基于磁性納米粒子功能化石墨烯-碳納米管三維復合材料的合成及應用研究

袁彩霞，王玉，洪霞，何海寧，柴宗龍，張彥軍，錢瀅文，王杰斌，趙萍

（1.甘肅省商業科技研究所甘肅省動物源性制品安全分析和檢測技術重點實驗室，甘肅蘭州730010；2.平涼市食品檢驗檢測中心，甘肅平涼744000；3.蘭州理工大學生命科學與工程學院，甘肅蘭州730050）

食品中殘留的農藥不僅給人體健康帶來了很大的傷害，而且也極大地影響生物環境和農作物生長[1]。農藥雖然在防治農產品病蟲害及植物生長方面起到了有效作用，但也不同程度地污染了農作物和環境[2]。尤其是農藥不合理的使用，導致蔬菜、糧食、瓜果等農產品甚至土壤中的農藥殘留嚴重超標[3]，殘留的農藥不僅造成了環境污染，且直接或間接地危害人體健康[4]。因此，必須加強對農藥檢測方法與降解機理的研究，解決農藥對環境及食物的污染問題[5-6]。研究表明，殘留農藥已成為對環境和食品的重要污染源之一，對其分析方法及檢測技術的發展也引起了人們高度重視[7]，由于食品中農藥殘留分析所涉及到的樣品復雜、農藥類型較多，分析不同類型的樣品和農藥需要選擇不同的檢測手段[8]。近年來，隨著各種檢測技術的不斷進步，農藥殘留的分析正向省時、省力、環保的方向發展，尤其是樣品基質較為復雜的農藥殘留分析方法[9-11]。

在農藥殘留檢測過程中發現，樣品的前處理技術通常對檢測結果分析的準確性具有很大的影響，同時，樣品的前處理過程也是農藥殘留檢測中最耗時的部分，對于農藥和基質種類復雜的樣品，在農藥殘留分析中需結合實際條件選用適當的樣品前處理方法[12-13]。理想的樣品前處理方法可以起到對目標分析物很好地分離富集，并減少或消除樣品基質干擾的作用[14-15]。

樣品前處理過程一般包括樣品的提取，凈化，濃縮，定容。樣品提取時，樣品中其他干擾物如色素、糖類、氨基酸、淀粉、脂類和蠟質等一起被提取出來，將會對目標分析物的檢測造成影響。樣品凈化就是消除或降低干擾物質的過程[16]。傳統的樣品前處理技術有液-液萃取法[17]、索氏提取法[18]、振蕩提取法等[19]，這些方法雖然很成熟，但存在著操作復雜、有毒有害試劑使用量大，對環境造成二次污染，提取過程損耗大等缺點，不能很好地滿足現代農藥殘留分析技術高效、環保、快速的發展趨勢[20]。近年來，雖然食品安全國家標準中一系列新的前處理方法如固相萃取技術、基質固相分散萃取技術、凝膠滲透色譜技術、加速溶劑萃取技術、固相微萃取技術、微波輔助溶劑萃取技術等對于極難分離的目標分析物有著較好的吸附和凈化效果，但仍然存在著固相萃取處理時間冗長，操作技術人員要求高、大量使用有機試劑等缺陷[21-22]。

研究表明，功能化碳納米復合材料和金屬納米粒子因具有獨特的物理和化學性質，在蔬菜及水果中農藥殘留檢測過程具有潛在的應用價值[23]。如功能化碳納米管由于其具有大的比表面積，良好的化學穩定性，較強的疏水性和易于進行化學修飾等優點，是一種典型的分散固相萃取劑[24]。可以同時實現樣品的提取和凈化，消耗的溶劑少，不需要昂貴的儀器，可以用于食品和生物基質中有機污染物的提取與凈化[25-26]。

本研究集中以碳納米管、石墨烯、金屬納米粒子合成一些新型的功能化納米復合材料，該納米復合材料由于具有大的比表面積、化學惰性、生物相容性、大的孔體積，良好的孔道穩定性，疏水親有機物等特性，使其具有更高的吸附容量及生物降解性能[27-28]。本研究通過調節合成時的投料比可以改變納米材料的孔道結構，使其可以選擇性吸附不同種類的目標物。因此，在農藥殘留分析領域，功能化的碳納米復合物可作為一種反相固相萃取柱在樣品中農藥殘留檢測過程進行選擇性吸附解析，且能夠很好的消除基質干擾。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 儀器與設備

