硼酸官能化金屬-有機骨架磁性納米復合材料的制備及其在茶葉農(nóng)藥殘留檢測中的應用

王楓雅, 馮 亮

(1.中國科學院大連化學物理研究所, 中國科學院分離分析化學重點實驗室, 遼寧 大連 116023; 2.中國科學院大學, 北京 100049)

茶葉具有降低血壓、預防糖尿病、骨質(zhì)疏松癥和心血管疾病的功效[1]。然而在茶葉生產(chǎn)過程中,為了防治害蟲、雜草和病害,不可避免地需要使用殺蟲劑。過量殺蟲劑的噴灑會損害人體健康,影響茶葉的質(zhì)量,帶來產(chǎn)品銷售和出口的損失[2]。因此,茶葉中農(nóng)藥殘留量的測定對于公共衛(wèi)生安全具有十分重要的意義。許多國家和國際組織已經(jīng)頒布了法定的茶葉農(nóng)藥最大殘留量(MRL),以保護消費者的健康并規(guī)范國際茶葉貿(mào)易[3]。在使用氣相色譜或液相色譜法對茶葉中農(nóng)藥殘留進行檢測時,茶多酚等大量基質(zhì)成分會對檢測結(jié)果造成嚴重干擾,導致假陰性或假陽性,甚至也會對儀器離子源造成污染[4,5]。

復雜基質(zhì)中痕量目標成分的檢測主要依賴于樣品前處理對基質(zhì)成分進行吸附凈化。目前常用的樣品前處理方法主要包括固相萃取(SPE)[6]、凝膠滲透色譜法(GPC)[7]、液-液微萃取[8]、超臨界流體萃取(SFE)[9]等。在這些方法中,基于分散固相萃取(d-SPE)的QuEChERS方法[10]已廣泛用于復雜樣品前處理。在該技術(shù)中,關(guān)鍵組成是吸附凈化劑。其中,經(jīng)典的吸附劑包括乙二胺-N-丙基硅烷(PSA),石墨炭黑(GCB)和十八烷基(C18)。然而對于不同類型的樣品基質(zhì),通常需要組合多種吸附劑,沒有吸附專一性。因此,根據(jù)茶葉中主要的基質(zhì)成分,開發(fā)針對茶葉基質(zhì)的特異性吸附材料,在提高凈化效率方面具有重要意義。

金屬有機骨架(MOF)作為近年來新興的吸附材料,具有比表面積大,孔徑可調(diào)諧等性質(zhì),在分離領(lǐng)域顯示出了廣闊的前景[11],對色素、染料等化合物展現(xiàn)出優(yōu)異的吸附性能[12]。硼親和材料(BA)是一種可以選擇性分離富集順式二羥基生物分子的功能性材料,硼酸配體可以可逆地與順式二羥基結(jié)構(gòu)化合物(如糖蛋白、糖類、核苷酸等活性成分)相結(jié)合,在食品檢測、生物分離等方面應用廣泛。茶多酚含有大量順式二羥基結(jié)構(gòu)[13],可通過硼親和材料選擇性地分離富集[14]。開發(fā)具有硼酸親和基團的MOF材料,對于茶多酚等分子的吸附分離具有重要的意義。近年來,通過引入配體片段(5-硼苯-1,3-二羧酸(BBDC))方式協(xié)同參與功能性MOF的合成,引起了較大的關(guān)注。Gu等[15]采用一種簡便的金屬-配體-片段共組裝方法來制備具有硼酸官能化的Cr(Ⅲ)基MOF,所得的MOF納米顆粒在分離順式二醇結(jié)構(gòu)的生物分子方面展現(xiàn)出優(yōu)異的效果,為功能化MOF的制備提供了一種簡便而有效的方法。但是,由于MOF顆粒尺寸較小,在固液分離或過濾過程中處理困難,且易于泄露。此外,MOF材料中使用重金屬(例如Cr(Ⅲ))具有高毒性,對環(huán)境造成潛在污染[16],因此,使用低毒的過渡金屬(例如Zn(Ⅱ)),采用引入配體片段的策略制備功能性MOF吸附材料,在復雜樣品的前處理分離中將具有重要的應用價值。

