磁性石墨烯纳米复合物在菊酯类农残检测中的应用研究

邱霞琴,岳都盛

(昆山市产品质量监督检验所,江苏昆山 215316)



磁性石墨烯纳米复合物在菊酯类农残检测中的应用研究

邱霞琴,岳都盛*

(昆山市产品质量监督检验所,江苏昆山 215316)

通过一步溶剂热法制备出了还原氧化石墨烯/四氧化三铁纳米复合物(Reduced graphene oxide/iron oxide,RGO/Fe3O4),并将其用作磁固相萃取(magnetic solid-phase extraction,MSPE)的吸附剂,与气相色谱-质谱(GC-MS)联用检测复杂果蔬样品中的菊酯类农药,探讨了不同萃取因素对MSPE萃取效率的影响,确立了最优复合物用量、盐浓度、萃取时间、丙酮用量,并在最优条件下建立了果蔬中菊酯类农药残留的MSPE气相色谱-质谱检测方法。方法的线性相关系数在0.998～0.999之间,连续5次检测的RSD值在4.3%～8.9%之间,方法精密度高,检测限低至2.05 μg/kg。对于不同添加水平的所有分析物,本方法测定的回收率在83.49%～117.38%之间。结果表明该磁性固相萃取吸附剂在农药的富集分离中有很好的应用前景。

还原氧化石墨烯/四氧化三铁,气相色谱-质谱法,菊酯类农药,果蔬

近年来,食品安全问题引起人们的广泛关注,特别是食品中的农残超标问题屡屡发生,对人类的健康和生态系统的安全造成了很大的威胁。因此,世界各国为了禁止农残超标的食品进入市场,都在积极制定相关的法令政策,这也使得相应的分析研究面临新的挑战,为了对食品中的农残开展监测,加强市场监督检验力度,预防中毒事件的发生,必须建立有效的检测方法。色谱检测法因其快速、准确、灵敏度高而成为农药残留的执法依据。但是由于真实样品中农药含量低,为了对这些痕量目标物进行准确的分析,必须经过样品前处理。

磁性固相萃取(magnetic solid-phase extraction,MSPE)技术是近些年发展起来的新型样品前处理技术[1],具有操作简便、环保、准确、灵敏度高、成本低等优点,在食品领域已经得到广泛的应用。其中,四氧化三铁(Fe3O4)是应用最为广泛的一种磁性材料,由于其良好的生物相容性、强超顺磁性、低毒性、低成本、高催化活性以及环保等诸多优点,被广泛应用于传感器[2]、生物医药[3]、磁记录设备[4]、环境治理[5]等领域。但是Fe3O4易团聚,不表现出超顺磁性,阻碍其应用。将Fe3O4与石墨烯(graphene)结合制备出复合纳米材料能有效解决这一缺点,而且已有文献报道它们在多个领域的应用[6-12]。还原氧化石墨烯/四氧化三铁(Reduced graphene oxide/iron oxide,RGO/Fe3O4)磁性纳米复合物集RGO和Fe3O4优异的性能于一体,是MSPE吸附剂最理想的选择之一。

本文将RGO/Fe3O4磁性纳米复合物作为MSPE技术的吸附剂,与GC-MS相结合,应用于食品样品中菊酯类农药残留检测,考查了RGO/Fe3O4纳米复合物量、离子强度、萃取时间、解吸条件对萃取效率的影响。从而建立复杂体系中农药的快速、灵敏、高效、高通量的色谱检测新方法。

1　材料和方法

1.1材料与仪器

鳞片石墨、浓硫酸(H2SO4)、高锰酸钾(KMnO4)、双氧水(H2O2,30%)、盐酸(HCl)、七水硫酸亚铁(FeSO4·7H2O)、醋酸钠(NaOAc)、乙二醇(EG)、氯化钠(NaCl)、乙醇、丙酮国药集团化学试剂有限公司,以上试剂中石墨粉为光谱纯,其它均为分析纯;实验用水均为超纯水;甲氰菊酯、三氟氯氰菊酯、高效氯氰菊酯和联苯菊酯标准品(纯度>99%)中国计量科学院,用丙酮配制0.1 mg/mL的标准储备液备用,冰箱4 ℃存放;标准工作溶液根据需要取适量标准储备溶液用丙酮稀释到所需要的浓度;菠菜、西红柿、胡萝卜、梨当地超市。

