氨基修飾磁性氧化石墨烯固相萃取-高效液相色譜/質(zhì)譜法測(cè)定水中苯脲類除草劑

劉小燕， 李欣悅， 高仕謙， 張占恩*,2

(1.蘇州科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇蘇州 215000; 2.蘇州科技大學(xué)水處理技術(shù)與材料協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇蘇州 215000)

脲類除草劑是一種核心結(jié)構(gòu)為脲的化學(xué)性除草劑，可分為苯脲類、雜環(huán)脲類等，其中品種最多、使用較廣泛的是苯脲類除草劑(Phenylurea Herbicides,PUHs)[1]。PUHs是一種內(nèi)吸傳導(dǎo)性除草劑，具有水溶性低、殺草譜廣、殘效期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[2]。該類除草劑在環(huán)境中的殘留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，已經(jīng)成為在土壤和水中普遍存在的污染物之一[3]。對(duì)于水中單種PUHs殘留，美國(guó)(EPA method 532)要求方法的檢出限為1 μg/L，而歐盟要求水中單種PUHs含量不超過(guò)0.1 μg/L，所有除草劑的總量不超過(guò)0.5 μg/L[4]。

對(duì)PUHs的檢測(cè)主要集中在環(huán)境水中，其次是土壤和食品。目前，主要的前處理方法有液-液萃取(LLE)[5 - 7]、固相萃取(SPE)[8]、基質(zhì)固相分散萃取(MSPD)[9 - 10]、微波萃取(MASE)[6]和超臨界流體萃取法(SFE)等。磁性固相萃取(Magnetic Solid Phase Extraction,MSPE)作為一種新型的前處理方法逐漸發(fā)展起來(lái)，方法具有便捷分離、操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。氧化石墨烯(GO)是一種具有二維層狀結(jié)構(gòu)的碳納米材料，每層碳原子都含有大量的含氧官能團(tuán)，具有較多活性官能團(tuán)、較大比表面積并且具有較好穩(wěn)定性[11]。通過(guò)在GO表面接枝有機(jī)物，如利用三乙酸四胺(TETA)中的氨基和GO表面的環(huán)氧基的親核作用，將GO氨基化可增加活性吸附位點(diǎn)，從而提高吸附能力。本文將三乙酸四胺通過(guò)環(huán)氧基和伯胺的親核反應(yīng)修飾到GO表面，再在材料表面加磁，以合成的磁性三乙酸四胺氧化石墨烯(MTGO)為磁性固相萃取的吸附劑，建立了磁性固相萃取-高效液相色譜/質(zhì)譜(HPLC/MS)聯(lián)用技術(shù)測(cè)定環(huán)境水樣中滅草隆、異丙隆、綠麥隆和敵草隆4種苯脲類除草劑的分析方法。該方法靈敏度高、檢出限低，為環(huán)境水樣中痕量苯脲類除草劑的檢測(cè)提供了簡(jiǎn)單快捷的新方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

TSQ Quantum Ultra EMR三重四極桿-質(zhì)譜儀，Ultimate 3000高效液相色譜儀(美國(guó)，Thermo公司)；Quanta FEG 250掃描電子顯微鏡(美國(guó)，F(xiàn)EI公司)；Nicolet-6700傅里葉變換紅外光譜儀(美國(guó)，Thermo公司)。

滅草隆、異丙隆、綠麥隆、敵草隆4種苯脲類除草劑標(biāo)準(zhǔn)品購(gòu)于上海農(nóng)藥研究所，純度均在98.0%以上。將4種苯脲類除草劑標(biāo)準(zhǔn)品用甲醇配制成500 mg/L的單標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液，于冰箱中4 ℃保存。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，用甲醇將儲(chǔ)備溶液混合稀釋成1.0 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)工作溶液。FeCl3·6H2O、FeSO4·7H2O及無(wú)水乙醇購(gòu)于國(guó)藥集團(tuán)；三乙酸四胺(TETA)為分析純，購(gòu)于阿拉丁試劑公司；氧化石墨烯(GO)粉末的純度為96%、單層率≥99%(濟(jì)寧利特納米技術(shù)有限責(zé)任公司)；乙腈、丙酮及甲醇均為色譜純(美國(guó)Tedia公司)。實(shí)驗(yàn)用水均為Milli-Q純水凈化器(美國(guó)Millipore)所制的超純水。

1.2 HPLC/MS條件

高效液相色譜:色譜柱為Zorbax Eclipse XDB-C18柱(50.0×3.0 mm，1.8 μm)；流動(dòng)相：甲醇(A)和0.1%的甲酸(B)，梯度洗脫程序：0～1.5 min,60%A；1.5～2.0 min，60%～80%A；2.0～2.5 min，80%A；2.5～3.0 min,80%～60%A；3.0～4.0 min,60%A；流速：0.4 mL/min；進(jìn)樣量：10.0 μL。

