羰基鐵粉摻雜整體柱萃取-在線熱解吸進樣氣相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法分析茶葉樣品中擬除蟲菊酯類農(nóng)藥殘留

吳永慧, 鄧 云, 呂亞寧, 淦五二*

(1. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)系, 安徽 合肥 230026; 2. 合肥海關(guān)技術(shù)中心, 安徽 合肥 230022)

固相微萃取(SPME)是一種簡單、高效且無溶劑的樣品制備技術(shù),可用于選擇性吸附和富集樣品溶液中的目標(biāo)分析物[1,2],主要包括光纖SPME[3-5],管內(nèi)SPME[6,7]和薄膜SPME[8,9]等模式。但它們的萃取層薄且固定相體積小,吸附容量和測定靈敏度并不令人滿意[10]。Baltussen等[11]提出了攪拌棒吸附萃取(SBSE)技術(shù),提高了方法吸附容量和富集倍數(shù)[12]。但由于吸附和熱解吸過程分離,難于進行目標(biāo)分析物在線吸附/解吸過程。

擬除蟲菊酯是一類重要的合成殺蟲劑[13,14]。與傳統(tǒng)的有機氯農(nóng)藥相比,它們具有高效、低毒且可生物降解的特性[15],近年來已被廣泛用于預(yù)防和控制茶產(chǎn)品中的害蟲。但使用不當(dāng)會導(dǎo)致較高殘留量,嚴(yán)重威脅人類健康,直接影響茶葉產(chǎn)品出口。常用檢測茶葉中擬除蟲菊酯類農(nóng)藥的殘留方法是氣相色譜與電子捕獲檢測器聯(lián)用(GC-ECD)[16,17],與火焰離子化檢測器聯(lián)用(GC-FID)或與質(zhì)譜檢測器聯(lián)用(GC-MS)[18-20]。由于茶葉中農(nóng)藥殘留含量低,測定前需要進行預(yù)富集,但傳統(tǒng)的液液萃取和固相微萃取富集倍數(shù)往往不能令人滿意,且不能實現(xiàn)與測量儀器在線聯(lián)用。

本文擬建立一種可以實現(xiàn)整體柱富集和在線熱解吸方法,并與GC-MS/MS聯(lián)用檢測茶葉中擬除蟲菊酯類農(nóng)藥殘留。目標(biāo)分析物在樣品流過整體柱時被吸附和濃縮。隨后,將整體柱置于高頻電磁感應(yīng)加熱裝置中,實現(xiàn)目標(biāo)分析物在線熱解吸進樣。本工作提高了方法的富集倍數(shù),降低了檢出限,可以應(yīng)用于實際樣品中相關(guān)農(nóng)藥殘留成分的分析檢測。

1 實驗部分

1.1 儀器、試劑與材料

GCMS-TQ8040系統(tǒng)氣相色譜-三重四極桿質(zhì)譜儀由GC-2010 Plus氣相色譜儀和TQ-8040三重四極桿質(zhì)譜儀組成(島津); Rtr-5MS毛細管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)(島津); AX-650掃描電子顯微鏡(SEM)(日立); H-7650透射電子顯微鏡(TEM)(日立); EQUINX紅外光譜儀(布魯克); DTG-60H熱重分析儀(島津); UV-VIS-756分光光度計(托普分析儀器有限公司); IFIS-C蠕動泵(瑞邁電子科技有限公司)。

羰基鐵粉(內(nèi)徑6 μm)購自巴斯夫。端羥基聚二甲基硅氧烷(PDMS-OH)(550 g/mol)購自西格瑪。四乙氧基硅烷(TEOS)、聚乙二醇(PEG)、乙醇、二乙胺購自國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

氯菊酯(permethrin,純度99%)、氟氯氰菊酯(cyfluthrin,純度98%)、氯氰菊酯(cypermethrin,純度98%)、α-氯氰菊酯(alphacypermethrin,純度99%)和溴氰菊酯(deltamethrin,純度99%)購自阿爾塔科技有限公司。

茶葉樣品:黃山毛峰(綠茶)和祁門紅茶(紅茶),購自當(dāng)?shù)厥袌觥?/p>

萃取/解吸系統(tǒng)示意圖如圖1所示:目標(biāo)分析物富集于自制的整體柱中,閥門1、2用于切換載氣凈化模式并收集廢液。自制電磁感應(yīng)加熱線圈(EIHC)纏繞在整體柱上,并連接到高頻感應(yīng)加熱電源(HFPS)上進行熱解吸過程。

圖 1 萃取/解吸系統(tǒng)示意圖Fig. 1 Schematic of extraction/desorption system HFPS: high-frequency induction heating power source; MC: monolithic column.

