CN106770797A

CN106770797A - 一种基于羧基化纳米碳球材料的水中全氟酸类污染物的分析方法

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Publication number: CN106770797A
Application number: CN201710056210.6A
Authority: CN
Inventors: 赵汝松; 张颖; 王霞; 王晓利; 王珊珊
Original assignee: Shandong Analysis and Test Center
Current assignee: Shandong Analysis and Test Center
Priority date: 2017-01-25
Filing date: 2017-01-25
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2037-01-25
Also published as: CN106770797B

Abstract

本发明公开了一种基于羧基化纳米碳球材料的水中全氟酸类污染物的分析方法，它解决了现有的商品化的固相萃取吸附剂种类有限，对许多污染物，特别是极性较大的环境污染物难以找到合适的吸附剂材料的技术问题，具有前处理过程简单快速、操作安全，且方法的灵敏度高，结果可靠，满足检测要求，可实现环境样品中全氟酸类污染物的快速分析。该分析方法用到的固相萃取柱包括固相萃取柱壳体、填充在固相萃取柱壳体内部的羧基化纳米碳球以及盖合在固相萃取柱壳体两端的筛板。

Description

一种基于羧基化纳米碳球材料的水中全氟酸类污染物的分析方法

技术领域

本发明涉及环境监测领域，特别涉及一种基于羧基化纳米碳球材料的水中全氟酸类污染物的分析方法。

背景技术

目前，已有的研究表明，全氟酸类污染物会通过不同的途径进入到环境介质中，全氟酸类化合物是一类新型的含氟有机化合物，具有生殖毒性、发育毒性、诱变毒性、免疫毒性、神经毒性、免疫毒性等多种毒性；这类化合物还具有较高的化学稳定性和生物惰性，难以在环境中以及生物体内降解，并具有很强的生物累积性，当前全氟酸类化合物已成为全球性的污染物。全氟辛基磺酸及其盐已被正式列入《斯德哥尔摩公约》持久性有机污染物的名单之中。

在分析环境样品之前，通常需要对环境样品进行样品预处理。已有的液液萃取和索氏萃取等样品前处理方法具有费时、费力且需要大量高纯有机溶剂等缺点。为了克服这些缺点，固相萃取作为一种新型的样品前处理技术被发展起来，与液液萃取相比，这种技术具有更高的回收率和富集倍数、更少的溶剂消耗并且易于操作等优点。但在固相萃取的发展过程中也遇到一些技术难题，如商品化的固相萃取吸附剂种类有限，对许多污染物，特别是极性较大的环境污染物难以找到合适的吸附剂材料。

纳米碳球因其密度低、比表面积大、化学和热稳定性高、表面渗透性好、导电和导热性好等优点，使得这种材料在诸多领域得到广泛应用。但是，纳米碳球由于其固有的惰性表面和非极性性质而受到很多限制。因此，筛选廉价且能高效富集极性环境污染物的固相萃取新材料是非常必要的。

综上所述，现有技术中对于环境水中的全氟酸类污染物的分析检测，尚缺乏有效的解决方案。

发明内容

为了解决上述现有技术的不足，本发明提供了一种羧基化纳米碳球固相萃取柱，包括固相萃取柱壳体、填充在固相萃取柱壳体内部的羧基化纳米碳球以及盖合在固相萃取柱壳体两端的筛板。

在纳米碳球的表面上引入羧基后产生羧基化纳米碳球，改善了纳米碳球具有的惰性表面和非极性性质，并且保留了纳米碳球密度低、比表面积大、化学和热稳定性高、表面渗透性好、导电和导热性好等优点，是一种优良的固相萃取材料，尤其适合于全氟酸类等极性较大的环境污染物的固相萃取，具有更高的回收率和富集倍数、更少的溶剂消耗且易于操作。

进一步的，固相萃取柱柱容积与羧基化纳米碳球的比例为6:250-350，ml：mg。当将300g左右的羧基化纳米碳球替换固相萃取柱中原有的填料制备的得到的固相萃取柱在综合成本和萃取效率方面是最佳的，既保证了足够的萃取效率，成本又不至于太高。

