色谱  2019, Vol. 37 Issue (3): 259-264   PDF    
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李迪
张瑞琪
王铁峰
苏萍
杨屹
基于十八烷基三甲基溴化铵修饰的磁性粒子在线磁性固相萃取-高效液相色谱法测定水样中磺酰脲类农药
李迪, 张瑞琪, 王铁峰, 苏萍, 杨屹     
北京化工大学理学院, 北京 100029
收稿日期：2018-10-20
基金项目：国家重点研发计划（2016YFF0204303）；国家自然科学基金（21675008）
通讯联系人：苏萍, Tel:64441521, E-mail:suping@mail.buct.edu.cn; 杨屹.Tel:64441521, E-mail:yangyi@mail.buct.edu.cn
摘要：采用溶胶-凝胶法制备表面修饰了十八烷基三甲基溴化铵的磁性粒子作为萃取剂，研制了一种在线磁性固相萃取（on-line MSPE）装置，建立了on-line MSPE与高效液相色谱联用测定水样中两种磺酰脲类农药（氯磺隆、苄嘧磺隆）的方法。实验优化了在线磁性固相萃取条件并进行方法学考察，证明该方法具有良好的线性关系（两种目标物的线性相关系数均≥ 0.9997）和较低的检出限（两种目标物的检出限分别为0.32和1.12 μg/L）。将此法用于3种环境水样中两种磺酰脲类农药的检测，水样中均检出氯磺隆，均未检出苄嘧磺隆。两种目标物加标回收率为70.0%~113.4%。该方法高效、简便，在分离富集环境水样中磺酰脲类农药方面有一定的应用前景。
关键词：在线磁性固相萃取    高效液相色谱    磺酰脲类农药    水样    
Determination of sulfonylurea herbicides in water samples by high performance liquid chromatography coupled with on-line magnetic solid phase extraction using trimethylstearylammonium-bromide-modified magnetic particles
LI Di, ZHANG Ruiqi, WANG Tiefeng, SU Ping, YANG Yi     
College of Science, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China
Foundation item: National Key Research and Development Program of China (No. 2016YFF0204303); National Natural Science Foundation of China (No. 21675008)
Abstract: A magnetic particle with a trimethylstearylammonium-bromide-modified surface was prepared as an adsorbent by a sol-gel method. An on-line magnetic solid phase extraction (MSPE) device was established and used for extraction and preconcentration of two sulfonylurea herbicides (SUHs) (chlorsulfuron and bensulfuron-methyl) in water samples prior to high-performance liquid chromatography. On-line MSPE parameters were optimized, including desorption conditions, adsorbent dose, pH of the sample solution, and injection flow rate. Under the optimum conditions, satisfactory linearity was obtained (correlation coefficients ≥ 0.9997). The limits of detection (LODs) of chlorsulfuron and bensulfuron-methyl were 0.32 and 1.12 μg/L, respectively. The method was successfully applied to determine two sulfonylurea herbicides in three types of environmental water samples. The recoveries of sulfonylurea herbicides were in the range of 70.0%-113.4%. The results confirmed that this method is efficient and simple and has a wide application potential in separation and enrichment of sulfonylurea herbicides in environmental water samples.
Key words: on-line magnetic solid phase extraction (on-line MSPE)     high-performance liquid chromatography (HPLC)     sulfonylurea herbicides (SUHs)     water samples    

20世纪80年代, 磺酰脲类除草剂(SUHs)问世, 其具有较高选择活性的同时对哺乳动物毒性较低, 而且施用剂量小, 因此广泛用于主要农作物的除草[1, 2]。然而随着磺酰脲类农药在环境中逐年积累, 已经在天然水中检测出它们的痕量残留[3]。世界各国高度重视此类农药对环境的危害, 我国从2013年起也陆续出台了对此类农药的限制公告[4]。考虑到其在水体中富集后可能通过食物链传导并危害人体健康, 高效、灵敏地检测环境水样中的磺酰脲类农药具有实际意义。

