氧化石墨烯接枝硅胶整体柱制备及在多环芳烃检测中的应用

冯勇 彭传云 张少文 高亚辉 杨瑞先 刘慧宏

摘 要 多环芳烃（Polycyclic aromatic hydrocarbons， PAHs）是优先控制环境污染物。本研究通过酰胺化反应将氧化石墨烯（Graphene Oxide，GO）接枝到自制的氨基化硅胶整体柱表面，制得GO接枝硅胶整体柱，利用扫描电镜、元素分析和拉曼光谱对其进行表征分析。以此为固相微萃取柱，在优化的实验条件下，考察了其对典型PAHs的萃取富集性能。整体柱对芘（Pyr）、苯并[a]芘（BaP）和二苯并[a，h]蒽（DahA）的富集倍数分别达到了78.5、98.2和102.4，GO与PAHs之间的π-π堆积作用和疏水作用使整体柱对典型PAHs表现出较强的富集能力。结合高效液相色谱-紫外检测装置建立了PAHs定量方法，检出限（S/N=3）为0.02～0.11 μg/L，定量限（S/N=10）为0.07～0.36 μg/L，9种PAHs在0.1～150 μg/L的浓度范围内线性关系良好 （R2≥0. 9947）。香烟烟气、焦化厂废水、大气颗粒物等实际样品中PAHs加标回收率为81.5%～107.8 %，相对标准偏差为1.0 %～6.5 %（n =3）。本方法准确灵敏、简便可靠，可用于实际样品PAHs的检测。

关键词 氧化石墨烯; 硅胶整体柱; 固相微萃取; 多环芳烃

1 引 言

多环芳烃（Polycyclic aromatic hydrocarbons， PAHs）是一类持久性有机污染物，分子结构中含有两个或多个芳环，在环境等介质中广泛存在，具有致癌、致畸、致突变效应，芳环数越多，毒性越强，属于优先控制环境污染物[1～3]。因此，开发简单、快速、灵敏的PAHs的检测方法，对于环境监测和治理具有重要意义。目前，PAHs的检测方法有高效液相色谱法（HPLC）、气相色谱法（GC）、气相色谱-质谱联用法（GC-MS）和荧光法（FL）等，其中HPLC法快速、灵敏度较高，且不受PAHs稳定性、挥发性影响，具有广泛的适用性[4]。实际样品中PAHs的含量通常为痕量或超痕量水平，且样品基质复杂[5]。为实现准确可靠的检测，有效的萃取富集等前处理是关键。常用的PAHs样品前处理方法有索氏抽提、液液萃取、固相萃取和固相微萃取（Solid phase microextraction，SPME）等[6～10]，其中，SPME具有操作简单、有机试剂用量少和萃取效率高等优点，在废水、食品、大气等样品的PAHs检测中有良好的应用前景[10～13]。整体柱作为一种常用的固相微萃取介质，拥有通透性好、比表面积大且材料易被修饰等优势[14]。Zhou等[15]制备了聚（甲基丙烯酸丁酯-乙二醇二甲基丙烯酸酯）/纳米介孔二氧化硅杂化整体柱，用于水样中PAHs富集，结合高效液相色谱-紫外检测（HPLC-UV）实现了对荧蒽的检测，检出限为10 μg/L。Zheng等[16]制备了辛基修饰硅胶杂化整体柱，建立了对联苯、茐、菲和荧蒽4种PAHs的检测方法，检出限为2.4～8.1 μg/L。本课题组前期工作中，利用叠氮-端基炔点击反应在硅胶整体柱表面引入三唑环和C6[17]及C12[18]基团，建立了对16种PAHs的分析方法，检出限分别为0.08～3.72 μg/L和0.04 ～1.51 μg/L。上述的结果表明，固相微萃取中，整体柱介质具有良好的萃取性能。

