磁性石墨烯納米復(fù)合物在菊酯類農(nóng)殘檢測(cè)中的應(yīng)用研究

邱霞琴,岳都盛

(昆山市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所,江蘇昆山 215316)

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磁性石墨烯納米復(fù)合物在菊酯類農(nóng)殘檢測(cè)中的應(yīng)用研究

邱霞琴,岳都盛*

(昆山市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)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(fù)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(zhì)譜(GC-MS)聯(lián)用檢測(cè)復(fù)雜果蔬樣品中的菊酯類農(nóng)藥,探討了不同萃取因素對(duì)MSPE萃取效率的影響,確立了最優(yōu)復(fù)合物用量、鹽濃度、萃取時(shí)間、丙酮用量,并在最優(yōu)條件下建立了果蔬中菊酯類農(nóng)藥殘留的MSPE氣相色譜-質(zhì)譜檢測(cè)方法。方法的線性相關(guān)系數(shù)在0.998～0.999之間,連續(xù)5次檢測(cè)的RSD值在4.3%～8.9%之間,方法精密度高,檢測(cè)限低至2.05 μg/kg。對(duì)于不同添加水平的所有分析物,本方法測(cè)定的回收率在83.49%～117.38%之間。結(jié)果表明該磁性固相萃取吸附劑在農(nóng)藥的富集分離中有很好的應(yīng)用前景。

還原氧化石墨烯/四氧化三鐵,氣相色譜-質(zhì)譜法,菊酯類農(nóng)藥,果蔬

近年來,食品安全問題引起人們的廣泛關(guān)注,特別是食品中的農(nóng)殘超標(biāo)問題屢屢發(fā)生,對(duì)人類的健康和生態(tài)系統(tǒng)的安全造成了很大的威脅。因此,世界各國(guó)為了禁止農(nóng)殘超標(biāo)的食品進(jìn)入市場(chǎng),都在積極制定相關(guān)的法令政策,這也使得相應(yīng)的分析研究面臨新的挑戰(zhàn),為了對(duì)食品中的農(nóng)殘開展監(jiān)測(cè),加強(qiáng)市場(chǎng)監(jiān)督檢驗(yàn)力度,預(yù)防中毒事件的發(fā)生,必須建立有效的檢測(cè)方法。色譜檢測(cè)法因其快速、準(zhǔn)確、靈敏度高而成為農(nóng)藥殘留的執(zhí)法依據(jù)。但是由于真實(shí)樣品中農(nóng)藥含量低,為了對(duì)這些痕量目標(biāo)物進(jìn)行準(zhǔn)確的分析,必須經(jīng)過樣品前處理。

磁性固相萃取(magnetic solid-phase extraction,MSPE)技術(shù)是近些年發(fā)展起來的新型樣品前處理技術(shù)[1],具有操作簡(jiǎn)便、環(huán)保、準(zhǔn)確、靈敏度高、成本低等優(yōu)點(diǎn),在食品領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。其中,四氧化三鐵(Fe3O4)是應(yīng)用最為廣泛的一種磁性材料,由于其良好的生物相容性、強(qiáng)超順磁性、低毒性、低成本、高催化活性以及環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于傳感器[2]、生物醫(yī)藥[3]、磁記錄設(shè)備[4]、環(huán)境治理[5]等領(lǐng)域。但是Fe3O4易團(tuán)聚,不表現(xiàn)出超順磁性,阻礙其應(yīng)用。將Fe3O4與石墨烯(graphene)結(jié)合制備出復(fù)合納米材料能有效解決這一缺點(diǎn),而且已有文獻(xiàn)報(bào)道它們?cè)诙鄠€(gè)領(lǐng)域的應(yīng)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(fù)合物集RGO和Fe3O4優(yōu)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(fù)合物作為MSPE技術(shù)的吸附劑,與GC-MS相結(jié)合,應(yīng)用于食品樣品中菊酯類農(nóng)藥殘留檢測(cè),考查了RGO/Fe3O4納米復(fù)合物量、離子強(qiáng)度、萃取時(shí)間、解吸條件對(duì)萃取效率的影響。從而建立復(fù)雜體系中農(nóng)藥的快速、靈敏、高效、高通量的色譜檢測(cè)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(guó)藥集團(tuán)化學(xué)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(shí)驗(yàn)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(lián)苯菊酯標(biāo)準(zhǔn)品(純度>99%)中國(guó)計(jì)量科學(xué)院,用丙酮配制0.1 mg/mL的標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液備用,冰箱4 ℃存放;標(biāo)準(zhǔn)工作溶液根據(jù)需要取適量標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)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(dāng)?shù)爻小?/p>

