鎂鋁鐵層狀金屬氫氧化物固相萃取有機(jī)磷農(nóng)藥的研究

康 彭，朱霞萍，張 貴，李軍亞

(1.成都理工大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)院，四川 成都 610059; 2.四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局四0五地質(zhì)隊(duì)，四川 成都 611830)

0 引 言

一直以來，農(nóng)業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)的命脈，其中糧食產(chǎn)量是保證國民溫飽的重要指標(biāo)。隨著人口數(shù)量的增加，我國糧食需求量也在逐年上漲，為滿足國民生活水平的需求，不得不利用農(nóng)藥驅(qū)趕害蟲。據(jù)統(tǒng)計，我國每年農(nóng)藥施用量高達(dá)55萬噸[1]，其中約70%的農(nóng)藥會直接滲透到土壤或流入水體中，造成土壤、水體的污染。大多數(shù)的農(nóng)藥都具有“致畸、致癌、致突變”的作用[2]，人類位于食物鏈的頂端，通過生物富集和食物鏈的作用，農(nóng)藥所帶給人類的危害不可忽視。因此，研發(fā)農(nóng)藥分析方法，對環(huán)境中農(nóng)藥進(jìn)行監(jiān)控非常有必要。

層狀金屬氫氧化物（LDH）是由層間陰離子和層板陽離子堆積而成的化合物，是一類環(huán)境友好的陰離子型功能層狀材料。LDH層間陰離子的可交換性和層板金屬離子的可調(diào)控，使其在吸附[3-5]、催化[6-7]、醫(yī)藥[8-10]和高分子材料的阻燃[11-12]等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。近年來，LDH被廣泛的應(yīng)用到環(huán)境污染治理中，主要用于污染物的吸附。Jouyban A等[13]將Mg-Al-Fe-LDH作為吸附劑吸附水樣中的砷，飽和吸附容量為8.68 mg/g。Wang X J等[14]將 Mg-Al-Fe-LDH煅燒后得到 Mg-Al-Fe-LDO，利用此材料的記憶效應(yīng)而去除水溶液中的Cr(VI)陰離子，其飽和吸附容量達(dá)到725.61 mg/g。Zhang F等[15]用四氧化三鐵，氧化石墨烯和鎂鋁層狀氫氧化物合成的磁性復(fù)合材料并將用于其去除水溶液中的重金屬Pb（II）和疏水性有機(jī)農(nóng)藥2,4-二氯苯氧基乙酸（2,4-D），當(dāng)Pb（II）和2,4-D的初始濃度為30 mg/L和0.01 mol/L時，去除率分別達(dá)到87.2%和92.5%。

目前LDH環(huán)境領(lǐng)域的研究多是應(yīng)用于吸附重金屬離子，陰離子和有機(jī)物等污染物，但關(guān)于此類材料作為固相萃取劑應(yīng)用于分離富集少見報道。LDH對有機(jī)污染物的吸附作用，本實(shí)驗(yàn)采用共沉淀法制備鎂鋁鐵層狀金屬氫氧化物（Mg-Al-Fe-LDH）復(fù)合材料，并作為固相萃取材料分離富集水中的敵敵畏，樂果，氯吡硫磷和水胺硫磷。本研究拓展了Mg-Al-Fe-LDH在分析領(lǐng)域的應(yīng)用，也為環(huán)境樣品中有機(jī)農(nóng)藥的監(jiān)控提供有意義的前處理方法選擇。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

1.1.1 主要儀器

Crystal 9000氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀（浙江福立分析儀器有限公司）；UV-2 700紫外可見分光光度計（日本島津公司）；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器（鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司）；DHG-9030電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海一恒科學(xué)儀器有限公司）；SHB-Ⅲ循環(huán)水式多用真空泵（鞏義市英峪華科儀器廠）；AS150-A SPE篩板（美國安捷倫科技有限公司）；AZ150 SPE空柱管（美國安捷倫科技有限公司）；YGC-6固相萃取儀（成都雅源科技有限公司）；pHS-3C pH計（上海儀電科學(xué)儀器有限公司）；D8-Advance X射線粉末衍射儀（德國布魯克公司）；Nova-200掃描電子顯微鏡（美國FEI公司）；Escalab 250Xi X射線光電子能譜儀（美國賽默飛世爾科技有限公司）。

