快速制备镍钛合金固相微萃取纤维及其与高效液相色谱联用测定环境水样中的紫外线吸收剂

甄 琦，金盼霞，张 敏，王会菊，王雪梅,2，杜新贞,2*

(1.西北师范大学 化学化工学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省生物电化学与环境分析重点实验室，甘肃 兰州 730070)

快速制备镍钛合金固相微萃取纤维及其与高效液相色谱联用测定环境水样中的紫外线吸收剂

甄 琦1，金盼霞1，张 敏1，王会菊1，王雪梅1,2，杜新贞1,2*

(1.西北师范大学 化学化工学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省生物电化学与环境分析重点实验室，甘肃 兰州 730070)

以镍钛合金丝为基体，通过酸处理方法制得具有大比表面积的固相微萃取(SPME)纤维氧化物涂层。将其与高效液相色谱联用，研究了氧化物涂层对芳香分析物的萃取性能。结果表明，该纤维对所选择的紫外线吸收剂具有良好的萃取效率和选择性。进一步优化了紫外线吸收剂2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮(BP-3)、2-乙基己基-4-甲氧基肉桂酸酯(EHMC)、4-(二甲氨基)苯甲酸-2-乙基己酯(OD-PABA)和2-乙基己基水杨酸酯(EHS)的萃取条件。方法在0.1～300 μg·L-1范围内具有良好的线性关系，检出限为0.025～0.097 μg·L-1，使用单支SPME纤维同日内和隔日内的精密度分别为4.9%～5.8%和5.5%～6.4%，使用不同批次SPME纤维的精密度为6.3%～7.1%。所建立方法已成功用于环境水样中目标紫外线吸收剂的富集分离和测定。该纤维制作快速简单、稳定性高，不同批次制作的重现性好。

固相微萃取(SPME)；高效液相色谱(HPLC)；紫外线吸收剂；富集；样品前处理

固相微萃取(SPME)是1990年初由Arthur和Pawliszyn提出的一个简单、微型、无溶剂、高效的样品预处理技术[1]，其萃取效率很大程度上取决于分析物在样品基体和萃取纤维涂层材料的分配系数，因此，SPME技术的核心部位是吸附分析物的纤维涂层。大多数商用萃取纤维是在熔融石英纤维上浸涂聚二甲基硅氧烷[2-4]、聚丙烯酸酯、聚乙二醇[5]等有机涂层，一些课题组也致力于在熔融石英纤维上开发萃取性能优良的涂层[6]。但是，熔融石英纤维存在易折断、涂层热稳定性较低和易脱落等缺点。因此，开发刚性好、热稳定性高和制备方法快速简单的SPME纤维在近20多年成为了SPME技术的研究热点，尤其是以不锈钢丝[7-9]、钛丝[10]、锌丝[11]、银丝[12]等为基体的金属纤维引起了重点关注。

镍钛合金具有优异的超弹性能、抗腐蚀能力和生物相容性，以镍钛合金为基体的SPME纤维在近10年成为商用石英纤维的良好替代品[13-15]。Pawliszyn等[13]首次将镍钛合金丝用于自动化SPME；Carasek等将二氧化锆电沉积到镍钛合金丝表面制备了SPME纤维，并用于对卤代苯甲醚的萃取[14]。此后，该课题组进一步通过溶胶-凝胶法在镍钛合金表面分别键合了聚二甲基硅氧烷和聚乙二醇，并成功将其分别用于水样中苯、甲苯、二甲苯、乙苯等的顶空萃取[15]和邻苯二甲酸酯类的萃取[16]；Sidisky等[17]将镍钛合金基商用SPME纤维与高效液相色谱(HPLC)联用分析测定了多环芳烃。由于利用镍钛合金丝直接制备SPME纤维的研究较少[18]。因此，对镍钛合金表面进行化学处理来快速直接制备SPME纤维值得进一步研究。

