基于XPS的苹果表皮残留农药界面层的氩刻分析

张欣艳，赵 达，王乐新，王 畅

（黑龙江八一农垦大学文理学院，黑龙江 大庆 163319）

苹果表皮含有丰富的有机酸、纤维素、维生素、抗氧化成分及生物活性物质等，尤其黄酮类物质是一种高效抗氧化剂，它可以对抗自由基，保护细胞膜，是癌症的克星[1]。但由于苹果果实中残留农药主要分布于表皮，导致多数人对苹果采取削皮食用的方法。目前，苹果农药残留研究的样品主要来源于苹果果实中某一部位的综合处理，对残留农药的具体位置不甚清晰。如若能够对农药残留部位进行具体分析，继而选择更具有针对性、有效和节能的方式去除残留农药，使得营养丰富的果皮可放心地食用，无疑意义重大。

本文运用χ射线光电子能谱（χ-ray Photoelectron Spectroscopy，PS）[2-4]，配合离子刻蚀系统沿表皮纵向进行微观深度分析，表征苹果表皮残留氧乐果及敌敌畏的具体部位，以期能够为苹果表皮农药浸入、转化及探索无损祛除农药残留的物理方法提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 材料及仪器

1.1.1 材料

红富士苹果采自山东栖霞（生长中未施任何农药）；氧乐果20%乳油（产自河北方舟农业科技有限公司）；敌敌畏80%乳油（产自河南东方人农化有限公司）；农药（均购自黑龙江省农科院）。

1.1.2 仪器及测试条件

XPS型号：ESCA750（日本岛津），激发源为MgKα（能量 hγ=1 253.6 eV），测试电压 10 kV，电流30 mA，样品室真空度优于5.3×10-7Pa，Ar+离子管电流16 mA，出射束流2.5 μA，C1s谱图采用XPSPEAK41专用软件（选40%Gussian-Lorentzian）进行分峰拟合。采用氩离子刻蚀去除表面污染。以C1S（285.0 eV）为定标标准进行结合能校正。

1.2 方法

1.2.1 未施药苹果表皮C1s的氩刻分析

苹果清洗干净，表皮取样，制成厚度0.5 mm、直径＞6 mm切片，置于载玻片间，放于恒温箱35℃烘干，导电胶粘于样品托架上，电子中和枪消除表面荷电效应。氩离子刻蚀表面，每次氩刻时间为90 s，XPS扫描图谱，峰位拟合，计算主要元素相对含量并对峰位归属进行分析。

1.2.2 界面层氧（O）、碳（C）比随浓度的纵向分析

分别勾兑浓度依次为2%、4%、6%、8%和10%氧乐果农药和敌敌畏农药，阴干后取样置于载玻片间放入恒温箱35℃烘干，形成平整待测样品，表皮取样，制成厚度0.5 mm、直径＞6 mm切片，置于载玻片间，放于恒温箱35℃烘干，导电胶粘于样品托架上，电子中和枪消除表面荷电效应。分时段进行氩离子刻蚀，XPS扫谱分析O/C比值，绘制曲线反映农药随浓度不同而呈现的渗入规律。

1.2.3 界面层氧（O）、碳（C）比随施药时间的纵向分析

分别勾兑浓度为8%的氧乐果农药和敌敌畏农药，依次经3、5、7 d取样，置于载玻片间放入恒温箱35℃烘干，导电胶粘于样品托架上，电子中和枪消除表面荷电效应。分时段进行氩离子刻蚀，XPS扫谱分析O/C比值，绘制曲线反映农药随施药时间呈现的渗入规律。

2 结果与分析

2.1 苹果表皮C1s的纵向氩刻分析

苹果表皮主要元素相对含量及比值如表1，未刻蚀时O/C比值相对稍高，可能是样品经表面处理后仍就不可避免地附着了少量的O，但与前三次氩刻相比，变化不大，在接下来的氩刻中，O元素的含量明显增多，O/C比值加大，元素组成显示由表皮层向内果皮成分过度。

表1 苹果表皮刻蚀各元素相对含量及比值Table1 Relative content and the ratio of elements for Ar ion beam etching apple cuticle (%)

氩刻第2次、氩刻第4次的C1s峰的XPS分峰拟合图谱见图1。根据加拿大的Dorris和Gray对木材碳原子划分分峰拟合C1s各峰[5-7]，C元素四种结构形式的相对含量见表2。C1含量随着氩刻的继续深入明显降低，而C2、C3、C4含量有所升高，说明C－O、C=O、O－C=O含量增加，即厚度约为18 μm处就已经进入表皮层。表皮层是角质层向果皮层过渡的区域。成分中的角质、蜡被等脂类物质相对含量减少，果胶、纤维素及半纤维素为主的糖类物质增多。表皮物质由角质逐渐向胞间质果胶、纤维素等糖类过渡，其中羧酸根主要由单宁和有机酸提供。

2.2 两种农药的界面探测

苹果表皮中物质与残留农药相互渗透，形成一个具有微观厚度的界面层。分别勾兑浓度为10%的氧乐果和10%的敌敌畏涂抹于苹果样品，阴干后取样置于载玻片间放入恒温箱35℃烘干，形成平整待测样品，对比施药前后氩刻结果，农药渗入深度为氩刻第2次的深度内，根据魏钦平对山东栖霞苹果表皮形貌的分析结果推算[8]，苹果与农药形成的界面层大约在10 μm内。

