ZIF-8@Fe3O4磁性固相萃取結(jié)合高效液相色譜法測(cè)定果汁中3種苯甲酰脲殺蟲(chóng)劑

武 鑫，王翰云，安壯壯，李子凌，賈葉青，王曼曼，郝玉蘭

(華北理工大學(xué) 公共衛(wèi)生學(xué)院，河北 唐山 063210)

苯甲酰脲殺蟲(chóng)劑(Benzoylurea insecticides，BUs)是一類能抑制靶標(biāo)害蟲(chóng)幾丁質(zhì)合成而導(dǎo)致其不育或死亡的昆蟲(chóng)生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑，具有殺蟲(chóng)率高、殺蟲(chóng)譜寬等特點(diǎn)，被廣泛用于農(nóng)產(chǎn)品病蟲(chóng)害的防治[1]。然而，BUs會(huì)殘留在農(nóng)產(chǎn)品表面并轉(zhuǎn)移至衍生農(nóng)產(chǎn)品(如果汁)中，通過(guò)持續(xù)暴露和慢性毒性作用對(duì)人類健康產(chǎn)生危害[2]。美國(guó)環(huán)境保護(hù)署已將部分BUs歸類為Ⅲ級(jí)或Ⅳ級(jí)的中等毒性物質(zhì)[3]。因此，開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單、快速的農(nóng)產(chǎn)品中BUs殘留的分析方法具有重要意義。

目前常用于BUs分析的樣品前處理方法有分散液液微萃取(DLLME)[4]、固相微萃取(SPME)[5]和固相萃取(SPE)[6]。但DLLME和SPME通常萃取容量有限，且操作步驟較多；傳統(tǒng)SPE萃取柱一次性使用，成本高。磁性固相萃取(MSPE)是一種以磁性或可磁化的功能性材料為吸附劑的固相萃取技術(shù)[7]。該技術(shù)將少量的吸附劑直接加入樣品溶液中，可增加吸附劑與目標(biāo)物之間的接觸面積，有利于加快傳質(zhì)，降低萃取時(shí)間，提高方法的萃取效率，且僅需外部磁場(chǎng)即可實(shí)現(xiàn)吸附劑與樣品基質(zhì)的分離，操作簡(jiǎn)單、快速，已成功應(yīng)用于環(huán)境、生物和食品等樣品的凈化和富集[8-11]。

MSPE吸附劑通常由磁性的Fe3O4和功能性吸附材料組成，吸附材料可根據(jù)待測(cè)物的性質(zhì)選擇、調(diào)控和修飾。因此，選擇合適的吸附材料是決定萃取效率的關(guān)鍵。沸石咪唑酯骨架材料(Zeolitic imidazolate frameworks，ZIFs)是以二價(jià)過(guò)渡金屬離子為配位點(diǎn)，咪唑或咪唑衍生物為有機(jī)配體自組裝形成的一類具有沸石結(jié)構(gòu)的納米多孔材料[12]。其中ZIF-8因比表面積大和孔結(jié)構(gòu)豐富而被廣泛應(yīng)用[13-14]。吳怡秋等[15]發(fā)展了離子液體修飾的ZIF-8作為吸附劑，結(jié)合高效液相色譜-質(zhì)譜法分析環(huán)境水樣中的微囊藻毒素；Wang等[16]構(gòu)筑了ZIF-8復(fù)合氧化石墨烯對(duì)奶制品中性激素進(jìn)行前處理，結(jié)合高效液相色譜-紫外檢測(cè)進(jìn)行測(cè)定，方法檢出限為0.52～2.11 μg/L；Pang等[17]制備了ZIF-8摻雜整體柱在線凈化，聯(lián)用高效液相色譜-熒光檢測(cè)測(cè)定水和蜂蜜中的氟喹諾酮類藥物。

磁性ZIF-8(ZIF-8@Fe3O4)可以充分發(fā)揮ZIF-8的高吸附性能，同時(shí)結(jié)合MSPE快速簡(jiǎn)便的優(yōu)勢(shì)，高效地富集復(fù)雜樣品中痕量目標(biāo)物。本研究以ZIF-8@Fe3O4作為磁性固相萃取吸附劑用于果汁中氟幼脲、四螨嗪和氟啶脲3種BUs的前處理，結(jié)合高效液相色譜-二極管陣列檢測(cè)，發(fā)展了一種簡(jiǎn)單、快速的果汁中BUs的分析方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Agilent 1260高效液相色譜-二極管陣列檢測(cè)器(HPLC-DAD，美國(guó)Agilent公司)；D/MAX2500PC X射線衍射儀(XRD，日本理學(xué)株式會(huì)社)；Shimadzu FTIR-8400S傅立葉變換紅外光譜儀(FT-IR，日本島津公司)；Hitachi S-4800場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM，日本日立公司)和LDJ9600-1振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM，美國(guó)JDJ公司)。

