磁性石墨烯納米復合物在菊酯類農殘檢測中的應用研究

邱霞琴,岳都盛

(昆山市產品質量監督檢驗所,江蘇昆山 215316)

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磁性石墨烯納米復合物在菊酯類農殘檢測中的應用研究

邱霞琴,岳都盛*

(昆山市產品質量監督檢驗所,江蘇昆山 215316)

通過一步溶劑熱法制備出了還原氧化石墨烯/四氧化三鐵納米復合物(Reduced graphene oxide/iron oxide,RGO/Fe3O4),并將其用作磁固相萃取(magnetic solid-phase extraction,MSPE)的吸附劑,與氣相色譜-質譜(GC-MS)聯用檢測復雜果蔬樣品中的菊酯類農藥,探討了不同萃取因素對MSPE萃取效率的影響,確立了最優復合物用量、鹽濃度、萃取時間、丙酮用量,并在最優條件下建立了果蔬中菊酯類農藥殘留的MSPE氣相色譜-質譜檢測方法。方法的線性相關系數在0.998～0.999之間,連續5次檢測的RSD值在4.3%～8.9%之間,方法精密度高,檢測限低至2.05 μg/kg。對于不同添加水平的所有分析物,本方法測定的回收率在83.49%～117.38%之間。結果表明該磁性固相萃取吸附劑在農藥的富集分離中有很好的應用前景。

還原氧化石墨烯/四氧化三鐵,氣相色譜-質譜法,菊酯類農藥,果蔬

近年來,食品安全問題引起人們的廣泛關注,特別是食品中的農殘超標問題屢屢發生,對人類的健康和生態系統的安全造成了很大的威脅。因此,世界各國為了禁止農殘超標的食品進入市場,都在積極制定相關的法令政策,這也使得相應的分析研究面臨新的挑戰,為了對食品中的農殘開展監測,加強市場監督檢驗力度,預防中毒事件的發生,必須建立有效的檢測方法。色譜檢測法因其快速、準確、靈敏度高而成為農藥殘留的執法依據。但是由于真實樣品中農藥含量低,為了對這些痕量目標物進行準確的分析,必須經過樣品前處理。

磁性固相萃取(magnetic solid-phase extraction,MSPE)技術是近些年發展起來的新型樣品前處理技術[1],具有操作簡便、環保、準確、靈敏度高、成本低等優點,在食品領域已經得到廣泛的應用。其中,四氧化三鐵(Fe3O4)是應用最為廣泛的一種磁性材料,由于其良好的生物相容性、強超順磁性、低毒性、低成本、高催化活性以及環保等諸多優點,被廣泛應用于傳感器[2]、生物醫藥[3]、磁記錄設備[4]、環境治理[5]等領域。但是Fe3O4易團聚,不表現出超順磁性,阻礙其應用。將Fe3O4與石墨烯(graphene)結合制備出復合納米材料能有效解決這一缺點,而且已有文獻報道它們在多個領域的應用[6-12]。還原氧化石墨烯/四氧化三鐵(Reduced graphene oxide/iron oxide,RGO/Fe3O4)磁性納米復合物集RGO和Fe3O4優異的性能于一體,是MSPE吸附劑最理想的選擇之一。

本文將RGO/Fe3O4磁性納米復合物作為MSPE技術的吸附劑,與GC-MS相結合,應用于食品樣品中菊酯類農藥殘留檢測,考查了RGO/Fe3O4納米復合物量、離子強度、萃取時間、解吸條件對萃取效率的影響。從而建立復雜體系中農藥的快速、靈敏、高效、高通量的色譜檢測新方法。

1　材料和方法

1.1材料與儀器

鱗片石墨、濃硫酸(H2SO4)、高錳酸鉀(KMnO4)、雙氧水(H2O2,30%)、鹽酸(HCl)、七水硫酸亞鐵(FeSO4·7H2O)、醋酸鈉(NaOAc)、乙二醇(EG)、氯化鈉(NaCl)、乙醇、丙酮國藥集團化學試劑有限公司,以上試劑中石墨粉為光譜純,其它均為分析純;實驗用水均為超純水;甲氰菊酯、三氟氯氰菊酯、高效氯氰菊酯和聯苯菊酯標準品(純度>99%)中國計量科學院,用丙酮配制0.1 mg/mL的標準儲備液備用,冰箱4 ℃存放;標準工作溶液根據需要取適量標準儲備溶液用丙酮稀釋到所需要的濃度;菠菜、西紅柿、胡蘿卜、梨當地超市。

