分子印跡磁固相萃取/氣相色譜法分析環(huán)境水樣中5種酰胺類(lèi)除草劑殘留

孫日晗，王 濤，王 曉，，紀(jì)文華*

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東 泰安 271000；2.山東省科學(xué)院，山東省分析測(cè)試中心，山東省中藥質(zhì)量控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250014)

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分子印跡磁固相萃取/氣相色譜法分析環(huán)境水樣中5種酰胺類(lèi)除草劑殘留

孫日晗1，王 濤2，王 曉1，2，紀(jì)文華2*

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東 泰安 271000；2.山東省科學(xué)院，山東省分析測(cè)試中心，山東省中藥質(zhì)量控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250014)

以丁草胺為假模板分子，丙烯酰胺為功能單體，利用四氧化三鐵磁性納米微球成功制備了具有特異性識(shí)別能力的磁性分子印跡聚合物。采用透射電子顯微鏡、紅外光譜和振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)對(duì)印跡聚合物進(jìn)行表征，結(jié)果顯示，分子印跡聚合物成功包裹在四氧化三鐵表面。印跡聚合物對(duì)5種酰胺類(lèi)除草劑均有特異性識(shí)別作用。以磁性分子印跡聚合物為基礎(chǔ)，建立了酰胺類(lèi)除草劑的氣相色譜檢測(cè)方法。方法學(xué)驗(yàn)證表明該方法具有良好的回收率(85.0%～99.5%)和精密度(RSD為2.8%～5.0%，n=5)，線性范圍為0.1～500 μg·L-1，檢出限為0.02～0.05 μg·L-1。該方法能夠應(yīng)用于農(nóng)田灌溉用水等環(huán)境水樣的測(cè)定。

酰胺類(lèi)除草劑；磁性分子印跡聚合物；磁固相萃??；吸附性能；氣相色譜

酰胺類(lèi)除草劑是目前生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛的一類(lèi)芽前除草劑，其除草效果較好，但具有較高的殘留毒性，美國(guó)環(huán)境保護(hù)局已將乙草胺定為B-2類(lèi)致癌物[1]。由于酰胺類(lèi)除草劑的水溶性較高且易于淋溶，而土壤吸附常數(shù)又相對(duì)較低，所以施到農(nóng)田的酰胺類(lèi)除草劑易通過(guò)滲透轉(zhuǎn)移到淺層地下水或隨雨水徑流進(jìn)入地表水。歐盟規(guī)定環(huán)境水和飲用水中單個(gè)除草劑的最大殘留量不超過(guò)0.1 μg·L-1，總除草劑的最大殘留量不超過(guò)0.5 μg·L-1[2]，因此對(duì)酰胺類(lèi)除草劑的分析檢測(cè)極為重要。目前酰胺類(lèi)除草劑的檢測(cè)方法主要有色譜法[3- 4]、色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法[5-9]、酶聯(lián)免疫吸附分析法[10]，但這些方法的前處理主要采用傳統(tǒng)的固相萃取或液液萃取，特異性差，易導(dǎo)致大量基質(zhì)共萃取而影響目標(biāo)分析物的測(cè)定。因此建立一種快速、高效的酰胺類(lèi)除草劑分析方法具有重要意義。

磁性分子印跡固相萃取是近年快速發(fā)展起來(lái)的樣品前處理技術(shù)，廣泛應(yīng)用于食品檢測(cè)[11]、生物分離[12]、環(huán)境檢測(cè)[13]等領(lǐng)域。磁性分子印跡聚合物(MMIPs)是融合磁性粒子特性與分子印跡技術(shù)的一種新型分離材料，它同時(shí)具有磁性粒子的磁響應(yīng)性和分子印跡聚合物(MIPs)對(duì)目標(biāo)分子的特定識(shí)別力與親和力[14-18]。利用磁性粒子的特性，在外加磁場(chǎng)作用下可使聚合物達(dá)到快速富集，相比于傳統(tǒng)固相萃取技術(shù)，該方法省去了復(fù)雜的離心過(guò)程，提高了聚合物的可控性。因此，將磁性分子印跡聚合物應(yīng)用于固相萃取已得到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注[19-21]。

