介孔碳固相分散蔬菜中農藥殘留的前處理方法

王懂帥，王宗梅，袁彩霞，洪霞，尤毅娜，何海寧

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

農藥被廣泛應用于工農業領域，因其持久性、毒性和積累特性對環境和人體健康造成潛在威脅而受到廣泛關注[1-5]。農藥殘留及其降解產物廣泛存在于人類活動的各種環境中，如空氣、工業廢水、土壤、水生生物和食品中[6-8]。研究表明，色譜法是一種高效的檢測農藥殘留的方法[9-11]。然而，考慮到農藥殘留樣品基質復雜性，一種新型的前處理方法，高效、靈敏的提取技術和高選擇性吸附劑成為研究熱點[12-15]。近年來，固相微萃取（μ-SPE）技術在復雜樣品的前處理中發揮著越來越重要作用[16-18]。

介孔碳因其獨特的性能，如比表面積大、孔結構大、穩定性高，是一種很有前途的吸附和分離材料[19-22]。孫何等[23]研究有序介孔碳對羅丹明B的吸附行為，將介孔碳的應用從有機小分子擴展到廣泛的分析物。然而，介孔碳復合材料在分析食品中痕量農藥殘留方面的應用仍少有報道[24-27]。

試驗報道一種十八烷胺功能化介孔碳作為高效μ-SPE技術的研究，介孔碳復合材料并聯用氣相色譜-質譜聯用儀對蔬菜中9種有機磷農藥的痕量殘留進行分析研究。建立了一種簡便、靈敏、快速、低成本、有效的快速檢測蔬菜及水果中農藥殘留樣品前處理方法。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 主要儀器設備

BSA124S-CW電子天平（濟南歐威騰生物科技有限公司）；VORTEX3渦旋振蕩器（上海達姆實業有限公司）；Allegra X-30高速離心機[貝克曼庫爾特國際貿易（上海）有限公司]；JC-QXS-1.3L超聲波清洗機（青島聚創世紀環保有限公司）；GCMS-QP2020 NX氣相色譜-質譜聯用儀[島津（廣東）晟澤科技有限公司]；TEM，Talos F200X高分辨率透射電子顯微鏡（荷蘭Philips-FEI 公司）；XRD，DMAX-RB X-射線衍射儀[鈦洛科學器材（上海）有限公司]；VSM，YP077-VSM-130振動樣品磁強計（北京海富達科技有限公司）。

1.1.2 主要材料與試劑

介孔碳（純度98.2%，XFP02，南京先豐納米科技有限公司），N-丙基乙二胺（PSA，CAS號11861-26-8，湖北玖豐隆化工有限公司），十八烷基硅烷鍵合硅膠（PA28240，廣東翁江化學試劑有限公司），十八烷胺（ODA，純度99.6%，鄭州淇臨化工產品有限公司）。丙酮（純度98.8%，北京科展生物科技有限公司），正己烷（純度99.8%，天津益仁達化工有限公司），乙腈（純度99.8%，天津益仁達化工有限公司），均為色譜純；標準品敵敵畏、甲胺磷、殺螟硫磷、氧樂果、毒死蜱、對硫磷、馬拉硫磷、水胺硫磷、三唑磷等9種農藥（均為10 mg/L標準液，購自國家農產品安全環境因素控制重點實驗室，標準品純度均在99.6%以上）。

1.1.3 儀器參數

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5.0 mL/min；離子源溫度280 ℃；進樣方式采用不分流進樣；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。

1.2 試驗方法

1.2.1 介孔碳SBA-15的制備

根據已有報道[28-29]，以pluronic P123為表面活性劑，四乙氧基硅烷為硅源，制備SBA-15模板。煅燒后的SBA-15用含硫酸的蔗糖水溶液浸漬。將混合物在100 ℃烘箱中放置6 h，在160 ℃烘箱中放置6 h，類似的過程被重復。所得深棕色粉末在氮氣流中800 ℃碳化4 h，用1 mol/L NaOH（溶解于水和乙醇，V水∶V乙醇=1∶1）蝕刻去除二氧化硅模板。