为了解决上述现有技术的不足，本发明还提供了一种上述羧基化纳米碳球固相萃取柱的制备方法，包括如下步骤：

将羧基化纳米碳球填充在固相萃取柱管内部，将筛板固定在羧基化纳米碳球填料的上端以固定柱中的羧基化纳米碳球，然后将萃取柱的下端与真空泵连接，上端与软管的一端连接，软管的另一端浸入水样中。

启动真空泵(产生负压)，即可将样品溶液吸入羧基化纳米碳球固相萃取柱中进行固相萃取，具有萃取高效、萃取速度可调的优势。

为了解决上述现有技术的不足，本发明还提供了一种上述羧基化纳米碳球固相萃取柱进行水样中全氟酸类污染物的萃取方法，包括如下步骤：

1)用水和pH值为9-10的丙酮活化羧基化纳米碳球固相萃取柱；

2)将水样以设定流速流过羧基化纳米碳球固相萃取柱；

3)水样通过后，用蒸馏水清洗羧基化纳米碳球固相萃取柱，以除去吸附的杂质；

4)将羧基化纳米碳球固相萃取柱处于负压条件下设定时间，然后用pH值为9-10的丙酮对吸附的全氟酸类污染物进行洗脱；

5)将洗脱液在25-35℃下用氮气吹干，然后用pH值为4-5的甲醇复溶，并涡旋设定时间，得到用于后续分析处理的分析样品。

为了让样品溶液顺利通过固相萃取柱，萃取时要让羧基化纳米碳球固相萃取柱处于负压条件下。同时，为了减少全氟酸类化合物的损失，在25-35℃低温下用氮气吹干；另外由于pH值为4-5的甲醇对全氟酸类化合物溶解性好且挥发性较差，适合作为试剂进行复溶。

进一步的，步骤1)中，水和丙酮的体积比为1:0.8-1.2。使用水和丙酮对萃取柱进行活化时，先用水再用丙酮进行活化。

进一步的，步骤2)中，所述水样的预处理方法是：将水样经0.45μm的微孔膜过滤后，存储于干净的棕色玻璃瓶中，并置于4℃下保存。将水样进行过滤，可以除去水样中悬浮的固体杂质和部分微生物，降低水样中的杂质对检测的干扰作用。

进一步的，步骤4)中，萃取柱处于负压条件下的时间为3-4min。

进一步的，步骤5)中，涡旋的时间为1-2min。

一种基于羧基化纳米碳球材料的水中全氟酸类污染物的分析方法，包括如下步骤：

1)对水样进行采集和预处理；

2)利用填充有羧基化纳米材料固相萃取柱利用上述萃取方法对预处理后的水样进行固相萃取，得到分析样品；

3)将步骤2)中得到的分析样品用液相色谱-串联四级杆质谱进行分析。

进一步的，液相色谱的色谱条件为：色谱柱Agilent DXB C18柱(150mm×2.1mm，3.5μm)；柱温箱：40℃；流速：0.4ml/min；进样体积为10μL；流动相：A为5mmol/L乙酸铵缓冲液，B为甲醇；洗脱梯度：0-1.0min，10％B；1.1-1.5min，10％-40％B；1.6-12.0min，40％-95％B；12.1-13.0min，95％B；13.1-17min，10％B。

进一步的，MS/MS的分析参数设置如下：气帘气：35psi；离子喷雾电压设定为-4500V；离子源温度设定为550℃；雾化气设定为50psi；涡轮增压气设定为50psi；碰撞气和雾化气为氮气。

本发明的有益效果为：

本发明中将羧基化纳米碳球作为填料，制备了固相萃取柱，并利用该固相萃取柱对水样中的全氟酸类污染物进行固相萃取，并利用液相色谱-串联质谱的方法进行检测。该方法前处理过程简单快速、操作安全，且方法的灵敏度高，结果可靠，满足检测要求，可实现环境样品中全氟酸类污染物的快速分析。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为羧基化纳米碳球的扫描电镜图；