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。

1.2实验方法

1.2.1样品预处理分别取100 g菠菜、西红柿、胡萝卜、梨,将其切碎,各加入200 g超纯水,用榨汁机加工成浆状,处理之后的真实样品都放入棕色瓶中,密封,于4 ℃保存备用。

1.2.2色谱条件GC-MS条件:初温100 ℃,以15 ℃/min升至235 ℃,保持5 min,再以5 ℃/min升至260 ℃,保持6 min。进样口:280 ℃;离子源:EI源;离子源温度:220 ℃;传输线温度:250 ℃;离子化能量:70 eV;扫描方式:选择离子扫描(根据不同化合物设定各自特定的扫描离子)。四种菊酯类农药的出峰顺序依次为:1-联苯菊酯,2-甲氰菊酯,3-三氟氯氰菊酯,4-高效氯氰菊酯。

1.2.3氧化石墨的制备本文利用改良的Hummers方法[13]制备氧化石墨,步骤如下:首先将1 g鳞片石墨加入到40 mL浓H2SO4中,超声10 min,然后向其中缓缓加入3 g KMnO4,冰浴条件下搅拌6 h,之后转移到45 ℃水浴中,搅拌2 h,室温下向其中缓慢加入100 mL超纯水,最后加入10 mL 30% H2O2溶液终止反应。将混合物趁热过滤,之后用10% HCl酸洗离心,再用水洗离心至接近中性。最后将得到的产物冷冻干燥之后备用。

1.2.4RGO/Fe3O4纳米复合物的制备本文以氧化石墨(Graphite Oxide,GO)及FeSO4·7H2O为原料,制备出了RGO/Fe3O4纳米复合物。首先,将400 mg GO超声1 h分散于60 mL EG中形成GO悬浮液,然后向其中加入0.64 g FeSO4·7H2O,超声30 min,再加入3 g NaOAc,剧烈搅拌20 min,最后将混合液加入到100 mL不锈钢反应釜中,并于220 ℃反应10 h。产物分别用乙醇和超纯水清洗几次,最后置于60 ℃真空干燥12 h。

1.2.5MSPE过程首先,将一定量RGO/Fe3O4纳米复合物加入到500 mL含有0.1 μg/g四种菊酯类农药的水溶液中(含一定浓度的NaCl),振荡一定时间,用磁铁回收目标物,倒掉上清液,将复合物转移到10 mL离心管中,再用3 mL含一定浓度丙酮的水洗脱复合物中的目标物,将该解吸过程重复2次,合并3次的洗脱液,用N2吹干,最后用50 μL丙酮定容,取1 μL进样分析。

1.2.6萃取条件的优化

1.2.6.1复合物用量优化本文分别选取5、10、15、20、25、30 mg RGO/Fe3O4纳米复合物对水溶液中的四种菊酯类农药进行萃取,探讨不同复合物用量对MSPE萃取效率的影响。其中,盐浓度为2%,萃取时间为60 min,洗脱溶剂为15%丙酮的水溶液。

1.2.6.2盐浓度优化为了考察NaCl浓度对萃取效率的影响,分别将0、1%、2%、5%、10%、15%(w/w)的NaCl加入含有菊酯类农药的水样中考查盐离子的浓度对萃取量的影响。其中,复合物用量为15 mg,萃取时间为60 min,洗脱溶剂为15%丙酮的水溶液。

1.2.6.3萃取时间优化萃取时间对吸附剂萃取量的影响至关重要,本实验分别设定5、10、20、30、40、60 min萃取时间,选出最优萃取时间。其中,复合物用量为15 mg,盐浓度为5%,洗脱溶剂为15%丙酮的水溶液。

