新型磁性介孔復(fù)合材料在綠葉菜有機(jī)磷農(nóng)藥殘留樣品前處理中的應(yīng)用

隨著人們對自身健康的關(guān)注和安全意識的不斷提高，食品安全的重要性引起了人們的高度重視，動物源性食品的安全問題尤其引人關(guān)注[1-2]。為了提高農(nóng)作物及其產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，越來越多的農(nóng)藥產(chǎn)品投入了市場，據(jù)統(tǒng)計，目前市面上的農(nóng)藥產(chǎn)品多達(dá)1 400種[3]。農(nóng)藥的使用，雖然提高了農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)和產(chǎn)量，但同時也給食品安全帶來了隱患[4]。尤其是人們對農(nóng)藥的不合理使用，造成蔬菜、糧食、瓜果等農(nóng)產(chǎn)品甚至土壤中的農(nóng)藥殘留嚴(yán)重超標(biāo)[5]，大多數(shù)農(nóng)藥都難以降解且存在富集性，長期以來不僅造成生物環(huán)境污染，還會直接或間接地危害人體健康，給食品安全問題和農(nóng)作物生長帶來了極為嚴(yán)重的后果[6]。因此，強(qiáng)化農(nóng)藥殘留量快速檢測方法和降解機(jī)理的研究，解決農(nóng)藥殘留對生物環(huán)境及食品的污染問題具有非常重要的研究價值[7-8]。

綠葉菜雖然生長周期短，但病蟲害卻伴隨其整個生長過程，如果人們過量、頻繁、不合理地使用農(nóng)藥，造成其農(nóng)藥殘留過多，長期食用會給人體健康帶來嚴(yán)重傷害[9]。因此，開發(fā)一種快速、環(huán)保、準(zhǔn)確檢測綠葉菜農(nóng)藥殘留量的方法是非常緊迫和重要的[10]。而樣品基質(zhì)復(fù)雜、農(nóng)藥類型較多，因此分析不同種類樣品中的農(nóng)藥殘留需要選擇不同的檢測方法[11-12]。在農(nóng)藥殘留檢測過程中樣品前處理技術(shù)顯得非常重要，隨著檢測技術(shù)的進(jìn)步，農(nóng)藥殘留檢測樣品前處理分析正向高效、快速、準(zhǔn)確的方向發(fā)展，尤其對基質(zhì)較為復(fù)雜的樣品[13-14]。由于農(nóng)藥殘留分析涉及的農(nóng)藥和基質(zhì)種類繁多，需結(jié)合實際條件選用適當(dāng)?shù)臉悠非疤幚矸椒?span id="e86idtj" class="superscript" tag="15-16" style="font-size: 0.6em; vertical-align: super; color: rgb(0, 153, 255);">[15-16]。傳統(tǒng)的樣品前處理技術(shù)有液-液萃取法[17]、索氏提取法[18]、振蕩提取法[19]等，這些操作存在的共同缺陷是操作繁瑣、大量使用對環(huán)境有害的有機(jī)試劑、回收率低[20]。因此，開發(fā)省時、省力、經(jīng)濟(jì)、微型化和自動化的樣品前處理技術(shù)是現(xiàn)代分析化學(xué)發(fā)展的重要方向[21]。

本試驗以綠葉菜為基質(zhì)，采用“簡單、綠色、經(jīng)濟(jì)”手段利用功能性碳納米材料(如碳納米管、石墨烯、介孔碳)以及金屬納米粒子(如Fe3O4納米粒子)，通過化學(xué)氣相沉淀法和水熱法制備出新穎的、結(jié)構(gòu)可控的、具有特異性吸附性能和催化性能的磁性介孔納米復(fù)合材料，作為一種凈化劑應(yīng)用于有機(jī)磷農(nóng)藥殘留檢測樣品前處理中。實現(xiàn)樣品的提取與凈化于一體，消耗的溶劑少，操作簡單，能夠消除基質(zhì)干擾且不需要昂貴的儀器。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 儀器與耗材

XS 225A-SCS電子天平，上海安譜科技有限公司；GENIUS3渦旋振蕩儀，常州國華電器有限公司；CF16RXⅡ臺式高速離心機(jī)，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；SB-100B超聲波清洗機(jī)，蘇州安泰空氣技術(shù)有限公司；7890/5975C氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀，島津(上海)科技有限公司；Talos F200X高分辨率透射電子顯微鏡，荷蘭 Philips-FEI 公司；XRD X-射線衍射儀，鈦洛科學(xué)器材(上海)有限公司；VSM Lake Shore 7410振動樣品磁強(qiáng)計，安泰科技股份有限公司。