DF-101S型集熱式恒溫加熱攪拌器鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司;KQ-50DB型數(shù)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(jī)長(zhǎng)沙湘儀有限公司生產(chǎn);AUW320電子分析天平日本島津公司生產(chǎn);SP-6890A型氣相色譜儀山東魯南瑞虹化工有限公司。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1樣品預(yù)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(jī)加工成漿狀,處理之后的真實(shí)樣品都放入棕色瓶中,密封,于4 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

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(jìn)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(jù)不同化合物設(shè)定各自特定的掃描離子)。四種菊酯類農(nóng)藥的出峰順序依次為:1-聯(lián)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(zhuǎn)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(yīng)。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(chǎn)物冷凍干燥之后備用。

1.2.4RGO/Fe3O4納米復(fù)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(fù)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(yīng)釜中,并于220 ℃反應(yīng)10 h。產(chǎn)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(fù)合物加入到500 mL含有0.1 μg/g四種菊酯類農(nóng)藥的水溶液中(含一定濃度的NaCl),振蕩一定時(shí)間,用磁鐵回收目標(biāo)物,倒掉上清液,將復(fù)合物轉(zhuǎn)移到10 mL離心管中,再用3 mL含一定濃度丙酮的水洗脫復(fù)合物中的目標(biāo)物,將該解吸過程重復(fù)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(jìn)樣分析。

1.2.6萃取條件的優(yōu)化

1.2.6.1復(fù)合物用量?jī)?yōu)化本文分別選取5、10、15、20、25、30 mg RGO/Fe3O4納米復(fù)合物對(duì)水溶液中的四種菊酯類農(nóng)藥進(jìn)行萃取,探討不同復(fù)合物用量對(duì)MSPE萃取效率的影響。其中,鹽濃度為2%,萃取時(shí)間為60 min,洗脫溶劑為15%丙酮的水溶液。

1.2.6.2鹽濃度優(yōu)化為了考察NaCl濃度對(duì)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(nóng)藥的水樣中考查鹽離子的濃度對(duì)萃取量的影響。其中,復(fù)合物用量為15 mg,萃取時(shí)間為60 min,洗脫溶劑為15%丙酮的水溶液。

1.2.6.3萃取時(shí)間優(yōu)化萃取時(shí)間對(duì)吸附劑萃取量的影響至關(guān)重要,本實(shí)驗(yàn)分別設(shè)定5、10、20、30、40、60 min萃取時(shí)間,選出最優(yōu)萃取時(shí)間。其中,復(fù)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?jī)?yōu)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(duì)菊酯類農(nóng)藥萃取效率的影響。其中,復(fù)合物用量為15 mg,鹽濃度為5%,萃取時(shí)間為20 min。

其中,復(fù)合物用量、萃取時(shí)間、鹽離子濃度優(yōu)化在純水樣品中進(jìn)行,丙酮的量?jī)?yōu)化在菠菜樣品中進(jìn)行。

1.2.7方法評(píng)價(jià)考察在最優(yōu)條件下的方法分析真實(shí)樣品中菊酯類農(nóng)藥殘留的可行性,包括方法的線性范圍、相關(guān)系數(shù)、檢測(cè)限、精密度以及加標(biāo)回收率。以不含待測(cè)菊酯類農(nóng)藥的菠菜為基質(zhì),4種菊酯類農(nóng)藥在菠菜中的加標(biāo)濃度都分別為0.005、0.01、0.02、0.05、0.2、1 μg/g,測(cè)定不同濃度下的峰面積,以峰面積對(duì)濃度作圖得到標(biāo)準(zhǔn)曲線,得到線性范圍與線性相關(guān)系數(shù)。在最低線性濃度下,以三倍信噪比計(jì)算檢測(cè)限。在加標(biāo)濃度為0.02 μg/g時(shí)平行5次計(jì)算精密度。4種菊酯類農(nóng)藥分別在菠菜、西紅柿、胡蘿卜、梨中加標(biāo)濃度為0.05、0.1、0.5 μg/g時(shí),采用標(biāo)準(zhǔn)加入法計(jì)算加標(biāo)回收率。

1.2.8數(shù)據(jù)分析本文用萃取峰面積來衡量MSPE的萃取效率,每個(gè)樣品設(shè)三個(gè)平行,采用Origin 8.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。測(cè)定結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

2　結(jié)果與分析

2.1萃取條件的優(yōu)化

2.1.1RGO/Fe3O4用量的影響從圖1可以看出,隨著復(fù)合物用量的增加,四種菊酯類農(nóng)藥的萃取峰面積也逐漸增加,當(dāng)復(fù)合物用量達(dá)到15 mg時(shí),目標(biāo)物的峰面積也達(dá)到最大,即使復(fù)合物用量再增加,農(nóng)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(fù)合物用量對(duì)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(nóng)藥的萃取量隨著NaCl的量增加而快速增加,當(dāng)NaCl為5%時(shí)最大,繼續(xù)增大鹽的量萃取量反而降低。這是由于NaCl的加入對(duì)吸附過程既有正面影響也有負(fù)面作用,一方面,萃取時(shí)加入NaCl,可以增加溶液的離子強(qiáng)度,使有機(jī)分析物的溶解度降低,有利于目標(biāo)物從基質(zhì)中析出,進(jìn)而增加分析物在復(fù)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(huì)加大,使得復(fù)合物的擴(kuò)散系數(shù)和萃取能力下降,不利于其目標(biāo)物的萃取。最后選擇5% NaCl的量為最優(yōu)鹽濃度。

