四氧化三铁/还原氧化石墨烯合成及其在有机磷农药检测中应用研究

汤振华，岳都盛

(昆山市产品质量监督检验所，江苏昆山215316)

目前，磁性材料在样品分离中的应用受到越来越多的关注，一种基于磁性吸附剂的新型的固相萃取模式，即磁固相萃取(magnetic solid-phase extraction，MSPE)，已经在样品前处理中得到广泛的应用［1］。在MSPE过程中，首先将磁性吸附剂加入到含有目标分析物的样品溶液中，然后通过一定时间的萃取，分析物被磁性材料吸附，最后利用外磁场将吸附剂从样品溶液中分离。四氧化三铁(Fe3O4)具有很好的生物相容性和生物催化活性，而且还具有超顺磁性、低毒性以及低成本，因此是最常用的MSPE吸附剂，但 Fe3O4易团聚，阻碍了其应用。Fe3O4复合物，如壳聚糖/Fe3O［2］4、碳纳米管/Fe3O［3］4、石墨烯/Fe3O［4］4的制备有效解决了这一问题。在这些材料中，石墨烯被认为是最理想的选择之一。石墨烯(Graphene，G)具有独特的光学、电学、力学和热学等物理性质［5-6］，其巨大的比表面能够有效阻止Fe3O4的团聚，而且能够提高复合物的吸附容量，是一种很有前途的吸附材料。近年来，已经有一些研究小组成功制备出G/Fe3O4并将其应用于一些环境污染物的浓缩和分离［7-12］。但是很多研究者制备该复合物的方法复杂，甚至用到很多有机溶剂，不利于环境的保护，而且未有文献报道将该复合物应用于水样中有机磷农药的萃取分离。

本文用一步溶剂热法快速合成了G/Fe3O4纳米复合物，并探讨了该复合物在水溶液中有机磷农药检测中的应用。当目标分析物用G/Fe3O4纳米复合物浓缩之后，最后用气相色谱(Gas Chromatography，GC)分析。其中，考察了G/Fe3O4纳米复合物量、萃取时间、解吸条件、离子强度对萃取效率的影响。该法灵敏、准确、简单，已成功应用于环境水样中多种有机磷农药的污染监测。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

石墨粉(AR)、高锰酸钾(KMnO4，AR)、浓硫酸(H2SO4，AR)、双氧水 (30%H2O2，AR)、浓盐酸(HCl，AR)、无水三氯化铁(FeCl3，AR)、二乙二醇(DEG，AR)、醋酸钠(NaOAC，AR)、氯化钠(NaCl，AR)、甲醇(AR)、丙酮(AR)、二氯甲烷(AR)、乙醇(AR)、乙腈(AR)国药集团化学有限公司生产;二嗪农标准品、甲基对硫磷标准品、甲基嘧啶磷标准品、水胺硫磷标准品、喹硫磷标准品(纯度＞97%，均购自中国计量科学院)，储备标准溶液:1．00mg/mL，并存放在4℃的冰箱中。标准溶液:按需要取储备标准溶液用甲醇稀释。

实际水样的采集:饮用水取自实验室自来水，海水取自东海(上海)，湖水取自滴水湖(上海)。所有的水样在分析之前都用0．45μm的过滤膜进行过滤处理。

DF-101S型集热式恒温加热搅拌器 郑州长城科工贸有限公司;KQ-50DB型数控超声波清洗器 昆山市超声仪器有限公司;H2050R高速冷冻离心机 长沙湘仪有限公司生产;AUW320电子分析天平 日本岛津公司生产;SP-6890A型气相色谱仪 山东鲁南瑞虹化工有限公司。

GC条件:初温:80℃，保持1min，以10℃/min升到100℃，以5℃/min升到120℃，再以8℃/min升到180℃，保持2min。五种有机磷的出峰顺序依次为:1-二嗪农，2-甲基对硫磷，3-甲基嘧啶磷，4-水胺硫磷，5-喹硫磷。

1.2 氧化石墨的合成

通过改进的Hummers方法制得氧化石墨。制备步骤如下:将石墨粉加入浓H2SO4(75mL)，在冰浴保护下逐步加入KMnO4(15g)，此混合物于冰浴下搅拌3h，接着转移到40℃水浴中，继续搅拌45min，之后加入150mL水，在90℃下反应50min，结束之后加入400mL水稀释，再加入20mL 30%H2O2溶液终止反应。混合物过滤之后用5%HCl酸洗离心，再用水洗离心至中性。最后将得到的产物冷冻干燥之后备用。

