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

崔笑顏, 馬文郁, 林熙文, 魯潤(rùn)華, 高海翔, 周文峰

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系, 北京 100193)

苯甲酰脲類(lèi)殺蟲(chóng)劑(BUs)以殺蟲(chóng)活性高和環(huán)境持久性低等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于害蟲(chóng)的防治,其主要作用于昆蟲(chóng)的幼蟲(chóng)階段,通過(guò)抑制或阻斷幾丁質(zhì)的合成,使昆蟲(chóng)因無(wú)法蛻皮而死,從而達(dá)到殺蟲(chóng)的目的[1,2]。然而殺蟲(chóng)劑的不規(guī)范施用會(huì)導(dǎo)致其在土壤、水和植物中的殘留積聚,會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成不良影響;長(zhǎng)期使用、接觸苯甲酰脲類(lèi)殺蟲(chóng)劑也會(huì)對(duì)人類(lèi)健康構(gòu)成潛在危害。個(gè)別苯甲酰脲類(lèi)殺蟲(chóng)劑,如除蟲(chóng)脲和氟蟲(chóng)脲,已被歸類(lèi)為中等毒性物質(zhì)[3,4]。因此,開(kāi)發(fā)一種快速、簡(jiǎn)單、靈敏的分析方法對(duì)苯甲酰脲類(lèi)殺蟲(chóng)劑殘留進(jìn)行監(jiān)控十分必要。

基質(zhì)復(fù)雜的樣品往往難以直接分析,需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理,以達(dá)到選擇性分離、去除干擾物質(zhì)和富集分析物的目的,從而滿(mǎn)足儀器分析的要求[5]。目前有許多前處理技術(shù),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(shù)是在分散固相萃取(DSPE)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步簡(jiǎn)化、小型化發(fā)展而來(lái)的技術(shù),具有機(jī)溶劑消耗少、萃取效率高、吸附劑便于回收及可重復(fù)利用的優(yōu)點(diǎn)。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(duì)目標(biāo)分析物進(jìn)行提取,再通過(guò)離心、過(guò)濾等手段將固體吸附劑與溶液分離,解吸附后進(jìn)行儀器分析[9]。吸附劑的物理化學(xué)性質(zhì)對(duì)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(fù)合材料[10,11]。

樹(shù)狀分子由中心核、高度重復(fù)的支化單元,以及外圍的官能團(tuán)組成,均勻性、主客體潛力和豐富的內(nèi)部孔隙等結(jié)構(gòu)特性使樹(shù)狀分子成為一類(lèi)理想的吸附材料[12]。聚酰胺-胺(PAMAM)是最常用的一類(lèi)樹(shù)狀分子,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于合成,具有豐富的氨基結(jié)構(gòu),目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)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(nóng)藥殘留檢測(cè)中的應(yīng)用鮮有報(bào)道[13-17]。海洋生物貽貝類(lèi)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(nèi)部同樣含有大量鄰苯二酚官能團(tuán)的多巴胺(dopamine, DA)引起了人們的關(guān)注并作為新型涂料得以廣泛應(yīng)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(nóng)藥檢測(cè)前處理領(lǐng)域,PDA常用于碳基材料、層狀雙氫氧化物(LDHs)、金屬有機(jī)骨架(MOFs)等材料的功能化，以構(gòu)建新型復(fù)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(lèi)殺菌劑的前處理,富集因子高達(dá)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(fù)合材料,結(jié)合高效液相色譜可實(shí)現(xiàn)果汁樣品中痕量有機(jī)磷類(lèi)農(nóng)藥的高精度檢測(cè);Deng等[24]利用MIL-101型鐵基MOFs對(duì)負(fù)載PDA的Fe3O4納米顆粒進(jìn)行修飾,所得磁性材料可快速?gòu)沫h(huán)境水樣及蔬菜樣品中提取磺酰脲類(lèi)除草劑。目前PDA與樹(shù)狀分子的結(jié)合仍鮮有報(bào)道,本研究團(tuán)隊(duì)在前期工作中已開(kāi)發(fā)了基于PAMAM的吸附劑用于農(nóng)藥的分散微固相萃取,取得了較好的效果,PDA的引入有望進(jìn)一步提高材料的萃取能力。

本研究設(shè)計(jì)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(shí)結(jié)合高效液相色譜-二極管陣列檢測(cè)器(HPLC-DAD),建立了一種水樣中苯甲酰脲類(lèi)殺蟲(chóng)劑殘留的檢測(cè)方法,拓展了聚多巴胺在樣品預(yù)處理領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器、試劑與材料