本文通过对镍钛合金表面进行酸处理，制备了具有大比表面积的镍钛合金SPME纤维，并与HPLC联用研究了其对多环芳烃(PAHs)、多氯联苯(PCBs)、邻苯二甲酸酯(PAEs)和紫外线吸收剂的萃取性能,优化了其对紫外线吸收剂的萃取条件。方法进一步用于实际水样中紫外线吸收剂的富集分离和测定，结果满意。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器(郑州长城科工贸有限公司)，场发射扫描式电子显微镜(SEM)，能量色散X-射线光谱仪(EDX，德国Zeiss公司)，盛德利超纯水系统(重庆市澳凯龙医疗器械研究有限公司)，Agilent 1260型高效液相色谱仪、G1314F可变波长紫外检测器和OpenLAB色谱工作站(德国Agilent公司)，C18反相色谱柱(5 μm，4.6 mm×150 mm)；SPME-HPLC接口(美国Supelco公司)。

镍钛合金丝(50.8% Ni，美国Alfa Aesar公司)，氢氟酸和氯化钠(分析纯，天津凯通化学工业有限公司)，硝酸(分析纯，烟台双双化工有限公司)，甲醇(色谱级，山东禹王化工公司)；标准试剂邻苯二甲酸二甲酯(DMP)、邻苯二甲酸二乙酯(DEP)、邻苯二甲酸二丁酯(DBP)、邻苯二甲酸二辛酯(DOP)、2,4,4′-三氯联苯(PCB-28)、2,4′,5-三氯联苯(PCB-31)、2,3′,4,4′,5-五氯联苯(PCB-118)、2,2′,4,4′,5,5′-六氯联苯(PCB-153)、2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮(BP-3)、2-乙基己基-4-甲氧基肉桂酸酯(EHMC)、4-(二甲氨基)苯甲酸-2-乙基己酯(OD-PABA)和2-乙基己基水杨酸酯(EHS)(美国AccuStandard公司)，标准试剂萘(Nap)、芴(Flu)、荧蒽(Fla)和苯并[a]芘(B[a]p)(美国Aldrich公司)。

1.2 实验方法

1.2.1 镍钛合金SPME纤维的制备 将镍钛合金丝用甲醇、丙酮和超纯水分别超声波清洗5 min，镍钛合金丝清洗后的一端插入氢氟酸-浓硝酸混合溶液(体积比1∶5)中，温度为30 ℃，5 min后取出镍钛合金丝，超纯水中清洗5 min，空气中自然干燥2 h。

1.2.2 SPME与HPLC联用 在20 mL萃取瓶中，加入15 mL样品溶液，用磷酸缓冲溶液调节pH值为7.0。在预设温度和搅拌条件下，将所制备的镍钛合金纤维直接浸入样品溶液进行SPME。待萃取完成后，取出SPME纤维插入SPME-HPLC接口中进行静态解吸。HPLC分析中，紫外线吸收剂、PCBs、PAEs和PAHs的流动相分别为体积比85∶15，90∶10，75∶25和90∶10的甲醇-水，流速为1 mL·min-1，紫外检测器对应的检测波长分别为310，254，280，254 nm。实验中每次萃取之前，镍钛合金纤维分别在甲醇和超纯水中进行清洗。

2 结果与讨论

2.1 镍钛合金SPME纤维的表面形貌

采用SEM对未处理和酸处理的镍钛合金丝表面形貌进行了表征。如图1所示，与未处理的镍钛合金丝(图1A)相比，酸处理后的镍钛合金丝(图1B)表面非常粗糙，有30～50 nm的颗粒物形成。通过EDX对镍钛合金丝表面元素组成进行表征，显示在未处理镍钛合金丝表面产生了Ni，Ti和O元素峰(图2A)，表明其表面形成一层钝化膜，通常可使镍钛合金丝具有优良的抗腐蚀性和生物相容性[19]；酸处理后，镍钛合金丝表面的O元素峰几近消失(图2B)，说明其表面钝化膜已基本清除，此时镍钛合金丝表面仅由Ni和Ti元素组成；由图2C可以看出，在空气中自然干燥后，镍钛合金丝表面又重新生成了一层新的Ni和Ti氧化物膜，但其表面微观结构得以保留(图1C)，这使得镍钛合金丝的比表面积极大，表面活性结合位点有利于样品溶液中目标分析物的富集与萃取。