圖2　鹽濃度對(duì)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(shí)間的影響圖3是復(fù)合物對(duì)水中各菊酯類農(nóng)藥萃取的時(shí)間曲線。四種菊酯類農(nóng)藥的萃取量在5～20 min范圍內(nèi)隨著萃取時(shí)間的延長(zhǎng)明顯增加,繼續(xù)延長(zhǎng)萃取時(shí)間,萃取量不再有明顯增加,萃取達(dá)到平衡,所以選擇20 min為最優(yōu)時(shí)間。

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

2.1.4丙酮量?jī)?yōu)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(duì)菊酯類農(nóng)藥萃取效率的影響。其中,復(fù)合物用量為15 mg,鹽濃度為5%,萃取時(shí)間為20 min。由圖4可知,當(dāng)丙酮含量從0%～5%時(shí),復(fù)合物對(duì)菊酯類農(nóng)藥的萃取量緩緩增加;當(dāng)丙酮含量從5%～10%時(shí),復(fù)合物對(duì)目標(biāo)物的萃取量都急劇增加;當(dāng)繼續(xù)增大丙酮的量時(shí),萃取量反而降低。此過程是在菠菜真實(shí)樣品中進(jìn)行的,隨著丙酮量的增加,目標(biāo)物的回收率也提高,但是同時(shí)雜質(zhì)也越多,可能雜質(zhì)影響了菊酯類農(nóng)藥的洗脫效率,因此,繼續(xù)增加丙酮含量會(huì)造成目標(biāo)物解吸效率降低。因此,最后選擇10%的丙酮量為最優(yōu)的量。

圖4　丙酮濃度對(duì)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(píng)價(jià)

在不含目標(biāo)菊酯類農(nóng)藥的菠菜樣品中添加不同濃度的菊酯標(biāo)液,測(cè)定了MSPE/GC-MS方法的線性范圍、檢測(cè)限、精密度等,結(jié)果見表1。由表1可知,線性范圍都在2個(gè)數(shù)量級(jí)之上,線性相關(guān)系數(shù)在0.998～0.999之間,連續(xù)5次檢測(cè)的RSD值在4.3%～8.9%之間,方法精密度高。檢測(cè)限低至2.05 μg/kg。和文獻(xiàn)比較起來[14-16],本方法不需要昂貴的儀器或者復(fù)雜的標(biāo)記過程就可以對(duì)目標(biāo)物獲得較低檢出限。

表1　MSPE技術(shù)萃取菊酯類農(nóng)藥的線性范圍、

注:LR,線性范圍。

2.3真實(shí)樣品的應(yīng)用

為驗(yàn)證本實(shí)驗(yàn)建立的方法在真實(shí)果蔬樣品中的可靠性,從超市隨機(jī)購(gòu)買果蔬并進(jìn)行驗(yàn)證。加標(biāo)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(biāo)回收率。對(duì)于不同添加水平的所有菊酯類農(nóng)藥,本方法測(cè)定的回收率在83.49%～117.38%之間,準(zhǔn)確度高。

表2　四種菊酯在果蔬的加標(biāo)回收率

圖5　從加標(biāo)菠菜中萃取的4種有菊酯類農(nóng)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(lián)苯菊酯;2-甲氰菊酯;3-三氟氯氰菊酯;4-高效氯氰菊酯。

3　結(jié)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(fù)合物,該復(fù)合物集聚了石墨烯與四氧化三鐵的優(yōu)點(diǎn),并對(duì)菊酯類農(nóng)藥表現(xiàn)出了很高的萃取效率。本文優(yōu)化了MSPE過程的萃取條件,建立了MSPE/GC-MS檢測(cè)果蔬中菊酯類農(nóng)藥殘留的方法,方法的線性相關(guān)系數(shù)在0.998～0.999之間,連續(xù)5次檢測(cè)的RSD值在4.3%～8.9%之間,方法精密度高。檢測(cè)限低至2.05 μg/kg,對(duì)真實(shí)樣品中菊酯類農(nóng)藥的回收率在83.49%～117.38%之間。綜上所述,本實(shí)驗(yàn)建立的方法是一種高效、靈敏、簡(jiǎn)便的農(nóng)藥殘留分析檢測(cè)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(cè)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(cè),E-mail:2355607601@qq.com。

TS255.7

A

1002-0306(2016)12-0076-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.12.006