1.1.2 主要試劑

乙醇、二氯甲烷、正己烷、環(huán)己烷、乙腈、Mg(NO3)2·6H2O、 Al(NO3)3·9H2O、 Fe(NO3)3·9H2O、NaOH、Na2CO3購自成都科隆化工試劑廠；敵敵畏、樂果、氯吡硫磷、水胺硫磷標(biāo)準(zhǔn)品購于百靈威科技有限公司，以上試劑除特別標(biāo)示外均為分析純，試驗(yàn)用水均為超純水。

1.2 復(fù)合材料的制備

依次稱取30.8 g Mg(NO3)2·6H2O和 15 g Al(NO3)3·9H2O于500 mL燒杯中，加入200 mL超純水，勻速攪拌，得到鎂鋁雙金屬混合硝酸鹽溶液。

依次稱取 30.8 g Mg(NO3)2·6H2O、12 g Al(NO3)3·9H2O和3.23 g Fe(NO3)3·9H2O 于 500 mL燒杯中，加入200 mL超純水，勻速攪拌，得到鎂鋁鐵三金屬混合硝酸鹽溶液。

稱取14.4 g NaOH和12.8 g Na2CO3于250 mL燒杯中，加入200 mL超純水得到堿溶液。分別將鎂鋁雙金屬混合硝酸鹽溶液和鎂鋁鐵三金屬混合硝酸鹽溶液緩慢加入到裝有100 mL超純水的1 000 mL燒杯里，然后將燒杯置于磁力攪拌器上攪拌，同時用堿液將溶液pH調(diào)至10.0±0.5。調(diào)節(jié)完成后，將混合液在室溫下繼續(xù)勻速攪拌1 h，置入電熱鼓風(fēng)干燥箱中，設(shè)置溫度為80 ℃陳化14 h，再抽濾、洗滌至中性，最后將沉淀烘干并研磨過200目篩，得到鎂鋁層狀金屬氫氧化合物（Mg-Al-LDH）和Mg-Al-Fe-LDH復(fù)合材料。

1.3 固相萃取

稱取2 g Mg-Al-Fe-LDH填充到SPE柱中，用SPE篩板將其壓緊，然后將其固定在固相萃取儀上，取100 mL 0.2 μg/mL的農(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)工作液倒入柱中，用真空泵調(diào)節(jié)壓力和流量萃取12 min，待溶液流盡后，取少量超純水沖洗一次萃取柱，再往柱中加入4.5 mL二氯甲烷，洗脫1min后，收集洗脫液測定農(nóng)藥含量。在優(yōu)化固相萃取條件的實(shí)驗(yàn)中選用氯吡硫磷和水胺硫磷作為目標(biāo)物，選用紫外光度法測定農(nóng)藥的含量并計算萃取率，以獲得最佳的萃取條件。

采集田間水，在最佳固相萃取條件下進(jìn)行農(nóng)藥的分離富集，采用氣相色譜質(zhì)譜法測定敵敵畏、樂果、氯吡硫磷、水胺硫磷4種有機(jī)磷農(nóng)藥含量，萃取率的計算公式為

1.4 紫外光度法測定氯吡硫磷和水胺硫磷

氯吡硫磷和水胺硫磷的測定波長分別為 292 nm和221 nm，工作曲線的線性范圍為在0.2～1 μg/mL之間時，兩種農(nóng)藥的質(zhì)量濃度與吸光度線性關(guān)系良好，相關(guān)系數(shù)均大于0.99，檢出限分別為0.010 μg/mL和 0.014 μg/mL。

1.5 氣相色譜-質(zhì)譜測定水樣中四種有機(jī)磷農(nóng)藥

色譜條件：DB-5MS（30 mm×0.25 mm，0.25 μm）石英毛細(xì)管柱，進(jìn)樣口溫度280 ℃，載氣為氦氣，流量 1.2 mL/min，進(jìn)樣量 1 μL，溶劑延遲 5 min，不分流進(jìn)樣，選擇程序升溫為：初始50 ℃保持2 min，30 ℃/min升溫至180 ℃ 保持10 min，再以30 ℃/min升至270 ℃保持2 min。質(zhì)譜條件：電子轟擊離子源（EI），電子能量70 eV，離子源溫度 230 ℃，傳輸線溫度270 ℃。通過全掃描和選擇離子掃描模式對敵敵畏、樂果、氯吡硫磷和水胺硫磷進(jìn)行測定，選取各自的定性、定量離子，結(jié)果見表1。對4種有機(jī)磷的標(biāo)準(zhǔn)混合溶液進(jìn)行測定，得到4種有機(jī)磷農(nóng)藥的分離圖如圖1所示。4種有機(jī)磷農(nóng)藥能很好地分離，且峰形尖銳對稱，保留時間分別為：敵敵畏6.251 min、樂果 10.390 min、氯吡硫磷 16.783 min、水胺硫磷17.241 min。