DF-101S型集熱式恒溫加熱攪拌器鄭州長城科工貿有限公司;KQ-50DB型數控超聲波清洗器昆山市超聲儀器有限公司;H2050R高速冷凍離心機長沙湘儀有限公司生產;AUW320電子分析天平日本島津公司生產;SP-6890A型氣相色譜儀山東魯南瑞虹化工有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1樣品預處理分別取100 g菠菜、西紅柿、胡蘿卜、梨,將其切碎,各加入200 g超純水,用榨汁機加工成漿狀,處理之后的真實樣品都放入棕色瓶中,密封,于4 ℃保存備用。

1.2.2色譜條件GC-MS條件:初溫100 ℃,以15 ℃/min升至235 ℃,保持5 min,再以5 ℃/min升至260 ℃,保持6 min。進樣口:280 ℃;離子源:EI源;離子源溫度:220 ℃;傳輸線溫度:250 ℃;離子化能量:70 eV;掃描方式:選擇離子掃描(根據不同化合物設定各自特定的掃描離子)。四種菊酯類農藥的出峰順序依次為:1-聯苯菊酯,2-甲氰菊酯,3-三氟氯氰菊酯,4-高效氯氰菊酯。

1.2.3氧化石墨的制備本文利用改良的Hummers方法[13]制備氧化石墨,步驟如下:首先將1 g鱗片石墨加入到40 mL濃H2SO4中,超聲10 min,然后向其中緩緩加入3 g KMnO4,冰浴條件下攪拌6 h,之后轉移到45 ℃水浴中,攪拌2 h,室溫下向其中緩慢加入100 mL超純水,最后加入10 mL 30% H2O2溶液終止反應。將混合物趁熱過濾,之后用10% HCl酸洗離心,再用水洗離心至接近中性。最后將得到的產物冷凍干燥之后備用。

1.2.4RGO/Fe3O4納米復合物的制備本文以氧化石墨(Graphite Oxide,GO)及FeSO4·7H2O為原料,制備出了RGO/Fe3O4納米復合物。首先,將400 mg GO超聲1 h分散于60 mL EG中形成GO懸浮液,然后向其中加入0.64 g FeSO4·7H2O,超聲30 min,再加入3 g NaOAc,劇烈攪拌20 min,最后將混合液加入到100 mL不銹鋼反應釜中,并于220 ℃反應10 h。產物分別用乙醇和超純水清洗幾次,最后置于60 ℃真空干燥12 h。

1.2.5MSPE過程首先,將一定量RGO/Fe3O4納米復合物加入到500 mL含有0.1 μg/g四種菊酯類農藥的水溶液中(含一定濃度的NaCl),振蕩一定時間,用磁鐵回收目標物,倒掉上清液,將復合物轉移到10 mL離心管中,再用3 mL含一定濃度丙酮的水洗脫復合物中的目標物,將該解吸過程重復2次,合并3次的洗脫液,用N2吹干,最后用50 μL丙酮定容,取1 μL進樣分析。

1.2.6萃取條件的優化

1.2.6.1復合物用量優化本文分別選取5、10、15、20、25、30 mg RGO/Fe3O4納米復合物對水溶液中的四種菊酯類農藥進行萃取,探討不同復合物用量對MSPE萃取效率的影響。其中,鹽濃度為2%,萃取時間為60 min,洗脫溶劑為15%丙酮的水溶液。

1.2.6.2鹽濃度優化為了考察NaCl濃度對萃取效率的影響,分別將0、1%、2%、5%、10%、15%(w/w)的NaCl加入含有菊酯類農藥的水樣中考查鹽離子的濃度對萃取量的影響。其中,復合物用量為15 mg,萃取時間為60 min,洗脫溶劑為15%丙酮的水溶液。

1.2.6.3萃取時間優化萃取時間對吸附劑萃取量的影響至關重要,本實驗分別設定5、10、20、30、40、60 min萃取時間,選出最優萃取時間。其中,復合物用量為15 mg,鹽濃度為5%,洗脫溶劑為15%丙酮的水溶液。

