可压缩回弹的石墨烯气凝胶在固相萃取中的应用

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　　摘      要：传统的固相萃取方法操作流程相对复杂，洗脱剂用量大。采用水热法交联聚乙烯醇和石墨烯合成了一种具有可压缩回弹性的石墨烯气凝胶，并将其应用于固相萃取富集西维因与利谷隆两种农药。研究了不同萃取條件对该方法富集倍数的影响。实验表明，该石墨烯气凝胶可实现对利谷隆和西维因稳定富集32.8倍和55.7倍。
　　关  键  词：石墨烯气凝胶;注射器内萃取;农药;高效液相色谱
　　中图分类号：O658.2        文献标识码：A       文章编号： 1671-0460（2020）02-0291-04
　　Abstract： For the traditional solid phase extraction method， the operation process is complicated， and the amount of eluent is large. In this paper， a kind of graphene aerogel with compressible resilience was synthesized from polyvinyl alcohol and graphene through cross-linking by hydrothermal method， and it was applied to solid phase extraction in syringe to enrich two pesticides， carbaryl and ligulon. The effect of different extraction conditions on the enrichment factor of the method was studied. Experiments showed that the graphene aerogel achieved 32.8 times and 55.7 times stable enrichment of linuron and carbaryl.
　　Key words： Graphene aerogel; In-syringe extraction; Pesticide; High performance liquid chromatography
　　
　　碳质材料，如石墨烯、富勒烯、碳纳米管及其多种功能化形式，可通过氢键、π-π堆积、静电力、范德华力、疏水相互作用或其他非共价力及有机分子相互作用[1，2]，具有良好的萃取能力。石墨烯为一种新兴碳质材料[3]，具有大的比表面积的单层结构，能与含有苯环的芳香类化合物形成强烈的π-π堆积相互作用，使石墨烯片的两侧均可吸附，更有石墨烯易于被各种官能团进行修饰改性。因此石墨烯材料可作为良好吸附剂，用于固相萃取（Solid Phase Extraction，SPE）。
　　石墨烯片经交联得到的石墨烯气凝胶（Graphene aerogel，GA）表现出更好的吸附性，密度可调和比表面积高，可用于固相萃取、固相微萃取和注射器内固相萃取，提取多种分析物，如农药[4，5]、抗生素[6]、重金属离子[7]、内分泌干扰物和多氯联苯[8]等。
　　传统的SPE需要经历填料活化、样品加载，淋洗和分析物洗脱等[9]，过程较为复杂，加之无法避免死体积问题，必须使用大量溶剂（大于填料体积的溶剂）洗脱分析物，降低了富集倍数浓度，甚至需要吹脱处理才能充分排出洗脱剂。
　　本文以可压缩回弹GA为注射器内SPE方法中的吸附剂，利用石墨烯与农药分子的π-π堆积作用萃取分析农药，仅需对注射器推杆施加机械压力便可以将GA内的样品溶液完全排出。在进行洗脱操作时，GA的可压缩性使得仅需要少量的洗脱剂就可对GA上的萃取物进行充分洗脱，绿色环保，提升了固相萃取的富集效率。
　　1  实验部分
　　1.1  实验原料与仪器
　　实验主要材料：氧化石墨膏体（50%），常州第六元素材料有限公司;聚乙烯醇（优级纯）、戊二醛（分析纯），上海国药集团化学试剂有限公司;乙腈、石油醚、甲醇、乙醇，皆为色谱纯，上海国药集团化学试剂有限公司;利谷隆、西维因皆为标准品，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。所有试剂在使用前均未经过进一步纯化，实验中使用的水为超纯水，实际样品取自江苏省镇江市九里街桥上游的河水。