電子天平（XS225A-SCS）、臺式高速離心機（CF16RXⅡ）：奧豪斯國際貿易（上海）有限公司；渦旋振蕩儀（VORTEX 2）：北京卓信宏業儀器設備有限公司；超聲波清洗機（SB-100B）：成都鑫榮誠超聲波科技有限公司；氣相色譜儀（Agilent 7890B）：安捷倫科技（上海）有限公司；碳納米管（純度97.5 %，外徑20 nm，內徑10 nm，長度30 μm，比表面積110 m2/g）、弗洛硅土柱（純度97 %，比表面積2 630 m2/g）、石墨烯（純度99.6 %）：深圳市納米港有限公司。

1.1.2 試劑

丙酮（色譜純，99.6%）：西安市永紅化工原料有限公司；正己烷（純度99%）：深圳市時得佳科技有限公司；乙腈（純度99.8%）：高碑店市隆年達商貿有限公司；二價鐵鹽（FeCl2·4H2O，純度99.5 %）、三價鐵鹽（FeCl3·6H2O，純度99.5 %）、NH3·H2O（純度99.6 %）、高錳酸鉀（純度99.1%）、過氧化氫（純度98.9%）、1，3，6，8-芘四磺酸鈉（純度99.3%）：北京振翔科技有限公司。本試驗用水為二次蒸餾水。

1.1.3 農藥標準品及標準溶液

毒死蜱、甲胺磷、水胺硫磷、三唑磷、丙溴磷、樂果、敵敵畏、甲拌磷、氧樂果、丙溴磷、甲基對硫磷、對硫磷、馬拉硫磷、殺撲磷、甲基硫環磷、乙酰甲胺磷、水胺硫磷、伏殺硫磷、硫環磷、治螟磷、久效磷、滅線磷、殺螟硫磷等有機磷農藥標準品（以上標準品純度均＞99%）：北京海岸鴻蒙標準物質技術有限責任公司。標準溶液的配制：準確稱取適量標準品農藥，用少量丙酮溶解，再用丙酮稀釋成10 mg/mL 標準儲備溶液。量取適量標準儲備溶液，用丙酮稀釋為系列混合標準溶液。

1.2 試驗方法

1.2.1 磁性Fe3O4納米粒子的制備

本試驗采用化學共沉淀法制得磁性四氧化三鐵納米粒子，采用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，再繼續攪拌55 min 后停止反應，離心分離，用蒸餾水反復洗滌直至pH 值為中性為止，移去上層清液，在70 ℃真空干燥18 h，研磨后即得到最終產物磁性四氧化三鐵納米粒子（magnetic nanoparticles，MNPs）。

1.2.2 碳納米管（carbon nanotubes，CNTs）純化過程

碳納米管的酸化：取1 g 經過預處理的碳納米管放入100 mL 的燒瓶中，依次加入15 mL 濃硝酸和45 mL濃硫酸，裝好回流冷凝和吸收裝置，加熱回流1.5 h。冷卻至室溫（25 ℃）后將多余的酸過濾，所剩的粉末狀物質即為純凈的碳納米管。將所得的純碳納米管用去離子水洗滌至pH 值為7 時止，最后將洗滌干凈的碳納米管放入烘箱中干燥8 h。

1.2.3 1，3，6，8-芘四磺酸鈉功能化石墨烯復合材料的制備

采用熱解1，3，6，8-芘四磺酸鈉（1，3，6，8-pyrenetetrasulfonic，PyTS）的方法非共價鍵修飾石墨烯表面。通過石墨烯表面的磺酸鈉基團與石墨烯之間的靜電作用和絡合作用，使磺酸鈉基團均勻地、穩定地鍵合在石墨烯表面。詳細的合成過程如下：稱取1 mg石墨烯粉末加入10 mL 二次水超聲1 h，再取10 mL 芘四磺酸鈉加到上述分散液中并且在70 ℃攪拌4 h。通過離心和真空干燥得到固體產品（reduced graphene oxide，rGO），圖1 是石墨烯和功能化石墨烯在水中的溶解示意圖，從圖中可以看出PyTS 能夠顯著地提高石墨烯在水中的分散性和溶解性。

圖1 石墨烯和功能化石墨烯在水中的溶解示意圖Fig.1 Schematic diagram of the dissolution of graphene and functionalized graphene in water

1.2.4 磁性四氧化三鐵納米粒子修飾石墨烯-多壁碳納米管磁性復合納米材料的合成

將磁性四氧化三鐵納米粒子擔載在功能化的石墨烯和碳納米管上形成三維多孔的納米復合材料。具體合成過程如下：現將10 mL 濃度為10 mg/mL 磁性納米粒子緩慢地加入功能化的石墨烯和碳納米管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物，黑色產物通過二次水洗滌3 次后在80 ℃真空下烘4 h 即得到最終產物（MNPs/rGO-CNTs）。該復合材料的合成機理如圖2 所示。

圖2 三維磁性四氧化三鐵納米粒子修飾石墨烯-多壁碳納米管磁性復合納米材料的合成機理圖Fig.2 The formation mechanism of three dimensional MNPs/rGO-CNTs nanocomposite

