工业废水中12种硝基酚类化合物的快速测定方法与流程

1.本发明属于水质检测技术领域，尤其涉及一种基于quechers-分子印迹技术的工业废水中12种硝基酚类化合物的快速测定方法。


背景技术：

2.目前，硝基酚类化合物常见于一些工业排放的污水中，如金属铸造和造纸业等排放的污水，具有高毒性，致癌和免疫抑制的作用，许多酚类化合物已被列为危险污染物。目前已有多种方法被用于硝基酚类化合物快速检测中，如荧光分光光度法、色谱法和电化学方法。但这些检测方法存在样品前处理操作复杂，基质干扰大，回收率低，大量使用有机试剂会造成二次污染。
3.在硝基酚类化合物分析中，样品的前处理技术对分析结果的准确性具有较大影响，尤其是对于基质复杂的工业废水中硝基酚类化合物检测样品前处理技术需要结合实际条件选取。现有国标hj 1150—2020方法中的样品前处理技术为液—液萃取、弗洛硅土柱净化浓缩定容后测定，此操作过程存在浓缩易挥发、有机试剂用量大，易对环境造成二次污染，提取效率低等缺点，尤其是对于基质较为复杂的工业废水，该技术已满足不了现代分析技术高效、快速、环保的发展趋势。因此，开发简便、快速、高效、环保的样品前处理技术是现代分析技术发展的一个重要方向。功能化碳纳米复合材料由于具有独特的比表面积大、稳定性好、吸附性能强、选择性好等优势而被广泛应用于食品、环境、中药材等样品中有毒有害物质快速检测样品前处理中。
4.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术存在的一个最大缺陷是需要在一定温度下浓缩导致目标分析物易挥发，回收率低；其次是大量使用有机试剂，易对环境造成二次污染；最后是基质干扰大，严重影响目标分析物定性研究。
5.解决以上问题及缺陷的难度为：目标分析物分离提纯，提高检测灵敏度和回收率。
6.解决以上问题及缺陷的意义为：硝基酚类化合物属于一种有机污染物，长期暴露在环境中会引起头昏、出疹、贫血以及各种神经系统症。因此，对环境中硝基酚化合物进行快速分析检测十分重要。


技术实现要素：

7.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种优化quechers-分子印迹技术的工业废水中12种硝基酚类化合物的快速测定方法。
8.本发明是这样实现的，一种基于优化quechers-分子印迹技术的工业废水中12种硝基酚类化合物的快速测定方法，所述基于优化quechers-分子印迹技术的工业废水中12种硝基酚类化合物的快速测定方法包括：
9.通过水热法和共沉淀法合成磁性纳米粒子负载双官能团十八烷胺功能化碳纳米管纳米复合材料，将合成的十八烷胺功能化碳纳米管纳米复合材料作为混合净化体系，基于quechers技术联合分子印迹技术同时进行工业废水中12种硝基酚类化合物的快速检测；
10.所述工业废水中12种硝基酚类化合物的快速测定方法分别吸取混合标准液及样品净化液滴入制备好的分子印迹聚合物模板，震荡15min后在外加磁场作用下分离，收集上清液用紫外光谱仪测定，记录光谱图和吸光度值。
11.进一步，所述基于quechers-分子印迹技术的工业废水中12种硝基酚类化合物的快速测定方法包括：
12.步骤一，采用化学共沉淀法制得磁性四氧化三铁纳米粒子；并进行十八烷胺功能化碳纳米管复合材料的合成；
13.步骤二，进行磁性四氧化三铁纳米粒子担载功能化多壁碳纳米管磁性碳纳米材料的合成；
14.步骤三，量取一定体积工业废水样品于三角瓶中，加入适量的磁性纳米复合材料，震荡5min后，在外加磁场磁分离，取上清液于另一个三角瓶；
15.步骤四，重复步骤三，合并两次磁性固体材料用二氯甲烷分两次洗脱，过滤洗脱液，利用气相色谱-质谱联用仪进行测定。
16.进一步，步骤一中，所述进行十八烷胺功能化碳纳米管复合材料的合成包括：
17.称取纯化碳纳米管粉末于圆底烧瓶中，加入乙醇超声30min完全溶解；加入十八烷胺，70℃下搅拌2h，离心分离，用二次蒸馏水洗涤两次，真空干燥。
18.进一步，所述离心包括：6000转速下离心5min。
19.进一步，步骤二，所述进行磁性四氧化三铁纳米粒子担载功能化多壁碳纳米管磁性碳纳米材料的合成包括：
