固定金屬親和磁性吸附劑對有機磷農藥殘留的固相萃取性能

賀茂芳*， 秦 蓓， 張 博， 唐一梅， 張 劍， 韓 祿

(西安醫學院藥學院，西安醫學院藥物研究所，陜西西安 710021)

有機磷農藥(Organophosphorous Pesticides,OPPs)是世界范圍內最常用的農藥種類之一，該類農藥半衰期相對較長，對環境、食品等造成巨大的危害[1,2]。氣相色譜或高效液相色譜與質譜聯用是農藥殘留最常用的檢測手段。但是復雜的基質干擾給儀器分析帶了極大的不便。因此建立有效的樣品前處理方法，消除基質干擾、選擇性分離富集，對于提高農藥殘留檢測的選擇性和靈敏度具有重要意義。近年來，固相萃取[3,4]、固相微萃取[5,6]、液-液微萃取[7 - 9]等技術被廣泛應用于農藥殘留的樣品前處理。目前，用于OPPs的固相萃取吸附劑主要有兩大類：一類是直接以碳納米管(Carbon Nano-tubes,CNTs)、氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)等為吸附劑進行固相萃取[10,11]。這類材料能夠與OPPs分子中的烷基鏈及其它疏水性基團產生π-π相互作用、疏水相互作用、氫鍵等；另一類是以Fe3O4磁性納米粒子、石英納米纖維等為基質，在其表面修飾離子液體、分子印跡聚合物等功能分子，通過靜電相互作用、孔吸附以及主-客體作用等對OPPs產生吸附[12,13]。但是這兩類材料與OPPs間的作用力都是非選擇性的，難以有效地消除基質干擾，實現高選擇性分離富集。

根據軟硬酸堿理論，過渡金屬能與富電子的N、P、S等發生配位作用，由此發展的固定金屬親和色譜法被廣泛用于組氨酸標記蛋白、磷酸化蛋白/磷酸化肽的分離純化[14,15]。大量研究表明，這種金屬配位作用具有高度選擇性[14 - 16]。固定金屬親和色譜法現已廣泛用于生物大分子的分離富集，但其對小分子的應用研究甚少。由于OPPs分子中含有磷酸基、胺基或硫代磷酸酯等基團，所以固定金屬親和吸附劑也能夠與OPPs分子發生選擇性配位作用[17 - 19]。本文以磁性多壁碳納米管(Magnetic Multi-wall Carbon Nano-tubes,mMWCNTs)為基質，在其表面修飾亞氨基二乙酸(IDA)后，再鰲合Zr4+、Ti4+、Fe3+、Cu2+、Zn2+，研究了鰲合不同金屬離子的金屬親和吸附劑對乙酰甲胺磷和樂果的吸附性能，篩選出對乙酰甲胺磷和樂果吸附量最大的金屬親和吸附劑；同時優化了吸附時間，洗脫時間和洗脫溶劑的種類和用量。實驗結果表明，本文所建立的OPPs樣品前處理方法操作簡便、耗時短，有機溶劑用量遠小于傳統的液-液萃取法，因此，是一種綠色、環保、快捷的OPPs樣品前處理技術。

1 實驗部分

1.1 主要儀器及試劑

7890A氣相色譜儀(美國，安捷倫科技有限公司)，配置FID檢測器；H-7650透射電子顯微鏡(日本，Hitachi)；TENSOR 27傅立葉紅外光譜儀(德國，布魯克公司)；ESCALAB 250XI型X射線光電子能譜儀(美國，Thermo)。聚四氟乙烯內襯高壓反應釜(天津市蘭博實驗儀器設備有限公司)。SB-5200DT型超聲波清洗器(寧波新芝生物科技股份有限公司)。JJ-1型增壓電動攪拌器(上海司樂有限公司)。

FeCl3、乙二醇、無水乙酸鈉、CuSO4、乙酸鋅、環氧氯丙烷、Zr(NO3)4·5H2O(分析純，國藥集團化學試劑有限公司)；丙酮、乙酸乙酯、二氯甲烷、乙腈(色譜純，天津市科密歐化學試劑有限公司)；氨基化的MWCNTs(外徑8～15 nm，長50 μm，南京先豐納米材料科技有限公司)；96%Ti(SO4)2(分析純，上海吉至生化科技有限公司)；樂果、乙酰甲胺磷(IDA，99%)(上海阿拉丁生化科技股份有限公司)。水為超純水。

