基于聚乙烯吡咯烷酮功能化磁性氧化石墨烯固相萃取雞飼料中Cu（II）、Zn（II）、Cr（III）、Cd（II）和Pb（II）離子

邱素艷，俞熙仁，董一帆，魏益華，黃 琴，張大文*

（1.江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全與標(biāo)準(zhǔn)研究所，江西 南昌 330200；2.江西省農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330200）

我國(guó)16.67%的耕地受到了重金屬污染，重金屬可經(jīng)食物鏈轉(zhuǎn)移到耕地的相關(guān)農(nóng)作物中，如水稻、玉米、飼草等。這與近幾年發(fā)現(xiàn)的飼料及其原料中重金屬污染嚴(yán)重的現(xiàn)象相吻合。2012年，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部對(duì)全國(guó)30 個(gè)省市的飼料重金屬含量進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)70%的飼料原料中As、Cr、Pb、Cd 等重金屬元素含量超標(biāo)。陳甫等［1］對(duì)山東省肉雞飼料原料中的重金屬污染情況進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)原料中Cr 污染最為嚴(yán)重，且As、Cr、Pb、Cd 的檢出率分別高達(dá)32.29%、100.00%、7.29%和12.50%。楊柳等［2］對(duì)172份雞飼料原料中的重金屬污染進(jìn)行調(diào)查，同樣發(fā)現(xiàn)Cr超標(biāo)最為嚴(yán)重，其次為Pb，個(gè)別飼料出現(xiàn)As與Cd的超標(biāo)。因此，對(duì)雞飼料樣品中重金屬殘留含量的快速檢測(cè)至關(guān)重要。

樣品快速前處理是實(shí)現(xiàn)大量樣品中重金屬殘留含量快速檢測(cè)的關(guān)鍵。目前實(shí)驗(yàn)室常用的樣品前處理技術(shù)為以大量濃強(qiáng)酸進(jìn)行消解［3-4］，其消解過程耗時(shí)、操作繁瑣、對(duì)微波消解儀依賴大，同時(shí)大量濃強(qiáng)酸的腐蝕作用對(duì)操作人員、周邊環(huán)境及物品都存在嚴(yán)重危害。因此，亟需開發(fā)操作簡(jiǎn)單、效率高、綠色環(huán)保、易于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施的重金屬快速前處理技術(shù)。

目前，磁性固相萃取技術(shù)由于萃取能力強(qiáng)、選擇性高、分離簡(jiǎn)單等特點(diǎn)而備受關(guān)注［5］，成為重金屬現(xiàn)場(chǎng)快速前處理的理想手段之一［6］，其使用的磁性材料還具有可重復(fù)利用、成本低、不易對(duì)環(huán)境造成二次污染等特性。磁性氧化石墨烯作為一種新型吸附材料，在磁性固相萃取技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［7-12］。該材料不僅具有氧化石墨烯比表面積大、吸附效率高、化學(xué)穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，還具有磁性材料易分離、綠色環(huán)保、可重復(fù)利用等優(yōu)勢(shì)［13］。

本文將聚乙烯吡咯烷酮（Polyvinylpyrrolidone，PVP）修飾在Fe3O4包埋的氧化石墨烯表面，大大改善了未修飾的Fe3O4包埋氧化石墨烯的分散性和穩(wěn)定性，增加了氧化石墨烯的表面官能團(tuán)，如含氮和含氧基團(tuán)，使之可提供更多的結(jié)合位點(diǎn)；并以其為磁性固相萃取劑，實(shí)現(xiàn)了重金屬Cu（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）、Cr（Ⅲ）、Cd（Ⅱ）、Pb（Ⅱ）離子的同時(shí)快速萃取。該方法具有萃取效率高、萃取速度快，易分離除去、不易對(duì)環(huán)境造成二次污染，無需依賴實(shí)驗(yàn)室大型微波消解儀等特點(diǎn)，在飼料重金屬離子現(xiàn)場(chǎng)快速前處理領(lǐng)域有著較大的應(yīng)用潛力。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

JEOL JEM-2100 透射電子顯微鏡（TEM，日本JEOL 公司），傅里葉紅外光譜儀（FT-IR，美國(guó)Thermo 公司），900T 火焰原子吸收光譜儀（FAAS）、NexION 2000 電感耦合等離子體-發(fā)射光譜儀（ICP-OES）均為美國(guó)PerkinElmer公司產(chǎn)品，Milli-Q 超純水系統(tǒng)（美國(guó)Millipore 公司），磁力恒溫?cái)嚢杵鳎ǖ聡?guó)IKA公司）。

