双孔COF材料用于固相萃取水体中16种多环芳烃

2022-05-25鲁秋玉李明堂何沛桥张丹阳姜红新刘潇威

农业资源与环境学报 2022年3期

鲁秋玉，李明堂，何沛桥，张丹阳，姜红新*，刘潇威*

（1.吉林农业大学资源与环境学院，长春 130012；2.农业农村部农产品质量安全环境因子控制重点实验室/农业农村部环境保护科研监测所，天津 300191）

多环芳烃是一类分布广泛的环境和食品污染物，具有致癌、致畸、致突变性等特点，对人类健康构成极大威胁[1-2]。由于多环芳烃具有很好的生物化学稳定性，因此在自然界中很难降解，极易在生物体内积累[3]。研究表明，即使接触痕量的多环芳径，也会增加癌症的患病率[4]。当前，几乎所有国家都已经对水体及食品中的多环芳烃制定了严格的限量标准[5-8]。目前，多环芳烃常用检测方法是气相色谱法、液相色谱和质谱联用法[9-11]等。但实际水体样品基质复杂，且多环芳烃水溶性较低，在水体中通常痕量存在，直接进样检测的方法无法实现准确定量分析。为了实现灵敏准确检测，有必要在仪器分析前采用一些前处理技术对样品进行分离富集。

迄今，已有多种前处理方法被用于多环芳烃的吸附富集[12-14]，当前最为常用的萃取方法包括液液萃取和固相萃取两种方式。其中液液萃取是利用样品中不同组分溶解度或分配比的不同来达到分离、提取或纯化的目的。虽然该方法无需特殊装置，但是操作繁琐、费时，需要耗费大量的有机溶剂，不仅成本高，而且会对环境造成污染，更为重要的是难以从水中提取高水溶性的目标物[14]。固相萃取（Solid phase extrac⁃tion，SPE）是20 世纪80 年代中期发展起来的一项样品前处理技术。SPE 是基于液-固相色谱理论，采用选择性吸附、选择性洗脱的方式对样品进行富集、分离、净化的方法。SPE 具有多重优势：①可同时完成样品富集与净化，大大提高检测灵敏度；②比液液萃取速度更快，更节省溶剂；③可批量处理，吸附剂可以多次重复使用[15]。吸附剂是SPE 的核心，优良的吸附材料不仅可以有效提高萃取能力，还可增加其重复使用率。共价有机骨架（Covalent organic frameworks，COFs）材料是一种新兴的晶体多孔有机聚合物[16]。由于具有高度的稳定性、大的比表面积以及易于功能化等优点，COFs 材料在吸附分离方面显示了良好的应用前景[17]。目前，在样品前处理过程中，已有多种COFs 材料用于对多环芳烃进行吸附富集[18-20]。但传统的COFs材料通常只有单一尺寸的孔径。然而实际样品中可能同时存在多种尺寸的多环芳烃（从含有2个苯环的萘到含有5 个苯环的苯并（a）芘）。因此为了提高其对多种不同尺寸目标物的吸附性能，两种或两种以上孔径的COFs可能更为理想。近年来出现了不同孔径的COFs，即异孔COFs，它的出现大大拓宽了COFs 的应用范围[21]，但异孔COFs 作为吸附剂用于多种多环芳烃吸附富集的研究仍鲜有报道。

本研究制备了一种同时具有两种尺寸（微孔和介孔）孔径的异孔COFs（图1），研究了其作为SPE 吸附剂对多环芳烃的吸附性能，并结合气相色谱-质谱联用法（GC-MS）建立了16 种多环芳烃定量分析的方法。本方法操作简单、高效灵敏、线性范围较宽，适用于多种实际水体样品中痕量多环芳烃的准确测定。

1 材料与方法

1.1 仪器、试剂及材料

气相色谱-质谱联用仪（GC-MS，安捷伦7000）由Agilent 7693A 自动液体进样器、Agilent 7820A气相色谱仪和Agilent 7000C质谱仪组成；气相色谱柱固定相（5%苯基）-甲基聚硅氧烷，30 m×250 µm×0.25 µm（安捷伦）；扫描电镜SEM（日本岛津SS-550）；傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR，德国Bruker TENSOR Ⅱ）；X射线粉末衍射仪（PXRD，日本Rigaku Smart Lab 9 kW）；0.22 µm 滤膜（美国PALL）；4-4′联苯二甲醛（BPDA，上海毕得医药）和四-（四-氨基苯乙烯）（ET⁃TA，上海毕得医药）；1-4 二氧六环，N-N 二甲基乙酰胺（DMF）和乙酸（天津康科德）；丙酮、正己烷、环己烷、甲基叔丁基醚为色谱纯，购自德国默克公司；实验用水为实验室一级水；16 种多环芳烃标准液（美国Accustandard）。

