劉 葉，余 東，廖思杰，沈愛國，何治柯*，韓方源

（1.武漢大學(xué) 化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430072；2.武漢紡織大學(xué) 生物工程與健康學(xué)院，湖北 武漢 430200；3.廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣西電力裝備智能控制與運(yùn)維重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530023）

硫化銅沉積加速絕緣油老化是引起變壓器頻繁故障的重要原因之一。在變壓器油中添加金屬鈍化劑1，2，3-苯并三氮唑（1，2，3-Benzotriazole，BTA）是目前廣泛應(yīng)用的解決方法［1］。BTA 與銅離子發(fā)生反應(yīng)，生成的配合物將形成一層保護(hù)膜附著在銅繞組表面，能有效抑制硫化銅沉積，延緩變壓器故障［2］。國際電工委員會（IEC）要求BTA 的檢測濃度低限不超過5 mg/kg，以保證金屬鈍化劑檢測的靈敏性及對新變壓器油性能評價的正確性［3］。然而由于化學(xué)反應(yīng)和熱降解，BTA 在長期抑制腐蝕的過程中會發(fā)生消耗，實(shí)際運(yùn)用中需要及時補(bǔ)充BTA 以保持其抗腐蝕效果。因此，對變壓器油中BTA 含量進(jìn)行快速準(zhǔn)確的現(xiàn)場檢測十分重要。

目前BTA的檢測方法主要有氣相色譜、高效液相色譜和熒光光譜法［4-6］。然而色譜法繁瑣耗時，熒光法容易受到檢測環(huán)境的影響，不適用于現(xiàn)場分析。與這些傳統(tǒng)方法相比，表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）作為一種高靈敏、高分辨的光譜技術(shù)，輔之便攜小型拉曼光譜儀，已廣泛應(yīng)用于食品、藥品、環(huán)境等領(lǐng)域的現(xiàn)場分析［7-9］。然而，變壓器油的直接SERS 檢測還存在諸多問題。比如變壓器油的長鏈烷烴豐度較高，導(dǎo)致BTA 難以接觸到SERS基底的近表面，且變壓器油中有機(jī)雜質(zhì)的熒光會對SERS檢測帶來干擾［10］。因此必須建立一種快速的變壓器油預(yù)處理方法，分離并富集變壓器油中的BTA。

固相萃取是一種簡單高效的樣品前處理技術(shù)，能有效用于樣品的分離和富集［11］。木質(zhì)素作為高等植物細(xì)胞壁中自然合成的一種三維、部分無序的無定形酚醛聚合物網(wǎng)絡(luò)，含有大量的芳香基、羧基和羥基［12］，并憑借優(yōu)異的吸附性能廣泛應(yīng)用于金屬離子、染料、芳香化合物的吸附，是一種理想的固相萃取填料［13-15］。沈垚等［16］通過對木質(zhì)素改性得到的木質(zhì)素膠體顆粒能與BTA 形成氫鍵，基于此可通過液液萃取將BTA 從油基質(zhì)中提取出來。有機(jī)黏土具有大的比表面積、多孔性和吸水性［17］，硅藻土相對于其他類型的粘土，具有質(zhì)輕多孔的優(yōu)點(diǎn)，可提高材料的吸附性能［18］。

本文使用木質(zhì)素和有機(jī)黏土制備了脫堿木質(zhì)素/硅藻土（DAL/DE）水凝膠，并以其為填料制備了固相萃取柱。通過高效液相色譜法對水凝膠配方進(jìn)行優(yōu)化，再結(jié)合SERS 檢測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了變壓器油中BTA的現(xiàn)場微量檢測。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Zeiss SIGMA 場發(fā)射掃描電子顯微鏡（德國Carl·Zeiss公司）；Nicolet iS50傅里葉變換紅外光譜儀（美國Thermo Electron Corporation 公司）；TGA2/DSC3 熱重分析儀（瑞士Mettler Toledo 公司）；D8 Advance X射線衍射儀（德國Bruker 公司）；Agilent 1260 Infinity Ⅱ高效液相色譜儀（美國Agilent 公司）；MS-100 恒溫混勻儀（杭州奧盛儀器有限公司）；自制的微區(qū)多孔板表面增強(qiáng)拉曼檢測系統(tǒng)（FI785E10W-Pro-WD01）。

