聚多巴胺涂敷的聚酰胺-胺功能化二氧化硅復合材料用于水樣中苯甲酰脲類殺蟲劑的分散微固相萃取

崔笑顏, 馬文郁, 林熙文, 魯潤華, 高海翔, 周文峰

(中國農業(yè)大學理學院應用化學系, 北京 100193)

苯甲酰脲類殺蟲劑(BUs)以殺蟲活性高和環(huán)境持久性低等優(yōu)勢被廣泛應用于害蟲的防治,其主要作用于昆蟲的幼蟲階段,通過抑制或阻斷幾丁質的合成,使昆蟲因無法蛻皮而死,從而達到殺蟲的目的[1,2]。然而殺蟲劑的不規(guī)范施用會導致其在土壤、水和植物中的殘留積聚,會對生態(tài)環(huán)境造成不良影響;長期使用、接觸苯甲酰脲類殺蟲劑也會對人類健康構成潛在危害。個別苯甲酰脲類殺蟲劑,如除蟲脲和氟蟲脲,已被歸類為中等毒性物質[3,4]。因此,開發(fā)一種快速、簡單、靈敏的分析方法對苯甲酰脲類殺蟲劑殘留進行監(jiān)控十分必要。

基質復雜的樣品往往難以直接分析,需要對其進行預處理,以達到選擇性分離、去除干擾物質和富集分析物的目的,從而滿足儀器分析的要求[5]。目前有許多前處理技術,包括固相萃取(SPE)、分散微固相萃取(D-μ-SPE)、固相微萃取(SPME)、攪拌棒吸附萃取(SBSE)以及磁性固相萃取(MSPE)等[6-8]。其中,D-μ-SPE技術是在分散固相萃取(DSPE)的基礎上進一步簡化、小型化發(fā)展而來的技術,具有機溶劑消耗少、萃取效率高、吸附劑便于回收及可重復利用的優(yōu)點。D-μ-SPE的具體操作流程為:加入微量吸附劑,采用渦旋、超聲等方式輔助吸附劑在樣品溶液中均勻分散,從而對目標分析物進行提取,再通過離心、過濾等手段將固體吸附劑與溶液分離,解吸附后進行儀器分析[9]。吸附劑的物理化學性質對D-μ-SPE的靈敏性和選擇性起著決定性的作用,性能優(yōu)良的吸附劑需具備較高的比表面積和吸附容量,以及良好的分散性和穩(wěn)定性。目前,用于D-μ-SPE的吸附劑主要有二氧化硅、多壁碳納米管、氧化石墨烯等納米材料以及多種功能性成分的復合材料[10,11]。

樹狀分子由中心核、高度重復的支化單元,以及外圍的官能團組成,均勻性、主客體潛力和豐富的內部孔隙等結構特性使樹狀分子成為一類理想的吸附材料[12]。聚酰胺-胺(PAMAM)是最常用的一類樹狀分子,其結構簡單,易于合成,具有豐富的氨基結構,目前已經(jīng)被廣泛應用于重金屬離子吸附、藥物萃取、染料吸附以及全氟辛酸、溴化阻燃劑等有害環(huán)境污染物的去除等方面,而其在農藥殘留檢測中的應用鮮有報道[13-17]。海洋生物貽貝類所分泌的絲足蛋白中富含3,4-二羥基-1-苯丙氨酸(DOPA),這使其可以黏附在幾乎任何材料的表面[18]。受此啟發(fā),分子內部同樣含有大量鄰苯二酚官能團的多巴胺(dopamine, DA)引起了人們的關注并作為新型涂料得以廣泛應用[19]。多巴胺在弱堿性條件下自聚合得到的聚多巴胺(PDA)，其具有可控的涂層厚度以及良好的穩(wěn)定性,豐富的羧基和氨基也賦予了PDA一定的吸附能力[20]。在農藥檢測前處理領域,PDA常用于碳基材料、層狀雙氫氧化物(LDHs)、金屬有機骨架(MOFs)等材料的功能化，以構建新型復合吸附劑[21]。Xiong等[22]制備了PDA修飾的磁性石墨烯,用于水樣中三唑類殺菌劑的前處理,富集因子高達572～916; Du等[23]將PDA涂敷在磁性的Mg/Al LDHs表面制得了三層納米復合材料,結合高效液相色譜可實現(xiàn)果汁樣品中痕量有機磷類農藥的高精度檢測;Deng等[24]利用MIL-101型鐵基MOFs對負載PDA的Fe3O4納米顆粒進行修飾,所得磁性材料可快速從環(huán)境水樣及蔬菜樣品中提取磺酰脲類除草劑。目前PDA與樹狀分子的結合仍鮮有報道,本研究團隊在前期工作中已開發(fā)了基于PAMAM的吸附劑用于農藥的分散微固相萃取,取得了較好的效果,PDA的引入有望進一步提高材料的萃取能力。

