微孔有机聚合物固相微萃取纤维的制备及在有机氯农药检测中的应用 

固相微萃取(solid phase microextraction, SPME) 技术是一种集采样、萃取、浓缩和进样于一体的样品前处理与富集技术^[1], 已被广泛应用于环境、食品、生物等领域。相对于固相萃取, SPME具有简单、快速、灵敏度高、选择性好、环境友好且便于直接与检测器联用、可实现在线检测等优点^[2]。SPME涂层的选择决定了检测的灵敏度以及使用寿命, 已报道的商品化涂层包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚二甲基硅氧烷/二乙烯基苯(PDMS/DVB)、聚丙烯酸酯(PA) 等^[3]。但是, 商品化涂层由于价格昂贵、选择性差、容易磨损等缺点, 使用范围比较有限。因此, 研究价格便宜、使用寿命长、选择性好的涂层仍然是研究热点^[4]。

已有多种材料被用于制备SPME涂层, 如石墨烯^[5]、碳纳米管^[6]、聚离子液体^[7]等。多孔材料由于特殊的孔结构、大的比表面积等优点得到了广泛关注。金属有机骨架材料(MOF) 是一种孔道可修饰的多孔材料, 由金属或金属簇与有机配体构成。Gao等^[8]利用UiO-66作为SPME涂层, 用于富集水及土壤中的多环芳烃, 结果表明该涂层对多环芳烃具有较强的萃取能力。由于MOF在高的温度和湿度等环境下不能稳定存在, 发展稳定性高、萃取性强的多孔材料引起了新的研究热潮, 如多孔芳香骨架材料(PAF)、共价有机骨架材料(COF)、微孔有机聚合物(MOP) 等^[9]。我们课题组分别以PAF/离子液体(PAF/IL) 和COF材料制备了SPME涂层, 并成功用于果汁、牛奶和黄瓜中农药的富集与检测^[10, 11]。

MOP是由轻元素(C、H、O、N等) 通过共价键连接组成的多孔材料, 具有密度低、耐高温、耐酸碱等特点^[12]。这些优点使其在催化剂、电池、传感器等领域得到了广泛的应用。MOP的孔大小、孔结构和功能由其反应单体和合成方法决定。三聚氰胺由于含有活泼氨基的刚性三嗪环结构, 且价格便宜、含量丰富, 已被广泛用作合成MOP的反应单体^[13]。但是, 到目前为止, 尚未见三聚氰胺MOP用于SPME领域的报道。

有机氯农药(OCPs) 是一种持久性有机污染物, 化学性质稳定、疏水性强、不易降解。OCPs可以通过食物链进入人体而导致各种疾病, 包括癌症、遗传变异、免疫系统疾病等。复杂的样品基质往往阻碍OCPs的检测, 因此, 发展快速有效的样品预处理方法仍然是一项挑战。本实验以1, 3, 6, 8-四(4-醛基) 芘(TFPPY) 和三聚氰胺为单体合成MOP, 建立了SPME与气相色谱-电子捕获检测器(GC-ECD) 联用检测OCPs的方法, 该方法有效消除了基质效应, 提高了方法的灵敏度。

1 实验部分

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1.1 仪器、试剂与材料

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傅里叶红外光谱仪(FT-IR, Perkin-Elmer公司, 美国); Agilent 6890气相色谱仪(Agilent公司, 美国, 配备电子捕获检测器); JEM-2100透射电子显微镜(TEM，JEOL公司, 日本)。

α -六六六(HCH)(100 mg/L)、六氯苯(HCB)(30 mg/L)、p, p′-滴滴涕(DDT)(50 mg/L)、β -硫丹(100 mg/L)、四(三苯基膦) 钯、1, 4-二氧六环(上海阿拉丁生化科技股份有限公司); 1, 3, 6, 8-四溴芘、4-甲酰苯硼酸、三聚氰胺(郑州阿尔法化工有限公司); 碳酸钾、二甲基亚砜、四氢呋喃、三氯甲烷、盐酸、硝酸、无水硫酸镁、氯化钠、丙酮(北京化工厂)。所有试剂均为分析纯, 实验用水为超纯水。大米样品从当地市场购买。