氯金酸（HAuCl4·3H2O）、檸檬酸三鈉、硼氫化鈉、3-氨丙基三甲氧基硅烷（3-APTMS）、對巰基苯甲酸、蒙脫土（MMT）、高嶺土（KL）、硅藻土（DE）、N’N-亞甲基雙丙烯酰胺（MBA）等購自上海阿拉丁試劑公司；脫堿木質(zhì)素（DAL）、堿木質(zhì)素（AL）、木質(zhì)素磺酸鈉（LS）等購自上海麥克林生化科技有限公司；碘化鉀（KI）、鹽酸羥胺（NH2OH·HCl）、過硫酸銨（APS）、無水乙醇、正己烷、乙腈、甲醇、乙酸等購自北京國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。實(shí)驗(yàn)用水均為去離子水（18.2 MΩ·cm）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)流程示意圖如圖1所示。首先使用自由基聚合法合成DAL/DE水凝膠，再將水凝膠作為填料填充至固相萃取小柱中，對BTA 變壓器油樣進(jìn)行固相萃取。經(jīng)過活化、上樣、洗脫后收集BTA 洗脫液。隨后將BTA洗脫液滴在SERS基底微腔內(nèi)，待液滴干燥后進(jìn)行SERS檢測。

圖1 基于木質(zhì)素-有機(jī)黏土復(fù)合水凝膠固相萃取-SERS聯(lián)用技術(shù)現(xiàn)場檢測變壓器油中BTA的示意圖Fig.1 Scheme of field detection of BTA in transformer oil based on lignin-organclay composite hydrogel solid phase extraction and SERS combined technology

1.2.1 木質(zhì)素-有機(jī)黏土復(fù)合水凝膠的制備將4%（w/v）的脫堿木質(zhì)素與6%（w/v）的硅藻土混合，溶解于10 mL 去離子水中，室溫攪拌30 min。溶解后，加入1% ～3%（w/v）的丙烯酸（AA），磁力攪拌30 min。稱取0.5% ～3%（w/v）的引發(fā)劑過硫酸銨和0.125% ～1%（w/v） 的交聯(lián)劑N’N-亞甲基雙丙烯酰胺，攪拌均勻后倒入模具中，水浴50 ℃即可得到木質(zhì)素-有機(jī)黏土復(fù)合凝膠。將水凝膠在去離子水中浸泡24 h，去除多余試劑，隨后置于室溫下保存。

1.2.2 SERS 基底的制備及表征SERS 基底的制備：將0.5 mL的1.0% HAuCl4·3H2O 加入500 mL 去離子水中，再加入1.5 mL 11.4 mg/mL的檸檬酸鈉溶液和0.5 mL 0.8 mg/mL的硼氫化鈉溶液，合成尺寸為5 nm 的金種溶液。取3.5 mL金種溶液浸泡處理過的帶有微腔陣列的硅片3 h，取出，加入2 mL去離子水，300 μL 0.2% HAuCl4·3H2O 和150 μL 鹽酸羥胺，使用混勻儀以1500 r/min振動15 min 后取出，用去離子水洗凈后，加入2 mL 去離子水、75 μL 的0.2% HAuCl4·3H2O 和37.5 μL 的鹽酸羥胺生長第二次，將得到的SERS基底于室溫下避光保存。

SERS基底的表面清潔和表征：配制10-2mol/L的KI溶液，將基底在2 mL KI溶液中浸泡20 min后取出，完成KI的清潔。使用對巰基苯甲酸為拉曼探針，將基底浸泡在5×10-6mol/L的對巰基苯甲酸溶液中30 min后取出，對SERS基底的不同微腔進(jìn)行多次SERS檢測，考察其重復(fù)性。