在這項研究中,我們將Fe3O4磁性納米粒子與具有高吸附性能的鋅基MOF結(jié)構(gòu)相結(jié)合,同時引入硼酸配體,成功構(gòu)建硼酸官能化金屬-有機骨架磁性納米復合材料(Fe3O4@BA-MOF),將其應用于茶葉農(nóng)藥殘留檢測過程中茶多酚等基質(zhì)的特異性凈化吸附。對復合材料吸附條件進行優(yōu)化后,結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù),建立了一種茶葉樣品中農(nóng)藥殘留的有效分析方法。

1 實驗部分

1.1 儀器、試劑與材料

Persee TU-1901紫外分光光度計(北京普析通用儀器有限責任公司); JEM-7800F掃描電子顯微鏡(JEOL,日本); LC-20A型HPLC系統(tǒng)(Shimadzu,日本); 8890A-5977B氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(Agilent,美國); FTIR-Nicolet iS50傅里葉變換紅外光譜儀(Thermo fisher,美國); X射線粉末衍射儀(PANalytical,德國)。

六水合氯化鐵、乙酸鈉、己二醇、聚乙二醇、N,N′-二甲基甲酰胺(DMF)、對苯二甲酸、5-硼苯-1,3-二羧(分析純,上海阿拉丁生化科技股份有限公司);弗羅里硅土(Florisil)、乙二胺-N-丙基硅烷(PSA)(上海麥克林生化科技有限公司);純凈水(杭州娃哈哈集團有限公司);乙腈、甲醇(色譜純,國藥集團化學試劑有限公司);農(nóng)藥混合標準溶液(包括4-溴-3,5-二甲苯基-N-甲基氨基甲酸酯-1(4-bromo-3,5-dimethylphenyl-N-methylcarbamate-1)、三正丁基磷酸鹽(tri-iso-butyl phosphate)、蔬果磷(dioxabenzofos)、脫乙基另丁津(desethyl-sebuthylazine)、合成麝香(musk ambrette)、麥穗靈(fuberidazole)、2-甲-4-氯丁氧乙基酯(2-methyl-4-chlorobutoxyethyl ester)、滅菌磷(ditalimfos)、威菌磷(triamiphos)及芐呋菊酯(resmethrin),純度99%,上海安譜實驗科技股份有限公司);綠茶(大連市家樂福超市)。

1.2 Fe3O4@BA-MOF納米復合材料的制備

1.2.1Fe3O4磁性納米粒子的制備

根據(jù)文獻[17],采用經(jīng)典水熱合成法制備Fe3O4磁性納米粒子。首先將六水合氯化鐵(1.35 g)溶解在40 mL己二醇中,形成澄清的橙黃色溶液;然后向上述溶液中添加3.6 g無水乙酸鈉和1.0 g聚乙二醇,將混合物劇烈攪拌30 min,并密封在反應釜中,在200 ℃下反應10 h,得到Fe3O4磁性納米粒子。通過磁鐵收集反應得到的Fe3O4磁性納米粒子,分別使用超純水及乙醇反復洗滌樣品后,置于真空干燥箱中進行真空干燥。

1.2.2Fe3O4@BA-MOF納米復合材料的制備

根據(jù)文獻[18],將0.05 g Fe3O4與3.0 g六水合硝酸鋅混合于15 mL DMF試劑中,常溫攪拌4 h。隨后將配體對苯二甲酸(45 mg)及5-硼酸-1,3-二羧酸(4.5 mg)加入體系中。將混合物攪拌30 min后加入反應釜中,密封,120 ℃水熱反應6 h。使用磁鐵收集反應得到的Fe3O4@BA-MOF納米復合材料,分別使用超純水及乙醇反復洗滌樣品后,置于真空干燥箱中進行真空干燥。