除特別說(shuō)明外，所有試劑均為分析純。六水合硝酸鋅(Zn(NO3)2·6H2O)、六水合三氯化鐵(FeCl3·6H2O)、2-甲基咪唑和乙二醇購(gòu)自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；三水合乙酸鈉(NaOAc·3H2O)、無(wú)水乙醇、鹽酸購(gòu)自天津市匯杭化工科技有限公司；甲醇(MeOH)、乙腈(ACN)、乙酸乙酯和丙酮為色譜純，購(gòu)自賽默飛世爾科技有限公司(美國(guó))。超純水購(gòu)自杭州娃哈哈集團(tuán)有限公司。

標(biāo)準(zhǔn)品：氟幼脲(PENF，純度≥99.5%)、四螨嗪(CLOF，純度≥99.5%)和氟啶脲(CHLO，純度≥99%)均購(gòu)自國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心。使用甲醇配制成質(zhì)量濃度均為1 mg/mL的標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液，于4 ℃下避光保存。使用時(shí)，將標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液稀釋成100 μg/mL的標(biāo)準(zhǔn)工作液備用。

1.2 ZIF-8@Fe3O4的制備與表征

將3 g FeCl3·6H2O溶于30 mL乙二醇中，加入9 g NaOAc·3H2O，劇烈攪拌30 min后，轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中，于200 ℃下反應(yīng)8 h。將得到的Fe3O4經(jīng)水和無(wú)水乙醇反復(fù)洗滌后，再加入100 mL鹽酸溶液(0.1 mol/L)超聲酸化15 min，用水洗滌至中性后，真空干燥，得到酸化的Fe3O4備用。

ZIF-8@Fe3O4的合成方法[18]如下：準(zhǔn)確稱量2.9 g Zn(NO3)2·6H2O溶于60 mL甲醇中，加入1 g酸化的Fe3O4，于70 ℃下水浴攪拌30 min后，加入60 mL 2-甲基咪唑(7.9 g)甲醇溶液，繼續(xù)攪拌15 min。用水和甲醇反復(fù)洗滌5次，于60 ℃真空干燥2 h后得到表面生長(zhǎng)1次ZIF-8的ZIF-8@Fe3O4。將所獲得的ZIF-8@Fe3O4，依照上述實(shí)驗(yàn)條件重復(fù)生長(zhǎng)2次和3次。將制備的ZIF-8@Fe3O4進(jìn)行X射線衍射、傅立葉變換紅外光譜等表征。

1.3 樣品采集

果汁樣品購(gòu)自唐山市某超市，于4 ℃冷藏保存，使用前經(jīng)0.22 μm濾膜過(guò)濾待用。

1.4 磁性固相萃取流程

準(zhǔn)確稱取40 mg ZIF-8@Fe3O4，加入10 mL過(guò)濾后的果汁樣品，渦旋振蕩20 min，通過(guò)施加外部磁場(chǎng)將吸附劑與果汁樣品分離，棄去上清液。使用1 mL甲醇對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行洗脫，充分振蕩8 min后收集洗脫液，重復(fù)洗脫3次，合并洗脫液，氮吹濃縮至干，以0.2 mL甲醇復(fù)溶，進(jìn)行液相色譜分析。

1.5 高效液相色譜分離條件

色譜柱為Agilent Eclipse XDB-C18(150 mm×4.6 mm，5 μm，美國(guó)Agilent公司)；流動(dòng)相為甲醇-水(81∶19，體積比)；流速為1 mL/min；進(jìn)樣體積為10 μL；檢測(cè)波長(zhǎng)為260 nm；柱溫為25 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 ZIF-8@Fe3O4的制備及表征

