田景升,張展展,秦思楠,高文惠
(河北科技大學生物科學與工程學院,河北 石家莊 050000)
聯苯三唑醇是一種常見的廣譜、高效、低毒、內吸性三唑類殺菌劑[1],其結構式如圖1所示。三唑類農藥不僅可以通過破壞細胞膜結構,致使膜滲漏加劇,從而鏟除病原菌;而且可以緩解植物葉綠素分解、提高內源脫落酸分解以達到治療植物的目的;更可通過種子內吸進入植株根系,長時間存留在種子區或根圍土壤中,進而對植物起保護作用,它主要用于防治果樹黑星病、腐爛病、麥葉穿孔病等[2-6]。但是由于施藥不合理及超量使用,使三唑類農藥在食品中殘留甚至超標,進而對人體健康產生危害,造成較為嚴重的食品安全問題[7],因此建立相關的檢測方法具有重要意義。目前針對三唑類農藥的檢測方法主要有高效液相色譜(high performance liquid chromatography,HPLC)法[8-10]、氣相色譜法[11]、色譜-質譜聯用技術[12-17]等。近年來,采用分子印跡技術制備聯苯三唑醇印跡聚合物對樣品進行前處理已有報道[18-20],但對其磁性分子印跡聚合物(magnetic molecularly imprinted polymer,MMIP)的研究鮮見報道。