1.3 G/Fe3O4纳米复合物

以氧化石墨和FeCl3为原料，以一步溶剂热法合成了G/Fe3O4纳米复合物。其中氧化石墨烯的还原和Fe3O4的生成是一步完成的。合成步骤如下:将氧化石墨超声分散在DEG中，形成氧化石墨烯悬浮液，再将FeCl3和NaOAC溶解在DEG中形成透明溶液，再将两种液体超声混合，最后将混合物加入到不锈钢反应釜中，置于200℃中反应8h。将得到的产物用乙醇和水清洗，60℃真空干燥24h。

1.4 MSPE过程

MSPE过程如下:首先，将20mg G/Fe3O4纳米复合物加入到100mL加标浓度为5ng/mL的水溶液中。并置于摇床中振荡15min，随后将磁铁放置在烧杯的底部，吸附有目标物的复合物被吸附在烧杯底部，倒掉上清液，然后将残留的溶液以及复合物转移到10mL离心管中，再将磁铁放在离心管外部，倾出残留的溶液。再用0．5mL的乙腈对复合物洗脱1min，将该解吸过程重复2次，然后将3次的洗脱液收集在一起并转移到2mL离心管中，用N2吹干，最后用50μL甲醇定容，取1μL进样分析。

1.5 数据处理

实验所得数据均由Excel、Origin等软件进行分析处理，最终的数据用平均值±标准偏差表示。

2 结果与讨论

2.1 萃取条件的优化

在吸附过程中，一些因素，如复合物的量、离子强度、解吸条件是影响萃取效率的关键因素，因此，为了实现复合物对目标物最高的吸附容量，有必要对这些条件进行优化。

2．1．1 复合物量的影响 为了实现复合物对目标物良好的萃取效率，选取不同质量的复合物加入到100mL加标水溶液中，从图1可以看出，在吸附时间为5min条件下，随着G/Fe3O4纳米复合物用量的增加，对5种有机磷农药的萃取率也随之增加，当复合物用量在20mg时，5种有机磷农药的去除率达到最大并趋于平衡。因此，复合物的最适宜用量为20mg。

2．1．2 萃取时间的影响 吸附时间是影响复合物对目标分析物萃取效率的重要因素。在复合物用量为20mg时，控制萃取时间分别为 5、10、15、20、25、30min。由图2可知，在复合物用量为20mg时，有机磷农药的吸附率随吸附时间的延长而增加，在15min时，5种有机磷农药的吸附率达到最大，延长吸附时间对目标物的吸附不再有明显增加，因此将萃取时间设定为15min。

图1 复合物用量与复合物对有机磷农药萃取效率的关系Fig．1 The relationship between the dosage of adsorbent and its extraction efficiency for OPP

图2 萃取时间与复合物对有机磷农药萃取效率的关系Fig．2 The relationship between extraction time and the extraction efficiency for OPP by the adsorbent

2．1．3 离子强度的影响 离子强度是影响吸附作用的重要因素之一。一方面，盐的加入会减少目标分析物的溶解度(盐析效应)和增加分散常数，有利于复合物对目标物的萃取;另一方面，盐的加入还会增加溶液的黏度和减少扩散系数，这将不利于复合物对目标物的萃取［13］。因此，本文研究了NaCl加入量对吸附作用的影响，从图3中可以看出，当NaCl浓度为0．5%时，有机磷农药的回收率最高，当NaCl浓度进一步增加时，回收率会逐渐下降。因此，将样品溶液中NaCl浓度设定为0．5%。

图3 NaCl浓度与复合物对有机磷农药萃取效率的关系Fig．3 The relationship between the ionic strength and the extraction efficiency for OPP by the adsorbent

2．1．4 解吸条件的优化 本文考察了四种有机溶剂，即丙酮、乙腈、甲醇和二氯甲烷对目标分析物的洗脱效果。从图4中可以看出，乙腈对5种有机磷农药的洗脱效果最好，因此，选取乙腈为洗脱溶剂。为了将目标分析物从复合物中完全解吸出来，本文优化了洗脱溶剂量，结果表明当用1．5mL(0．5mL×3)乙腈洗脱复合物时，分析物能被完全解吸，即在气相中检测不出目标物特征峰，因此最佳洗脱剂量为1．5mL。然后将1．5mL洗脱溶剂转移到2mL离心管中，在温和的N2流速下将混合溶液吹干，再用50μL甲醇定容，最后取1μL进气相进行检测分析。

