ZIF-8@Fe3O4磁性固相萃取結合高效液相色譜法測定果汁中3種苯甲酰脲殺蟲劑

武 鑫，王翰云，安壯壯，李子凌，賈葉青，王曼曼，郝玉蘭

(華北理工大學 公共衛生學院，河北 唐山 063210)

苯甲酰脲殺蟲劑(Benzoylurea insecticides，BUs)是一類能抑制靶標害蟲幾丁質合成而導致其不育或死亡的昆蟲生長調節劑，具有殺蟲率高、殺蟲譜寬等特點，被廣泛用于農產品病蟲害的防治[1]。然而，BUs會殘留在農產品表面并轉移至衍生農產品(如果汁)中，通過持續暴露和慢性毒性作用對人類健康產生危害[2]。美國環境保護署已將部分BUs歸類為Ⅲ級或Ⅳ級的中等毒性物質[3]。因此，開發簡單、快速的農產品中BUs殘留的分析方法具有重要意義。

目前常用于BUs分析的樣品前處理方法有分散液液微萃取(DLLME)[4]、固相微萃取(SPME)[5]和固相萃取(SPE)[6]。但DLLME和SPME通常萃取容量有限，且操作步驟較多；傳統SPE萃取柱一次性使用，成本高。磁性固相萃取(MSPE)是一種以磁性或可磁化的功能性材料為吸附劑的固相萃取技術[7]。該技術將少量的吸附劑直接加入樣品溶液中，可增加吸附劑與目標物之間的接觸面積，有利于加快傳質，降低萃取時間，提高方法的萃取效率，且僅需外部磁場即可實現吸附劑與樣品基質的分離，操作簡單、快速，已成功應用于環境、生物和食品等樣品的凈化和富集[8-11]。

MSPE吸附劑通常由磁性的Fe3O4和功能性吸附材料組成，吸附材料可根據待測物的性質選擇、調控和修飾。因此，選擇合適的吸附材料是決定萃取效率的關鍵。沸石咪唑酯骨架材料(Zeolitic imidazolate frameworks，ZIFs)是以二價過渡金屬離子為配位點，咪唑或咪唑衍生物為有機配體自組裝形成的一類具有沸石結構的納米多孔材料[12]。其中ZIF-8因比表面積大和孔結構豐富而被廣泛應用[13-14]。吳怡秋等[15]發展了離子液體修飾的ZIF-8作為吸附劑，結合高效液相色譜-質譜法分析環境水樣中的微囊藻毒素；Wang等[16]構筑了ZIF-8復合氧化石墨烯對奶制品中性激素進行前處理，結合高效液相色譜-紫外檢測進行測定，方法檢出限為0.52～2.11 μg/L；Pang等[17]制備了ZIF-8摻雜整體柱在線凈化，聯用高效液相色譜-熒光檢測測定水和蜂蜜中的氟喹諾酮類藥物。

磁性ZIF-8(ZIF-8@Fe3O4)可以充分發揮ZIF-8的高吸附性能，同時結合MSPE快速簡便的優勢，高效地富集復雜樣品中痕量目標物。本研究以ZIF-8@Fe3O4作為磁性固相萃取吸附劑用于果汁中氟幼脲、四螨嗪和氟啶脲3種BUs的前處理，結合高效液相色譜-二極管陣列檢測，發展了一種簡單、快速的果汁中BUs的分析方法。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Agilent 1260高效液相色譜-二極管陣列檢測器(HPLC-DAD，美國Agilent公司)；D/MAX2500PC X射線衍射儀(XRD，日本理學株式會社)；Shimadzu FTIR-8400S傅立葉變換紅外光譜儀(FT-IR，日本島津公司)；Hitachi S-4800場發射掃描電子顯微鏡(SEM，日本日立公司)和LDJ9600-1振動樣品磁強計(VSM，美國JDJ公司)。

除特別說明外，所有試劑均為分析純。六水合硝酸鋅(Zn(NO3)2·6H2O)、六水合三氯化鐵(FeCl3·6H2O)、2-甲基咪唑和乙二醇購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；三水合乙酸鈉(NaOAc·3H2O)、無水乙醇、鹽酸購自天津市匯杭化工科技有限公司；甲醇(MeOH)、乙腈(ACN)、乙酸乙酯和丙酮為色譜純，購自賽默飛世爾科技有限公司(美國)。超純水購自杭州娃哈哈集團有限公司。