1.2 色谱条件

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HP-5毛细管柱; 载气为高纯氮气(99.999%); 流量为2.5 mL/min; 进样口温度280 ℃; 检测器温度300 ℃; 升温程序:起始温度100 ℃, 以20 ℃/min的速度升温至280 ℃(保持8 min); 采用不分流模式; 进样量1 μ L。

1.3 合成MOP

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根据参考文献^[14]制备TFPPY:在干燥、洁净的三口烧瓶中加入1, 3, 6, 8-四溴芘1.00 g、4-甲酰苯硼酸1.74 g、四(三苯基膦) 钯0.12 g、碳酸钾2.1 g及1, 4-二氧六环30 mL, 在N₂保护下加热回流72 h。反应结束后, 将烧瓶中的黄色悬浮物倒入含有3 mol/L盐酸的冰水混合物中, 然后减压抽滤得到黄色固体。用盐酸洗涤黄色固体3次, 再用三氯甲烷提取产品, 提取液用无水硫酸镁干燥后减压抽滤, 得到黄色固体。用热的三氯甲烷使黄色固体重结晶, 最后得到明亮的黄色粉末, 在60 ℃下真空干燥24 h。

根据参考文献^[15]合成MOP:在50 mL锥形瓶中加入1, 3, 6, 8-四(4-醛基) 芘1.724 g、三聚氰胺0.47 g及二甲基亚砜23 mL。在60 ℃下超声至溶液澄清透明, 使反应物完全溶解。将混合溶液转移到100 mL高压反应釜中, 在180 ℃烘箱中反应10 h, 反应结束后得到黑色固体。黑色固体分别用水、甲醇、丙酮、四氢呋喃、三氯甲烷以及二甲基亚砜洗涤多次以除去多余杂质, 最后将合成的固体材料放入120 ℃真空干燥箱中, 干燥24 h。

1.4 制备MOP涂层纤维

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制备MOP纤维的流程见图 1。首先将不锈钢丝的一端(1.0 cm) 插入到含有3 mL丙酮的小瓶中, 去掉不锈钢丝表面的保护层以形成粗糙的表面。用超纯水洗涤不锈钢丝, 在室温下晾干。然后在不锈钢丝表面均匀地涂上一层环氧树脂胶, 再将不锈钢丝插入含有MOP材料的离心管中, 旋转60 s。将不锈钢丝小心取出, 用玻璃板划掉多余的环氧树脂胶。将制备好的纤维放在120 ℃真空干燥箱中, 干燥12 h。

图 1 MOP涂层SPME纤维的制备过程示意图Fig. 1 Schema for the synthesis of microporous organic polymer (MOP) coated solid phase microextraction (SPME) fiber

1.5 混合标准溶液的配制

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分别移取适量体积的各OCPs标准溶液, 用甲醇稀释, 配制成10 mg/L的混合标准储备液, 于4 ℃保存。取适量混合标准储备液, 用空白大米基质溶液稀释至50 μ g/kg后, 再逐级稀释至10、5、1、0.5、0.1、0.05 μ g/kg共7个含量的混合工作溶液。

1.6 样品处理

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将2 g磨碎的大米置于50 mL离心管中, 加入6 mL超纯水, 轻轻摇晃使样品完全润湿。20 min后加入8 mL丙酮、3.2 g无水硫酸镁、0.8 g NaCl, 超声30 min后静置1 min, 再离心2 min (4 000 r/min)。取上清液转移于圆底烧瓶中, 重复上述提取步骤。在35 ℃下旋转蒸干上清液, 用2 mL丙酮溶解蒸干后的残渣, 最后用0.45 μ m滤膜过滤。

2 结果与讨论

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2.1 FT-IR和TEM表征

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红外光谱图图 2a中, 3 468、3 413、1 650 cm^-1处的峰是三聚氰胺的N-H键伸缩振动峰, 这些特征峰在MOP的红外光谱图中消失(见图 2c)。图 2b中, TFPPY分别在1 700 cm^-1和1 600 cm^-1处有C=O键的伸缩振动和苯环的伸缩振动峰, 而在图 2c中C=O键的伸缩振动峰强度相对减弱。这些实验现象说明三聚氰胺已经与部分TFPPY反应生成了MOP, 可能是空间位阻效应使TFPPY不能完全参与反应^[16]。另外, 本实验通过透射电镜对所制备的MOP的形貌进行了分析, 结果如图 3所示, MOP以层层堆叠的形式组成片层状材料。多层的结构特点增加了MOP的萃取位点, 使其对OCPs的萃取量增加^[17]。

