有机磷(OPPs)农药在食品中的浓度通常很低,且样品基体成分复杂,因此很多样品不能直接进样分析,往往需要在样品色谱分离检测前,辅以合适的样品前处理技术以消除干扰、降低检出限。用于农药残留分析的样品前处理技术有很多,包括液液萃取[1]、固相萃取[2, 3]、液相微萃取[4]、固相微萃取[5, 6]、超临界流体萃取[7]、QuECHERS[8]、搅拌棒吸附萃取[9]、磁固相萃取(MSPE)[10, 11]等。其中,MSPE具有材料制备简单、磁性材料表面易于改性、在溶液中分散性好、传质速度快、分离迅速、操作简单、材料可重复利用等优势[12, 13]。2012年,Eskandari等[10]合成了苯乙烯改性的磁性纳米材料Fe3O4@PS用于富集检测水样、尿样、血浆和土壤样品中的杀螟松;但该方法采用紫外检测器检测,检出限为0.5 μ g/L,而且解吸剂丙醇的用量达1 mL,其理论富集倍数仅为45。Maddah等[11]合成了十八烷基硅烷磁性纳米颗粒,用于分离富集环境水样中的二嗪农和杀螟松,用HPLC-UV分离检测,检出限分别为0.019和0.014 μ g/L,富集倍数分别达到172和184。文献[10]的检出限过高,不满足欧盟饮用水标准(单种有机磷农药不超过0. 1 μ g/L,总有机磷农药含量不超过0. 5 μ g/L);文献[11]不但材料合成反应时间长达40 h以上,且HPLC在10 min内仅能分离两种有机磷农药,耗时长。
本文的目的是将MSPE与气相色谱(GC)-火焰光度检测(FPD)联用,建立新鲜果汁样品中痕量OPPs分析的方法。利用一步乳液聚合法在Fe3O4磁性纳米颗粒表面负载苯乙烯(styrene,St)和甲基丙烯酸(methacrylic acid,MAA)聚合物,得到磁性聚合物材料Fe3O4@P(St-co-MAA),并将其用于实际样品中5种OPPs的分析检测。
恒温加热磁力搅拌器(DF-101S,上海东玺制冷仪器设备公司),电动搅拌机(RW 20 Digital,德国IKA公司)、真空干燥箱(DZG-6020,上海森信实验仪器厂)用于磁性材料的制备。傅里叶红外光谱仪(NEXUS 870,美国NICOLET公司)、透射电镜(JEOL JEM 2010(HT),日本电子株式会社)、X射线粉末衍射仪(Bruker WXS D8 advance,德国Bruker公司)、热重分析仪(SETSYS 16TG/DAT/DSC,法国Setaram公司)以及振动样品磁强计(VSM)(PPMS-9T,美国Quantum Design公司)用于磁性材料的表征。
数控超声波清洗器(KQ5200DE,昆山市超声仪器有限公司)用于超声辅助萃取和洗脱目标分析物;钕铁硼永久性磁铁用于磁性材料的分离。
GC-FPD (Agilent 6890N),检测器装磷型滤光片,所用色谱柱为HP-5型(30 m×320 μ m×0.25 μ m),固定相为5%苯基-95%甲基-聚硅氧烷(美国Agilent公司)。进样口及检测器温度为250 ℃。色谱柱升温程序:初始温度100 ℃,保持1 min; 30 ℃/min 升至180 ℃,保持1 min; 10 ℃/min 升至195 ℃,保持2 min; 20 ℃/min 升至250 ℃。载气及补充气均为氮气,流速分别为3.2 mL/min 和60 mL/min;氢气流速为75 mL/min;空气流速为100 mL/min。进样方式为脉冲不分流,进样量为5 μ L。
氯化铁(FeCl3,分析纯)、氨水(NH4OH,分析纯)、甲基丙烯酸(C4H6O2,化学纯)、苯乙烯(C8H8,化学纯)、十二烷基苯磺酸钠(C18H29NaO3S,分析纯)、过硫酸铵((NH4)2S2O8,分析纯)购自上海国药集团化学试剂有限公司;氯化亚铁(FeCl2,分析纯)购于阿拉丁试剂有限公司;二乙烯基苯(C10H10,化学纯)购于天津光复精细化工研究所;乳化剂OP-10 (壬基酚聚氧乙烯醚,纯度99% ,进口分装)购自武汉市同心化工厂。实验中用到的溶剂(无水乙醇、丙酮、甲苯、环己烷、乙酸乙酯、正己烷、氯仿)均为分析纯,购自上海国药集团化学试剂有限公司。实验用水为二次蒸馏水。
