蒙素仟 ，刘博 , ，赵嘉辉，张傲，赖华杰 , *

1. 中国科学院广州化学研究所，广东 广州 510650；2. 中科检测技术服务（广州）股份有限公司，广东 广州 510650；3. 中科广化（重庆）新材料研究院有限公司，重庆 400714

随着人类科技以及工农业的快速发展，人们赖以生存的生态环境污染日趋严重。为监测环境中污染物的排放及管控需求，环境检测行业紧跟步伐快速发展（Karlsson et al.，2016；Clark et al.，2020；肖烨，2020）。联苯胺和三聚氰胺被广泛应用于化工、印染等行业，在地表水频有检出（曹向禹，2013；李恒等，2021）。联苯胺具有强烈的致癌作用，可通过人类的呼吸道、皮肤、肠胃道渗入并诱导身体发生癌变；三聚氰胺以 2008年三鹿奶粉事件走进大众的视野，长期被动摄入对肾脏、肝脏造成负担（丛小明，2012；吴红岩等，2019）。因此，对这类胺类有机污染物的检测方法的研究具有非常重要的意义。

环境中的有机污染物因基质复杂或含量低，通常需要进行净化、提取、浓缩等前处理步骤，实现待测目标物的分离和浓缩，再进行后续的光谱、色谱、质谱分析（Katsumata，2019；Wang et al.，2019）。固相萃取技术是目前最常用的前处理方法（Ali et al.，2019；Fontanals et al.，2020；Khan et al.，2020；程加德等，2020）。联苯胺和三聚氰胺属于碱性有机污染物，可利用离子交换作用原理进行萃取。但目前市售的商品强阳离子固相萃取柱（MCX柱）售价高，单只售价在十几元到几十元不等，且为一次性使用耗材，给环境检测行业带来巨大的经济压力。因此，本实验的意义是快速自制性能优异的阳离子交换固相萃取柱，降低环境检测的成本。

目前，商品固相萃取柱的基质材料主要是硅胶基质和聚合物基质（Zheng et al.，2009；Zhang et al.，2014；Xiao et al.，2016；Fedotova et al.，2019）。与硅胶基质相比，聚合物基质有广泛的pH耐受范围（0—14）。聚合物基质的固相萃取材料通常是微球树脂，主要采用悬浮聚合法、乳液聚合法、种子溶胀法制备。其中种子溶胀法则存在工艺复杂耗时长等问题（Yu et al.，2017；Cong et al.，2019；郭丹丹，2019）。微波辅助化学反应是利用微波产生高频电磁场，使极性分子转向运动受阻而产生摩擦力，对分子进行“内加热”。该反应机理可以提高化学反应速率，节省反应时间，同时避免了传统加热中的热传导和对流传热。因此，本实验的目的是利用微波辐射快速制备聚苯乙烯-二乙烯基苯微球作为固相萃取柱的基质材料。再对其进行表面修饰，引入强阳离子官能团磺酸基团（-SO3H），得到反相/强阳离子固相萃取填料。将其压制成固相萃取柱并与知名同类商品固相萃取柱进行对比，以河水中的联苯胺和三聚氰胺为目标有机污染物检验填料的萃取性能。

1 材料与方法

1.1 实验材料

本实验所用到的试剂包括苯乙烯（St）、甲苯、无水硫酸镁、冰乙酸、氨水（色谱纯）和丙酮购自于天津大茂，二乙烯苯（DVB）（80%单体含量）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP，K=30）、偶氮二异丁腈（ANBN）、辛烷磺酸钠、柠檬酸、乙酸铵（色谱纯）购自于麦克林，正庚烷和浓硫酸购自于广州化学试剂，以上试剂除特殊说明外均为分析纯。甲醇和乙腈购自于上海安谱，为色谱纯。联苯胺和三聚氰胺标准品购自于Dr. Ehrenstorfer，分别采用甲醇和甲醇水溶液（VCH3OH∶VH2O=1∶1）配制 1000 μg·mL-1标准贮备液。NaOH和HCl标准溶液购自于深圳博林达，浓度为1 mol·L-1，用于电位滴定。实验用水由Milli-Q 型号 8/16系统超纯水净化机提供（Millipore，美国）。

商品固相萃取柱选市售知名品牌分别标记为商品1（进口品牌，60 mg/3 mL）、商品2（国产品牌，60 mg/3 mL）、商品3（国产品牌，150 mg/6 mL），固相萃取空柱（含筛板）购于深圳逗点技术有限公司。