質(zhì)譜條件:離子源：電噴霧電離正離子模式(ESI+)；檢測(cè)模式：多反應(yīng)監(jiān)測(cè)(MRM)；離子傳輸管溫度：350 ℃；噴霧溫度：300 ℃；噴霧電壓：3500 V；鞘氣壓力：0.24 MPa；輔助氣壓力：0.1 MPa；碰撞氣壓力0.20 kPa。質(zhì)譜參數(shù)如表1所示。

表1 4種苯脲類除草劑的保留時(shí)間、母離子、子離子和碰撞能

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1MTGO的合成稱取1.5 g GO溶于300 mL水中，超聲分散溶解1 h。將上述GO溶液轉(zhuǎn)移到四口燒瓶中，加入10 mL TETA，用氨水調(diào)節(jié)pH為11，在室溫下攪拌10 min使其充分混勻，然后于90 ℃水浴中，繼續(xù)攪拌反應(yīng)8 h。將所得材料用水和無(wú)水乙醇交替清洗至近中性，最后將材料分散于200 mL水中，得到TGO懸浮液。稱取2.65 g FeCl3·6H2O和1.61g FeSO4·7H2O并溶于200 mL水中。將上述混合溶液與TGO懸浮液轉(zhuǎn)移至四口燒瓶中，在室溫下攪拌1 h使其充分混勻，將水浴鍋升溫至80 ℃，用氨水調(diào)節(jié)pH為10，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下攪拌反應(yīng)2 h，降低水浴鍋溫度至50 ℃，繼續(xù)攪拌反應(yīng)1 h。將所得材料用水和無(wú)水乙醇交替清洗至近中性，于50 ℃下真空干燥24 h。

1.3.2樣品前處理取含4種PUHs的水樣(100 ng/L)100 mL于錐形瓶中，加入15.0 mg的MTGO粉末后，振蕩萃取15 min。在外加磁場(chǎng)的作用下移去上層清液。用1 mL甲醇洗脫1 min，如此反復(fù)洗脫三次，將洗脫液氮吹至干，用初始流動(dòng)相定容至1.0 mL，用HPLC/MS分析測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 MTGO的表征

2.1.1掃描電鏡表征通過(guò)掃描電鏡(SEM)圖片可以得到經(jīng)過(guò)氨基修飾的MTGO的表面形態(tài),見(jiàn)圖1。從圖中可以看出，GO的表面有納米顆粒分布，說(shuō)明Fe3O4已經(jīng)成功負(fù)載在GO上，使得MTGO具有良好的磁性，有利于吸附完成后進(jìn)行分離。同時(shí)，MTGO表面粗糙，有諸多褶皺，有利于增加吸附效果。

圖1 GO-Fe3O4的掃描電鏡(SEM)圖Fig.1 SEM images of GO-Fe3O4

圖2 GO(a)、GO-Fe3O4(b)和MTGO(c)的傅里葉紅外(FI-IR)光譜圖Fig.2 FT-IR spectra of GO (a),GO-Fe3O4(b) and MTGO(c)

2.1.2MTGO的傅里葉紅外光譜表征圖2分別是GO(a)、GO-Fe3O4(b)、MTGO(c)的紅外(IR)光譜圖。由于GO是由石墨烯氧化而得，因此GO表面有很多含氧基團(tuán)。如圖中曲線a可知，3 407 cm-1處為O-H收縮振動(dòng)峰，1 717 cm-1處為羧基C=O收縮振動(dòng)峰，1 224 cm-1和1 053 cm-1處分別代表羥基的C-O和環(huán)氧基的C-O-C收縮振動(dòng)峰。圖中曲線b顯示，3 423 cm-1處的吸收峰是GO-Fe3O4上吸附的水分子O-H，1 577 cm-1處的吸收峰屬于羧基中的C=O伸縮振動(dòng)，1 460 cm-1處的吸收峰是COO-的伸縮振動(dòng)，1 324 cm-1處的吸收峰屬于C-O-C的振動(dòng)，622 cm-1處的吸收峰則屬于Fe-O。圖中曲線c顯示，2 918 cm-1、2 844 cm-1處為C-H伸縮振動(dòng)峰，是TETA的特征峰，表明TETA通過(guò)環(huán)氧基和伯胺的親核反應(yīng)修飾到GO表面。1 548 cm-1、1 099 cm-1處為C-NH-C的N-H彎曲振動(dòng)和C-N 伸縮振動(dòng)峰。此外，582 cm-1處為Fe-O金屬氧鍵伸縮振動(dòng)峰，說(shuō)明磁性材料成功負(fù)載到吸附劑表面。

2.2 萃取條件優(yōu)化

2.2.1MTGO用量的選擇在磁性固相萃取過(guò)程中，吸附劑的用量是影響萃取效率的重要因素。如圖3，當(dāng)MTGO的用量在5.0～15.0 mg之間時(shí)，其萃取效率隨著MTGO用量的增加而逐漸升高；當(dāng)MTGO的用量大于15.0 mg時(shí)，萃取效率會(huì)有所降低。因此，選擇其用量為15.0 mg。

3.2.2水樣pH的影響本實(shí)驗(yàn)選取pH值范圍為2～10進(jìn)行考察。如圖4所示，4種目標(biāo)苯脲類除草劑在pH值為6～8時(shí)萃取效率沒(méi)有明顯變化。因此，無(wú)需調(diào)節(jié)水樣的pH值。

