磁固相萃取結合高效液相色譜檢測農田灌溉水中4種苯甲酰脲類農藥

賈葉青，念琪循，張 磊，冀欠欠，徐厚君，王曼曼，王學生，郝玉蘭

(華北理工大學 公共衛生學院 河北 唐山 063210)

苯甲酰脲類農藥(Benzoylurea pesticides，BUs)是一種高效的昆蟲生長調節劑，具有殺蟲率高，殺蟲譜寬，殘留量低等特點，廣泛應用于糧食、蔬菜、水果等病蟲害防治[1]。然而，BUs農藥的廣泛使用容易造成農田土壤及灌溉水污染，進而經滲透或蒸發等途徑進入環境水系中。已有學者在農田灌溉水、河水以及湖水等環境水系中檢測到虱螨脲、氟鈴脲等BUs的存在[2-3]。雖然目前相關部門并未制定環境水中BUs的限量標準，但研究發現，水棲生物特別是甲殼類(蝦、蟹幼體)對BUs存在敏感反應。美國環境保護局已將部分苯甲酰脲類農藥定為Ⅲ類毒性或Ⅳ類毒性的中等毒性農藥[4]。由于BUs種類較多，本文以4種常用的BUs作為目標物，對農田灌溉水中的BUs殘留進行分析，以期為該類農藥的合理使用和環境安全評價提供數據。

目前，BUs的分析方法主要包括高效液相色譜-紫外檢測、高效液相色譜-串聯質譜檢測等方法[5-6]。但鑒于實際水樣的基底成分復雜，且BUs往往處于痕量水平，因此，有效、簡單且快速的前處理技術是決定分析方法準確度和靈敏度的關鍵。目前，BUs分析常用的前處理方法包括液液萃取、固相萃取及纖維固相微萃取等[6-8]。

磁性固相萃取技術(MSPE)是一種新型固相萃取技術，其通過施加外部磁場以實現吸附劑與樣品溶液的快速分離。相比于傳統的前處理方法，MSPE的操作簡單，樣品分析速度快，且避免了填充柱的背壓高等問題。金屬-有機骨架(MOFs)是以有機配體中的氧原子和氮原子連接無機金屬離子形成的多孔晶體材料，具有比表面積大、孔道可調控等特性，在吸附分離方面具有明顯優勢[9-11]。將MOFs引至磁性固相萃取技術，一方面可利用磁性納米粒子的超順磁特點，使其在外部磁場作用下與樣品溶液快速分離；另一方面可充分發揮MOFs較強的吸附性能，以達到高效富集痕量物質的目的。2005年，法國Férey等[12]率先采用Cr(Ⅲ)與對苯二甲酸鍵合而成MIL-101，該材料呈立方結構，比表面積達4 000 m2/g以上，在水及有機溶劑中具有優良的穩定性，被廣泛用于吸附、催化等領域[13-14]。2014年，Huang等[15]制備了功能化復合材料Fe3O4-NH2@MIL-101，該材料中MIL-101對BUs的苯環結構具有較強的π-π共軛作用；而Fe3O4-NH2的加入則提高了材料在水中的分散性，增加了材料與BUs的接觸面積，進一步提高了吸附效率；且BUs本身具有強疏水性，易從水溶液中吸附分離。

基于此，本研究將Fe3O4-NH2@MIL-101復合材料作為磁固相萃取介質，結合高效液相色譜-紫外法，發展了一種簡便、快速檢測農田灌溉水中4種BUs殘留的分析方法。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Agilent 1260高效液相色譜，配有紫外檢測器(美國Agilent公司)；100 mL水熱合成反應釜(天津凱易達儀器設備銷售有限公司)；JEM-2800F聚焦離子束-電子束雙束電鏡(美國FEI儀器有限公司)；Nicolet-6700傅立葉變換紅外光譜分析儀(美國Thermo公司)；XRD-6100型X射線衍射儀(日本島津公司)；LDJ 9600-1型振動樣品磁強計(美國LDJ電子儀器公司)；DZF-6020型真空干燥箱(上海博訊實業有限公司)；LC-36熱風循環烘箱(上海旦順實業有限公司)。

九水合硝酸鉻、對苯二甲酸、1,6-己二胺(分析純，上海阿拉丁試劑有限公司)；甲醇(MeOH)、乙腈(ACN)(色譜純，美國Fisher公司)；丙酮(DMK)、乙酸乙酯(EA)、無水乙酸鈉、六水合氯化鐵、乙二醇、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、無水乙醇(分析純，天津光復試劑有限公司)；實驗用水為超純水。

4種BUs標準品：氯吡脲、氟幼脲、虱螨脲(純度≥98%，國家標準物質資源共享平臺)，氟鈴脲(純度≥98%，上海阿拉丁試劑有限公司)，用乙腈配制成1 mg/mL標準儲備液，于4 ℃儲存待用。