本实验所使用的河水样品于2021年3月取自广州市某河流，采样后4 ℃冷藏保存，7天内完成萃取实验。

1.2 微波辐射快速制备阳离子固相萃取填料

苯乙烯（St）和二乙烯苯（DVB）在使用前需要净化，方法如下：用质量分数为10%的NaOH溶液分别与 St或 DVB单体等体积混合（VNaOH∶VMonomer=1∶1），洗涤至无色后，再用水洗涤至中性，经无水硫酸镁除水后转移至棕色瓶避光冷藏待用。

本实验以聚乙烯吡咯烷酮（PVP）作为水相分散剂，以正庚烷、甲苯为油相致孔剂，偶氮二异丁腈（ANBN）作为油相引发剂，采用悬浮聚合法来制备聚苯乙烯-二乙烯基苯（PS-DVB）微球。具体的实验步骤为：2.5 g PVP溶解于150 mL水中作为水相；另取0.5 g ANBN、25 mL甲苯和正庚烷混合液（VC7H8∶VC7H16=1∶2）、25 mL St和 DVB 混合液（VSt∶VDVB=2∶3）作为油相。两相分别溶解后，将水相加入油相中，在冰水浴条件下超声分散30 min。然后转移至 XH-100B微波反应仪（祥鹄科技，中国），在功率500 W、70 ℃下反应30 min。待反应结束后，依次用水、丙酮、甲醇对产物进行洗涤抽滤，最后于 80 ℃真空干燥，即可获得 PS-DVB微球。

然后对上述得到的微球进行磺化引入-SO3H基团，即1 g微球加入8 mL的浓硫酸，匀速搅拌，60 ℃下反应8 h。待反应结束后，冰水浴猝灭磺化反应。随后依次用水、甲醇、丙酮、甲醇洗涤反应产物，于 80 ℃真空干燥，即可获得强阳离子固相萃取交换材料（MCX）。

为避免手工压制固相萃取柱所带来的不确定因素的影响，采用实验室自制固相萃取柱压柱机（专利号：ZL2021 3 0300215.6）将上述制备的MCX填料压制成60 mg/3 mL的固相萃取柱，施加压强为1 MPa。

1.3 材料表征

为研究固相萃取填料的物理化学性质及结构特性，填料的红外光谱（FTIR）由IRAFFINITY-1S傅里叶变换红外光谱仪测得（岛津，日本），粒径及分布由Mastersizer 2000激光粒度仪（Maivern，英国）测得，表面元素由 K-α X 射线光电子能谱（Thermo Fisher，美国）测得。填料的阳离子交换容量采用GB/T 8144—2008《阳离子交换树脂交换容量测定方法》（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2008），由 ZD-2自动电位滴定仪（Metrohm，瑞士）测得。微球和筛板表面分别在L100BD-HK830高倍显微镜（奥斯微，中国）和SB8010场发射电子扫描显微镜（日立，日本）下观察得到。

1.4 固相萃取应用实验

河水中的联苯胺和三聚氰胺的测定采用固相萃取-高效液相色谱法进行测定，用于评价制备的MCX固相萃取柱的性能。实验方法参考HJ 1017—2019《水质联苯胺的测定高效液相色谱法》和GB/T 22388—2008《原料乳与乳制品中三聚氰胺检测方法》（中华人民共和国生态环境部，2019；中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2008）。

测试水样制备如下：在 150 mL河水样品中加入一定量联苯胺标准溶液，使其质量浓度为2.67×10-1μg·L-1。另取 10 mL 样品加入一定量的三聚氰胺标准溶液，使其质量浓度为 5×104μg·L-1。

测试水样分别用MCX固相萃取柱以及3种商品固相萃取柱提取，固相萃取柱为一次性耗材，使用后按照实验室固体废弃物统一处理。联苯胺的固相萃取方法如下：分别用5 mL水和5 mL甲醇活化固相萃取柱，将待测水样以2 mL·min-1的流速通过固相萃取柱。依次用 5 mL乙酸（VCH3COOH∶VH2O=3∶97）、8 mL甲醇淋洗固相萃取柱，然后用真空泵将其彻底抽干。用 7 mL氨水甲醇（VNH3·H2O∶VCH3OH=5∶95）洗脱目标化合物，收集洗脱液在40 ℃下氮吹浓缩至1 mL，用水定容至2 mL，保存备用。三聚氰胺的固相萃取方法为：5 mL水和5 mL甲醇活化固相萃取柱，将待测水样以 1 mL·min-1的流速通过固相萃取柱。依次用3 mL水和3 mL甲醇洗涤，真空泵抽至近干，用6 mL氨水-甲醇（VNH3.H2O∶VCH3OH=5∶95）洗脱目标化合物，收集洗脱液于 40 ℃下用氮气吹干，用流动相溶液定容至1 mL。所有固相萃取实验平行操作3次，随后用 LC-20AT型高效液相色谱仪（SHIMADZU，日本）测定浓缩液中目标化合物的质量浓度。

