氧化石墨烯萃取花旗參茶飲料中的擬除蟲菊酯類農(nóng)藥殘留

張 璐, 李緒文, 王 博, 楊艷萍, 劉佳慧, 金永日, 時(shí)曉磊

(1. 吉林大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院, 長春 130062； 2. 吉林大學(xué) 化學(xué)學(xué)院, 長春 130012)

參類飲料是一種功能性飲料, 具有緩解體力疲勞、增強(qiáng)免疫力等功效. 其原材料為參類植物的根莖葉和果實(shí)[1], 工藝流程一般為浸提、調(diào)配、精濾、殺菌等. 為防治參類在種植過程中病蟲害的發(fā)生, 提高產(chǎn)量, 一般在參類植物生長過程中大量施用農(nóng)藥, 其中低毒、廣譜、低殘留的擬除蟲菊酯類農(nóng)藥[2-4]在參類植物的種植過程中廣泛使用. 由于擬除蟲菊酯類農(nóng)藥在參類和土壤中有一定的富集[5-7], 因此, 飲料中農(nóng)藥殘留的測定是保證參類飲料質(zhì)量的主要指標(biāo). 目前， 擬除蟲菊酯類農(nóng)藥殘留的測定方法主要有氣相色譜法和液相色譜法. 氣相色譜法檢測靈敏度高, 但不適于具有熱不穩(wěn)定的農(nóng)藥殘留測定; 由于液相色譜法的檢測儀器存在最低檢出限, 因此需對(duì)液體樣品中的擬除蟲菊酯類農(nóng)藥預(yù)先富集. 液體樣品中擬除蟲菊酯類農(nóng)藥殘留富集的前處理方法有液-液提取法、高效體積排阻色譜法、固相萃取柱純化法、基質(zhì)固相分散法和固相萃取法等. Macedo等[8]采用基質(zhì)固相分散萃取(MSPD)法進(jìn)行樣品的前處理, 測定了牛奶中的擬除蟲菊酯類農(nóng)藥殘留; 高曉昇等[9]采用改進(jìn)的QuEChERS法進(jìn)行樣品前處理, 分析了牛奶中擬除蟲菊酯類農(nóng)藥殘留; 劉國平等[10]以凝膠滲透色譜凈化系統(tǒng)(GPC)作為前處理方法, 測定了食品中的7種擬除蟲菊酯類農(nóng)藥殘留. 上述前處理方法存在需大量有機(jī)試劑以及操作繁瑣等問題, 工作量巨大且易導(dǎo)致污染.

氧化石墨烯[11-12]是將含氧基團(tuán)修飾到石墨烯表面后制得的一種吸附材料, 具有與石墨烯相似的單原子二維結(jié)構(gòu), 其表面還有大量的活性官能團(tuán)[13], 如羧基、羰基、環(huán)氧基和羥基等, 這些活性官能團(tuán)為吸附過程提供了更多活性位點(diǎn), 因此氧化石墨烯是一種良好的吸附劑[14]. 由于其具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和高比表面積等特性, 因此氧化石墨烯廣泛應(yīng)用于對(duì)有機(jī)小分子、金屬離子與生物大分子的吸附[15-18]. 本文采用氧化石墨烯為吸附劑, 改良傳統(tǒng)固相萃取中操作復(fù)雜、大量使用有機(jī)試劑等問題, 并通過正交實(shí)驗(yàn)和單因素實(shí)驗(yàn), 對(duì)萃取條件進(jìn)行優(yōu)化, 建立了一種液體樣品前處理的新方法, 為液體樣品中微量農(nóng)藥殘留的萃取和測定提供一種新思路.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 儀器和試劑

Agilent 1200型高效液相色譜儀(美國安捷倫公司)； YDO-OIR型電子天平、ZF-20D型暗箱式紫外分析儀和RE-201C型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(鞏義市英峪予華儀器廠).

擬除蟲菊酯類農(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)品均購于美國Sigma公司, 包括氟氯氰菊酯、七氟菊酯、氯戊菊酯、氯菊酯和聯(lián)苯菊酯. 甲醇、乙腈均為色譜純, 購于美國Sigma公司; 丙酮、氯仿、環(huán)己烷均為分析純, 購于北京化工廠; 純凈水購于某食品公司; 花旗參茶飲料購于長春市某超市. 空白某品牌花旗參茶飲料樣品(標(biāo)準(zhǔn)品)為未檢出擬除蟲菊酯類農(nóng)藥色譜峰的樣品.