1.2.3 變壓器油樣處理及固相萃取樣品的配制：將BTA 溶于變壓器油中配成1、10、50、100、250、500 mg/kg 的BTA 變壓器油樣。將不同含量的BTA 變壓器油樣用正己烷稀釋后得到BTA 變壓器油稀釋液。

固相萃取：準(zhǔn)備3 mL 的固相萃取小柱和兩個篩板，將0.4～1.2 g 的DAL/DE 水凝膠填充至固相萃取柱中。將小柱固定在樣品臺上，加入一柱管體積的活化劑使水凝膠充分潤濕。將不同含量的BTA 變壓器油稀釋液上樣，流速不超過5 mL/min。待樣品完全流過后用少量正己烷淋洗。最后，使用1 mL洗脫劑將BTA從水凝膠中洗脫，留樣待測。

1.2.4 變壓器油中BTA 萃取液的高效液相色譜分析使用高效液相色譜優(yōu)化水凝膠的制備條件。色譜柱為Shimadzu Shim-pack GIST C18（4.6 mm×250 mm），粒徑5 μm；流動相A 為0.1%甲酸水溶液，B為乙腈。使用30% A 和70% B 等度洗脫，流速為1 mL/min，柱溫為40 ℃，進(jìn)樣量為20 μL，檢測波長：273 nm。

1.2.5 變壓器油中BTA 萃取液的SERS 檢測吸取0.4 μL 萃取液，滴在SERS 基底的微孔陣列中，待液滴干燥后使用便攜拉曼光譜儀測試，其功率為518 mW，激光器波長為785 nm，測試范圍為200～2 000 cm-1，激光強(qiáng)度10%，積分時間1 s，積分次數(shù)1次。

2 結(jié)果與討論

2.1 木質(zhì)素-有機(jī)黏土復(fù)合水凝膠的制備與表征

2.1.1 固形物種類和含量對水凝膠形貌的影響有機(jī)黏土具有粗糙起伏的表面，所制備的水凝膠具有較高的比表面積［19］。不同種類的木質(zhì)素和有機(jī)黏土制備的水凝膠的SEM 圖像如圖2A～E所示。除AL/MMT 復(fù)合水凝膠為致密的多層結(jié)構(gòu)外，其余復(fù)合水凝膠均具有多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。與其他的水凝膠相比，DAL/DE復(fù)合水凝膠有更多的孔隙和空穴，有利于增加待測樣在水凝膠中的滲透和吸附。

圖2 不同木質(zhì)素-有機(jī)黏土水凝膠的掃描電鏡圖像（A-E）及總固形物含量對成凝膠時間的影響（F）Fig.2 SEM images of different lignin-organoclays hydrogels（A-E） and effects of different solids content on gel formation time（F）

DAL 和DE 的添加量影響DAL/DE 復(fù)合水凝膠的狀態(tài)。調(diào)整DAL 和DE 總固形物含量分別為5%、10%、15%、20%、30%，制得的DAL/DE 復(fù)合水凝膠的成凝膠時間如圖2F 所示。隨著固形物含量的增加，成凝膠的時間延長，部分DAL和DE不再交聯(lián)。綜合考慮成凝膠時間和凝膠狀態(tài)，選擇DAL/DE復(fù)合水凝膠的固形物含量為10%，該條件下15 min內(nèi)即可成凝膠。

2.1.2 木質(zhì)素-有機(jī)黏土復(fù)合水凝膠制備條件優(yōu)化以商品化的木質(zhì)素為固定相時的最優(yōu)前處理條件為：3 mL正己烷活化小柱，將BTA 變壓器油樣稀釋2倍，1 mL無水乙醇洗脫［20］。為考察木質(zhì)素與有機(jī)粘土復(fù)合水凝膠的萃取效果，以不同條件下制備的水凝膠為填料，含BTA 的變壓器油為樣品在以上條件下進(jìn)行固相萃取，使用高效液相色譜對萃取效率進(jìn)行評價。