本課題組在前期研究中，采用新的合成方法在四氧化三鐵表面直接包裹功能單體和交聯(lián)劑，成功制備了環(huán)烯醚萜苷磁性分子印跡聚合物[22]。本文利用該方法合成了酰胺類(lèi)除草劑分子印跡聚合物，并將其作為磁性固相萃取材料應(yīng)用于水質(zhì)中酰胺類(lèi)除草劑的檢測(cè)，進(jìn)而建立了一種基于磁性分子印跡固相萃取(MMISPE)的氣相色譜(GC)快速檢測(cè)方法。該方法目標(biāo)化合物的回收率較高，重現(xiàn)性良好。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

布魯克VERTEX 70紅外光譜儀(美國(guó)，比勒利卡)，SQUID VSM 磁強(qiáng)計(jì)(美國(guó)量子設(shè)計(jì)公司)，JEM-2010F 透射電子顯微鏡(日本電子株式會(huì)社)，F(xiàn)eCl3·6H2O(科密歐試劑公司)，檸檬酸鈉(克拉瑪爾試劑公司)，乙酸鈉(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，5種酰胺類(lèi)除草劑(乙草胺、丁草胺、丙草胺、異丙草胺、異丙甲草胺)標(biāo)準(zhǔn)溶液、敵稗、乙二醇、N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺(MBA)、丙烯酰胺(AM)和甲基偶氮二異丁腈(AIBN)均購(gòu)自阿拉丁試劑公司。甲醇和乙腈為色譜純，其余試劑為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為去離子二次蒸餾水。

1.2 四氧化三鐵的制備

采用溶劑熱法合成磁性納米粒子，具體步驟如下：將3.6 g FeCl3·6H2O和0.72 g檸檬酸鈉溶解在乙二醇-乙醇(9∶1，體積比)溶劑中，超聲脫氣，再加入4.8 g乙酸鈉，攪拌5 min。將混合液轉(zhuǎn)入容量為200 mL的水熱合成反應(yīng)釜中，在200 ℃下反應(yīng)10 h，得到黑色反應(yīng)產(chǎn)物，再用乙醇和水將反應(yīng)產(chǎn)物分別洗3次。最后真空干燥12 h，得到Fe3O4磁性納米粒子。

1.3 MMIPs的制備

在100 mL三頸瓶中加入0.05 g Fe3O4粒子和40 mL乙腈，超聲脫氣后，加入假模板分子丁草胺0.06 g，MBA 0.48 g，AM 0.24 g，AIBN 0.004 g。機(jī)械攪拌下回流4 h，聚合反應(yīng)完成后在外加磁場(chǎng)的作用下分離得到反應(yīng)產(chǎn)物。將反應(yīng)產(chǎn)物放入索氏提取器中，用甲醇-乙酸(9 ∶1，體積比)為洗脫劑洗脫24 h以除去模板分子，再用甲醇洗脫除去乙酸，真空干燥24 h即可。空白磁性印跡聚合物(MNIPs)的合成無(wú)需添加假模板分子丁草胺，其余方法同上。

1.4 透射電鏡分析

為了研究磁性分子印跡聚合物的結(jié)構(gòu)特征，對(duì) MMIPs 和 MNIPs 進(jìn)行透射電鏡分析，放大倍數(shù)為20 000倍。

1.5 等溫吸附實(shí)驗(yàn)

在10 mL離心管中分別加入10 mg MMIPs和MNIPs，再加入5 mL不同濃度的丁草胺標(biāo)準(zhǔn)溶液(1～60 mg·L-1)，室溫振蕩2 h后，加磁鐵分離聚合物，用GC檢測(cè)上清液中丁草胺的含量。采用下式計(jì)算吸附量：Qe=(Ci-Ce)V/m，式中，Qe為吸附平衡時(shí)MMIPs吸附酰胺類(lèi)除草劑的量(mg·g-1)；Ci(mg·L-1)和Ce(mg·L-1)分別為吸附前和吸附平衡后溶液中丁草胺的濃度；V(mL)為吸附液體積；m(mg)為聚合物的質(zhì)量。

1.6 吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)