图2 镍钛合金丝表面的EDX光谱Fig.2 EDX spectra of Ni-Ti alloy wire surfaceA：original Ni-Ti alloy wire；B：pretreated Ni-Ti alloy wire；C：pretreated Ni-Ti alloy wire after drying in air

图3 不同芳香族化合物的HPLC和SPME-HPLC色谱图Fig.3 Typical chromatograms of direct HPLC and SPME-HPLC with the prepared Ni-Ti alloy fiber for different aromatic compound direct HPLC：a.UV filters，c.PCBs，e.PAEs，g.PAHs;SPME-HPLC：b.UV filters，d.PCBs，f.PAEs,h.PAHs；concentration of each analyte in spiking water is 100 μg·L-1

2.2 萃取效率与选择性

以紫外线吸收剂、PCBs、PAHs和PAEs作为模型分析物，考察了所制备镍钛合金SPME纤维的萃取性能。如图3所示，当温度为25 ℃、搅拌速率为200 r·min-1、萃取时间为20 min，解吸时间为3 min时，该纤维对于紫外线吸收剂(BP-3，OD-PABA，EHMC和EHS)(图3b)具有较好的萃取能力，但对于PCBs(PCB-28，PCB-31，PCB-118和PCB-153)(图3d)和PAEs(DMP，DEP，DBP和DOP)(图3f)几乎无萃取能力；对于PAHs(Nap，Flu，Fla和B[a]p)(图3 h)，该纤维具有较低的萃取效率，且对不同分子量的PAHs萃取能力有显著差异，表现出一定的萃取选择性。这可能是由于酸处理之后形成的氧化物表面上有路易斯酸性位点，对具有路易斯碱性基团的弱极性芳香族化合物具有强亲合作用。在后续实验中，以紫外线吸收剂为目标分析物，研究和优化了所制备镍钛合金SPME纤维的萃取性能。

2.3 SPME条件的优化

采用色谱峰面积考察了不同萃取条件下镍钛合金SPME纤维对紫外线吸收剂BP-3，OD-PABA，EHMC和EHS的萃取性能，样品浓度均为50 μg·L-1。2.3.1 温度的影响 温度在SPME过程中对于萃取效率具有双重影响。升温虽然可以增加扩散速率，但会减小目标分析物在纤维表面和水相中的分配系数[20]。研究结果显示，萃取效率在25 ℃时最优。

2.3.2 萃取时间与解吸时间的影响 SPME过程是平衡萃取过程，待测物达到吸附平衡前，吸附量与萃取时间有很大关系[21]。考察了萃取时间对萃取效率的影响，结果显示，30 min内BP-3，EHS，OD-PABA和EHMC达到萃取平衡。进一步实验表明，在流动相中静态解吸80 s时达到解吸平衡，而且可确保该纤维二次解吸无记忆效应。

2.3.3 搅拌速率的影响 考察了搅拌速率对目标分析物萃取效率的影响。结果表明，搅拌速率为300 r·min-1时，萃取效率达到最大。

2.3.4 离子强度的影响 选取浓度为5%～25%的NaCl溶液，考察了不同盐浓度对萃取效率的影响。研究结果显示，增强体系的离子强度，可显著增大所制备纤维对目标分析物的萃取效率，但离子强度过高时，溶液黏度增大，反而使SPME萃取头对目标分析物的萃取效率减小。实验选取NaCl的最佳浓度为20%。2.3.5 pH值的影响 考察了溶液pH值对萃取效率的影响。结果显示，当pH值为7.0时，目标紫外线吸收剂能以未解离形式存在于溶液中，此时可获得该纤维的最大萃取效率。

2.4 线性范围、精密度与检出限

考察了所建立方法的线性关系、回收率以及检出限等参数。从表1可以看出，该方法具有良好的回收率、精密度和低的检出限。所制备的3批次镍钛合金基纤维具有很好的重现性，使用单支SPME纤维同日内和隔日内的精密度分别为4.9%～5.8%和5.5%～6.4%，使用不同批次SPME纤维的精密度为6.3%～7.1%。

表1 方法的线性范围、相关系数、回收率、相对标准偏差及检出限(n=3)Table 1 Linear range，correlation coefficient(r)，recovery，relative standard deviation(RSD) and limit of detection(LOD) of the proposed method(n=3)