1.2.6.4丙酮量優化洗脫是MSPE過程的最后一步,而丙酮又是常用的萃取溶劑,因此本文考查了0～25%(v/v)濃度范圍的丙酮(0%、5%、10%、15%、20%、25%)對菊酯類農藥萃取效率的影響。其中,復合物用量為15 mg,鹽濃度為5%,萃取時間為20 min。

其中,復合物用量、萃取時間、鹽離子濃度優化在純水樣品中進行,丙酮的量優化在菠菜樣品中進行。

1.2.7方法評價考察在最優條件下的方法分析真實樣品中菊酯類農藥殘留的可行性,包括方法的線性范圍、相關系數、檢測限、精密度以及加標回收率。以不含待測菊酯類農藥的菠菜為基質,4種菊酯類農藥在菠菜中的加標濃度都分別為0.005、0.01、0.02、0.05、0.2、1 μg/g,測定不同濃度下的峰面積,以峰面積對濃度作圖得到標準曲線,得到線性范圍與線性相關系數。在最低線性濃度下,以三倍信噪比計算檢測限。在加標濃度為0.02 μg/g時平行5次計算精密度。4種菊酯類農藥分別在菠菜、西紅柿、胡蘿卜、梨中加標濃度為0.05、0.1、0.5 μg/g時,采用標準加入法計算加標回收率。

1.2.8數據分析本文用萃取峰面積來衡量MSPE的萃取效率,每個樣品設三個平行,采用Origin 8.0軟件進行數據分析。測定結果以平均值±標準差表示。

2　結果與分析

2.1萃取條件的優化

2.1.1RGO/Fe3O4用量的影響從圖1可以看出,隨著復合物用量的增加,四種菊酯類農藥的萃取峰面積也逐漸增加,當復合物用量達到15 mg時,目標物的峰面積也達到最大,即使復合物用量再增加,農藥峰面積仍基本保持不變。因此,RGO/Fe3O4最適用量為15 mg。

圖1　復合物用量對MSPE萃取效率的影響Fig.1　The effect of the dosage of adsorbent on MSPE efficiency

2.1.2鹽濃度的影響鹽濃度是影響MSPE萃取效率的重要因素之一。由圖2可知,菊酯類農藥的萃取量隨著NaCl的量增加而快速增加,當NaCl為5%時最大,繼續增大鹽的量萃取量反而降低。這是由于NaCl的加入對吸附過程既有正面影響也有負面作用,一方面,萃取時加入NaCl,可以增加溶液的離子強度,使有機分析物的溶解度降低,有利于目標物從基質中析出,進而增加分析物在復合物上的吸附量,提高萃取率;另一方面,隨著NaCl濃度的增加,溶液的黏度也會加大,使得復合物的擴散系數和萃取能力下降,不利于其目標物的萃取。最后選擇5% NaCl的量為最優鹽濃度。

圖2　鹽濃度對菊酯類殺蟲劑的萃取效率的影響Fig.2　The influence of the concentration of salt on the extraction ability of pyrethroid pesticides

2.1.3萃取時間的影響圖3是復合物對水中各菊酯類農藥萃取的時間曲線。四種菊酯類農藥的萃取量在5～20 min范圍內隨著萃取時間的延長明顯增加,繼續延長萃取時間,萃取量不再有明顯增加,萃取達到平衡,所以選擇20 min為最優時間。

圖3　菊酯類農藥的萃取溫度曲線Fig.3　Extraction temperature profile of pyrethroid pesticides

2.1.4丙酮量優化洗脫是MSPE過程的最后一步,而丙酮又是常用的萃取溶劑,因此本文考查了0～25%(v/v)濃度范圍的丙酮(0%、5%、10%、15%、20%、25%)對菊酯類農藥萃取效率的影響。其中,復合物用量為15 mg,鹽濃度為5%,萃取時間為20 min。由圖4可知,當丙酮含量從0%～5%時,復合物對菊酯類農藥的萃取量緩緩增加;當丙酮含量從5%～10%時,復合物對目標物的萃取量都急劇增加;當繼續增大丙酮的量時,萃取量反而降低。此過程是在菠菜真實樣品中進行的,隨著丙酮量的增加,目標物的回收率也提高,但是同時雜質也越多,可能雜質影響了菊酯類農藥的洗脫效率,因此,繼續增加丙酮含量會造成目標物解吸效率降低。因此,最后選擇10%的丙酮量為最優的量。

