磁性多壁碳纳米管固相萃取-气相色谱-质谱法检测水样中13种邻苯二甲酸酯类化合物
邻苯二甲酸酯类物质（Phthalic Acid Esters, PAEs）是广泛使用于塑料中的增塑剂，在聚氯乙烯中的添加量高达20 %～30 %[1]。它们在塑料中呈游离态，与塑料之间以氢键和范德华力联接[2]，因而极易转移入大气、水、土壤、生物乃至人体，成为一种全球性的有机污染物[3]。PAEs具有类似雌激素的作用，干扰人体内正常的内分泌系统[4]，并具有致癌、致畸、致突变性[5]。[F1] 因此，PAEs对环境的污染已经受到世界各国的普遍重视，世界上许多国家将其列入优先监测的黑名单[6]。美国环保署（EPA）将邻苯二甲酸二（2-乙基己基）酯（DEHP）等6种PAEs列为首选检测污染物[7]，欧盟也将DEHP等6种PAEs认定为对人体和环境有害的物质[8]。我国地表水环境质量标准GB 3838-2002则将邻苯二甲酸二丁酯（DBP）和DEHP作为监测项目，并规定DBP不得超过3 μg/L，DEHP不得超过8 μg/L[9]。目前，PAEs的检测方法主要有气相色谱法（Gas Chromatography, GC）[10][11]和高效液相色谱法（High Performance Liquid Chromatography, HPLC）[12][13]。由于PAEs不易溶于水，在水环境中的浓度一般只有10-9数量级，检测水中的这类物质必须使用预富集处理[14]。传统的液液萃取（LLE）富集方法使用有机溶剂一次或多次萃取PAEs，具有消耗溶剂量大，耗时长，费力，不易自动操作等缺点，而且大量的萃取液的浓缩又会给环境造成二次污染。[F2] 碳纳米管（Carbon Nanotubes, CNTs）是1991年发现的一种新型材料[15]，因其独特的物理化学性质，已经迅速成为当前研究的热点[16]。CNTs是由石墨烯片卷成的无缝、中空的同轴圆柱体，可分为多壁碳纳米管（MWCNTs）和单壁碳纳米管（SWCNTs）两种，[F3] 由于具有纳米级别的中空管状结构、大的比表面积、表面官能团和疏水的表面，CNTs能强烈吸附某些重金属离子和有机化合物[17]。这一性质使得CNTs成为一种新的固相萃取（Solid Phase Extraction, SPE）吸附剂而广泛应用于分析领域[18]。研究发现，CNTs能选择性地吸附二恶英、苯、1，2-二氯苯和多环芳烃等具有苯环的化合物[16]。Cai等[18]以多壁碳纳米管（Multi-walled Carbon Nanotubes, MWCNTs）为SPE材料，结合高效液相色谱法，成功地分析水样中4种PAEs，发现其效果与C18、C8、PS-DVB等商业SPE吸附剂相当或更佳。磁性碳纳米管是Fe3O4、γ-Fe2O3等具有磁性的纳米粒子沉积在CNTs上而形成的磁性复合材料。这种复合材料既具有磁性纳米粒子的铁磁性，又具有CNTs的优点，已经在材料[19]、生物[20-22]、医药[23]、环保[24,25]等各个领域显示了广阔的应用前景，然而，在分析领域却很少得到应用。本文利用磁性MWCNTs具有磁性和强吸附性的特点，将其应用于水样中13种PAEs的富集，并结合气相色谱-质谱联用（GC-MS）技术进行分析检测。优化了萃取时间、水样pH值、解吸溶剂的种类、用量及解吸时间等实验条件，并将优化的实验条件用于实际水样的分析。本方法操作简便，省时，准确，灵敏，环保，适用于实际水样中PAEs的检测。