溫海濱，胡玉玲，李攻科

(中山大學(xué) 化學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 510275)

研究簡報

磁性微孔聚合物富集/表面增強拉曼光譜法測定水與土壤中多環(huán)芳烴

溫海濱，胡玉玲*，李攻科*

(中山大學(xué) 化學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 510275)

建立了磁性聚亞苯基共軛微孔聚合物富集/表面增強拉曼光譜法測定水樣和土壤中4種多環(huán)芳烴的分析方法。待測物經(jīng)磁性聚亞苯基共軛微孔聚合物吸附萃取，甲醇洗脫后進行SERS檢測。結(jié)果表明，蒽、芘、熒蒽和苯[α]芘在0.1～10 μg/L范圍內(nèi)與其SERS特征峰峰強呈良好的線性關(guān)系，檢出限為0.03 μg/L，回收率為71.6%～115.8%，相對標準偏差不大于13.7%。該分析方法靈敏度高，能夠滿足實際水樣和土壤中4種多環(huán)芳烴同時檢測的要求。

聚亞苯基共軛微孔聚合物；萃取；多環(huán)芳烴；表面增強拉曼光譜

多環(huán)芳烴(Polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)是一類廣泛存在于環(huán)境中，含有兩個或兩個以上苯環(huán)或雜環(huán)的持久性有機污染物，具有強烈的致癌、致突變和致畸作用，且分布極為廣泛[1-2]。由于這些多環(huán)芳烴結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，幾乎不溶于水且難降解，可通過食物鏈逐級傳遞或向周圍環(huán)境釋放影響生態(tài)穩(wěn)定或危害人類健康，因此PAHs的監(jiān)測與治理具有重要的實際意義。

迄今為止，液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法[3-4]、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法[5-6]以及毛細管電泳法[7-8]因靈敏度高、重現(xiàn)性好、分辨率高等特點而被廣泛應(yīng)用于各種環(huán)境介質(zhì)中PAHs等污染物的檢測，但這些儀器昂貴、前處理和富集濃縮過程繁瑣，無法實現(xiàn)現(xiàn)場快速原位監(jiān)測。表面增強拉曼散射(Surface-enhanced Raman scattering,SERS)效應(yīng)于20世紀70年代被發(fā)現(xiàn)后，就引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注。SERS技術(shù)不僅能提供被測物結(jié)構(gòu)的指紋信息，而且可實現(xiàn)單分子量級的檢測[9]。因此，作為一種新型光譜分析技術(shù)，SERS技術(shù)以其超高靈敏度、無損分析、快速和可實時原位檢測等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測[10-11]、司法鑒定[12]、催化[13]、生物醫(yī)學(xué)[14-15]及傳感器[16-17]等領(lǐng)域。

目前，SERS技術(shù)在PAHs檢測方面已有較多報道。Zhao等[18]將長鏈烷基硫醇分子修飾到金/鎳泡沫復(fù)合材料上，形成了具有分離富集功能的三維超疏水SERS基底，利用該SERS基底實現(xiàn)了對實際環(huán)境樣品中芘等PAHs污染物的檢測。史曉鳳等[19]將球形金納米顆粒和海膽狀金銀復(fù)合材料混合作為SERS基底，實現(xiàn)了芘、苯并蒽和苯并[α]芘3種高環(huán)PAHs的痕量檢測，檢出限為0.11 μg·L-1。然而環(huán)境樣品中PAHs的含量很低，常需繁瑣的富集濃縮前處理過程。為提高PAHs檢測的靈敏度，本研究利用磁性聚亞苯基共軛微孔聚合物與PAHs分子之間的疏水作用和π-π堆疊作用，富集環(huán)境樣品中痕量PAHs，結(jié)合SERS技術(shù)進行高靈敏快速檢測，實現(xiàn)了4種PAHs(蒽、芘、熒蒽和苯[α]芘)的同時定性定量分析。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