石墨粉購(gòu)自中國(guó)科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)所。聚乙烯吡咯烷酮、氨水、FeSO4·7H2O、FeCl3·6H2O、水合肼從國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司購(gòu)買。除特別說明外，所用試劑均為分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 氧化石墨烯（Graphene oxide，GO）的制備

GO采用改進(jìn)后的Hummers方法進(jìn)行制備［14］，具體如下：取1 g石墨粉、1 g NaNO3、50 mL H2SO4在三頸瓶中混合，于冰浴中攪拌。隨后分3 次緩慢加入6 g KMnO4，繼續(xù)在冰浴中攪拌3 h 后，將上述溶液轉(zhuǎn)移至35 ℃的水浴中攪拌1 h，并在攪拌狀態(tài)下緩慢加入100 mL 超純水，加熱至98 ℃繼續(xù)攪拌45 min。然后向混合溶液中緩慢加入200 mL超純水和8 mL H2O2（30%），除去過多的MnO?4，此時(shí)溶液顏色由暗棕色變?yōu)辄S色。最后，將混合溶液過濾，超純水清洗3次后，冷凍干燥，置4 ℃?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 聚乙烯吡咯烷酮功能化Fe3O4包埋氧化石墨烯（PVP/Fe3O4/GO）復(fù)合物的制備

將0.93 g FeCl3·6H2O 和0.48 g FeSO4·7H2O 溶解在125 mL 水溶液中，形成混合溶液；在氮?dú)獗Ｗo(hù)和攪拌條件下，慢慢加入0.1 g的GO，加熱至80 ℃；其后迅速加入70 mL氨水，控制溫度為85 ℃，繼續(xù)加入氨水直至反應(yīng)混合液pH 值為10.0；繼續(xù)攪拌45 min，得到Fe3O4/GO 復(fù)合物；然后用1 mol/L 的HCl調(diào)至pH 7.0，繼續(xù)加入0.25 g聚乙烯吡咯烷酮和1.5 mL水合肼的混合物，并持續(xù)攪拌4 h，得到的黑色產(chǎn)物分別經(jīng)外置磁鐵分離、乙醇/H2O清洗3次、干燥后，得到PVP/Fe3O4/GO復(fù)合物。

1.2.3 PVP/Fe3O4/GO復(fù)合物對(duì)Cu（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）、Cr（Ⅲ）、Cd（Ⅱ）、Pb（Ⅱ）離子的萃取

將0.2 mL重金屬離子濃度小于或等于1 000 mg/L的Cu（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）、Cr（Ⅲ）、Cd（Ⅱ）、Pb（Ⅱ）溶液分別加入10 mL 的PVP/Fe3O4/GO 復(fù)合物（0.2 mg/mL）溶液中，室溫下?lián)u勻10 min 后經(jīng)外置磁鐵分離，棄去上層清液后，向吸附了Cu（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）、Cr（Ⅲ）、Cd（Ⅱ）、Pb（Ⅱ）離子的PVP/Fe3O4/GO復(fù)合物中加入2 mL 5%的硝酸溶液，超聲解吸10 min，釋放所吸附的重金屬離子，經(jīng)外置磁鐵分離處理后，將PVP/Fe3O4/GO復(fù)合物用5 mL 5%的HNO3清洗1次?；旌蟽纱紊锨逡翰⒍ㄈ葜?0 mL進(jìn)行FAAS檢測(cè)。解吸重金屬離子后的PVP/Fe3O4/GO 復(fù)合物再分別經(jīng)乙醇/H2O 清洗3 次、干燥，得到的PVP/Fe3O4/GO 復(fù)合物循環(huán)使用。

1.2.4 雞飼料中重金屬離子的萃取

1.2.4.1 磁性固相萃取法將3 種雞飼料粉碎，過40 目篩，各稱取0.2 g，加入2.0 mL 濃HNO3，于加熱爐上100 ℃加熱30 min，以溶解出飼料樣品中的重金屬離子。過濾，并將濾液以NaOH調(diào)至pH 6.8左右，加入PVP/Fe3O4/GO 溶液（0.2 mg/mL），采用超純水定容至35 mL，按照“1.2.3”步驟進(jìn)行重金屬離子萃取，通過FAAS檢測(cè)其中Cu（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）、Cr（Ⅲ）、Cd（Ⅱ）、Pb（Ⅱ）的濃度。