图4 洗脱剂与复合物对有机磷农药萃取效率的关系Fig．4 The relationship between eluent and the extraction efficiency for OPP by the adsorbent

2.2 吸附剂的使用寿命

为了研究G/Fe3O4吸附剂的使用寿命，当目标分析物从复合物中被解吸出来之后，用5mL乙腈对复合物进行清洗2次，再将其重复利用于有机磷农药的磁性固相萃取，结果表明吸附剂在重复使用15次之后，吸附量仅仅损失了4．65%。

2.3 方法的验证

2．3．1 方法评价 配制不同浓度的有机磷农药标液:0．01、0．05、0．1、0．5、1、5、10 和 50ng/mL，考 察MSPE/GC测定有机磷农药的线性关系。结果表明:二嗪农和喹硫磷在0．01～10ng/mL浓度范围内有良好的线性关系，甲基对硫磷和甲基嘧啶磷在0．05～50ng/mL浓度范围内有很好的线性关系，水胺硫磷在0．01～50ng/mL浓度范围内有良好的线性关系，线性相关系数 R2在0．9985～0．9996 之间，五种有机磷的检测限 LOD 在 0．0002～0．009ng/mL 之间，连续 5 次重复操作所得相对标准偏差RSD为3．2%～7．8%，方法精密度好。

表1 MSPE技术萃取有机磷农药的线性范围、相关系数、检测限和精密度Table 1 Linear range，correlation coefficient(R2)，detection limit(LODS)and precision(RSD)for the analysis of five pesticides by MSPE technology

2．3．2 实际样品分析 为验证本研究建立的方法在环境样品中的可靠性，对真实环境水样进行分析。饮用水取自实验室自来水，环境水取自东海和滴水湖。经分析，三种样品均未检测到有机磷农药。随后考察了方法在三种样品中的加标回收率，结果如表2。以自来水、东海水以及滴水湖水为基底，在0．1、5．0 和 10．0ng/mL 的加标水平下，二嗪农的回收率在 92．0% ～108．3% 之间，RSD 为 3．4% ～11．2% ，喹硫磷的回收率在 95．8% ～101．7% 之间，RSD 为 1．9%～10．0%;在 0．5、10．0、50．0ng/mL 的加标水平下，甲基对硫磷的回收率为 94．0% ～102．8% ，RSD 为 1．5%～9．1%，甲基嘧啶磷的回收率为 94．7% ～106．6%，RSD 为 2．3% ～9．4%;在 0．1、10．0、50．0ng/mL 的加标水平下，水胺硫磷的回收率为 90．4% ～104．1%，RSD为1．3%～8．2%。实际样品的分析结果表明本方法具有较高的准确度。图5显示的是从加标滴水湖水样中萃取的5种有机磷的特征色谱图。

表2 MSPE技术在加标自来水、东海水和滴水湖水中的回收率Table 2 Recoveries for the analysis of five pesticides in spiked tap water，Donghai sea water and Dishui lake water using MSPE technology

图5 从加标滴水湖水样中萃取的5种有机磷农药的特征色谱图Fig．5 The typical chromatograms of Dishui lake water samplespiked with fiveOPPs

3 结论

本文采用一步溶剂热法合成了基于石墨烯的磁性纳米复合物(G-Fe3O4)，该吸附剂结合了Fe3O4的超顺磁性以及石墨烯的高吸附量，能有效简化操作步骤，并能取得很好的萃取效果且对环境无污染，最后将其成功应用于分离富集环境水样中的有机磷农药。最佳萃取条件为:复合物量为20mg;萃取时间为15min;NaCl浓度为0．5%;洗脱溶剂为乙腈以及洗脱剂的量为1．5mL。在最优条件下，方法线性相关系数在0．9985～0．9996之间，五种有机磷的检测限 LOD 在0．0002～0．009ng/mL 之间，连续 5 次重复操作所得相对标准偏差RSD为3．2%～7．8%，在实际样品中有较高的回收率和萃取重现性，验证了该方法良好的萃取效果和萃取容量，说明该方法对提高方法灵敏度等有重大意义。

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