Agilent 1100高效液相色譜儀(美國(guó)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(shí)驗(yàn)所用的農(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)品(除蟲(chóng)脲(diflubenzuron)、殺鈴脲(hexaflumuron)、氟鈴脲(triflumuron)、氟苯脲(teflubenzuron),其結(jié)構(gòu)式見(jiàn)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(gòu)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(gòu)自北京國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;三羥基氨基甲烷(Tris)購(gòu)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(lèi)目標(biāo)物的結(jié)構(gòu)式Fig. 1 Structural formulas of four benzoylurea targets

圖 2 SiO2-PAMAM-G1和多巴胺的質(zhì)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(hù)柱:Spursil C18柱(10 mm×2.1 mm, 5 μm);流動(dòng)相A:水,流動(dòng)相B:乙腈;柱溫:30 ℃;流速:1 mL/min;進(jìn)樣量:10 μL;檢測(cè)波長(zhǎng):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(yīng)向SiO2-NH2中引入樹(shù)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(yīng)結(jié)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(shù)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(diào)節(jié)體系pH值至8.5,反應(yīng)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(fù)合材料(SiO2-PAMAM-PDA)。

1.4 分散微固相萃取

向8 mL含有目標(biāo)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(duì)目標(biāo)分析物進(jìn)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(zhuǎn)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(fù)溶,所得體系用濾膜(0.22 μm)過(guò)濾后進(jìn)入HPLC檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 SiO2-PAMAM-PDA的制備優(yōu)化及表征

在反應(yīng)過(guò)程中,SiO2-PAMAM-G1和多巴胺的比例可能會(huì)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(zhì)量比合成了3批材料,并對(duì)其萃取效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。如圖2所示,在反應(yīng)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(diǎn)有限,多余的多巴胺無(wú)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(shí),引入了多巴胺后,材料對(duì)于4種苯甲酰脲的萃取效果顯著提升,可能由于多巴胺結(jié)構(gòu)中含有豐富的苯環(huán)、氨基和羥基,可以通過(guò)π-π堆積、氫鍵等次級(jí)相互作用與同樣富含苯環(huán)及強(qiáng)電負(fù)性原子的苯甲酰脲類(lèi)化學(xué)物結(jié)合,增強(qiáng)了材料對(duì)目標(biāo)物的親和力。

與SiO2-PAMAM-G1的透射電鏡圖相比(見(jiàn)圖3a),SiO2-PAMAM-PDA的表面粗糙程度有所增加(見(jiàn)圖3b和圖3c),說(shuō)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(zhì)量、(b)萃取時(shí)間、(c)解吸附劑類(lèi)型、(d)解吸附劑體積、(e)解吸附時(shí)間及(f)NaCl添加量對(duì)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(zhì)量

在萃取過(guò)程中,吸附劑的用量直接影響了萃取效果,吸附劑偏少會(huì)導(dǎo)致萃取效果不佳,過(guò)多則不僅會(huì)造成浪費(fèi),還有可能導(dǎo)致材料的團(tuán)聚而不利于分散。如圖4a所示,吸附劑用量達(dá)到40 mg時(shí),4種目標(biāo)物的萃取回收率均較高,進(jìn)一步增加至50 mg時(shí),回收率無(wú)明顯變化。因此,選擇40 mg吸附劑開(kāi)展后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

2.2.2萃取時(shí)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(shí)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(shí)間(30、60、90、120、150 s)對(duì)萃取效率的影響(見(jiàn)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(shí)有所下降。因此,選擇120 s作為最佳萃取時(shí)間。

2.2.3解吸附劑的種類(lèi)

選擇合適的解吸附劑將目標(biāo)物從吸附劑上洗脫下來(lái)對(duì)萃取效果也十分重要,因此評(píng)估了甲醇、乙腈、乙醇、丙酮、乙酸乙酯共5種常用有機(jī)溶劑作為解吸附劑時(shí)的解吸附效果,結(jié)果如圖4c所示。可以看出,使用乙腈作為解吸附劑時(shí),回收率最高,表明乙腈可以有效破壞吸附劑與目標(biāo)物的相互作用,因此后續(xù)實(shí)驗(yàn)均采用乙腈進(jìn)行解吸附。

2.2.4解吸附劑體積

由圖4d可以看出,除蟲(chóng)脲、殺鈴脲、氟鈴脲3種苯甲酰脲類(lèi)殺蟲(chóng)劑在加入1 mL乙腈時(shí)萃取效率均較高,進(jìn)一步增加體積回收率無(wú)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(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