1.2 色譜條件

色譜柱： ZORBAX SB-C18型(5 μm, 4.6 mm×250 mm)； 流動(dòng)相：V(乙腈)∶V(水)=7∶3； 檢測波長220 nm； 流速1 mL/min； 進(jìn)樣量10 μL. 5種擬除蟲菊酯標(biāo)準(zhǔn)品和樣品的色譜如圖1所示.

1,2. 氟氯氰菊酯； 3. 七氟菊酯； 4. 氯戊菊酯； 5,6. 氯菊酯； 7. 聯(lián)苯菊酯.圖1 標(biāo)準(zhǔn)品與樣品的色譜Fig.1 Chromatograms of standards and samples

1.3 標(biāo)準(zhǔn)溶液配制

準(zhǔn)確稱取一定質(zhì)量的氟氯氰菊酯、七氟菊酯、氯戊菊酯、氯菊酯和聯(lián)苯菊酯農(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)品, 用色譜級(jí)乙腈稀釋, 配制成終質(zhì)量濃度為2.000 mg/mL的溶液, 4 ℃?zhèn)溆? 在建立標(biāo)準(zhǔn)曲線的過程中, 將2.000 mg/mL的溶液用色譜級(jí)乙腈稀釋, 配制質(zhì)量濃度為0.008,0.040,0.200,1.000,2.000 mg/mL的溶液.

1.4 樣品的制備

將一定體積的加標(biāo)花旗參茶飲料和一定量的氧化石墨烯(南京先豐納米材料科技有限公司)置于50 mL離心管中, 混合均勻后置于搖床上振蕩一定時(shí)間后離心, 用洗脫劑超聲洗脫; 超聲結(jié)束后, 再次離心, 取上清液, 先用氮?dú)獯蹈蓛x吹干, 再用色譜級(jí)甲醇定容至200 μL, 經(jīng)0.4 μm微孔濾膜過濾, 待測.

2 結(jié)果與討論

2.1 回歸方程的建立

分別取1.3中的標(biāo)準(zhǔn)品溶液各10.0 μL注入高效液相色譜儀(HPLC)中, 以峰面積積分值(y)為縱坐標(biāo), 5種擬除蟲菊酯類農(nóng)藥混合標(biāo)準(zhǔn)品的進(jìn)樣質(zhì)量濃度(x, mg/mL)為橫坐標(biāo), 繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線, 得到標(biāo)準(zhǔn)曲線方程. 氟氯氰菊酯的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為

y=41 635x-199.63,r=0.999 9；

七氟菊酯的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為

y=29 339x-34.20,r=0.999 9；

氯戊菊酯的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為

y=38 245x-217.86,r=0.999 9；

氯菊酯的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為

y=46 441x-182.47,r=0.999 9；

聯(lián)苯菊酯的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為

y=46 616x+572.16,r=0.999 0.

2.2 單因素實(shí)驗(yàn)

2.2.1 洗脫劑的優(yōu)化 用20 mg氧化石墨烯萃取25 mL花旗參茶飲料中的擬除蟲菊酯類農(nóng)藥殘留, 萃取時(shí)間設(shè)為20 min. 萃取結(jié)束后, 分別選擇2 mL的純?nèi)軇┘状?、丙酮、乙腈、環(huán)己烷和混合溶劑V(丙酮)∶V(環(huán)己烷)=1為洗脫劑, 超聲輔助洗脫擬除蟲菊酯類農(nóng)藥, 結(jié)果如圖2所示. 由圖2可見: 甲醇對(duì)氧化石墨烯吸附的5種擬除蟲菊酯類農(nóng)藥的洗脫效果最差； 與環(huán)己烷相比， 乙腈對(duì)氟氯氰菊酯、氯戊菊酯和氯菊酯的洗脫效果好, 對(duì)七氟菊酯和聯(lián)苯菊酯的洗脫效果差; 與純?nèi)軇┍铜h(huán)己烷相比， 混合溶劑V(丙酮)∶V(環(huán)己烷)=1對(duì)5種擬除蟲菊酯類農(nóng)藥的洗脫效果較好. 綜上可見，V(丙酮)∶V(環(huán)己烷)=1的洗脫效果最好, 即5種擬除蟲菊酯類農(nóng)藥的回收率最高, 因此將V(丙酮)∶V(環(huán)己烷)=1作為洗脫劑.