表1 四種有機(jī)磷農(nóng)藥的定性和定量離子的選擇

圖1 4種有機(jī)磷農(nóng)藥的色譜圖

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與吸附性能

2.1.1 復(fù)合材料對氯吡硫磷和水胺硫磷的吸附性能

分別稱取0.2 g Mg-Al-LDH和Mg-Al-Fe-LDH復(fù)合材料于50 mL錐形瓶中，加入一定濃度梯度的氯吡硫磷和水胺硫磷標(biāo)準(zhǔn)工作液10 mL。固液比為1∶50，在25 ℃恒溫振蕩2 h。離心分離，測定上清液殘留農(nóng)藥含量，計算吸附量，結(jié)果如圖2所示。圖中a和b分別是Mg-Al-LDH對氯吡硫磷和水胺硫磷的飽和吸附量，c和d分別是Mg-Al-Fe-LDH對氯吡硫磷和水胺硫磷的飽和吸附量，可以看出隨著初始濃度的增加，復(fù)合材料對氯吡硫磷和水胺硫磷的平衡吸附容量均增大。對Mg-Al-LDH，當(dāng)氯吡硫磷和水胺硫磷的濃度達(dá)到100 μg/mL時，吸附基本達(dá)到平衡，Mg-Al-LDH對氯吡硫磷和水胺硫磷的飽和吸附容量分別為1.0 mg/g、0.9 mg/g；對Mg-Al-Fe-LDH，當(dāng)氯吡硫磷和水胺硫磷的濃度初始濃度達(dá)到200 μg/mL時，吸附達(dá)到平衡，Mg-Al-Fe-LDH對氯吡硫磷和水胺硫磷的飽和吸附容量分別為2.0 mg/g、1.5 mg/g。對比 Mg-Al-LDH，Mg-Al-Fe-LDH對氯吡硫磷和水胺硫磷的飽和吸附容量分別提高了2倍和1.7倍。Mg-Al-LDH和Mg-Al-Fe-LDH均為層狀金屬化合物，對有機(jī)磷具有吸附作用，而Mg-Al-Fe-LDH中由于鐵取代部分鋁進(jìn)入層板，具備有機(jī)磷農(nóng)藥中硫和磷的親和力，增強(qiáng)了對農(nóng)藥的吸附性能。

圖2 Mg-Al-LDH和Mg-Al-Fe-LDH的飽和吸附容量

2.1.2 SEM分析

圖3是不同放大倍數(shù)下的Mg-Al-Fe-LDH的SEM譜圖，從圖中可以看出復(fù)合材料為大小不均勻的片狀結(jié)構(gòu)，符合層狀氫氧化合物的微觀形貌，且可以看出復(fù)合材料的分散性比較好，輪廓清晰可見。

圖3 Mg-Al-Fe-LDH的SEM圖譜

2.1.3 XRD分析

圖4是Mg-Al-Fe-LDH的吸附氯吡硫磷前后的XRD譜圖。從圖中可以看出復(fù)合材料在2θ=11.34°、23.00°、34.45°、60.31°、61.55°時的衍射峰分別對應(yīng)（003）、（006）、（009）、（110）和（113）的晶面衍射，表現(xiàn)出明顯的層狀氫氧化合物特有結(jié)構(gòu)特征衍射峰，并且峰型比較尖銳，峰強(qiáng)度高，說明復(fù)合材料的結(jié)晶度好，晶體結(jié)構(gòu)比較完整。吸附氯吡硫磷后材料的晶體結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化，根據(jù)布拉格方程計算出（003）晶面的層間距，吸附農(nóng)藥后層間距從0.780 nm變化到0.782 nm，層間距也未發(fā)生明顯的變化。

圖4 Mg-Al-Fe-LDH吸附農(nóng)藥前后的X射線衍射圖譜

2.1.4 XPS分析

圖5是Mg-Al-Fe-LDH吸附氯吡硫磷前后的XPS圖譜，圖中分別是Mg-Al-Fe-LDH（a）和Mg-Al-Fe-LDH吸附農(nóng)藥后的XPS圖譜。材料在1 303 eV、711 eV、73 eV顯示了Mg、Fe、Al 3種元素的峰，氯吡硫磷分子中含有N、S、P，材料吸附農(nóng)藥后在404 eV、165 eV、131 eV出現(xiàn)了N、S、P 3種元素峰。