图2为纳米碳球与羧基化纳米碳球的红外色谱图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明中涉及的相关的术语解释如下：

筛板：即为多孔板，可以允许水样等流体通过。本文中对筛板的孔径的要求是小于羧基化纳米碳球的平均粒径，如果对水样的流动阻力在可接受范围内，筛板的孔径应小于羧基化纳米碳球的最小粒径，以防止羧基化纳米碳球的流失。

固相萃取柱壳体，即为普通固相萃取柱除去内部填料的部分，为一个中空的壳体，在本文中命名为固相萃取柱壳体。

真空泵是一种利用机械、物理、化学、物理化学等方法对容器进行抽气，以获得和维持真空的装置。

涡旋，是一种半径很小的圆柱在静止流体中旋转引起周围流体作圆周运动的流动现象。

仪器与试剂

固相萃取装置(JTCQ-12D杭州聚同电子有限公司)；羧基化纳米碳球(南京吉仓纳米科技有限公司)；全氟癸酸(PFDA)、全氟壬酸(PFNA)、全氟辛酸(PFOA)、全氟庚酸(PFHpA)、全氟己烷磺酸(PFHxS)和全氟辛烷磺酸盐(PFOS)、的标准品(纯度均大于98％)购于上海安谱实验科技股份有限公司；甲醇、丙酮(韩国DUKSAN公司)；氨水、乙醇(国药集团化学试剂有限公司)；无水甲酸、结晶乙酸胺(天津市科密欧化学试剂有限公司)。

Thermo U3000超高效液相色谱仪-SCIEX QTRAP 5500三重四极杆串联质谱仪；色谱柱Agilent DXB C18柱(150mm×2.1mm，3.5μm)；柱温箱：40℃；流速：0.4ml/min；进样体积为10μL；流动相：A为5mmol/L乙酸铵缓冲液，B为甲醇；洗脱梯度：0-1.0min，10％B；1.1-1.5min，10％-40％B；1.6-12.0min，40％-95％B；12.1-13.0min，95％B；13.1-17min，10％B。MS/MS分析其参数设置如下：气帘气：35psi；离子喷雾电压设定为-4500V；离子源温度设定为550℃；雾化气设定为50psi；涡轮增压气设定为50psi。碰撞气和雾化气为氮气。其每种化合物的采集方法参数见表1。

固相萃取柱的制作

羧基化纳米碳球固相萃取柱的制作步骤如下：将6ml固相萃取柱填料倒空后，填入300mg羧基化纳米碳球，将筛板固定在固相萃取柱的上端以固定柱中的羧基化纳米碳球。然后将萃取柱的下端与一个真空泵相连，上端与另一端浸入样品溶液中的PTFE管相连。在使用之前，固相萃取小柱需用水和pH值为10的丙酮活化。

表1分析物的LC-MS/MS MRM数据采集方法

固相萃取

先用5ml水和5ml pH值为10的丙酮活化羧基化纳米碳球固相萃取柱，然后使100ml样品溶液以最佳流速通过萃取柱。待样品溶液通过后，用5ml水清洗萃取柱，以除去吸附的样品杂质。然后将萃取柱在负压下3min，接着用7ml pH值为10的丙酮将吸附在萃取柱上的全氟酸类污染物洗脱下来，将洗脱液在30℃下用氮气吹干，加入1ml pH值为4的甲醇复溶，并涡旋1min，然后用液相色谱-串联四极杆质谱进行分析。

水样的采集及预处理

采集桶装饮用水、自来水和池塘水作为实际样品。桶装水为济南普利思矿泉水有限公司桶装饮用水；自来水取自山东省分析测试中心实验室；池塘水取自山东省分析测试中心后面的池塘。所有的水样经0.45μm的微孔膜过滤后，存储于干净的棕色玻璃瓶中，并置于4℃下保存。

