核壳Fe3O4磁微粒制备及其农残磁固相萃取应用

孙斌，李明，陈东平，田曼阳，陈怀侠

(湖北大学化学化工学院，湖北 武汉 430062)

核壳Fe3O4磁微粒制备及其农残磁固相萃取应用

孙斌，李明，陈东平，田曼阳，陈怀侠

(湖北大学化学化工学院，湖北 武汉 430062)

通过溶胶-凝胶法在四氧化三铁纳米粒子表面包覆二氧化硅，其后通过3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(MPS)在SiO2表面接枝双键，加热条件下与单体甲基丙烯酸(MAA)和交联剂乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)发生聚合反应。最终得到磁性聚合物微球，并将其应用于橙汁样品中杀虫剂类农药的分离富集，优化了萃取条件如洗脱剂种类和体积、吸附时间、酸度、离子强度等，建立橙汁样品中甲萘威、异丙威、克百威的固相微萃取-高效液相色谱(SPME-HPLC)分离分析方法，并进行了方法考察和橙汁中的农药残留分析.

功能化核壳Fe3O4；磁固相萃取；甲萘威；异丙威；克百威

0 引言

在农业生产中，为了作物增产而提高经济效益，农药尤其是杀虫剂的使用与日俱增，势必造成环境和食品的农药残留问题，而空气、水和食品中的农药残留会严重威胁人们的健康。氨基甲酸酯类杀虫剂对农业害虫具有内吸、触杀、选择性强等特效，被广泛用于粮食和瓜果蔬菜等生产中[1-4]. 所以，食品中该类农药残留检测对于食品安全质量控制具有十分重要的意义.

近年来，环境和果蔬中农药残留的检测分析备受关注[5-7]. 然而，在实际样品分析时，由于基质复杂，农药残留量低，农药残留的直接检测难以实现. 因此快速灵敏、高选择性的样品前处理是准确测定食品农残的关键步骤. 磁固相萃取(Magnetic solid phase extraction，MSPE)是一种新型的样品前处理方法[8]，该方法简单快速、成本低、提取高效，有机溶剂使用量少，已经应用于生物制药、环境分析、食品检测等领域[9-11]. 纳米Fe3O4表面聚合功能化是MSPE的有效吸附介质[12-13].

本文中用分散聚合法制备表面聚合的核壳纳米Fe3O4磁性微粒，利用红外光谱、热重分析和扫描电镜对磁性聚合物微球进行结构表征. 通过磁固相萃取条件的优化，建立了操作简单、灵敏快速的甲萘威、异丙威和克百威MSPE-HPLC分析方法，并应用于橙汁样品农残分析，结果满意.

1 实验

1.1 仪器与试剂 仪器：LC-CT310型高效液相色谱仪(江苏天瑞仪器股份有限公司)；UV310型紫外可见检测器(江苏天瑞仪器股份有限公司)；SMT-C18色谱柱(美国Supelco Technologies，DE)；Kertone 型超纯水机(坷尔顿公司)；JHX2H微型漩涡混合仪(京辉科技有限公司)；XYH型真空干燥箱(南京百万机械仪器有限公司)；可调式移液器(上海)；CP213分析天平(上海五相仪器有限公司)；超声仪(美国Branson200公司 )；SPECTRUM ONE型红外光谱仪(美国Perkin Elmer公司)；DIAMOND TG/DTA型热重分析仪(美国Perkin Elmer公司)；X-650型扫描电子显微镜(日本Hitachi公司).

试剂：甲萘威(99.5%)、异丙威(99.5%)、克百威(99.5%)购自迪马科技有限公司；正硅酸乙酯(TEOS)、丙基三甲氧基硅烷(MPS)(阿拉丁，上海)；氯化亚铁(II)(FeCl2·4H2O，天津)；氯化铁(FeCl3·6H2O，天津)；2，2-偶氮-2-异丁腈(AIBN)(V-60，上海试剂四厂，分析纯)；2-甲基-2-丙烯酸-1,2-乙二醇酯(EGDMA，美国Sigma公司，使用前用NaOH溶液多次处理，再用超纯水分多次萃取后用干燥剂进行干燥)；甲基丙烯酸(MAA，天津，分析纯，使用前减压蒸馏)；甲醇和乙腈(色谱纯,美国Tedia公司).1.2 材料合成

1.2.1 合成Fe3O4纳米粒子[14]将1.72 g的FeCl2·4H2O和4.72 g的FeCl3·6H2O溶解在80 mL超纯水中，在氮气保护下高速搅拌(800 r/min). 随着温度升高到80 ℃，缓慢加入氨水10 mL，在该温度下反应30 min.将产品进行磁分离，以超纯水清洗纳米材料，60 ℃真空干燥.

1.2.2 合成Fe3O4@SiO2[15]称取0.3 g Fe3O4于50 mL三颈烧瓶中，加入50 mL乙醇和4 mL超纯水，超声15 min，加入5 mL 氨水和2 mL TEOS(正硅酸乙酯). 室温下搅拌反应24 h. 磁铁分离，用乙醇和超纯水冲洗磁材料，60 ℃真空干燥.

1.2.3 合成Fe3O4@SiO2@MPS[16]称取0.15 g Fe3O4@SiO2于100 mL三颈烧瓶中，加入30 mL无水甲苯和1 mL MPS，60 ℃水浴反应5 h，磁铁分离，并用乙醇清洗磁材料，60 ℃真空干燥.

1.2.4 合成功能化核壳磁微粒 称取0.1 g 上述合成的Fe3O4@SiO2@MPS悬浮在20 mL甲苯中(于50 mL三颈烧瓶中)，搅拌1 h，加入170 mL MAA，继续搅拌1 h，加入1.9 mL EGDMA和0.08 g AIBN，60 ℃反应24 h，产物用磁铁分离，用乙醇洗净，60 ℃真空干燥，得到表面聚合Fe3O4磁微粒.

