磁性石墨烯固相萃取-毛細管電泳聯用測定水樣中三嗪類農藥殘留

李亞珍 李兆乾 朱華玲 王衛平（浙江師范大學化學與生命科學學院,金華321004）

磁性石墨烯固相萃取-毛細管電泳聯用測定水樣中三嗪類農藥殘留

李亞珍 李兆乾 朱華玲 王衛平*
（浙江師范大學化學與生命科學學院,金華321004）

以磁性石墨烯（G/Fe3O4）為固相萃取吸附劑,考察其對三嗪類農藥的萃取富集性能,并結合毛細管電泳技術,建立了環境水樣中三嗪類農藥的分析方法。在最佳萃取條件下,即樣品溶液pH=7.0,20.0 mg G/Fe3O4作為吸附劑,0.5 mL丙酮為洗脫液,萃取時間20min,磁性石墨烯對三嗪類農藥具有較好的富集作用。4種三嗪類農藥的峰面積和濃度在5～500μg/L范圍內呈良好的線性關系,線性相關系數大于0.9909,檢出限（S/N=3）低于3.12μg/L。日內和日間相對標準偏差 （n=5）分別在2.7％ ～12.7％和7.7％ ～14.0％之間。將本方法用于河水和自來水水樣分析,平均加標回收率在70.4％～117.3％之間,相對標準偏差（n=3）小于11.5％。

磁性石墨烯；固相萃取；毛細管電泳；三嗪類農藥

1 引 言

三嗪類除草劑的廣泛使用,對環境造成了一定污染[1]。環境水體中三嗪類農藥常處于痕量級（μg/L）,不經過預富集很難達到檢測要求[2,3]。磁性固相萃取（MSPE）是一種新型樣品前處理技術,通過施加外部磁場實現相分離,具有操作簡單、省時快速、無需離心過濾等特點而受到廣泛關注[4,5]。

石墨烯是一種新型碳基納米材料,自2004年Geim等[6]首次成功制備以來,已在修飾電極[7]、傳感器[8]、分子探針[9]等方面得到廣泛應用。石墨烯具有較大比表面積,且與苯環有較強的π-π共軛作用[10,11],可作為萃取含苯環類化合物的高效吸附劑[12]。磁性石墨烯復合材料將石墨烯的強吸附性能與便捷的磁性分離相結合,有望成為一類高效吸附劑。基于石墨烯的不同類型磁性吸附劑（如Fe3O4@ SiO2-石墨烯[13],磁性殼聚糖/氧化石墨烯[14],石墨烯/Fe3O4@聚噻吩[15]等）已用于抗生素、蛋白質、多環芳烴等的預富集。目前,石墨烯類材料在樣品前處理領域的應用研究仍處于探索階段。

本研究采用溶劑熱法合成磁性石墨烯復合材料G/Fe3O4,并對其進行表征。將合成的G/Fe3O4作為MSPE吸附劑,考察了影響磁性固相萃取效率的因素,在最佳萃取條件下,對水樣中的痕量三嗪類農藥（西瑪津、阿特拉津、莠滅凈和撲草凈）進行預富集,并結合毛細管電泳技術進行分析測定。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

P/ACEMDQ毛細管電泳儀（美國Beckman Coulter公司）,配備二級管陣列檢測器；熔融石英毛細管（總長40.2 cm,有效長度30 cm,內徑75μm,河北永年銳灃色譜器件有限公司）。兩次進樣之間毛細管依次用1.0 mol/L NaOH、0.1 mol/L NaOH、超純水、緩沖溶液（見下）各沖洗3min。樣品以3.45 kPa壓力進樣5 s,檢測波長為221 nm。

石墨粉（8000目,阿拉丁化學試劑有限公司 （上海））,H2O2（30％）、KMnO4、H2SO4、NaNO3、乙二醇、無水乙酸鈉、FeCl3·6 H2O均購自中國醫藥集團化學試劑有限公司；乙腈、丙酮和甲醇（色譜純,金華醫藥公司）。農藥標準品西瑪津（Simazine）、阿特拉津（Atrazine）、莠滅凈（Ametryn）、撲草凈（Prometryn）、噻嗪酮（Buprofezin）和高效氟氯氰菊酯（Beta-cyfluthrin）均購自上海安譜科學儀器有限公司。水樣分別取自實驗室、金華蘭江和梅江,經0.45μm微孔濾膜過濾。