有机磷农药标准品(质量浓度均为100 mg/L 的丙酮标准储备液,由农业部环境保护科研监测所(天津)提供):二嗪农(dazinon,GSB05-2291-2008)、甲基毒死蜱(chlorpyrifos-methyl,GSB05-1870-2008)、杀螟硫磷(fnitrothion,GSB05-2287-2008)、毒死蜱(chlorpyrifos,GSB05-1869-2008)、喹硫磷(quinalphos,GSB05-2330-2008),于4 ℃低温条件下保存。
首先采用共沉淀法合成Fe3O4磁性纳米颗粒[14],然后参考文献[14]中的乳液聚合一步合成法制备Fe3O4@P(St-co-MAA)磁性微球:在机械搅拌条件下向含有0.485 g十二烷基苯磺酸钠、3.4 mL乳化剂OP-10和8 mL水的三口烧瓶中依次加入10 mL苯乙烯、80 μ L二乙烯基苯,接着加入4 g Fe3O4磁性微球、1.5 mL甲基丙烯酸单体,最后加入20 mg过硫酸铵引发反应,在80 ℃下加热回流12 h,生成苯乙烯和甲基丙烯酸共聚物改性的Fe3O4@P(St-co-MAA)磁性微球。反应完成后将产物转移至250 mL烧杯中,用200 mL 2 mol/L 的HCl浸泡2～3 h,溶解未被改性的Fe3O4磁性纳米颗粒。用水清洗材料,直至上清液澄清,再用乙醇洗涤3次,于60 ℃条件下干燥过夜,磨细后直接用于后续萃取。
取20 mL样品溶液于玻璃烧杯(25 mL)中,加入10 mg Fe3O4@P(St-co-MAA)磁性微球,超声萃取20 min。然后将钕铁硼磁铁置于烧杯外壁,磁性微球在磁场的作用下迅速移动至烧杯侧壁,弃掉样品溶液,将吸附目标分析物的磁性微球转移至2 mL离心管中。移开钕铁硼磁铁,将磁性微球重新分散在20 μ L丙酮溶剂中,超声解吸10 min以洗脱吸附在Fe3O4@P(St-co-MAA)磁性微球上的有机磷农药。最后将5 μ L洗脱液引入GC-FPD进行检测。
将购于武汉本地市场的草莓、番茄分别用榨汁机榨汁,过滤,离心。取5 mL(番茄汁:4.88 g、草莓汁:4.85 g)样品,分别加入一定量的有机磷农药混合标准溶液,制成加标果汁样品。考虑到样品基体效应可能带来的干扰以及实际萃取过程中样品量需求较大,将得到的果汁稀释100倍,再进行上述磁固相萃取,萃取完成后注入GC-FPD进行检测。
对所制备的材料进行了X射线衍射(XRD)表征。结果表明,对于所制备的Fe3O4磁性纳米颗粒和Fe3O4@P(St-co-MAA)磁性微球而言,在2 θ 分别为30.2o、35.26o、43.24o、53.68o、57.4o、62.68o和74.66o处均出现了Fe3O4的特征衍射峰,说明所合成材料的核结构为Fe3O4,且改性前后晶体结构没有发生改变。分别采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)对Fe3O4@P(St-co-MAA)磁性微球进行表征(见图1),结果表明,所制备的Fe3O4@P(St-co-MAA)颗粒是直径3～5 μ m的微球;所制备的Fe3O4磁性纳米颗粒的粒径在10 nm左右,Fe3O4磁性纳米颗粒均匀分布在聚合物微球内。说明聚合物成功改性了Fe3O4磁性纳米颗粒。