1.2 固定金屬親和吸附劑的制備

(1)mMWCNTs的制備。通過水熱法制備mMWCNTs：1.4 g FeCl3溶解于75 mL乙二醇和3.6 mL水中，在超聲條件下將0.4 g MWCNTs分散于上述溶液中，靜置10 min后，再超聲10 min；然后加入3.6 g乙酸鈉，在室溫下攪拌30 min；最后，將所得混合物轉移到聚四氟乙烯反應釜中加熱至200 ℃，反應16 h；反應結束后，冷卻至室溫，采用磁鐵進行液-固分離，然后依次用水和醇交替洗滌產物3次，40 ℃下真空干燥6 h，即得mMWCNTs。(2)mMWCNTs表面修飾IDA。用HCl將50 mL 0.2 mol/L的Na2CO3溶液調節至pH=9后，向其中加入2.0 mL環氧氯丙烷，混合均勻；加入0.5 g制備好的mMWCNTs，超聲分散，60 ℃攪拌反應12 h；所得產物用水和乙醇交替洗3次，再將上述所得產物分散于50 mL含1.2 mol/L Na2CO3和1.0 mol/L IDA的溶液中，超聲分散后，60 ℃攪拌反應12 h，即得到IDA修飾的mMWCNTs(mMWCNTs@IDA)。(3)螯合金屬離子。稱取mMWCNTs@IDA 50 mg(5份)，分別分散于20 mL的0.1 mol/mL的FeCl3、乙酸鋅、Zr(NO3)4、CuSO4和Ti(SO4)2水溶液，置于搖床中于25 ℃、150 r/min的條件下振蕩反應12 h，得到5種鰲合不同金屬離子的金屬親和吸附劑(mMWCNTs@IDA-M(M=Zr4+、Ti4+、Fe3+、Cu2+、Zn2+)。制備流程圖見圖1。

圖1 mMWCNTs@IDA-M的合成示意圖Fig.1 The preparation route of mMWCNTs@IDA-M

1.3 氣相色譜條件

2 結果與討論

2.1 mMWCNTs@IDA-M的表征

通過透射電鏡(TEM)觀察了吸附劑的形貌和尺寸。由圖2A可知，Fe3O4磁性納米粒子均勻地分散附著在線狀的MWCNTs表面，外形呈球狀，粒徑約為200 nm。經過一系列反應鍵合IDA后，mMWCNTs的形貌完整，Fe3O4仍然緊密地附著在MWCNTs表面(圖2B)，說明mMWCNTs的性質穩定，Fe3O4不會在反應過程中從MWCNTs表面脫落或者團聚。

圖2 mMWCNTs(A)和mMWCNTs@IDA(B)的透射電鏡(TEM)圖Fig.2 TEM images of mMWCNTs (A) and mMWCNTs@IDA (B)

通過紅外光譜進一步對吸附劑的化學組成進行了表征，如圖3A。620 cm-1處為Fe-O-Fe的特征吸收峰，證明了Fe3O4的存在；1 650 cm-1處為N-H的伸縮振動峰，1 053 cm-1處為C-N的伸縮振動，2 920 cm-1處為C-H非對稱伸縮振動，2 851 cm-1處為C-H的對稱伸縮振動，1 462 cm-1處為C-H面內彎曲振動，證明了氨基化MWCNTs的存在。因此，mMWCNTs的制備是成功的。修飾IDA后，亞甲基吸收峰信號增強，C=O的吸收峰與N-H的吸收峰重疊，所以mMWCNTs@IDA未出現新的吸收峰。為了進一步驗證材料的制備是否成功，我們又通過X射線光離子能譜(XPS)對合成的材料進行了表征，如圖3B。由圖可以明顯觀察到Fe 2p、Zn 2p、Cu 2p、Zr 3d和Ti 2p吸收峰，X射線光電子能譜表明成功制備mMWCNTs@IDA-M。

圖3 (A) mMWCNTs和mMWCNTs@IDA傅里葉紅外(FI-IF)光譜圖；(B)mMWCNTs@IDA-Fe3+(a),mMWCNTs@IDA-Ti4+(b),mMWCNTs@IDA-Zr4+(c),mMWCNTs@IDA-Cu2+(d),mMWCNTs@IDA-Zn2+(e)的X射線光電子能譜。Fig.3 (A)FT-IR spectra of mMWCNT and mMWCNTs@IDA;(B) X-ray photoelectron spectroscopy mMWCNTs@IDA-Fe3+(a),mMWCNTs@IDA-Ti4+(b),mMWCNTs@IDA-Zr4+(c),mMWCNTs@IDA-Cu2+(d) and mMWCNTs@IDA-Zn2+(e).