圖4　丙酮濃度對萃取效率的影響Fig.4　The influenceof the concentration of acetone on the extraction ability of pyrethroid pesticides

2.2方法評價

在不含目標菊酯類農藥的菠菜樣品中添加不同濃度的菊酯標液,測定了MSPE/GC-MS方法的線性范圍、檢測限、精密度等,結果見表1。由表1可知,線性范圍都在2個數量級之上,線性相關系數在0.998～0.999之間,連續5次檢測的RSD值在4.3%～8.9%之間,方法精密度高。檢測限低至2.05 μg/kg。和文獻比較起來[14-16],本方法不需要昂貴的儀器或者復雜的標記過程就可以對目標物獲得較低檢出限。

表1　MSPE技術萃取菊酯類農藥的線性范圍、

注:LR,線性范圍。

2.3真實樣品的應用

為驗證本實驗建立的方法在真實果蔬樣品中的可靠性,從超市隨機購買果蔬并進行驗證。加標菠菜的氣相色譜圖如圖5所示。表2給出了菠菜、西紅柿、胡蘿卜、梨中不同添加水平的4種菊酯的加標回收率。對于不同添加水平的所有菊酯類農藥,本方法測定的回收率在83.49%～117.38%之間,準確度高。

表2　四種菊酯在果蔬的加標回收率

圖5　從加標菠菜中萃取的4種有菊酯類農藥的特征色譜圖Fig.5　The typical chromatograms of spinach sample spiked with four pyrethroid pesticides注:譜峰鑒別:1-聯苯菊酯;2-甲氰菊酯;3-三氟氯氰菊酯;4-高效氯氰菊酯。

3　結論

采用改良的Hummers方法制備了氧化石墨,又利用一步溶劑熱法合成了RGO/Fe3O4納米復合物,該復合物集聚了石墨烯與四氧化三鐵的優點,并對菊酯類農藥表現出了很高的萃取效率。本文優化了MSPE過程的萃取條件,建立了MSPE/GC-MS檢測果蔬中菊酯類農藥殘留的方法,方法的線性相關系數在0.998～0.999之間,連續5次檢測的RSD值在4.3%～8.9%之間,方法精密度高。檢測限低至2.05 μg/kg,對真實樣品中菊酯類農藥的回收率在83.49%～117.38%之間。綜上所述,本實驗建立的方法是一種高效、靈敏、簡便的農藥殘留分析檢測方法。

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The application of magnetite graphene nanocomposite in the determination of pyrethroid pesticides

QIU Xia-qing,YUE Du-sheng*

(Kunshan Products Quality Supervision and Inspection Institute,Kunshan 215316,China)

A graphene-based magnetic nanocomposite(Reduced graphene oxide/iron oxide,RGO/Fe3O4)was synthesized by one-pot solvothermal method and used as an effective adsorbent of magnetic solid-phase extraction,and then coupled with Gas Chromatography-Mass Spectrometer(GC-MS)for selective extraction and analysis of pyrethroid pesticides. Various experimental parameters affecting the extraction efficiencies were investigated. The optimized extraction conditions were studied. Finally,it was successfully applied to extraction and determination of pyrethroid pesticides in fruits and vegetables. Under the optimum conditions,the linear correlation coefficient ranged from 0.998 to 0.999. The results of RSD was 4.3%～8.9% by testing five times.The limits of detection of the method were under 2.05 μg/kg. The recovery of the pesticides spiked in various real samples at three different concentrations ranged from 83.49% to 117.38%. These results indicated that as a magnetic solid-phase extraction adsorbent,RGO/Fe3O4had a great potential for the preconcentration of pesticides from liquid samples.

reduced graphene oxide/iron oxide;GC-MS;pyrethroid pesticides;fruits and vegetables

2015-11-30

邱霞琴(1977-),女,本科,助理工程師,研究方向:食品檢測方法及食品管理體系,E-mail:339447569@qq.com。

岳都盛(1971-),男,本科,工程師,研究方向:食品分析與檢測,E-mail:2355607601@qq.com。

TS255.7

A

1002-0306(2016)12-0076-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.12.006