將10 mg MMIPs加入5 mL 20 mg·L-1的丁草胺標(biāo)準(zhǔn)溶液中，室溫下振蕩100 min，在外加磁場(chǎng)作用下分離聚合物，采用GC檢測(cè)上清液中丁草胺的含量，以考察MMIPs對(duì)酰胺類(lèi)除草劑的吸附速率。

1.7 選擇性實(shí)驗(yàn)

將10 mg MMIPs和MNIPs分別置于5 mL 20 mg·L-1的乙草胺、丙草胺、異丙草胺、異丙甲草胺、丁草胺標(biāo)準(zhǔn)溶液和敵稗標(biāo)準(zhǔn)溶液中，室溫振蕩2 h后，磁鐵分離，取上清液用GC檢測(cè)其中的乙草胺、丙草胺、異丙草胺、異丙甲草胺、丁草胺和敵稗含量。

1.8 GC色譜條件

色譜柱：DB-5 MS石英毛細(xì)管柱(30 m×0.32 mm×0.25 μm);進(jìn)樣口溫度：230 ℃；檢測(cè)器溫度：280 ℃；柱溫：初始溫度:70 ℃，保持1 min，以15 ℃/min 升至200 ℃，保持1 min，再以5 ℃/min升至270 ℃，保持12 min；載氣：高純N2，流速：3 mL/min，尾吹氣：30 mL/min；分流比為1∶10，進(jìn)樣量為1 μL。

2 結(jié)果與討論

表1 假模板分子、功能單體以及交聯(lián)劑的配比對(duì)平衡吸附量(Qe)及印跡因子(α)的影響

2.1 磁性分子印跡聚合物的制備與性能表征2.1.1 磁性聚合物制備條件的優(yōu)化 采用沉淀聚合法在Fe3O4表面直接包裹分子印跡聚合物，以MBA為交聯(lián)劑，AM為功能單體，AIBN為引發(fā)劑，丁草胺為假模板分子。其中，假模板分子、功能單體、交聯(lián)劑之間的配比直接影響聚合物的印跡效率，所以在制備過(guò)程中有必要對(duì)三者的配比進(jìn)行優(yōu)化(表1)。由表1可知，當(dāng)三者的質(zhì)量比為1∶4∶8時(shí)，平衡吸附量(Qe)和印跡因子α(α=Qe MMIPs/Qe MNIPs)的值最高。因此選擇在該比例下合成MMIPs和MNIPs。

圖1 MMIPs 的透射電鏡圖Fig.1 TEM image of MMIPs

圖2 Fe3O4與MMIPs的飽和磁滯回線Fig.2 Magnetization curves of Fe3O4 and MMIPs

2.1.2 透射電鏡分析 用透射電鏡對(duì)MMIPs的形貌和粒徑進(jìn)行了考察。由圖1可看出MMIPs的分散性良好，粒徑約為720 nm，可以明顯看到分子印跡層，此種核殼式結(jié)構(gòu)有利于傳質(zhì)效率的提高。

2.1.4 磁飽和強(qiáng)度分析 由圖2可看出 Fe3O4和 MMIPs的磁飽和強(qiáng)度分別為80.1 emu·g-1和36.2 emu·g-1，說(shuō)明Fe3O4和MMIPs均具有良好的磁力度。因此，MMIPs可以用于快速磁分離。

2.2 選擇性實(shí)驗(yàn)

利用酰胺類(lèi)除草劑的結(jié)構(gòu)類(lèi)似物敵稗來(lái)評(píng)價(jià)MMIPs的特異性吸附性能。結(jié)果顯示，MMIPs對(duì)乙草胺、丙草胺、異丙草胺、異丙甲草胺、丁草胺均具有較高的吸附量，且與MNIPs對(duì)酰胺類(lèi)除草劑的吸附量差值較大(為1.6～2.1 mg·g-1)，而MMIPs和MNIPs對(duì)敵稗的吸附量差值較小(為0.5 mg·g-1)，由此說(shuō)明MMIPs中存在酰胺類(lèi)除草劑的特異性識(shí)別位點(diǎn)。

2.3 平衡吸附實(shí)驗(yàn)