1.1.2 試劑

SBA-15介孔碳(純度：98.2%，外徑：10～50 nm內(nèi)徑：5～10 nm長度：20～40 μm比表面積：>150 m2/g)，北京科創(chuàng)海光有限公司；N-丙基乙二胺(PSA，純度：97%)，深圳市納米港有限公司；十八烷基硅烷鍵合硅膠(C18，純度：99.6%)，寧波新芝生物科技股份有限公司；丙酮(色譜純，純度：99.6%)，西安市永紅化工原料公司；正己烷(色譜純，純度：99.6%)，深圳市時得佳科技有限公司；乙腈(色譜純，純度：99.8%)、十八烷胺(純度：98.8%)，高碑店市隆年達(dá)商貿(mào)有限公司；二價鐵鹽(FeCl2·4H2O)、三價鐵鹽(FeCl3·6H2O)、NH3·H2O(純度：99.6%)、高錳酸鉀(純度：99.1%)、乙醇(純度：98.9%)，北京振翔科技有限公司；二次蒸餾水。

16種有機(jī)磷農(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)；毒死蜱、甲胺磷、水胺硫磷、三唑磷、丙溴磷、樂果、敵敵畏、氧樂果、丙溴磷、對硫磷、馬拉硫磷、殺撲磷、乙酰甲胺磷、殺螟硫磷、伏殺硫磷、久效磷等有機(jī)磷農(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)品(純度均>99%)，北京海岸鴻蒙標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)技術(shù)有限責(zé)任公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 磁性Fe3O4納米粒子的制備

采用化學(xué)共沉淀法制備。使用NH3·H2O作為沉淀劑，將一定量的二價鐵鹽(FeCl2·4H2O)和三價鐵鹽(FeCl3·6H2O)混合溶液加入到燒杯中，然后再將25%的NH3·H2O加入到燒杯中。劇烈攪拌，水浴恒溫，混合液由橙紅色逐漸變成黑色后，再繼續(xù)攪拌55 min后停止反應(yīng)，在外加磁場下分離，用蒸餾水反復(fù)洗滌直至pH為中性為止，移去上清液，70 ℃真空干燥18 h，研磨后即得到最終產(chǎn)物磁性Fe3O4納米粒子(magnetic nanoparticles,MNPs)。

1.2.2 十八烷胺功能化介孔碳復(fù)合材料的合成

稱取100 mg SBA-15介孔碳于250 mL圓底燒瓶中，加入100 mL乙醇超聲30 min使其完全溶解，再加入400 mg十八烷胺，70 ℃下攪拌2 h，6 000 r/min離心8 min，蒸餾水洗滌2次，真空干燥，備用。

1.2.3 MNPs負(fù)載功能化介孔碳磁性碳納米材料的合成

本研究合成MNPs負(fù)載功能化的介孔碳形成磁性介孔納米復(fù)合材料。具體合成過程如下：將10 mL質(zhì)量濃度為10 mg/mL磁性納米粒子緩慢地加入功能化的介孔碳懸浮液里并不斷地攪拌，接著在110 ℃油浴中攪拌8 h，最后，將磁鐵放到燒瓶旁邊收集黑色產(chǎn)物，黑色產(chǎn)物通過蒸餾水洗滌3次后在80 ℃真空下烘4 h即得到最終產(chǎn)物(MNPs/ODA-SBA-15)。合成示意如圖1所示。

圖1 磁性Fe3O4納米粒子修飾功能化介孔碳磁性復(fù)合納米材料的合成示意圖
Fig.1 The formation mechanism of the MNPs/ODA-SBA-15 nanocomposite

1.2.4 樣品前處理

準(zhǔn)確稱取均質(zhì)菠菜樣品20 g于50 mL具塞離心管中，加入質(zhì)量濃度為10 μg/mL毒死蜱標(biāo)準(zhǔn)儲備液100 μL，加入25 mL乙腈溶液，振蕩30 min，加入2～3 g NaCl搖勻，3 500 r/min離心5 min，取上清液10 mL于25 mL具塞離心管，加入40 mg磁性介孔納米復(fù)合材料，渦旋5 min，萃取后，將磁鐵置于離心管管壁處收集磁性吸附劑。然后加入10 mL乙腈溶液，解吸15 min，再加入1 g NaCl和4 g MgSO4，振蕩1 min。10 000 r/min離心10 min，取上清液，過0.22 μm濾膜，即得到待測樣品。