与纯Fe3O4磁性纳米颗粒相比,在Fe3O4@P(St-co-MAA)磁性微球的红外谱图(略)上可以清晰地观察到羧基(1700.88 cm-1)、苯环(698、756 cm-1)的特征吸收峰;570 cm-1处出现Fe3O4的特征吸收峰,说明St、MAA通过聚合反应被成功地包裹到Fe3O4磁性纳米颗粒上。采用热重分析仪对所制备的Fe3O4@P(St-co-MAA)磁性微球的组分比例以及材料的耐高温情况进行了考察。结果表明,0～200 ℃内材料略有损失,可能缘于聚合材料中部分小分子或低聚物的挥发(苯乙烯的沸点为145.2 ℃,甲基丙烯酸的沸点为161 ℃); 200 ℃以上,聚合物迅速分解;300 ℃以上,聚合物分解速度更快。组分的损失量说明Fe3O4表面包裹了约12%(m/m)的聚合物;同时,该结果表明所制备的聚合物材料不适用于热解吸模式。
自制的Fe3O4磁性纳米颗粒和Fe3O4@P(St-co-MAA)磁性微球的VSM结果表明,Fe3O4和Fe3O4@P(St-co-MAA)具有相似的曲线,在外加磁场为零时,材料的磁性迅速降为零,只在外加磁场作用下才表现出磁性,说明改性前后的材料都具有超顺磁性。Fe3O4磁性纳米颗粒的饱和磁化强度为68.57 emu/g,与文献[15]报道值接近,比Fe3O4@P(St-co-MAA)材料的饱和磁化强度(52.81 emu/g)略大。共聚反应得到的聚合物增加了Fe3O4表面涂层的厚度,降低了饱和磁化强度,但并没有影响材料超顺磁的性质。改性后的材料饱和磁化强度降低,从侧面反映出Fe3O4磁性纳米颗粒被共聚物成功改性。文献报道饱和磁化强度大于16.3 emu/g的材料可被常见的磁铁分离[16],因此本实验合成的Fe3O4@P(St-co-MAA)磁性微球适用于磁铁分离,可用于磁固相萃取。
另外,将自制的Fe3O4@P(St-co-MAA)磁性微球分别浸没于丙酮、乙醇、0.1 mol/L HCl、1 mol/L HCl、0.1 mol/L NaOH、1 mol/L NaOH中,于24 h后取出,经水清洗后在优化条件下进行萃取解吸,比较其萃取效率变化。结果表明,自制的磁性微球耐酸、耐碱及耐有机溶剂性能良好,说明该材料具有较好的化学稳定性。
在Fe3O4@P(St-co-MAA)磁性聚合物材料磁固相萃取过程中,影响萃取效率的主要因素有样品体积、萃取时间、离子强度、解吸溶剂种类、洗脱剂体积、洗脱时间等。实验中分别对这些因素进行了详细的考察。
固定每种目标分析物的质量为100 ng,在1～50 mL范围内,考察样品体积对5种目标分析物萃取效率的影响。结果表明,当样品体积在5～20 mL范围内变化时,5种目标分析物的萃取效率没有明显的变化(见图2),为了尽量提高富集倍数，后续实验中选取样品体积为20 mL。
为了缩短样品处理时间,对样品超声萃取时间进行了优化。在5～30 min范围内,考察了萃取时间对5种目标分析物萃取效率的影响。结果表明,20 min后萃取基本达到平衡(见图3),考虑到分析速度,后续实验中选择萃取时间为20 min。
考察了NaCl的质量浓度在0～250 g/L范围内对各目标分析物萃取效率的影响,结果如图4所示。当NaCl的质量浓度在150 g/L左右时,对5种目标分析物的萃取效率最高,原因可能是加入无机盐增大了介质的离子强度,使OPPs在水溶液中的溶解度降低,从而提高了萃取效率;但是盐浓度过高会使溶液黏度增加,影响传质,从而使OPPs萃取效率降低。当NaCl的质量浓度超过150 g/L时,目标分析物的萃取效率明显降低,因此在后续实验中,选择在样品溶液中加入NaCl的质量浓度为150 g/L。
由于HP-5色谱柱不能承受极性较大的溶剂,故选取极性小的5种有机溶剂,考察解吸溶剂对解吸效果的影响。采用超声辅助有机溶剂解吸,比较了甲苯、环己烷、乙酸乙酯、正己烷、丙酮对5种目标分析物的解吸效率。结果表明,丙酮对5种目标分析物的解吸效果最佳,其原因是有机磷农药在丙酮中的溶解度较大,因此选择解吸溶剂为丙酮。考察了超声、涡旋等不同方式解吸的影响。结果表明,超声效果略优于涡旋;另外,超声波频率(33 kHz、40 kHz)影响不大。因此在后续实验中选择解吸方式为超声,频率为40 kHz。