利用XRD對(duì)材料的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，結(jié)果顯示，ZIF-8@Fe3O4同時(shí)具有位于(220)、(311)、(400)、(422)、(511)和(440)的Fe3O4典型衍射峰，及(011)、(002)、(022)和(222)處ZIF-8的特征峰(圖1A)。通過(guò)FT-IR進(jìn)一步鑒定材料的結(jié)構(gòu)(圖1B)，ZIF-8@Fe3O4在1 430、1 300、754、681 cm-1處出現(xiàn)的吸收峰為咪唑環(huán)的平面彎曲和拉伸振動(dòng)峰[19]，在570 cm-1處的吸收峰為Fe-O鍵伸縮振動(dòng)引起的特征峰。對(duì)ZIF-8@Fe3O4進(jìn)行SEM表征(圖1C)，可明顯觀察到十二面體形狀的ZIF-8和平均直徑為300～400 nm的球形Fe3O4，且磁球附著在ZIF-8表面。以上結(jié)果表明ZIF-8@Fe3O4已成功制備。使用VSM分析ZIF-8@Fe3O4的磁強(qiáng)度(圖1D)，測(cè)得其磁飽和強(qiáng)度值為61.53 emu/g，表明ZIF-8@Fe3O4有較好的磁響應(yīng)能力，作為磁性固相萃取吸附劑能夠快速、有效地與樣品溶液分離。

ZIF-8提供吸附作用位點(diǎn)，因此決定ZIF-8@Fe3O4的吸附性能。為獲得最大吸附效率，考察了ZIF-8生長(zhǎng)次數(shù)(1～3次)對(duì)3種BUs萃取效率的影響。結(jié)果表明，當(dāng)ZIF-8生長(zhǎng)1次時(shí)，3種BUs的吸附效率為97.9%～99.6%，生長(zhǎng)2次和3次所得吸附劑對(duì)3種BUs的吸附效率為97.6%～98.8%，與ZIF-8生長(zhǎng)1次時(shí)的結(jié)果相比無(wú)明顯改變。故選擇ZIF-8生長(zhǎng)次數(shù)為1次的ZIF-8@Fe3O4作為吸附劑。

2.2 磁性固相萃取條件的優(yōu)化

吸附和洗脫過(guò)程是磁性固相萃取的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)考察了溶液pH值、吸附劑用量、吸附時(shí)間、洗脫溶劑種類及體積(單次洗脫體積×洗脫次數(shù))對(duì)3種BUs萃取效率的影響。以10 mL BUs質(zhì)量濃度均為200 ng/mL的水溶液進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，所有實(shí)驗(yàn)平行測(cè)定3次。

溶液的pH值會(huì)影響B(tài)Us的存在形式和吸附劑表面的吸附位點(diǎn)[20]。由于實(shí)際樣品中果汁的pH值為4～6，因此考察了pH值在3～7范圍內(nèi)對(duì)BUs回收率的影響。由圖2A可知，當(dāng)pH值為6時(shí)，3種BUs的回收率最佳(96.3%～100%)。因此，實(shí)驗(yàn)選擇溶液pH值為6。

合適的吸附劑用量能夠提供充足的吸附位點(diǎn)并決定方法的萃取效率。固定吸附時(shí)間為20 min，考察吸附劑用量(20～60 mg)對(duì)3種BUs吸附效率的影響。由圖2B可知，當(dāng)吸附劑用量為20～40 mg時(shí)，隨著吸附劑用量的增加，3種BUs的吸附效率增大。當(dāng)吸附劑用量為40 mg時(shí)，3種BUs的吸附效率達(dá)到最大(98.1%～98.7%)，繼續(xù)增加吸附劑用量時(shí)，吸附效率不再增加，因此實(shí)驗(yàn)選擇最佳吸附劑用量為40 mg。

充足的吸附時(shí)間能夠使目標(biāo)物和吸附劑充分接觸，以保證最佳的萃取結(jié)果。固定吸附劑用量為40 mg，考察了吸附時(shí)間(5～25 min)對(duì)3種BUs吸附效率的影響。由圖2C可知，在5～20 min范圍內(nèi)3種BUs的吸附效率隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，當(dāng)吸附時(shí)間增加至25 min時(shí)，吸附效率無(wú)明顯變化，故實(shí)驗(yàn)選擇最佳吸附時(shí)間為20 min。

圖1 ZIF-8@Fe3O4、ZIF-8和Fe3O4的X射線衍射圖(A)、紅外光譜圖(B)，以及ZIF-8@Fe3O4的掃描電子顯微鏡圖(C)和磁滯曲線(D)Fig.1 X-ray diffraction(XRD) patterns(A) and FT-IR spectra(B) of ZIF-8@Fe3O4,ZIF-8 and Fe3O4,scanning electron microscopy(SEM) image(C) and magnetization curve(D) of ZIF-8@Fe3O4