磺酰脲类农药施用剂量小, 在环境水中浓度较低, 须将样品富集后分析。常用的前处理方法有固相萃取(SPE)法[5]和磁性固相萃取(MSPE)法[6]。其中磁性固相萃取是20世纪90年代末发展起来的新型样品前处理方法, 其利用磁性粒子吸附样品中的目标化合物[7], 实现与复杂基体的高效分离。但在实际的分析工作中, 磁性固相萃取与洗脱过程中离线的手工操作(如超声、涡旋等)可能影响分析结果的精密度和准确度。近年来, 在线磁性固相萃取技术的发展受到广泛关注[8-10]。在线磁性固相萃取整合了萃取和洗脱过程, 实现前处理的自动化, 且减少了手工操作误差, 提高分析测试的精密度、准确度。

磁性萃取剂是磁性固相萃取的核心。Fe3O4磁性粒子由于表面易被氧化且易团聚, 通常对其进行表面修饰以提高磁性粒子的稳定性。表面活性剂是一类两亲性物质, 作为一种磁性粒子的表面修饰材料, 已经广泛应用于有机化合物的分析中。利用表面活性剂的两亲性, 将其与磁性粒子结合到一起, 制备一种新型磁性固相萃取剂, 以实现对疏水物质的分离富集, 这种方法又被称为混合半胶束磁性固相萃取[11]。

本文以简单的两步常温反应合成了表面修饰十八烷基三甲基溴化铵(STAB)的磁性粒子, 将其作为萃取剂, 利用蠕动泵、聚四氟乙烯管和六通阀等零件设计了一种在线磁性固相萃取装置, 与高效液相色谱相结合, 应用于水样中两种磺酰脲类农药的检测。

1 实验部分
1.1 仪器、试剂、材料与标准溶液

BT100L流量型智能蠕动泵(保定雷弗流体科技有限公司), 聚四氟乙烯硬管(内径1 mm，外径2 mm)(天津第九塑料厂), 不锈钢接头(天津舜禹达克科技有限公司), 六通阀(天津舜禹达克科技有限公司), 软硬对接直通接头(南京市润泽流体控制设备有限公司), 倒锥接头(南京市润泽流体控制设备有限公司), Saint-Gobain Norprene Chemical NSF-51 16#管(圣戈班(中国)投资有限公司), BS124S电子分析天平(北京赛多利斯仪器系统有限公司), KQ-100DB型数控超声波清洗器(江苏昆山市超声仪器有限公司), ZNCL-S智能恒温磁力搅拌器(上海予华仪器有限公司), DGX-073B-1电热鼓风干燥箱(上海福玛实验设备有限公司), 真空干燥箱(上海一恒科学仪器有限公司), 系列移液枪(上海大龙医疗设备有限公司), NDK200-2M自动快速浓缩仪(杭州米欧仪器有限公司), 一次性注射器(常州悦康医疗器材有限公司), 0.45 μm滤膜(天津津腾实验设备有限公司), 0.22 μm滤膜(天津津腾实验设备有限公司), Shimadzu 20A Prominence超快速液相色谱仪(岛津公司, 日本)配色谱柱Shimadzu InertSustain-C18(150 mm×4.6 mm, 5 μm)。

六水合三氯化铁购自天津市大茂化学试剂厂; 甲醇(HPLC级)、乙腈(HPLC级), 购自百灵威科技有限公司; 原硅酸四乙酯(TEOS)(分析纯)购自北京百灵威科技有限公司; 十八烷基三甲基溴化铵(分析纯)购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司; 无水乙酸钠、氢氧化钠、盐酸(含量37.5%)、乙酸乙酯、二氯甲烷、乙二醇、无水乙醇, 购自北京化工厂; 丙酮、正己烷, 购自北京益利精细化学品有限公司; 氨水(分析纯)购自北京化工厂; 去离子水, 高校自产; 娃哈哈纯净水; 苄嘧磺隆(BSM)(质量浓度100 μg/mL), 购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司; 氯磺隆(CS)(质量浓度100 μg/mL), 购自上海安谱实验科技股份有限公司。