機械攪拌器(上海新榮儀器公司)；恒溫振蕩搖床(江蘇余姚儀器公司)；實驗室拉曼系統(tǒng)采用美國Delta Nu 的Inspector便攜式拉曼光譜儀。

FeCl2·4H2O(99.95%)購于沈陽化學(xué)試劑廠；3-縮水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷(GLYMO，97%)、3-氨基苯硼酸(APB，98%)、1,4-苯二硼酸(TBB，98%)、1,2,4,5-四溴苯(BDBA，97%)、四(三苯基膦)鈀(Pd(PPh3)4，99.8%)均購于百靈威科技有限公司；FeCl3·6H2O(99%)、蒽、芘、熒蒽、苯[α]芘均購自阿拉丁試劑公司；正硅酸乙酯(TEOS)、30% 氨水、碳酸鉀均購于廣州化學(xué)試劑廠；SERS增強試劑CP-S1(廈門市普識納米科技有限公司)；實際水樣取自廣州市珠江江水和實驗室自來水；土壤樣品取自廣州市海珠區(qū)某加油站旁。

1.2 磁性聚亞苯基共軛微孔聚合物(PP-CMP)的合成與萃取條件研究

本文所用磁性PP-CMP參照本課題組報道的合成方法[20]。首先采用化學(xué)沉淀法合成10 nm Fe3O4納米粒子，然后經(jīng)TEOS水解作用對Fe3O4納米粒子表面進行硅烷化，再經(jīng)環(huán)氧丙基化和硼酸化后得到硼酸功能化的Fe3O4納米粒子，將其作為硼酸基團的單體，與聚亞苯基共軛微孔聚合物的兩種反應(yīng)單體共同參與鈴木交叉偶聯(lián)反應(yīng)，從而獲得嵌入型磁性PP-CMP。實驗考察了磁性PP-CMP對多環(huán)芳烴萃取的最優(yōu)解吸溶劑、萃取時間和解吸時間：取一系列濃度的4種多環(huán)芳烴單標溶液20 mL，加入5 mg磁性PP-CMP萃取，磁分離后用200 μL解吸溶劑洗脫，最后利用SERS技術(shù)進行檢測。

1.3 標準PAHs溶液的配制與儀器分析條件

以甲醇為溶劑分別配制質(zhì)量濃度為1.00 mg/L的4種多環(huán)芳烴單標儲備溶液和混合標準溶液，再分別用超純水逐級稀釋成不同濃度的單標溶液和混合標準溶液。SERS測試時，將等量的洗脫液、SERS增強試劑CP-S1和等離激元增強拉曼光譜(PERS)助劑滴于硅片上混合后進行SERS檢測，積分時間為1 s，連續(xù)采集3次光譜，每次測試扣除暗電流1 s，激光功率為High，結(jié)果為Average，分辨率為Low。

1.4 樣品前處理與制備

環(huán)境水樣：經(jīng)0.45 μm 有機濾膜過濾后儲存于 4 ℃冰箱中待測。土壤樣品：將泥土在室溫下風(fēng)干，磨碎，過180目篩網(wǎng)，粒徑約為0.088 mm。稱取10 g過篩網(wǎng)后的泥土，加入30 mL丙酮提取1 h，離心10 min，獲得上層清液后再用0.45 μm 有機濾膜過濾，收集所有濾液用N2吹干，再用5 mL 乙醇復(fù)溶得到萃取液，取其0.5 mL用超純水稀釋至20 mL后用于多環(huán)芳烴的檢測。

2 結(jié)果與討論

2.1 SERS特征峰的判定

在材料合成中，采用一鍋法反應(yīng)將10 nm的磁性納米粒子鑲嵌于直徑約為800 nm的PP-CMP圓球中，得到的圓球狀磁性PP-CMP不僅擁有33.6 emu/g的磁場強度，比表面積高，而且其微孔大小主要分布在1.3 nm左右，說明所采用的磁性PP-CMP具有高度共軛、多孔結(jié)構(gòu)以及磁性特征，是一種理想的用于芳環(huán)共軛結(jié)構(gòu)物質(zhì)痕量分析的磁性吸附材料。

圖1 5.0 μg/L PAHs標準溶液及2.5 μg/L加標PAHs自來水樣品的SERS譜圖Fig.1 SERS spectrum of 5.0 μg/L PAHs mixed standard solution and tap water spiked with 2.5 μg/L PAHsa：blank solution,b：anthracene,c：pyrene,d：fluoranthene,e：benzo[α]pyrene,f：PAHs mixed solution,g：tap water spiked with 2.5 μg/L PAHs