1.2.5 質(zhì)譜條件

色譜柱型號：CP Sil 24 CB(30 m×0.25 mm，0.25 μm)；柱溫150 ℃，可采取程序升溫(2 min)→8 ℃/min→240 ℃(7 min)；汽化溫度220 ℃；檢測溫度240 ℃；氮氣流速5.0 mL/min；離子源溫度280 ℃；進(jìn)樣方式：不分流進(jìn)樣；進(jìn)樣量1 μL。分別吸取混合標(biāo)準(zhǔn)液及樣品凈化液注入氣相色譜儀中，記錄色譜圖，以保留時間定性，以樣品和標(biāo)準(zhǔn)樣品的峰面積比定量。

1.3 磁性碳納米復(fù)合材料的表征

1.3.1 透射電子顯微鏡

本試驗在200 kV加速電壓下利用高分辨率透射電子顯微鏡觀察介孔碳、磁性納米粒子及磁性碳納米復(fù)合材料的表面結(jié)構(gòu)特征(圖2)。MNPs粒徑大約為10～20 nm，粒徑分布均勻，無團(tuán)聚現(xiàn)象(圖2-a)。圖2-b是介孔碳在N,N-二甲基乙酰胺分散液中的透射電鏡圖，圖2-c是磁性介孔復(fù)合材料的透射電鏡圖，磁性介孔復(fù)合材料分散液經(jīng)多次振蕩后測定，溶液中沒有游離的磁性納米粒子，納米顆粒表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

a-磁性納米粒子；b-介孔碳；c-磁性介孔復(fù)合材料
圖2 磁性納米粒子、介孔碳和磁性介孔復(fù)合材料的 透射電鏡圖譜
Fig.2 The typical TEM images of the MNPs, the mesoporous carbon, and the MNPs/ODA-SBA-15 nanocomposite

1.3.2 X-射線衍射

本試驗利用X-射線衍射儀測定了磁性納米粒子的晶體結(jié)構(gòu)。從圖3可知，MNPs/ODA-SBA-15復(fù)合材料的衍射圖譜與晶態(tài)磁鐵礦(Fe3O4)的標(biāo)準(zhǔn)衍射圖譜非常接近[22]。在2θ=30.10°、35.34°、43.32°、53.51°、57.19°和63.18°處出現(xiàn)磁性納米粒子的4個衍射峰，對應(yīng)的晶體指數(shù)分別為(220)、(311)、(400)、(422)、(511)和(440)。

圖3 磁性碳納米復(fù)合材料的X-射線衍射圖譜
Fig.3 The X-ray diffraction pattern of the MNPs/ODA-SBA-15 nanocomposite

1.3.3 氮氣吸附-脫附

通過圖4所示的氮氣吸附-脫附試驗，進(jìn)一步探討了MNPs/ODA-SBA-15納米復(fù)合材料的多孔性能。該吸附-脫附等溫線是在較低的相對壓力(P/P0>0.9)下進(jìn)行的，說明該磁性碳納米復(fù)合材料是一種典型Ⅰ吸附行為[23]。

圖4 磁性復(fù)合材料氮氣吸附-脫附圖譜
Fig.4 Nitrogen adsorption-desorption isotherms of the porous MNPs/ODA-SBA-15 nanocomposite

1.3.4 磁強(qiáng)計

本試驗在室溫下測定了MNPs/ODA-SBA-15的磁性性能，振動樣品磁強(qiáng)計曲線如圖5所示。MNPs/ODA-SBA-15的最大比飽和磁化強(qiáng)度可達(dá)2.75 emu/g。測試結(jié)果表明，所制備的MNPs/ODA-SBA-15具有超順磁性，這是由于MNPs/ODA-SBA-15中的元素Fe和微量Fe3O4均在納米尺度上，超順磁性與顆粒尺寸密切相關(guān)，當(dāng)納米顆粒尺寸小于超順磁性極限尺寸時，顆粒表現(xiàn)出超順磁性[24]。

圖5 磁性納米復(fù)合材料振動樣品磁強(qiáng)計曲線
Fig.5 Vibrating sample magnetometer curve of the MNPs/ODA-SBA-15 nanocomposite

2 結(jié)果與分析

2.1 pH值對吸附性能的影響

樣品溶液的pH值對分析物的吸附起著重要的作用，pH值不僅影響分析物的存在形式，還影響其在吸附劑表面的電荷和密度。本試驗使用1 mol/L鹽酸或1 mol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)樣品溶液pH值，在pH 2～12的范圍內(nèi)優(yōu)化樣品溶液，選用響應(yīng)較好的毒死蜱作為加標(biāo)試驗。結(jié)果如圖6所示，在pH 6.0～7.5時獲得最大回收率。因此，將樣品溶液的pH值調(diào)整為6.0～7.5作為最佳條件。

