基于XPS的蘋果表皮殘留農(nóng)藥界面層的氬刻分析

張欣艷，趙 達(dá)，王樂(lè)新，王 暢

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)文理學(xué)院，黑龍江 大慶 163319）

蘋果表皮含有豐富的有機(jī)酸、纖維素、維生素、抗氧化成分及生物活性物質(zhì)等，尤其黃酮類物質(zhì)是一種高效抗氧化劑，它可以對(duì)抗自由基，保護(hù)細(xì)胞膜，是癌癥的克星[1]。但由于蘋果果實(shí)中殘留農(nóng)藥主要分布于表皮，導(dǎo)致多數(shù)人對(duì)蘋果采取削皮食用的方法。目前，蘋果農(nóng)藥殘留研究的樣品主要來(lái)源于蘋果果實(shí)中某一部位的綜合處理，對(duì)殘留農(nóng)藥的具體位置不甚清晰。如若能夠?qū)r(nóng)藥殘留部位進(jìn)行具體分析，繼而選擇更具有針對(duì)性、有效和節(jié)能的方式去除殘留農(nóng)藥，使得營(yíng)養(yǎng)豐富的果皮可放心地食用，無(wú)疑意義重大。

本文運(yùn)用χ射線光電子能譜（χ-ray Photoelectron Spectroscopy，PS）[2-4]，配合離子刻蝕系統(tǒng)沿表皮縱向進(jìn)行微觀深度分析，表征蘋果表皮殘留氧樂(lè)果及敵敵畏的具體部位，以期能夠?yàn)樘O果表皮農(nóng)藥浸入、轉(zhuǎn)化及探索無(wú)損祛除農(nóng)藥殘留的物理方法提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料及儀器

1.1.1 材料

紅富士蘋果采自山東棲霞（生長(zhǎng)中未施任何農(nóng)藥）；氧樂(lè)果20%乳油（產(chǎn)自河北方舟農(nóng)業(yè)科技有限公司）；敵敵畏80%乳油（產(chǎn)自河南東方人農(nóng)化有限公司）；農(nóng)藥（均購(gòu)自黑龍江省農(nóng)科院）。

1.1.2 儀器及測(cè)試條件

XPS型號(hào)：ESCA750（日本島津），激發(fā)源為MgKα（能量 hγ=1 253.6 eV），測(cè)試電壓 10 kV，電流30 mA，樣品室真空度優(yōu)于5.3×10-7Pa，Ar+離子管電流16 mA，出射束流2.5 μA，C1s譜圖采用XPSPEAK41專用軟件（選40%Gussian-Lorentzian）進(jìn)行分峰擬合。采用氬離子刻蝕去除表面污染。以C1S（285.0 eV）為定標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)合能校正。

1.2 方法

1.2.1 未施藥蘋果表皮C1s的氬刻分析

蘋果清洗干凈，表皮取樣，制成厚度0.5 mm、直徑＞6 mm切片，置于載玻片間，放于恒溫箱35℃烘干，導(dǎo)電膠粘于樣品托架上，電子中和槍消除表面荷電效應(yīng)。氬離子刻蝕表面，每次氬刻時(shí)間為90 s，XPS掃描圖譜，峰位擬合，計(jì)算主要元素相對(duì)含量并對(duì)峰位歸屬進(jìn)行分析。

1.2.2 界面層氧（O）、碳（C）比隨濃度的縱向分析

分別勾兌濃度依次為2%、4%、6%、8%和10%氧樂(lè)果農(nóng)藥和敵敵畏農(nóng)藥，陰干后取樣置于載玻片間放入恒溫箱35℃烘干，形成平整待測(cè)樣品，表皮取樣，制成厚度0.5 mm、直徑＞6 mm切片，置于載玻片間，放于恒溫箱35℃烘干，導(dǎo)電膠粘于樣品托架上，電子中和槍消除表面荷電效應(yīng)。分時(shí)段進(jìn)行氬離子刻蝕，XPS掃譜分析O/C比值，繪制曲線反映農(nóng)藥隨濃度不同而呈現(xiàn)的滲入規(guī)律。