基于以上特性，本實驗采用該磁性材料作為痕量多環(huán)芳烴的萃取介質(zhì)。為了鑒別4種PAHs的特征峰和尋找各自的定量特征峰，利用磁性PP-CMP富集萃取5.0 μg/L的 PAHs單標溶液和混合標準溶液，洗脫后進行SERS檢測，結(jié)果如圖1所示。蒽在754 cm-1處的特征峰由骨架伸縮振動引起[21]；芘在409 cm-1和591 cm-1處的特征峰均由骨架伸縮振動引起，1 065 cm-1和1 238 cm-1為C—H鍵面內(nèi)彎曲振動峰[21-22]；熒蒽在559 cm-1和671 cm-1處分別為骨架伸縮振動峰和C—H伸縮振動峰[20,22]；苯[α]芘在337 cm-1處的特征峰屬于骨架彎曲振動，610 cm-1和1 238 cm-1處為C—H面內(nèi)彎曲振動峰，1 386 cm-1處的峰由C—C伸縮振動引起[21]。1 590 cm-1和1 628 cm-1處是芘和苯[α]芘的C—C鍵伸縮振動峰，而520 cm-1處為這4種PAHs的骨架變形振動峰，1 408 cm-1處為PAHs的苯環(huán)伸縮振動[21-23]。

當(dāng)洗脫液中同時存在這4種PAHs時，可以分辨出混合標準溶液的SERS譜圖上各自對應(yīng)的拉曼特征峰，且337 cm-1(苯[α]芘)、591 cm-1(芘)、671 cm-1(熒蒽)和754 cm-1(蒽)處的特征峰之間基本無特征峰相互疊加的影響，故該方法能實現(xiàn)這4種PAHs的同時SERS鑒別和定量分析。

2.2 磁性PP-CMP的萃取條件研究

為了貼近實際環(huán)境水樣的基質(zhì)，選定水為萃取溶劑，優(yōu)化了解吸溶劑、萃取時間、解吸時間等PAHs的萃取條件。

PAHs的解吸過程需破壞或者減弱磁性PP-CMP材料與PAHs之間的π-π共軛作用，所以選擇甲醇、乙腈、丙酮、乙醇和乙酸乙酯5種溶劑作為解吸溶劑，研究其對磁性PP-CMP萃取性能的影響。上述5種溶劑的極性大小順序為甲醇>乙腈>丙酮>乙醇>乙酸乙酯。結(jié)果表明，由于乙酸乙酯的極性最小，不能破壞或減弱磁性PP-CMP與PAHs之間的π-π共軛作用力，同時磁性PP-CMP在乙酸乙酯中的分散性較差，所以對多環(huán)芳烴的洗脫效果最差。在相同檢測條件下，乙腈、丙酮和乙醇在低于1 000 cm-1波數(shù)段的SERS特征峰較多，且拉曼信號較大，這對于PAHs的SERS檢測有較大的譜峰干擾。綜合考慮解吸溶劑對SERS信號的影響和對PAHs的洗脫效果，選取甲醇作為最佳解吸溶劑。另外，實驗中還考察了萃取時間和解吸時間對萃取效果的影響，結(jié)果表明，當(dāng)萃取時間為60 min，且洗脫時間達15 min時，4種PAHs均能獲得較高的萃取效果，故選擇最佳萃取時間為60 min，最佳解吸時間為15 min。

2.3 環(huán)境水樣與土壤中多環(huán)芳烴的分析

2.3.1分析方法的建立配制質(zhì)量濃度分別為0.10、0.50、2.0、5.0、8.0、10 μg/L的系列PAHs混合標準溶液(蒽、芘、熒蒽和苯[α]芘)，在優(yōu)化的條件下以337、591、671、754 cm-1處特征峰峰強度(Y)對相應(yīng)標準溶液的質(zhì)量濃度(X，μg/L)繪制標準曲線，結(jié)果如表1所示。蒽、芘、熒蒽和苯[α]芘均在0.10～10 μg/L濃度范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)(r2)為0.983 0～0.999 3，檢出限(LOD，S/N=3)均為0.03 μg/L；以蒽、芘、熒蒽和苯[α]芘的5.0 μg/L混合標準溶液為基礎(chǔ)，經(jīng)磁性PP-CMP萃取富集，甲醇洗脫后用便攜式拉曼光譜儀進行檢測，得到4種PAHs混合標準溶液濃度的批內(nèi)相對標準偏差(RSD，n=3)為2.3%～5.0%，批間RSD(n=3)為7.4%～10.4%。