　　主要仪器：真空冷冻干燥机，FD-1A-50，北京博医康实验仪器有限公司;高效液相色谱仪，LC-20AD，日本岛津制作所;超纯水机，YL-100B，深圳市亿利源水处理设备有限公司。
　　1.2  实验方法
　　1.2.1  溶液的配制
　　氧化石墨烯（Graphene oxide，GO）溶液制备：称取10 g氧化石墨膏体，1 L超纯水浸泡1 h，低速（<500 r/min）搅拌30 min后高速（>2 000 r/min）搅拌3 h，得到氧化石墨烯，层数小于4层，片径约为18 μm的5 mg/mL氧化石墨烯（GO）分散液。
　　交联剂制备：将2 mL浓硫酸稀释到10 mL备用。将戊二醛（50%，5 mL）稀释到100 mL，再依次向其中加入20 mL甲醇、20 mL水、20 mL乙醇、20 mL水，然后再向其中加入稀释后的10 mL稀硫酸。搅拌均匀后制得交联剂。
　　聚乙烯醇溶液制备：称取10 g PVA，将其放入1 L的超纯水中。在95 ℃下不停搅拌直至PVA颗粒完全溶解。待溶液冷却至室温后，得到10 mg/mL PVA溶液。
　　1.2.2  可恢复石墨烯气凝胶的合成 　　磁力搅拌的同时分别将5、10 mg/mL和15 mg/mL的聚乙烯醇（Polyvinyl alcohol，PVA）各20 mL缓慢加入20 mL 5 mg/mL GO溶液，搅拌20 min;然后加入1.9 mL交联剂和60 mL水，搅拌20 min;反应液转入反应釜50 ℃ 反应12 h，取出，冷却至室温后-18 ℃冷冻12 h，取出自然解冻取出反应釜中的水，得到氧化石墨烯水凝胶。向水凝胶加入还原剂氢碘酸HI（30%），浸没水凝胶，60 ℃反应8 h，以纯水洗去残余的HI，得到还原氧化石墨烯水凝胶，再以水浸没冰箱冷冻和真空冷冻干燥至冰被完全去除，得到GA。
　　1.2.3  石墨烯气凝胶固相萃取（SPE）方法
　　取0.5 mL 5 ppm的利谷隆和西维农药混合液，置于49.5 mL超纯水中，稀释成50 ppb样品溶液;称取5 mg的GA，填充于5 mL的注射器内;用注射器抽取5 mL样品溶液，停留一定时间后将其排出并收集;重复抽排操作，直至样品液被抽空，然后将收集的排出液按相同步骤移回到原样品瓶中;用注射器抽取500 μL的洗脱剂乙腈，洗脱停留1 min，再排入HPLC样品瓶的玻璃内衬中，重复操作5次。
　　1.2.4  農药浓度分析检测
　　本文采用HPLC法分析检测农药浓度，选用安捷伦通用C18反相柱、流动相55%： 45%的乙腈/超纯水、流速为1 mL/min、紫外检测器、检测波长为256 nm、40 ℃恒温。所有待测样品在测试前均过0.45 μm微滤膜。该测试条件下利谷隆出峰时间为5.75～7.25 min;西维因出峰时间为 3.50～3.85 min。
　　1.2.5  校准曲线测定
　　配制100 ppb、200 ppb、500 ppb、1 ppm、2 ppm、5 ppm、10 ppm的西维因与利谷隆标准溶液，以1.2.4的分析条件分别获得每个浓度对应的西维因与利谷隆的信号峰，LCsolution 软件积分得到峰的面积，拟合浓度和峰面积的对应关系，得到校准曲线。
　　2  结果与讨论
　　2.1  校准曲线绘制
　　西维因与利谷隆的校准曲线如图1所示，在100 ppb至10 ppm范围内有很好的线性关系，R2皆为0.999 99，表明HPLC法能够准确测定西维因与利谷隆的浓度。
　　2.2  萃取温度对SPE富集倍数的影响
　　取50 mL 50 ppb农药混合液置于5个洁净烧杯，分别于20、25、30、35和40 ℃水浴25 min。
　　向5 mL的注射器中填入5 mg的GA，然后按照1.2.3所述方法对五种萃取温度的混合液进行萃取富集分离，萃取富集停留时间2 min，洗脱停留时间1 min。洗脱液中农药浓度的分析检测以1.2.4的分析条件，分别获得每个浓度对应的西维因与利谷隆的信号峰，LCsolution 软件积分得到峰面积，对照校正曲线获得农药的浓度，根据检测便可计算得到固相萃取后农药浓度相较于原始样品溶液的富集倍数，结果如图2所示。
　　由图2可得，35 ℃前利谷隆和西维因的富集倍数随着温度的升高而增大，35 ℃后增幅不明显。因此，选择35 ℃作为后续实验的温控条件。