準確稱取農藥標準品各0.0100 g,用丙酮溶解,配制成1.0mg/mL的標準儲備液,于-20℃避光保存。

運行緩沖溶液由10mmol/L硼砂、50mmol/L十二烷基硫酸鈉和10％甲醇（V/V）混合制備。緩沖溶液用0.45μm微孔濾膜過濾并脫氣。

2.2 合成磁性G/Fe3O4復合材料

氧化石墨（GO）的合成：根據改進的Hummers方法[15]制備GO。

G/Fe3O4的合成[18]：將0.200 g GO放入30mL乙二醇中,超聲分散1 h；加入0.325 g FeCl3·6H2O,繼續超聲10min；加入1.300 g無水乙酸鈉,持續攪拌20min；將溶液轉移到50 mL不銹鋼高壓反應釜中, 在200℃下反應8 h。將得到的黑色產物,分別用乙醇和超純水洗滌3次后,于60℃下烘干,即得到磁性G/Fe3O4。

2.3 MSPE過程

稱取適量G/Fe3O4于250 mL錐形瓶中,分別用5 mL甲醇和5 mL水活化后,加入200 mL樣品溶液,超聲2min后得到懸浮液,繼續振蕩萃取一定時間。萃取結束后,用磁鐵將錐形瓶中G/Fe3O4聚集到底部,傾去大部分上清液,剩余溶液連同G/Fe3O4轉移至10 mL離心管中,再次用磁鐵將G/Fe3O4聚集,小心傾倒所有溶液。最后加入0.5 mL丙酮渦旋2min進行洗脫,洗脫液用0.45μm微孔濾膜過濾。取100μL洗脫液與200μL超純水混合,用于CE分析。

3 結果與討論

3.1 G/Fe3O4的表征

由GO與G/Fe3O4的XRD表征結果（圖1）可見,GO在2θ=11.06°有一個尖銳的峰,對應GO （0 0 2）面的特征衍射峰。G/Fe3O4在2θ=25.77°有一個非常寬的峰,對應石墨烯的（0 0 2）面,表明其沿著堆積方向的有序性很差。此外,在2θ為30.18°（2 2 0）,35.59°（3 1 1）,43.35°（4 0 0）,53.78° （4 2 2）,57.25°（5 1 1）,62.77°（4 4 0）和74.20°（5 3 3）處的衍射峰位置與純凈磁鐵礦立方晶體的標準XRD數據一致（JCPDSNo.89-4319）。

GO與G/Fe3O4的紅外光譜圖（圖2）表明,3424 cm-1處的峰由OH 鍵伸縮振動引起。1723和1629 cm-1處的峰是由 CO和 CC鍵的伸縮振動引起。1066和1230 cm-1處的峰是由于環氧基和烷氧基的CO 鍵伸縮振動引起[19]。560 cm-1處的峰歸屬于FeO鍵的伸縮振動,表明Fe3O4納米粒子被固定在石墨烯薄層上。1565 cm-1出現的新峰,可能是石墨烯片層的骨架振動,表明GO被還原為G[20]。與GO相比,G/Fe3O4復合材料的紅外圖譜在3424 cm-1處吸收峰的強度明顯下降,說明在乙二醇的存在下,高溫熱處理可除去羥基上的氧。

圖1 氧化石墨（a）和G/Fe3O4復合材料（b）的XRD 圖Fig.1 XRD patterns of graphite oxide（a） and graphene/Fe3O4（G/Fe3O4）nanoparticles（b）

圖2 氧化石墨（a）和G/Fe3O4復合材料（b）的紅外吸收圖譜Fig.2 The FTIR spectra of graphite oxide（a）and G/Fe3O4nanoparticles（b）

3.2 MSPE條件的選擇與優化

3.2.1 樣品pH值樣品溶液的pH值影響分析物的存在形式和吸附劑表面的電荷類型及密度。當樣品溶液的pH使分析物呈電中性時,分析物可被有效吸附,而且不受吸附劑表面的電荷影響。考察了樣品溶液pH為2.0～12.0時各組分的萃取效果。從圖3A可見,在pH 6.0～8.0時,各組分的峰面積達到最大,可能是因為待測組分在強酸性或強堿性條件下容易分解,在中性條件下相對比較穩定[21]。因此,最佳的樣品溶液pH選擇7.0。

3.2.2 萃取時間在MSPE過程中,萃取時間是影響萃取效率的重要因素之一。實驗探討了不同萃取時間（5～25min）對萃取效率的影響。結果表明,當萃取時間為20min時,各組分的峰面積達到最大,表明此時吸附達到平衡。因此,最佳萃取時間為20 min。

3.2.3 磁性G/Fe3O4的質量實驗考察了磁性G/Fe3O4質量為5～30 mg時各組分的萃取效果。當G/Fe3O4質量為20 mg時,各組分的峰面積達到最大；當G/Fe3O4質量大于20 mg時,各組分的峰面積幾乎保持不變,說明吸附劑已經達到飽和。因此,G/Fe3O4的用量選擇20 mg。