圖3 MTGO用量對(duì)萃取效率的影響Fig.3 Effect of MTGO amount on extraction efficiency

圖4 水樣pH對(duì)萃取效率的影響Fig.4 Effect of sample pH on extraction efficiency

2.2.3萃取時(shí)間的選擇萃取時(shí)間的長(zhǎng)短直接影響著實(shí)驗(yàn)的效率。實(shí)驗(yàn)對(duì)萃取時(shí)間進(jìn)行了優(yōu)化，分別選取0、5、10、15、20、25、30 min 7個(gè)萃取時(shí)間進(jìn)行考察，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5，當(dāng)萃取時(shí)間為15 min時(shí)，萃取效率最大達(dá)到萃取平衡。

2.2.4洗脫條件的選擇在磁性固相萃取過(guò)程中，吸附材料的洗脫是重要環(huán)節(jié)。本實(shí)驗(yàn)選擇乙醇、丙酮、乙腈、甲醇作為洗脫劑進(jìn)行考察，它們的萃取效果如圖6所示，可以看出甲醇的洗脫效果最好。實(shí)驗(yàn)考察了洗脫劑體積的影響。選取1、2、3、4、5 mL的甲醇研究單次洗脫劑的用量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖7)表明單次

圖5 萃取時(shí)間對(duì)萃取效率的影響Fig.5 Effect of extraction time on extraction efficiency

圖6 洗脫劑種類對(duì)萃取效率的影響Fig.6 Effect of desorption solvent on extraction efficiency

使用1 mL的甲醇萃取效率最優(yōu)。此外，實(shí)驗(yàn)還考察了洗脫次數(shù)的影響，分別洗脫1、2、3次，結(jié)果顯示洗脫3次效果更好。實(shí)驗(yàn)對(duì)單次洗脫時(shí)間進(jìn)行了研究，見(jiàn)圖8，結(jié)果表明，單次洗脫時(shí)間為1 min最佳。

圖7 洗脫劑體積對(duì)萃取效率的影響Fig.7 Effect of desorption solvent volume on extraction efficiency

圖8 洗脫時(shí)間對(duì)萃取效率的影響Fig.8 Effect of desorption time on extraction efficiency

2.3 方法的線性范圍和檢出限

在已優(yōu)化的條件下，對(duì)0.01、0.05、0.1、0.5、1.0 μg/L的PUHs系列標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行測(cè)定。將待測(cè)物的峰面積與相應(yīng)的濃度進(jìn)行線性擬合，方法的線性范圍、相關(guān)系數(shù)等參數(shù)見(jiàn)表2。對(duì)0.01 μg/L的標(biāo)準(zhǔn)溶液平行測(cè)定5次，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)小于7.9%，檢出限為0.03～0.05 μg/L。

表2 4種苯脲類除草劑的線性范圍、檢出限、相關(guān)系數(shù)和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差

2.4 實(shí)際樣品分析

將經(jīng)過(guò)處理的水樣在上述優(yōu)化的條件下進(jìn)行測(cè)定，均未檢出4種目標(biāo)PUHs，這可能與采樣的時(shí)間段與采樣點(diǎn)的選擇有關(guān)。分別對(duì)三種水樣進(jìn)行加入回收實(shí)驗(yàn)，使其濃度分別為0.1和0.5 μg/L，對(duì)加標(biāo)水樣平行測(cè)定5次，檢測(cè)結(jié)果如表3所示，回收率范圍為84.3%～96.4%，RSD為3.9%～8.6%。

表3 自來(lái)水、太湖水和金雞湖水中苯脲類除草劑的回收率(n=5)

2.5 MTGO的重復(fù)利用

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，回收的MTGO至少可以使用8次以上而不降低萃取效率。因此，MTGO是一種具有較好穩(wěn)定性和可重復(fù)性的理想吸附材料。

2.6 與MGO的比較

在最優(yōu)條件下，分別用磁性氧化石墨烯(MGO)和磁性三乙酸四胺氧化石墨烯(MTGO)作為吸附劑富集水樣中的4種目標(biāo)PUHs，對(duì)比兩種材料的萃取效率。結(jié)果顯示，對(duì)GO進(jìn)行氨基化修飾有助于提高GO對(duì)苯脲類除草劑的吸附效果。

3 結(jié)論

本文成功地將合成的MTGO作為吸附劑，富集環(huán)境水樣中的苯脲類除草劑殘留，并采用高效液相色譜/質(zhì)譜法進(jìn)行測(cè)定。該實(shí)驗(yàn)將GO進(jìn)行氨基化修飾，提高了GO的吸附性能。并在此基礎(chǔ)上與便捷的磁分離技術(shù)相結(jié)合，簡(jiǎn)化了操作步驟，縮短了萃取時(shí)間。此外，方法檢出限較低、重現(xiàn)性較好、環(huán)境友好，可以用來(lái)檢測(cè)環(huán)境水樣中的痕量苯脲類除草劑。