1.2 實驗條件

氣相色譜條件 溫度程序:柱初始溫度為50 ℃(保持1 min),然后以25 ℃/min的速度升至125 ℃,最后以10 ℃/min的速度升至300 ℃并保持15 min;載氣為He,柱流速為1.69 mL/min;使用不分流進樣模式;入口溫度:250 ℃,恒定線速度模式(47.2 cm/s); GC-MS接口溫度為250 ℃。

MS/MS條件 離子源:電子轟擊(EI), 70 eV;離子源溫度:200 ℃;檢測電壓:0.6 kV;噴油器溫度:250 ℃;溶劑延遲時間:1.5 min;多反應(yīng)監(jiān)測(MRM)模式。

熱解吸條件 解吸溫度250 ℃;解吸時間100 s;載氣流速30 mL/min。

于0.7 mL 0.6 mol/L HCl溶液中逐滴加入1.5 mL TEOS和2 mL乙醇,攪拌至溶液澄清透明后,加入1.5 mL PDMS-OH, 60 ℃下恒溫1 h。緩慢滴加0.5 mL 15%(v/v)二乙胺乙醇溶液,并在激烈攪拌下加入2.50 g羰基鐵粉(carbonyl iron powder, CIP)。將所得懸浮液轉(zhuǎn)移至一端密封的熔融石英管中后將另一端密封,于60 ℃下恒溫12 h。最后,分別用乙醇和超純水將整體柱洗滌3次,并在85 ℃下干燥24 h。

將整體柱置于石英管中,在氮氣保護下進行老化:室溫→120 ℃(保持3 h)→240 ℃(保持3 h)→280 ℃(保持4 h)。升溫速率均為1 ℃/min。最后,用水和乙醇清洗整體柱若干次,并置于60 ℃下干燥備用。

1.4 標(biāo)準(zhǔn)溶液和茶葉樣品制備

配制200 mg/L擬除蟲菊酯甲醇標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液,用10%甲醇溶液逐級稀釋得到標(biāo)準(zhǔn)工作溶液。茶葉樣品粉碎并通過40目篩,放入密封袋中使用。稱取15.000 g茶葉樣品(或空白樣品)于三角瓶中,加入30 mL 10%甲醇溶液,超聲提取6 h,然后使用整體柱對樣品進行純化以備后續(xù)使用。

1.5 分析過程

取2 mL樣品溶液于20 mL樣品瓶中,加入18 mL蒸餾水。將樣品溶液以2.0 mL/min的流速通過整體柱后,旋轉(zhuǎn)閥1,載氣(He, 30 mL/min)吹掃殘留的樣品溶液15 s。關(guān)閉閥1,打開HFPS,持續(xù)100 s。最后關(guān)閉閥1、閥2,目標(biāo)分析物由載氣引入氣相色譜儀進行GC-MS/MS分析。離子通道1用于定量分析,其他離子通道用于定性分析。相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。運行時間36.50 min。

表 1 5種擬除蟲菊酯類農(nóng)藥目標(biāo)物的離子通道數(shù)據(jù)

2 結(jié)果與討論

2.1 整體柱的制備

2.1.1磁性顆粒的選擇

整體柱制備過程如圖2所示,TEOS水解產(chǎn)物脫水形成SiO2無機網(wǎng)絡(luò),PDMS-OH通過共價鍵與其聚合。CIP加入到溶膠溶液中后,CIP表面羥基與TEOS水解產(chǎn)物殘留羥基聚合。

圖 2 整體柱材料制備過程示意圖Fig. 2 Schematic diagram of the preparation process of monolithic column material

圖 3 不同磁性顆粒整體柱的掃描電鏡圖Fig. 3 Scan electron microscope(SEM) images of materials with magnetic particlesa. CIP; b. reduced iron powder.