DAL 可吸附BTA 而不改變其結(jié)構(gòu)。如圖3A 所示，隨著DAL 用量的增加，水凝膠對BTA 的吸附量增大，這是由于DAL 用量增加，其—OH 基團(tuán)含量提高，使得水凝膠對BTA 的吸附量增加；繼續(xù)增大DAL的用量，則會對水凝膠的交聯(lián)度產(chǎn)生影響。因此，DAL用量為4%時制備的水凝膠對BTA的萃取效果最好。在水凝膠制備過程中，AA 提供單體聚合，APS 為引發(fā)劑，并在加熱時與AA 單體的自由基反應(yīng)，發(fā)生鏈的生長。隨后交聯(lián)劑MBA 和聚合物鏈發(fā)生反應(yīng)，生成水凝膠的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［21-23］。AA、APS、MBA 對DAL/DE 水凝膠萃取量的影響如圖3B～D 所示，當(dāng)DAL 用量為4%，添加2.5%的AA，0.75%的APS和0.25%的MBA時，所制備的DAL/DE復(fù)合水凝膠對變壓器油中BTA的吸附效果最佳。

圖3 DAL（A）、AA（B）、APS（C）、MBA（D）的添加量對DAL/DE復(fù)合水凝膠萃取BTA的影響Fig.3 Effects of DAL（A） ，AA（B），APS（C） ，MBA（D） on the extraction of BTA by DAL/DE composite hydrogel inset：optical photographs of DAL/DE composite hydrogels with different amounts of DAL

2.1.3 木質(zhì)素-有機(jī)粘土復(fù)合水凝膠的表征DAL/DE水凝膠的傅里葉變換紅外光譜（FTIR）如圖4A所示，純DE 的特征波段1085 cm-1處表現(xiàn)為有機(jī)黏土SiO4四面體Si—O—Si 鍵的伸縮振動，798 cm-1處為Si—O 的彎曲振動峰［24］。DAL的紅外光譜曲線中2935 cm-1和1037 cm-1處對應(yīng)木質(zhì)素單元CH2的C—H 伸縮振動和芳香核的C—H 面外彎曲振動，1600 cm-1處表示芳香環(huán)的振動吸收峰和C=O 的伸縮振動，1176 cm-1處為C—O振動［25］。DAL/DE水凝膠的光譜曲線具有以下特征：（1）3356～3650 cm-1范圍出現(xiàn)較寬的羥基（O—H）伸縮振動。（2）798 cm-1處出現(xiàn)DE 的特征峰，表明黏土層在水凝膠中分散良好。（3）1085 cm-1處DE 的特征峰消失，表現(xiàn)為木質(zhì)素單元的波段；1600 cm-1處木質(zhì)素的C=O 伸縮振動峰偏移至1709 cm-1處，表現(xiàn)為共軛酯鍵的吸收和非共軛的C=O伸縮振動。因此，紅外光譜分析證明DAL/DE水凝膠成功制備。

圖4 DAL/DE水凝膠的紅外光譜圖（A）、熱重分析（B）、 X射線衍射圖（C）和溶脹率（D）Fig.4 FTIR（A），TGA（B），X-ray diffraction spectra（C） and swelling rate（D） of DAL/DE hydrogel

熱重分析（TGA）可反映水凝膠的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。DAL/DE 水凝膠樣品的熱重曲線（圖4B）分為3 個階段。室溫到157 ℃發(fā)生第一次降解，主要為水對木質(zhì)素和硅藻土物理吸附的脫除，失重后殘余92.17% ～95.64%；第二次小失重出現(xiàn)在250～300 ℃之間，可能是由于木質(zhì)素和硅藻土的交聯(lián)斷裂，失重后殘余65.63%；第三次熱解發(fā)生在380～470 ℃，水凝膠產(chǎn)物中的木質(zhì)素逐漸分解，同時MMT 和DAL 交聯(lián)的羥基被去除，此時失重殘余為25.98%。TGA 分析表明，DAL/DE 水凝膠在150 ℃下非常穩(wěn)定，仍具有90%以上的質(zhì)量。

