本發(fā)明涉及環(huán)境監(jiān)測領域，特別涉及一種基于羧基化納米碳球材料的水中全氟酸類污染物的分析方法。

背景技術：

目前，已有的研究表明，全氟酸類污染物會通過不同的途徑進入到環(huán)境介質中，全氟酸類化合物是一類新型的含氟有機化合物，具有生殖毒性、發(fā)育毒性、誘變毒性、免疫毒性、神經(jīng)毒性、免疫毒性等多種毒性；這類化合物還具有較高的化學穩(wěn)定性和生物惰性，難以在環(huán)境中以及生物體內降解，并具有很強的生物累積性，當前全氟酸類化合物已成為全球性的污染物。全氟辛基磺酸及其鹽已被正式列入《斯德哥爾摩公約》持久性有機污染物的名單之中。

在分析環(huán)境樣品之前，通常需要對環(huán)境樣品進行樣品預處理。已有的液液萃取和索氏萃取等樣品前處理方法具有費時、費力且需要大量高純有機溶劑等缺點。為了克服這些缺點，固相萃取作為一種新型的樣品前處理技術被發(fā)展起來，與液液萃取相比，這種技術具有更高的回收率和富集倍數(shù)、更少的溶劑消耗并且易于操作等優(yōu)點。但在固相萃取的發(fā)展過程中也遇到一些技術難題，如商品化的固相萃取吸附劑種類有限，對許多污染物，特別是極性較大的環(huán)境污染物難以找到合適的吸附劑材料。

納米碳球因其密度低、比表面積大、化學和熱穩(wěn)定性高、表面滲透性好、導電和導熱性好等優(yōu)點，使得這種材料在諸多領域得到廣泛應用。但是，納米碳球由于其固有的惰性表面和非極性性質而受到很多限制。因此，篩選廉價且能高效富集極性環(huán)境污染物的固相萃取新材料是非常必要的。

綜上所述，現(xiàn)有技術中對于環(huán)境水中的全氟酸類污染物的分析檢測，尚缺乏有效的解決方案。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決上述現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供了一種羧基化納米碳球固相萃取柱，包括固相萃取柱殼體、填充在固相萃取柱殼體內部的羧基化納米碳球以及蓋合在固相萃取柱殼體兩端的篩板。

在納米碳球的表面上引入羧基后產(chǎn)生羧基化納米碳球，改善了納米碳球具有的惰性表面和非極性性質，并且保留了納米碳球密度低、比表面積大、化學和熱穩(wěn)定性高、表面滲透性好、導電和導熱性好等優(yōu)點，是一種優(yōu)良的固相萃取材料，尤其適合于全氟酸類等極性較大的環(huán)境污染物的固相萃取，具有更高的回收率和富集倍數(shù)、更少的溶劑消耗且易于操作。

進一步的，固相萃取柱柱容積與羧基化納米碳球的比例為6:250-350，ml：mg。當將300g左右的羧基化納米碳球替換固相萃取柱中原有的填料制備的得到的固相萃取柱在綜合成本和萃取效率方面是最佳的，既保證了足夠的萃取效率，成本又不至于太高。

為了解決上述現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明還提供了一種上述羧基化納米碳球固相萃取柱的制備方法，包括如下步驟：

將羧基化納米碳球填充在固相萃取柱管內部，將篩板固定在羧基化納米碳球填料的上端以固定柱中的羧基化納米碳球，然后將萃取柱的下端與真空泵連接，上端與軟管的一端連接，軟管的另一端浸入水樣中。

啟動真空泵(產(chǎn)生負壓)，即可將樣品溶液吸入羧基化納米碳球固相萃取柱中進行固相萃取，具有萃取高效、萃取速度可調的優(yōu)勢。

為了解決上述現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明還提供了一種上述羧基化納米碳球固相萃取柱進行水樣中全氟酸類污染物的萃取方法，包括如下步驟：