1 实验部分1.1 仪器、试剂与材料Shimadzu GCMS-QP2010 Plus 气质联用仪（日本岛津公司）；ZHWY-200D多振幅高速轨道摇床（上海智城分析仪器制造有限公司）；PB 203-N电子天平（上海梅特勒-托利多仪器有限公司）；HH-S1恒温油浴锅（常州澳华仪器有限公司）。邻苯二甲酸二丙基酯(DPrP，99.0％)、邻苯二甲酸二丁基酯(DBP，99.0％)、邻苯二甲酸二异丁基酯(DiBP，99.0％)、邻苯二甲酸二戊基酯(DPP，99.0％)、邻苯二甲酸二己基酯(DHxP，99.0％)、邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯(DEHP，99.0％)、邻苯二甲酸二苯基酯(DPhP，99.5％)、邻苯二甲酸二正辛基酯(DOP，97.5％)、邻苯二甲酸二环己基酯(DCHP，99.5％)、邻苯二甲酸丁基苄基酯(BBP，97.0％)、邻苯二甲酸二(丁氧基乙基)酯(DBEP，98.5％)、邻苯二甲酸二(乙氧基乙基)酯(DEEP，98.5％)，邻苯二甲酸二异壬基酯（邻苯二甲酸二(3,5,5-三甲己基)酯，DiNP），均购自Dr. S. Ehernstorfer公司；MWCNTs(纯度＞95 %，外径：40-60nm，长度：5-15 μm，比表面积：40-300 m2/g),购自深圳纳米科技有限公司；丙酮、甲醇、乙腈（HPLC），使用前重蒸；无水乙醇（A.R.）；无水硫酸钠（A.R.），用前在马弗炉中350℃烧烤4h；FeCl3·6H2O（G.R.，99%）；乙二醇（A.R.）；三水合醋酸钠（A.R.）；盐酸（A.R.）。实验用水为Mili-Q超纯水系统（Milipore，美国）纯化的纯净水。1.2 标准溶液的配制将13种PAEs标准品用丙酮配制成1.0 mg/mL的单标准储备液，保存于4℃的冰箱中，使用前将上述单标准储备液用丙酮稀释配制成100 μg/mL的混合标准使用液。1.3 实验方法1.3.1 GC-MS分析 色谱柱：DB-5 MS毛细管柱(30 m×0.25 mm i.d.×0.25 μm)；载气：He(>99.999％)，柱流量为1.0 mL/min；进样口温度：260 ℃；不分流进样1 μL；柱升温程序：初始温度为80 ℃，保持1 min，以30 ℃/min升至235 ℃，保持11 min，再40 ℃/min升至300 ℃，保持5 min。溶剂延迟时间：5 min。离子源（EI源）：70 eV，250 ℃；接口温度：280 ℃；检测器电压：0.89 kV。为了提高仪器分析的灵敏度，采用选择离子监测（SIM）模式。各目标分析物的保留时间和定量离子见表1。1.3.2 磁性MWCNTs的合成 按照参考文献[20]方法合成磁性MWCNTs。具体过程如下：称取1.4 g FeCl3·6H2O和0.4 g MWCNTs于一100 mL洁净烧杯中，加入75 mL 乙二醇，用玻璃棒搅拌混匀，再加入3.6 g醋酸钠，搅拌溶解，在室温下放置30 min。将上述混合物转移到洁净聚四氟乙烯反应釜，置于密闭钢罐中，200 ℃油浴16 h。冷却后，将合成产品（磁性MWCNTs）转移到洁净烧杯中，依次用无水乙醇和超纯水清洗几次，再在烘箱中烘干（80 ℃），于真空干燥器内保存，备用。1.3.3 分析水样中的PAEs 自来水样品取自作者所在的实验室，瓶装饮用水样品购自当地超市，湖水样品取自平湖（湖南汉寿县境内）小龙虾捕捞水域。自来水样品和瓶装饮用水样品直接取样分析，湖水样品过0.45 μm滤膜，去掉不溶物固体杂质后分析。分析过程如下：量取200 mL样品于250 mL容量瓶中，加入40 mg磁性MWCNTs，轻轻摇动，使磁性MWCNTs在水中分散。盖上塞子，放入摇床振摇（500 rpm）10 min后取出。