圖6 pH值對吸附性能的影響
Fig.6 Effect of pH on the adsorption property

2.2 鹽度對吸附性能的影響

通過在均質(zhì)樣品中添加不同質(zhì)量濃度的NaCl(0,5,10,30,100,200和250 g/L)，研究了鹽度對菠菜樣品中毒死蜱提取回收率的影響，在優(yōu)化的實驗條件下，對每個水平進(jìn)行了3次重復(fù)提取和測定。試驗結(jié)果表明，加入NaCl可以加強(qiáng)水相和有機(jī)相分層，但對分析物的萃取回收率的影響可以忽略不計，數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。

2.3 萃取時間對吸附性能的影響

準(zhǔn)確量取100 mL樣品5份于250 mL三角瓶中，編號依次為1、2、3、4、5號，分別加入質(zhì)量濃度為10 μg/mL的毒死蜱標(biāo)準(zhǔn)儲備液200 μL混勻，再加入40 mg磁性介孔復(fù)合材料，5份樣品依次振蕩1、2、5、10、15 min，在外加磁場作用下分離，棄去上清液，固體物質(zhì)分別用5 mL乙腈洗脫，收集洗脫液，過0.22 μm濾膜后進(jìn)樣測定。如圖7所示，當(dāng)振蕩時間為5 min時回收率達(dá)到最大值，當(dāng)振蕩時間再增加時，回收率不變，這說明毒死蜱在磁性介孔復(fù)合物表面吸附已達(dá)到飽和狀態(tài)，因此，本試驗選5 min為最佳萃取時間。

表1 鹽度對吸附性能的影響
Table 1 Effect of sample salinity on the adsorption property

圖7 萃取時間對吸附性能的影響
Fig.7 Effect of extraction time on adsorption property

2.4 十六種有機(jī)磷農(nóng)藥線性關(guān)系和回收率研究

配制標(biāo)準(zhǔn)溶液質(zhì)量濃度系列0.02、0.05、0.07、0.10、0.15、0.25 μg/mL建立標(biāo)準(zhǔn)曲線，在優(yōu)化的實驗條件下，對每個水平進(jìn)行6次重復(fù)測定，數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示，在0.02～0.25 μg/mL具有很好線性關(guān)系，檢出限為0.01～0.08 μg/mL，相關(guān)系數(shù)為0.994 3～0.999 7。這是由于該磁性介孔復(fù)合材料具有大的吸附容量和大比表面積，通過渦旋使得磁性介孔復(fù)合材料與樣液充分接觸，以達(dá)到較好的凈化效果。綠葉菜中有機(jī)磷農(nóng)藥殘留含量較低，因此，本試驗通過加標(biāo)試驗研究其回收率和精密度。樣品的添加量分別為0.02、0.05、0.10 mg/kg，每個添加水平的樣品測定6次取其平均值，菠菜樣品前處理按1.2.4方法進(jìn)行。先測定樣品中毒死蜱的本底含量，再分別測定加標(biāo)樣品中毒死蜱的含量，扣除空白值后，計算平均加標(biāo)回收率。由表2可見，平均加標(biāo)回收率為81.3%～94.0%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(relative standard deviation, RSD)<10%(n=3)。

表2 十六種有機(jī)磷農(nóng)藥線性關(guān)系和回收率
Table 2 Linear relationship and recoveries of 16 organophosphorus pesticide residues

3 結(jié)論與討論

本試驗通過共沉淀法、簡單水熱法成功合成磁性Fe3O4納米粒子負(fù)載十八烷胺功能化介孔碳復(fù)合材料，基于QuEChERS技術(shù)聯(lián)合氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀建立了一種同時測定綠葉菜中16種有機(jī)磷農(nóng)藥殘留量檢測樣品前處理方法，該方法省去了過濾和離心等復(fù)雜的操作步驟，提高凈化效率，縮短前處理的時間。實驗結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的凈化劑相比，該磁性介孔材料能夠很好地消除基質(zhì)干擾，提高檢測效率，操作簡單。綠葉菜基質(zhì)中16種有機(jī)磷農(nóng)藥殘留量在0.02～0.25 μg/mL具有良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)(R2)在0.994 3～0.999 7，在0.02、0.05、0.10 mg/kg添加水平下，綠葉菜基質(zhì)中16種有機(jī)磷農(nóng)藥平均加標(biāo)回收率在81.3%～94.0%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差<10%，檢出限為0.01～0.08 μg/mL。將本方法應(yīng)用于實際綠葉菜樣品的檢測，結(jié)果顯示所有綠葉菜樣品均符合農(nóng)藥最大殘留限量標(biāo)準(zhǔn)。本方法具有靈敏度高、通用性強(qiáng)、準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等優(yōu)點，適用于其他蔬菜及水果中農(nóng)藥殘留量檢測樣品前處理中。