1.3 樣品前處理

將茶葉樣品研磨成粉末,混勻后稱取10 g加入50 mL離心管中,加入30 mL去離子水(60 ℃)超聲提取30 min。然后將混合物以4 000 r/min離心20 min。收集上清液,作為茶葉提取液,用于后續(xù)凈化處理。

1.4 茶葉中基質(zhì)的磁性吸附及凈化

稱取50 mg的Fe3O4@BA-MOF,加入2 mL茶葉提取液,調(diào)節(jié)pH至7.0。振蕩10 min后,通過外部磁鐵將吸附材料吸引至管壁,吸取管中澄清液體。加入0.5 mL乙腈提取溶液中的農(nóng)藥,振蕩30 s后加入無水硫酸鎂(500 mg), 3 000 r/min離心后取有機相進行氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析。

1.5 茶多酚的檢測條件

根據(jù)文獻[19],使用分光光度計在273 nm處對茶葉中的茶多酚總量進行檢測,并使用高效液相色譜儀對茶多酚吸附情況進行表征。根據(jù)文獻[20]分析方法,使用SPD-M20A光電二極管陣列檢測器,分析柱為C18柱(250 mm×4.6 mm, 5 μm, Waters,美國)。分析條件如下:流動相由甲醇-水(20∶80, v/v)組成;流速為1 mL/min;柱溫保持在25 ℃;檢測波長設置為273 nm;進樣量為10 μL。

1.6 農(nóng)藥的氣相色譜-質(zhì)譜檢測條件

色譜柱:HP-5(30 m×0.25 mm×0.25 μm, Agilent,美國)石英毛細管柱。色譜柱溫度程序:40 ℃保持1 min,以30 ℃/min升溫至130 ℃,然后以5 ℃/min升溫至250 ℃,再以10 ℃/min升溫至300 ℃,保持5 min;進樣口溫度:290 ℃;進樣量:1 μL;電子轟擊源:70 eV;離子源溫度:230 ℃;傳輸線溫度:280 ℃;采用選擇離子監(jiān)測模式(SIM)掃描。

2 結(jié)果與討論

2.1 Fe3O4@BA-MOF納米復合材料的制備

MOF由于其較大的比表面積,孔徑可調(diào)節(jié)性和高孔隙率而被廣泛應用到分析檢測過程中樣品的分離富集。通過配體與目標物之間的π-π相互作用力,可快速吸附色素,染料等化合物[21]。在此基礎上,將具有茶多酚特殊識別功能的硼酸基團(5-硼苯-1,3-二羧酸)引入MOF材料的有機配體中,可有效提高MOF的識別選擇性[15],應用于茶葉農(nóng)藥殘留分析過程中的基質(zhì)凈化吸附。

對制備的Fe3O4及Fe3O4@BA-MOF樣品進行掃描電鏡分析,觀察其形貌。如圖1a所示,通過水熱法制得的Fe3O4粒子分布均勻,粒徑分布范圍在400～500 nm之間;經(jīng)過以硼酸為配體的鋅基MOF材料修飾后(見圖1b),可以清楚看到Fe3O4磁性粒子均勻分布于MOF內(nèi)部。

通過FT-IR對制備的Fe3O4及Fe3O4@BA-MOF復合材料的基團構(gòu)成進行表征。如圖1c所示,585 cm-1處的吸收峰可歸因于Fe3O4中Fe-O-Fe的伸縮振動[22],這一特征峰在Fe3O4@BA-MOF復合材料中仍可發(fā)現(xiàn)。在Fe3O4@BA-MOF的紅外譜圖中可清楚地觀察到1 506 cm-1及832 cm-1處MOF配體對苯二甲酸的-C=O與苯環(huán)伸縮振動峰,同時在1 389 cm-1處存在硼酸配體中的B-O鍵的伸縮振動峰[23]。

另外,使用XRD對制備的Fe3O4及Fe3O4@BA-MOF納米復合材料的晶體結(jié)構(gòu)進行了表征。如圖1d所示,Fe3O4在2θ=30.2°、35.6°、43.3°、53.7°、57.2°及62.8°處出現(xiàn)了特征峰,分別代表(220)、(311)、(400)、(422)、(511)及(440)晶面。與Fe3O4相比,Fe3O4@BA-MOF在10°附近出現(xiàn)了特征峰,這是由BA-MOF形成引起的,與文獻[22]報道一致。