1.2 实验方法

1.2.1 异孔COFs材料的合成制备

根据文献[22]，将180 mg ETTA 和192.6 mg BPDA溶解在9 mL 1-4 二氧六环中，完全溶解后，在超声条件下向其中缓慢滴加0.3 mL 6 mol·L-1的醋酸，所得的混合液在常温条件下放置72 h后，用DMF和1，4二氧六环交替洗涤，充分去除未反应的原料和杂质，洗净的异孔COFs 在60 ℃下真空干燥10 h，最终获得橙黄色异孔COFs粉末（图1）。

图1 异孔COFs的合成示意图Figure 1 Schematic diagram for synthesis of heteropore COFs

1.2.2 实验样品制备

通过向实验用水中定量添加多环芳烃混合标准溶液制备实验样品。

1.2.3 样品前处理

实验样品混合均匀后，过0.22 µm 滤膜，直接上机测定。

1.2.4 吸附富集过程

吸附富集实验具体步骤如下：将3 mg COFs 材料加入40 mL多环芳烃加标实验样品中，超声30 min 使COFs 充分接触多环芳烃。然后以10 000 r·min-1的转速离心3 min，将COFs材料从样品中分离并去除上清液。向分离后的COFs 材料中加入1 mL 丙酮并超声30 min，收集洗脱液加入无水硫酸镁去除其中的水分，过0.22µm滤膜后上机测定。

1.3 仪器条件

1.3.1 气相条件

载气为氦气，速度36.623 cm·s-1，恒流模式；不分流模式进样（1 µL），传输线温度280 ℃。梯度程序：初始60 ℃（保持1 min），以40 ℃·min-1升温至170 ℃，然后以10 ℃·min-1升到310 ℃（保持3 min）。

1.3.2 质谱条件

离子源：电子轰击离子源（EI），离子源温度280 ℃；检测方式：多反应监测（MRM）。16 种多环芳烃多重反应监测的质谱条件见附表1（附表、附图可扫描首页OSID码查看，下同）。

1.4 数据处理方法及作图软件

扫描电子显微镜图未经任何处理；傅里叶红外光谱图利用Origin 软件绘制；X 射线晶体衍射图依据MS Jade（Materials Studio Jade）进行数据处理，利用Origin 软件作图；N2吸附-解吸等温线图依据非定域密度泛函理论（Nonlocal density functional theory，NLDFT）进行数据处理，利用Origin 软件绘图。另外SPE条件优化图均利用Origin软件绘制。

2 结果与讨论

2.1 异孔COFs材料的表征

如图2A 所示，制备的异孔COFs具有二维平面结构，呈现不规则的形态。同时利用FT-IR 和PXRD 对其化学组成进行了分析。如图2B所示，单体ETTA和BPDA 的特征峰在COFs 材料的谱图上都有体现，如两个单体在1 499、1 594 cm-1处的芳香环上的伸缩振动峰，814 cm-1处为典型的苯环对应峰，以及ETTA 单体在3 420 cm-1处伸缩振动峰，说明COFs 材料成功合成。图2C 是COFs 的X-射线衍射图谱，图谱中2θ为2.19°处的衍射峰对应（100）晶面，同文献中报道的双孔COFs 完全一致[22-23]，表明此COFs具有AA堆叠模型的双孔结构。图2D氮吸附解吸测定结果是Ⅰ型和Ⅳ型氮气吸附等温线型的组合，直观地证明本研究制备的异孔COFs 同时包含微孔和介孔两种尺寸孔径。

图2 异孔COFs的表征Figure 2 Characterization of heteropore COFs

2.2 SPE条件优化

采用单一变量法，对SPE 的COFs吸附剂用量、萃取时间、洗脱剂种类、洗脱剂体积和洗脱时间等萃取条件进行优化，优化结果见图3。实验所用的混合样品中16种多环芳烃浓度均为5µg·L-1。

2.2.1 吸附剂用量

考察了不同用量（1、2、3、4、5 mg）的COFs吸附剂对萃取效率的影响，萃取时间设为60 min。如图3A所示，随着吸附剂用量从1 mg 增加到3 mg，16 种PAHs 的萃取效率显著提高，之后即使吸附剂用量再增加，萃取效率仍基本保持在稳定的水平，因此后续实验中吸附剂用量选择3 mg。