20.将一定量的磁性纳米粒子缓慢地加入功能化的碳纳米管悬浮液里并不断地搅拌，在110℃油浴中搅拌8h，将磁铁放到烧瓶旁边收集黑色产物，黑色产物通过二次蒸馏水洗涤3次后在80℃真空下烘4h，即得到最终产物mnps/oda-cnts。
21.进一步，所述磁性纳米粒子质量浓度为10mg/ml。
22.进一步，步骤四中，所述过滤洗脱液包括：利用0.22μm滤膜进行洗脱液的过滤。
23.进一步，所述利用分子印迹技术进行测定之前还需进行：
24.准确称取适量标准品农药，用丙酮稀释成10μg/ml标准储备溶液。
25.进一步，分子印迹聚合物合成包括：
26.在三角瓶中加入0.0789g三聚氰胺、0.22ml偶氮二异丁腈、0.25ml乙二醇二甲基丙烯酸酯混合均匀，再加入0.3mg磁性石墨烯和0.02ml偶氮二异丁腈超声30min，最后再加入0.03ml2,5-二硝基酚通过沉淀聚合法制备硝基酚分子印迹聚合物。
27.结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：开发特异性纳米复合材料，基于优化quechers技术和纳米技术相结合首次实现工业废水中硝基酚类化合物快速吸附。具有操作简单，极大地提高了回收率，且能够很好地消除机制干扰，灵敏度高，使用有机试剂量小，避免二次环境污染等优势。
28.本发明利用优化quechers技术联用分子印迹技术建立一种同时测定工业废水中12种硝基酚类化合物样品前处理技术。
29.本发明基于优化quechers技术结合分子印迹技术建立一种简单、高效、快速、灵敏度高、重复性好、准确地快速同时检测工业废水中12种硝基酚类化合物的样品前处理方法及快速检测方法。
30.本发明省去了过滤和离心等复杂的操作步骤，提高净化效率，消除基质干扰，缩短前处理时间。与传统技术相比，本发明具有操作简单，吸附能力强，降低成本，有机试剂用量小，实现了富集分离一体化的优势，有望应用于工业废水中其他有害物质快速检测。本发明还有效地解决了现有标准hj 1150—2020中水质中硝基酚类化合物检测过程提取浓缩时易挥发、回收率低、检测结果偏大等问题。
31.本发明合成了一种磁性纳米粒子负载双官能团十八烷胺功能化碳纳米管纳米复合材料作为混合净化体系，建立了优化quechers技术样品前处理方法。本发明的磁性碳纳米复合材料表面结构特征通过透射电子显微镜、x-衍射、磁力计、氮气吸附—脱附手段进行了表征，对试验条件萃取时间、ph值、盐度进行了优化。
32.本发明的优化quechers技术对工业废水12种硝基酚类具有净化效果好，消除基质干扰能力，在0.05～0.20μg/ml浓度范围具有很好线性关系，最低检出浓度为0.009～0.010μg/ml，平均回收率范围82.2％～94.6％，相对标准偏差＜10％。
附图说明
33.图1是本发明实施例提供的基于优化quechers-分子印迹技术的工业废水中12种硝基酚类化合物的测定方法流程图。
34.图2是本发明实施例提供的磁性四氧化三铁纳米粒子修饰功能化多壁碳纳米管磁性复合纳米材料的合成机理图。
35.图3是本发明实施例提供的磁性碳纳米复合材料的透射电镜图谱。
36.图4是本发明实施例提供的磁性碳纳米复合材料的x-衍射图谱。
37.图5是本发明实施例提供的磁性复合材料氮气吸附—脱附图谱。
38.图6是本发明实施例提供的磁性纳米复合材料振动样品磁强计曲线图。
39.图7是本发明实施例提供的ph值的影响示意图。
40.图8是本发明实施例提供的萃取时间的研究示意图。
41.图9是本发明实施例提供的两种不同方法对比示意图。
具体实施方式
42.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
43.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于优化quechers-分子印迹技术的工业废水中12种硝基酚类化合物的快速测定方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
44.本发明实施例提供的基于优化quechers-分子印迹技术的工业废水中12种硝基酚类化合物的快速测定方法包括：
