Ni基金属氢氧化物有机骨架纳米片同相微萃取涂层用于水中硝基芳烃的检测

关键词：固相微萃取，金属氢氧化物有机骨架纳米片，硝基芳烃，气相色谱

中图分类号：X832 文献标志码：A

硝基多环芳烃（Nitro⁃PAHs）是一类持久性有机污染物，主要来源于不完全燃烧和光化学反应［1］. Nitro⁃PAHs 已在全球各地的空气、室内灰尘、土壤、水体、沉积物、食物、植物、动物、人体等介质中被广泛检出［2］. 水体作为重要的环境介质，面临严峻的Nitro⁃PAHs 污染问题. 以我国水体为例，马明生等［3］首次在我国城市饮用水和河水中检测出了八种痕量的Nitro ⁃ PAHs，浓度为0. 027～4. 6 ng·L^-1；Hung et al［4］在台湾台中市梅川河和陆川河中检测出了七种Nitro⁃PAHs，浓度为5. 2～7. 5 ng·L^-1. 9⁃硝基菲和9⁃硝基蒽在我国工业用水和一些湖水样品中被广泛检出. Konget al［5］采集了太湖流域太滆运河的30 个地表水样品，检测出以9 ⁃ 硝基菲为代表的多种Nitro ⁃PAHs，总浓度达到14. 7～235 ng·L^-1. Nitro ⁃PAHs 具有难降解、高脂溶性等特点，对生态环境和人类健康构成了巨大威胁. Nitro⁃PAHs 对生物体可能产生的不良效应包括致突变性、遗传毒性、致癌性、急慢性细胞毒性效应、细胞凋亡、雌激素活性等［6-8］，而且大分子Nitro⁃PAHs 比小分子Ni⁃tro⁃PAHs 具有更强的致癌性和致突变性. 因此，监管水体中Nitro⁃PAHs 的浓度，发展针对Nitro⁃PAHs（特别是大分子Nitro⁃PAHs）的高灵敏检测方法对于保障水环境安全具有重要意义.

Nitro⁃PAHs 在水环境中的浓度为痕量水平，对其进行分析检测需要开发高灵敏度的检测方法，常用的检测方法如液液萃取、固相萃取等存在灵敏度低、前处理操作复杂、大量使用有机溶剂等问题. 固相微萃取（Solid⁃Phase Microextraction，SPME）是一种新型、绿色的样品前处理技术［9-10］. SPME 技术无须大量有机溶剂，灵敏度更高，且集采样、富集、浓缩、解吸于一体，极大地简化了前处理过程［11］，已在多种有机污染物的分析检测中显示了优异性能［10，12-14］. 然而，现有的商用涂层多以石英纤维为基底，机械性能较差，涂层材料热稳定性较低［15］. 文献报道的自制涂层孔道多以微孔为主，尽管具有较高比表面积，但对于大分子（三环以上）Nitro⁃PAHs的萃取效果有限［16］. 因此，亟须开发新型、可高效富集Nitro ⁃ PAHs 的SPME 涂层.

金属氢氧化物⁃有机骨架材料（Metal Hydrox⁃ide⁃Organic Frameworks，MHOFs）是一类以金属氢氧化物为节点，有机物为骨架的新型框架材料. MHOFs通过层状氢氧化物与芳香羧酸配体反应生成，可形成具有高度开放表面结构的超薄纳米片材料，从而暴露出更多的表面吸附位点［17-18］. 因此，我们认为MHOFs 纳米片是一种对高环化合物检测具有应用潜力的SPME 涂层材料.

本研究通过水热法合成Ni⁃MHOF，通过聚硅氧烷胶物理黏附于刻蚀的钢丝表面制备SPME涂层，结合气相色谱，建立了一种针对水中Nitro⁃PAHs的分析方法. 研究了该方法对Nitro⁃PAHs的萃取性能，探讨了影响SPME 的主要因素（萃取温度、萃取时间、pH、盐浓度、搅拌速度、解吸温度、解吸时间等），通过单因素控制变量实验确定了优化的实验条件，比较了自制涂层与几种商用涂层的萃取效率，并在实际水体样品中验证了检测方法的适用性.