標準品：氟幼脲(PENF，純度≥99.5%)、四螨嗪(CLOF，純度≥99.5%)和氟啶脲(CHLO，純度≥99%)均購自國家標準物質中心。使用甲醇配制成質量濃度均為1 mg/mL的標準儲備液，于4 ℃下避光保存。使用時，將標準儲備液稀釋成100 μg/mL的標準工作液備用。

1.2 ZIF-8@Fe3O4的制備與表征

將3 g FeCl3·6H2O溶于30 mL乙二醇中，加入9 g NaOAc·3H2O，劇烈攪拌30 min后，轉移至反應釜中，于200 ℃下反應8 h。將得到的Fe3O4經水和無水乙醇反復洗滌后，再加入100 mL鹽酸溶液(0.1 mol/L)超聲酸化15 min，用水洗滌至中性后，真空干燥，得到酸化的Fe3O4備用。

ZIF-8@Fe3O4的合成方法[18]如下：準確稱量2.9 g Zn(NO3)2·6H2O溶于60 mL甲醇中，加入1 g酸化的Fe3O4，于70 ℃下水浴攪拌30 min后，加入60 mL 2-甲基咪唑(7.9 g)甲醇溶液，繼續攪拌15 min。用水和甲醇反復洗滌5次，于60 ℃真空干燥2 h后得到表面生長1次ZIF-8的ZIF-8@Fe3O4。將所獲得的ZIF-8@Fe3O4，依照上述實驗條件重復生長2次和3次。將制備的ZIF-8@Fe3O4進行X射線衍射、傅立葉變換紅外光譜等表征。

1.3 樣品采集

果汁樣品購自唐山市某超市，于4 ℃冷藏保存，使用前經0.22 μm濾膜過濾待用。

1.4 磁性固相萃取流程

準確稱取40 mg ZIF-8@Fe3O4，加入10 mL過濾后的果汁樣品，渦旋振蕩20 min，通過施加外部磁場將吸附劑與果汁樣品分離，棄去上清液。使用1 mL甲醇對目標物進行洗脫，充分振蕩8 min后收集洗脫液，重復洗脫3次，合并洗脫液，氮吹濃縮至干，以0.2 mL甲醇復溶，進行液相色譜分析。

1.5 高效液相色譜分離條件

色譜柱為Agilent Eclipse XDB-C18(150 mm×4.6 mm，5 μm，美國Agilent公司)；流動相為甲醇-水(81∶19，體積比)；流速為1 mL/min；進樣體積為10 μL；檢測波長為260 nm；柱溫為25 ℃。

2 結果與討論

2.1 ZIF-8@Fe3O4的制備及表征

利用XRD對材料的晶體結構進行表征，結果顯示，ZIF-8@Fe3O4同時具有位于(220)、(311)、(400)、(422)、(511)和(440)的Fe3O4典型衍射峰，及(011)、(002)、(022)和(222)處ZIF-8的特征峰(圖1A)。通過FT-IR進一步鑒定材料的結構(圖1B)，ZIF-8@Fe3O4在1 430、1 300、754、681 cm-1處出現的吸收峰為咪唑環的平面彎曲和拉伸振動峰[19]，在570 cm-1處的吸收峰為Fe-O鍵伸縮振動引起的特征峰。對ZIF-8@Fe3O4進行SEM表征(圖1C)，可明顯觀察到十二面體形狀的ZIF-8和平均直徑為300～400 nm的球形Fe3O4，且磁球附著在ZIF-8表面。以上結果表明ZIF-8@Fe3O4已成功制備。使用VSM分析ZIF-8@Fe3O4的磁強度(圖1D)，測得其磁飽和強度值為61.53 emu/g，表明ZIF-8@Fe3O4有較好的磁響應能力，作為磁性固相萃取吸附劑能夠快速、有效地與樣品溶液分離。

ZIF-8提供吸附作用位點，因此決定ZIF-8@Fe3O4的吸附性能。為獲得最大吸附效率，考察了ZIF-8生長次數(1～3次)對3種BUs萃取效率的影響。結果表明，當ZIF-8生長1次時，3種BUs的吸附效率為97.9%～99.6%，生長2次和3次所得吸附劑對3種BUs的吸附效率為97.6%～98.8%，與ZIF-8生長1次時的結果相比無明顯改變。故選擇ZIF-8生長次數為1次的ZIF-8@Fe3O4作為吸附劑。

2.2 磁性固相萃取條件的優化

吸附和洗脫過程是磁性固相萃取的關鍵環節。實驗考察了溶液pH值、吸附劑用量、吸附時間、洗脫溶劑種類及體積(單次洗脫體積×洗脫次數)對3種BUs萃取效率的影響。以10 mL BUs質量濃度均為200 ng/mL的水溶液進行優化實驗，所有實驗平行測定3次。