2.2.2 萃取时间

考察萃取时间（1、5、10、15、20、25 min）对萃取效率的影响，COFs用量3 mg，结果如图3B所示，结合16种PAHs 在不同萃取时间下的萃取效率，在保证较高萃取效率下尽量缩短萃取时间，选择15 min为最优萃取时间。

2.2.3 洗脱剂种类

在COFs 用量3 mg、萃取时间15 min、洗脱时间60 min 的条件下，研究甲基叔丁基醚、正己烷、环己烷、丙酮4 种洗脱剂对洗脱效率的影响，从图3C 中可以观察到，丙酮对多环芳烃目标物具有最佳的洗脱效果，因此后续实验中选择丙酮作为洗脱剂。

2.2.4 洗脱剂体积

在COFs用量3 mg、萃取时间15 min、洗脱剂为丙酮、洗脱时间为60 min 的条件下，参考文献[18-20]，考察洗脱剂体积（0.2、0.4、0.8、1.0、1.2 mL）对洗脱效果的影响。如图3D 所示，综合考虑16 种PAHs 在不同体积洗脱剂下的洗脱效率，在保证较高洗脱效率下尽量减少洗脱体积、提高富集倍数，选择1 mL 作为最佳的洗脱剂体积。

2.2.5 洗脱时间

在COFs用量3 mg、萃取时间15 min、洗脱剂为丙酮、洗脱剂体积为1 mL 条件下考察洗脱时间对洗脱效率的影响。如图3E 所示，洗脱效率在前10 min 迅速增加，之后的时间内增加缓慢，15 min 后洗脱达到平衡，基本不再变化，因此在后续实验中洗脱时间选择15 min。

图3 固相萃取条件优化Figure 3 Optimization of solid-phase extraction conditions

2.3 方法验证

在优化的最佳条件下，配制一系列浓度的16 种多环芳烃的混合标准溶液，以峰面积对多环芳烃质量浓度作图，分析以COFs 作为吸附剂的SPE 前处理方法结合GC-MS 测定16种多环芳烃的性能。如表1所示，本方法在0.25～50µg·L-1浓度范围内具有良好的线性关系（R2>0.99）。取3 倍和10 倍信噪比所对应的多环芳烃浓度作为方法的检出限（LOD）和定量限（LOQ），16 种化合物的LOD 和LOQ 分别在0.04～0.08µg·L-1和0.10～0.20µg·L-1范围内。

表1 16种多环芳烃化合物线性范围、决定系数、检出限和定量限Table 1 Linear range，determination coefficient（R2），LOD and LOQ of 16 PAHs

2.4 实际样品分析

将建立的方法用于分析天津2 个不同地区的地表水样品，均未检出16 种多环芳烃化合物，说明目前该地区尚未受到此类化合物的污染。如表2 所示，其在0.5、2.0 µg·L-1加标水平下的回收率为82.3%～110.1%。同时得出了标准溶液（多环芳烃浓度为100µg·L-1）和实际水样中添加2.5 µg·L-1多环芳烃并经COFs吸附富集后样品（多环芳烃上机浓度为100µg·L-1）的MRM 图（附图1）。相比于标准溶液的MRM图，样品的MRM图中没有增加任何杂质峰，同时峰高和面积也没有明显变化，说明测试过程基本未受干扰，也进一步证明了该方法用于实际水样中多环芳烃测定的可行性。

2.5 基质效应

基质效应是影响分析结果的准确性和精密度的主要因素之一，本研究通过以下方法评价了使用COFs 作为固相萃取剂富集16 种多环芳烃的基质效应。分别用溶剂标液和基质标液配制了两套标准曲线（曲线范围10～500 µg·L-1），对这两套标准曲线的斜率进行了计算，并在此基础上计算了基质效应（附表2）。基质效应均为正值，多数在+20%以内，虽然有些基质效应稍微超过了+20%，但对测试结果影响不大，同时结合加标回收实验的回收率可充分说明基质效应不会对测试结果产生干扰。

表2 实际水体样品中16种多环芳烃的测定（平均值±标准偏差，n=10）Table 2 Detection results of 16 PAHs in real surface water samples（Mean±SD，n=10）

2.6 方法比较

为了更为直观地分析此方法的性能，将本方法与其他材料对多环芳烃的吸附性能进行了对比，结果如附表3 所示。与其他材料作为吸附剂的方法相比，本研究所提出的方法具有吸附PAHs 种类齐全、富集倍数较高、线性范围较宽等特点。同时与其他方法相比，本方法可提供更低的检出限。综上所述，本方法对于水体中痕量多环芳烃的吸附富集是可行的且具有优异性能。