2.2.5解吸附時(shí)間

研究了解吸附時(shí)間對(duì)萃取回收率的影響,結(jié)果如圖4e所示?？梢钥闯?解吸附時(shí)間為120 s時(shí),材料對(duì)4種農(nóng)藥的回收率均達(dá)到最佳;進(jìn)一步延長(zhǎng)解吸附時(shí)間,回收率反而下降,因此以120 s作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的解吸附時(shí)間。

2.2.6NaCl添加量

向樣品中加入NaCl會(huì)影響樣品溶液中離子組成、離子強(qiáng)度以及溶液的黏度,進(jìn)而可能會(huì)影響萃取效率。研究了不同NaCl添加量(0、50、100、150、200 g/L)對(duì)萃取效果的影響。從圖4f中可以看出,當(dāng)NaCl的添加量為150 g/L時(shí),回收率最高,繼續(xù)增加回收率反而下降,這可能是因?yàn)檫^(guò)高的NaCl濃度使溶液黏度增大,不利于傳質(zhì)的進(jìn)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(yàn)證

在單因素優(yōu)化實(shí)驗(yàn)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(lèi)殺蟲(chóng)劑為目標(biāo)物,以線(xiàn)性、準(zhǔn)確性、靈敏度、重復(fù)性作為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)所建立的方法進(jìn)行了驗(yàn)證(見(jiàn)表1)。結(jié)果顯示,此方法具有較寬的線(xiàn)性范圍(10～500 μg/L),目標(biāo)物色譜峰面積(Y)和質(zhì)量濃度(X, ng/mL)呈現(xiàn)良好的線(xiàn)性關(guān)系,相關(guān)系數(shù)(r2)均≥0.998 9。根據(jù)3倍和10倍信噪比(S/N)計(jì)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(lèi)殺蟲(chóng)劑的回歸方程、線(xiàn)性范圍、相關(guān)系數(shù)、回收率、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差、檢出限和定量限(n=4)

在50 μg/L的標(biāo)準(zhǔn)添加濃度下,4種苯甲酰脲類(lèi)目標(biāo)物的回收率為82.8%～94.1%,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差值(RSD)為2.1%～8.0%(n=4),表明建立的方法具有較高的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。

2.4 與其他方法的比較

將本文所開(kāi)發(fā)的方法與其他檢測(cè)水中的苯甲酰脲的方法進(jìn)行了比較,結(jié)果列在表2中。可以看出,此法由于檢測(cè)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(shí)也更短。表明所開(kāi)發(fā)的方法較為綠色高效,具備實(shí)際應(yīng)用的潛力,與更高靈敏度的分析儀器聯(lián)用可以達(dá)到更低的檢出限。

表 2 所建方法與其他方法的比較

2.5 實(shí)際樣品的測(cè)定

選取北京市內(nèi)三段河水(永定河、林河及潮白河)作為實(shí)際樣品,實(shí)驗(yàn)前經(jīng)0.45 μm濾膜過(guò)濾以除去懸浮雜質(zhì)。為了驗(yàn)證本研究所提出的方法在實(shí)際水樣中的適用性,在最佳實(shí)驗(yàn)條件下,對(duì)上述3個(gè)實(shí)際水樣中的苯甲酰脲類(lèi)殺蟲(chóng)劑殘留進(jìn)行了檢測(cè)。結(jié)果顯示(見(jiàn)表3),在3種加標(biāo)水平下(15、50、200 μg/L), 4種苯甲酰脲類(lèi)殺蟲(chóng)劑的回收率為69.5%～99.4%, RSD值在0.2%～9.5%之間;空白及加標(biāo)實(shí)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(lèi)殺蟲(chóng)劑的出峰均未受到基質(zhì)干擾。上述結(jié)果表明此法可用于實(shí)際水樣中苯甲酰脲類(lèi)殺蟲(chóng)劑的檢測(cè)。

表 3 實(shí)際水樣中4種苯甲酰脲類(lèi)殺蟲(chóng)劑的測(cè)定結(jié)果、標(biāo)準(zhǔn)添加回收率及相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(n=3)

圖 5 實(shí)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(jié)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(fù)合材料SiO2-PAMAM-PDA為吸附劑,通過(guò)分散微固相萃取法結(jié)合高效液相色譜對(duì)水樣中的4種苯甲酰脲殺蟲(chóng)劑殘留進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)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(duì)4種殺蟲(chóng)劑均表現(xiàn)出良好的萃取效果。本文建立的方法拓寬了樹(shù)狀分子及多巴胺的應(yīng)用范圍,為水樣中苯甲酰脲類(lèi)殺蟲(chóng)劑殘留的檢測(cè)提供了更加綠色便捷的選擇。