1)用水和pH值為9-10的丙酮活化羧基化納米碳球固相萃取柱；

2)將水樣以設定流速流過羧基化納米碳球固相萃取柱；

3)水樣通過后，用蒸餾水清洗羧基化納米碳球固相萃取柱，以除去吸附的雜質；

4)將羧基化納米碳球固相萃取柱處于負壓條件下設定時間，然后用pH值為9-10的丙酮對吸附的全氟酸類污染物進行洗脫；

5)將洗脫液在25-35℃下用氮氣吹干，然后用pH值為4-5的甲醇復溶，并渦旋設定時間，得到用于后續(xù)分析處理的分析樣品。

為了讓樣品溶液順利通過固相萃取柱，萃取時要讓羧基化納米碳球固相萃取柱處于負壓條件下。同時，為了減少全氟酸類化合物的損失，在25-35℃低溫下用氮氣吹干；另外由于pH值為4-5的甲醇對全氟酸類化合物溶解性好且揮發(fā)性較差，適合作為試劑進行復溶。

進一步的，步驟1)中，水和丙酮的體積比為1:0.8-1.2。使用水和丙酮對萃取柱進行活化時，先用水再用丙酮進行活化。

進一步的，步驟2)中，所述水樣的預處理方法是：將水樣經(jīng)0.45μm的微孔膜過濾后，存儲于干凈的棕色玻璃瓶中，并置于4℃下保存。將水樣進行過濾，可以除去水樣中懸浮的固體雜質和部分微生物，降低水樣中的雜質對檢測的干擾作用。

進一步的，步驟4)中，萃取柱處于負壓條件下的時間為3-4min。

進一步的，步驟5)中，渦旋的時間為1-2min。

一種基于羧基化納米碳球材料的水中全氟酸類污染物的分析方法，包括如下步驟：

1)對水樣進行采集和預處理；

2)利用填充有羧基化納米材料固相萃取柱利用上述萃取方法對預處理后的水樣進行固相萃取，得到分析樣品；

3)將步驟2)中得到的分析樣品用液相色譜-串聯(lián)四級桿質譜進行分析。

進一步的，液相色譜的色譜條件為：色譜柱Agilent DXB C18柱(150mm×2.1mm，3.5μm)；柱溫箱：40℃；流速：0.4ml/min；進樣體積為10μL；流動相：A為5mmol/L乙酸銨緩沖液，B為甲醇；洗脫梯度：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。

進一步的，MS/MS的分析參數(shù)設置如下：氣簾氣：35psi；離子噴霧電壓設定為-4500V；離子源溫度設定為550℃；霧化氣設定為50psi；渦輪增壓氣設定為50psi；碰撞氣和霧化氣為氮氣。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明中將羧基化納米碳球作為填料，制備了固相萃取柱，并利用該固相萃取柱對水樣中的全氟酸類污染物進行固相萃取，并利用液相色譜-串聯(lián)質譜的方法進行檢測。該方法前處理過程簡單快速、操作安全，且方法的靈敏度高，結果可靠，滿足檢測要求，可實現(xiàn)環(huán)境樣品中全氟酸類污染物的快速分析。

附圖說明

構成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進一步理解，本申請的示意性實施例及其說明用于解釋本申請，并不構成對本申請的不當限定。

圖1為羧基化納米碳球的掃描電鏡圖；

圖2為納米碳球與羧基化納米碳球的紅外色譜圖。

具體實施方式

應該指出，以下詳細說明都是例示性的，旨在對本申請?zhí)峁┻M一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術和科學術語具有與本申請所屬技術領域的普通技術人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請的示例性實施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復數(shù)形式，此外，還應當理解的是，當在本說明書中使用術語“包含”和/或“包括”時，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

本發(fā)明中涉及的相關的術語解釋如下：

篩板：即為多孔板，可以允許水樣等流體通過。本文中對篩板的孔徑的要求是小于羧基化納米碳球的平均粒徑，如果對水樣的流動阻力在可接受范圍內，篩板的孔徑應小于羧基化納米碳球的最小粒徑，以防止羧基化納米碳球的流失。

固相萃取柱殼體，即為普通固相萃取柱除去內部填料的部分，為一個中空的殼體，在本文中命名為固相萃取柱殼體。

真空泵是一種利用機械、物理、化學、物理化學等方法對容器進行抽氣，以獲得和維持真空的裝置。

渦旋，是一種半徑很小的圓柱在靜止流體中旋轉引起周圍流體作圓周運動的流動現(xiàn)象。

儀器與試劑

固相萃取裝置(JTCQ-12D杭州聚同電子有限公司)；羧基化納米碳球(南京吉倉納米科技有限公司)；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)和全氟辛烷磺酸鹽(PFOS)、的標準品(純度均大于98％)購于上海安譜實驗科技股份有限公司；甲醇、丙酮(韓國DUKSAN公司)；氨水、乙醇(國藥集團化學試劑有限公司)；無水甲酸、結晶乙酸胺(天津市科密歐化學試劑有限公司)。