圖1 聯苯三唑醇的結構式Fig. 1 Structure of bitertanol
磁性聚合物微球是近些年來分子印跡技術重點研究的內容之一,磁性聚合物微球可以在外磁場的作用下迅速與溶液分離,無需離心或者過濾即可達到主動識別和分離[21-23];與此同時,由于增大了聚合物微球的比表面積,使得聚合物的網絡中存在很多印跡空穴,所以該材料具有高度的識別選擇性[24-26];目前磁性聚合物微球已在物質的提取與分離[27]、特異性識別[28-29]、食品安全檢測[30]等 方面得到應用。本實驗以Fe3O4作為磁核,通過包覆SiO2并在其表面接枝硅烷偶聯劑KH570(甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷)得到磁性載體,然后采用表面印跡法,以聯苯三唑醇為模板分子,制備具有核-殼結構的MMIP。考察乙腈用量、聚合溫度及充氮氣時間等條件對印跡聚合物印跡效果的影響。以MMIP為固相萃取材料富集和凈化樣品,并結合HPLC對食品樣品中三唑類農藥進行檢測。
小米、小麥、白菜、梨、蘋果均為市售。
聯苯三唑醇(純度99%) 江蘇常州市武進振華化工廠;FeCl2·4H2O(純度99.7%)、FeCl3·6H2O(純 度99%) 上海市寶山區合眾化工廠;硅酸四乙酯(純度99%)、硅烷偶聯劑(KH-570,純度97%) 籃西科技有限公司;α-甲基丙烯酸酯(methacrylic acid,MAA,分析純)、2,2’-二偶氮異丁腈(azobisisobutyronitrile,AIBN,分析純) 常州暢通化工有限公司;二甲基丙烯酸乙二醇酯(ethylene dimethacrylate,EDMA, 分析純) 四川海諾威科技有限公司;氨水、乙酸、乙腈、甲醇、無水乙醇、異丙醇(均為分析純) 成都欣正通化工有限公司;實驗用水為超純水。
LC-1260型HPLC儀 美國安捷倫科技有限公司; SHZ-82A型恒溫水浴振蕩器 上海躍進醫療器械廠;HH-4型恒溫水浴鍋 上海暉創化學儀器有限公司;DZF-6320型真空干燥箱 四川中浪科技有限公司;KH5200型超聲波清洗器 上海滬粵明科學儀器有限公司;SHB-3A 型循環水式真空泵 陜西太康生物科技有限公司;TENSOR37型傅里葉變換紅外光譜儀 德國Bruker 公司;JEM-2100型透射電子顯微鏡 日本Hitachi公司。
1.3.1 磁核載體的制備及改性
1.3.1.1 共沉淀法制備Fe3O4
分別稱取4.72 g FeCl3·6H2O和1.72 g FeCl2·4H2O,放入250 mL的三口燒瓶中,然后向其加入80 mL水,在通入氮氣和水浴溫度為80 ℃的反應條件下,逐滴加入10 mL 30%氨水溶液,800 r/min攪拌條件下,熟化30 min,再使用磁鐵將所得產物分離,然后使用除氧水將產物洗至中性,無水乙醇洗滌3 次后,于50 ℃真空干燥24 h,即得實驗用Fe3O4。
1.3.1.2 SiO2包覆Fe3O4
稱取300 mg Fe3O4,置于250 mL三口瓶中,分別加入4 mL水和50 mL異丙醇,超聲混勻20 min,800 r/min連續攪拌條件下,加入5 mL 30%氨水,再將2 mL硅酸四乙酯逐滴加入,在室溫條件下反應12 h,然后用磁鐵將產物分離,用水將產物洗滌至中性,再用無水乙醇洗滌3 次,隨后在50 ℃真空干燥24 h,得到實驗用Fe3O4@SiO2。
1.3.1.3 Fe3O4@SiO2接枝KH570
稱取200 mg Fe3O4@SiO2,置于250 mL三口瓶中,加入50 mL甲醇,超聲混勻。550 r/min連續攪拌條件下,逐滴加入3 mL KH570,在室溫條件下反應24 h,用磁鐵將產物分離后,用無水乙醇和水交替洗滌產物數次,并在50 ℃真空干燥24 h,得到實驗用Fe3O4@SiO2-KH570。
1.3.2 MMIP的制備
取0.2 mmol聯苯三唑醇和0.8 mmol MAA溶于乙腈中,超聲振蕩30 min,放入冰箱內預聚合6 h,使MAA與聯苯三唑醇充分作用,隨后加入100 mg Fe3O4@SiO2-KH570、1.5 mL EDMA和40 mg AIBN,對其進行超聲脫氣,充氮氣10 min使其內部無氧,密封后150 r/min恒溫振蕩24 h;并用甲醇-乙酸(9∶1,V/V)對磁分離得到的聚合物產物進行洗滌,以去除模板分子和未反應的功能單體、交聯劑等,再用甲醇洗滌去除乙酸。60 ℃真空干燥(0.04 MPa)至質量恒定后得到MMIP,放入干燥器內。在不加聯苯三唑醇的條件下,按上述制備過程制得磁性非分子印跡聚合物(magneticnon-imprinted polymer,MNIP)。
1.3.3 不同聚合物吸附性能
在具塞玻璃管中分別放入適量按不同乙腈用量(15、30、50、70 mL)、不同充氮氣時間(5、10、15、20 min)、不同聚合溫度(50、60、70 ℃)條件下制備的MMIP及MNIP,再分別加入5 mL 0.1 mmol/L聯苯三唑醇-乙腈標準溶液,25 ℃恒溫振蕩24 h,10 000 r/min 離心5 min,靜置,取上清液。采用HPLC對聚合物吸附平衡后的濃度進行測定,聚合物對目標物的吸附量用溶液濃度的差值進行計算,平行測定3 次后取其平均值,吸附量計算如式(1)所示。用印跡因子(imprinting factor,IF)評價印跡效果,計算如式(2)所示:

式中:Q為吸附量/(μmol/g);C為聯苯三唑醇的初始濃度/(μmol/L);Ce為聯苯三唑醇的平衡 濃度/(μmol/L);V為吸附溶液的體積/mL;m為聚合物的質量/mg。