干燥后DAL/DE 水凝膠粉末的XRD 譜圖如圖4C所示。木質(zhì)素是一種無定形材料，無衍射峰［26］。2θ為22.03°處的特征衍射峰為硅藻土的二氧化硅［27］。說明硅藻土很好地結(jié)合于DAL/DE 水凝膠中。 DAL/DE水凝膠的溶脹曲線如圖4D所示，其溶脹率在0～12 h呈線性增加，之后緩慢增加，并在30 h后趨于穩(wěn)定，達(dá)到溶脹平衡狀態(tài)。此時水凝膠的溶脹率為626%，說明水凝膠的吸水溶脹性能良好。

2.2 SERS基底的制備及表征

以原位生長法制備的微腔陣列SERS 基底提供了“熱點(diǎn)”，但是使用的表面活性劑和還原劑可能會殘留在基底表面，造成背景干擾。使用KI對SERS基底進(jìn)行清潔，由圖5A可以看出，10-2mol/L的KI即可消除基底背景信號。以5×10-6mol/L 的對巰基苯甲酸作為信號分子，對SERS 基底的不同微腔進(jìn)行SERS檢測，考察清潔后SERS基底的重復(fù)性。由圖5B、C可以看出，對巰基苯甲酸在1080 cm-1處的特征峰強(qiáng)度在小范圍內(nèi)浮動，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）為7.6%，表明SERS基底的重復(fù)性良好。

圖5 KI清潔前后的SERS信號變化（A），不同SERS基底微腔內(nèi)的對巰基苯甲酸的拉曼光譜（B）及其在1 080 cm-1處的SERS強(qiáng)度直方圖（C）Fig.5 SERS signal changes before and after KI cleaning（A）；Raman spectra of 4-mercaptobenzoic acid in different SERS substrate microcavities（B）；histogram of SERS intensity at 1 080 cm-1 in B（C）

2.3 固相萃取條件的優(yōu)化

2.3.1 活化劑的影響在水凝膠填料1.0 g，BTA油樣3 mL（使用6 mL正己烷稀釋后上樣），洗脫劑為1 mL 無水乙醇條件下，考察了不同活化劑（正己烷、水、甲醇）對固相萃取效果的影響。如圖6A 所示，以水作為活化溶劑時的萃取效果最佳，這是因?yàn)樗苁顾z內(nèi)部結(jié)構(gòu)舒展開并保持柱體濕潤。因此選擇水為固相萃取活化劑。

圖6 活化劑種類（A）、稀釋倍數(shù)（B）、填料用量（C）、洗脫劑種類（D）的影響Fig.6 Effcets of type of activator（A），dilution multiple（B），amount of filler（C），type of eluent（D）

2.3.2 稀釋倍數(shù)的影響變壓器油粘度高，在萃取時會影響B(tài)TA進(jìn)入DAL/DE水凝膠內(nèi)部的速率。在活化劑為水，水凝膠填料質(zhì)量為1.0 g，洗脫劑為1 mL 無水乙醇條件下，考察了BTA 油樣稀釋倍數(shù)對萃取效果的影響。固定BTA 油樣為3 mL，將其分別溶解于0、3、6、9 mL（稀釋倍數(shù)分別為0、1、2、3）的正己烷中。如圖6B所示，未經(jīng)稀釋的BTA油樣的粘度較大，吸附質(zhì)難以到達(dá)吸附劑內(nèi)部，導(dǎo)致內(nèi)擴(kuò)散時間不足，萃取量少［28］。使用正己烷稀釋1 倍時，BTA 油樣達(dá)到合適的粘度，BTA 更容易在水凝膠內(nèi)部擴(kuò)散并快速占據(jù)吸附位點(diǎn)，萃取量增加；繼續(xù)稀釋時，相同流速下樣品需要更多的時間通過固相萃取小柱，導(dǎo)致吸附質(zhì)和吸附劑傳質(zhì)緩慢，萃取量減小。因此選擇以正己烷稀釋1倍。