利用等溫吸附實(shí)驗(yàn)測(cè)定MMIPs和MNIPs對(duì)丁草胺的吸附量，如圖3A所示，MMIPs和MNIPs的吸附量均隨著丁草胺濃度的增加而增加，但MMIPs對(duì)目標(biāo)分析物的吸附量遠(yuǎn)高于MNIPs的吸附量。由此說(shuō)明MMIPs中存在特異性更強(qiáng)的結(jié)合位點(diǎn)。

2.4 吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)

圖3B為MMIPs和MNIPs對(duì)20 mg·L-1丁草胺的動(dòng)態(tài)吸附曲線。由圖可以看出，MMIPs對(duì)丁草胺有較高的傳質(zhì)速率，在開(kāi)始的15 min內(nèi)即可達(dá)最高吸附容量。

2.5 磁固相萃取(MMISPE)條件的優(yōu)化

2.5.1 吸附劑的用量 考察了不同用量(20～100 mg)的吸附劑MMIPs對(duì)5種酰胺類(lèi)除草劑的吸附效果。結(jié)果表明，當(dāng)吸附劑的用量為60 mg時(shí)，目標(biāo)分析物的回收率最高。因此選擇60 mg為吸附劑的最佳用量。

2.5.2 樣品體積的優(yōu)化 樣品體積是評(píng)價(jià)吸附劑吸附低濃度目標(biāo)分析物的重要影響因素，分別對(duì)50～200 mL濃度為20 μg·L-1的5種酰胺類(lèi)除草劑溶液進(jìn)行吸附，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)物的回收率隨樣品體積在50～100 mL范圍內(nèi)增加而呈上升趨勢(shì)。因此，實(shí)驗(yàn)選擇100 mL為最佳樣品體積。

2.5.3 洗脫液及用量的優(yōu)化 加入洗脫液的目的是將目標(biāo)分析物從吸附劑中洗脫。本實(shí)驗(yàn)分別采用甲醇、甲醇-醋酸(98∶2,體積比)、甲醇-醋酸(96∶4 ,體積比)和甲醇-醋酸(94∶6,體積比)為洗脫液進(jìn)行洗脫，洗脫液用量為1～10 mL。結(jié)果顯示，采用4 mL甲醇-醋酸(96∶4)溶液洗脫時(shí)，目標(biāo)分析物的回收率最高。因此，選用4 mL甲醇-醋酸(96∶4)為洗脫溶液。

2.5.4 洗脫時(shí)間的優(yōu)化 考察了不同洗脫時(shí)間(3，10，15，20 min)的洗脫效果。結(jié)果表明，15 min足以完全洗脫目標(biāo)分析物。因此，實(shí)驗(yàn)選擇洗脫時(shí)間為15 min。

2.6 方法學(xué)驗(yàn)證

將5種酰胺類(lèi)除草劑標(biāo)準(zhǔn)溶液逐步稀釋?zhuān)脻舛葹?.01，0.05，0.1，0.2，0.5，1，5，10，100，200，500 μg·L-1的標(biāo)準(zhǔn)溶液，進(jìn)樣測(cè)定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)5種酰胺類(lèi)除草劑在0.1～500 μg·L-1的濃度范圍內(nèi)線性關(guān)系良好，相關(guān)系數(shù)(r2)均不小于0.998 3(表2)。以3倍信噪比(S/N=3)時(shí)的濃度為檢出限(LOD)，得5種酰胺類(lèi)除草劑的LOD為0.02～0.05 μg·L-1；S/N=10時(shí)的濃度為定量下限(LOQ)，得到5種酰胺類(lèi)除草劑的LOQ為0.06～0.17 μg·L-1(表2)。

將3種不同濃度水平(1.0，10，20 μg·L-1)的酰胺類(lèi)除草劑標(biāo)準(zhǔn)溶液添加到不含酰胺類(lèi)除草劑的地表水、地下水和河水中，分別進(jìn)行加標(biāo)回收率實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。采用MMISPE凈化得的回收率為85.0%～99.5%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為2.8%～5.0%。