3.2.4 洗脫劑的選擇分別考察了甲醇、乙腈和丙酮為洗脫液時對萃取效率的影響（圖3B）,結果表明,丙酮對西瑪津、莠滅凈和撲草凈的洗脫效果優于甲醇和乙腈,各組分可得到相對較大的峰面積。因此,選擇丙酮作為洗脫劑。

圖3 MSPE條件優化：（A）樣品pH值,（B）洗脫劑Fig.3 Optimization ofmagnetic solid phase extraction（MSPE）procedure：（A）Sample pH；（B）Elution solvent

3.3 方法學考察在優化的條件下,得到如圖4A所示色譜圖。由表1可知,4種組分在各自的線性范圍內呈良好的線性關系,線性相關系數r≥0.9909；檢出限低于3.12μg/L（S/N=3）。方法重復性好,日內和日間相對標準偏差分別在2.7％～12.7％和7.7％～14.0％之間。

為了對比MSPE法與經典固相萃取（SPE）方法的萃取效果,分別用填充的G/Fe3O4小柱和商品化的Supelco ENVI-18柱[22]進行SPE實驗。結果表明,G/Fe3O4小柱萃取效果優于商品化ENVI-18小柱；且經ENVI-18小柱萃取后的樣品,待測組分的分離效率降低。

表1 4種三嗪類物質的線性范圍、相關系數、檢出限和精密度Table 1 Linear range,correlation coefficients,limits of detection（LOD）and precision（RSD）of four triazine compounds

3.4 樣品分析

分別采集自來水、金華蘭江和梅江水樣品,將樣品用 0.45μm微孔濾膜過濾后,按2.3節進行萃取與測試。結果表明,3種水樣中均未檢出這4種三嗪類農藥（圖4B為梅江水樣,流經農田）；同時在水樣中分別加標50和100μg/L時,均能得到滿意的回收率結果（表2）。

圖4 4種物質的標準色譜圖（A）,經MSPE后的梅江水和加標100μg/L的CE譜圖（B）Fig.4 Typical chromatograms of standard solution（A）；sample of Meijiang river without（a）and with（b）spiking of 100μg/L standard solution after MSPE procedure（B）.

表2 實際樣品的測定及加標回收率（n=3）Table 2 Analytical results of real samples and recovery（n=3）

選取噻嗪酮（Buprofezin）、高效氟氯氰菊酯（beta-Cyfluthrin）作為干擾物,以農田附近的梅江水作為基質,考察了G/Fe3O4對三嗪類除草劑的特異性吸附。在給定的分析條件下,兩種干擾物均能檢出,但不影響4種三嗪農藥的測定（圖5a）。經MSPE萃取后發現,只能檢測到少量的噻嗪酮（圖5b）,表明G/Fe3O4對三嗪類除草劑有較好的特異性吸附效果。氧化石墨（GO）含有的苯環與三嗪農藥中的三嗪環形成強π-π共軛作用,是GO對三嗪類化合物有較強吸附的主要原因。此外,待測組分中含有的氨基,可與GO中的羥基和羧基等形成較強的氫鍵,進一步提高吸附性能。

圖5 6種物質的CE譜圖MSPE萃取前（a）；MSPE萃取后（b）Fig.5 Typical electrophorograms of six standard solution without（a）and with MSPE procedure

4 結論

本研究將合成的G/Fe3O4作為磁性吸附劑用于磁性固相萃取,結合毛細管電泳技術,建立了水樣中三嗪類農藥殘留的分析方法。結果表明,本方法操作簡便,精密度和重現性好,靈敏度高,可用于環境水樣中三嗪類農藥的測定。

1 Li P,Yang X,Miao H,Zhao Y,Liu W,Wu Y.Anal.Chim.Acta,2013,781：63-71

2 WANG Xiao-Chun,LIU Qing-Long,YANG Yong-Liang.Chinese J.Anal.Chem.,2014,42（3）：390-396

王曉春,劉慶龍,楊永亮.分析化學,2014,42（3）：390-396

3 LIYu-Zuo,ZHANG Rui,WANG Hai-Tao,DUAN Hong-An,WANG Mo,LI Tuo,YAO Yan-Lin,ZHANG Chun-Wei.Journal of Instrumental Analysis,2009,28（3）：315-318