图1 果皮氩刻第2次、第4次C1s的XPS拟合图谱Fig.1 XPS fitting spectra of the second and fourth C1s of the Ar etching on the cuticle

2.2.1 界面层中氧（O）、碳（C）比随浓度的纵向分析

结果见图2。

图2 界面层中O/C随浓度及氩刻时间变化Fig.2 Variation of oxygen/carbon on boundary layer with the consistence and time application

表2 两次氩刻后C元素四种结构峰位及相对含量Table2 Four kinds of struncture peak positions and relative contents of the carbon element after the second aretching

未施药样品与施用不同浓度氧乐果农药后的样品中O/C比值随氩刻时间的变化曲线如图2a。曲线具有相似的规律性，随氩刻时间亦即随深度的增加，氧乐果在苹果果皮中的残留呈现非线性递减的趋势，在各浓度情况下，O/C比值达到未施药时的状态所需的氩刻时间分别为1、1.5、2、2.5和3 min，亦即在施药3 d的时间内，在分别施用2%、4%、6%、8%和10%氧乐果农药的样品中，农药渗入的深度分别约为3、6、9、12和 15 μm，具有明显的规律性。随浓度的增加，表皮中农药的残留量已具有明显的增加趋势，未施药样品中未氩刻O/C比值比氩刻后的O/C比值稍高，主要原因应为未刻蚀前表皮中附着了少量的O所致。

图2b为施用不同浓度敌敌畏农药时，界面层中O/C随氩刻时间变化曲线。图中各条曲线与施用氧乐果农药的情况类似。不同之处在于曲线陡度比施用氧乐果的情况要小，在相同施药时间内，敌敌畏的渗入较快，但残留量相对较小。不同浓度O/C达到未施药状态所需氩刻时间分别为2、2、2、3、4 min，规律性相对较差。

2.2.2 界面层中氧（O）、碳（C）比随施药时间的纵向分析

图3 施用浓度均为8%的农药界面层中O/C随施药时间及氩刻时间变化Fig.3 Variation of oxygen/carbon on boundary layer with the volume application and time application

施用浓度均为8%的氧乐果和敌敌畏的苹果样品界面层中O/C随施药时间的变化曲线如图3。从图3a中可明显看出，施用氧乐果的苹果表皮界面层中各条O/C曲线都较为平滑，陡度随浓度的增加而减小；随着深度的增加，表皮中农药残留呈现非线性降低的趋势；随施药时间的增加，苹果表皮未刻蚀部分的氧乐果农药的残留量降低，在3～7 d内，最表层的农药残留下降不是非常明显，而在苹果表皮下约为2～8 μm之间，农药残留随施药时间的增加而增加，与最表层的变化截然相反。施用浓度为8%氧乐果农药3 d后，农药浸入深度约为6 μm，施药5～7 d，农药浸入深度约为8 μm。图3b中敌敌畏农药随时间的纵向变化曲线与图3a相似，但曲线的陡度相较于施用氧乐果农药要小。界面层中各条O/C曲线陡度随浓度的增加而减小；随深度的增加，表皮中农药残留呈现非线性降低的趋势；随施药时间的增加，苹果表皮未刻蚀部分的敌敌畏农药的残留量降低，并且与图3a相比，这种降低表现得稍微明显一些。而在苹果表皮下约为2～8 μm之间，农药残留随施药时间的增加而增加，与图3a情况相比，差别稍小。施用浓度为8%敌敌畏农药3 d后，农药浸入深度约为6 μm，施药5至7 d，农药浸入深度约为8 μm。

3 结论

研究结果表明，苹果表皮C元素以四种状态存在。残留农药主要存在于苹果表皮角质层区，距表皮大约8 μm以内。因此，苹果表皮残留农药的去除重点针对于表皮下8 μm以内处理即可。另外，两种残留农药随深度及时间的变化规律相似，均呈现出非线性递减的趋势；同等施药浓度和施药时间的条件下，氧乐果的浸入深度及残留量都要高于敌敌畏。

[1]珏珏.苹果可抗七种疾病[J].内蒙古林业,2008(11):40.

[2]Koljonen K,Osterberg M,Kleen M,et al.Precipitation of ligninan extractiveson Kraft pulp L:Effect on surface chemistry,surface morphology and paper strength[J].Cellulose,2004,11(2):209.

[3]林冠发,郑茂盛,白真权,等.P110钢CO2腐蚀产物膜的XPS分析[J].光谱学与光谱分析,2005,25(11):1875.

[4]Kangas H,Kleen M.Surface chemical and morphological propertieso mechanical pulp fines[J].Nordic Pulp and Paper Research Journal,2004,19(2):191.

[5]Jaic M,Zivanovic R,Stevanovic J T,et al.Comparison of surface properties of beech and oakwood as determined by ESCA method[J].Holz Roh Werkstoff,1996,54(1):37-41.

[6]杜官本.表面光电子能谱（XPS）及其在木材科学与技术领域的应用[J].木材工业,1999,13(3):17.

[7]杨喜昆,杜官本,钱天才,等.木材表面改性的XPS分析[J].分析测试学报,2003,22(4):6.

[8]魏钦平,叶宝兴,张继祥,等.不同生态区富士苹果果皮解剖结构的特征与差异[J].果树学报,2001,18(4):243-245.