1.2.5 蔬菜中有機磷農藥的提取及凈化

稱取均質菠菜樣品5.00 g 于50 mL 離心管中，加入10 mL 丙酮振蕩30 min，取其提取液2 mL 于10 mL離心管中同時再加入10 mg 磁性納米復合材料，渦旋5 min，10 000 r/min 離心2 min，取其上清液加入10 mL丙酮溶液解吸15 min，再加入1 g 氯化鈉和4 g 硫酸鎂，振蕩1 min。10 000 r/min 離心3 min，取其上清液過0.22 μm 有機膜，即得到待測樣品。

1.2.6 色譜條件

色譜柱：CP Sil 24 CB（30 m×0.25 mm×0.25 μm）；柱溫：150 ℃（2 min）→8 ℃/min→240 ℃（7 min）；汽化溫度：220 ℃；檢測溫度：240 ℃；氮氣：5.0 mL/min；進樣方式：不分流進樣；進樣量：1 μL。分別吸取混合標準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，以樣品和標準樣品的峰面積比定量。

2 結果與分析

2.1 材料表征

石墨烯片層結構，碳納米管-石墨烯構型和磁性四氧化三鐵修飾石墨烯-碳納米管磁性復合納米材料的透射電鏡圖譜如圖3 所示。

圖3 不同納米材料的透射電鏡圖Fig.3 Transmission electron microscopy（TEM）of different nanomaterials

由圖3 a 可以看出石墨烯納米片晶體結構沒有出現團聚現象，從圖3b 可以看出石墨烯均勻的分散在碳納米管層間而未出現團聚現象，這說明碳納米管摻雜石墨烯不僅彌補了石墨烯由于團聚而是其導電性降低的缺陷，而且有效地增大了復合材料的比表面積，因此，功能化石墨烯和碳納米管結合形成的復合材料有望用于改善石墨烯自身的缺陷而能夠成為一種奇特的電化學生物傳感器。從圖3c 和從圖3d 中可以看出，磁性四氧化三鐵納米粒子能夠均勻地分散在石墨烯-碳納米管表面，而且沒有團聚現象；當用磁力攪拌器振蕩時，溶液中也沒有游離磁性四氧化三鐵納米粒子，這表明磁性四氧化三鐵納米粒子緊緊地依附在石墨烯-碳納米管表面，不會因為一些簡單的操作而從石墨烯-碳納米管表面脫落。電鏡圖證明成功制備了具有三維多孔結構MNPs/rGO-CNTs 復合材料。

2.2 方法優化

本研究利用該磁性納米復合材料對22 種有機磷農藥殘留進行分析，試驗結果表明，有機磷農藥在0.02 μg/mL~1.00 μg/mL 濃度范圍內呈良好的線性關系，具體數據如表1 所示。

表1 22 種有機磷測定的驗證參數Table 1 Validation parameters for quantification of 22 organophosphorus

2.3 溶液pH 值的影響

樣品溶液的酸堿性對目標分析物的吸附有很大的影響，如pH 值不僅影響目標分析物的存在形式，而且對吸附劑表面的電負性和電子云密度也有影響[29-30]。本試驗利用1 mol/L 鹽酸和1 mol/L 氫氧化鈉調節不同pH 值，以韭菜、菠菜、大蔥和橙子為目標分析物，以甲基異柳磷標準液為加標回收，pH 值的影響結果如圖4所示。

由圖4 可知，隨著pH 值從1.0 增加到5.0，4 種樣品的回收率逐漸增大，此后回收率緩慢降低。這說明在低pH 值范圍內，溶液中氫離子濃度增加，氫離子和甲基異柳磷處于同時競爭到吸附劑表面狀態，因此離子交換作用很難發生。然而，在高pH 值范圍內，磁性納米復合材料的官能團容易與氫氧根離子形成沉淀物，導致其吸附能力降低。因此，本試驗選pH 5 為最佳試驗條件。

圖4 溶液pH 值的影響圖譜Fig.4 Effect of sample solution pH value

2.4 凈化時間的影響

基質的性質對某些特定化合物的基質效應也起著重要作用，韭菜、小青菜、生菜基質成分較為復雜，經過加標回收率試驗發現，回收率偏差較大的，對農藥測定的干擾大，準確性不高。因此，本試驗以韭菜樣品為研究對象，考察了0.5、1.0、1.5、2.0 min 時間內目標分析物在該納米復合材料表面的凈化效果，不同凈化時間與凈化效果比較情況如圖5 所示。