研究发现，碳基纳米材料如碳纳米管、石墨烯等具有较大的比表面积，对PAHs有较好的萃取富集作用[19～21]。氧化石墨烯（Graphene oxide，GO）是一种具有二维空间结构，且含有丰富的羧基、羥基等官能团的碳基纳米材料[22～24]，可通过共价或非共价方式修饰到介质表面，改善萃取材料富集性能[25～27]。Han等[28]制备了Fe3O4/GO复合材料用于环境水样中PAHs的富集，检出限达到0.09～0.19 μg/L， GO与PAHs间的π-π堆积和疏水作用显著提高了材料的萃取富集性能。将GO接枝到硅胶整体柱，有利于发挥GO的结构特点和整体柱萃取介质的优势，实现对痕量PAHs有效富集。

本研究通过酰胺化反应将GO接枝到制备的氨基化硅胶整体柱表面，制得GO接枝硅胶整体柱。以此为固相微萃取介质，研究了GO对PAHs的萃取性能及作用机制。结合HPLC-UV，建立了PAHs的定量分析方法，并用于实际样品中PAHs的检测。

2 实验部分

2.1 仪器、试剂与材料

安捷伦1260 Infinity 高效液相色谱仪（美国安捷伦科技有限公司）; 傅里叶变换红外光谱仪（美国赛默飞公司）; SU 8000型扫描电子显微镜（日立高新技术公司）; HR 800型高分辨显微拉曼光谱仪（法国Jobin Yvon公司）; VARIO EL cube有机元素分析仪（德国Elementar公司）; 注射泵（中国兰格恒流泵有限公司）; 熔融石英毛细管（530 μm I.D，河北永年锐沣色谱器件公司）。

四甲氧基硅烷（TMOS，98%）、氨丙基三甲氧基硅烷（APTMS，98%）（武汉大学有机硅新材料公司）; 石墨粉（德恩化学试剂有限公司）; 聚乙二醇（PEG，MW=10000）、尿素（Urea）、甲醇、乙醇（国药集团化学试剂有限公司）; 30% H2O2（分析纯）。芘（Pyr）、苯并[a]芘（BaP）、二苯并[a，h]蒽（DahA）、PAHs混合标准样品（芘（Pyr）99.3 μg/mL、苯并[a]蒽（BaA）106.5 μg/mL、GFDA3（Chr）106.4 μg/mL、苯并[b]荧蒽（BbF）217.4 μg/mL、苯并[k]荧蒽（BkF）107.8 μg/mL、苯并[a]芘（BaP）111.5 μg/mL、茚并[1，2，3-cd]芘（Inp）213.4 μg/mL、二苯并[a，h]蒽（DahA）201.9 μg/mL和苯并[g，h，i]苝（BghiA）107.0 μg/mL），均购自美国SUPELCO公司。实验用水为去离子水。

2.2 GO接枝硅胶整体柱制备

2.2.1 GO制备 采用改进的Hummers法[29]制备GO。具体如下：在1.0 g石墨粉中加入H2SO4-H3PO4（9∶1， V/V）混合酸134 mL，机械搅拌下缓慢加入6.0 g KMnO4，50℃油浴反应30 h。反应结束后，冷却至室温，倒入150 mL冰水中，滴加8 mL 30% H2O2。依次用10% HCl、无水乙醇、去离子水洗至中性，烘干后去离子水中超声分散，得GO水分散液。

2.2.2 GO接枝硅胶整体柱制备 （1）毛细管预处理 先用1 mol/L NaOH活化毛细管柱，然后依次用0.1 mol/L HCl、去离子水冲洗至中性，氮气吹干，备用。（2）硅胶整体柱制备[30] 取0.90 mL TMOS、0.10 g PEG 和0.22 g Urea与2 mL 0.01 mol/L HAc混合，冰浴搅拌至澄清透明，超声脱气后，注入长8 cm的预处理毛细管中，封端后，40℃陈化20 h，再升温至75℃保持3 h，制得溶胶-凝胶整体柱，用去离子水和甲醇依次冲洗除杂。（3）氨基修饰[31] 将1 mL氨基供体试剂APTMS甲醇溶液（30%，V/V）以50 μL/min的速率注入硅胶整体柱，封端后，70℃反应6 h，得到氨基化硅胶整体柱，甲醇冲洗除杂，备用。 （4）GO接枝[32] 将0.02 mg/mL的GO水分散液1 mL以30 μL/min的速率注入氨基化硅胶整体柱，封端后40℃反应6 h，通过酰胺化反应制得GO接枝硅胶整体柱，之后依次用去离子水、甲醇冲洗，去除未反应的GO。