2.3.3 填料量的影響固定活化溶劑為水，BTA 油樣3 mL，使用3 mL 正己烷稀釋后上樣，洗脫劑為1 mL乙醇，考察水凝膠填料的用量對萃取效果的影響。由圖6C可知，隨著DAL/DE 用量的增加，水凝膠對BTA 的吸附量先增加后減小，DAL/DE 用量為0.6 g 時的萃取效果最佳。這是因?yàn)檫m量增大DAL/DE 用量可以為BTA 提供更多的結(jié)合位點(diǎn)。然而繼續(xù)增加DAL/DE 用量，水凝膠占據(jù)的固相萃取小柱柱管體積更大，單位質(zhì)量吸附的BTA 的量減小，洗脫效率降低。因此選擇0.6 g的DAL/DE 填充至固相萃取小柱中。

2.3.4 洗脫劑的影響洗脫劑種類和用量直接影響目標(biāo)組分的洗脫效果。一般來說，極性越強(qiáng)，洗脫效果越好。選擇水凝膠填料的質(zhì)量為0.6 g，活化溶劑為水，BTA 油樣3 mL，使用3 mL 正己烷稀釋后上樣，考察了甲醇、乙醇、乙腈、乙酸4 種極性較強(qiáng)的溶劑的洗脫效果（圖6D）。由圖可見，乙酸洗脫的效果最好，這表明乙酸能更好地取代和切斷水凝膠腔中吸附的BTA 之間的相互作用，脫附效果最強(qiáng)［29］。因此，選擇乙酸作為洗脫溶劑。

2.3.5 BTA 油樣體積的影響固定DAL/DE 用量為0.6 g，活化溶劑為水，洗脫劑為1 mL 乙酸。考察了最佳萃取條件下，DAL/DE 對500 mg/kg BTA 的萃取情況。由圖7A、B 可知，隨著油樣體積的增加，DAL/DE 的吸附結(jié)合位點(diǎn)逐漸飽和，對BTA 的萃取量趨于平緩。為縮短固相萃取時間，在定量分析時選擇8 mL的BTA變壓器油樣上樣。

圖7 DAL/DE水凝膠對不同體積BTA油樣萃取的SERS圖（A）及其在776 cm-1處的拉曼強(qiáng)度（B），不同含量BTA的SERS光譜（C）及校正曲線（D）Fig.7 SERS spectra of DAL/DE hydrogel extraction of BTA oil samples of different volumes（A） and Raman intensity at 776 cm-1（B），SERS spectra of different contents of BTA（C） and the correction curve（D）

2.4 變壓器油中BTA的SERS檢測

使用水凝膠對不同含量的變壓器油樣中的BTA 進(jìn)行SERS 檢測，如圖7C、D 所示，隨著BTA 含量（x）的增加，其776 cm-1處特征峰的SERS 強(qiáng)度（y）逐漸增強(qiáng)，兩者在1～500 mg/kg 范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，回歸方程為y=23.86x+2199.45，相關(guān)系數(shù)為r2=0.9678。根據(jù)3 倍置信因子計算得到其檢出限為0.28 mg/kg。說明使用固相萃取結(jié)合SERS檢測的方法具有良好的可行性。

3 結(jié) 論

本文以脫堿木質(zhì)素和硅藻土合成的DAL/DE 水凝膠作為固相萃取填料，利用固相萃取技術(shù)結(jié)合SERS 檢測建立了一種變壓器油中BTA 的快速檢測方法，有效解決了變壓器油中BTA 難以直接檢測的問題。結(jié)果表明，所建方法具有較好的準(zhǔn)確性和靈敏度，檢出限低至0.28 mg/kg。將其應(yīng)用于變壓器油中BTA 的檢測，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)HPLC 方法柱效低、時間長、操作復(fù)雜的不足。為實(shí)現(xiàn)變壓器油中BTA的現(xiàn)場檢測提供了新方法。