圖5 凈化時間的影響Fig.5 The effect of clarification time

由圖5 可知，隨著凈化時間增加，基質干擾減小，當時間為1.5 min 時，基質干擾最小，凈化效果最好，因此，本試驗選用1.5 min 為最佳凈化時間。

2.5 復合材料與弗洛硅土柱凈化效果對比

食品安全國家標準GB 5009.144-2003《植物性食品中甲基異柳磷殘留量的測定》中規定的樣品前處理過程涉及大量有機溶劑，試驗操作步驟繁瑣，回收率低。該方法中樣品先用60 mL 乙酸乙酯提取30 min，再取30 mL 上清液進行濃縮，然后用30 mL 乙酸乙酯通過弗洛硅土柱凈化，最后再濃縮用丙酮定容至1 mL 進氣相色譜測定。而本試驗樣品前處理過程中涉及少量有機試劑，試驗操作簡單、快速，回收率高，納米復合材料與弗洛硅土柱凈化效果對比如圖6 所示。

圖6 磁性納米復合材料與弗洛硅土柱有機磷農藥殘留檢測凈化效果對比圖Fig.6 Comparison of the purification effect of magnetic nanocomposite and Flo silicate column on organophosphorus pesticide residues

如圖6 可知，該納米復合材料凈化效果要比弗洛硅土柱好得多。該納米復合材料凈化后的樣液顏色清澈，而弗洛硅土柱凈化后的樣液仍然很渾濁。這是由于該納米復合材料具有大的吸附容量和大比表面積，通過渦旋能與樣液充分接觸，凈化效果更好。

2.6 吸附劑納米復合材料的用量

在樣品的前處理過程中，經常會發現吸附劑的用量對凈化效果和回收率有很大的影響[31]。本試驗選用1、2.5、5、10、15、20、25 mg 納米復合材料分別對韭菜、大蔥、菠菜和橙子4 種樣品進行萃取，通過加甲基異柳磷標準溶液計算其回收率。

圖7 吸附劑納米復合材料的用量Fig.7 The effect of MNPs/rGO-CNTs nanocomposite amount

從圖7 可以看出，隨著吸附劑用量增加，回收率逐漸增大，當吸附量達到10 mg 時，吸附達到飽和，回收率不再增大。因此，為了提供足夠多的吸附位點以及提高富集效率，本試驗選10 mg 納米復合材料作為最佳吸附量。

2.7 線性關系

本試驗選用甲基異柳磷濃度系列0.02、0.04、0.06、0.08、0.1、0.2 μg/mL，以韭菜樣品作為基質研究其線性關系，吸附行為如圖8 所示。

圖8 磁性Fe3O4 納米粒子修飾石墨烯-碳納米管對不同濃度甲基異柳磷吸附行為圖譜Fig.8 The adsorption behavior of graphene-carbon nanotubes modified by magnetic Fe3O4 nanoparticles on different concentrations of isfenphos-methyl

由圖8 可知，相對峰面積與濃度呈良好的線性關系，相關系數R2=0.999 16，最低檢出限為0.006 5 μg/mL。

2.8 實際樣品分析

以韭菜、菠菜、大蔥和橙子樣品為基質，分別加入濃度為0.02 mg/mL 甲基異柳磷標準儲備液100 μL 和300 μL，每種樣品重復進樣6 次，通過測量值/加入量計算其平均回收率，其結果如表2 所示。

從表2 可以看出，其韭菜回收率在85.0%~98.3%之間，菠菜回收率在95.0%~106.7%之間，大蔥回收率在80.0 %～96.7 %之間，橙子回收率在90.0 %～101.7%之間，相對標準偏差（relative standard deviation，RSD）小于5%。

表2 樣品中甲基異柳磷的加標回收率Table 2 The recovery rate of methyl isosalicylate in the sample

2.9 穩定性

對磁性Fe3O4納米粒子修飾石墨烯-碳納米管復合材料吸附的穩定性進行了考察，將制備好的待測液在6 ℃下儲存，一周以后測定獲得回收率為89.5%，兩周以后測定獲得回收率為89.2%，一個月以后測定獲得回收率為89.1%。這說明該磁性Fe3O4納米粒子修飾石墨烯-碳納米管復合材料對有機磷農藥的吸附具有很好的穩定性。

3 結論

本研究成功地制備了一種三維多孔結構的納米復合材料，并將其作為一種反相吸附劑應用于蔬菜及水果樣品有機磷農藥殘留檢測中。由于磁性納米粒子強磁性和三維石墨烯-碳納米管良好的吸附性能，該復合材料在蔬菜及水果樣品有機磷農藥殘留的檢測中具有良好的凈化效果和消除基質干擾能力。試驗結果表明，此方法中使用低毒性丙酮代替乙酸乙酯，不僅減少了有機溶劑的使用量，而且降低了揮發性溶劑對環境造成污染，具有操作簡單、經濟、環保的效果，有望在其他有毒有害物質檢測中也具有廣泛的應用價值。