1.2.2 十八烷胺功能化介孔碳復合材料的制備

十八烷胺功能化介孔碳復合材料的制備具體過程參考文獻[30]。準確稱取50 mg上述制備的介孔碳于200 mL圓底燒瓶中，加入50 mL色譜乙醇，超聲30 min使其完全溶解，加入400 mg十八烷胺，70 ℃下攪拌2 h，按6 000 r/min離心8 min，蒸餾水洗滌2次，真空干燥，備用。

1.2.3 樣品提取過程

樣品提取方法參照GB 23200.8—2016《食品安全國家標準 水果和蔬菜中500種農藥及相關化學品殘留量的測定 氣相色譜-質譜法》[31]。準確稱取20.00 g均質黃瓜樣品于50 mL具塞離心管中，加入100 μL質量濃度為10.0 μg/mL敵敵畏標準儲備液，加入25 mL乙腈溶液，振蕩30 min，加入2～3 g氯化鈉搖勻，在3 500 r/min轉速下離心5 min，取10 mL上清液于25 mL具塞離心管備用。

1.2.4 固相微萃取過程

典型的優化μ-SPE萃取方法：將μ-SPE萃取裝置浸泡在裝有10 mL樣品的玻璃瓶中（每種樣品的加標濃度為0.25 μg/mL），在環境溫度下以1 000 r/min的轉速磁化攪拌一段時間。萃取后，去除μ-SPE裝置，用超純水洗滌2次，用無絨紙巾擦干。將裝置置于100 μL的洗脫溶劑中，對提取液進行解吸。在規定的時間內用超聲輔助解吸過程。每次解吸后，用200 μL的洗脫溶劑對所使用的裝置進行清洗，以確保沒有殘留的分析物。提取液（約1 μL）直接注入GC-MS系統分析。介孔碳納米復合材料的形成機理見圖1。

圖1 介孔碳納米復合材料的形成機理

1.3 復合材料結構表征

1.3.1 復合材料表面結構表征

介孔碳及功能化納米復合材料的表面結構特征在200 kV加速電壓下利用高分辨率透射電子顯微鏡（TEM）觀察。如圖2所示，片狀物和納米片表明介孔碳結構，碳材料外表面的白色薄膜可以識別為圖2（a）所示的模板苯胺，圖2（b）中沒有看到任何白色薄膜，說明十八烷胺成功地修飾在介孔碳表面，極大地提高介孔碳溶解性和分散性。

圖2 功能化介孔碳（a）及未功能化介孔碳（b）

1.3.2 X射線衍射分析

試驗利用X射線衍射儀（XRD）分析介孔碳晶體結構，結果如圖3所示。在小角度下峰的相對強度差異可能是由于中孔碳重復使用20次后，殘留的分析物或溶劑分子占據晶體結構的孔隙。與原介孔碳相比，XRD譜圖中峰位的一致性證實晶體結構的保留[32]。

圖3 介孔碳復合材料的X射線衍射圖譜

1.3.3 氮氣吸附-脫附

通過氮氣吸附-解吸熱法進一步了解介孔碳的吸附性能，如圖4（a）所示。介孔碳納米復合材料的N2吸附等溫線在較低的相對壓力（P/P0＞0.9）下迅速上升，表現為Ⅰ型吸附行為。根據國際理論與應用化學聯盟（IUPAC），孔隙寬度在20～50 nm之間的材料被歸類為介孔材料[19]。從孔徑大小分布圖計算得到的介孔碳復合材料孔徑分布如圖4b所示。

圖4 介孔碳復合材料氮氣吸附-脫附圖譜

2 結果與討論

2.1 萃取時間對吸附性能影響

選取不同基質樣品卷心菜、蘋果、菠菜、桔子為分析物，分別稱取一定量該樣品于200 mL三角瓶，編號依次為A、B、C、D，依次加入2.00 μg穩定性較好的敵敵畏標準儲備液，混勻，按1.2.3和1.2.4方法操作處理，收集洗脫液，過0.22 μm濾膜后進樣測定，結果如圖5所示，萃取時間10 min時回收率達到最大值，回收率不變，說明敵敵畏在介孔復合材料表面吸附已達飽和狀態，因此，試驗選取10 min為最佳萃取時間。