结果与分析

羧基化纳米碳球的表征

试验中所使用的羧基化纳米碳球的比表面积为248.6m²/g，从其扫描电镜图(图1)可以看出这种材料的粒径大多在200～500nm之间。图2为纳米碳球(a)与羧基化纳米碳球(b)的红外色谱图：被处理过的纳米碳球(b)在1710cm-¹处的吸收峰证明了C＝O的存在，而1410和1600cm-¹处的吸收峰是由COO-官能团的对称和非对称伸缩振动引起的。这些有力的证明了纳米碳球上羧基的存在。经分析，羧基化纳米碳球上羧基的含量为4.67％。

实验条件优化

为了评价羧基化纳米碳球作为固相萃取吸附剂材料用于富集水中全氟类污染物的可行性，选择全氟癸酸(PFDA)、全氟壬酸(PFNA)、全氟辛酸(PFOA)、全氟庚酸(PFHpA)、全氟己烷磺酸(PFHxS)和全氟辛烷磺酰基化合物(PFOS)作为目标物进行固相萃取试验。为了获得更高的萃取效率，对影响试验效果的几个重要因素如解吸溶剂的种类和体积、溶液pH值、样品流速、样品体积以及吸附剂的量进行了优化。在优化过程中，溶液中每种全氟化合物的浓度均为100ng L-¹。

解吸溶剂的种类和体积

解吸溶剂的种类是固相萃取过程中的一个重要因素。全氟酸类污染物是一类极性非常强的化合物，与羧基化纳米碳球作用强烈，从固相萃取柱上解吸下来非常困难，需要使用强极性的溶剂进行解吸附。在本实验中，选取了四种解吸溶剂(甲醇、pH值为10的甲醇、丙酮、pH值为10的丙酮)来比较它们的解吸效果。实验结果表明：解吸效果最好的是pH值为10的丙酮，其余依次为：pH值为10的甲醇、丙酮、甲醇。因此，在接下面的实验过程中，采用pH值为10的丙酮作为解吸溶剂。

在固相萃取过程中，解吸溶剂的体积也是一个重要的因素。为了获得最佳洗脱效果，选取了3ml、5ml、7ml、8ml、9ml的pH值为10的丙酮进行试验。试验结果表明：在3-7ml之间随着解吸溶剂体积的增加6种目标化合物的回收率逐渐增高，但在7-9ml范围内6种全氟酸类化合物的回收率保持不变。因此，在下面的试验中，选取7ml pH值为10的丙酮进行解析。样品溶液的pH值

样品溶液的pH值对目标化合物萃取效果的影响也举足轻重。考察了6种全氟酸类化合物在pH值为2、4、6、8和10时的萃取效果。试验结果表明：当样品溶液pH为2时，6种全氟酸类化合物的回收率最大；随着样品pH值的增加，它们的回收率逐渐降低，在pH值4～6范围内，回收率下降最快；当pH值为10时，6种全氟酸类化合物的回收率达到最低。因此，在后序的实验中样品溶液pH值选择为2。

样品溶液的流速

在固相萃取过程中，样品溶液的流速也会影响萃取效果：流速过大会使目标化合物来不及吸附而导致萃取效率下降，流速过小虽然会提高萃取效率但又会浪费萃取时间。在本发明中，考察了流速2～6ml min^-1对回收率的影响。试验结果表明：6种全氟酸类化合物的回收率随着样品溶液的流速增加而逐渐降低；在样品溶液的流速为6ml min^-1时，它们的回收率依然在85％以上，完全可以满足痕量分析的要求。因此，为了节省时间，在以后的试验中选择溶液流速为6ml min^-1。

吸附剂的量

吸附剂的量在整个固相萃取过程中起着至关重要的作用。本发明考察了不同羧基化纳米碳球的量(50、100、150、300和500mg)对萃取效果的影响。实验结果表明：随着羧基化纳米碳球的量不断增加，6种全氟酸类化合物的回收率也逐渐升高。考虑到实验成本及萃取效率，最终在整个实验过程中羧基化纳米碳球的质量选为300mg。