将一块磁铁置于容量瓶底部，使磁性MWCNTs吸附到容量瓶底部，弃去水液。加入约10 mL超纯水，并将加入的超纯水和磁性MWCNTs全部转移到一20 mL具塞玻璃试管中。弃去超纯水，准确加入2 mL丙酮，盖上塞子，摇匀，静置5 min。用磁铁把磁性MWCNTs吸引到试管内壁，取出丙酮解吸液，用无水硫酸钠干燥，装入自动进样小瓶中，供GC/MS进样分析。2.结果与讨论2.1 磁性MWCNTs性质表征合成的磁性MWCNTs为黑色粉末状固体，具有良好的磁性，能全部被磁铁吸引，并且在轻微的振摇时能均匀地分散在水中。这些特点与文献[26] 的描述相似。从透射电镜图（见图1）可以看到，Fe3O4磁性纳米粒子吸附在细长的MWCNTs的外表面上，结合成一种新的纳米材料。尽管超声处理会使Fe3O4纳米粒子从MWCNTs脱落（这一点与文献[26] 的描述不同），但剧烈的机械振摇不会破坏这两种纳米粒子的结合。通过操纵磁铁，很容易将合成的磁性MWCNTs聚集到容器内壁，以及将其从一个容器转移到另一个容器。因此，磁性MWCNTs能加快样品萃取和相分离速度，节省样品处理时间，简化实验操作。![]()
图1 磁性碳纳米管的透射电镜图
Figure 1. TEM image of the magnetic MWCNTs
2.2 萃取条件的优化 将13种PAEs混合标样添加于空白超纯水样中（每种添加浓度为5 μg/L），用于实验条件的优化。本研究考察了萃取时间、水样pH值、解吸溶剂种类和用量及解吸时间等参数对萃取效果的影响。结果取3次重复实验的平均值。2.2.1 萃取时间的优化 萃取时间对萃取效果的影响很大，图2显示了不同萃取时间各组分的回收率。从图2可知，各组分在萃取10 min时均达到满意回收率，继续延长萃取时间对提高回收率的贡献不大，因此，将萃取时间定为10 min。
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图2 萃取时间对回收率的影响。实验条件：解吸溶剂，2 mL丙酮；解吸时间，5 min；水样pH，7。
Figure 2 Effect of adsorption time on the extraction efficiency of PAEs. Experimental conditions: elute solvent,2 mL acetone; desorption time,5 min; pH of water sample, 7.
2.2.2 水样pH值的优化 水样pH值不仅能改变目标分析物的存在状态，而且能改变MWCNTs表面功能团的类型和密度，因而影响其对目标分析物的吸附量[27]。由于PAEs在pH5-7范围内稳定存在，本文仅考察了此pH范围（用盐酸调节）内的萃取效果。从图3可以看出，pH值为5-7时，磁性MWCNTs对PAEs的萃取效果没有明显差别。为简便起见，将pH=7用于其它条件的优化。
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图3 水样pH值对回收率的影响。实验条件：萃取时间，10 min，解吸溶剂，2 mL丙酮，解吸时间，5 min。
Figure 3 Effect of pH of water sample on the extraction efficiency of PAEs. Experimental conditions: extraction time, 10 min; elute solvent, 2 mL acetone; desorption time, 5 min.
