基于XPS的蘋果表皮殘留農藥界面層的氬刻分析

張欣艷，趙 達，王樂新，王 暢

（黑龍江八一農墾大學文理學院，黑龍江 大慶 163319）

蘋果表皮含有豐富的有機酸、纖維素、維生素、抗氧化成分及生物活性物質等，尤其黃酮類物質是一種高效抗氧化劑，它可以對抗自由基，保護細胞膜，是癌癥的克星[1]。但由于蘋果果實中殘留農藥主要分布于表皮，導致多數人對蘋果采取削皮食用的方法。目前，蘋果農藥殘留研究的樣品主要來源于蘋果果實中某一部位的綜合處理，對殘留農藥的具體位置不甚清晰。如若能夠對農藥殘留部位進行具體分析，繼而選擇更具有針對性、有效和節能的方式去除殘留農藥，使得營養豐富的果皮可放心地食用，無疑意義重大。

本文運用χ射線光電子能譜（χ-ray Photoelectron Spectroscopy，PS）[2-4]，配合離子刻蝕系統沿表皮縱向進行微觀深度分析，表征蘋果表皮殘留氧樂果及敵敵畏的具體部位，以期能夠為蘋果表皮農藥浸入、轉化及探索無損祛除農藥殘留的物理方法提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1 材料及儀器

1.1.1 材料

紅富士蘋果采自山東棲霞（生長中未施任何農藥）；氧樂果20%乳油（產自河北方舟農業科技有限公司）；敵敵畏80%乳油（產自河南東方人農化有限公司）；農藥（均購自黑龍江省農科院）。

1.1.2 儀器及測試條件

XPS型號：ESCA750（日本島津），激發源為MgKα（能量 hγ=1 253.6 eV），測試電壓 10 kV，電流30 mA，樣品室真空度優于5.3×10-7Pa，Ar+離子管電流16 mA，出射束流2.5 μA，C1s譜圖采用XPSPEAK41專用軟件（選40%Gussian-Lorentzian）進行分峰擬合。采用氬離子刻蝕去除表面污染。以C1S（285.0 eV）為定標標準進行結合能校正。

1.2 方法

1.2.1 未施藥蘋果表皮C1s的氬刻分析

蘋果清洗干凈，表皮取樣，制成厚度0.5 mm、直徑＞6 mm切片，置于載玻片間，放于恒溫箱35℃烘干，導電膠粘于樣品托架上，電子中和槍消除表面荷電效應。氬離子刻蝕表面，每次氬刻時間為90 s，XPS掃描圖譜，峰位擬合，計算主要元素相對含量并對峰位歸屬進行分析。

1.2.2 界面層氧（O）、碳（C）比隨濃度的縱向分析

分別勾兌濃度依次為2%、4%、6%、8%和10%氧樂果農藥和敵敵畏農藥，陰干后取樣置于載玻片間放入恒溫箱35℃烘干，形成平整待測樣品，表皮取樣，制成厚度0.5 mm、直徑＞6 mm切片，置于載玻片間，放于恒溫箱35℃烘干，導電膠粘于樣品托架上，電子中和槍消除表面荷電效應。分時段進行氬離子刻蝕，XPS掃譜分析O/C比值，繪制曲線反映農藥隨濃度不同而呈現的滲入規律。

1.2.3 界面層氧（O）、碳（C）比隨施藥時間的縱向分析

分別勾兌濃度為8%的氧樂果農藥和敵敵畏農藥，依次經3、5、7 d取樣，置于載玻片間放入恒溫箱35℃烘干，導電膠粘于樣品托架上，電子中和槍消除表面荷電效應。分時段進行氬離子刻蝕，XPS掃譜分析O/C比值，繪制曲線反映農藥隨施藥時間呈現的滲入規律。

2 結果與分析

2.1 蘋果表皮C1s的縱向氬刻分析

蘋果表皮主要元素相對含量及比值如表1，未刻蝕時O/C比值相對稍高，可能是樣品經表面處理后仍就不可避免地附著了少量的O，但與前三次氬刻相比，變化不大，在接下來的氬刻中，O元素的含量明顯增多，O/C比值加大，元素組成顯示由表皮層向內果皮成分過度。

表1 蘋果表皮刻蝕各元素相對含量及比值Table1 Relative content and the ratio of elements for Ar ion beam etching apple cuticle (%)

氬刻第2次、氬刻第4次的C1s峰的XPS分峰擬合圖譜見圖1。根據加拿大的Dorris和Gray對木材碳原子劃分分峰擬合C1s各峰[5-7]，C元素四種結構形式的相對含量見表2。C1含量隨著氬刻的繼續深入明顯降低，而C2、C3、C4含量有所升高，說明C－O、C=O、O－C=O含量增加，即厚度約為18 μm處就已經進入表皮層。表皮層是角質層向果皮層過渡的區域。成分中的角質、蠟被等脂類物質相對含量減少，果膠、纖維素及半纖維素為主的糖類物質增多。表皮物質由角質逐漸向胞間質果膠、纖維素等糖類過渡，其中羧酸根主要由單寧和有機酸提供。