溶液的pH值會影響BUs的存在形式和吸附劑表面的吸附位點[20]。由于實際樣品中果汁的pH值為4～6，因此考察了pH值在3～7范圍內對BUs回收率的影響。由圖2A可知，當pH值為6時，3種BUs的回收率最佳(96.3%～100%)。因此，實驗選擇溶液pH值為6。

合適的吸附劑用量能夠提供充足的吸附位點并決定方法的萃取效率。固定吸附時間為20 min，考察吸附劑用量(20～60 mg)對3種BUs吸附效率的影響。由圖2B可知，當吸附劑用量為20～40 mg時，隨著吸附劑用量的增加，3種BUs的吸附效率增大。當吸附劑用量為40 mg時，3種BUs的吸附效率達到最大(98.1%～98.7%)，繼續增加吸附劑用量時，吸附效率不再增加，因此實驗選擇最佳吸附劑用量為40 mg。

充足的吸附時間能夠使目標物和吸附劑充分接觸，以保證最佳的萃取結果。固定吸附劑用量為40 mg，考察了吸附時間(5～25 min)對3種BUs吸附效率的影響。由圖2C可知，在5～20 min范圍內3種BUs的吸附效率隨著時間的延長而增加，當吸附時間增加至25 min時，吸附效率無明顯變化，故實驗選擇最佳吸附時間為20 min。

圖1 ZIF-8@Fe3O4、ZIF-8和Fe3O4的X射線衍射圖(A)、紅外光譜圖(B)，以及ZIF-8@Fe3O4的掃描電子顯微鏡圖(C)和磁滯曲線(D)Fig.1 X-ray diffraction(XRD) patterns(A) and FT-IR spectra(B) of ZIF-8@Fe3O4,ZIF-8 and Fe3O4,scanning electron microscopy(SEM) image(C) and magnetization curve(D) of ZIF-8@Fe3O4

圖2 pH值(A)、吸附劑用量(B)和吸附時間(C)對3種BUs萃取效率的影響(n=3)Fig.2 Effect of pH value(A),sorbent amount(B) and extraction time(C) on extraction efficiencies of three BUs(n=3)

洗脫條件決定了方法的準確度。實驗考察了洗脫溶劑種類(乙酸乙酯、丙酮、乙腈和甲醇)對3種BUs回收率的影響。在最優上樣條件下，固定洗脫體積為4 mL(1 mL×4次)，分別使用上述4種洗脫溶劑對3種目標物進行洗脫，由圖3A可知，當洗脫溶劑為甲醇時，3種BUs的回收率最佳(89.3%～97.2%)。實驗同時考察了甲醇體積(單次洗脫體積×洗脫次數)對目標物回收率的影響(見圖3B)。結果表明，洗脫體積為4 mL(1 mL×4次)時，3種BUs的回收率最佳，繼續增加洗脫溶劑用量會導致氮吹時間延長，為節省溶劑和時間，最終選擇4 mL(1 mL×4次)甲醇為最優洗脫條件。

圖3 洗脫溶劑種類(A)和洗脫體積(B)(單次洗脫體積×洗脫次數)對3種BUs回收率的影響(n=3)Fig.3 Effect of eluting solvent type(A) and eluting volume(B) (single eluting volume × eluting times) on recoveries of three BUs(n=3)

2.3 ZIF-8@Fe3O4對BUs的吸附性能

為進一步研究ZIF-8@Fe3O4對BUs的吸附機理，比較了3種BUs的脂水分配系數(logP)、氫鍵數量與方法富集因子(EF)之間的關系(見表1)。logP可反映目標物的疏水性，logP越大，表明目標物的極性越小，在水溶液中的溶解度越低。BUs中含有氫原子，ZIF-8的配體具有氫鍵結合位點，因此兩者可形成氫鍵作用[21]。EF是磁性固相萃取前后的BUs濃度比，體現了目標物與吸附劑作用強弱。如表1所示，CLOF、PENF和CHLO的EF分別為43.4、47.7和48.1，表明3種BUs的EF隨著logP的增大而增大，且含有2個氫鍵的PENF和CHLO的EF高于不含氫鍵的CLOF。因此，疏水作用和氫鍵作用可能是決定吸附劑與目標物之間相互作用的關鍵。

表1 3種BUs的結構式、脂水分配系數、氫原子數和富集倍數Table 1 Structures,logP,H bond donors and EFs of three BUs