45.通过水热法和共沉淀法合成磁性纳米粒子负载双官能团十八烷胺功能化碳纳米管纳米复合材料，将合成的十八烷胺功能化碳纳米管纳米复合材料作为混合净化体系，基于优化quechers技术联合分子印迹技术进行水质中12种硝基酚类化合物的快速检测样品。
46.如图1所示，本发明实施例提供的基于优化quechers-分子印迹技术的工业废水中
12种硝基酚类化合物的快速测定方法包括：
47.s101，采用化学共沉淀法制得磁性四氧化三铁纳米粒子；并进行十八烷胺功能化碳纳米管复合材料的合成；
48.s102，进行磁性四氧化三铁纳米粒子担载功能化多壁碳纳米管磁性碳纳米材料的合成；
49.s103，量取一定体积工业废水样品于三角瓶中，加入适量的磁性纳米复合材料，震荡5min后，在外加磁场磁分离，取上清液于另一个三角瓶；
50.s104，重复步骤s103，合并两次磁性固体材料用二氯甲烷分两次洗脱，过滤洗脱液，利用分子印迹技术进行检测。
51.本发明实施例提供的进行十八烷胺功能化碳纳米管复合材料的合成包括：
52.称取纯化碳纳米管粉末于圆底烧瓶中，加入乙醇超声30min完全溶解；加入十八烷胺，70℃下搅拌2h，6000转速下离心5min，用二次蒸馏水洗涤两次，真空干燥。
53.本发明实施例提供的进行磁性四氧化三铁纳米粒子担载功能化多壁碳纳米管磁性碳纳米材料的合成包括：
54.将一定量的磁性纳米粒子缓慢地加入功能化的碳纳米管悬浮液里并不断地搅拌，在110℃油浴中搅拌8h，将磁铁放到烧瓶旁边收集黑色产物，黑色产物通过二次蒸馏水洗涤3次后在80℃真空下烘4h，即得到最终产物mnps/oda-cnts。
55.本发明实施例提供的磁性纳米粒子质量浓度为10mg/ml。
56.本发明实施例提供的过滤洗脱液包括：利用0.22μm滤膜进行洗脱液的过滤。
57.本发明实施例提供的利用分子印迹技术气相色谱-质谱联用仪进行测定之前还需进行：
58.准确称取适量标准品农药，用丙酮稀释成10μg/ml标准储备溶液。
59.本发明实施例提供的利用分子印迹技术进行测定包括：
60.分别吸取混合标准液及样品净化液滴入制备好的分子印迹聚合物模板，震荡15min后在外加磁场作用下分离，收集上清液用紫外光谱仪测定，记录光谱图和吸光度值。
61.本发明实施例提供的分子印迹聚合物包括：
62.在三角瓶中加入0.0789g三聚氰胺、0.22ml偶氮二异丁腈、0.25ml乙二醇二甲基丙烯酸酯混合均匀，再加入0.3mg磁性石墨烯和0.02ml偶氮二异丁腈超声30min，最后再加入0.03ml2,5-二硝基酚通过沉淀聚合法制备硝基酚分子印迹聚合物。
63.下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
64.实施例1：
65.1材料与方法
66.1.1材料
67.1.1.1仪器与耗材
68.电子天平：xs 225a-scs型，安徽首衡称重科技有限公司；
69.涡旋振荡仪：genius3型，无锡沃信科技有限公司；
70.台式高速离心机：cf16rxⅱ型，盐城市安信实验仪器有限公司；
71.超声波清洗机：sb-100b型，无锡沃信科技有限公司；
72.1.1.2试剂
73.多壁碳纳米管：纯度97.8％，外径20～30nm，内径5～10nm，长度10～30μm比表面积＞110m2/g，深圳市纳米港有限公司；
74.n-丙基乙二胺(psa)：纯度97％，深圳市纳米港有限公司；
75.十八烷基硅烷键合硅胶(c
18
)：纯度99.6％，深圳市纳米港有限公司；
76.丙酮：色谱纯，纯度99.6％，西安市永红化工原料公司；
77.正己烷：色谱纯，纯度99.6％，深圳市时得佳科技有限公司；
78.乙腈：色谱纯，纯度99.8％，高碑店市隆年达商贸有限公司；
79.nh3·
h2o、二价铁盐(fecl2·
4h2o)和三价铁盐(fecl3·
6h2o)：纯度99.6％，北京振翔科技有限公司；
80.十八烷胺：纯度98.8％，高碑店市隆年达商贸有限公司；
81.高锰酸钾：纯度99.1％，北京振翔科技有限公司；
82.乙醇：纯度98.9％，北京振翔科技有限公司；
83.试验用水：二次蒸馏水，自制；