2.3 标准溶液配制

准确称取Pyr、BaP、DahA标准品各0.01 g，甲醇溶解并定容至100 mL; 取PAHs混合标样1 mL，以甲醇稀释并定容至100 mL。用甲醇-水（1∶9， V/V）逐级稀释配制系列标准溶液，4℃密封保存备用。

2.4 固相微萃取步骤

以GO接枝硅胶整体柱为固相微萃取介质，截取5 cm长粘接到注射器针头，以注射泵驱动建立固相微萃取装置。优化后萃取步骤：首先用1 mL甲醇活化整体柱，流速100 μL/min; 然后取1 mL样品溶液，在流速50 μL/min下进行萃取富集; N2吹扫后以丙酮为解析剂，解析速度20 μL/min，收集前10 μL解析液进行液相色谱分析。萃取耗时约30.5 min。

2.5 色谱条件

色谱柱： SUPELCOSIL LC-PAHs 专用柱（25 cm× 4.6 mm，5 μm），柱温： 30℃，流速： 1.0 mL /min，紫外波长： 254 nm; 进样量： 10 μL; 流动相A为甲醇，B为水; 梯度洗脱： 0～5 min，80% A; 5～35 min，100% A。

2.6 样品采集及处理

2.6.1 样品采集 ①香烟烟气： 不同品牌香烟购自超市（编号S1、S2）; ②焦化厂废水： 分别取自焦化厂的进水口（编号S3、S4）、煤焦池（编号S5、S6）、出水口（编号S7、S8），共6个样品; ③大气颗粒物： 按国标[33]中方法采集本地不同采样点的秋季（编号S9～S14）、冬季（编号S15～S20）大气颗粒物样品共计12个。

2.6.2 样品处理 ①香烟烟气： 使用自制香烟烟气收集装置，丙酮吸收气雾，吸收液氮气吹干后，用甲醇-水（1∶9， V/V）超声溶解，过0.45 μm滤膜; ②焦化厂废水： 样品经0.45 μm滤膜过滤，按甲醇-水=1∶9（V/V）的比例稀释; ③大气颗粒物： PAHs提取按照国标[33]中前处理方法进行，提取液氮气吹干后，用甲醇-水（1∶9， V/V）超声溶解; 所有溶液在4℃密封保存，备用。

3 结果与讨论

3.1 GO表征

通过FT-IR对制备的GO进行了表征（图1）。3420 cm 1处的吸收峰归属于OH的伸缩振动，2921 cm 1处吸收峰归属于CH2的伸缩振动，1734 cm 1处吸收峰为羧基中CO的伸缩振动， 1366 cm1处吸收峰为CO的变形振动，1228和1053 cm 1处吸收峰分别为COC的反对称伸缩振动和对称伸缩振动，表明制备的GO含有COOH、COC等基团，与文献[29]描述一致。

圖2中（a）和（b）分别为原料石墨和产物GO的拉曼光谱图，石墨经氧化后，D峰（1350 cm 1）、G峰（1600 cm 1）比值明显增大，表明石墨已被氧化，与红外光谱表征结果相吻合。

3.2 GO接枝硅胶整体柱制备条件优化

GO接枝硅胶整体柱制备过程如图3所示。首先采用溶胶-凝胶法，通过优化TMOS、PEG、Urea和HAc配比，控制反应条件，制备硅胶整体柱; 然后以APTMS为氨基供体试剂，与硅胶整体柱羟基通过脱水缩合反应引入氨基，利用GO表面的羧基与整体柱表面氨基间的酰胺化反应将GO接枝到硅胶整体柱。

GO接枝程度影响整体柱萃取性能。考察了反应时间、温度和GO浓度等对GO接枝反应的影响。选取0.1 μg/mL Pyr、0.1 μg/mL BaP、0.1 μg/mL DahA为分析对象，以萃取后样品色谱峰面积为依据对整体柱萃取性能进行评价。