1 实验部分

1. 1化学试剂 9，10⁃二硝基蒽（≥99. 5%）、3⁃硝基荧蒽（100. 0%）、4⁃硝基芘（≥99. 0%）、7⁃硝基苯（a）蒽（≥99. 0%）、6⁃硝基屈（≥98. 3%）和6⁃硝基苯并（a）芘（100. 0%）均购自美国AccuStan⁃dard 公司，理化性质如表1 所示. 六水合氯化镍（≥98. 0%）购于南京化学试剂有限公司. 偶氮苯⁃4，4′⁃二羧酸（≥98. 0%）和无水乙醇（≥99. 5%）购自上海麦克林生化科技有限公司. N，N⁃二甲基甲酰胺（99. 8%）和甲醇（≥99. 9%）购自美国Te⁃dia 公司. 甲苯（≥99. 5%）购自上海凌峰化学试剂有限公司. 中性聚硅氧烷胶购自陶氏有机硅有限公司. 四种商用SPME 针，聚二甲基硅氧烷（100 μm PDMS，非极性）、聚丙烯酸酯（85 μmPA，极性）、二乙烯基苯/羧基/聚二甲基硅氧烷（50/30 μm DVB/CAR/PDMS）和聚二甲基硅氧烷/二乙烯基苯（65 μm PDMS/DVB）均购自美国Supelco 公司.

1. 2Ni⁃MHOF 涂层的制备

1. 2. 1制备SPME 纤维支撑基底 选用直径为0. 15 mm、长度为10 cm 的不锈钢丝作为SPME纤维支撑基底材料. 首先，将不锈钢丝置于1. 0 mol·L^-1 HCl 中超声30 min，然后依次在甲醇、超纯水中超声清洗，室温下晾干. 经过上述预处理后得到具有粗糙表面的SPME 涂层支撑基底.

1. 2. 2Ni⁃MHOF 粉末材料的制备 Ni⁃MHOF参考文献方法制备［19］. 称取200 mg 六水合氯化镍和200 mg 偶氮苯⁃4，4′⁃二羧酸，将其溶于N，N⁃二甲基甲酰胺（32 mL）、水（2 mL）和无水乙醇（2 mL）组成的混合溶剂中，将溶液加入耐热Py⁃rex 玻璃瓶中，置于120℃烘箱中加热12 h. 冷却至室温后离心收集棕黄色产物，再将产物分散在无水乙醇中，超声处理30 min 后，静止沉淀，移除上层无水乙醇，取沉淀物于100℃ 下真空干燥.

1. 2. 3Ni⁃MHOF 涂层的制备 将经过预处理的304 不锈钢丝插入甲苯稀释过的聚硅氧烷胶溶液中，匀速、缓慢地提拉抽出不锈钢丝，在其表面形成均匀的聚硅氧烷胶层. 然后将其插入Ni⁃MHOF 粉末中旋转，使粉末黏附均匀，随后置于烘箱中在120℃下烘干30 min，再室温风干24 h，待聚硅氧烷胶充分固化后得到牢固、结实的涂层，将钢丝截至所需的涂层长度，再将其组装到商用针固相微萃取支架中. 使用前将钢丝暴露于气相色谱进样口，在N2保护下于300 °C老化1 h.

1. 3Ni ⁃ MHOF 涂层的表征 采用D8 AD⁃VANCE 型X 射线衍射仪（XRD，德国Bruker公司）测定涂层材料的XRD图谱. 通过TG 209 F3Tarsus 热重分析仪（TGA，德国Netzsch公司）对材料进行热重分析. 利用QUANTA FEG 250场发射环境扫描电子显微镜（SEM，美国FEI 公司）观察涂层的微观形貌. 采用ASAP 2020型比表面积和孔径测定仪（美国Micromeritics 公司）测定涂层材料的孔径分布和孔体积. 利用Nicolet6700型傅里叶红外光谱仪（FTIR，美国Thermo公司）测定材料的FTIR 光谱.