3种环境水样分别采集自北京奥林匹克森林公园、北京西坝河和北京某高校灌溉用水。使用前使用真空抽滤除去不溶性杂质, 之后用0.45 μm有机滤膜过滤, 储存于玻璃瓶中并置于冰箱中。

1.2 磁性萃取剂的制备

首先以溶剂热法合成Fe3O4磁性微粒[6], 再以溶胶-凝胶法[12]在Fe3O4表面修饰SiO2, 制备Fe3O4@SiO2磁性微粒, 之后以溶胶-凝胶法制备Fe3O4@SiO2@STAB-SiO2磁性粒子。称取0.40 g Fe3O4@SiO2磁性微粒倒入三口烧瓶, 称取0.60 g STAB溶解于20 mL无水乙醇和40 mL去离子水的混合溶液, 水浴加热至60 ℃充分溶解。将上述溶液及2.2 mL氨水逐滴加入三口烧瓶, 机械搅拌30 min后, 向三口烧瓶中加入1.0 mL TEOS, 持续搅拌6 h, 产物以300 mL去离子水和200 mL乙醇各洗涤3次, 置于60 ℃真空烘箱中烘干备用。

1.3 在线磁性固相萃取过程

在线磁性固相萃取装置由供液系统和萃取/洗脱切换系统两部分组成。供液系统由两台蠕动泵组成, 可以实现进样、洗脱以及管路清洗。萃取/洗脱切换系统由六通阀构成, 能实现对萃取和洗脱的实时切换。在线磁性固相萃取柱由一段长3 m的聚四氟乙烯管路绕结于钕铁硼磁铁上, 磁铁两侧管路各连接了一个内径3 mm的不锈钢管, 内置筛板以防止磁性粒子的流失。系统管路连接情况见图 1。

图 1 在线磁性固相萃取流程示意图 Fig. 1 Schematic diagram of on-line magnetic solid phase extraction (MSPE) PDA: photodiode array detector.

进样模式:提前将70 mg萃取剂超声分散于乙醇后装填入磁性固相萃取柱中。此时六通阀内流路为实线路径所示, 量取10 mL实际样于50 mL离心管中, 使用0.01 mol/L的盐酸调节pH=4, 置于蠕动泵A进样口, 触摸操控蠕动泵, 设定流速0.6 mL/min开始进样。样品溶液通过磁性固相萃取柱, 开始萃取过程, 废液用离心管接收至进样完毕。

洗脱模式:切换六通阀至洗脱模式, 此时六通阀内流路为虚线路径, 量取3 mL甲醇于玻璃试管, 置于蠕动泵B进样口, 开始洗脱, 洗脱液使用玻璃试管接收。产物经过有机滤膜过滤、N2富集后复溶于200 μL乙腈, 使用高效液相色谱分析。

1.4 色谱条件

Shimadzu InertSustain-C18色谱柱(150 mm×4.6 mm, 5 μm); 柱温30 ℃; 检测波长为233 nm; 流动相A为含有0.01%(v/v)三氟乙酸的水溶液, B为乙腈。梯度洗脱程序:0~2.0 min, 30%B~45%B; 2.0~5.0 min, 45%B~50%B; 5.0~8.0 min, 50%B~60%B; 8.0~10.5 min, 60%B。进样体积20 μL; 流速1.0 mL/min。

2 结果与讨论
2.1 Fe3O4@SiO2@STAB-SiO2磁性粒子的表征

图 2为Fe3O4@SiO2和Fe3O4@SiO2@STAB-SiO2磁性粒子的扫描电镜图。从图 2可以看出, STAB修饰前后磁性粒子均为球形, 其中Fe3O4@SiO2表面比较光滑、粒径均一, 而Fe3O4@SiO2@STAB-SiO2表面厚度有所增加, 且较为粗糙。这是由于在合成步骤中, 使用氨水将体系pH调控至碱性, 此时Fe3O4@SiO2磁性粒子表面带负电荷[13], 逐渐滴加STAB溶液的过程中, STAB阳离子通过库仑力吸附在硅层表面, 疏水端延伸在溶液中, 硅层表面形成单层胶束; 随着滴加使STAB浓度增加时, 会在单层胶束的基础之上, 通过疏水作用力形成双层胶束[14]; 由于STAB用量大于磁性粒子, 可以判断表面厚度增加为STAB形成的双胶束层。