2.2.2 洗脫體積的優(yōu)化 以V(丙酮)∶V(環(huán)己烷)=1為洗脫劑, 其他條件不變, 分別選擇2,3,5,8，10 mL洗脫劑超聲輔助洗脫, 結(jié)果如圖3所示. 由圖3可見, 當(dāng)洗脫體積為8 mL時(shí), 洗脫效果最優(yōu), 此時(shí)5種擬除蟲菊酯類農(nóng)藥的回收率最高, 因此將洗脫劑的體積定為8 mL.

a. 氟氯氰菊酯； b. 七氟菊酯； c. 氯戊菊酯； d. 氯菊酯； e. 聯(lián)苯菊酯.圖2 不同洗脫劑對(duì)5種擬除蟲菊酯類農(nóng)藥殘留提取回收率的影響Fig.2 Effect of different eluents on extraction recovery rate of five pyrethriod pesticide residues

a. 氟氯氰菊酯； b. 七氟菊酯； c. 氯戊菊酯； d. 氯菊酯； e. 聯(lián)苯菊酯.圖3 不同洗脫劑體積對(duì)5種擬除蟲菊酯類農(nóng)藥殘留提取回收率的影響Fig.3 Effect of different eluent volumes on extraction recovery rate of five pyrethriod pesticide residues

2.2.3 氧化石墨烯用量的優(yōu)化 以V(丙酮)∶V(環(huán)己烷)=1為洗脫劑, 洗脫體積為8 mL, 其他條件不變, 分別用2,5,10,15,20 mg氧化石墨烯進(jìn)行萃取, 考察氧化石墨烯用量對(duì)回收率的影響, 結(jié)果如圖4所示. 由圖4可見, 在2～20 mg內(nèi), 隨著氧化石墨烯用量的增加, 5種擬除蟲菊酯類農(nóng)藥的吸附效果降低. 主要原因?yàn)檠趸閱螌友趸┓勰? 密度小, 加入的石墨烯質(zhì)量越大, 越易對(duì)已洗脫并溶于洗脫劑中的擬除蟲菊酯類農(nóng)藥進(jìn)行二次吸附, 使其吸附效果變差, 導(dǎo)致回收率降低. 因此選擇石墨烯的用量為2 mg.

2.2.4 萃取時(shí)間的優(yōu)化 采用2 mg氧化石墨烯萃取25 mL花旗參茶飲料中的擬除蟲菊酯類農(nóng)藥, 以V(丙酮)∶V(環(huán)己烷)=1為洗脫劑, 洗脫體積為8 mL, 選擇萃取時(shí)間分別為10,20,30,40,50 min, 結(jié)果如圖5所示. 由圖5可見, 氧化石墨烯對(duì)5種擬除蟲菊酯類農(nóng)藥的吸附效果隨萃取時(shí)間的增加而降低. 當(dāng)萃取時(shí)間為10～20 min時(shí), 隨著萃取時(shí)間的增加, 氧化石墨烯對(duì)飲料中氯戊菊酯和氯菊酯的吸附效果略有增加, 對(duì)氟氯氰菊酯、七氟菊酯和聯(lián)苯菊酯的吸附效果略有降低； 當(dāng)萃取時(shí)間為20～50 min時(shí), 5種擬除蟲菊酯的回收率均下降. 這是由于花旗參茶飲料中含有大量的葡萄糖等物質(zhì), 氧化石墨烯的吸附?jīng)]有選擇性, 隨著萃取時(shí)間的增加, 氧化石墨烯會(huì)對(duì)其他物質(zhì)進(jìn)行吸附, 影響了其對(duì)擬除蟲菊酯類農(nóng)藥的吸附, 導(dǎo)致5種擬除蟲菊酯的回收率下降. 因此選擇萃取時(shí)間為20 min.

a. 氟氯氰菊酯； b. 七氟菊酯； c. 氯戊菊酯； d. 氯菊酯； e. 聯(lián)苯菊酯.圖4 氧化石墨烯用量對(duì)5種擬除蟲菊酯類農(nóng)藥殘留提取回收率的影響Fig.4 Effect of amount of oxide graphene on extraction recovery rate of five pyrethriod pesticide residues

a. 氟氯氰菊酯； b. 七氟菊酯； c. 氯戊菊酯； d. 氯菊酯； e. 聯(lián)苯菊酯.圖5 萃取時(shí)間對(duì)5種擬除蟲菊酯類農(nóng)藥殘留提取回收率的影響Fig.5 Effect of extraction time on extraction recovery rate of five pyrethriod pesticide residues