1. 4Nitro⁃PAHs 的SPME 分析过程

1. 4. 1Nitro⁃PAHs 混合储备溶液 购入浓度为100. 00 μg·mL^-1 的六种Nitro⁃PAHs 标准品溶液，以甲醇为稀释剂，配制六种Nitro⁃PAHs 的总浓度为1 μg·mL^-1 的混合溶液. 将配制的储备液和混合标准溶液置于-20℃ 冰箱中避光密封保存.

1. 4. 2Nitro⁃PAHs 样品溶液 用微量进样针取一定量的混合标准溶液，加入30. 00 mL 去离子水中，配制成所需浓度的样品溶液，现用现配.

1. 4. 3萃取实验 将自制的涂层针插入Nitro⁃PAHs 溶液中进行萃取，萃取温度和溶液搅拌速度通过可加热的磁力搅拌器控制. 萃取时间设置为2～80 min，萃取温度为25～75 °C，pH 为3～11，搅拌速度为300～1500 r·min^-1，盐浓度为0～30%（w∶v），解吸温度为270～320 °C ，解吸时间为1～6 min，纤维长度为1～2. 5 cm.

1. 4. 4Nitro⁃PAHs 检测 利用配备电子捕获检测器（ECD）的气相色谱（GC，7890A，美国Agi⁃lent）测定Nitro⁃PAHs. 具体检测条件：使用TR⁃5MS 毛细管柱（30 m×0. 25 mm×0. 25 μm，美国Thermo），最高耐受温度为360 °C/370 °C，不分流进样，载气为高纯N2（ ≥99. 999%，南京天泽气体有限公司），采用恒流模式，流速为1. 5 mL·min^-1.柱箱初始温度为50 °C，保持1 min，再以20°C ·min^-1升温至320 °C，保持5 min，共耗时19. 5 min，检测器温度为340 °C.

2 结果与讨论

2. 1Ni ⁃ MHOF 涂层的表征 图1a 是Ni ⁃MHOF 材料的XRD 表征结果. 在5. 62°，11. 28°，15. 6°，18. 42°处出现的峰分别归属于Ni⁃MHOF（001），（002），（011），（003）晶面的衍射峰［17］. 其中（001）面是优先暴露晶面，25. 3°处较宽的衍射峰对应（100）面可能是由于π⁃π 堆叠产生了少量垂直于纳米片平面方向的生长. XRD 结果证明成功合成了结晶良好的Ni⁃MHOF 材料. 图1b 为Ni⁃MHOF 材料的FTIR 表征图谱. 3440 cm^-1 处是水分子的伸缩振动峰，3600 cm^-1 处对应O-H拉伸峰，1370 cm^-1 处的拉伸峰对应芳香环的C=C，1600 cm^-1 处的拉伸峰对应C=O，1490cm^-1 处对应Ni-O［20］. 结果表明成功合成了芳香羧酸盐配体交联的层状氢氧化物材料. 图1c 是Ni⁃MHOF 材料的TGA 图，从图中可以看出Ni⁃MHOF 在380°C下失重不超过10% ，说明Ni⁃MHOF 具有良好的热稳定性，满足GC⁃ECD进样口的温度条件，适用于Nitro⁃PAHs 等高沸点污染物的分析. 图1d 和图1e 分别为Ni⁃MHOF 粉末材料的N2 吸附⁃脱附等温线和孔径分布测定结果. 结果显示，合成材料的BET 比表面积为36. 98 m²·g^-1，孔体积为0. 13 cm³·g^-1，主要孔径分布在2. 62 nm 左右，平均孔径为13. 64 nm，与文献报道的Ni⁃MHOF孔结构特性一致［17］.

图2 为Ni⁃MHOF 粉末和涂层的SEM 扫描结果. 图2a 和图2b 为Ni⁃MHOF 粉末材料的SEM图，呈超薄片状，纳米片搭建成团形三维结构，而非堆叠在一起，由此呈现出开放的形态. 图2c 和图2d 为Ni⁃MHOF 涂层的SEM 图，Ni⁃MHOF 材料均匀地包覆在不锈钢丝表面，通过测量蚀刻后的不锈钢丝直径以及包覆涂层后的纤维直径，计算涂层的包覆厚度约为50 μm.