本研究設計合成了聚多巴胺涂敷的聚酰胺-胺功能化二氧化硅(SiO2-PAMAM-PDA),并以之作為分散微固相萃取吸附材料,同時結合高效液相色譜-二極管陣列檢測器(HPLC-DAD),建立了一種水樣中苯甲酰脲類殺蟲劑殘留的檢測方法,拓展了聚多巴胺在樣品預處理領域的應用。

1 實驗部分

1.1 儀器、試劑與材料

Agilent 1100高效液相色譜儀(美國Agilent公司); KQ3200DB數(shù)控超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)。

實驗所用的農藥標準品(除蟲脲(diflubenzuron)、殺鈴脲(hexaflumuron)、氟鈴脲(triflumuron)、氟苯脲(teflubenzuron),其結構式見圖1)、3-氨基丙基乙氧基硅烷(APTES)、丙烯酸甲酯、鹽酸多巴胺等購自上海阿拉丁試劑公司;甲醇、乙腈、丙酮、乙酸乙酯、乙醇、乙二胺、正硅酸四乙酯(TEOS)、氯化鈉等購自北京國藥集團化學試劑有限公司;三羥基氨基甲烷(Tris)購自北京偶合科技有限公司。甲醇、乙腈為色譜純,其他試劑均為分析純。

圖 1 4種苯甲酰脲類目標物的結構式Fig. 1 Structural formulas of four benzoylurea targets

圖 2 SiO2-PAMAM-G1和多巴胺的質量比萃取效果的影響(n=3)Fig. 2 Effect of the mass ratio of SiO2-PAMAM-G1 and dopamine on the extraction efficiencies (n=3) SiO2-PAMAM-G1: first-generation polyamidoamine functionalized silica nanomaterials.

1.2 色譜條件

色譜柱:Spursil C18柱(250 mm×4.6 mm, 5 μm);保護柱:Spursil C18柱(10 mm×2.1 mm, 5 μm);流動相A:水,流動相B:乙腈;柱溫:30 ℃;流速:1 mL/min;進樣量:10 μL;檢測波長:220 nm。梯度洗脫程序:0～0.4 min, 70%B; 0.4～3 min, 70%B～52%B; 3～17 min, 52%B; 17～35 min, 52%B～70%B; 35～37 min, 70%B。

1.3 SiO2-PAMAM-PDA的制備

向3.6 mL水、10 mL氨水、100 mL乙醇混合體系中加入5.84 g TEOS,攪拌3 h。產(chǎn)物用50%乙醇水溶液洗滌多次,60 ℃真空干燥12 h,得到SiO2納米顆粒。將2.5 g SiO2分散在75 mL乙醇中,超聲30 min,加入20 mL三乙胺,在40 ℃下攪拌2 h。將1.5 mL APTES溶于20 mL乙醇中,緩慢加入上述體系,繼續(xù)攪拌12 h。所得固體用丙酮洗滌3次后在60 ℃下干燥12 h,得到氨基化改性的二氧化硅納米顆粒(SiO2-NH2)。

利用邁克爾加成和酰氨化反應向SiO2-NH2中引入樹狀分子。將1 g SiO2-NH2在超聲輔助下分散于20 mL甲醇中。冰水浴條件下向溶液中緩慢加入20 mL丙烯酸甲酯,攪拌15 h。反應結束后,用甲醇洗滌產(chǎn)物多次,得到的產(chǎn)物記為SiO2-PAMAM-G0。將SiO2-PAMAM-G0分散于10 mL甲醇中,逐滴加入2 mL乙二胺,35 ℃下攪拌3 h。產(chǎn)物經(jīng)甲醇洗滌后于60 ℃真空干燥12 h,得到第一代樹狀分子改性的二氧化硅納米材料(SiO2-PAMAM-G1)。

將0.3 g SiO2-PAMAM-G1分散于70 mL乙醇-水(4∶3, v/v)中,超聲30 min。加入0.3 g鹽酸多巴胺,攪拌10 min后加入20 mL Tris溶液,調節(jié)體系pH值至8.5,反應24 h。產(chǎn)物經(jīng)抽濾、洗滌、烘干后得到聚多巴胺涂敷的二氧化硅復合材料(SiO2-PAMAM-PDA)。