Thermo U3000超高效液相色譜儀-SCIEX QTRAP 5500三重四極桿串聯(lián)質譜儀；色譜柱Agilent DXB C18柱(150mm×2.1mm，3.5μm)；柱溫箱：40℃；流速：0.4ml/min；進樣體積為10μL；流動相：A為5mmol/L乙酸銨緩沖液，B為甲醇；洗脫梯度：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分析其參數(shù)設置如下：氣簾氣：35psi；離子噴霧電壓設定為-4500V；離子源溫度設定為550℃；霧化氣設定為50psi；渦輪增壓氣設定為50psi。碰撞氣和霧化氣為氮氣。其每種化合物的采集方法參數(shù)見表1。

固相萃取柱的制作

羧基化納米碳球固相萃取柱的制作步驟如下：將6ml固相萃取柱填料倒空后，填入300mg羧基化納米碳球，將篩板固定在固相萃取柱的上端以固定柱中的羧基化納米碳球。然后將萃取柱的下端與一個真空泵相連，上端與另一端浸入樣品溶液中的PTFE管相連。在使用之前，固相萃取小柱需用水和pH值為10的丙酮活化。

表1分析物的LC-MS/MS MRM數(shù)據(jù)采集方法

固相萃取

先用5ml水和5ml pH值為10的丙酮活化羧基化納米碳球固相萃取柱，然后使100ml樣品溶液以最佳流速通過萃取柱。待樣品溶液通過后，用5ml水清洗萃取柱，以除去吸附的樣品雜質。然后將萃取柱在負壓下3min，接著用7ml pH值為10的丙酮將吸附在萃取柱上的全氟酸類污染物洗脫下來，將洗脫液在30℃下用氮氣吹干，加入1ml pH值為4的甲醇復溶，并渦旋1min，然后用液相色譜-串聯(lián)四極桿質譜進行分析。

水樣的采集及預處理

采集桶裝飲用水、自來水和池塘水作為實際樣品。桶裝水為濟南普利思礦泉水有限公司桶裝飲用水；自來水取自山東省分析測試中心實驗室；池塘水取自山東省分析測試中心后面的池塘。所有的水樣經(jīng)0.45μm的微孔膜過濾后，存儲于干凈的棕色玻璃瓶中，并置于4℃下保存。

結果與分析

羧基化納米碳球的表征

試驗中所使用的羧基化納米碳球的比表面積為248.6m²/g，從其掃描電鏡圖(圖1)可以看出這種材料的粒徑大多在200～500nm之間。圖2為納米碳球(a)與羧基化納米碳球(b)的紅外色譜圖：被處理過的納米碳球(b)在1710cm-¹處的吸收峰證明了C＝O的存在，而1410和1600cm-¹處的吸收峰是由COO-官能團的對稱和非對稱伸縮振動引起的。這些有力的證明了納米碳球上羧基的存在。經(jīng)分析，羧基化納米碳球上羧基的含量為4.67％。

實驗條件優(yōu)化

為了評價羧基化納米碳球作為固相萃取吸附劑材料用于富集水中全氟類污染物的可行性，選擇全氟癸酸(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)作為目標物進行固相萃取試驗。為了獲得更高的萃取效率，對影響試驗效果的幾個重要因素如解吸溶劑的種類和體積、溶液pH值、樣品流速、樣品體積以及吸附劑的量進行了優(yōu)化。在優(yōu)化過程中，溶液中每種全氟化合物的濃度均為100ng L-¹。

解吸溶劑的種類和體積

解吸溶劑的種類是固相萃取過程中的一個重要因素。全氟酸類污染物是一類極性非常強的化合物，與羧基化納米碳球作用強烈，從固相萃取柱上解吸下來非常困難，需要使用強極性的溶劑進行解吸附。在本實驗中，選取了四種解吸溶劑(甲醇、pH值為10的甲醇、丙酮、pH值為10的丙酮)來比較它們的解吸效果。實驗結果表明：解吸效果最好的是pH值為10的丙酮，其余依次為：pH值為10的甲醇、丙酮、甲醇。因此，在接下面的實驗過程中，采用pH值為10的丙酮作為解吸溶劑。