2. 2 Ni⁃MHOF 涂层萃取Nitro⁃PAHs 条件优化

通过单因素控制变量实验对Ni⁃MHOF 涂层SPME 法分析Nitro⁃PAHs 的实验条件进行了优化，每组实验重复三次［21］. 为了拓展方法的适用性，在混合标准液中又补充了五种Nitro⁃PAHs，分别为5⁃硝基苊（5⁃nAce）、2⁃硝基芴（2⁃nFlu）、9⁃硝基蒽（9⁃nAnt）、9⁃硝基菲（9⁃nPhe）和1⁃硝基芘（1⁃nPyr），使用Ni⁃MHOF 涂层一并萃取，探究了萃取时间、萃取温度、pH、搅拌速度、离子强度、解吸温度、解吸时间和纤维长度与萃取性能间的关系，为Nitro⁃PAHs⁃SPME 分析方法的建立提供了依据.

（1）萃取时间. SPME 的平衡是一个动态缓慢的过程，在萃取达到平衡之前，萃取效率随时间的延长而提高，达到萃取平衡后，萃取时间的延长不再带来萃取效率的提高. 萃取平衡时间受多种因素影响，如分配系数、扩散速率、样品基质、样品体积、涂层性质等. 本实验在2～80 min 研究了萃取时间与萃取效率之间的关系. 如图3a 所示，对于分子量较低的化合物，它们在较短的萃取时间内达到平衡，对于4⁃nPyr，6⁃nChr，6⁃nB（a）Pyr 这些分子量较高的化合物，在80 min 时，峰面积仍在提高. 为保证高分子量化合物的萃取灵敏度，选择80 min 作为萃取时间.

（2）萃取温度. 萃取温度通过动力学和热力学角度影响化合物的萃取效率. 从动力学角度看，随着样品溶液的萃取温度提高，分析物向涂层的扩散速率加快，有助于提高分析灵敏度，缩短达到平衡所需的时间. 但从热力学角度看，萃取温度的升高会导致分析物在涂层和样品基质间的分配系数降低，使分析的灵敏度变差［22］. 如图3b 所示，5⁃nAce，2⁃nFlu，9⁃nAnt，9⁃nPhe 和9，10⁃nAnt的萃取效率随着萃取温度的提高而降低，而其余六种Nitro⁃PAHs 的萃取效率随着萃取温度的提高先提高后降低，这可能是由于在较长的萃取时间下，热力学影响占据了主导作用. 综合考虑高环Nitro⁃PAHs 分析灵敏度的需要，选择55 oC作为最优萃取温度.

（3） pH. 当样品溶液的pH 变化时，化合物的状态也可能发生变化. 对于一些酸性和碱性化合物来说，调整pH 会影响样品在溶液中的解离平衡. Nitro⁃PAHs 的分子结构中不含可解离的氢原子，形态受pH 影响较小，但为了考察涂层材料在不同pH 下的稳定性，探究了pH 对萃取效率的影响. 如图3c 所示，在过酸或过碱条件下，纤维的萃取效率有所下降，但整体影响不大，表明了材料在宽pH 范围的适用性. 为了模拟真实水体，选择pH=7 作为分析方法条件.

（4）搅拌速度. 提高搅拌速度可以加速化合物从水相向SPME 涂层的转移，但是过高的搅拌速度会导致溶液振动不稳定，重复性差. 如图3d所示，搅拌速度从300 r·min^-1 上升至1500 r·min^-1时，萃取效率不断提高. 可见快速的传质对于Nitro⁃PAHs 的萃取有利，因此选择较高的搅拌速度1500 r·min^-1进行萃取.