1.4 分散微固相萃取

向8 mL含有目標分析物且NaCl添加量為150 g/L的水樣中加入40 mg SiO2-PAMAM-PDA,渦旋120 s,使吸附劑與溶液充分接觸。之后以5 000 r/min的速率離心4 min,移除上清液,將固體部分氮吹至干。將1 mL乙腈加入上述離心管中,渦旋120 s以對目標分析物進行解吸附,離心4 min將固體材料與解吸附溶劑分離,將上清液轉移至新離心管中,氮吹至干。加入0.1 mL乙腈,渦旋30 s將殘余物復溶,所得體系用濾膜(0.22 μm)過濾后進入HPLC檢測。

2 結果與討論

2.1 SiO2-PAMAM-PDA的制備優(yōu)化及表征

在反應過程中,SiO2-PAMAM-G1和多巴胺的比例可能會影響多巴胺在材料表面的聚合程度,從而影響所得材料的萃取效果,因此按照1∶1、1∶3和1∶6的質量比合成了3批材料,并對其萃取效果進行了評價。如圖2所示,在反應中投入更多的多巴胺并不能提升萃取效果,可能是由于SiO2-PAMAM-G1的表面位點有限,多余的多巴胺無法在材料表面很好地聚合。因此選用1∶1作為材料合成的投料比。同時,引入了多巴胺后,材料對于4種苯甲酰脲的萃取效果顯著提升,可能由于多巴胺結構中含有豐富的苯環(huán)、氨基和羥基,可以通過π-π堆積、氫鍵等次級相互作用與同樣富含苯環(huán)及強電負性原子的苯甲酰脲類化學物結合,增強了材料對目標物的親和力。

與SiO2-PAMAM-G1的透射電鏡圖相比(見圖3a),SiO2-PAMAM-PDA的表面粗糙程度有所增加(見圖3b和圖3c),說明聚多巴胺成功涂敷在了SiO2-PAMAM-G1的表面。

圖 3 (a) SiO2-PAMAM-G1及(b, c) SiO2-PAMAM-PDA的透射電鏡圖像Fig. 3 Transmission electron microscope images of (a) SiO2-PAMAM-G1 and (b, c) SiO2-PAMAM-PDASiO2-PAMAM-PDA: polyamidoamine functionalized silica nanocomposite materials with polydopamine coating.

圖 4 (a)吸附劑質量、(b)萃取時間、(c)解吸附劑類型、(d)解吸附劑體積、(e)解吸附時間及(f)NaCl添加量對萃取效率的影響(n=3)Fig. 4 Effect of (a) adsorbent amount, (b) extraction time, (c) desorption solvent type, (d) desorption solvent volume, (e) desorption time and (c) NaCl addition amount on the extraction efficiencies (n=3)

2.2 萃取條件優(yōu)化

2.2.1吸附劑質量

在萃取過程中,吸附劑的用量直接影響了萃取效果,吸附劑偏少會導致萃取效果不佳,過多則不僅會造成浪費,還有可能導致材料的團聚而不利于分散。如圖4a所示,吸附劑用量達到40 mg時,4種目標物的萃取回收率均較高,進一步增加至50 mg時,回收率無明顯變化。因此,選擇40 mg吸附劑開展后續(xù)實驗。

2.2.2萃取時間

研究采用渦旋手段輔助吸附劑在樣品溶液中的分散,充足的吸附時間保證了吸附劑與樣品溶液的充分接觸。探究了不同萃取時間(30、60、90、120、150 s)對萃取效率的影響(見圖4b),可以看出,萃取回收率從30～120 s逐漸增加直至平衡,150 s時有所下降。因此,選擇120 s作為最佳萃取時間。

2.2.3解吸附劑的種類

選擇合適的解吸附劑將目標物從吸附劑上洗脫下來對萃取效果也十分重要,因此評估了甲醇、乙腈、乙醇、丙酮、乙酸乙酯共5種常用有機溶劑作為解吸附劑時的解吸附效果,結果如圖4c所示?？梢钥闯?使用乙腈作為解吸附劑時,回收率最高,表明乙腈可以有效破壞吸附劑與目標物的相互作用,因此后續(xù)實驗均采用乙腈進行解吸附。

2.2.4解吸附劑體積

由圖4d可以看出,除蟲脲、殺鈴脲、氟鈴脲3種苯甲酰脲類殺蟲劑在加入1 mL乙腈時萃取效率均較高,進一步增加體積回收率無明顯變化。因此出于節(jié)約溶劑、減少污染的考慮,選擇使用1 mL乙腈作為解吸附劑進行后續(xù)實驗。