1.3 色谱条件 流动相为甲醇溶液，V甲醇∶V水=65∶35；流速：1.0 mL/min；柱温：30 ℃；进样量：20 μL；测试波长：208 nm和280 nm.

1.4 磁固相萃取 磁固相萃取过程如图1所示，10 mg磁微粒分别以1 mL甲醇和超纯水清洗活化后，加入20 mL 200 ng mL-1甲萘威、异丙威、克百威混合标准溶液，超声30 min，磁分离，弃去上清液，加入1 mL甲醇洗脱目标物，洗脱液以0.22 μm滤膜过滤，进行高效液相色谱分析. 所有实验均采用回收率(ER)作为评价标准，其定义为：

其中：Celu——洗脱液中分析物的浓度；C0——样品溶液中分析物的浓度；Velu——洗脱液的体积；Vaq——样品溶液的体积.

图1 磁固相萃取

2 结果与讨论

复合磁材料的热重分析(TGA)见图3，可知，300 ℃到450 ℃时，磁性材料有一个快速减重过程,说明磁材料良好的热稳定性，满足磁固相微萃取的室温提取要求.

图2 Fe3O4(a)，Fe3O4@SiO2(b)，Fe3O4@SiO2@MPS(c) 和磁性微粒(d)的傅立叶红外光谱

图3 磁性微粒热重(TGA)曲

Fe3O4(a)、Fe3O4@SiO2(b)和复合磁微粒(c)的扫描电镜图如图4所示. 可以看出，表面聚合磁微粒粒径约为800 nm，远远大于Fe3O4和Fe3O4@SiO2，表明表面聚合物的形成.

图4 Fe3O4(a)，Fe3O4@SiO2(b)和复合磁微粒 (c)的扫描电镜

2.2 磁固相萃取条件优化

2.2.1 洗脱剂种类选择 分别以1 mL的甲醇、乙腈和不同配比的甲醇和乙腈混合液为洗脱剂，对10 mL 200 ng mL-1甲萘威、异丙威、克百威的混标溶液的磁萃取进行洗脱分析. 结果表明，不同洗脱剂洗脱效果相当，因乙腈毒性较大，因此洗脱液选择甲醇.

2.2.2 吸附时间考察 分别考察吸附20、30、40、50、60和70 min时的萃取回收率，结果发现，随着吸附时间增加，回收率升高，在60 min以后趋于稳定，因此，吸附时间选择60 min.2.2.3 洗脱液体积考察 选择0.4、0.6、0.8、1.0、1.2和1.4 mL的甲醇洗脱，结果发现，当洗脱液体积由0.4 mL增加到1.0 mL时，回收率随之升高，再增大洗脱液体积，回收率变化不大，因此洗脱液体积选择1.0 mL.2.2.4 溶液酸度考察 克百威、甲萘威、异丙威强碱性中易分解，所以用H3PO4分别调节溶液pH为2、3、4、5、6、7，进行磁固相微萃取. 结果显示，pH为7时，目标物回收率最佳，因而选择溶液pH为7.

2.3 实际样品应用 对超市中购买的鲜橙多样品，经过0.22 μm滤膜过滤后，取滤液10 mL于培养皿中，加10 mg磁材料，超声60 min. 磁分离后，加入1.0 mL甲醇，超声10 min，洗脱液过滤后进行HPLC分析. 结果显示，样品未检测出甲萘威、异丙威、克百威农药残留.

表1 克百威、甲萘威和异丙威的线性范围、检测限和定量限

表2 加标回收率和精密度

表3 本方法和其他分析方法的比较

图5 208 nm(A)和280 nm(B)下空白橙汁样品直接进样(1)、加标进样(2)、经SPME富集(3)后的色谱

3 结论

以表面分散聚合法制备了Fe3O4聚合磁微粒，并进行了材料形貌、结构、稳定性和吸附性能表征. 在优化的MSPE条件下，建立了克百威、甲萘威和异丙威的MSPE-HPLC分离分析方法，并应用于实际橙汁样品分析.结果表明，此方法具有良好的回收率和富集效果，检测限低，能满足橙汁样品中农药残留的检测分析.

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(责任编辑 胡小洋)

Preparation of nano Fe3O4magnetic polymer microspheres and theirapplication in magnetic solid phase microextraction for pesticide residual

SUN Bin, LI Ming, CHEN Dongping, TIAN Manyang, CHEN Huaixia

(College of Chemistry and Chemical Engineering, Hubei University, Wuhan 430062，China)

Fe3O4@SiO2microspheres were prepared by sol-gel method and then magnetic silica colloids with surface modification byγ-methacryloxypropyl trimethoxy silane were synthesized. This composite material was prepared by dispersion polymerization of MAA and EGDMA in the presence of Fe3O4@SiO2@MPS microspheres with the surface containing abundant reactive double bonds. The resultant sorbent materials were applied to separation and concentration of carbaryl, isoprocarb and carbofuran. The eluent type, volume, adsorption time, acidity and ionic strength were investigated, in detail. Under the optimized conditions, a simple and sensitive SPME-HPLCmethod for the determination of carbaryl, isoprocarb and carbofuran in orange juice had been developed.

Fe3O4@SiO2; SPME-HPLC; carbaryl; isoprocarb; carbofuran

2017-01-15

国家自然科学基金(2009CDB364)资助

孙斌(1989-)，男，硕士生；陈怀侠，通信作者，教授，E-mail：hxch@hubu.edu.cn

1000-2375(2017)05-0480-05

TB383

A

10.3969/j.issn.1000-2375.2017.05.008