1.2.4.2 微波消解法稱取上述3 種雞飼料樣品各0.2 g 于聚四氟乙烯微波消解管中，加入5 mL 濃HNO3，于加熱爐上100 ℃加熱30 min 以溶解出飼料樣品中的重金屬離子，然后置于微波消解儀中按程序消解，具體程序如表1 所示。待冷卻后，將微波消解管中的溶液倒入容量瓶中，分別以5 mL 5%的HNO3清洗微波消解管2 次，并將2 次的清洗液倒入容量瓶中，定容至25 mL，通過FAAS 檢測(cè)其中的Cu（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）、Cr（Ⅲ）、Cd（Ⅱ）、Pb（Ⅱ），若濃度較低，則采用ICP-OES檢測(cè)。

表1 微波消解儀的消解程序Table 1 Digestion program of microwave digestion system

2 結(jié)果與討論

2.1 PVP/Fe3O4/GO復(fù)合物的表征

PVP/Fe3O4/GO 復(fù)合物的形態(tài)如圖1A 所示，GO 呈褶皺的薄片結(jié)構(gòu)，F(xiàn)e3O4納米顆粒覆蓋在其表面。圖1B顯示，F(xiàn)e3O4納米顆粒的尺寸約為10 nm，且能明顯看出其晶格紋路。上述結(jié)果表明Fe3O4納米顆粒與GO成功結(jié)合。

GO 和PVP/Fe3O4/GO 復(fù)合物的紅外光譜如圖1C 所示。從圖1C 曲線a 可知，1 730 cm-1和1 617 cm-1處分別歸屬于GO 上—COOH 基團(tuán)和C===== C骨架的伸縮振動(dòng)峰，表明GO 被成功制備。從圖1C曲線b可以明顯觀察到1 384、1 280、580 cm-1處均出現(xiàn)了新的振動(dòng)峰，其中1 384 cm-1和1 280 cm-1處分別為甲基的彎曲振動(dòng)和C—N 鍵的伸縮振動(dòng)，而這兩個(gè)基團(tuán)均來自PVP 分子［15］，說明PVP 成功結(jié)合在GO 表面。另外，580 cm-1處的峰由Fe—O鍵的伸縮振動(dòng)引起，再次表明Fe3O4成功覆蓋在GO表面。

圖1 PVP/Fe3O4/GO復(fù)合物的透射電鏡圖（A）與放大透射電鏡圖（B），以及GO（a）與PVP/Fe3O4/GO復(fù)合物（b）的紅外光譜圖（C）Fig.1 TEM images of PVP/Fe3O4/GO composite at low magnification（A）and high magnification（B），F(xiàn)T-IR spectra（C）of GO（a）and PVP/Fe3O4/GO composite（b）

2.2 磁性固相萃取條件優(yōu)化

由于萃取劑表面電荷、離子化程度均和溶液pH 值密切相關(guān)，因此pH 值是影響重金屬離子萃取的重要因素之一。圖2A揭示了Cu（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）、Cr（Ⅲ）、Cd（Ⅱ）、Pb（Ⅱ）離子在不同pH值條件下萃取回收率的變化。結(jié)果顯示，除Pb（Ⅱ）外，Cu（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）、Cr（Ⅲ）、Cd（Ⅱ）離子的萃取回收率首先隨著pH 值的上升逐漸增加，并在pH 6.8時(shí)達(dá)到最高，之后隨著pH 值的繼續(xù)上升，回收率迅速下降。其主要原因可能是，當(dāng)溶液pH 值大于6.8 時(shí)，上述4 種金屬離子可能與OH-發(fā)生反應(yīng)，生成沉淀，并在采用磁鐵分離時(shí)隨著上層清液被棄去，難以被儀器完全檢測(cè)到。而當(dāng)溶液pH 值小于6.8時(shí)，溶液中的H+與Cu（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）、Cr（Ⅲ）、Cd（Ⅱ）離子成為競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，同時(shí)爭(zhēng)奪含氧基團(tuán)或含氮基團(tuán)，導(dǎo)致被萃取的重金屬離子的量降低。而Pb（Ⅱ）離子的萃取行為與上述金屬離子有所區(qū)別，其萃取回收率先隨著pH值的增加逐漸增大，并在pH 5.0～6.8范圍內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定，說明Pb（Ⅱ）離子與PVP/Fe3O4/GO復(fù)合物的結(jié)合行為對(duì)pH 值具有較強(qiáng)的耐受力，當(dāng)pH 值大于6.8 時(shí)，其萃取回收率迅速降低，與Christou 和Xie等的報(bào)道相似［16-17］。因此最終選擇6.8作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的pH值。