1.2 樣品采集

樣品采集自河北省唐山市曹妃甸區不同農田灌溉水出水口，水樣分析之前經0.45 μm的濾膜過濾以除去懸浮顆粒。

1.3 磁性金屬有機骨架吸附材料的制備與表征

將0.65 g六水合氯化鐵分散于20 mL乙二醇中，加入1.3 g無水乙酸鈉，超聲混勻后，加入5 mL 1,6-己二胺，于50 ℃下攪拌均勻。將混合溶液轉移至聚四氟乙烯內襯反應釜中，置于預先加熱至190 ℃的烘箱中反應10 h。反應釜在烘箱中冷卻至室溫，所得產物用水和無水乙醇洗滌，60 ℃真空干燥12 h后，得到Fe3O4-NH2。

將2 g九水合硝酸鉻和0.83 g對苯二甲酸溶于15 mL水中，磁力攪拌3 h后，超聲10 min，再加入0.1 g Fe3O4-NH2和5 mL水。將反應溶液轉移至聚四氟乙烯內襯反應釜中，220 ℃下反應18 h。冷卻至室溫，施加外部磁場將產物與反應介質分離，經DMF、乙醇和水清洗產物，100 ℃下真空干燥過夜，得到Fe3O4-NH2@MIL-101磁性吸附劑。

對制備的Fe3O4-NH2@MIL-101磁性吸附劑進行表征：采樣掃描電子顯微鏡、紅外光譜及X射線衍射考察Fe3O4-NH2@MIL-101的表面形貌、基團和晶體結構，通過振動樣品磁強計考察吸附劑的磁性強弱。

1.4 高效液相色譜分析條件

色譜柱為Agilent EC-C18(4.6 mm×150 mm，4 μm)，采用梯度洗脫方式，流動相A為水，B為乙腈，洗脫程序為：0～5 min，B由40%線性增加至65%；5～7 min，B由65%線性增加至80%，7～12 min,B保持80%至分析結束。流速為1 mL/min，檢測波長為260 nm，柱溫22 ℃，進樣量10 μL。

1.5 磁性固相萃取流程

稱取22 mg磁性吸附劑Fe3O4-NH2@MIL-101加至100 mL水樣中，吸附15 min后，施加外部磁場將吸附劑與樣品溶液分離，棄去上清液。采用0.5 mL甲醇對BUs進行洗脫，充分振蕩3 min后磁分離，重復3次后合并洗脫液，氮吹濃縮后用甲醇定容至1 mL，待測。

2 結果與討論

2.1 Fe3O4-NH2@MIL-101的表征

對Fe3O4-NH2@MIL-101進行掃描電鏡分析(SEM)，可觀察到Fe3O4納米粒子均勻地附在MIL-101表面(圖1A)，表明二者已成功復合。對吸附劑的磁強度進行考察，得到Fe3O4-NH2@MIL-101吸附劑的磁化飽和度值為27.7 emu·g-1(圖1B)，表現出較強磁性，能夠在外加磁場作用下與樣品溶

液快速分離。采用X射線晶體衍射進一步鑒別材料的晶體結構，可觀察到衍射圖中保留了Fe3O4-NH2的6個特征峰和MIL-101的2個特征峰(圖1C)，表明該復合材料由Fe3O4-NH2和MIL-101組成，與文獻一致[13]。為了進一步驗證復合材料的構成，對其進行紅外光譜(FT-IR)分析(圖1D)，可觀察到在3 415 cm-1處出現典型的—OH和—NH伸縮振動峰，1 506 cm-1和1 690 cm-1處的吸收峰可歸屬為有機配體對苯二甲酸中—COOH的不對稱拉伸，578 cm-1處的吸收峰則由Fe—O鍵伸縮振動引起，這些特征峰說明了Fe3O4-NH2和MIL-101的存在。

2.2 磁性固相萃取條件的優化

吸附和洗脫過程是影響磁固相萃取效果的關鍵，因此實驗對吸附劑用量、吸附時間等吸附條件，以及洗脫溶劑種類與體積等洗脫條件進行了優化。優化過程采用100 mL混合標準水溶液進行實驗，其中氯吡脲的質量濃度為10 μg/L，氟幼脲、氟鈴脲、虱螨脲的質量濃度均為30 μg/L。所有實驗均平行3次。

2.2.1吸附條件的優化吸附劑的用量和時間決定了前處理過程的效率和成本。實驗考察了吸附劑用量分別為16、18、20、22、24 mg，吸附時間分別為12、13、14、15、16 min時，對4種BUs萃取效率的影響，結果顯示，隨著磁性吸附材料用量的增加和吸附時間的延長，4種BUs的吸附效率也隨之提高。當吸附劑用量為22 mg，吸附時間為15 min時，吸附效率達到最高，繼續增加吸附用量和吸附時間，吸附效率保持穩定。圖2A為吸附劑用量對BUs萃取效率的影響。后續實驗選擇最佳吸附劑用量為22 mg，最佳吸附時間為15 min。