联苯胺的高效液相色谱测定：采用乙腈-乙酸铵混合液（VC2H3N∶VCH3COONH4=20∶80）作为流动相，使用C18液相色谱柱（4.6 mm×250 mm，Agilent）和荧光检测器，激发波长为292 nm，检测波长为395 nm。三聚氰胺的高效液相色谱测定：采用柠檬酸-辛烷磺酸钠离子对试剂 (VC6H8O7∶VC8H19NaO4S=21∶25)-乙腈 (V离子对试剂溶液∶VC2H3N=85∶15) 作为流动相，使用 C8色谱柱（4.6 mm×250 mm，Thermo Fisher）和二极管阵列检测器，检测波长为240 nm。

本实验以回收实验的相对标准偏差（RSD）表示精密度，以加标回收率表示准确度，回收率R公式如下：

式中：

S0——空白测得的目标物的质量浓度；

S1——加标测得的目标物的质量浓度；

S2——添加相同浓度标准溶液所测得的目标物质量浓度。

2 结果与讨论

2.1 微球形貌和化学组成

图1为制备的MCX、商品1和商品3中填料在500倍显微镜下的图片。可以看出MCX的表面呈单分散的圆球状，边缘清晰且光滑。两种商品柱填料均为球形，呈单分散状态，无团聚、无变形，边缘整齐。在相同的放大倍数和光学条件下，MCX与商品1填料粒径较接近，且表面泛有光泽，而商品3填料微球粒径较大且表面暗淡。

图1 MCX（a）、商品1（b）和商品3（c）填料的形貌Figure 1 Morphology of MCX microspheres (a), commercial 1microspheres (b) and the commercialization of 3 (c) microspheres

MCX湿态微球的粒径分布如图2所示，具体数据见表1。MCX填料的平均粒径为54.0 μm，其中颗粒粒径小于48.9 μm的颗粒体积含量占全部颗粒的50%，填料的跨度（D(90)-D(10)/D(50)）为1.2。在以MCX微球为填料，将其压制成固相萃取柱过程中，小粒径的微球可以填充在大粒径微球空隙，使固相萃取柱更密实和均匀，从而样品可以匀速地通过固相萃取柱，使目标物与填料的相互作用更充分。

表1 MCX的粒径分布Table 1 Particle size distribution of MCX

图2 MCX的粒径分布图Figure 2 Particle size distribution of MCX

图3所示为MCX和3种商品柱填料的FTIR图。由图可知，所制备的MCX和商品填料的主要振动和吸收峰相同。在1450、1490、1600 cm-1处观察到苯环骨架上C=C键伸缩振动吸收峰，2800—3000 cm-1附近为苯环的C-H键的伸缩振动峰，对应指纹区710 cm-1附近为苯环上C-H键的面外弯曲振动（钟莺莺，2010）。以上数据表明在微波条件下合成的基质微球与市售聚合物固相萃取柱基质相同，且与种子溶胀法72 h得到的微球结构一致（钟莺莺，2010）。而微波辅助化学反应可以提高反应速度，将悬乳聚合法制备微球的时间从24 h（Liet al.，2006）或72 h（黄忠平，2014）降至本实验的1 h。此外，MCX和商品柱填料在1170—1200 cm-1处均有 S-O的反对称伸缩振动吸收带，1040—1065 cm-1处有磺酸基团S-O的对称伸缩振动带（杨迎生，2009）。因此，实验得到的MCX和商品柱填料均含有磺酸基-SO3H官能团，且均能观察到PS-DVB微球的振动吸收峰，说明在磺化过程中基质的结构未受到影响。

图3 MCX 及商品固相萃取柱填料的FTIR 图 Figure 3 FTIR spectrum of MCX and commercial solid phase extraction materials

为进一步分析填料微球表面元素，用XPS测定MCX和商品柱填料表面元素。由图4可知，162 eV附近为s2p1/2的响应，MCX和3种商品柱填料表面均有S元素，进一步表明在MCX微球表面成功引入磺酸基团，与FTIR结果一致。

图4 MCX及商品柱填料的XPS图Figure 4 XPS spectrum of MCX and commercial solid phase extraction materials