圖2 pH值(A)、吸附劑用量(B)和吸附時(shí)間(C)對(duì)3種BUs萃取效率的影響(n=3)Fig.2 Effect of pH value(A),sorbent amount(B) and extraction time(C) on extraction efficiencies of three BUs(n=3)

洗脫條件決定了方法的準(zhǔn)確度。實(shí)驗(yàn)考察了洗脫溶劑種類(乙酸乙酯、丙酮、乙腈和甲醇)對(duì)3種BUs回收率的影響。在最優(yōu)上樣條件下，固定洗脫體積為4 mL(1 mL×4次)，分別使用上述4種洗脫溶劑對(duì)3種目標(biāo)物進(jìn)行洗脫，由圖3A可知，當(dāng)洗脫溶劑為甲醇時(shí)，3種BUs的回收率最佳(89.3%～97.2%)。實(shí)驗(yàn)同時(shí)考察了甲醇體積(單次洗脫體積×洗脫次數(shù))對(duì)目標(biāo)物回收率的影響(見(jiàn)圖3B)。結(jié)果表明，洗脫體積為4 mL(1 mL×4次)時(shí)，3種BUs的回收率最佳，繼續(xù)增加洗脫溶劑用量會(huì)導(dǎo)致氮吹時(shí)間延長(zhǎng)，為節(jié)省溶劑和時(shí)間，最終選擇4 mL(1 mL×4次)甲醇為最優(yōu)洗脫條件。

圖3 洗脫溶劑種類(A)和洗脫體積(B)(單次洗脫體積×洗脫次數(shù))對(duì)3種BUs回收率的影響(n=3)Fig.3 Effect of eluting solvent type(A) and eluting volume(B) (single eluting volume × eluting times) on recoveries of three BUs(n=3)

2.3 ZIF-8@Fe3O4對(duì)BUs的吸附性能

為進(jìn)一步研究ZIF-8@Fe3O4對(duì)BUs的吸附機(jī)理，比較了3種BUs的脂水分配系數(shù)(logP)、氫鍵數(shù)量與方法富集因子(EF)之間的關(guān)系(見(jiàn)表1)。logP可反映目標(biāo)物的疏水性，logP越大，表明目標(biāo)物的極性越小，在水溶液中的溶解度越低。BUs中含有氫原子，ZIF-8的配體具有氫鍵結(jié)合位點(diǎn)，因此兩者可形成氫鍵作用[21]。EF是磁性固相萃取前后的BUs濃度比，體現(xiàn)了目標(biāo)物與吸附劑作用強(qiáng)弱。如表1所示，CLOF、PENF和CHLO的EF分別為43.4、47.7和48.1，表明3種BUs的EF隨著logP的增大而增大，且含有2個(gè)氫鍵的PENF和CHLO的EF高于不含氫鍵的CLOF。因此，疏水作用和氫鍵作用可能是決定吸附劑與目標(biāo)物之間相互作用的關(guān)鍵。

表1 3種BUs的結(jié)構(gòu)式、脂水分配系數(shù)、氫原子數(shù)和富集倍數(shù)Table 1 Structures,logP,H bond donors and EFs of three BUs

2.4 方法驗(yàn)證

2.4.1 線性范圍、檢出限與定量下限在最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件下，分別配制7個(gè)不同質(zhì)量濃度的3種BUs標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行高效液相色譜分析，以目標(biāo)物的質(zhì)量濃度(x，ng/mL)為橫坐標(biāo)，峰面積(y)為縱坐標(biāo)建立標(biāo)準(zhǔn)曲線。結(jié)果表明，PENF和CLOF在2.0～200 ng/mL、CHLO在3.5～350 ng/mL范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)(r)均為0.999。以信噪比S/N=3和S/N=10計(jì)算方法的檢出限(LOD)和定量下限(LOQ)分別為0.6～1.0 ng/mL和2.0～3.5 ng/mL(表2)。

表2 方法的線性范圍、回歸方程、檢出限、定量下限、回收率和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差Table 2 Linear ranges,regression equations,limits of detection(LOD),limits of quantitation(LOQ),recoveries and relative standard deviations(RSD) of the present method

(續(xù)表2)

