新型磁性介孔復合材料在綠葉菜有機磷農藥殘留樣品前處理中的應用

李蕊岑，王懂帥*，袁彩霞，馮玉升，洪霞，何海寧，馬文娟，尤毅娜

1(甘肅中商食品質量檢驗檢測有限公司，甘肅 蘭州，730010)2(甘肅省商業科技研究所有限公司，甘肅 蘭州，730010)

隨著人們對自身健康的關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注[1-2]。為了提高農作物及其產品的質量和產量，越來越多的農藥產品投入了市場，據統計，目前市面上的農藥產品多達1 400種[3]。農藥的使用，雖然提高了農產品的品質和產量，但同時也給食品安全帶來了隱患[4]。尤其是人們對農藥的不合理使用，造成蔬菜、糧食、瓜果等農產品甚至土壤中的農藥殘留嚴重超標[5]，大多數農藥都難以降解且存在富集性，長期以來不僅造成生物環境污染，還會直接或間接地危害人體健康，給食品安全問題和農作物生長帶來了極為嚴重的后果[6]。因此，強化農藥殘留量快速檢測方法和降解機理的研究，解決農藥殘留對生物環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、不合理地使用農藥，造成其農藥殘留過多，長期食用會給人體健康帶來嚴重傷害[9]。因此，開發一種快速、環保、準確檢測綠葉菜農藥殘留量的方法是非常緊迫和重要的[10]。而樣品基質復雜、農藥類型較多，因此分析不同種類樣品中的農藥殘留需要選擇不同的檢測方法[11-12]。在農藥殘留檢測過程中樣品前處理技術顯得非常重要，隨著檢測技術的進步，農藥殘留檢測樣品前處理分析正向高效、快速、準確的方向發展，尤其對基質較為復雜的樣品[13-14]。由于農藥殘留分析涉及的農藥和基質種類繁多，需結合實際條件選用適當的樣品前處理方法[15-16]。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[19]等，這些操作存在的共同缺陷是操作繁瑣、大量使用對環境有害的有機試劑、回收率低[20]。因此，開發省時、省力、經濟、微型化和自動化的樣品前處理技術是現代分析化學發展的重要方向[21]。

本試驗以綠葉菜為基質，采用“簡單、綠色、經濟”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)，通過化學氣相沉淀法和水熱法制備出新穎的、結構可控的、具有特異性吸附性能和催化性能的磁性介孔納米復合材料，作為一種凈化劑應用于有機磷農藥殘留檢測樣品前處理中。實現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，上海儀電科學儀器股份有限公司；SB-100B超聲波清洗機，蘇州安泰空氣技術有限公司；7890/5975C氣相色譜-質譜聯用儀，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，鈦洛科學器材(上海)有限公司；VSM Lake Shore 7410振動樣品磁強計，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內徑：5～10 nm長度：20～40 μm比表面積：>150 m2/g)，北京科創海光有限公司；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%)，高碑店市隆年達商貿有限公司；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種有機磷農藥標準物質；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、久效磷等有機磷農藥標準品(純度均>99%)，北京海岸鴻蒙標準物質技術有限責任公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 磁性Fe3O4納米粒子的制備

采用化學共沉淀法制備。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，再繼續攪拌55 min后停止反應，在外加磁場下分離，用蒸餾水反復洗滌直至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負載功能化介孔碳磁性碳納米材料的合成

本研究合成MNPs負載功能化的介孔碳形成磁性介孔納米復合材料。具體合成過程如下：將10 mL質量濃度為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物，黑色產物通過蒸餾水洗滌3次后在80 ℃真空下烘4 h即得到最終產物(MNPs/ODA-SBA-15)。合成示意如圖1所示。

1.2.4 樣品前處理

準確稱取均質菠菜樣品20 g于50 mL具塞離心管中，加入質量濃度為10 μg/mL毒死蜱標準儲備液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。

1.3 磁性碳納米復合材料的表征

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合材料的表面結構特征(圖2)。MNPs粒徑大約為10～20 nm，粒徑分布均勻，無團聚現象(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是磁性介孔復合材料的透射電鏡圖，磁性介孔復合材料分散液經多次振蕩后測定，溶液中沒有游離的磁性納米粒子，納米顆粒表現出良好的穩定性。

a-磁性納米粒子；b-介孔碳；c-磁性介孔復合材料圖2 磁性納米粒子、介孔碳和磁性介孔復合材料的 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構。從圖3可知，MNPs/ODA-SBA-15復合材料的衍射圖譜與晶態磁鐵礦(Fe3O4)的標準衍射圖譜非常接近[22]。在2θ=30.10°、35.34°、43.32°、53.51°、57.19°和63.18°處出現磁性納米粒子的4個衍射峰，對應的晶體指數分別為(220)、(311)、(400)、(422)、(511)和(440)。