1.2.3 界面層氧（O）、碳（C）比隨施藥時(shí)間的縱向分析

分別勾兌濃度為8%的氧樂(lè)果農(nóng)藥和敵敵畏農(nóng)藥，依次經(jīng)3、5、7 d取樣，置于載玻片間放入恒溫箱35℃烘干，導(dǎo)電膠粘于樣品托架上，電子中和槍消除表面荷電效應(yīng)。分時(shí)段進(jìn)行氬離子刻蝕，XPS掃譜分析O/C比值，繪制曲線反映農(nóng)藥隨施藥時(shí)間呈現(xiàn)的滲入規(guī)律。

2 結(jié)果與分析

2.1 蘋果表皮C1s的縱向氬刻分析

蘋果表皮主要元素相對(duì)含量及比值如表1，未刻蝕時(shí)O/C比值相對(duì)稍高，可能是樣品經(jīng)表面處理后仍就不可避免地附著了少量的O，但與前三次氬刻相比，變化不大，在接下來(lái)的氬刻中，O元素的含量明顯增多，O/C比值加大，元素組成顯示由表皮層向內(nèi)果皮成分過(guò)度。

表1 蘋果表皮刻蝕各元素相對(duì)含量及比值Table1 Relative content and the ratio of elements for Ar ion beam etching apple cuticle (%)

氬刻第2次、氬刻第4次的C1s峰的XPS分峰擬合圖譜見(jiàn)圖1。根據(jù)加拿大的Dorris和Gray對(duì)木材碳原子劃分分峰擬合C1s各峰[5-7]，C元素四種結(jié)構(gòu)形式的相對(duì)含量見(jiàn)表2。C1含量隨著氬刻的繼續(xù)深入明顯降低，而C2、C3、C4含量有所升高，說(shuō)明C－O、C=O、O－C=O含量增加，即厚度約為18 μm處就已經(jīng)進(jìn)入表皮層。表皮層是角質(zhì)層向果皮層過(guò)渡的區(qū)域。成分中的角質(zhì)、蠟被等脂類物質(zhì)相對(duì)含量減少，果膠、纖維素及半纖維素為主的糖類物質(zhì)增多。表皮物質(zhì)由角質(zhì)逐漸向胞間質(zhì)果膠、纖維素等糖類過(guò)渡，其中羧酸根主要由單寧和有機(jī)酸提供。

2.2 兩種農(nóng)藥的界面探測(cè)

蘋果表皮中物質(zhì)與殘留農(nóng)藥相互滲透，形成一個(gè)具有微觀厚度的界面層。分別勾兌濃度為10%的氧樂(lè)果和10%的敵敵畏涂抹于蘋果樣品，陰干后取樣置于載玻片間放入恒溫箱35℃烘干，形成平整待測(cè)樣品，對(duì)比施藥前后氬刻結(jié)果，農(nóng)藥滲入深度為氬刻第2次的深度內(nèi)，根據(jù)魏欽平對(duì)山東棲霞蘋果表皮形貌的分析結(jié)果推算[8]，蘋果與農(nóng)藥形成的界面層大約在10 μm內(nèi)。

圖1 果皮氬刻第2次、第4次C1s的XPS擬合圖譜Fig.1 XPS fitting spectra of the second and fourth C1s of the Ar etching on the cuticle

2.2.1 界面層中氧（O）、碳（C）比隨濃度的縱向分析

結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 界面層中O/C隨濃度及氬刻時(shí)間變化Fig.2 Variation of oxygen/carbon on boundary layer with the consistence and time application

表2 兩次氬刻后C元素四種結(jié)構(gòu)峰位及相對(duì)含量Table2 Four kinds of struncture peak positions and relative contents of the carbon element after the second aretching