磁性顆粒在整體柱中充當(dāng)加熱介質(zhì)的角色,其分散均勻性直接影響樣品的熱解吸效率。研究分別采用還原鐵粉(30 μm i. d.)和CIP磁性顆粒合成整體柱,掃描電鏡圖像如圖3所示。可以看出,還原鐵粉和CIP磁性顆粒均形成了有機-無機雜化材料骨架結(jié)構(gòu),但含有CIP磁性顆粒的整體柱骨架結(jié)構(gòu)更明顯且分布均勻,且由于CIP磁性顆粒粒徑較均勻,具有高活性,在高頻磁場下?lián)碛懈叽磐?并可通過鐵氧鍵結(jié)合成核,通過Si-O-Si鍵聚集生長,形成包裹層[21],因此實驗選用CIP磁性顆粒作為整體柱填充材料。

2.1.2溶劑的選擇及用量

實驗使用摩爾質(zhì)量為550 g/mol的PDMS-OH,它可以很好地溶于乙醇中。PDMS-OH在整體柱制備中具有兩種作用,一種是增強雜化材料的韌性,TEOS/PDMS體積比通常為5/5至7/3[22],隨著體積比的增加,整體柱材料收縮和斷裂概率也增大;但當(dāng)體積比低于5/5時,也會導(dǎo)致柱材料內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂。同時,PDMS-OH還作為整體柱的固定相,有機成分含量增加有助于提高材料的吸附性能。研究表明當(dāng)TEOS和PDMS的體積比為3/2時,整體柱具有良好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和吸附性能。

PEG常用作整體柱制備過程中的致孔劑[23]。適量的PEG不僅可以保證良好的孔隙率,還可以保證骨架強度。實驗研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)PEG為0.2 g時,所得整體柱的孔隙率大于85%,具有良好的滲透性和穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)。

2.1.3酸/堿催化劑

酸和堿均可用作制備整體柱的催化劑?？紤]到在酸性和堿性條件下水解和縮合的相對反應(yīng)速率差異,本工作中使用兩步酸/堿催化法。

鹽酸選為TEOS水解催化劑。實驗發(fā)現(xiàn)酸濃度會影響水解時間,當(dāng)HCl濃度從0.1 mol/L變化到0.8 mol/L時,水解時間即從4 h減少到1 h。當(dāng)濃度大于0.8 mol/L時,水解時間將進一步縮短。

二乙胺乙醇溶液為縮合催化劑。實驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)二乙胺溶液的體積分?jǐn)?shù)達到15%(v/v)以上時會出現(xiàn)白色沉淀。當(dāng)二乙胺溶液的體積分?jǐn)?shù)從15%降至14%時,膠凝時間即從30 s延長至3 min,導(dǎo)致CIP聚沉。基于水解和形成凝膠的時間范圍,本實驗采用0.6 mol/L HCl和15%二乙胺乙醇溶液。得到的凝膠pH約為7。

2.1.4含水量

含水量是網(wǎng)絡(luò)形成的關(guān)鍵因素。含水量減少將減緩TEOS的水解速率,進而導(dǎo)致TEOS和PDMS之間的縮合進程減緩。然而,水含量過高會發(fā)生自縮合作用,出現(xiàn)材料結(jié)塊情況。圖4顯示了在不同含水量下整體柱材料的SEM圖像。結(jié)果表明,含水量較低時,呈現(xiàn)出許多大小不同的球形顆粒,但未形成網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)(0.6 mL,圖4a)。而含水量過多時,材料發(fā)生了聚結(jié)(0.8 mL,圖4c)。當(dāng)使用0.7 mL水時,材料形成了清晰的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(圖4b)。因此,本實驗使用的水含量為0.7 mL,也即加入的HCl體積為0.7 mL。

圖 4 不同含水量下材料的SEM圖像Fig. 4 SEM images of materials under different water contentsa. 0.6 mL; b. 0.7 mL; c. 0.8 mL.