式中:QMIP為印跡聚合物吸附聯苯三唑醇 的量/(μmol/g);QNIP為非印跡聚合物吸附聯苯三唑醇的量/(μmol/g)。
1.3.4 靜態吸附實驗
在具塞玻璃管中分別放入適量的MMIP及MNIP,并分別加入5 mL濃度為0~5 μmol/L聯苯三唑醇-乙腈標準溶液,25 ℃恒溫振蕩24 h后,用HPLC檢測聯苯三唑醇的濃度,并計算平行測定3 次實驗結果的平均值,聚合物對目標物的吸附量用溶液濃度的差值計算,以初始溶液濃度C0為橫坐標,Q為縱坐標作圖,并對其進行Scatchard分析[31]。
1.3.5 MMIP產率的測定
根據制備過程和需要對聚合物進行稱量,獲得以下質量數據以計算聚合物產率:1)稱取干燥的圓底燒瓶(100 mL)質量m1。2)稱取加入了反應液(模板分子+ MAA+乙腈)的燒瓶質量m2。3)向已在冰箱中放置過夜的裝有反應液的燒瓶中加入EDMA、磁性微球后,稱量反應體系的質量m3。4)加入AIBN,超聲除氧氣,60 ℃水浴反應24 h,此過程宜避光進行。5)待反應完成后,自然放置至室溫,稱量其質量m4。6)將反應體系中的固體聚合物與液體分離開,待其自然晾干后,稱量裝有聚合物的燒瓶質量m5。7)向上述裝有聚合物的燒瓶中加入適量的乙腈,浸洗2 次后,待其自然晾干,稱量裝有聚合物的燒瓶質量m6。8)用甲醇-乙酸(9∶1,V/V)對聚合物進行超聲,使其分散,然后洗脫去除模板分子,再用甲醇洗去殘留在聚合物中的乙酸,最后在真空干燥箱內(60 ℃、0.04 MPa)進行干燥。稱量裝有聚合物的燒瓶質量m7(本實驗采用的計算方法中聚合物的質量不包括模板分子的質量,因此需要洗脫掉聚合物中的模板分子再對其進行稱量),聚合物產率計算 如式(3)所示:

1.3.6 聚合物的表征
1.3.6.1 傅里葉變換紅外光譜的測定
表征樣品與溴化鉀混合后進行研磨、壓制,于400~4 000 cm-1范圍內對Fe3O4、Fe3O4@SiO2、MMIP和MNIP進行掃描,得到所對應的紅外光譜,掃描扣除CO2干擾。
1.3.6.2 透射電子顯微鏡的測定
將少量Fe3O4、MMIP放入離心管中,用無水乙醇對其溶解,超聲使其分散均勻,分散后取一小滴放到銅網上,用紅外燈照射使其干燥,然后用透射電子顯微鏡進行測定。
1.3.6.3 磁響應性能的測定
稱取少量MMIP置于10 mL離心管中,加入5 mL乙腈溶液,超聲10 min混合均勻。在離心管側面放置磁鐵,并連續拍照,記錄聚合物的磁分離過程。
1.3.7 樣品測定
1.3.7.1 樣品的預處理
分別稱取樣品(小米、小麥、白菜、梨、蘋果等)10.000 g,磨碎或切碎,果蔬樣品中加入無水硫酸鈉5.000 g,除去過多的水分(谷物中不加),用20 mL 乙腈溶解,進行提取(分2 次,每次10 mL),攪勻,超聲20 min,1 000 r/min離心10 min,吸取上清液1 mL經MMIP萃取,用20 mL水淋洗,再用10 mL甲醇-乙酸(9∶1,V/V)洗脫,收集洗脫液進行檢測[32]。
1.3.7.2 MMIP對模板分子的磁萃取分離與測定
稱量10 mg MMIP置于10 mL具塞三角瓶中,加入5.00 mL試樣液,室溫條件下,150 r/min振蕩5 h,磁分離收集平衡液。然后用2 mL乙腈分2 次洗去聚合物微球表面非特異性吸附的干擾物質,磁分離棄去洗滌液。再用2 mL甲醇-乙酸(9∶1,V/V)分2 次將吸附在磁性聚合物上的目標化合物洗脫下來,磁分離收集洗脫液。然后,對洗脫液進行蒸發、干燥,用1.00 mL甲醇對其進行復溶,用0.45 μm微孔濾膜過濾,待HPLC檢測。
1.3.7.3 HPLC測定條件
采用Origin 8.0和Excel 2007對實驗數據進行作圖及統計分析,每組實驗重復測量3 次,數據均為平均值。