表1 磁性PP-CMP富集/SERS法測定4種PAHs的線性范圍、檢出限及相對標準偏差Table 1 Linear ranges,limits of detection(LODs)and precisions of magnetic PP-CMP enrichment based SERS method for the determination of PAHs

2.3.2實際樣品分析為驗證所提出的分析方法在實際環(huán)境樣品中的適用性和可行性，采集環(huán)境水樣(實驗室自來水和珠江水)和土壤實際樣品，在最優(yōu)萃取條件下進行磁性PP-CMP富集/SERS方法分析，均未發(fā)現(xiàn)陽性樣品。以空白實際樣品分別添加0.7、2.5、8.0 μg/L的PAHs標準溶液進行回收率實驗，每個濃度平行3次，記錄其峰強度(如圖2)。結(jié)果表明，4種PAHs在環(huán)境水樣和土壤中的加標回收率為71.6%～115.8%，RSD(n=3)為4.4%～13.7%，說明方法的重現(xiàn)性較好，可滿足實際環(huán)境樣品中多環(huán)芳烴的同時分析要求。

3 結(jié) 論

本文建立了自來水、珠江水和土壤中4種PAHs磁性聚亞苯基共軛微孔聚合物富集/SERS檢測的分析方法。樣品經(jīng)磁性聚亞苯基共軛微孔聚合物富集，通過磁性分離并洗脫后進行SERS檢測。4種PAHs的檢出限(LOD)均為0.03 μg/L，回收率為71.6%～115.8%。研究表明該方法操作簡單、試劑用量少、靈敏度高，可用于環(huán)境樣品中痕量污染物PAHs的同時定性定量檢測，并有潛力應(yīng)用于PAHs的現(xiàn)場、快速、實時監(jiān)測。

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Determination of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons in Environmental Water and Soil Samples by Magnetic Microporous Polymer Enrichment Coupled with Surface-enhanced Raman Spectroscopy

WEN Hai-bin，HU Yu-ling*，LI Gong-ke*

(School of Chemistry，Sun Yat-sen University，Guangzhou 510275，China)

A new analytical method was developed for the determination of four polycyclic aromatic hydrocarbons(PAHs) in environmental water and soil samples by magnetic polyphenylene conjugated microporous polymer(PP-CMP)enrichment coupled with surface-enhanced Raman spectroscopy(SERS).The PAHs in environmental water and soil sample were enriched with magnetic polyphenylene conjugated microporous polymer via hydrophobic interaction and π-π stacking effect,then eluted with methanol.In the experiment,desorption solvent,extraction time and desorption time were investigated.The results showed that good linearities between Raman intensities and concentrations were in the range of 0.1-10 μg/L for anthracene,pyrene,fluoranthene and benzo[α]pyrene with the limits of detection of 0.03 μg/L.The spiked recoveries for four PAHs were in the range of 71.6%-115.8% with their RSDs no more than 13.7%.The results indicated that this method has the advantage of high-sensitivity,and could meet the requirements for monitoring four PAHs in real water and soil samples.

polyphenylene conjugated microporous polymer；extraction；polycyclic aromatic hydrocarbons；surface-enhanced Raman spectroscopy

10.3969/j.issn.1004-4957.2017.10.008

O657.37；X132

A

1004-4957(2017)10-1214-05

2017-05-29；

2017-07-24

國家自然科學(xué)基金(21575168，21475153，21675178)；國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(2011YQ03012409)；廣東省自然科學(xué)基金重點項目(2015A030311020)；廣東省公益研究與能力建設(shè)專項(2015A030401036)；廣州市科技計劃項目(201604020165，201704020040)

*

胡玉玲,教授，研究方向:現(xiàn)代分離分析，Tel:020-84110922，E-mail:ceshyl@mail.sysu.edu.cn 李攻科，教授，研究方向:色譜及光譜分析、食品及藥物分析，Tel:020-84110922，E-mail:cesgkl@mail.sysu.edu.cn