PVP/Fe3O4/GO 復(fù)合物對(duì)上述5種重金屬離子的回收率隨萃取時(shí)間和解吸時(shí)間的變化如圖2B和圖2C所示。上述5 種重金屬離子的萃取和解吸回收率均先隨時(shí)間的增加而迅速增大，并在10 min 后趨于平衡，表明PVP/Fe3O4/GO復(fù)合物對(duì)Cu（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）、Cr（Ⅲ）、Cd（Ⅱ）、Pb（Ⅱ）離子的萃取和解吸作用都非常迅速，能在10 min內(nèi)吸附和解吸完全。因此萃取時(shí)間和解吸時(shí)間均選擇10 min。

圖2 pH值（A）、萃取時(shí)間（B）和解吸時(shí)間（C）對(duì)萃取回收率的影響Fig.2 Effect of pH value（A），extraction time（B）and desorption time（C）on the extraction recovery

2.3 吸附動(dòng)力學(xué)研究

吸附容量是決定重金屬離子萃取效率和萃取劑用量的一個(gè)重要因素。不同的重金屬離子因尺寸、水化度和結(jié)合常數(shù)的差異，吸附容量有所不同。由于PVP/Fe3O4/GO 復(fù)合物對(duì)重金屬離子的吸附等溫線（圖3A）均為L(zhǎng)angmuir 吸附模型，因此本文將達(dá)到吸附平衡時(shí)重金屬離子的質(zhì)量濃度（Ce，mg/L）作為橫坐標(biāo)，Ce/qe的比值作為縱坐標(biāo)繪圖（圖3B）。采用計(jì)算每種重金屬離子的最大吸附容量（表2），其中qe與Ce分別為吸附平衡時(shí)的吸附容量（mg/g）和質(zhì)量濃度（mg/L），kL為L(zhǎng)angmuir 吸附常數(shù)（L/mg），q為最大吸附容量（mg/g）。k與q均可從圖3B的斜率和截距數(shù)據(jù)計(jì)算獲得。

圖3 PVP/Fe3O4/GO復(fù)合物對(duì)5種重金屬離子的吸附等溫線（A）和相應(yīng)Langmuir等溫線模型的擬合（B）Fig.3 Adsorption isotherm（A）and linearized Langmuir model（B）for five heavy metal ions adsorption by PVP/Fe3O4/GO composite

從表2可知，PVP/Fe3O4/GO 復(fù)合物對(duì)Cu（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）、Cr（Ⅲ）、Cd（Ⅱ）和Pb（Ⅱ）重金屬離子的最大吸附容量分別為68.03、103.63、13.82、36.51、555.56 mg/g。Pb（Ⅱ）離子的吸附容量最大，可能是因?yàn)榫垡蚁┻量┩橥脱趸镻b（Ⅱ）離子提供了更多的結(jié)合位點(diǎn)［18］。

表2 PVP/Fe3O4/GO復(fù)合物對(duì)5種重金屬離子的最大吸附量及相關(guān)參數(shù)Table 2 The maximum absorption capacity and relevant parameters for five heavy metal ions on PVP/Fe3O4/GO composite

2.4 磁性固相萃取方法分析性能

2.4.1 線性回歸方程與檢出限

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在最優(yōu)條件下，Cu（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）、Cr（Ⅲ）和Cd（Ⅱ）的FAAS 吸光度隨其濃度的變化趨勢(shì)較為相似，即隨著濃度的增加，吸光度逐漸增強(qiáng)，在高濃度時(shí)，增強(qiáng)較為緩慢。對(duì)于Pb（Ⅱ）離子，其吸光度與濃度呈線性增大趨勢(shì)，即使在高濃度時(shí)，仍呈線性增加。這可能是因?yàn)镻VP/Fe3O4/GO 復(fù)合物對(duì)Pb（Ⅱ）離子的萃取能力強(qiáng)，吸附容量大，導(dǎo)致其質(zhì)量濃度為60 mg/L時(shí)，仍未達(dá)到飽和吸附。上述5種重金屬離子的線性回歸方程、相關(guān)系數(shù)、線性范圍及檢出限（3σ/S，其中σ為10次空白信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)偏差，S為標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率）如表3所示，其檢出限分別為0.32、0.092、3.46、0.38、0.021 μg/L，線性相關(guān)系數(shù)r值均不小于0.983 3，其中Pb（Ⅱ）離子的線性范圍最寬，為0.004～60 mg/L。

表3 5種重金屬離子的線性回歸方程、相關(guān)系數(shù)、線性范圍及檢出限Table 3 Linear regression equations，correlation coefficients（r），linear ranges and limits ofdetection（LODs）of five heavy metal ions