填料的交换能力决定了固相萃取柱的萃取量，MCX和3种市售商品柱填料的交换量见表2。由表可知，MCX和3种商品柱填料均具有阳离子交换能力，在0.74—0.90 mmol·g-1之间，可作为阳离子固相萃取柱填料使用，其交换能力由引入的磺酸基（-SO3H）贡献。

表2 MCX和商品固相萃取柱填料的离子交换量Table 2 Cation exchange capacity of MCX and commercial solid phase extraction column

图5为固相萃取柱筛板的SEM照片，由图可知，筛板表面粗糙度一致，空隙约为20 μm，小于MCX的粒径，可以有效截留MCX微球，且MCX不会造成筛板的堵塞。

图5 筛板的SEM图Figure 5 SEM of sieve-plate composition

2.2 固相萃取柱的萃取效率

固相萃取是利用溶剂与固定相之间对化合物的选择性分配系数不同而将目标化合物从混合物中分离出来。和液液萃取相比，两相分离更彻底、降低了溶剂消耗量。强阳离子固相萃取是利用固定相上的-SO3H与目标物形成静电吸附将目标物吸附在填料表面（Natalia et al.，2017）。在后续解吸时，通过解析液解离填料与目标物的静电作用，从而将目标物洗脱到解析液中，达到浓缩和净化的目的。用河水作为载体，以联苯胺和三聚氰胺作目标有机污染物，考察以MCX为填料的固相萃取柱和商品柱的萃取效率，结果如图6—9和表3所示。由图6和图7可知，MCX柱在空白水样测试中，目标物吸收附近无干扰峰且基线平稳无杂质峰，说明所制备的MCX柱洁净无干扰，满足固相萃取的使用要求。

图6 联苯胺空白样品液相色谱图和联苯胺的标准曲线图（内附图）Figure 6 Liquid chromatogram of blank sample and the standard curve of benzidine (inside image)

图7 三聚氰胺空白样品液相色谱图和三聚氰胺 标准曲线图（内附图）Figure 7 Liquid chromatogram of blank sample and the standard curve of melamine (inside image)

由图 8可知，在 2.00—200 μg·L-1线性范围内，MCX柱对联苯胺的检测的回收率与商品柱相近，为 112.7%±3.5%，相对标准偏差（RSD）为 3.5%（n=3），说明MCX柱均一性好，对联苯胺的萃取性能稳定。

图8 联苯胺萃取液的高效液相色谱图Figure 8 Liquid chromatogram of benzidine

由图 9 可知，在 8×102—8×104μg·L-1线性范围内，三聚氰胺的回收率为 102.3%±2.8%，RSD为2.6%（n=3）。总之，用微波辅助快速制备的MCX固相萃取柱回收率稳定，重现性好，具有与市售商品固相萃取柱相近的萃取效率（表3）。

图9 三聚氰胺萃取液的高效液相色谱图Figure 9 Liquid chromatogram of melamine

表3 河水中联苯胺和三聚氰胺回收率和相对标准偏差Table 3 Recovery and RSD of benzidine and melamine

为检验微波辅助法制备固相萃取柱的稳定性，采用不同批次制备的萃取柱萃取水样，结果见表4。由表可知，不同批次的萃取柱对萃取联苯胺和三聚氰胺均保持稳定的回收率，联苯胺的回收率在90%—120%、三聚氰胺的回收率在 95%—105%，表明微波辅助快速制备固相萃取填料的方法稳定，重复性强。

表4 不同批次MCX柱对河水中联苯胺和三聚氰胺回收率Table 4 The recovery of benzidine and melamine in the river water sample with different batch of MCX

3 结论

本文应用微波辅助加热技术快速制备出形貌较均匀的PS-DVB微球，将固相萃取填料的制备方法由传统的24 h或72 h缩短为1 h。填料呈单分散的圆球形貌，平均粒径为54 μm。FTIR和XPS表明引入离子交换基团后填料保持PS-DVB的结构且含有磺酸基官能团。所制备的MCX填料装填的固相萃取柱对河水中的联苯胺回收率为112.7%±3.5%，三聚氰胺的回收率为102.3%±2.8%，与两种国产知名品牌固相萃取柱和1种国际知名品牌的固相萃取柱萃取效率相似。因此，微波辅助加热技术可以快速制备MCX固相萃取柱填料，降低环境检测中使用固相萃取柱进行前处理操作的成本，同时可有效富集浓缩河水中的联苯胺与三聚氰胺等胺类有机污染物，且萃取效果与商品固相萃取柱相近。