84.12种硝基酚标准物质(2-硝基酚、3-甲基-2-硝基酚、4-甲基-2-硝基酚、5-甲基-2-硝基酚、2,5-二硝基酚、3-硝基酚、2,4-二硝基酚、4-硝基酚、2,6-二硝基酚、3-甲基-4-硝基酚、6-甲基-2,4-二硝基酚、2,6-二甲基-4-硝基酚)：纯度＞99％，北京海岸鸿蒙标准物质技术有限责任公司；
85.水质样品：采集兰州市某化工厂废水排出口。
86.1.2试验方法
87.1.2.1磁性fe3o4纳米粒子的制备采用化学共沉淀法制得磁性四氧化三铁纳米粒子。
88.1.2.2十八烷胺功能化碳纳米管复合材料的合成称取100mg纯化碳纳米管粉末于250ml圆底烧瓶中，加入100ml乙醇超声30min使其完全溶解，再加入400mg十八烷胺，70℃下搅拌2h，离心分离(6000转速，5min)，用二次蒸馏水洗涤两次，真空干燥，备用。
89.1.2.3磁性四氧化三铁纳米粒子担载功能化多壁碳纳米管磁性碳纳米材料的合成将10ml质量浓度为10mg/ml磁性纳米粒子缓慢地加入功能化的碳纳米管悬浮液里并不断地搅拌，接着在110℃油浴中搅拌8h，最后，将磁铁放到烧瓶旁边收集黑色产物，黑色产物通过二次蒸馏水洗涤3次后在80℃真空下烘4h，即得到最终产物(mnps/oda-cnts)。该复合材料的合成机理和净化原理如图2所示。
90.1.2.4工业废水中12中硝基酚类化合物的提取及净化量取一定体积工业废水样品于三角瓶中，加入适量的磁性纳米复合材料，震荡5min后，在外加磁场磁分离，取其上清液于另一个三角瓶，重复上述操作，合并两次磁性固体材料用5ml二氯甲烷分两次洗脱，洗脱液过0.22μm滤膜后直接测定。
91.1.2.5标准溶液的配制
92.准确称取适量标准品农药，用丙酮稀释成10μg/ml标准储备溶液；
93.2结果与分析
94.2.1磁性碳纳米复合材料的表征
95.2.1.1透射电子显微镜在加速电压为200kv下使用高分辨率透射电子显微镜(tem)来观察多壁碳纳米管、磁性纳米粒子及磁性碳纳米复合材料的表面结构特征。如图3所示，
磁性四氧化三铁纳米粒子大约为10～20nm，粒径大小分布均匀没有团聚现象；纯化后的多壁碳纳米管在n,n-二甲基乙酰胺分散液溶解性很好，分布均匀；磁性纳米复合材料分散液经搅拌震荡后测定发现无游离磁性四氧化三铁纳米粒子，表明磁性四氧化三铁纳米粒子紧紧地依附在碳纳米管表面，纳米颗粒表现出很好的稳定性。
96.2.1.2x-衍射利用x-衍射(xrd)测定了磁性纳米粒子的晶体结构。如图4所示，磁性碳纳米复合材料的衍射图谱与晶态磁铁矿(fe3o4)的标准衍射图谱非常接近。在2θ为30.10
°
，35.34
°
，43.32
°
，53.51
°
，57.19
°
，63.18
°
处出现磁性纳米粒子的6个衍射峰，对应的晶体指数分别为(220)、(311)、(400)、(422)、(511)和(440)，在24.2
°
处出现了碳纳米管对应的晶面(002)的衍射峰。
97.2.1.3氮气吸附—脱附由图5可知，吸附—脱附等温线是在较低的相对压力(p/p0＞0.9)下进行的，说明该磁性碳纳米复合材料是一种典型i吸附行为
98.2.1.4磁强计如图6所示，m-cnts/oda的最大比饱和磁化强度可达2.75emu/g。测试结果表明，所制备的m-cnts/oda具有超顺磁性，这是由于m-cnts/oda中的元素铁和微量fe3o4均在纳米尺度上。超顺磁性与颗粒尺寸密切相关，当纳米颗粒尺寸小于超顺磁性极限尺寸时，颗粒表现出超顺磁性。
99.2.2优化条件分析
100.2.2.1ph值的影响通过用1mol/l盐酸或1mol/l氢氧化钠溶液调节样品溶液ph值，在2～12的ph范围内优化样品溶液，选用响应较好的2-硝基酚作为加标试验。如图7所示，在大约10～11的ph值下获得最大回收率，这是由于硝基酚类化合物在酸性环境容易发生酯化反应。因此，将样品溶液的ph值调整为10～11作为最佳条件。
101.2.2.2盐度对硝基酚提取的影响通过在工业废水样品中添加质量浓度的氯化钠(0.0，0.5，1.0，3.0，10，20，25mg/ml)，研究了样品盐度对2-硝基酚提取回收率的影响，在优化的实验条件下，对每个水平进行了3次重复提取和测定。如表1所示，添加nacl对分析物的萃取回收率的影响可以忽略不计，加入nacl主要是促进水相和有机相分层，对硝基酚存在形式影响不大。