为了缩短样品处理时间,对样品解吸时间进行了优化。在5～20 min范围内考察了对5种目标分析物萃取的影响。结果表明,解吸时间超过8 min,萃取基本达到平衡,故选择解吸时间为10 min。
为了降低目标分析物的检出限,在脉冲不分流模式下,选择进样体积为5 μ L。由于解吸溶剂的体积会影响到解吸效率和方法的富集倍数,因此在15～100 μ L范围内,考察了解吸剂体积的影响,结果如图5所示。当洗脱剂体积为15 μ L时,所获得的有机磷农药信号值最大,但解吸液的获取相对麻烦,最后选择洗脱剂体积为20 μ L。
为了考察材料的记忆效应,用20 μ L丙酮对材料进行多次解吸。结果表明,二次洗脱液的信号值仅为一次洗脱液信号值的3%左右;3次洗脱后,除二嗪农外,解吸液中基本无其他目标分析物的信号。说明一次洗脱即解吸出大部分目标分析物,但材料仍存在一定的记忆效应。实验中每次萃取仅需10 mg材料,而一次合成的材料达3 g之多,因此所合成的磁材料均只使用一次。
在最优的实验条件下,对方法的分析性能进行 了评价,结果列于表1。配制0.05～100 μ g/L 范围的系列OPPs标准溶液,考察了方法的线性范围。另外,表2列出了本方法与其他用于有机磷农药分离富集的分析方法的检出限,可以看出,与文献[17, 18, 19]相比,本方法对目标分析物的检出限更低;文献[20]中使用了灵敏度更高但更为昂贵的质谱检测器,方法检出限低于本工作;与文献[9, 21]相比,本工作富集倍数更大,由于采用了大体积进样,其方法灵敏度可以得到进一步的改善;文献[10, 11]同样采用MSPE,但材料合成方法都比较复杂,前者合成周期长达72 h,后者合成周期也在40 h以上;而本工作材料制备方法简单且合成周期短,目标分析物多,且检出限低于与紫外-可见吸收光谱联用方法。本方法简单快速,富集倍数高,由于采用磁固相萃取作为样品前处理手段,避免了过滤、离心等繁琐操作,同时可以进行批操作。本方法的灵敏度足以满足对蔬果样品中有机磷农药残留的分析。
将新鲜番茄、草莓样品榨汁,过滤、离心后得到番茄汁、草莓汁,分别用水稀释100倍[17, 22, 23],然后用所建立的方法对稀释后的样品进行分析。稀释后的番茄汁、草莓汁样品中均未检出这5种有机磷农药。为了验证该方法的准确性,对实际样品进行了加标回收实验,表3列出了番茄汁、草莓汁样品中各分析物的加标回收实验结果,该方法对番茄汁、草莓汁样品的加标回收率为85.0% ～119% 。图6是本方法对稀释100倍的草莓汁、番茄汁样品及加标样品检测的色谱图。
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根据食品安全国家标准《食品中农药最大残留限量》(GB 2763-2012)规定,本文中多数被考察的有机磷农药最大允许残留限量(MRL)均大于100 μ g/kg。由于该方法的灵敏度高,检出限低,即使样品稀释后测定也同样能够检测到低于MRL的OPPs,所以该方法可用于蔬果样品中有机磷农药残留的检测。
本工作通过乳液聚合反应制备了苯乙烯与甲基丙烯酸共聚物改性的磁性微球(Fe3O4@P(St-co-MAA)),材料具有制备简单、价廉易得、磁性强、耐酸碱/耐溶剂、分散性好等特点。基于Fe3O4@P(St-co-MAA)磁性微球建立了MSPE-GC-FPD联用用于新鲜番茄汁、草莓汁样品中有机磷农药残留分析的方法。与其他方法相比,本方法具有材料价廉易得、检出限低、富集倍数高、分析速度快、可进行批操作等优点。
2014, Vol. 32 Issue (10): 1131-1137
PDF (3843 KB)
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