離子強度和pH值也會影響萃取效率。在溶液中分別加入不同濃度(0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%，m/v)NaCl調節離子強度，以考察離子強度對萃取效率的影響。結果顯示，4種BUs的吸附效率隨著NaCl濃度的增加而增加，當NaCl濃度達到1.5%時，吸附效率最好，繼續增加NaCl濃度，吸附效率逐漸降低。實驗確定NaCl的最佳濃度為1.5%。另外，在pH 2.0～8.0范圍內探討了溶液pH值對吸附效率的影響。由圖2B可以看出，BUs的吸附效率在pH 5.0時達到最大，因此實驗選擇pH值為5.0。

圖3 洗脫溶劑種類對BUs洗脫效率的影響Fig.3 Effect of eluent type on elution efficiencies of BUs

2.2.2洗脫條件的優化考察了甲醇、乙腈、丙酮和乙酸乙酯4種溶劑對BUs的洗脫效果，結果顯示，甲醇的洗脫效率達到85%(圖3)，明顯高于其他3種溶劑，因此實驗選擇甲醇作為洗脫溶劑。

實驗同時考察了不同洗脫時間(1、3、6、9、12 min)及洗脫體積(0.5 mL、0.5×2 mL、0.5×3 mL、0.5×4 mL、0.5×5 mL)對BUs洗脫效率的影響。結果表明，當洗脫時間為9 min，洗脫體積為0.5×3 mL時的洗脫效率最佳。

2.3 方法驗證

在優化實驗條件下，配制了一系列BUs的標準工作溶液，以峰面積(y)對BUs質量濃度(x，mg/L)作圖。如表1所示，氯吡脲在0.010～1.0 mg/L范圍內，氟幼脲和氟鈴脲在0.015～3.0 mg/L范圍內，虱螨脲在0.030～3.0 mg/L范圍內，線性關系良好，相關系數均大于0.999 5。氯吡脲、氟幼脲、氟鈴脲、虱螨脲的檢出限(LOD，S/N=3)分別為0.03、0.05、0.05、0.09 μg/L，定量下限(LOQ，S/N=10)分別為0.10、0.17、0.17、0.30 μg/L。

表1 基于Fe3O4-NH2@MIL-101磁固相萃取4種BUs的分析特征量Table 1 Analytical performance data for 4 BUs by Fe3O4-NH2@MIL-101 based MSPE technique

對實際農田灌溉水樣進行3個水平的加標回收實驗，4種物質的加標濃度見表2，所有實驗平行3次，計算方法的加標回收率與相對標準偏差(RSD)。由表2可知，4種BUs的回收率為81.7%～95.4%，方法的日內和日間RSD分別為2.2%～6.8%和4.7%～9.4%。

表2 Fe3O4-NH2@MIL-101磁性固相萃取灌溉水中BUs的回收率及相對標準偏差(RSD)Table 2 Recoveries and RSDs obtained in the determination of BUs from spiked irrigation water samples by using Fe3O4-NH2@MIL-101 as sorbent

2.4 實際樣品的分析

在最優實驗條件下，對5份農田灌溉水樣品中的BUs進行萃取和分析，5份樣品均未檢出BUs。對樣品進行加標回收實驗，加標濃度為1.0 mg/L氯吡脲和3.0 mg/L氟幼脲、氟鈴脲、虱螨脲，圖4為空白樣品(A)、樣品加標后未經MSPE(B)和經MSPE(C)處理的色譜圖，由圖4B、C可見，4種BUs經Fe3O4-NH2@MIL-101吸附劑MSPE處理后，能夠得到有效富集，富集倍數達100倍。

2.5 與文獻方法對比

將本方法與文獻報道的其他前處理技術結合高效液相色譜檢測BUs的結果進行對比(見表3)。結果顯示，在回收率與檢出限相當的情況下，本方法所需的吸附劑用量少，吸附時間僅需15 min，且只需在外加磁場作用下即可完成對目標物的萃取，無需過濾和離心，方法快速、簡單。

表3 本方法與其他前處理技術結合高效液相色譜對BUs檢測的比較Table 3 Comparison with this work and the reported techniques for determination of BUs in various samples using HPLC

a:multiple monolithic fiber solid-phase microextraction,b:solid-phase extraction,c:thin film microextraction;*:no data

3 結 論

本研究將Fe3O4-NH2@MIL-101用于固相萃取水中BUs的殘留，結合高效液相色譜-紫外檢測，發展了一種簡單、快速檢測農田灌溉水中BUs殘留的分析方法。Fe3O4-NH2@MIL-101磁性萃取充分利用了MIL-101的吸附能力，以及磁性固相萃取操作簡單的優勢，使其在外部磁場作用下可迅速分離目標物，從而避免了離心、過濾等操作。方法操作簡單、快速，為水中BUs的前處理方法提供了新選擇。