（5）离子强度. 共存离子会通过盐析作用和竞争吸附影响待测物在涂层上的分配［23］. 离子浓度设为0，5%，10%，20%和30%（ w∶v），图3e显示在不同离子浓度下，几种Nitro⁃PAHs 的萃取效率呈现出两种不同的变化趋势. 对5 ⁃ nAce，2 ⁃nFlu，9⁃nAnt 和9⁃nPhe 的萃取效率随着盐浓度的提高而不断提高，这可能是因为溶液的离子强度增加，降低了有机物在水中的溶解度，从而提高待测物在涂层上的分配效率. 对9，10⁃nAnt，3⁃nFla，4⁃nPyr，1⁃nPyr，7⁃nB（a）Ant，6⁃nChr 和6⁃nB（a）Pyr 的萃取效率则先提高后降低，这可能是由于过量的阴、阳离子在涂层表面沉积，占据了吸附位置. 为发挥盐析作用的优势，后续的萃取是在向样品溶液添加10%（ w∶v）的NaCl后进行.

（6）解吸温度. 在270～320 ℃下研究了解吸温度与萃取效率的关系，图3f 显示，随着解吸温度的提高，峰面积不断增大. 可见，对于Nitro ⁃PAHs 这类高沸点化合物，为了获得更好的分析效率和灵敏度，需要较高的解吸温度使其在GC进样口充分解吸. 因此，本实验选择320 oC 作为解吸温度.

（7）解吸时间. 选取1，2，3，4，5 和6 min 六个解吸时间研究其变化规律. 解吸时间对萃取效果的影响如图3g 所示，气相色谱峰面积在2 min 时达到最大值.

（8）纤维长度. 条件相同时，体积较大的涂层通常表现出更好的重现性和灵敏度，较薄的涂层则有利于缩短平衡时间，因而在合理的范围内增加纤维长度是提高萃取效率的一种有效的方式.图3h 显示，涂层长度与萃取效率具有线性关系，通过建立标准曲线可以校准纤维长度不同带来的萃取结果误差. 自制Ni⁃MHOF 在长度与商用固相微萃取纤维相同的条件下表现出优于商用纤维的萃取效果，另一方面，为了使数据更具可比性、防止纤维过长导致易折断变形，截取与商用纤维相同长度（1 cm）的Ni⁃MHOF 涂层进行萃取.

综上所述，实验获得了最优SPME 分析条件：涂层长度为1 cm 的萃取纤维，萃取温度为55 ℃，萃取时间为80 min ，添加10% （w∶v）的NaCl，调节pH=7，搅拌速度为1500 r·min^-1，解吸温度为320℃，解吸时间为2 min.

2. 3涂层的萃取性能 在最优分析条件下，首先研究了Ni⁃MHOF 涂层对六种Nitro⁃PAHs 的萃取效率. 通过将200 ng·L^-1 浓度下，Ni⁃MHOF 涂层SPME 方法的峰面积和1 mg·L^-1 浓度下，1 μL的Nitro⁃PAHs 直接进样的信号峰面积进行对比，得到涂层对每种Nitro⁃PAHs 的富集系数［24］. Ni⁃MHOF 涂层对9 ，10⁃nAnt ，3⁃nFla ，4⁃nPyr ，7⁃nB（a）Ant，6 ⁃ nChr 和6 ⁃ nB（a）Pyr 六种Nitro ⁃PAHs 的富集系数分别为1798，5238，4143，3447，4716 和1122. 由此可见，Ni⁃MHOF 涂层可以高效萃取水中的Nitro⁃PAHs. Ni⁃MHOF 对于四环Ni⁃tro⁃PAHs 的富集系数较三环和五环化合物更高.