表2 5種除草劑的線性關(guān)系、LODs、 LOQs及不同添加水平下樣品的回收率

圖4 地下水(a)、地下水加標(biāo)后(b～d)的磁固相萃取/氣相色譜圖譜Fig.4 MMIP/GC chromatograms of agriculture irrigating water(a) and spiked agriculture irrigating water (b-d) spiked concentrration(b-d):1.0,10,20 μg·L-1；peaks:1.acetochlor；2.metolachlor；3.propisochlor；4.pretilachlor；5.butachlor

2.7 實(shí)際樣品的應(yīng)用

以MMIPs為吸附劑，采用優(yōu)化后的磁固相萃取方法對(duì)農(nóng)田灌溉水中的目標(biāo)分析物進(jìn)行選擇富集，將60 mg MMIPs置于100 mL樣品中吸附15 min，采用4 mL甲醇-醋酸(96∶4)進(jìn)行洗脫。圖4為原始樣品以及在不同加標(biāo)水平(1.0，10，20 μg·L-1)下經(jīng)MMIPs萃取后的樣品氣相色譜圖。分析結(jié)果顯示，地下水(農(nóng)田灌溉用水)經(jīng)MMIPs萃取，酰胺除草劑不能被檢出。而經(jīng)MMIPs萃取后不同加標(biāo)水平下的樣品，目標(biāo)分析物的色譜峰明顯，可定性定量分析。綜上所述，MMIPs可以用于環(huán)境水樣中酰胺類(lèi)除草劑的富集和分離測(cè)定。

3 結(jié) 論

本文以丁草胺為假模板分子，AM為功能單體，MBA為交聯(lián)劑，采用表面聚合法成功制備了磁性分子印跡聚合物。通過(guò)紅外光譜、透射電鏡與磁飽和強(qiáng)度分析，發(fā)現(xiàn)該磁性印跡聚合物微球大小均勻，分散性較好，能夠在外加磁場(chǎng)作用下實(shí)現(xiàn)快速分離。將該磁性分子印跡聚合物結(jié)合氣相色譜用于水質(zhì)中酰胺類(lèi)除草劑的檢測(cè)，效果理想。

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Analysis of Five Chloroacetamide Herbicides by HPLC with Magnetic Molecularly Imprinted Solid-phase Extraction

SUN Ri-han1，WANG Tao2，WANG Xiao1,2，JI Wen-hua2*

(1.College of Food Science and Engineering,Shandong Agricultural University,Taian 271000,China；2.Shandong Key Laboratory of Quality Control of Chinese Medicine,Shandong Analysis and Test Center,Shandong Academy of Science,Jinan 250014,China)

Magnetic molecularly imprinted polymers(MMIPs) with specific recognition ability were successfully synthesized by using butachlor as template molecule and acrylamide(AM) as functional monomer.MMIPs were characterized by transmission electron microscopy(TEM),infrared spectroscopy(FT-IR) and vibrating sample magnetometry(VSM).The results showed that molecularly imprinted layer was successfully wrapped on the surface of Fe3O4.MMIPs showed a specific recognition for five chloroacetamide herbicides.The developed magnetic molecular imprinted solid phase extraction coupled with gas chromatography(MMISPE/GC) method exhibited a good recovery(85.0%-99.5%),a good precision(RSD:2.8%-5.0%，n=5),a good linearity(0.1-500 μg·L-1) and a low limit of detection(0.02-0.05 μg·L-1) under the optimized conditions.The introduced MMISPE/GC method was successfully used to analyze five chloroacetamide herbicides in environmental water samples.

chloroacetamide herbicides;magnetic molecularly imprinted polymers;magnetic solid phase extraction;adsorption performance;gas chromatography

2017-01-22；

2017-02-26

國(guó)家自然科學(xué)基金(81603286)；山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016GSF202033)；山東省科學(xué)院先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)；山東省泰山學(xué)者崗位專(zhuān)家專(zhuān)項(xiàng)

10.3969/j.issn.1004-4957.2017.06.008

O657.71；S482.4

A

1004-4957(2017)06-0750-06

*通訊作者：紀(jì)文華，助理研究員，研究方向：復(fù)雜體系樣品前處理，Tel：0531-82605315，E-mail:jwh519@163.com