2.2.3 解吸溶剂的种类和用量及解吸时间的优化 解吸溶剂的种类及其用量也是影响萃取效果的关键因素。图4显示了丙酮、甲醇和乙腈3种不同溶剂的解吸效果。从图4可见，丙酮的解吸效果最好。因此，我们进一步优化了丙酮的用量（见图5）和解吸时间（见图6），最终选择2 mL丙酮作为解吸溶剂，解吸时间为5 min。
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图4 不同解吸溶剂对回收率的影响。实验条件：萃取时间，10 min；水样pH，7；解吸溶剂用量，2 mL；解吸时间，5 min。
Figure 4 Effect of kind of elute solvent on the extraction efficiency of PAEs. Experimental conditions: extraction time, 10 min; pH of water sample, 7; volume of elute solvent, 2 mL ; desorption time,5 min.
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图5 解吸溶剂（丙酮）用量对回收率的影响。实验条件：萃取时间，10 min；水样pH，7；解吸时间，5 min。
Figure 5 Effect of volume of elute solvent（acetone）on the extraction efficiency of PAEs. Experimental conditions: extraction time, 10 min; pH of water sample, 7; desorption time,5 min.
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图6 解吸时间对回收率的影响。实验条件：萃取时间，10 min；水样pH，7；解吸溶剂，2 mL丙酮。
Figure 6 Effect of desorption time on the extraction efficiency of PAEs. Experimental conditions: extraction time, 10 min; pH of water sample, 7; elute solvent,2 mL acetone.
优化后的萃取条件见表1。在优化的条件下，PAEs各组分均达到满意的回收率（89.7%-100.5%）。 ![]()
2.3 吸附容量 选择萃取效果最好的DBP来研究磁性MWCNTs的吸附容量。在空白超纯水中添加不同浓度的DBP，用上述优化的条件进行分析。结果发现，当添加水样中DBP的浓度达到0.8 μg/mL时，吸附量达到最大值，进一步增大DBP的浓度时，吸附量几乎保持恒定，因此，制备的磁性MWCNTs的吸附容量为4.0 mg/g（0.8 μg/mL×200 mL∕40 mg）。这表明磁性MWCNTs极易吸附PAEs，少量的磁性MWCNTs就能满足分析的需要。但磁性MWCNTs的用量越少，达到萃取平衡的时间越长。本文仅使用40 mg的磁性MWCNTs，在较短的时间（10 min）内就能完成萃取，达到较高的富集倍数（100倍）。2.4 线性范围和方法的检测限标准储备液用丙酮稀释成0.02-10 μg/mL范围的不同浓度，在1.3.1所述的条件下进样分析（标样色谱图见图7），根据标样浓度和色谱峰面积建立校准曲线，计算线性相关系数，结果见表2。从表2可见，所有组分的线性相关系数均大于等于0.9950，说明线性关系良好。以信噪比（S/N）为3确定各组分的仪器检测限（见表2）。方法的检测限结合样品处理的富集倍数（100倍）计算，结果为0.08-0.47 μg/L，表明本方法具有很高的灵敏度，可以满足实际检测的需要。
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图7 PAEs标样的GC-MS色谱图
Figure 7 GC-MS chromatogram of 13 PAEs. （1-DPrP，2-DiBP，3-DBP，4-DEEP，5-DPP，6-DHxP，7-BBP，8-DBEP，9-DCHP，10-DEHP，111-DPhP，12-DiNP，13-DOP）
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2.5 样品测定及方法的准确度和精密度将优化后的方法应用于自来水、瓶装饮用水和湖水的分析，检测结果见表3。所有样品中均未检出13种PAEs。通过分析加标样品计算回收率和相对标准偏差（结果见表3），回收率范围为84.5%-107.5%，标准偏差范围为1.9%-12.8%，说明方法具有较高的准确度和精密度。
表3 实际样品的检测结果及添加回收率与精密度。
Table 3 Analysis results of real samples, recovery and precision of method.
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a Mean for three detections.b Mean and standard deviation for three detections; nd: not detected.
3. 结论本文成功地将磁性MWCNTs应用于水样中PAEs的萃取，并结合GC-MS进行分析。本方法操作简单、快速、省溶剂、污染小，结果准确可靠，可用于实际样品中PAEs的检测。
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