延长反应时间有利于提高GO接枝率。分别选取了反应时间为1、3、6和10 h制备的整体柱，考察其对Pyr、BaP、DahA的萃取富集情况，结果见图4。随着反应时间延长，GO接枝率增加，整体柱对PAHs萃取峰面积逐步增加，萃取性能提升。当反应时间达到6 h时，萃取PAHs的峰面积最大，继续延长时间，无明显变化。因此，选择GO接枝反应时间为6 h。

提高GO浓度有助于增加硅胶整体柱表面GO的接枝量。分别选取GO浓度为0.01、0.02 和0.03 mg/mL制备GO接枝硅胶整体柱，对典型PAHs萃取性能见图5。结果表明，与未接枝（GO， 0 mg/mL）的空白硅胶整体柱相比，接枝GO的整体柱萃取性能具有显著提升; 当GO浓度为0.02 mg/mL时，整体柱对Pyr、BaP、DahA萃取性能最佳。GO接枝的硅胶整体柱对典型PAHs有较强的萃取富集能力。

考察了不同反应温度（40℃、50℃、60℃、70℃）下制备的GO接枝硅胶整体柱的萃取性能。结果表明，温度对接枝反应没有明显影响。考虑到实际操作，选择反应温度为40℃。

3.3 GO接枝硅胶整体柱表征

截取适当长度的整体柱，通过扫描电镜（SEM）对其形貌进行考察。如GO接枝硅胶整体柱横截面与局部SEM图（图6A和6B）所示，柱体与管壁结合紧密，截面孔径均匀，结构清晰，通透性良好; 由GO 接枝硅胶整体柱前后的SEM图（图6C和6D）可见，接枝后整体柱材料表面出现大量褶皱，说明GO已成功接枝于硅胶整体柱。

用干净的铜丝将整体柱材料从毛细管中取出，进行元素分析和拉曼光谱分析。结果表明，GO接枝后，整体柱总C含量从11.9%上升到13.2%，总N含量从3.3%下降到3.1%，总H含量从3.3%上升到3.8%，表明GO已接枝于硅胶整体柱。

拉曼光谱分析结果（图2c和2d）表明，GO接枝后，在1350和1600 cm1出现了两个明显的吸收峰，分别为GO的特征峰D峰和G峰，进一步表明GO已成功接枝于硅胶整体柱。

3.4 萃取性能评价

以GO接枝硅胶整体柱对典型PAHs的富集倍数为指标评价其萃取性能。富集倍数[18]是指萃取后溶液中分析物的质量浓度与萃取前溶液中质量浓度的比值。以GO接枝硅胶整体柱为SPME介质，分别对1 mL Pyr、BaP、DahA （0.01 μg/mL）标准溶液进行萃取分析，每个样品平行测定3次。实验结果表明，整体柱对Pyr、BaP、DahA的富集倍数分别达到78.5、98.2、102.4（n=3）。随着分子量（Pyr、BaP、DahA分别为202、252、278）增加，GO与PAHs间疏水作用增强，同时在Pyr、BaP、DahA结构中含有4～5个芳环，GO与PAHs间存在较强的π-π堆积作用，使得GO接枝硅胶整体柱对典型PAHs表现出较优异的萃取性能。

3.5 定量分析方法的考察

以GO接枝硅胶整体柱为SPME介质，结合HPLC-UV，建立了PAHs的定量分析方法。对0.1～150 μg/L浓度范围内的PAHs系列标准溶液进行分析。浓度为横坐标，萃取后样品色谱峰面积为纵坐标进行线性回归分析，9种PAHs的回归方程、线性范围、检出限（LOD，S/N=3）和定量限（LOQ，S/N=10）见表1。相关系数R2≥0.9947，检出限在0.02～0.11 μg/L之间，定量限在0.07～0.36 μg/L之间。图7为9种PAHs混合标样直接进样（a）与萃取后进样（b）色谱图。

表2列举了近年以固相萃取技术为基础建立的PAHs检测方法。与已报道的HPLC-UV检测PAHs方法相比，本方法对典型PAHs的富集能力较强，检出限更低，与HPLC-FLD等方法检出限相近。