图 2 a) 三聚氰胺、(b) 1, 3, 6, 8-四(4-醛基) 芘和(c) MOP的红外光谱图Fig. 2 FT-IR spectra of (a) melamine, (b) 1, 3, 6, 8-tetrakis (p-formylphenyl) pyrene (TFPPY) and (c) MOP

图 3 MOP的透射电镜图Fig. 3 Transmission electron microscope (TEM) images of MOP

2.2 萃取机理

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MOP的萃取能力取决于自身的性质和分析物的特性, 其对OCPs的萃取作用可归结为以下3个方面:第一, MOP涂层材料是疏水性物质^[18, 19], 因此对疏水性物质有强的萃取能力^[20]; 第二, MOP涂层材料含有大量的苯环和C=N键, OCPs分子中含有苯环或C=C键, 因此与MOP之间具有较强的π-π堆垛作用^[21]; 第三, MOP与OCPs之间存在氢键作用力^[10]。总之, 疏水作用、π-π堆垛作用、氢键作用使所制备的MOP涂层对OCPs具有较强的萃取能力。

2.3 顶空固相微萃取条件的优化

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为了使MOP涂层对OCPs达到最好的富集效果, 采用含有10 μ g/L OCPs的工作溶液优化实验参数, 包括萃取温度、萃取时间、离子强度、解吸时间等。在此过程中, 实验条件固定为:解吸温度280 ℃、检测温度300 ℃、搅拌速度500 r/min^[22]。

2.3.1 萃取温度

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提高温度可以增加分子运动速度, 使分析物快速从基质溶液中扩散到蒸汽中, 从而缩短达到萃取平衡的时间。但是, 温度过高不利于涂层对分析物的萃取而导致分配系数降低^[17]。考察了60~90 ℃范围内温度对萃取能力的影响, 结果见图 4a。当温度从60 ℃升高至80 ℃时, 涂层对OCPs的萃取能力逐渐增强; 而在80~90 ℃范围内, 萃取能力逐渐减弱。所以80 ℃被选为最佳萃取温度, 并用于后续实验。

图 4 SPME操作条件对OCPs萃取效果的影响Fig. 4 Effects of SPME conditions on the extraction of organochlorine pesticides (OCPs)a. extraction temperature; b. extraction time; c. ionic strength; d. desorption time. HCH: hexachlorocyclohexane; HCB: hexachlorobenzene; DDT: dichlorodiphenyltrichloroethane.

2.3.2 萃取时间

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在SPME达到平衡之前, 随着萃取时间的延长, 涂层萃取分析物的能力增强; 但萃取时间过长, 分配系数小的物质可能会被萃取层中分配系数大的物质取代, 再次被解吸下来^[23, 24]。本实验选择萃取时间为15、20、25和30 min, 以考察分析物的峰面积随萃取时间的变化情况, 结果示于图 4b。如图所示, 在15~25 min范围内, 各分析物的峰面积逐渐增加; 而当时间延长至30 min时, 涂层对各分析物的萃取能力减弱。因此萃取时间选择25 min。

2.3.3 离子强度

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实验选择0~300 g/L的NaCl溶液作为离子强度调节剂, 考察了溶液离子强度对涂层萃取能力的影响, 结果见图 4c。随着NaCl加入量的逐渐增加, 分析物的峰面积先增加后减少。这可能是因为适量的NaCl降低了OCPs在基质中的溶解度, 而过量的NaCl增加了传质阻力, 降低了OCPs的扩散速度^[10, 25]。因此实验中选择200 g/L NaCl溶液作为优化值。

2.3.4 解吸时间

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解吸时间关系到分析物能否从涂层上完全解吸。解吸时间过短, 不能保证分析物解吸完全; 而过长时间的解吸易导致分析物氧化或者分解。本实验在4~10 min范围内对解吸时间的影响进行了考察, 实验结果见