2.4.2 其它共存金屬離子的影響

除上述5 種重金屬離子外，飼料樣品中含量較高的金屬離子還有Na（Ⅰ）、K（Ⅰ）、Mg（Ⅱ）、Mn（Ⅱ）等，因此考察了這4種金屬離子對(duì)本方法的影響。當(dāng)Na（Ⅰ）、K（Ⅰ）、Mg（Ⅱ）和Mn（Ⅱ）的質(zhì)量濃度分別為5、5、1、1 mg/L，Cu（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）、Cr（Ⅲ）、Cd（Ⅱ）、Pb（Ⅱ）的質(zhì)量濃度均為1 mg/L 時(shí)，Cu（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）、Cr（Ⅲ）、Cd（Ⅱ）、Pb（Ⅱ）的萃取回收率為88.6%～110%。因此，上述金屬離子的存在對(duì)5種重金屬離子的萃取回收率無明顯影響。這可能是因?yàn)镻VP/Fe3O4/GO 復(fù)合物對(duì)Na（Ⅰ）、K（Ⅰ）、Mg（Ⅱ）、Mn（Ⅱ）離子的吸附作用較弱，吸附容量較低導(dǎo)致。

2.4.3 與文獻(xiàn)的比較

本文所提出的磁性固相萃取技術(shù)可與近幾年文獻(xiàn)報(bào)道的非磁性萃取技術(shù)檢出限相媲美，且萃取時(shí)間和解吸時(shí)間均比文獻(xiàn)報(bào)道的短，萃取的重金屬離子種類也多［19-22］。此外，本方法所用的磁性固相萃取劑經(jīng)洗脫后可重復(fù)利用，降低了檢測(cè)成本，且不易對(duì)環(huán)境造成二次污染。

2.5 實(shí)際飼料樣品分析

以PVP/Fe3O4/GO 復(fù)合物為磁性固相萃取劑，對(duì)3種雞飼料中的Cu（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）、Cr（Ⅲ）、Cd（Ⅱ）和Pb（Ⅱ）離子進(jìn)行萃取。分別稱取0.2、0.5、1 g 雞飼料，加入少量硝酸進(jìn)行預(yù)消解，發(fā)現(xiàn)上述重金屬離子的回收率隨著飼料質(zhì)量的增加逐漸降低，當(dāng)飼料為0.2 g 時(shí)，5 種離子的回收率最高（分別為86.0%、86.2%、83.9%、103%和98.0%）。其主要原因可能是飼料的用量越高，加入的強(qiáng)酸用量不足以完全解離出所含的重金屬離子，導(dǎo)致萃取回收率較低。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，PVP/Fe3O4/GO復(fù)合物對(duì)0.2 g不同雞飼料樣品中的上述重金屬離子的萃取回收率為80.0%～120%，初步表明PVP/Fe3O4/GO 復(fù)合物作為磁性固相萃取劑能夠應(yīng)用于對(duì)雞飼料中上述5種重金屬離子的現(xiàn)場(chǎng)快速萃取。

表4顯示，本方法與采用微波消解法萃取雞飼料中Cu（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）、Cr（Ⅲ）、Cd（Ⅱ）、Pb（Ⅱ）離子的結(jié)果接近，相對(duì)誤差為-18.73%～7.50%。表明將PVP/Fe3O4/GO 復(fù)合物作為飼料中重金屬離子的現(xiàn)場(chǎng)快速固相萃取劑有著較高的潛在應(yīng)用價(jià)值。

表4 實(shí)際雞飼料樣品中5種重金屬離子的檢測(cè)（n=3）Table 4 Determination of five heavy metal ions in real chicken feed samples（n=3）

3 結(jié) 論

本研究合成了一種PVP/Fe3O4/GO 復(fù)合物，PVP 不僅能顯著改善未修飾的Fe3O4包埋氧化石墨烯的分散性和穩(wěn)定性，而且增加了氧化石墨烯表面的官能團(tuán)，使之可提供更多的結(jié)合位點(diǎn)。將PVP/Fe3O4/GO 復(fù)合物作為Cu（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）、Cr（Ⅲ）、Cd（Ⅱ）和Pb（Ⅱ）離子的磁性固相萃取劑，構(gòu)建了一種檢測(cè)雞飼料中上述5 種重金屬離子的磁性固相萃取/火焰原子吸收光譜法。所建方法的檢出限為0.021～3.46 μg/L，與文獻(xiàn)報(bào)道相近，其它共存金屬離子如Na（Ⅰ）、K（Ⅰ）、Mg（Ⅱ）、Mn（Ⅱ）對(duì)測(cè)定無明顯影響。該方法耗時(shí)短、易分離、萃取效率高、強(qiáng)酸用量小，且不易對(duì)環(huán)境造成二次污染，已成功應(yīng)用于雞飼料中上述5 種重金屬離子的萃取。