表1 聚合條件對聚合物吸附性能的影響Table 1 Effect of different polymerization conditions on the adsorption properties of polymers
固定聯苯三唑醇、功能單體和交聯劑的條件不變,通過考察乙腈用量、充氮氣時間、聚合溫度研究其對聚合物吸附性的影響。從表1可見,乙腈50 mL、充氮氣15 min、聚合溫度60 ℃時吸附量大且印跡效果好。因為,當乙腈用量為15 mL時,聚合反應與本體聚合效果相當,即生成的聚合物為塊狀;隨著乙腈用量的增加,乙腈不僅起到溶解作用,而且也有致孔作用,導致聚合物會更加松散,當乙腈用量為50 mL時能形成較多聚合物,但當乙腈用量增加到70 mL時,聚合物不易形成,因此,實驗選擇50 mL為最佳乙腈用量。實驗研究了充氮氣時間,當沖入氮氣5 min時,產生的聚合物很少,這是由于充入的氮氣量少不能將氧氣完全趕出;充氮氣20 min時產生的聚合物明顯少于充氮氣15 min,這是因為充氣時間過長會導致致孔劑揮發;而充氮氣10 min時生成聚合物所需時間過長,只有在充氮氣15 min條件下,反應8 h左右聚合物基本全部生成。實驗還研究了聚合溫度對聚合物的影響,隨著溫度的升高,聚合速率加快,70 ℃時,在6 h能生成大量的MMIP;60 ℃時,8 h左右出現大量MMIP;50 ℃時,反應24 h以后,能夠生成較多的MMIP;實驗還嘗試在45 ℃聚合,反應48 h以后,反應液仍為澄清,無聚合物生成。結果表明,聚合溫度過高(如70 ℃)時,體系容易發生爆聚,導致聚合物結構不均一;而低溫制備的聚合物其分子識別性好,但是如果溫度過低,就不能達到引發劑AIBN進行熱分解的溫度,不能發生聚合反應,因此實驗中選用60 ℃作為最佳反應溫度。
2.2.1 靜態吸附等溫線

圖2 MMIP和MNIP對聯苯三唑醇的靜態吸附等溫線Fig. 2 Static adsorption isotherms of MMIP and MNIP toward bitertanol
以初始質量濃度C0為橫坐標、吸附量Q為縱坐標作圖,得到MMIP和MNIP的靜態吸附等溫線,如圖2所示。可以看出,MMIP比MNIP對模板分子有更好的吸附性能,在相同的濃度下,MMIP的吸附量遠大于MNIP,這是由于在MMIP的合成過程中其內部形成的空間結構能夠與模板分子吻合,形成印跡空穴,它可以“記住”模板分子,可以特異吸附模板分子。而MNIP中不存在模板分子,也不能形成印跡空穴,因此MNIP對模板分子無特異吸附性。
2.2.2 Scatchard分析
使用Scatchard模型對聚合物的吸附性能進行評價,如式(4)所示:

式中:Qmax為結合位點的最大表觀量/(μmol/g);Q為MMIP吸附模板分子的量/(μmol/g);C0為模板分子的初始質量濃度/(μmol/L);Kd為結合位點的平衡解離常數。
1.4 統計學分析 HaploView 4.2軟件進行SNPs的 Hardy-Weinberg平衡、連鎖不平衡水平(LD)分析。SPSS 19.0統計軟件分析入組人群與其他地區人群的差異,χ2檢驗分析基因型及等位基因頻率的統計學意義,P<0.05為差異有統計學意義。
以Q為橫坐標,Q/C0為縱坐標繪制Scatchard曲線,如圖3所示。