2.2 mMWCNTs@IDA-M對OPPs吸附性能的研究

2.2.1 鰲合金屬離子種類對吸附量的影響稱取10.0 mg mMWCNTs@IDA-M，分散于2.0 mL濃度為200 ng/mL的乙酰甲胺磷和樂果的標準溶液中(平行3份)，置于搖床中于25 ℃、150 r/min的條件下振蕩90 min,將被吸附后的標準溶液進行氣相色譜分析，結果如圖4。由圖可知，金屬離子種類對吸附量產生較大影響。同種金屬離子對樂果的吸附量大于對乙酰甲胺磷的吸附量，改變金屬離子種類，鰲合Ti4+的吸附劑對樂果的吸附量最大，這是MWCNTs和金屬離子協同作用的結果。MWCNTs具有較強的疏水性，對中等極性的樂果產生較強的吸附能力；同時，Ti4+的空軌道數最多，對富電子基團的親和性最強，二者的共同作用，使mMWCNTs@IDA-Ti4+對樂果的吸附量最大。

圖4 金屬離子種類對乙酰甲胺磷和樂果吸附量的影響Fig.4 Effect of metal ions on the adsorption amount of acephate and dimethoate

2.2.2 吸附時間的影響稱取mMWCNTs@IDA-Ti4+10.0 mg，分散于2.0 mL濃度為200 ng/mL的樂果標準溶液中(平行3份)，置于搖床中于25 ℃、150 r/min的條件下振蕩10、20、30、60、90 min，研究了吸附時間對樂果吸附量的影響，如圖5A。當吸附時間由10 min 延長至60 min時，吸附量明顯增大，60 min以后吸附量無明顯提高。因此，mMWCNTs@IDA-Ti4+對樂果的吸附在60 min時可達到吸附平衡，具有較快的吸附動力學。

2.2.3 洗脫溶劑的選擇稱取mMWCNTs@IDA-Ti4+10.0 mg，分散于2.0 mL濃度為200 ng/mL的樂果標準溶液中，設定吸附時間為60 min，吸附完成后分離出mMWCNTs@IDA-Ti4+，用水洗清洗2次后，再分別加入2.0 mL丙酮、乙酸乙酯、二氯甲烷、乙腈(平行3份)為洗脫溶劑，設定洗脫時間為90 min，如圖5B。結果顯示，丙酮對樂果的洗脫效率最高。在此條件下，進一步考察了丙酮的用量對樂果質量回收率的影響，如圖5C。當丙酮用量為0.5和1.0 mL時，回收率較低，增大丙酮體積至1.5 mL時，回收率達到最大值。因此，本實驗選取1.5 mL丙酮作為樂果的洗脫溶劑。

2.2.4 洗脫時間的影響設定吸附時間為60 min，以丙酮為洗脫溶劑，當洗脫時間分別為10、20、30、60、90 min時，分析測定丙酮中樂果的峰面積，結果如圖5D。當洗脫時間為30 min時，樂果的峰面積最大，說明此時丙酮中樂果的濃度最大。因此，最佳洗脫時間為30 min。

圖5 (A)吸附時間對樂果吸附的影響；(B)有機溶劑種類對樂果解吸的影響；(C)有機溶劑用量對樂果回收率的影響；(D)洗脫時間對樂果解吸的影響Fig.5 (A) Effect of adsorption time on the adsorption of dimethoate；(B) Effect of organic solvent on the elution of dimethoate；(C)Effect of acetone volume on the recovery of dimethoate；(D)Effect of desorption time on the elution of dimethoate

2.3 重現性

為了考察材料合成的重現性，測定了5個不同批次吸附材料對樂果的吸附量，計算相對標準偏差為8.7%，說明材料合成的重現性良好。

3 結論

本文以磁性多壁碳納米管為基質，成功制備了5種不同金屬的親和吸附劑。考察了螯合不同金屬離子的吸附劑對樂果和乙酰甲胺磷吸附量的影響。由于碳納米管和金屬離子的協同作用，使螯合Ti4+的磁性多壁碳納米管對樂果的吸附量最大。研究了吸附條件對樂果富集效果的影響，結果顯示，最佳吸附時間為60 min，最佳洗脫溶劑為丙酮，用量為1.5 mL，洗脫時間為30 min。本研究建立的OPPs樣品前處理方法，選擇性好，操作簡便，有機溶劑用量少，是一種綠色、環保、快捷的樣品前處理技術。