圖 5 整體柱材料的紅外光譜圖Fig. 5 Infrared spectra of PDMS, TEOS and CIP/SiO2/PDMS

2.2 羰基鐵粉摻雜整體柱(CIP/SiO2/PDMS)雜化材料的特性

研究了整體柱的紅外光譜和熱重特性。從圖5可知PDMS和CIP/SiO2/PDMS在3 308 cm-1附近的吸收帶是羥基的不對稱拉伸振動。縮合后,吸收強度變?nèi)?這意味著許多羥基已經(jīng)反應(yīng),Si-OH吸收帶消失同時PDMS也已連接到無機SiO2網(wǎng)絡(luò)上。2 964 cm-1附近的強峰為-CH3,這些峰在水解后仍保留,表明PDMS已經(jīng)連接到CIP表面。Fe-O-Si的特征吸收峰位于633 cm-1和561 cm-1,表明雜化材料已經(jīng)通過Fe-O-Si化學(xué)鍵連接到CIP的表面。

整體柱熱重特性顯示失重分為3個階段(見圖6):第一階段,低于300 ℃時失重是源于水的蒸發(fā)以及殘留在材料中的有機試劑揮發(fā)和降解;第二階段,在300 ℃至420 ℃之間的失重可能是填充劑等聚合小分子降解;第三階段,420 ℃后,失重急劇增加,表明在這個溫度下,材料開始迅速分解。因此,整體柱在300 ℃以下具有熱穩(wěn)定性,可以滿足工作要求。

圖 6 CIP/SiO2/PDMS雜化材料的熱重曲線Fig. 6 TGA curve of the CIP/SiO2/PDMS material

2.3 樣品預(yù)處理條件的優(yōu)化

研究了丙酮、乙腈和甲醇3種常用提取溶劑對茶葉的提取效果。結(jié)果表明,甲醇對目標(biāo)分析物的總提取效率最高,其次是乙腈和丙酮。因此,本實驗選擇甲醇溶液作為提取溶劑。

研究了提取時間以及氯化鈉含量對提取效率的影響。結(jié)果表明,提取效率隨提取時間延長而增加,6 h后趨于平穩(wěn)。因此,選擇6 h萃取時間以確保達到平衡。而鹽析效應(yīng)不會明顯提高目標(biāo)分析物的提取效率。相反,隨著NaCl含量的增加,目標(biāo)分析物的提取量反而減少,因此,提取時不在樣品中添加氯化鈉。

2.4 整體柱萃取條件的優(yōu)化

2.4.1整體柱的飽和吸附容量

配制0.3 mg/mL的擬除蟲菊酯目標(biāo)物溶液,使其流過整體柱,然后用紫外吸收光譜法進行在線檢測。綜合考慮柱壓力和分析速度,選擇溶液流速為2 mL/min。根據(jù)上樣溶液的質(zhì)量濃度、流速和時間計算飽和吸附容量,5種擬除蟲菊酯的吸附容量分別為18 mg(氯菊酯)、25 mg(氟氯氫菊酯)、31 mg(氯氰菊酯)、29 mg(α-氯氰菊酯)和45 mg(溴氰菊酯)。

2.4.2提取溶劑甲醇的含量和柱流速

樣品提取物中甲醇的體積分?jǐn)?shù)會影響整體柱的富集效率。研究結(jié)果表明,目標(biāo)分析物的富集效率開始隨甲醇體積分?jǐn)?shù)增加而增加,甲醇體積分?jǐn)?shù)高于10%后富集效率下降。因此,本實驗中選擇甲醇的體積分?jǐn)?shù)為10%。

表 2 5種農(nóng)藥的線性關(guān)系、峰面積的RSD、檢出限和回收率

研究了樣品流速(1.0～3.0 mL/min)對目標(biāo)分析物富集效率的影響,結(jié)果如圖7所示,樣品流速設(shè)置為2.0 mL/min時,可獲得最佳的實驗結(jié)果。

圖 7 不同柱流速對5種擬除蟲菊酯類農(nóng)藥目標(biāo)物的富集效率Fig. 7 Enrichment efficiency of five pyrethroid pesticide targets with different column flow rates

2.5 解吸條件優(yōu)化

2.5.1解吸溫度

不同高頻感應(yīng)加熱功率下溫度-時間變化情況如圖8所示,當(dāng)功率為200 W時,10 s內(nèi)溫度可達到250 ℃。為進行有效的樣品熱解吸,加熱溫度應(yīng)高于其沸點(170～195 ℃),并低于其分解溫度和整體柱承受溫度(300 ℃)。因此,工作溫度設(shè)定為250 ℃,相應(yīng)的電磁感應(yīng)加熱功率為200 W。