圖3 MIP吸附性的Scatchard曲線Fig. 3 Scatchard curve of MIP adsorption
圖3 表明,Q/C0與Q不存在單一的線性關系,表示MMIP中的結合位點不是等價的,說明MMIP吸附目標物質時,作用位點非均一,其具有2 類結合位點,分別為特定孔穴引起的高結合位點和一些非共價鍵引起的低結合位點,每種結合形式有獨特的作用性質。由圖3可看到2 條直線,故可推斷它們之間有2 種結合位點,說明聯苯三唑醇與MAA在形成聚合物時有2 種結合形式,并且在洗脫模板分子后形成2 種結合性質不同的結合位點。通過作圖擬合,得到2 個線性方程:第1類吸附位點的方程為y=62.051-0.337x,Kd1=2.97 μmol/L,Qmax1= 184.29 μmol/g;第2類吸附位點的方程為y=0.070 7x+26.089,Kd2=14.14 μmol/L,Qmax2=368.90 μmol/g。
在固定其他反應條件不變的前提下考察聚合物產率隨聚合時間的變化關系,結果顯示當聚合時間為24 h時,聚合物產率最高;當聚合時間超過24 h后,聚合物產率增加幅度趨于平穩,因此確定最佳聚合時間為24 h。在此條件下改變引發劑使用量考察引發劑用量對聚合物產率的影響。結果表明,隨著引發劑用量的增加,功能單體和交聯劑聚合的愈發充分,聚合物產率逐漸增加;當引發劑用量超過40 mg時,聚合物產率增加的速度趨于平緩,這是因為此時分散體系中可以利用的功能單體和交聯劑都消耗殆盡,化學反應接近終點,無法形成更多的聚合物。綜上所述聚合時間為24 h且引發劑用量為40 mg時聚合物產率最高,最高產率為76.4%。
2.4.1 紅外光譜分析
由圖4a可見,572 cm-1為Fe—O的特征吸收峰,說明已制備了Fe3O4粒子。圖4b中1 097、952、563 cm-1處分別為Si—O—Si的反對稱伸縮振動峰,Si—O—H的彎曲振動吸收峰和Fe—O的特征峰,794 cm-1和468 cm-1處分別為Si—O的伸縮和彎曲振動峰,這些特征峰的增加說明SiO2已成功包裹在Fe3O4粒子上。圖4c為MMIP的紅外譜圖,3 440、1 094、948、578 cm-1處分別為硅膠表面的O—H基團的伸縮振動峰、Si—O—Si反對稱伸縮振動峰、Si—O—H的彎曲振動吸收峰和Fe—O的特征峰,803 cm-1和463 cm-1處分別為Si—O的伸縮和彎曲振動峰,除此之外,2 990、1 736 cm-1處為飽和C—H的伸縮振動吸收峰和C=O伸縮振動吸收峰,1 631 cm-1處對應的C=C伸縮振動吸收峰很小,說明交聯劑與功能單體大部分進行了交聯聚合反應,這些特征峰的增加說明在包裹了SiO2的Fe3O4表面有聚合物生成。圖4d為MNIP的紅外譜圖,它的吸收峰位置與圖4c的吸收峰位置基本一致,但1 736 cm-1處C=O伸縮振動吸收峰相對于1 093 cm-1處Si—O—Si反對稱伸縮振動峰,相對峰值明顯減小,說明在磁性微球表面發生聚合的MNIP較少。結果表明,功能單體MAA與模板分子聯苯三唑醇在磁性微球表面預聚合形成復合物時有利于聚合物的聚合。MNIP的吸收峰位置與MMIP基本一致,證明MMIP與MNIP 2 種交聯共聚物骨架結構的化學組成相同。結果表明,在包覆SiO2的磁性Fe3O4載體表面有印跡聚合反應發生。


圖4 Fe3O4(a)、Fe3O4@SiO2(b)、MMIP(c)和 MNIP(d)的紅外光譜圖Fig. 4 IR spectra of Fe3O4 (a), Fe3O4@SiO2 (b), MMIP (c) and MNIP (d)
由聯苯三唑醇的分子結構分析可知,聯苯三唑醇分子中含有三唑環,存在著帶有孤對電子的N原子,電負性較大,可與羧基中的H形成氫鍵;聯苯三唑醇分子中還含有羥基,可與MAA中羰基上的O形成氫鍵;此外聯苯三唑醇分子還顯示一定的堿性,可以和功能單體MAA的羧基產生離子作用;由此可推測印跡分子聯苯三唑醇與功能單體MAA的作用形式,如圖5所示。

圖5 聯苯三唑醇與功能單體作用形式Fig. 5 Action form between bitertanol and functional monomer
2.4.2 透射電子顯微鏡分析
通過透射電子顯微鏡表征Fe3O4和MMIP形貌,由圖6A可知,Fe3O4為大小約10 nm的球形粒子,且有一定的團聚,說明制備所得Fe3O4為納米級粒子。由圖6B可知,MMIP粒徑約為100 nm,其粒徑較Fe3O4粒子大很多,說明在Fe3O4表面確實形成聚合物層。2.4.3 磁響應性能分析