2.2.5解吸附時間

研究了解吸附時間對萃取回收率的影響,結果如圖4e所示?？梢钥闯?解吸附時間為120 s時,材料對4種農藥的回收率均達到最佳;進一步延長解吸附時間,回收率反而下降,因此以120 s作為后續(xù)實驗的解吸附時間。

2.2.6NaCl添加量

向樣品中加入NaCl會影響樣品溶液中離子組成、離子強度以及溶液的黏度,進而可能會影響萃取效率。研究了不同NaCl添加量(0、50、100、150、200 g/L)對萃取效果的影響。從圖4f中可以看出,當NaCl的添加量為150 g/L時,回收率最高,繼續(xù)增加回收率反而下降,這可能是因為過高的NaCl濃度使溶液黏度增大,不利于傳質的進行。因此,后續(xù)選擇150 g/L作為最佳NaCl的添加量。

2.3 方法驗證

在單因素優(yōu)化實驗篩選出的最優(yōu)條件下,以SiO2-PAMAM-PDA為萃取材料,4種苯甲酰脲類殺蟲劑為目標物,以線性、準確性、靈敏度、重復性作為標準對所建立的方法進行了驗證(見表1)。結果顯示,此方法具有較寬的線性范圍(10～500 μg/L),目標物色譜峰面積(Y)和質量濃度(X, ng/mL)呈現(xiàn)良好的線性關系,相關系數(shù)(r2)均≥0.998 9。根據(jù)3倍和10倍信噪比(S/N)計算方法的檢出限(LOD)和定量限(LOQ),分別為1.1～2.1 μg/L和3.7～7.0 μg/L。

表 1 4種苯甲酰脲類殺蟲劑的回歸方程、線性范圍、相關系數(shù)、回收率、相對標準偏差、檢出限和定量限(n=4)

在50 μg/L的標準添加濃度下,4種苯甲酰脲類目標物的回收率為82.8%～94.1%,相對標準偏差值(RSD)為2.1%～8.0%(n=4),表明建立的方法具有較高的準確性和重復性。

2.4 與其他方法的比較

將本文所開發(fā)的方法與其他檢測水中的苯甲酰脲的方法進行了比較,結果列在表2中。可以看出,此法由于檢測儀器制約,LOD值較高,但所需樣品量以及吸附劑用量均少于其他方法,且耗時也更短。表明所開發(fā)的方法較為綠色高效,具備實際應用的潛力,與更高靈敏度的分析儀器聯(lián)用可以達到更低的檢出限。

表 2 所建方法與其他方法的比較

2.5 實際樣品的測定

選取北京市內三段河水(永定河、林河及潮白河)作為實際樣品,實驗前經(jīng)0.45 μm濾膜過濾以除去懸浮雜質。為了驗證本研究所提出的方法在實際水樣中的適用性,在最佳實驗條件下,對上述3個實際水樣中的苯甲酰脲類殺蟲劑殘留進行了檢測。結果顯示(見表3),在3種加標水平下(15、50、200 μg/L), 4種苯甲酰脲類殺蟲劑的回收率為69.5%～99.4%, RSD值在0.2%～9.5%之間;空白及加標實際水樣經(jīng)所建立的方法處理后所得色譜圖如圖5所示,4種苯甲酰脲類殺蟲劑的出峰均未受到基質干擾。上述結果表明此法可用于實際水樣中苯甲酰脲類殺蟲劑的檢測。

表 3 實際水樣中4種苯甲酰脲類殺蟲劑的測定結果、標準添加回收率及相對標準偏差(n=3)

圖 5 實際水樣經(jīng)所建立的方法處理后的高效液相色譜圖Fig. 5 HPLC chromatograms of real water samples after enrichment with the developed method

3 結論

本研究以聚多巴胺涂敷的聚酰胺-胺功能化的二氧化硅復合材料SiO2-PAMAM-PDA為吸附劑,通過分散微固相萃取法結合高效液相色譜對水樣中的4種苯甲酰脲殺蟲劑殘留進行檢測。結果顯示,經(jīng)聚多巴胺涂層修飾后材料的萃取性能得到了極大的提升,對4種殺蟲劑均表現(xiàn)出良好的萃取效果。本文建立的方法拓寬了樹狀分子及多巴胺的應用范圍,為水樣中苯甲酰脲類殺蟲劑殘留的檢測提供了更加綠色便捷的選擇。