2.4 方法驗證

2.4.1 線性范圍、檢出限與定量下限在最優實驗條件下，分別配制7個不同質量濃度的3種BUs標準溶液進行高效液相色譜分析，以目標物的質量濃度(x，ng/mL)為橫坐標，峰面積(y)為縱坐標建立標準曲線。結果表明，PENF和CLOF在2.0～200 ng/mL、CHLO在3.5～350 ng/mL范圍內呈良好的線性關系，相關系數(r)均為0.999。以信噪比S/N=3和S/N=10計算方法的檢出限(LOD)和定量下限(LOQ)分別為0.6～1.0 ng/mL和2.0～3.5 ng/mL(表2)。

表2 方法的線性范圍、回歸方程、檢出限、定量下限、回收率和相對標準偏差Table 2 Linear ranges,regression equations,limits of detection(LOD),limits of quantitation(LOQ),recoveries and relative standard deviations(RSD) of the present method

(續表2)

2.4.2 回收率與相對標準偏差對同一空白果汁樣品進行低、中、高3個水平的加標回收實驗(n=3)，如表2所示，樣品的加標回收率為82.7%～98.6%。以日內和日間(n=3)重復測定得到的色譜峰面積的相對標準偏差(RSD)計算精密度，日內和日間RSD分別為1.2%～6.1%和1.3%～9.0%，表明本方法具有良好的準確度和重現性。

圖4 BUs標準溶液(1 μg/mL)(A)、加標果汁樣品直接進樣(B)和經本方法處理后進樣(C)的色譜圖Fig.4 Chromatograms of the standard solution of BUs (1 μg/mL)(A),spiked fruit juice sample by direct analysis(B) and pretreated by the present method(C)spiked with 10 ng/mL of PENF and CLOF,20 ng/mL of CHLO

2.4.3 凈化與富集效果為評價ZIF-8@Fe3O4對果汁中3種BUs的凈化和富集效果，在最優實驗條件下，將加標果汁樣品(PENF和CLOF加標10 ng/mL，CHLO加標20 ng/mL)直接進樣和經本方法凈化富集后進樣做對比分析。與BUs的標準溶液色譜圖(圖4A)相比，加標果汁樣品直接進樣分析時無分析物檢出，且雜質峰明顯(圖4B)。經本方法萃取后，雜質峰信號顯著降低，3種BUs成功檢出，實現富集43.4～48.1倍(圖4C)。結果表明，ZIF-8@Fe3O4能夠對果汁中3種BUs有效凈化和富集。

2.4.4 重復使用次數吸附劑的重復使用次數決定了前處理方法的成本。ZIF-8@Fe3O4反復萃取果汁樣品中BUs的回收率結果顯示，吸附劑重復吸附-洗脫10次，3種BUs回收率的RSD不大于8.8%，表明ZIF-8@Fe3O4具有良好的重復使用性。

2.5 實際樣品分析

為進一步驗證方法的可行性，將該方法用于橙汁、梨汁、葡萄汁、桃汁和柚子汁5份實際樣品中BUs殘留的分析。結果顯示，5份果汁均未檢出3種BUs。為說明方法的準確度，對5份果汁樣品進行加標回收實驗(PENF和CLOF加標10 ng/mL，CHLO加標20 ng/mL)，得加標回收率為75.4%～98.9%，RSD不大于8.2%。表明本方法的準確度和精密度良好，可用于實際樣品分析。

2.6 與文獻方法對比

將本方法與文獻方法進行對比[22-25]，結果如表3所示，當使用的分析儀器為HPLC，本方法的靈敏度與其他方法相當或優于文獻方法。當上樣體積為10 mL時，本方法在較短時間內(20 min)可對3種BUs實現富集43.4～48.1倍，且結果準確可靠。另外，吸附劑可重復使用至少10次，節約了分析時間和成本。

3 結 論

本研究將ZIF-8@Fe3O4用作磁性固相萃取吸附劑，結合高效液相色譜-二極管陣列檢測，發展了一種簡單、快速分析果汁中3種BUs殘留的新方法。該方法的準確度和精密度良好，基于ZIF-8@Fe3O4的疏水作用和氫鍵作用力，可有效對果汁中BUs進行富集凈化，已成功用于果汁樣品中BUs的分析。此外，吸附劑具有良好的重復使用性，可節約成本。

表3 本方法與其他方法的比較Table 3 Comparison of the present method with other methods for the analysis of BUs by HPLC

*floated organic drop microextraction