2.2 兩種農藥的界面探測

蘋果表皮中物質與殘留農藥相互滲透，形成一個具有微觀厚度的界面層。分別勾兌濃度為10%的氧樂果和10%的敵敵畏涂抹于蘋果樣品，陰干后取樣置于載玻片間放入恒溫箱35℃烘干，形成平整待測樣品，對比施藥前后氬刻結果，農藥滲入深度為氬刻第2次的深度內，根據魏欽平對山東棲霞蘋果表皮形貌的分析結果推算[8]，蘋果與農藥形成的界面層大約在10 μm內。

圖1 果皮氬刻第2次、第4次C1s的XPS擬合圖譜Fig.1 XPS fitting spectra of the second and fourth C1s of the Ar etching on the cuticle

2.2.1 界面層中氧（O）、碳（C）比隨濃度的縱向分析

結果見圖2。

圖2 界面層中O/C隨濃度及氬刻時間變化Fig.2 Variation of oxygen/carbon on boundary layer with the consistence and time application

表2 兩次氬刻后C元素四種結構峰位及相對含量Table2 Four kinds of struncture peak positions and relative contents of the carbon element after the second aretching

未施藥樣品與施用不同濃度氧樂果農藥后的樣品中O/C比值隨氬刻時間的變化曲線如圖2a。曲線具有相似的規律性，隨氬刻時間亦即隨深度的增加，氧樂果在蘋果果皮中的殘留呈現非線性遞減的趨勢，在各濃度情況下，O/C比值達到未施藥時的狀態所需的氬刻時間分別為1、1.5、2、2.5和3 min，亦即在施藥3 d的時間內，在分別施用2%、4%、6%、8%和10%氧樂果農藥的樣品中，農藥滲入的深度分別約為3、6、9、12和 15 μm，具有明顯的規律性。隨濃度的增加，表皮中農藥的殘留量已具有明顯的增加趨勢，未施藥樣品中未氬刻O/C比值比氬刻后的O/C比值稍高，主要原因應為未刻蝕前表皮中附著了少量的O所致。

圖2b為施用不同濃度敵敵畏農藥時，界面層中O/C隨氬刻時間變化曲線。圖中各條曲線與施用氧樂果農藥的情況類似。不同之處在于曲線陡度比施用氧樂果的情況要小，在相同施藥時間內，敵敵畏的滲入較快，但殘留量相對較小。不同濃度O/C達到未施藥狀態所需氬刻時間分別為2、2、2、3、4 min，規律性相對較差。

2.2.2 界面層中氧（O）、碳（C）比隨施藥時間的縱向分析

圖3 施用濃度均為8%的農藥界面層中O/C隨施藥時間及氬刻時間變化Fig.3 Variation of oxygen/carbon on boundary layer with the volume application and time application

施用濃度均為8%的氧樂果和敵敵畏的蘋果樣品界面層中O/C隨施藥時間的變化曲線如圖3。從圖3a中可明顯看出，施用氧樂果的蘋果表皮界面層中各條O/C曲線都較為平滑，陡度隨濃度的增加而減小；隨著深度的增加，表皮中農藥殘留呈現非線性降低的趨勢；隨施藥時間的增加，蘋果表皮未刻蝕部分的氧樂果農藥的殘留量降低，在3～7 d內，最表層的農藥殘留下降不是非常明顯，而在蘋果表皮下約為2～8 μm之間，農藥殘留隨施藥時間的增加而增加，與最表層的變化截然相反。施用濃度為8%氧樂果農藥3 d后，農藥浸入深度約為6 μm，施藥5～7 d，農藥浸入深度約為8 μm。圖3b中敵敵畏農藥隨時間的縱向變化曲線與圖3a相似，但曲線的陡度相較于施用氧樂果農藥要小。界面層中各條O/C曲線陡度隨濃度的增加而減小；隨深度的增加，表皮中農藥殘留呈現非線性降低的趨勢；隨施藥時間的增加，蘋果表皮未刻蝕部分的敵敵畏農藥的殘留量降低，并且與圖3a相比，這種降低表現得稍微明顯一些。而在蘋果表皮下約為2～8 μm之間，農藥殘留隨施藥時間的增加而增加，與圖3a情況相比，差別稍小。施用濃度為8%敵敵畏農藥3 d后，農藥浸入深度約為6 μm，施藥5至7 d，農藥浸入深度約為8 μm。

3 結論

研究結果表明，蘋果表皮C元素以四種狀態存在。殘留農藥主要存在于蘋果表皮角質層區，距表皮大約8 μm以內。因此，蘋果表皮殘留農藥的去除重點針對于表皮下8 μm以內處理即可。另外，兩種殘留農藥隨深度及時間的變化規律相似，均呈現出非線性遞減的趨勢；同等施藥濃度和施藥時間的條件下，氧樂果的浸入深度及殘留量都要高于敵敵畏。

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