2.2 Fe3O4@BA-MOF吸附性能

如圖2a所示,將Fe3O4@BA-MOF吸附材料加入茶葉提取液后,溶液中茶多酚含量迅速降低,在5 min內(nèi)減少74.58%。隨著吸附時間的延長,逐漸達到平衡,在20 min內(nèi)Fe3O4@BA-MOF對茶多酚的吸附效果達到78.78%。

圖2 (a)吸附時間、(b)溶液pH、(c)吸附劑添加量對茶多酚的吸附效率影響(n=3)

溶液pH值可能影響Fe3O4@BA-MOF中硼酸配體對茶多酚的親和力,是影響茶葉基質(zhì)吸附效果的關(guān)鍵因素。因此,首先考察不同pH值(2.0、4.0、6.0、7.0)條件下,溶液中茶多酚的吸附效率。如圖2b所示,在低pH值的酸性條件下,Fe3O4@BA-MOF對茶葉基質(zhì)的吸附效率僅為50%。隨著溶液pH增大,材料對茶多酚的吸附效果逐漸增強,這一現(xiàn)象與文獻中的報道一致[22]。由于部分農(nóng)藥在堿性條件下會發(fā)生分解,因此將提取條件定為pH 7.0。

在這項研究中,鋅基MOF材料為基質(zhì)吸附過程提供了較大的比表面積。然而樣品制備過程中,使用過量的吸附材料可能對目標農(nóng)藥的回收率和共提取物的凈化效率產(chǎn)生直接影響[24]。因此,在確定吸附pH值后,本實驗對吸附劑的用量也進行了考察。如圖2c所示,在2 mL的茶葉提取液中,隨著吸附劑用量逐漸增加(5、10、30、50、80 mg), Fe3O4@BA-MOF對茶多酚的吸附效率也逐漸增強。當吸附劑用量高于50 mg時,吸附效果變化不明顯。

綜上,確定Fe3O4@BA-MOF的吸附條件為吸附時間5 min,溶液pH為7.0,吸附劑添加量為50 mg,并在此條件下進行后續(xù)實驗。

2.3 重復使用性

作為色譜分離中的經(jīng)典材料,硼酸親和材料可通過溶液pH值,控制硼酸配體與順式二醇化合物之間可逆的共價相互作用,實現(xiàn)目標物的“捕獲和釋放”過程[25]。在堿性條件下選擇性捕獲順式二醇化合物,形成硼酸酯結(jié)構(gòu)絡合物,而在酸性條件下自動解離[26]。利用硼酸親和材料的pH響應性,我們通過使用0.1 mol/L NaOH及HCl調(diào)節(jié)溶液pH,在pH 6.0的條件下對Fe3O4@BA-MOF中吸附的茶多酚進行解吸。通過4個連續(xù)的吸附再生循環(huán)對Fe3O4@BA-MOF進行評估,與初始值相比,經(jīng)過4個循環(huán)后,Fe3O4@BA-MOF對茶多酚的吸附效率僅降低了2.57%,少量的損失可能歸因于循環(huán)過程中特異性結(jié)合位點的減少以及基質(zhì)中色素在MOF晶體結(jié)構(gòu)中的孔隙填充[27]?？偟膩碚f,Fe3O4@BA-MOF在4個循環(huán)中具有良好的再生能力。