　　2.3  萃取时间对SPE富集倍数的影响
　　取50 mL 50 ppb农药混合液置于5个洁净烧杯，35 ℃水浴25 min。
　　向5 mL的注射器中填入5 mg的GA，然后按照1.2.3所述方法对设定的五种萃取时间的混合液进行萃取富集分离。萃取富集的停留时间依次为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 min，洗脱停留时间1 min。洗脱液中农药浓度的分析检测以1.2.4的分析条件，分别获得每个浓度对应的西维因与利谷隆的信号峰，L Csolution 软件积分得到峰面积，对照校正曲线获得农药浓度，根据检测结果计算得到固相萃取后浓度相较于原始样品液的富集倍数，结果如图3所示。
　　图3表明，萃取富集停留时间2 min前，利谷隆和西维因的富集倍数随着停留时间2 min的增加而增加，当到达2 min时，西维因和利谷隆的富集倍数增幅较小，后续研究中，萃取富集停留时间选择2 min作为富含时间。
　　2.4  样品溶液pH对SPE富集倍数的影响
　　取50 mL 50 ppb农药混合液置于6个洁净烧杯，以0.1 M HCl和0.1 M NaOH调节农药混合液的pH为4、5、6、7、8、9、35 ℃水浴25 min。
　　向5 mL的注射器中填入5 mg的GA，然后按照1.2.3所述方法对6种pH萃取体系的混合液进行萃取富集分离，萃取富集停留时间为2.0 min，洗脱停留时间1 min。洗脱液中农药浓度的分析检测以1.2.4的分析条件，分别获得每个浓度对应的西维因与利谷隆的信号峰，LCsolution 软件积分得到峰面积，对照校正曲线获得农药的浓度，根据检测便可计算得到固相萃取后农药浓度相较于原始样品溶液的富集倍数，结果如图4所示。
　　从图4可以看出，pH=5时利谷隆的萃取效果最好，而西维因的萃取效果以pH=6最好。pH对萃取效果的影响并不像其他影响因素那么大。本文采用pH=6作为后续实验条件。
　　2.5  洗脱剂对SPE富集倍数的影响
　　取50 mL 50 ppb农药混合液置于4个洁净烧杯，以0.1 M HCl调节农药混合液的pH=6，35 ℃水浴25 min。
　　向5 mL的注射器中填入5 mg的GA，然后按照1.2.3所述方法对农药混合液进行萃取富集分离，萃取富集停留时间为2.0 min，洗脱剂分别为石油醚，甲醇、乙醇、乙腈，洗脱停留时间1 min。洗脱液中农药浓度的分析检测以1.2.4的分析条件，分别获得每个浓度对应的西维因与利谷隆的信号峰，LCsolution 软件积分得到峰面积，对照校正曲线获得农药的浓度，根据检测便可计算得到固相萃取后农药浓度相较于原始样品溶液的富集倍数，结果如图5所示。 　　由图5可知，当SPE萃取过程其他条件为最优参数时，石油醚为洗脱剂的富集倍数最大，利谷隆和西维因的富集倍数分别高达32.8倍和55.7倍。
　　2.6  实际样品检测
　　本文对取自江苏省镇江市九里街桥上游的河水进行了加标分析，检验本文制备的GA抗干扰、高富集性能。取5 ppm的农药混合0、250、500、1 000 μL液置于4个烧杯中，稀释到50 mL，依次编号为对照组、加标1、加标2、加标3。
　　按照本文优化的萃取富集条件，对这4个体系进行萃取富集操作和农药浓度HPLC分析。实际样品萃取富集洗脱液色谱分析结果如图6所示。
　　图6中可以看出河水中存在某些物质，出峰时间与西维因重叠现象（4.00～4.50 min），故对此处的峰进行面积积分后，加标分析回收率计算时，HPLC所得西维因的峰面积应减去河水的峰面积。
　　表1给出了GA注射器内SPE对实际样品的分析结果，可以看出，GA作为稳定的注射器内固相萃取剂，可用于样品中农药的富集分离和检测。
　　3  结 论
　　本课题将可压缩GA作为一种新型的固相萃取剂，用于对水体中农药的固相萃取富集。结果表明，GA能够对浓度低至50 ppb的农药利谷隆和西维因作高效固相萃取富集能力，富集倍数分别为32.8倍和55.7倍;实际样品检测中体现出高抗干扰性和高萃取富集效率，对利谷隆和西维因加标50 ppb回收率分别为105%和98.5%。可压缩GA是一种较为理想的高效固相萃取富集材料，可用于农残等的富集分离和去除。
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