圖3 磁性碳納米復合材料的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，進一步探討了MNPs/ODA-SBA-15納米復合材料的多孔性能。該吸附-脫附等溫線是在較低的相對壓力(P/P0>0.9)下進行的，說明該磁性碳納米復合材料是一種典型Ⅰ吸附行為[23]。

圖4 磁性復合材料氮氣吸附-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，振動樣品磁強計曲線如圖5所示。MNPs/ODA-SBA-15的最大比飽和磁化強度可達2.75 emu/g。測試結果表明，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，當納米顆粒尺寸小于超順磁性極限尺寸時，顆粒表現出超順磁性[24]。

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

2 結果與分析

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溶液調節樣品溶液pH值，在pH 2～12的范圍內優化樣品溶液，選用響應較好的毒死蜱作為加標試驗。結果如圖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

通過在均質樣品中添加不同質量濃度的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，在優化的實驗條件下，對每個水平進行了3次重復提取和測定。試驗結果表明，加入NaCl可以加強水相和有機相分層，但對分析物的萃取回收率的影響可以忽略不計，數據結果如表1所示。

2.3 萃取時間對吸附性能的影響

準確量取100 mL樣品5份于250 mL三角瓶中，編號依次為1、2、3、4、5號，分別加入質量濃度為10 μg/mL的毒死蜱標準儲備液200 μL混勻，再加入40 mg磁性介孔復合材料，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，固體物質分別用5 mL乙腈洗脫，收集洗脫液，過0.22 μm濾膜后進樣測定。如圖7所示，當振蕩時間為5 min時回收率達到最大值，當振蕩時間再增加時，回收率不變，這說明毒死蜱在磁性介孔復合物表面吸附已達到飽和狀態，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 十六種有機磷農藥線性關系和回收率研究

配制標準溶液質量濃度系列0.02、0.05、0.07、0.10、0.15、0.25 μg/mL建立標準曲線，在優化的實驗條件下，對每個水平進行6次重復測定，數據結果如表2所示，在0.02～0.25 μg/mL具有很好線性關系，檢出限為0.01～0.08 μg/mL，相關系數為0.994 3～0.999 7。這是由于該磁性介孔復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合材料與樣液充分接觸，以達到較好的凈化效果。綠葉菜中有機磷農藥殘留含量較低，因此，本試驗通過加標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方法進行。先測定樣品中毒死蜱的本底含量，再分別測定加標樣品中毒死蜱的含量，扣除空白值后，計算平均加標回收率。由表2可見，平均加標回收率為81.3%～94.0%，相對標準偏差(relative standard deviation, RSD)<10%(n=3)。

表2 十六種有機磷農藥線性關系和回收率Table 2 Linear relationship and recoveries of 16 organophosphorus pesticide residues

3 結論與討論

本試驗通過共沉淀法、簡單水熱法成功合成磁性Fe3O4納米粒子負載十八烷胺功能化介孔碳復合材料，基于QuEChERS技術聯合氣相色譜-質譜聯用儀建立了一種同時測定綠葉菜中16種有機磷農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雜的操作步驟，提高凈化效率，縮短前處理的時間。實驗結果表明，與傳統的凈化劑相比，該磁性介孔材料能夠很好地消除基質干擾，提高檢測效率，操作簡單。綠葉菜基質中16種有機磷農藥殘留量在0.02～0.25 μg/mL具有良好的線性關系，相關系數(R2)在0.994 3～0.999 7，在0.02、0.05、0.10 mg/kg添加水平下，綠葉菜基質中16種有機磷農藥平均加標回收率在81.3%～94.0%，相對標準偏差<10%，檢出限為0.01～0.08 μg/mL。將本方法應用于實際綠葉菜樣品的檢測，結果顯示所有綠葉菜樣品均符合農藥最大殘留限量標準。本方法具有靈敏度高、通用性強、準確度高、穩定性好、經濟環保等優點，適用于其他蔬菜及水果中農藥殘留量檢測樣品前處理中。