2.4 與商品化吸附材料的效果對比

在茶葉的前處理方法中,Florisil及PSA作為經(jīng)典的吸附材料,廣泛應用于茶葉中色素、有機酸等基質(zhì)的吸附處理[24]。實驗考察了Fe3O4@BA-MOF與Florisil、PSA對茶多酚的吸附效果差異。稱取相同質(zhì)量的吸附材料,置于茶葉提取液中,充分振蕩后,離心分離基質(zhì)凈化液,使用分光光度計測定溶液中茶多酚的含量。結(jié)果表明,Fe3O4@BA-MOF、Florisil及PSA對茶多酚的吸附效率分別是78.78%、57.97%及77.34%。作為正相吸附劑,弗羅里硅土在茶多酚的吸附方面缺乏特異性[28],造成吸附效率較低。Fe3O4@BA-MOF與商品化PSA吸附劑對茶多酚去除效率相當,證明其在茶葉基質(zhì)凈化方面具有一定的實用性。

為避免污染質(zhì)譜的離子源,采用高效液相色譜考察了凈化效果,如圖3所示,經(jīng)過Fe3O4@BA-MOF凈化后,色譜圖中干擾成分的色譜峰顯著減少,可有效地提高樣品檢測的準確度。同時,本方法中的樣品前處理相較于傳統(tǒng)固相萃取有著極大的簡化。Fe3O4磁性納米粒子的摻雜使吸附材料具有良好的順磁性,在外部磁鐵的作用下,快速分離吸附材料,提高前處理效率(見圖3b, 3c)。

圖3 茶葉提取液經(jīng)由Fe3O4@BA-MOF處理前后的(a)高效液相色譜圖及(b,c)磁分離照片

2.5 Fe3O4@BA-MOF在茶葉農(nóng)殘檢測中的應用

在實際樣品的氣相色譜分析中,基質(zhì)中的熱敏性分析物可能會在儀器襯管和色譜柱的活性位點分解,導致峰形失真。同時,共提取物會與目標農(nóng)藥競爭進樣口或柱頭的金屬離子、硅烷基等活性位點,導致色譜信號增強[29]。因此,研究開發(fā)針對樣品基質(zhì)的吸附材料,對實際應用中農(nóng)藥殘留量的檢測具有重要意義。取茶葉空白樣品,經(jīng)過前處理吸附凈化后(依照1.3、1.4節(jié)方法)得到空白基質(zhì)溶液。以空白基質(zhì)溶液稀釋農(nóng)藥混合標準溶液(根據(jù)文獻[30]選擇10種茶葉中常見的農(nóng)藥),配制成基質(zhì)混合標準溶液,通過氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀進行檢測。以目標物的峰面積(y)對質(zhì)量濃度(x)進行線性回歸分析,在1～10 mg/L的線性范圍內(nèi),測得混合標準溶液中各農(nóng)藥的線性良好。以信噪比(S/N)=3確定10種農(nóng)藥的檢出限(LOD),以S/N=10確定10種農(nóng)藥的定量限(LOQ)(見表1)。

表1 10種農(nóng)藥的線性方程、質(zhì)譜參數(shù)及檢出限

在陰性茶葉樣品中添加一定濃度的農(nóng)藥混合標準溶液,依照1.3、1.4節(jié)方法進行樣品前處理,然后進行GC-MS分析。結(jié)果如表2所示,10種農(nóng)藥的平均加標回收率為75.8%～138.6%, RSD為0.5%～18.7%(n=3),表明該方法適用于茶葉中農(nóng)藥的檢測分析。

表2 10種農(nóng)藥加標回收率及精密度(n=3)

3 結(jié)論

本研究針對茶葉農(nóng)藥殘留檢測中前處理復雜等問題,制備了一種特異吸附茶葉基質(zhì)的磁性固相萃取吸附劑Fe3O4@BA-MOF。結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜,建立了一種有效測定茶葉中農(nóng)藥的方法。磁性納米粒子與鋅基MOF結(jié)構(gòu)相結(jié)合,將硼酸配體引入MOF結(jié)構(gòu)中,針對茶多酚等基質(zhì)成分具有吸附特異性,制備方法簡單,可以有效簡化樣品前處理步驟。本方法在針對茶葉中農(nóng)藥殘留分析方面具有較高的應用價值和廣闊的應用前景,但對于茶葉基質(zhì)中咖啡堿、有機酸等成分消除能力較弱,仍需要進一步的探索研究。