图 2 (a) Fe3O4@SiO2磁性粒子和(b)Fe3O4@SiO2@STAB-SiO2磁性粒子的扫描电镜图 Fig. 2 Scanning electron microscopy (SEM) images of (a) Fe3O4@SiO2 magnetic particles and (b) Fe3O4@SiO2@STAB-SiO2 magnetic particles STAB: stearyl trimethyl ammonium bromide.

图 3为Fe3O4@SiO2和Fe3O4@SiO2@STAB-SiO2磁性粒子的红外光谱图。由图 3可知, 1 056.8 cm-1的峰归属于Si-O键弯曲振动, 可证明SiO2成功修饰于Fe3O4表面; 2 919.7 cm-1和2 850.3 cm-1两个峰可归属为STAB长链中亚甲基的伸缩振动, 可以证明STAB已成功包覆到磁性粒子表面。

图 3 STAB、Fe3O4@SiO2磁性粒子、Fe3O4@SiO2@STAB-SiO2磁性粒子的FT-IR谱图 Fig. 3 FT-IR spectra of STAB, Fe3O4@SiO2 magnetic particles, and Fe3O4@SiO2@STAB-SiO2 magnetic particles

图 4为磁性粒子修饰表面活性剂前后产物的热重分析。由图 4可知, Fe3O4@SiO2与Fe3O4磁性粒子相比, 在相同时间内质量损失更大, 随着STAB在Fe3O4@SiO2表面进一步修饰, 最终产物的质量损失速率最大。证明了STAB成功地包覆到磁性粒子表面。

图 4 Fe3O4磁性粒子、Fe3O4@SiO2磁性粒子、Fe3O4@SiO2@STAB-SiO2磁性粒子的热重分析 Fig. 4 Thermogravimetric analysis of Fe3O4 magnetic particles, Fe3O4@SiO2 magnetic particles, and Fe3O4@SiO2@STAB-SiO2 magnetic particles
2.2 萃取条件优化

本文优化了在线磁性固相萃取条件。对洗脱剂种类(甲醇、乙腈、二氯甲烷、乙酸乙酯)、洗脱剂用量(1、3、5、7、9 mL)、萃取剂用量(10、30、50、70、90 mg)、离子强度(盐含量0、1%、2%、3%、4%)、溶液pH值(3、4、5、6、7、8), 以及进样流速(0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL/min)6个因素进行了考察。结果表明, 甲醇、乙腈都能对目标物质充分洗脱, 考虑到毒性, 选择甲醇作为洗脱剂。随着萃取剂、洗脱剂用量的增大, 萃取效率也增大, 但是洗脱剂超过3 mL, 萃取剂用量大于70 mg时, 萃取效率上升不再明显。离子强度的增大一方面增大了溶液黏度, 降低STAB与目标物质的相互作用; 另一方面, 随着溶液中各种离子总浓度增大, 增强了离子间的静电作用, 在季铵阳离子周围有更多的阴离子(主要是Cl-), 在硅羟基(表面带负电荷)附近存在更多阳离子(主要是Na+), 形成了所谓的“离子氛”, 使硅羟基与季铵阳离子都受到较强的牵制作用, 硅层表面有效吸附的STAB减少, 从而降低萃取效率。实验结果表明, 盐含量为0时萃取效果最好。检测的两种磺酰脲类农药在水中均呈弱酸性, 强酸或碱性条件下易水解, 从而降低萃取效率, 因此选择pH 4进行萃取。进样流速直接影响萃取剂与目标物质的接触时间是否充分, 实验选取0.6 mL/min流速进样, 较低的流速能保证萃取效率的同时避免进样过程中材料表面STAB胶层的流失。进样完毕后样品排入废液, 不会对后续检测产生干扰。