2.3 正交實(shí)驗(yàn)

2.3.1 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 采用正交實(shí)驗(yàn)研究石墨烯用量(A)、洗脫劑體積(B)、洗脫劑(C)和吸附時(shí)間(D)對(duì)5種擬除蟲菊酯類農(nóng)藥殘留洗脫效果的影響. 實(shí)驗(yàn)共設(shè)上述4個(gè)因素, 每個(gè)因素設(shè)3個(gè)水平, 選取L9(34)正交表進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn), 實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表1, 其極差分析結(jié)果列于表2, 方差分析結(jié)果列于表3.

2.3.2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 由表1～表3可見:

1) 氟氯氰菊酯的回收率受氧化石墨烯用量影響最大, 洗脫劑種類和洗脫劑體積次之, 受吸附時(shí)間影響最小, 即A>C>B>D, 由R值可知最優(yōu)水平為A1B2C2D3； 氧化石墨烯用量對(duì)氟氯氰菊酯回收率的影響極其顯著, 洗脫劑對(duì)其影響顯著, 洗脫劑和吸附時(shí)間對(duì)其影響不顯著.

2) 七氟菊酯的回收率受洗脫劑體積影響最大, 石墨烯用量和洗脫劑種類次之, 受吸附時(shí)間影響最小, 即C>A>B>D, 由R值可知最優(yōu)水平為A1B3C2D2； 洗脫劑對(duì)七氟菊酯回收率的影響顯著, 氧化石墨烯用量、洗脫劑體積和吸附時(shí)間對(duì)七氟菊酯回收率的影響不顯著.

3) 氯戊菊酯的回收率受氧化石墨烯用量影響最大, 洗脫劑種類和洗脫劑體積次之, 受吸附時(shí)間影響最小, 即A>C>B>D, 由R值可知最優(yōu)水平為A1B3C2D2； 氧化石墨烯用量對(duì)氯戊菊酯回收率的影響極其顯著, 洗脫劑對(duì)其影響顯著, 洗脫劑體積和吸附時(shí)間對(duì)其影響不顯著.

4) 氯菊酯的回收率受氧化石墨烯用量影響最大, 洗脫劑種類和洗脫劑體積次之, 受吸附時(shí)間影響最小, 即A>C>B>D, 由R值可知最優(yōu)水平為A1B3C2D3； 氧化石墨烯用量和洗脫劑對(duì)氯菊酯回收率的影響極其顯著, 洗脫劑體積對(duì)其影響顯著, 吸附時(shí)間對(duì)其影響不顯著.

5) 聯(lián)苯菊酯的回收率受氧化石墨烯用量影響最大, 洗脫劑種類和洗脫劑體積次之, 受吸附時(shí)間影響最小, 即A>C>B>D, 由R值可知最優(yōu)水平為A1B3C2D3； 氧化石墨烯用量對(duì)聯(lián)苯菊酯回收率的影響極其顯著, 洗脫劑對(duì)其影響顯著, 洗脫劑和吸附時(shí)間對(duì)其影響不顯著.

表1 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2 5種擬除蟲菊酯類農(nóng)藥殘留回收率的極差分析?

?k1,k2,k3為各水平的平均值.

表3 5種擬除蟲菊酯類農(nóng)藥殘留回收率的方差分析?

? **表示影響極其顯著； *表示影響顯著； 未標(biāo)志表示影響不顯著.

綜上, 本文以氧化石墨烯材料為固相萃取的吸附劑, 研究了其對(duì)5種擬除蟲菊酯類農(nóng)藥的萃取性能, 建立了一種液體樣品前處理方法. 通過對(duì)影響固相萃取實(shí)驗(yàn)參數(shù)(氧化石墨烯用量、洗脫劑、洗脫劑體積和萃取時(shí)間等)的考察, 得到了最優(yōu)萃取條件. 在最優(yōu)萃取條件下, 加標(biāo)回收率為65.93%～105.17%, 回收率(RSD)為0.66%～1.90%. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 該方法簡單、快速、高效, 可用于其他液體樣品中擬除蟲菊酯類農(nóng)藥殘留的富集和檢測.