1.2.6.4丙酮量优化洗脱是MSPE过程的最后一步,而丙酮又是常用的萃取溶剂,因此本文考查了0～25%(v/v)浓度范围的丙酮(0%、5%、10%、15%、20%、25%)对菊酯类农药萃取效率的影响。其中,复合物用量为15 mg,盐浓度为5%,萃取时间为20 min。

其中,复合物用量、萃取时间、盐离子浓度优化在纯水样品中进行,丙酮的量优化在菠菜样品中进行。

1.2.7方法评价考察在最优条件下的方法分析真实样品中菊酯类农药残留的可行性,包括方法的线性范围、相关系数、检测限、精密度以及加标回收率。以不含待测菊酯类农药的菠菜为基质,4种菊酯类农药在菠菜中的加标浓度都分别为0.005、0.01、0.02、0.05、0.2、1 μg/g,测定不同浓度下的峰面积,以峰面积对浓度作图得到标准曲线,得到线性范围与线性相关系数。在最低线性浓度下,以三倍信噪比计算检测限。在加标浓度为0.02 μg/g时平行5次计算精密度。4种菊酯类农药分别在菠菜、西红柿、胡萝卜、梨中加标浓度为0.05、0.1、0.5 μg/g时,采用标准加入法计算加标回收率。

1.2.8数据分析本文用萃取峰面积来衡量MSPE的萃取效率,每个样品设三个平行,采用Origin 8.0软件进行数据分析。测定结果以平均值±标准差表示。

2　结果与分析

2.1萃取条件的优化

2.1.1RGO/Fe3O4用量的影响从图1可以看出,随着复合物用量的增加,四种菊酯类农药的萃取峰面积也逐渐增加,当复合物用量达到15 mg时,目标物的峰面积也达到最大,即使复合物用量再增加,农药峰面积仍基本保持不变。因此,RGO/Fe3O4最适用量为15 mg。

图1　复合物用量对MSPE萃取效率的影响Fig.1　The effect of the dosage of adsorbent on MSPE efficiency

2.1.2盐浓度的影响盐浓度是影响MSPE萃取效率的重要因素之一。由图2可知,菊酯类农药的萃取量随着NaCl的量增加而快速增加,当NaCl为5%时最大,继续增大盐的量萃取量反而降低。这是由于NaCl的加入对吸附过程既有正面影响也有负面作用,一方面,萃取时加入NaCl,可以增加溶液的离子强度,使有机分析物的溶解度降低,有利于目标物从基质中析出,进而增加分析物在复合物上的吸附量,提高萃取率;另一方面,随着NaCl浓度的增加,溶液的黏度也会加大,使得复合物的扩散系数和萃取能力下降,不利于其目标物的萃取。最后选择5% NaCl的量为最优盐浓度。

图2　盐浓度对菊酯类杀虫剂的萃取效率的影响Fig.2　The influence of the concentration of salt on the extraction ability of pyrethroid pesticides

2.1.3萃取时间的影响图3是复合物对水中各菊酯类农药萃取的时间曲线。四种菊酯类农药的萃取量在5～20 min范围内随着萃取时间的延长明显增加,继续延长萃取时间,萃取量不再有明显增加,萃取达到平衡,所以选择20 min为最优时间。

图3　菊酯类农药的萃取温度曲线Fig.3　Extraction temperature profile of pyrethroid pesticides

2.1.4丙酮量优化洗脱是MSPE过程的最后一步,而丙酮又是常用的萃取溶剂,因此本文考查了0～25%(v/v)浓度范围的丙酮(0%、5%、10%、15%、20%、25%)对菊酯类农药萃取效率的影响。其中,复合物用量为15 mg,盐浓度为5%,萃取时间为20 min。由图4可知,当丙酮含量从0%～5%时,复合物对菊酯类农药的萃取量缓缓增加;当丙酮含量从5%～10%时,复合物对目标物的萃取量都急剧增加;当继续增大丙酮的量时,萃取量反而降低。此过程是在菠菜真实样品中进行的,随着丙酮量的增加,目标物的回收率也提高,但是同时杂质也越多,可能杂质影响了菊酯类农药的洗脱效率,因此,继续增加丙酮含量会造成目标物解吸效率降低。因此,最后选择10%的丙酮量为最优的量。