3.6 实际样品分析

3.6.1 加标回收实验 利用建立的前处理和检测方法进行加标回收实验，结果见表3。本方法对PAHs的加标回收率为81.5%～107.8%，RSDs为1.0%～6.5%（n=3）。本方法回收率较高、精密度良好，符合实际样品检测要求。

3.6.2 实际样品分析 采用本方法分别测定了香烟烟气、焦化厂废水、大气颗粒物等20个样品中9种PAHs的含量（表4）。两种香烟烟气中PAHs检出总量分别为0.040 和0.044 μg/cig。焦化厂进水口、出水口水样中均未检出PAHs，煤焦池水样中PAHs检出总量分别为2.7和4.2 μg/L，说明在生产过程中虽有大量PAHs生成，外排前已得到有效处理。本地秋季、冬季大气颗粒物中PAHs平均检出总量分别为0.024和0.039 μg/m3，冬季大气颗粒物中PAHs含量相对较高，显然与冬季采暖燃料消耗量增大有关[34]。

4 结 论

将GO通过酰胺化反应接枝到自制的氨基化硅胶柱，制得GO接枝硅胶整体柱，作为SPME介质，考察了其对典型PAHs的萃取富集性能。整體柱对Pyr、BaP、DahA的富集倍数分别达到了78.5、98.2和102.4，萃取富集能力较强。结合HPLC-UV建立了PAHs的定量分析方法，9种PAHs检出限在0.02～0.11 μg/L（S/N=3）之间，定量限在0.07～0.36 μg/L（S/N=10）之间，相关系数不低于0.9947。本方法准确、灵敏、简便、可靠，可用于实际样品中痕量PAHs的检测。

References

1 Han Y H， Ren L M， Xu K， Yang F， Li Y F， Cheng T T， Kang X M， Xu C M， Shi Q.  J. Chromatogr. A， 2015， 1395： 1-6

2 Wang H， Zhao X L， Meng W， Wang P F， Wu F C， Tang Z， Han X J， Giesy J P.  Anal. Chem.，  2015， 87 （15）： 7667-7675

3 Zhang Y， Zhou H， Zhang Z H， Wu X L， Chen W G， Zhu Y， Fang C F， Zhao Y G. J. Chromatogr. A，  2017， 1489： 29-38

4 YUAN Xiao-Xue， JIANG Yang， YANG Chang-Xiao， XIE Bi-Jun， YONG Li， HU Bin， LIU Tao. Chinese J. Anal. Chem.，  2017， 45 （11）： 1641-1647

袁小雪， 江 阳， 杨长晓， 谢碧俊， 雍 莉， 胡 彬， 刘 滔. 分析化学，  2017， 45 （11）： 1641-1647

5 Maiga D T， Msagati T A M， Kilulya K F， Mamba B B. Phys. Chem. Earth， Parts A/B/C，  2014， 72-75： 83-87

6 Perez R A， Albero B， Tadeo J L， Fraile M V， Sanchez-Brunete C. Anal. Methods，  2014， 6： 1941-1950

7 Pang J L， Yuan D X， Huang X J. J. Chromatogr. A，  2018， 1571： 29-37

8 Zhang S L， Yao W X， Ying J B， Zhao H T. J. Chromatogr. A，  2016， 1452： 18-26

9  FENG Li， ZHANG Sheng-Jun， ZHU Guo-Hua， LI Mu-Fei， LIU Jin-Song. Chinese Journal of Chromatography， 2017， 35（4）： 466-471

冯 利， 张胜军， 朱国华， 李沐霏， 刘劲松. 色谱， 2017， 35（4）： 466-471

10 XIAO Rong-Hui， MA Ji-Ping， LU Wen-Hui， SHI Ben-Zhang， LV Li-Li， LI Mo. Journal of Instrumental Analysis， 2009， 28（9）： 1022-1026