在200. 00 ng·L^-1 Nitro⁃PAHs、相同萃取条件下，Ni⁃MHOF 涂层对六种Nitro⁃PAHs 的萃取效率是商用100 μ m PDMS 涂层的1. 7～12. 9 倍，65μm PDMS/DVB 涂层的1. 7～13. 1 倍，50/30μm DVB/CAR/PDMS 涂层的1. 2～54. 6 倍. 与85 μm PA 涂层相比，Ni⁃MHOF 对三环的9，10⁃nAnt 萃取效率略低；对四环和五环Nitro⁃PAHs，Ni⁃MHOF 涂层的萃取效率是PA 的1. 1～2. 2倍（见图4）. 总体来看，Ni⁃MHOF 对于三环Nitro⁃PAHs 萃取效率与商用针相当，对于四环和五环Nitro⁃PAHs 萃取则表现出显著的优势. 以上结果可能是由于Ni⁃MHOF 材料的比表面积相对于其他涂层材料而言较小，但具有较大的孔径，三环Nitro⁃PAHs 分子尺寸最小，孔径对其萃取效率的影响较小. 对于四环、五环Nitro⁃PAHs 分子，Ni⁃MHOF 较大的孔径更有利于它们通过孔填充效应被吸附［25］，因此，Ni⁃MHOF 适合用于大分子Nitro⁃PAHs 化合物的萃取.

在最优实验条件下，对六种Nitro⁃PAHs 的SPME 萃取方法进行验证. 实验结果如图5 所示，9，10 ⁃ nAnt，3 ⁃ nFla，4 ⁃ nPyr 和6 ⁃ nChr 在0. 01～4 μg·L^-1，7⁃nB（a）Ant 在0. 01～8 μg·L^-1，6 ⁃ nB（a）Pyr 在0. 05～8 μg·L^-1 具有良好的线性（R²gt;0. 990），表明我们建立的分析方法具有较高准确性.

表2 给出SPME 方法的检测范围为0. 001～0. 02 μg·L^-1，定量限范围为0. 003～0. 07 μg·L^-1.表3 中Ni⁃MHOF 与文献报道的几种涂层材料萃取参数的比较结果表明，Ni⁃MHOF 对Nitro⁃PAHs 萃取具有较高的富集系数及与文献材料性能相当的线性范围和检测限［16，26-28］. 通过重复测定200. 00 ng·L^-1 加标溶液来验证方法的可重复性（表4）. 同批次涂层日内多次重复萃取实验的标准偏差为5. 8%～12. 0% （n=8），三日间每日重复三次的标准偏差为6. 7% ～11. 8%（n=3），三批次制备的涂层萃取实验的标准偏差为7. 4%～12. 3%（ n=3）. 本研究建立的Ni⁃MHOF涂层的优化萃取方法具有良好的精密度和准确性.

2. 4实际水样分析 为了验证方法在实际水体中的适用性，取自来水、湖水、污染场地废水三种实际水样，通过向水样中添加六种Nitro⁃PAHs 混合标准液，采用上述建立的SPME⁃GC 方法进行分析检测来研究回收率，结果见表5 和图6. 在湖水样品中检测到浓度为0. 003 μg·L^-1 的3⁃nFla 和浓度为0. 003 μg·L^-1 的4⁃nPyr；在污水样品中检测到浓度为0. 006 μg·L^-1 的3 ⁃ nFla 和浓度为0. 005 μg·L^-1的4⁃nPyr；在自来水中未检测到任何种类的Nitro⁃PAHs. 自来水中六种Nitro⁃PAHs的加标回收率为97. 7%～108. 4%，湖水加标回收率为95. 6%～112. 6%，污水加标回收率为69. 9%～85. 0%. 可见Ni⁃MHOF适用于多种实际水样中Nitro⁃PAHs的检测，对于化学性质复杂的水体的检测能力有待进一步提高. 总体来看，基于Ni⁃MHOF涂层的SPME⁃GC 方法可用于检测实际环境水样中的Nitro⁃PAHs.

3 结论

本研究通过水热法制备了Ni⁃MHOF 材料，利用物理法将材料黏附在不锈钢丝基底上制得SPME 涂层，系统探究了萃取条件对涂层萃取六种Nitro⁃PAHs 效率的影响，优化了分析方法，建立了基于Ni⁃MHOF 的SPME⁃GC 检测方法. Ni⁃MHOF 涂层对大分子Nitro⁃PAHs 的萃取性能均显著优于普通商用涂层，并具有超高的富集系数（3447～5238）. 该方法的线性范围宽，灵敏度高，精确度好，在实际环境水样的分析中也表现出良好的适用性.

（责任编辑 杨贞）