图4　丙酮浓度对萃取效率的影响Fig.4　The influenceof the concentration of acetone on the extraction ability of pyrethroid pesticides

2.2方法评价

在不含目标菊酯类农药的菠菜样品中添加不同浓度的菊酯标液,测定了MSPE/GC-MS方法的线性范围、检测限、精密度等,结果见表1。由表1可知,线性范围都在2个数量级之上,线性相关系数在0.998～0.999之间,连续5次检测的RSD值在4.3%～8.9%之间,方法精密度高。检测限低至2.05 μg/kg。和文献比较起来[14-16],本方法不需要昂贵的仪器或者复杂的标记过程就可以对目标物获得较低检出限。

表1　MSPE技术萃取菊酯类农药的线性范围、

注:LR,线性范围。

2.3真实样品的应用

为验证本实验建立的方法在真实果蔬样品中的可靠性,从超市随机购买果蔬并进行验证。加标菠菜的气相色谱图如图5所示。表2给出了菠菜、西红柿、胡萝卜、梨中不同添加水平的4种菊酯的加标回收率。对于不同添加水平的所有菊酯类农药,本方法测定的回收率在83.49%～117.38%之间,准确度高。

表2　四种菊酯在果蔬的加标回收率

图5　从加标菠菜中萃取的4种有菊酯类农药的特征色谱图Fig.5　The typical chromatograms of spinach sample spiked with four pyrethroid pesticides注:谱峰鉴别:1-联苯菊酯;2-甲氰菊酯;3-三氟氯氰菊酯;4-高效氯氰菊酯。

3　结论

采用改良的Hummers方法制备了氧化石墨,又利用一步溶剂热法合成了RGO/Fe3O4纳米复合物,该复合物集聚了石墨烯与四氧化三铁的优点,并对菊酯类农药表现出了很高的萃取效率。本文优化了MSPE过程的萃取条件,建立了MSPE/GC-MS检测果蔬中菊酯类农药残留的方法,方法的线性相关系数在0.998～0.999之间,连续5次检测的RSD值在4.3%～8.9%之间,方法精密度高。检测限低至2.05 μg/kg,对真实样品中菊酯类农药的回收率在83.49%～117.38%之间。综上所述,本实验建立的方法是一种高效、灵敏、简便的农药残留分析检测方法。

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The application of magnetite graphene nanocomposite in the determination of pyrethroid pesticides

QIU Xia-qing,YUE Du-sheng*

(Kunshan Products Quality Supervision and Inspection Institute,Kunshan 215316,China)

A graphene-based magnetic nanocomposite(Reduced graphene oxide/iron oxide,RGO/Fe3O4)was synthesized by one-pot solvothermal method and used as an effective adsorbent of magnetic solid-phase extraction,and then coupled with Gas Chromatography-Mass Spectrometer(GC-MS)for selective extraction and analysis of pyrethroid pesticides. Various experimental parameters affecting the extraction efficiencies were investigated. The optimized extraction conditions were studied. Finally,it was successfully applied to extraction and determination of pyrethroid pesticides in fruits and vegetables. Under the optimum conditions,the linear correlation coefficient ranged from 0.998 to 0.999. The results of RSD was 4.3%～8.9% by testing five times.The limits of detection of the method were under 2.05 μg/kg. The recovery of the pesticides spiked in various real samples at three different concentrations ranged from 83.49% to 117.38%. These results indicated that as a magnetic solid-phase extraction adsorbent,RGO/Fe3O4had a great potential for the preconcentration of pesticides from liquid samples.

reduced graphene oxide/iron oxide;GC-MS;pyrethroid pesticides;fruits and vegetables

2015-11-30

邱霞琴(1977-),女,本科,助理工程师,研究方向:食品检测方法及食品管理体系,E-mail:339447569@qq.com。

岳都盛(1971-),男,本科,工程师,研究方向:食品分析与检测,E-mail:2355607601@qq.com。

TS255.7

A

1002-0306(2016)12-0076-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.12.006