肖荣辉， 马继平， 鹿文慧， 史本章， 吕丽莉， 李 茉. 分析测试学报， 2009， 28（9）： 1022-1026

11 Gutiérrez-Valencia T M， García de Llasera M P. Food Chem.，  2017， 223： 82-88

12 Hui B Y， Zain N N M， Mohamad S， Osman H， Raoov M. Food Chem.， 2019， 278： 322-332

13 Drabova L， Pulkrabova J， Kalachova K， Tomaniova M， Kocourek V， Hajslova J. Talanta，  2012， 100： 207-216

14 Zheng M M， Ruan G D， Feng Y Q. J. Chromatogr. A， 2009， 1216： 7739-7746

15 Zhou X J， Zhang L S， Song W F， Huang Y P， Liu Z S. Microchim. Acta，  2018， 185： 444-453

16 Zheng M M， Lin B， Feng Y Q. J. Chromatogr.  A，  2007， 1164： 48-65

17 YANG Ran-Cun， ZHANG Shao-Wen， SUN Yu-An. Chinese Journal of Chromatography，  2015， 33（5）： 455-460

杨然存， 张少文， 孙雨安. 色谱，  2015， 33（5） ： 455-460

18 WANG Qian-Jin， YANG Rui-Xian， PENG Chuan-Yun， ZHANG Shao-Wen， SUN Yu-An. Chinese J. Anal. Lab.，  2017， 36（9）： 993-998

王前進， 杨瑞先， 彭传云， 张少文， 孙雨安. 分析实验室，  2017， 36（9） ： 993-998

19 Al-Rifai A， Aqel A， Wahibi L A， Alothman Z A， Badjah-Hadj-Ahmed A Y. J. Chromatogr. A，  2018， 1535： 17-26

20 Huang K J， Li J， Liu Y M， Wang L. J. Sep. Sci.，  2013， 36（4）： 789-795

21 Fresco-Cala B， Cárdenas S， Valcárcel M. J. Chromatogr. A，  2016， 1468： 55-63

22 Zhang S L， Du Z， Li G K. Anal. Chem.， 2011， 83（19）： 7531-7541

23 Xu L L， Feng J J， Li J B， Liu X， Jiang S X. J. Sep. Sci.，  2012， 35（1）： 93-100

24 Dreyer D R， Park S， Bielawski C W， Ruoff R S. Chem. Soc. Rev.，  2010， 39（1）： 228-240

25 Xiao R， Zhang X T， Zhang X N， Niu J H， Lu M H， Liu X H， Cai Z W. Talanta，  2017， 166： 262-267

26 Cheng C L， Wang D Y. Angew. Chem. Int. Ed.，  2016， 55： 6853-6857

27 LI Qiang， LI Yuan-Yuan， ZHU Nan， GAO Zhu-Xian， LI Tian-Jun， ZHOU Tong， MA Yu-Long. Chinese J. Anal. Chem.，  2018， 46（9）： 1455-1463

李 强， 李媛媛， 朱 楠， 高柱仙， 李添君， 周 彤， 马玉龙. 分析化学，  2018， 46（9） ： 1455-1463

28 Han Q， Wang Z H， Xia J F， Chen S， Zhang X Q， Ding M Y. Talanta，  2012， 101： 388-395

29 Marcano D C， Kosynkin D V， Berlin J M， Sinitskii A， Sun Z Z， Slesarev A， Alemany L B， Lu W， Tour J M. ACS Nano，  2010， 4（8）： 4806-4814

30 Hong T T， Chen X P， Xu Y J， Cui X Q. J. Chromatogr. A，  2016， 1456： 249-256

31 Ou J F， Wang J Q， Liu S， Mu B， Ren J F， Wang H G， Yang S R.  Langmuir，  2010， 26（20）： 15830-15836

32 Qu Q S， Shen Y Q， Gu C H， Gu Z L， Gu Q， Wang C Y， Hu X Y. Anal. Chim. Acta，  2012， 757： 83-87

33 HJ 647-2013， Ambient Air and Stationary Source Emissions-Determination of Gas and Particle-Phase Polycyclic Aromatic Hydrocarbons-High Performance Liquid Chromatography. National Environmental Protection Standards of the People's Republic of China

環境空气和废气-气相和颗粒物中-多环芳烃的测定-高效液相色谱法. 中华人民共和国国家环境保护标准.  HJ 647-2013

34 Wang J， Li X， Jiang N， Zhang W K， Zhang R Q， Tang X Y. Atmos. Environ.，  2015， 104： 228-236