样品溶液的体积

样品体积是反应吸附剂保留分析物能力的重要参数。为了研究样品体积的影响，本发明考察了6种全氟酸类化合物的回收率在样品体积100～1000ml的变化。结果表明：在样品体积100～1000ml内，目标物的回收率没有明显的变化，均接近于100％。虽然使用大体积的样品可以提高灵敏度，但也相应地增加了样品前处理的时间。因此，为了节约时间，在以下实验中样品体积固定为200ml。

方法学参数

在优化条件下，方法的线性范围为0.5～200ngL^-1，相关系数R²为0.997～0.999。以信噪比S/N＝3计，6种全氟酸类化合物的检出限为0.05～4.98ngL^-1之间，低于文献报道的方法。日内和日间的相对标准偏差分别为3.70～8.80％和4.65～8.10％。

实际样品分析

为了评价上述方法的适用性，选择了三种环境水样，桶装水、自来水及池塘水，作为实际水样进行分析。在池塘水和自来水中均检测出了PFHxS和PFOS，但在桶装水中并未检测出。为了进一步验证该方法的准确性，分别对3种实际水样进行了三个不同浓度(100,50和10ng/L)的加标回收实验，得到的回收率范围为82.2～112.7％。结果表明，不同环境水样的基质效应对该方法没有显著的影响。以上实验结果表明该方法应用于实际水样中痕量全氟类化合物的分析是可行的。

表2环境水样中全氟类化合物的分析数据

^a加标浓度为10ng/L；

^b加标浓度为50ng/L；

^c加标浓度为100ng/L；

^dN.D.表示未检出。

本发明成功制备出了羧基化纳米碳球固相萃取柱，并采用这种羧基化纳米碳球固相萃取柱建立了固相萃取-液相色谱-串联质谱分析环境水样中6种全氟酸类污染物的新方法。该方法前处理过程简单快速，操作安全，且方法灵敏度高，结果可靠满足检测要求，可实现环境样品中全氟酸类污染物的快速分析。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种羧基化纳米碳球固相萃取柱，其特征在于：包括固相萃取柱壳体、填充在固相萃取柱壳体内部的羧基化纳米碳球以及盖合在固相萃取柱壳体两端的筛板。

2.根据权利要求1所述的羧基化纳米碳球固相萃取柱，其特征在于：固相萃取柱柱容积与羧基化纳米碳球的比例为6:250-350，ml：mg。

3.一种上述羧基化纳米碳球固相萃取柱的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

4.一种上述羧基化纳米碳球固相萃取柱进行水样中全氟酸类污染物的萃取方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)用水和pH值为9-10的丙酮活化羧基化纳米碳球固相萃取柱；

2)将水样以设定流速流过羧基化纳米碳球固相萃取柱；

5.根据权利要求4所述的萃取方法，其特征在于：步骤1)中，水和丙酮的体积比为1:0.8-1.2。

6.根据权利要求4所述的萃取方法，其特征在于：步骤4)中，萃取柱处于负压条件下的时间为3-4min。

7.根据权利要求4所述的萃取方法，其特征在于：步骤5)中，涡旋的时间为1-2min。

8.一种基于羧基化纳米碳球材料的水中全氟酸类污染物的分析方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)对水样进行采集和预处理；

9.根据权利要求8所述的分析方法，其特征在于：液相色谱的色谱条件为：色谱柱Agilent DXB C18柱(150mm×2.1mm，3.5μm)；柱温箱：40℃；流速：0.4ml/min；进样体积为10μL；流动相：A为5mmol/L乙酸铵缓冲液，B为甲醇；洗脱梯度：0-1.0min，10％B；1.1-1.5min，10％-40％B；1.6-12.0min，40％-95％B；12.1-13.0min，95％B；13.1-17min，10％B。

10.根据权利要求8所述的分析方法，其特征在于：MS/MS的分析参数设置如下：气帘气：35psi；离子喷雾电压设定为-4500V；离子源温度设定为550℃；雾化气设定为50psi；涡轮增压气设定为50psi；碰撞气和雾化气为氮气。