2.5 实际水样的测定

近年来，由于臭氧层的不断破坏，紫外线辐射量不断增加，因此，人工合成紫外线吸收剂已广泛应用于化妆品、洗涤剂、护发产品和针织物的处理中[22]，以保护人体免受过量紫外线的损伤。因此，各类合成紫外线吸收剂也随生活污水以新型环境污染物排入环境水体中。但是，该类环境污染物浓度水平极低且基体复杂，需要对其富集分离后方能用常规仪器检测。 为了验证该纤维与HPLC联用分析检测水样中目标紫外线吸收剂的可行性，对当地不同环境水样进行了采集和检测，分析结果列于表2。该方法的加标回收率为82.2%～103%，精密度(RSD)为6.1%～9.6%，表明该方法具有良好的加标回收率和重现性，所制备的镍钛合金纤维对样品具有较好的净化作用，可用于实际环境水样中目标紫外线吸收剂的富集分离和检测。

表2 不同环境水样中紫外线吸收剂的测定(n=3)Table 2 Determination of UV filters in different environmental water samples(n=3)

ND：no detected

3 结 论

本文通过酸处理制备了具有大比表面积的镍钛合金SPME纤维，并显示出对目标紫外线吸收剂的良好萃取效率和选择性。该纤维制作快速简单、稳定性高，不同批次制作的重现性好。以此萃取纤维所建立的SPME-HPLC方法，适用于对实际环境水样中目标紫外线吸收剂的富集分离与检测。而且，镍钛合金基纤维的使用寿命长，所以，镍钛合金丝是一种具有发展前景的SPME候选基体纤维，可在镍钛合金丝表面直接组装不同吸附涂层，从而为SPME技术提供了多样化选择。

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Determination of Ultraviolet Filters in Environmental Water Samples Using Rapidly Prepared NiTi Alloy Based Solid Phase Microextraction Fiber Coupled with High Performance Liquid Chromatography

ZHEN Qi1，JIN Pan-xia1，ZHANG Min1，WANG Hui-ju1，WANG Xue-mei1,2，DU Xin-zhen1,2*

(1.College of Chemistry and Chemical Engineering，Northwest Normal University，Lanzhou 730070，China；2.Key Lab of Bioelectrochemistry & Environmental Analysis of Gansu，Lanzhou 730070，China)

A new fiber coating with a large specific surface area was prepared by direct acid pretreatment of NiTi alloy wire.The extraction performance of the prepared fiber was evaluated by high performance liquid chromatography(HPLC) using aromatic compounds as model analytes .Good extraction efficiency and selectivity were achieved for different types of ultraviolet filters.The key parameters influencing the extraction efficiency were optimized for 2-hydroxy-4-methoxybenzophenone(BP-3)，2-ethylhexylp-methoxycinnamate(EHMC)，2-ethylhexyl 4-(dimethylamino)benzoate(OD-PABA) and 2-ethylhexyl 2-hydroxybenzoate(EHS).Under the optimized conditions，the linearity was obtained in the range of 0.1-300 μg·L-1.The limits of detection ranged from 0.025 μg·L-1to 0.097 μg·L-1.The intra-day and inter-day precisions for the proposed method with the single fiber were in the ranges of 4.9%-5.8% and 5.5%-6.4%，respectively.Its fiber-to-fiber reproducibility ranged from 6.3% to 7.1%.The proposed method was successfully applied in the concentration and determination of target UV filters in environmental water samples.The resulting fiber is very stable in SPME procedure,and could be rapidly prepared in a highly reproducible manner.

solid phase microextraction(SPME)；high performance liquid chromatography(HPLC)；ultraviolet filters；enrichment；sample preparation

10.3969/j.issn.1004-4957.2017.03.012

2016-09-28；

2016-11-14

国家自然科学基金项目(21265019)

O657.72;TQ314.257

A

1004-4957(2017)03-0367-05

*通讯作者：杜新贞，博士，教授，研究方向：环境分析化学，Tel：0931-7970796，E-mail：duxz@nwnu.edu.cn