圖5 Mg-Al-Fe-LDH和Mg-Al-Fe-LDH吸附農(nóng)藥后的XPS圖譜

2.1.5 吸附機(jī)理

Mg-Al-Fe-LDH是層狀化合物，層間可吸附有機(jī)磷農(nóng)藥，另外，鐵取代部分鋁進(jìn)入層板，F(xiàn)e3+的4s能級上有空軌道，可以與有機(jī)磷農(nóng)藥中含有孤對電子的磷和硫生成配位鍵，進(jìn)一步增強(qiáng)了對農(nóng)藥的吸附能力。吸附機(jī)理如圖6所示。

圖6 Mg-Al-Fe-LDH對氯吡硫磷的吸附機(jī)理

2.2 固相萃取條件的選擇

2.2.1 萃取材料的用量

實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了固相萃取材料的用量對萃取率的影響，結(jié)果如圖7（a）所示。隨著萃取材料用量的增加，兩種農(nóng)藥的萃取率逐漸增加，在吸附材料為2 g時，氯吡硫磷和水胺硫磷的萃取率達(dá)到峰值75.1%和69.7%，之后基本維持不變。因此，本實(shí)驗(yàn)選擇固相萃取材料的用量為2 g。

2.2.2 萃取時間

萃取時間對萃取率的影響如圖7（b）所示。隨著萃取時間的增加，兩種農(nóng)藥萃取率出現(xiàn)先增加后緩慢減小趨勢，在萃取時間為12 min時，氯吡硫磷和水胺硫磷的萃取率達(dá)到峰值73.9%和69.0%，然后緩慢減小。萃取時間過短，農(nóng)藥萃取不完全；當(dāng)萃取時間太長，萃取過程中農(nóng)藥可能會揮發(fā)使萃取率減小。因此，本實(shí)驗(yàn)選擇萃取時間為12 min。

2.2.3 洗脫劑及其用量的選擇

選擇了二氯甲烷（Dichloromethane），正己烷（n-Hexane），環(huán)己烷（Cyclohexane）和乙腈（Acetonitrile）四種有機(jī)溶劑作為有機(jī)磷農(nóng)藥洗脫劑，結(jié)果如圖7（c）所示。環(huán)己烷和正己烷洗脫效果最差，萃取率均小于50.0%；乙腈的洗脫效果較好，萃取率在64.0%左右；二氯甲烷的洗脫效果最佳，萃取率能達(dá)到70.0%左右。因此，本實(shí)驗(yàn)選擇二氯甲烷作為兩種農(nóng)藥的洗脫劑。進(jìn)一步優(yōu)化其用量對兩種農(nóng)藥萃取率的影響，結(jié)果如圖7（d）所示。隨著二氯甲烷用量的增加，氯吡硫磷和水胺硫磷的萃取率先增大到73.9%和69.7%后基本不變。洗脫劑用量少時，農(nóng)藥洗脫不完全；當(dāng)洗脫劑用量超過4.5 mL時，兩種農(nóng)藥可以完全洗脫下來。因此，本實(shí)驗(yàn)選擇二氯甲烷的用量為4.5 mL。

2.2.4 洗脫時間

洗脫時間對萃取率的影響如圖7（e）所示。當(dāng)洗脫時間大于1 min時，兩種農(nóng)藥的萃取率都出現(xiàn)了逐漸下降的趨勢，這是可能是由于二氯甲烷也是易揮發(fā)的有機(jī)溶劑，二氯甲烷揮發(fā)過程帶走部分農(nóng)藥，導(dǎo)致了萃取率的下降。因此，本實(shí)驗(yàn)選擇洗脫時間為1 min。

2.2.5 材料的重復(fù)利用性能

作為固相萃取材料，能否重復(fù)利用也是其重要指標(biāo)。稱取2 g Mg-Al-Fe-LDH復(fù)合材料并裝填于固相萃取柱中。加入100 mL 0.2 μg/mL氯吡硫磷和水胺硫磷溶液，在最佳萃取條件下進(jìn)行固相萃取，然后收集洗脫液測定。取出復(fù)合材料，烘干，重復(fù)以上步驟，本次實(shí)驗(yàn)對復(fù)合材料重復(fù)使用了5次，結(jié)果如圖7（f）所示。復(fù)合材料在前3次的重復(fù)利用中萃取率基本沒有變化，對氯吡硫磷和水胺硫磷的萃取率維持在73.3%和68.8%左右。第4次和第5次的萃取率稍有下降，分別為第1次萃取率的85.4%、87.4%和76.4%和75.3%，材料重復(fù)使用4次基本能保證萃取效果。