李育左,張睿,王海濤,段宏安,王沫,李拓,姚燕林,張春偉.分析測試學報,2009,28（3）：315-318

4 Zhang X,Wang J,Li R,Dai Q,Gao R,Liu Q,Zhang M.Ind Eng Chem Res.,2013,52：10152-10159

5 Wang W,Ma R,Wu Q,Wang C,Wang Z.Talanta,2013,109：133-140

6 Geim A K,Novoselov K S,Morozov SV,Jiang D,Zhang Y,Dubonos SV,Grigorieva IV,Firsov A A.Science.,2004, 306：666-669

7 WU Ling,CAO Zhong,SONG Tian-Ming,SONG Cheng,XIE Jing-Lin,XIAO Zhong-Liang.Chinese J.Anal Chem., 2014,42（11）：1656-1660

吳玲,曹忠,宋天銘,宋鋮,謝晶磊,何婧琳,肖忠良.分析化學,2014,42（11）：1656-1660

8 GAO Cai,HANG Le,LIAO Xiao-Lei,GAO Fei,WANG Qing-Xiang.Chinese J.Anal Chem.,2014,42（4）：853-858

高彩,杭樂,廖曉磊,高飛,汪慶祥.分析化學,2014,42（4）：853-858

9 Liu Y,Zhu L,Luo Z,Tang H.Sens.Actuators,B,2013,185：438-444

10 Allen M J,Tung V C,Kaner R B.Chem.Rev.,2010,110：132-145

11 Dreyer D R,Park S,Bielawski CW,Ruoff R S.Chem.Soc.Rev.,2010,39：228-240

12 Wu X,Hong H,Liu X,Guan W,Meng L,Ye Y,Ma Y.Sci.Total.Environ.,2013,444：224-230

13 Luo Y B,Shi ZG,Gao Q,Feng Y Q.J.Chromatogr A,2011,1218：1353-1358

14 Ding X,Wang Y,Wang Y,Pan Q,Chen J,Huang Y,Xu K.Anal.Chim.Acta,2015,861：36-46

15 Mehdinia A,Khodaee N,Jabbari A.,Anal.Chim.Acta,2015,868：1-9

16 Wang G,Gao Z,Wan G,Lin S,Yang P,Qin P.Nano Res.,2014,7：704-716

17 Marcano D C,Kosynkin DV,Berlin JM,Sinitskii A,Sun Z,Slesarev A,Alemany LB,Lu W,Tour JM.ACSNano., 2010,4：4806-4814

18 Ge J,Hu Y,BiasiniM,Beyermann W P,Yin Y.Angew.Chem.Int.Ed.,2007,46：4342-4345

19 Herrera-Herrera A V,Hernández-Borges J,Afonso M M,Palenzuela JA,Rodríguez-Delgado Má.Talanta,2013,116：695-703

20 Yan S,Qi T T,Chen DW,Li Z,Li X J,Pan SY.J.Chromatogr.A,2014,1347：30-38

21 Zhao G,Song S,Wang C,Wu Q,Wang Z.Anal.Chim.Acta.,2011,708：155-159

22 LIZhu,CHEN Ling,GAO Hong-Wen,DONG Li-Xian,ZHAO Jian-Fu.Chinese Journal ofChromatography,2006,24：267-270

李竺,陳玲,郜洪文,董麗嫻,趙建夫.色譜,2006,24：267-270

（Received 22 May 2015；accepted 23 July 2015）

Thiswork was supported by the National Natural Science Foundation of China（No.21305128）

Determ ination of Triazine Pesticides in W ater Sam ples by Capillary Electrophoresis Coupled w ith Solid Phase Extraction Based on M agnetic Graphene Nanocom posite

LIYa-Zhen,LIZhao-Qian,ZHU Hua-Ling,WANGWei-Ping*
（College ofChemistry and Life Science,Zhejiang Normal University,Jinhua 321004,China）

In this study,magnetic solid-phase extraction（MSPE）combined with capillary electrophoresiswas developed for the simultaneous determination of four triazine pesticides in aqueous solution.The obtained magnetic nanocomposite（graphene/Fe3O4,G/Fe3O4）as adsorbent for MSPE endowed themethod with good enrichment for triazine pesticides.The MSPE conditions such as pH of sample solution,amount of adsorbent, extraction time and elutent were investigated.Under the optimal MSPE conditions including 20 mg of adsorbent（G/Fe3O4）,0.5 mL of acetone as eluent and 20 min of extraction time in pH 7.0 solution,good linearitieswere obtained for the analytes between peak area and concentration in the range of5-500μg/Lwith correlation coefficients greater than 0.9909.Detection limitswere less than 3.12μg/L.The relative standard deviations（RSDs）for both intra-and inter-day analysis（n=5）were in the range of 2.7％-12.7％and 7.7％-14.0％,respectively.The established method was applied to analyze the water samples（river water and tap water）,and themean recoveries of standard addition experimentwere between 70.4％and 117.3％ for all analytes（RSDs less than 11.5％）.

Magnetic graphene；Solid phase extraction；Capillary electrophoresis；Triazine pesticides

10.11895/j.issn.0253-3820.150426

2015-05-22收稿；2015-07-23接受

本文系國家自然科學基金資助項目（No.21305128）

E-mail：wangwp@zjnu.edu.cn