圖5 功能化介孔碳對卷心菜、蘋果、菠菜、桔子中農藥殘留的萃取時間

2.2 pH對吸附性能的影響

試驗以白菜、梨、橘子為代表樣品，在pH范圍為1～12的條件下，分別用1 mol/L鹽酸或1 mol/L NaOH溶液對樣品溶液pH進行優化，研究其pH。從圖6可以看出，3個樣品在pH 5左右時回收率最高，因此，將樣品溶液調整為pH 5。

圖6 樣品溶液pH的影響

2.3 介孔碳納米復合材料與不同吸附劑的吸附效果比較

試驗旨在充分利用該介孔碳吸附劑，獲得對蔬菜樣品中痕量有機磷農藥殘留較好的提取富集性能。本試驗選用毒死蜱為目標分析物通過加標試驗，對NH2柱固相萃取、PSA分散固相萃取與介孔碳吸附劑吸附性能進行比較，評價相同條件下介孔碳的萃取性能。從圖7可以看出，介孔碳比其他2種提取方法的提取效果更好，對于介孔碳，其富集能力主要表現為2種吸附：孔包埋吸附和介孔碳的配位不飽和位點表面吸附及π-π相互作用。介孔碳的大孔可以容納或部分容納有機磷分子。結果表明，介孔碳對有機磷農藥具有較高的吸附回收率。可以推測，分析物在介孔碳的孔結構中尺寸匹配越好，吸附能力越強，而體積較大的空間構型會阻礙分子擴散。同時介孔碳的不飽和位點和π-π相互作用對富電子分析物（如芳香環或雙鍵）具有吸附親和性。

圖7 3種不同的吸附劑材料吸附農藥殘留比較

2.4 線性關系

配制0.05，0.10，0.15，0.20和0.25 μg/mL標準溶液質量濃度系列，建立標準曲線，在優化的試驗條件下，對每個水平進行3次重復測定，數據結果如表1所示，在0.05～0.25 μg/mL質量濃度范圍具有很好線性關系，高靈敏度，3倍噪音最低檢出限為0.01～0.08 μg/mL，定量限為0.028～0.26 μg/mL，相關系數為0.999 1～0.999 8。這是由于該功能化介孔復合材料具有大的吸附容量和大比表面積，通過渦旋使得介孔復合材料與樣液充分接觸，以達到很好的凈化效果。

表1 9種有機磷農藥線性關系研究

2.5 回收率試驗

建立9種農藥在白菜上的回收率和重復性評價方法的性能，在3個質量分數水平（0.020，0.050和0.120 mg/kg）連續6次提取（n=6），考察方法的重復性和實用性。回收率和相對標準偏差（SRSD）見表2。加標回收率為85.0%～95.8%，相對標準偏差SRSD為1.68%～5.32%，表明該方法具有較好的準確度和精密度，能完全滿足農藥的檢測要求。

表2 9種有機磷農藥回收率試驗

3 結果與討論

試驗探究功能化介孔碳作為吸附劑在微固相萃取9種有機磷農藥殘留中的應用。與傳統萃取方法相比，功能化的介孔碳納米復合材料具有萃取效率高、富集比高、用量少的特點。結果表明，該方法是一種簡便、靈敏、快速、低成本、有效的蔬菜中農藥殘留檢測樣品前處理方法，加標平均回收率為85.0%～95.8%，相對標準偏差SRSD為1.68%～5.32%（n=6），在0.05～0.25 μg/mL質量濃度范圍內呈良好線性關系，高靈敏度，3倍噪音最低檢出限為0.01～0.08 μg/mL，定量限為0.028～0.26 μg/mL，相關系數為0.999 1～0.999 8。功能化介孔碳復合材料作為一種很有前途的凈化材料，將在不同樣品中對其他有機污染物有更廣泛的應用。