圖7 固相萃取條件的優(yōu)化

2.3 方法的工作曲線、精密度及檢出限

配制 0.005，0.01，0.05，0.1，0.5，1，5，10 ng/mL的敵敵畏、樂果，氯吡硫磷和水胺硫磷混合標(biāo)準(zhǔn)溶液。按照優(yōu)化條件進(jìn)行固相萃取，并在選定的GCMS儀器條件下測定，以有機(jī)農(nóng)藥的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，峰面積為縱坐標(biāo)繪制工作曲線。逐級稀釋有機(jī)磷農(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)工作液并按照實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行測定，對儀器檢測出的最小濃度連續(xù)進(jìn)樣11次，得到11次連續(xù)進(jìn)樣的標(biāo)準(zhǔn)偏差，以3倍信噪比(3S/N)計算出方法檢出限。對質(zhì)量濃度為0.5 ng/mL的有機(jī)磷農(nóng)藥混合標(biāo)準(zhǔn)按照實(shí)驗(yàn)方法每隔1 h測定一次，共測定5次，計算出日內(nèi)精密度。4種有機(jī)磷農(nóng)藥的線性范圍、線性回歸方程、相關(guān)系數(shù)，檢出限和精密度如表2所示。4種有機(jī)磷農(nóng)藥的濃度在0.01～10 ng/mL之間與峰面積線性關(guān)系良好，相關(guān)系數(shù)均大于 0.99，檢出限在 0.001～0.03 ng/mL之間，RSD在1.1%～3.6%之間。

表2 工作曲線、精密度及檢出限

2.4 有機(jī)農(nóng)藥檢測方法的比較

表3列出了采用其他固相材料結(jié)合GC-MS測定有機(jī)農(nóng)藥的方法參數(shù)。與現(xiàn)有文獻(xiàn)相比，本法的精密度好，線性范圍相當(dāng)或更寬，檢出限更低，回收率較好，雖然本實(shí)驗(yàn)只測定了4個農(nóng)藥但應(yīng)用到稻田水，其基體更復(fù)雜。

表3 本實(shí)驗(yàn)與其他有機(jī)農(nóng)藥檢測方法的比較

2.5 樣品測定結(jié)果

在四川南充采集稻田水兩份，經(jīng)0.45 μm玻璃纖維膜過濾。按2.3所述實(shí)驗(yàn)方法對樣品進(jìn)行測定，同時加入10 ng/mL的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液1 mL做加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。

表4 稻田水中有機(jī)磷農(nóng)藥的測定結(jié)果

由表4可以看出，水樣1中氯吡硫磷的檢出量為0.380 ng/mL；水樣2中氯吡硫磷、水胺硫磷的檢出量分別為0.132 ng/mL、0.173 ng/mL，兩份水樣中的敵敵畏和樂果均未被檢出。4種有機(jī)磷農(nóng)藥的加標(biāo)回收率在95.0%～120%之間，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（n=5）在1.2%～6.5%之間。根據(jù)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定地表水中敵敵畏、樂果的含量限值為 0.05 μg/mL、0.08 μg/mL，在國標(biāo)中沒有氯吡硫磷和水胺硫磷的含量限值，本實(shí)驗(yàn)氯吡硫磷和水胺硫磷的含量限值選擇參考同是有機(jī)磷農(nóng)藥的敵敵畏、樂果的含量限值?？梢姡咎锼畼又袡z測出的有機(jī)磷農(nóng)藥的含量均在允許濃度范圍內(nèi)。

3 結(jié)束語

以Mg-Al-Fe-LDH作為固相萃取材料，結(jié)合GC-MS成功測定了稻田水中超痕量的敵敵畏，樂果，氯吡硫磷和水胺硫磷。Mg-Al-Fe-LDH復(fù)合材料作為固相萃取劑，對4種有機(jī)磷農(nóng)藥的分離富集效果好，建立的分析方法線性范圍寬、檢出限低、準(zhǔn)確度高，能應(yīng)用于基體較為復(fù)雜的實(shí)際環(huán)境樣品中有機(jī)磷農(nóng)藥的檢測。Mg-Al-Fe-LDH是一種有前景的有機(jī)磷農(nóng)藥固相萃取材料，有望應(yīng)用于其他有機(jī)磷農(nóng)藥或是疏水性有機(jī)污染物的固相萃取。