2.4.2 回收率與相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)同一空白果汁樣品進(jìn)行低、中、高3個(gè)水平的加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)(n=3)，如表2所示，樣品的加標(biāo)回收率為82.7%～98.6%。以日內(nèi)和日間(n=3)重復(fù)測(cè)定得到的色譜峰面積的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)計(jì)算精密度，日內(nèi)和日間RSD分別為1.2%～6.1%和1.3%～9.0%，表明本方法具有良好的準(zhǔn)確度和重現(xiàn)性。

圖4 BUs標(biāo)準(zhǔn)溶液(1 μg/mL)(A)、加標(biāo)果汁樣品直接進(jìn)樣(B)和經(jīng)本方法處理后進(jìn)樣(C)的色譜圖Fig.4 Chromatograms of the standard solution of BUs (1 μg/mL)(A),spiked fruit juice sample by direct analysis(B) and pretreated by the present method(C)spiked with 10 ng/mL of PENF and CLOF,20 ng/mL of CHLO

2.4.3 凈化與富集效果為評(píng)價(jià)ZIF-8@Fe3O4對(duì)果汁中3種BUs的凈化和富集效果，在最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件下，將加標(biāo)果汁樣品(PENF和CLOF加標(biāo)10 ng/mL，CHLO加標(biāo)20 ng/mL)直接進(jìn)樣和經(jīng)本方法凈化富集后進(jìn)樣做對(duì)比分析。與BUs的標(biāo)準(zhǔn)溶液色譜圖(圖4A)相比，加標(biāo)果汁樣品直接進(jìn)樣分析時(shí)無(wú)分析物檢出，且雜質(zhì)峰明顯(圖4B)。經(jīng)本方法萃取后，雜質(zhì)峰信號(hào)顯著降低，3種BUs成功檢出，實(shí)現(xiàn)富集43.4～48.1倍(圖4C)。結(jié)果表明，ZIF-8@Fe3O4能夠?qū)?種BUs有效凈化和富集。

2.4.4 重復(fù)使用次數(shù)吸附劑的重復(fù)使用次數(shù)決定了前處理方法的成本。ZIF-8@Fe3O4反復(fù)萃取果汁樣品中BUs的回收率結(jié)果顯示，吸附劑重復(fù)吸附-洗脫10次，3種BUs回收率的RSD不大于8.8%，表明ZIF-8@Fe3O4具有良好的重復(fù)使用性。

2.5 實(shí)際樣品分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證方法的可行性，將該方法用于橙汁、梨汁、葡萄汁、桃汁和柚子汁5份實(shí)際樣品中BUs殘留的分析。結(jié)果顯示，5份果汁均未檢出3種BUs。為說(shuō)明方法的準(zhǔn)確度，對(duì)5份果汁樣品進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)(PENF和CLOF加標(biāo)10 ng/mL，CHLO加標(biāo)20 ng/mL)，得加標(biāo)回收率為75.4%～98.9%，RSD不大于8.2%。表明本方法的準(zhǔn)確度和精密度良好，可用于實(shí)際樣品分析。

2.6 與文獻(xiàn)方法對(duì)比

將本方法與文獻(xiàn)方法進(jìn)行對(duì)比[22-25]，結(jié)果如表3所示，當(dāng)使用的分析儀器為HPLC，本方法的靈敏度與其他方法相當(dāng)或優(yōu)于文獻(xiàn)方法。當(dāng)上樣體積為10 mL時(shí)，本方法在較短時(shí)間內(nèi)(20 min)可對(duì)3種BUs實(shí)現(xiàn)富集43.4～48.1倍，且結(jié)果準(zhǔn)確可靠。另外，吸附劑可重復(fù)使用至少10次，節(jié)約了分析時(shí)間和成本。

3 結(jié) 論

本研究將ZIF-8@Fe3O4用作磁性固相萃取吸附劑，結(jié)合高效液相色譜-二極管陣列檢測(cè)，發(fā)展了一種簡(jiǎn)單、快速分析果汁中3種BUs殘留的新方法。該方法的準(zhǔn)確度和精密度良好，基于ZIF-8@Fe3O4的疏水作用和氫鍵作用力，可有效對(duì)果汁中BUs進(jìn)行富集凈化，已成功用于果汁樣品中BUs的分析。此外，吸附劑具有良好的重復(fù)使用性，可節(jié)約成本。

表3 本方法與其他方法的比較Table 3 Comparison of the present method with other methods for the analysis of BUs by HPLC

*floated organic drop microextraction