102.表1盐度对2-硝基酚提取的影响
[0103][0104]
2.2.3萃取时间的研究准确量取100ml水质样品5份于250ml三角瓶中，编号依次为1、2、3、4、5号，分别加入浓度为10μg/ml的2-硝基酚标准储备液200μl混匀，再加入40mg磁性
纳米复合材料，5份样品依次震荡1，2，5，10，15min，在外加磁场作用下分离，弃去上清液，固体物质分别用5ml二氯甲烷洗脱，收集洗脱液过0.22μm滤膜后进样测定。如图8所示，当震荡时间为5min时回收率达到最大值，当震荡时间再增加时，回收率不变，这是由于2-硝基酚在磁性复合物表面吸附已达到饱和状态，因此，选5min为最佳萃取时间。
[0105]
2.2.4两种不同方法对比通过对2-硝基酚加标回收试验对比了国标hj1150—2020处理方法和优化处理方法两种不同方法，如图9所示，该优化处理方法不仅在操作技术上优于国标方法，其回收率也远远高于国标方法，这是由于该优化方法省去了氮吹浓缩避免硝基酚类化合物挥发导致回收率偏低。
[0106]
2.2.5线性关系配制标准溶液浓度系列0.05，0.07，0.10，0.15，0.20μg/ml建立标准曲线，在优化的试验条件下，对每个水平进行6次重复测定，如表2所示，结果表明，在0.05～0.20μg/ml质量浓度范围具有很好线性关系，最低检出质量浓度为0.009～0.010μg/ml，相关系数为0.996 3～0.999 7。一方面由于十八烷胺分子中含有一个氨基和一个烷氧基，相当于传统的净化剂psa和氨基柱组成的混合净化剂效果，另一方面功能化磁性碳纳米复合材料具有大的吸附容量和大比表面积，与传统净化柱相比，该净化剂通过涡旋能与样液充分接触，净化效果更好。
[0107]
表2线性关系和最低检出浓度
[0108][0109]
2.2.6回收率和精密度样品的添加量分别为0.03，0.05，0.10μg/ml，每一添加水平的样品平行3次，样品处理按1.2.4方法进行。先测定样品中硝基酚的本底含量，再分别测定加标样品中硝基酚的含量，扣除空白值后，计算平均加标回收率，加标样品的平均回收率及精密度结果见表3。由表3可见，平均添加回收率为82.2％～94.6％，相对标准偏差(rsd)＜10％(n＝3)。
[0110]
表3加标样品的回收率及精密度
[0111][0112]
3结论
[0113]
通过简单的水热法和共沉淀法合成磁性纳米粒子负载双官能团十八烷胺功能化碳纳米管纳米复合材料作为一种混合净化体系，基于优化quechers技术联合气相色谱—质谱联用仪建立了一种同时测定水质中12种硝基酚类化合物快速检测样品前处理方法，与国家标准前处理方法相比，本发明操作简单，净化效果好，缩短前处理的时间。还有效地解决了现有标准hj 1150—2020中水质中硝基酚类化合物检测过程提取浓缩时易挥发、回收率低、检测结果偏大等问题。由于十八烷胺分子中含有一个烷氧基和一个氨基，使得优化quechers技术对水质12种硝基酚类具有较好的净化效果和消除基质干扰能力，试验结果表明，在0.05～0.20μg/ml质量浓度范围具有很好线性关系，最低检出浓度为0.009～0.010μg/ml，回收率范围82.2％～94.6％，相对标准偏差＜10％，该技术为水质中其他半挥发有机污染物快速检测提供技术支撑。
[0114]
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0115]
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、cd或dvd-rom的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模
集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
[0116]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。