2.3 方法学评价

首先精确配制质量浓度为200 μg/L磺酰脲混合标准溶液。逐级稀释混标溶液, 依次配成质量浓度为1、5、10、20、40、80、160 μg/L的加标水样。在上述适宜条件下, 对两种磺酰脲农药进行在线磁性固相萃取, 用高效液相色谱-二极管阵列检测器检测, 绘制工作曲线。如表 1所示, CS在1~160 μg/L范围内呈良好的线性关系, BSM在5~160 μg/L范围内呈良好的线性关系。两种农药线性相关系数(r)良好, 均≥0.999 7, CS检出限(LOD, S/N=3)为0.32 μg/L, BSM检出限为1.12 μg/L。选择80 μg/L的加标水样进行6次平行实验以考察方法的重现性, 所得峰面积的RSD≤4.2%, 证明本方法重现性良好。

表 1 两种磺酰脲类农药的线性范围、线性方程、相关系数、检出限和相对标准偏差 Table 1 Linear ranges, linear equations, correlation coefficient (r), LODs and RSDs of two sulfonylurea herbicides (SUHs)
2.4 与文献方法比较

如表 2所示, 将本文建立的方法与传统固相萃取、磁性固相萃取磺酰脲类农药进行对比[6, 15, 16]。结果表明, 本方法的回收率、检出限和线性范围能满足定量分析的要求。

表 2 与文献中固相萃取、磁性固相萃取磺酰脲类农药方法比较 Table 2 Comparison with SPE and MSPE of sulfonylurea pesticides in the literature
2.5 重复使用情况

磁性固相萃取剂的一个优势在于可以回收并重复利用。我们考察了Fe3O4@SiO2@STAB-SiO2磁性粒子的重复使用性。如图 5所示, 在进行3次萃取后, CS萃取效率仍保留有64.1%, BSM萃取效率仍保留有88.7%, 因此制备的Fe3O4@SiO2@STAB-SiO2磁性粒子较稳定, 可重复利用。

图 5 萃取剂的可重复使用性 Fig. 5 Reusability of the adsorbent
2.6 实际样品检测

将本文建立的方法应用于环境水样分析(北京奥林匹克森林公园、北京西坝河和北京某高校灌溉用水), 以评估其实际应用价值。如图 6所示, 富集后的3种环境水样均检测出CS, 均未检出BSM。

图 6 在线磁性固相萃取前后水样中两种磺酰脲类农药的色谱图 Fig. 6 Chromatograms of two SUHs in water samples with or without on-line MSPE a. Olympic park water without on-line MSPE; b. Olympic park water with on-line MSPE; c. Xiba river water with on-line MSPE; d. Irrigation water with on-line MSPE; e. Olympic park water spiked at 50 μg/L with on-line MSPE.

分别量取10 mL 3种环境水样, 两种磺酰脲农药标准品在10、50、100 μg/L 3个不同水平下加标(n=3), 再按1.3节和1.4节进行前处理以及检测。计算加标回收率和RSDs, 结果如表 3, 加标回收率在70.0%~113.4%之间, RSD≤10.9%, 说明此方法可以应用于分析实际水样中的两种磺酰脲类农药。

表 3 3种水样中两种磺酰脲类农药的加标回收率和相对标准偏差(n=3) Table 3 Spiked recoveries and RSDs of two SUHs in three real water samples (n=3)
3 结论

本实验合成了Fe3O4@SiO2@STAB-SiO2磁性粒子作为萃取剂, 合成步骤较为简单, 反应条件温和, 对磺酰脲类农药有良好的吸附性能。设计并组装了一种在线磁性固相萃取装置, 该装置洗脱过程中有机溶剂消耗较少。所建立的在线磁性固相萃取-高效液相色谱联用测定环境水样中两种磺酰脲类农药的方法检出限、回收率及重现性良好, 满足定量分析的要求, 且一定程度上减小了手工操作带来的误差。与在线固相萃取相比, 亦有背压小、萃取剂可重复利用的优势[9, 10]。因此, 本方法在水样中磺酰脲类农药的检测中有一定的应用价值。

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