原位自组装石墨烯固相微萃取探头的制备及其在水体苯系物分析中的应用

李 悦，刘全亨，龙安应

(贵州省地矿局一一三地质大队，贵州 六盘水 553000)

苯是众所周知的致癌物，苯系物也对人体和水生生物有不同程度的毒性，可对人体的血液、神经、生殖系统产生较强的危害。苯系物是化工厂的常见溶剂和原料，有机化工、制药厂、炼焦化工等行业所排放的废水中含有较多的苯系物，这些苯系物将直接污染生活用水，影响居民的身体健康[1-2]。因此，对水中的苯系物进行检测是非常有必要的。

目前，水体中苯系物的检测多采用合适的样品前处理技术结合气相色谱或气相色谱-质谱联用仪进行[3-4]，其中，样品前处理是分析的关键[5-6]。固相微萃取技术(SPME)是由加拿大滑铁卢大学的Janusz Pawliszyn教授提出的一种新型样品前处理技术[7]，该技术集萃取、浓缩、解吸、进样于一体，具有灵敏度高、操作简便、环境友好等优点，已经在环境分析、食品分析、医药分析、生物分析等领域得到了广泛应用[8-12]。SPME对目标分析物的萃取性能主要取决于涂层材料。但现有的PDMS、PA、PDMS/DVB、PDMS/CAR、PEG等商品化的SPME探头涂层，仍然无法满足复杂多样分析物的测定需求，尤其在对特定化合物的高效萃取方面。

在众多材料中，石墨烯由于具有比表面积大、平面结构易于调控、易与芳香化合物形成π-π键等优异性质，已在电子、能源、生物医药、环境等领域显示出了巨大应用前景。研究者在石墨烯SPME涂层制备方面也进行了一系列研究[13-15]。Luo 等[16]采用水热法制备了无基质石墨烯SPME探头，通过对水中有机氯农药的分析，评价了其萃取性能，结果表明，相对于商用PDMS探头，所制备的石墨烯探头具有更好的萃取效果和更长的使用寿命。

本文利用石墨烯的自组装特性，在光纤表面原位生长石墨烯涂层，制备出基于石墨烯的SPME探头，并结合GC-MS对水体中的甲苯、乙苯、邻二甲苯进行了测定。

1 实验部分

1.1 试剂、材料与仪器

NaCl(分析纯，天津市科密欧化学试剂开发中心)，甲醇(色谱纯，天津市德恩化学试剂有限公司)；甲苯、乙苯和邻二甲苯标准溶液购于西格玛奥德里奇上海贸易有限公司；石墨、NaNO3、KMnO4购于国药集团化学试剂有限公司；氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)购于阿拉丁试剂公司。

Agilent 6890-5973N气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)(美国安捷伦公司)，配置HP-5MS色谱柱(长30 m，外径0.25 mm，膜厚0.25 μm)。SU8010场发射电子扫描显微镜(SEM，日本Hitachi公司)。

1.2 气相色谱-质谱条件

进样口温度250 ℃，载气He，流速1 mL/min；不分流进样；柱温箱初始温度35 ℃，以5 ℃/min升至75 ℃；传输线温度280 ℃，电子轰击源(EI)，离子源温度230 ℃，四极杆温度150 ℃，扫描模式分别为全扫描和选择离子监测模式。

1.3 石墨烯SPME探头的制备

1.3.1 氧化石墨烯的制备采用改进的Hummers方法制备氧化石墨烯(GO)：称取10 g石墨和8.0 g NaNO3于烧杯中，缓慢加入300 mL浓硫酸，搅拌1 h。再称取40 g KMnO4缓慢加入混合液中，维持机械搅拌5 d后，溶液变为黄褐色，向烧杯中缓慢加入1 000 mL去离子水。待搅拌均匀后，缓慢加入60 mL 30% H2O2，此时烧杯中有大量气泡产生，混合液变为亮黄色。待不再有气泡产生后，离心。将收集到的黄褐色GO置于去离子水中透析7 d。

1.3.2 还原氧化石墨烯 SPME探头的制备截取4～5 cm的石英光纤，将其下端浸入丙酮溶液中浸泡30 min，去除光纤外层保护膜，并用去离子水清洗干净。将处理好的石英光纤浸入到APTES溶液中，室温下保持6 h后，置于烘箱中于70 ℃条件下完成硅烷化反应。随后将硅烷化后的石英光纤插入到盛有GO分散液的1.5 mL离心管中，70 ℃加热2 h。最后，取出石英光纤在室温下干燥，制备出原位生长的还原氧化石墨烯(rGO) SPME探头。萃取之前，将探头插入气相色谱进样口中，于250 ℃氮气氛围中老化20 min。

1.4 SPME/GC-MS萃取分析

向盛有10 mL去离子水的20 mL顶空瓶中分别加入一定浓度的苯系物标准溶液，制备成加标水溶液。采用制备的还原氧化石墨烯SPME探头进行萃取，并进行GC-MS分析。考察萃取温度、萃取时间和盐度对萃取分析的影响。