圖 8 整體柱在不同功率下的溫度-時間曲線Fig. 8 Curve of temperature-time of the monolithic column under different power

2.5.2解吸時間

實驗研究了在20 s至180 s范圍內(nèi)不同解吸時間下擬除蟲菊酯類農(nóng)藥的色譜峰面積,結(jié)果表明峰面積在100 s處峰值達到最大,隨后不再增加。因此,實驗中解吸時間設(shè)置為100 s。

2.5.3載氣流速

載氣流速太低,會導(dǎo)致目標(biāo)分析物難以快速進樣,從而使得峰形變寬且容易產(chǎn)生重疊。相反,如果載氣流速太快,柱壓力則會變高,保留時間提前,得到的峰形往往比較尖銳。當(dāng)載氣流速設(shè)置為30 mL/min時,可獲得最佳結(jié)果。故實驗中的載氣流速設(shè)定為30 mL/min。

2.6 方法評估

將20 mL 0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mg/L標(biāo)準(zhǔn)溶液和樣品溶液以2.0 mL/min的流速依次通過整體柱進行萃取富集,然后進行分析,記錄峰面積,獲得每種成分的標(biāo)準(zhǔn)曲線(峰面積和質(zhì)量濃度之間的線性關(guān)系);取0.6 mg/L標(biāo)準(zhǔn)溶液,連續(xù)進樣6次,測定峰面積的RSD,結(jié)果見表2。根據(jù)信噪比為3(S/N=3)確定檢出限(LOD)。在優(yōu)化后的實驗條件下,分別在綠茶、紅茶空白樣品中做加標(biāo)回收試驗,添加水平為0.02、0.1和0.5 mg/kg,每個水平做6個平行樣,得到的檢出限和回收率數(shù)據(jù)列于表2,結(jié)果顯示本方法具有良好的分析性能。

采用常規(guī)直接進樣法測定了50 μg/L的擬除蟲菊酯類農(nóng)藥溶液,同時用本方法測定0.05 μg/L擬除蟲菊酯溶液,研究方法的富集倍數(shù)。從圖9可以看出,兩種方法峰面積相似,表明在最佳條件下,本方法的富集倍數(shù)約1 000倍。

圖 9 (a)常規(guī)方法和(b)本方法的比較Fig. 9 Comparison of (a) conventional method and (b) this method 1. permethrin 1; 2. permethrin 2; 3. cyfluthrin 1; 4. cyfluthrin 2; 5. cypermethrin 1; 6. cypermethrin 2; 7. alphacypermethrin; 8. deltamethrin 2.

2.7 實際樣品分析

測定了市場上隨機購買的6個茶葉樣品,在1個茶葉樣品中檢出了氯菊酯(含量為0.91 μg/kg)、氯氰菊酯(含量為6.5 μg/kg)和α-氯氰菊酯(含量為13.8 μg/kg),在1個茶葉樣品中檢出氯菊酯(含量為0.89 μg/kg)、氯氰菊酯(含量為7.03 μg/kg)、α-氯氰菊酯(含量為12.1 μg/kg)和溴氰菊酯(含量為15.0 μg/kg),但含量均沒超過歐盟最高殘留量(MRL)規(guī)定(氯氰菊酯的MRL低于0.5 mg/kg、氯菊酯的低于0.1 mg/kg)。其他4個樣品中未檢出擬除蟲菊酯類農(nóng)藥殘留。

3 結(jié)論

本文制備了羰基鐵粉摻雜硅膠整體柱,用于擬除蟲菊酯類農(nóng)藥殘留萃取,并與GC-MS/MS法聯(lián)用,建立了在線富集、熱解吸GC-MS/MS測定茶葉樣品中擬除蟲菊酯類農(nóng)藥殘留方法。首先,目標(biāo)分析物吸附并濃縮在整體柱中;其次,在高頻電磁感應(yīng)加熱裝置中,目標(biāo)分析物實現(xiàn)了熱脫附。本方法簡便,耗時短,靈敏度高,重現(xiàn)性好,回收率穩(wěn)定,能夠滿足國內(nèi)外對茶葉中多種擬除蟲菊酯類農(nóng)藥殘留的檢測要求。整體柱與GC-MS/MS的聯(lián)用也為樣品前處理及復(fù)雜基質(zhì)的富集分析檢測提供了新思路。