圖6 Fe3O4(A)和MMIP(B)的透射電子顯微鏡圖Fig. 6 Transmission electron micrographs of Fe3O4 (A) and MMIP (B)
為了考察印跡聚合物的磁響應性能,將其溶于乙腈溶劑中,超聲使其均勻分散,并將其置于磁鐵的一側,每隔1 s拍照一次,記錄其在外加磁場下與溶液的分離過程,拍攝的照片如圖7A所示。實驗發現,MMIP在磁場作用下,能迅速聚集在與磁鐵右端接觸的管壁上,當與磁鐵接觸10 s時MMIP即完全聚集在管壁上,溶液澄清。當撤走外加磁場后,聚合物粒子很快會重新分散在乙腈溶劑中,得到穩定的磁流體,如圖7B所示。結果表明,在乙腈溶劑中,MMIP具有良好的磁響應和再分散性能。

圖7 在外磁場作用下印跡聚合物聚集過程(A)和 分散性能(B)的照片Fig. 7 Photographs showing the aggregation process of imprinted polymers (A) under external magnetic field and dispersion performance (B)
實驗將4 種三唑類農藥儲備液(100 μg/mL)分別配制成不同質量濃度(0.01~100 μg/mL)的標準溶液,經測定后,以待測物質量濃度為橫坐標,峰面積為縱坐標繪制標準曲線,結果如表2所示。聯苯三唑醇線性范圍為0.06~100 μg/mL,三唑酮、戊唑醇和烯唑醇的線性范圍為0.03~100 μg/mL,線性關系好(r≥0.999 6),檢出限在0.01~0.02 μg/mL之間。

表2 4 種三唑類農藥線性關系及檢出限Table 2 Linear relationships and detection limits for four triazole pesticides
以聯苯三唑醇MMIP作為固相萃取材料,樣品按1.3.7.1節方法處理,在1.3.7.3節HPLC測定條件下進行測定。結果顯示,本實驗所測的多種樣品中均未檢出上述4 種三唑類農藥。代表性樣品的色譜分離圖見圖8、9。


圖8 分子印跡固相萃取小米樣品吸附凈化效果譜圖Fig. 8 Chromatograms of four triazole pesticide residues extracted from mille by molecularly imprinted solid phase extraction

圖9 分子印跡固相萃取梨樣品吸附凈化效果譜圖Fig. 9 Chromatograms of four triazole pesticide residues purified from pear fruit by molecularly imprinted solid phase extraction
由圖8a、b與圖9a、b可知,聚合物不能吸附雜質,可以很好地凈化樣品。由圖8c和圖9c可知,磁性分子印跡萃取材料只能吸附模板分子和它的結構類似物,這充分表明了它可以很好地分離和富集復雜基質中的目標物質。
采用本方法對小米、小麥、白菜、梨、蘋果等多種樣品在添加量為0.1 μg/mL和10 μg/mL條件下進行測定,其結果見表3。

表3 回收率和精密度實驗結果(n=5)Table 3 Recovery and precision of the proposed method (n= 5)
由表3 可知, 4 種農藥的平均回收率在87.7%~104.3%之間,相對標準偏差(relative standard deviation,RSD)為1.39%~3.46%(n=5)。該檢測方法對三唑類農藥的回收率高、精密度好。將實驗制備的印跡傳感器與其他文獻方法檢測實際樣品進行比較,如表4所示,該方法樣品前處理簡便,且檢出限更低。

表4 該方法與其他測定聯苯三唑醇的方法比較Table 4 Comparison of this method with other methods for the determination of bitertanol
以Fe3O4@SiO2為磁性載體,聯苯三唑醇為模板分子,通過表面印跡的方法,合成了具有核殼結構的聚合物微球,并優化了聚合工藝,當致孔劑乙腈用量50 mL、聚合溫度60 ℃、充氮氣時間15 min時IF最高,特異性吸附能力最好,且聚合物產率為76.4%。靜態吸附結果表明,MMIP有很好的吸附性;由Scatchard分析可知,聯苯三唑醇和MAA有2 種結合位點,Kd1=2.97 μmol/L、Kd2=14.14 μmol/L。通過紅外光譜、透射電子顯微鏡及磁響應對聚合物進行表征,結果表明,MMIP聚合成功印跡聚合物粒徑約為100 nm,且聚合物磁響應性能和再分散性能較好。以最優條件下制備的聚合物為固相萃取材料,對多種樣品進行萃取凈化,并采用HPLC法進行測定。結果為樣品加標回收率為87.7%~104.3%,RSD為1.39%~3.46%(n=5)。該方法簡單快速、選擇性強,有利于促進樣品的快速前處理實現。