在固相萃取過程中，解吸溶劑的體積也是一個重要的因素。為了獲得最佳洗脫效果，選取了3ml、5ml、7ml、8ml、9ml的pH值為10的丙酮進行試驗。試驗結果表明：在3-7ml之間隨著解吸溶劑體積的增加6種目標化合物的回收率逐漸增高，但在7-9ml范圍內6種全氟酸類化合物的回收率保持不變。因此，在下面的試驗中，選取7ml pH值為10的丙酮進行解析。樣品溶液的pH值

樣品溶液的pH值對目標化合物萃取效果的影響也舉足輕重?？疾炝?種全氟酸類化合物在pH值為2、4、6、8和10時的萃取效果。試驗結果表明：當樣品溶液pH為2時，6種全氟酸類化合物的回收率最大；隨著樣品pH值的增加，它們的回收率逐漸降低，在pH值4～6范圍內，回收率下降最快；當pH值為10時，6種全氟酸類化合物的回收率達到最低。因此，在后序的實驗中樣品溶液pH值選擇為2。

樣品溶液的流速

在固相萃取過程中，樣品溶液的流速也會影響萃取效果：流速過大會使目標化合物來不及吸附而導致萃取效率下降，流速過小雖然會提高萃取效率但又會浪費萃取時間。在本發(fā)明中，考察了流速2～6ml min^-1對回收率的影響。試驗結果表明：6種全氟酸類化合物的回收率隨著樣品溶液的流速增加而逐漸降低；在樣品溶液的流速為6ml min^-1時，它們的回收率依然在85％以上，完全可以滿足痕量分析的要求。因此，為了節(jié)省時間，在以后的試驗中選擇溶液流速為6ml min^-1。

吸附劑的量

吸附劑的量在整個固相萃取過程中起著至關重要的作用。本發(fā)明考察了不同羧基化納米碳球的量(50、100、150、300和500mg)對萃取效果的影響。實驗結果表明：隨著羧基化納米碳球的量不斷增加，6種全氟酸類化合物的回收率也逐漸升高?？紤]到實驗成本及萃取效率，最終在整個實驗過程中羧基化納米碳球的質量選為300mg。

樣品溶液的體積

樣品體積是反應吸附劑保留分析物能力的重要參數(shù)。為了研究樣品體積的影響，本發(fā)明考察了6種全氟酸類化合物的回收率在樣品體積100～1000ml的變化。結果表明：在樣品體積100～1000ml內，目標物的回收率沒有明顯的變化，均接近于100％。雖然使用大體積的樣品可以提高靈敏度，但也相應地增加了樣品前處理的時間。因此，為了節(jié)約時間，在以下實驗中樣品體積固定為200ml。

方法學參數(shù)

在優(yōu)化條件下，方法的線性范圍為0.5～200ngL^-1，相關系數(shù)R²為0.997～0.999。以信噪比S/N＝3計，6種全氟酸類化合物的檢出限為0.05～4.98ngL^-1之間，低于文獻報道的方法。日內和日間的相對標準偏差分別為3.70～8.80％和4.65～8.10％。

實際樣品分析

為了評價上述方法的適用性，選擇了三種環(huán)境水樣，桶裝水、自來水及池塘水，作為實際水樣進行分析。在池塘水和自來水中均檢測出了PFHxS和PFOS，但在桶裝水中并未檢測出。為了進一步驗證該方法的準確性，分別對3種實際水樣進行了三個不同濃度(100,50和10ng/L)的加標回收實驗，得到的回收率范圍為82.2～112.7％。結果表明，不同環(huán)境水樣的基質效應對該方法沒有顯著的影響。以上實驗結果表明該方法應用于實際水樣中痕量全氟類化合物的分析是可行的。

表2環(huán)境水樣中全氟類化合物的分析數(shù)據(jù)

^a加標濃度為10ng/L；

^b加標濃度為50ng/L；

^c加標濃度為100ng/L；

^dN.D.表示未檢出。

本發(fā)明成功制備出了羧基化納米碳球固相萃取柱，并采用這種羧基化納米碳球固相萃取柱建立了固相萃取-液相色譜-串聯(lián)質譜分析環(huán)境水樣中6種全氟酸類污染物的新方法。該方法前處理過程簡單快速，操作安全，且方法靈敏度高，結果可靠滿足檢測要求，可實現(xiàn)環(huán)境樣品中全氟酸類污染物的快速分析。

以上所述僅為本申請的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本申請，對于本領域的技術人員來說，本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本申請的保護范圍之內。