D-1，标准偏差13.0ng/L) 10mL按本试验条件检测，结果见表2。Z值等于0.56，小于2，测定值与标准值相近，方法准确性良好。

表2 生活水中苯并[a]芘的测定（n=3）

2.6 与其他方法相比

本方法与《生活饮用水标准检验方法 有机物指标》(GB/T5750.8-2006)[21]相比所需样品量更少、提取更简便、有机溶剂消耗更少等优点。表3列出了苯并[a]芘不同提取方法和检测方法下的方法性能参数。结果显示，本试验具有较宽的线性范围，较低的检出限和较高的精密度。

表3 本文方法与其他方法比较

2.7 样品检测

在本试验最佳条件下，对所采集5份水样进行检测，均未检出BaP,空白样品谱图见图3（b）。

3 小结

建立了β-糊精氧化石墨烯管尖固相萃取-高效液相色谱法检测生活饮用水中苯并[a]芘(BaP)新方法。合成了β-CD@GO吸附剂，其中GO提供了强大π-π共价键与BaP结合、β-CD通过主客包合物对BaP产生特异性吸附。本方法填料用量少、所需样品量少、有机溶剂消耗少、吸附选择性高、操作简单快捷、可重复使用，适用于生活饮用水中苯并[a]芘的检测。