采集当地某化工厂附近河流水样(1#、2#、3#)，过滤后置于冰箱4 ℃保存。采用所建立的方法进行萃取分析。

2 结果与讨论

2.1 SPME探头表征

采用SEM对所制备的SPME探头进行表征，如图1所示。由图1A可见，rGO在石英光纤表面形成了均匀的涂层；局部放大后的图像(图1B)显示rGO层层自组装形成三维材料，并呈现褶皱状，有效增大了吸附接触面积。

图1 制备探头的SEM图像Fig.1 SEM images of prepared probeA.whole image,B.local enlarged image

图2 萃取模式的影响Fig.2 Effect of extraction model

图3 萃取温度的影响Fig.3 Effect of extraction temperature

2.2 萃取条件的优化

2.2.1 萃取模式的影响对比了浸入式萃取(DI-SPME)模式和顶空萃取(HS-SPME)模式下固相微萃取的萃取效率，如图2所示。从图中可以看出，在顶空萃取模式下，SPME对水中苯系物的萃取效率显著高于浸入式萃取模式。这是由于苯系物属于易挥发物质，在加热条件下，水中的大部分苯系物会释放到样品瓶的顶空部分，使得顶空部分苯系物的含量高于水体中的量。再者，浸入式萃取模式是将萃取探头直接与水样接触来萃取样品中的物质，这使在水样和涂层之间容易形成一层水膜，这层水膜会阻碍水样中的有机物向涂层扩散，导致水样萃取时间较长；而顶空取样是将萃取纤维头置于密闭样品液上方空间，适用于易挥发或半挥发类有机物的萃取，同时，由于萃取探头不与样品直接接触，不会形成阻碍萃取的水膜，从而缩短了样品的萃取时间，也可保护萃取探头，延长其使用寿命。因此本文选用顶空萃取模式。

2.2.2 萃取温度的影响温度可以改变分析物从基体扩散到涂层表面的速率，适当提高温度可以增加萃取效率；而过高的温度则会降低待测物质在SPME涂层上的分配系数，进而降低其萃取效率。选择合适的萃取温度既可缩短萃取时间又可达到最佳的萃取结果。本文考察了萃取温度(30～60 ℃)对探头涂层萃取效率的影响，结果如图3所示。由图3可知，萃取效率随着温度的增加呈现出先升高后降低的趋势，当萃取温度为 40 ℃时，萃取效率达到最高。因此本研究选择最佳萃取温度40 ℃进行后续实验。

2.2.3 萃取时间的影响在SPME萃取过程中，待测物质在基质、顶空、涂层中的分配需要一定的萃取时间才可达到平衡，只有当萃取达到平衡后方能获得最佳的分析结果。因此，本文考察了萃取时间(2、3、5、10 min)对萃取效率的影响。结果显示，随着萃取时间的增加，峰面积先升高后降低。这是因为，萃取过程是一个平衡过程，萃取时间过长，平衡遭到破坏，反而易使目标物从萃取探头上脱落，影响萃取效率。因此本实验选取3 min 为最佳萃取时间。

2.2.4 盐度对萃取效率的影响在水溶液中加入无机盐能增大溶液中的离子强度并降低有机物在基质中的溶解度，有利于分析物向顶空部分的迁移，增大分析物在顶空部分的分配系数，进而提高涂层的萃取效率。本研究采用NaCl溶液增大萃取体系的离子强度，分别考察了NaCl含量在0%～30%范围内时对探头涂层萃取效率的影响。结果发现3种苯系物的萃取效率随着NaCl浓度的增加而升高。因此本研究选择30%的NaCl作为最佳盐度条件。

2.3 方法性能评价

在最佳萃取条件下，分别配制质量浓度为0.2、1.0、5.0、10、20、50、100、200 μg/L的一系列甲苯、乙苯和邻二甲苯标准水溶液，以峰面积对目标物质量浓度作图，绘制标准曲线。结果显示，上述3种苯系物在0.2～200 μg/L范围内线性良好，相关系数(r2)依次为0.998 7、0.999 3、0.999 6。根据3倍信噪比(S/N=3)[17]计算本方法的检出限(LOD)，甲苯、乙苯和邻二甲苯的LOD分别为0.004 2、0.001 4、0.001 2 μg/L。连续萃取5次标准水溶液，其测定结果的相对标准偏差(RSD)分别为4.5%、3.9%和4.1%，说明方法的精密度良好。

2.4 实际样品测定

分别采集当地某化工厂附近河流水样(1#、2#、3#)，采用本文建立的方法进行测定，并进行加标回收实验，结果见表1。分析发现，所采集的样品均不同程度地检出甲苯、乙苯和邻二甲苯3种苯系物，样品的加标回收率为90.3%～111%。

表1 实际样品分析结果与加标回收率Table 1 Analytical results for real samples and spiked recoveries

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3 结 论

本文基于石墨烯的自组装性能，原位制备了基于石墨烯材料的SPME探头，并结合GC-MS建立了环境水样中苯系物的分析方法。该方法无需进行其它处理，仅需3 min便可完成水样中甲苯、乙苯和邻二甲苯3种苯系物的高效萃取。方法具有处理简单、耗时短、灵敏度高、重现性好、无二次污染等优点，适用于环境水样中苯系物的分析检测。