未施藥樣品與施用不同濃度氧樂(lè)果農(nóng)藥后的樣品中O/C比值隨氬刻時(shí)間的變化曲線如圖2a。曲線具有相似的規(guī)律性，隨氬刻時(shí)間亦即隨深度的增加，氧樂(lè)果在蘋果果皮中的殘留呈現(xiàn)非線性遞減的趨勢(shì)，在各濃度情況下，O/C比值達(dá)到未施藥時(shí)的狀態(tài)所需的氬刻時(shí)間分別為1、1.5、2、2.5和3 min，亦即在施藥3 d的時(shí)間內(nèi)，在分別施用2%、4%、6%、8%和10%氧樂(lè)果農(nóng)藥的樣品中，農(nóng)藥滲入的深度分別約為3、6、9、12和 15 μm，具有明顯的規(guī)律性。隨濃度的增加，表皮中農(nóng)藥的殘留量已具有明顯的增加趨勢(shì)，未施藥樣品中未氬刻O/C比值比氬刻后的O/C比值稍高，主要原因應(yīng)為未刻蝕前表皮中附著了少量的O所致。

圖2b為施用不同濃度敵敵畏農(nóng)藥時(shí)，界面層中O/C隨氬刻時(shí)間變化曲線。圖中各條曲線與施用氧樂(lè)果農(nóng)藥的情況類似。不同之處在于曲線陡度比施用氧樂(lè)果的情況要小，在相同施藥時(shí)間內(nèi)，敵敵畏的滲入較快，但殘留量相對(duì)較小。不同濃度O/C達(dá)到未施藥狀態(tài)所需氬刻時(shí)間分別為2、2、2、3、4 min，規(guī)律性相對(duì)較差。

2.2.2 界面層中氧（O）、碳（C）比隨施藥時(shí)間的縱向分析

圖3 施用濃度均為8%的農(nóng)藥界面層中O/C隨施藥時(shí)間及氬刻時(shí)間變化Fig.3 Variation of oxygen/carbon on boundary layer with the volume application and time application

施用濃度均為8%的氧樂(lè)果和敵敵畏的蘋果樣品界面層中O/C隨施藥時(shí)間的變化曲線如圖3。從圖3a中可明顯看出，施用氧樂(lè)果的蘋果表皮界面層中各條O/C曲線都較為平滑，陡度隨濃度的增加而減??；隨著深度的增加，表皮中農(nóng)藥殘留呈現(xiàn)非線性降低的趨勢(shì)；隨施藥時(shí)間的增加，蘋果表皮未刻蝕部分的氧樂(lè)果農(nóng)藥的殘留量降低，在3～7 d內(nèi)，最表層的農(nóng)藥殘留下降不是非常明顯，而在蘋果表皮下約為2～8 μm之間，農(nóng)藥殘留隨施藥時(shí)間的增加而增加，與最表層的變化截然相反。施用濃度為8%氧樂(lè)果農(nóng)藥3 d后，農(nóng)藥浸入深度約為6 μm，施藥5～7 d，農(nóng)藥浸入深度約為8 μm。圖3b中敵敵畏農(nóng)藥隨時(shí)間的縱向變化曲線與圖3a相似，但曲線的陡度相較于施用氧樂(lè)果農(nóng)藥要小。界面層中各條O/C曲線陡度隨濃度的增加而減?。浑S深度的增加，表皮中農(nóng)藥殘留呈現(xiàn)非線性降低的趨勢(shì)；隨施藥時(shí)間的增加，蘋果表皮未刻蝕部分的敵敵畏農(nóng)藥的殘留量降低，并且與圖3a相比，這種降低表現(xiàn)得稍微明顯一些。而在蘋果表皮下約為2～8 μm之間，農(nóng)藥殘留隨施藥時(shí)間的增加而增加，與圖3a情況相比，差別稍小。施用濃度為8%敵敵畏農(nóng)藥3 d后，農(nóng)藥浸入深度約為6 μm，施藥5至7 d，農(nóng)藥浸入深度約為8 μm。

3 結(jié)論

研究結(jié)果表明，蘋果表皮C元素以四種狀態(tài)存在。殘留農(nóng)藥主要存在于蘋果表皮角質(zhì)層區(qū)，距表皮大約8 μm以內(nèi)。因此，蘋果表皮殘留農(nóng)藥的去除重點(diǎn)針對(duì)于表皮下8 μm以內(nèi)處理即可。另外，兩種殘留農(nóng)藥隨深度及時(shí)間的變化規(guī)律相似，均呈現(xiàn)出非線性遞減的趨勢(shì)；同等施藥濃度和施藥時(shí)間的條件下，氧樂(lè)果的浸入深度及殘留量都要高于敵敵畏。

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