紫外线与磁性纳米材料协同催化蜂蜜及禹白芷中农残的降解

郭卫芸，高珊珊，王永辉，高雪丽，李光辉

（1.许昌学院食品与生物工程学院河南省食品安全生物标识快检技术重点实验室，河南许昌461000；2.河南大学生命科学学院，河南开封475004）

农药残留是影响果蔬[1]、蜂蜜[2]、中药[3]、茶叶[4]等农产品安全品质的重要问题之一。目前农药残留的降解方法包括微生物降解法[5]、超声波降解法[6-7]、化学氧化降解法[8-10]、脉冲电场降解法[11]和光催化降解法[12-13]等。由于光催化降解法具有效率高、工艺简单、易操作、能耗低、无二次污染、不产生有毒中间产物等优点，近年来受到了较多研究者的关注。紫外线是电磁波谱中波长从10 nm～400 nm辐射的总称，研究发现，紫外线对水果、蜂蜜等食品农药残留具有良好的降解效果[13-14]。纳米级二氧化钛是一种良好的光催化剂，具有原料廉价易得、光催化活性高、稳定性高等优点，对化学染料[15]、农药残留[16-17]具有良好的光催化降解性能。本研究将二氧化钛包被在具有磁性的四氧化三铁纳米颗粒表面，制备磁性二氧化钛纳米颗粒，并研究了磁性二氧化钛纳米颗粒协同紫外线在湿态（蜂蜜）及干态（禹白芷）农药残留降解中的应用效果，同时通过采用外加磁场对磁性二氧化钛纳米进行回收再利用的效果，为农药残留降解提供一种新的解决方法。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

蜂蜜、禹白芷：许昌胖东来超市；乐果农药（40%）：湖南海利常德农药公司；乙酰甲胺磷（30%）：江苏东宝化工；高效氯氟氰菊酯（5%）：北京中保绿农科技公司；氟草胺（粉剂）：湖北富瑞达化工；甲氰菊酯（20%）：浙江东阳金鑫化工；乐果、乙酰甲胺磷、高效氯氟氰菊酯、氟草胺及甲氰菊酯标准品（纯度>92%）及三苯基磷酸酯（分析内标物）：德国labor Dr.Ehrenstorfer-Schafers公司；三氯化铁、醋酸钠、乙二胺、无水乙醇：国药集团化学试剂有限公司；四氧乙基硅烷、十六烷基三甲基溴化铵、硫酸氧钛-硫酸水合物：阿拉丁试剂（上海）有限公司；浓氨水：天津科密欧化学试剂有限公司；丙酮：天津市福晨化学试剂厂。

1.2 仪器与设备

FA1004N电子分析天平、JY2002电子天平：上海浦春计量仪器公司；DHG9076A电热恒温鼓风干燥箱：上海精宏公司；3-30KS冷冻离心机：德国Sigma公司；EOFO-945066型多管式涡旋仪：美国Talboys公司；36W紫外灯管：飞利浦公司；JEM100CXII电子透射显微镜：日本电子公司；PS-II-10超纯水机：湖南科尔顿公司；7890B-7000C气相色谱-串联质谱联用仪：安捷伦公司。

1.3 方法

1.3.1 介孔性Fe3O4@SiO2@meso-TiO2材料的制备

1.3.1.1纳米级Fe3O4制备

准确称取1.0 g的FeCl3·6H2O溶解于20 mL乙二醇中，充分地磁力搅拌使之溶解形成黄色的澄清溶液。随后加入准确称取的3.0 g无水醋酸钠，以及用量取的10 mL乙二胺。加完所有试剂后，继续磁力搅拌至完全溶解，再将混合液装入聚四氟乙烯材质的反应釜中，并将反应釜封闭在配套的不锈钢套中，拧紧。置于200℃的鼓风干燥箱中加热8 h。待反应釜的温度自然冷却至室温时，使用强力磁铁对反应产物进行回收，分别用水和乙醇进行洗涤，直至干净为止，再于60℃干燥箱中烘干[18]。

1.3.1.2 Fe3O4@SiO2制备

准确称取所制备的Fe3O40.1 g放入1 000 mL大烧杯中，再向烧杯中加入40 mL乙醇，10 mL超纯水，浓氨水（28%）1.2 mL，将烧杯放入超声仪超声处理1 h，逐滴加入0.35 mL的四氧乙基硅烷，然后用磁力搅拌仪搅拌大约6 h，完成后用超纯水清洗并干燥[19]。

1.3.1.3 Fe3O4@SiO2@meso-TiO2制备

准确称取0.1 g Fe3O4@SiO2分散于25 mL十六烷基三甲基溴化铵20 mmol/L，用超声波仪处理形成溶液A。准确量取25 mL超纯水放入烧杯溶解一定量的硫酸氧钛-硫酸水合物用保鲜膜将烧杯口封好放入加热震荡仪于40℃条件下搅拌至混合液变成无色，形成溶液B。将溶液B逐滴加入至溶液A中用保鲜膜封好烧杯口，放入加热振荡仪于60℃条件下剧烈搅拌24 h，利用磁铁进行分离并用超纯水进行清洗。然后置于100 mL丙酮中重悬，密封，放入85℃恒温箱中，加热48 h，重复3次。冷却至室温，取出溶液倒入1 000 mL大烧杯中，先用乙醇清洗两次再用超纯水清洗3次，清洗后将磁石放在烧杯外底部将材料吸附直至所有材料都被吸到底部，然后将水倒去，将材料移入蒸发皿中放入电热恒温干燥箱于60℃条件下干燥24 h[19]。

1.3.2 蜂蜜及禹白芷农药残留降解研究

1.3.2.1 带药蜂蜜及带药禹白芷的配制

带药蜂蜜的配制：称取1000g蜂蜜试样于2000mL具塞锥形瓶中，分别加入乐果、乙酰甲胺磷、高效氯氟氰菊酯、甲氰菊酯、氟草胺粉剂 2.5、3、15，5、1.2 mg，搅拌均匀，配置成带药蜂蜜。经气相色谱分析，该带药蜂蜜各农药原始浓度为 1.124、0.901、0.756、1.202、1.034 mg/kg，所配制的带药蜂蜜盛放在棕色广口瓶中，密封保存，以备后续研究。

带药禹白芷的制备：分别取乐果5 mg、乙酰甲胺磷6 mg、高效氯氟氰菊酯30 mg、甲氰菊酯10 mg、氟草胺粉剂2.4 mg混合，并加水稀释至2 L溶液，将600 g禹白芷（片剂）浸泡至其中约5 min，捞出后40℃烘箱干燥5 h。经气相色谱分析，该带药禹白芷各农药原始浓度分别为 0.212、0.184、0.165、0.247、0.203 mg/kg，所制备好的带药禹白芷用铝箔纸包裹，并放置在干燥器中保存，以备后续研究。

1.3.2.2 紫外线降解农药试验

简易紫外线光解装置的安放：选取单侧单人型超净工作台1台，内设紫外灯（放射光波长为253.7 nm，功率36 W）一只，超净台台面放置小型搅拌器两台，分别配聚四氟乙烯搅拌桨。

蜂蜜中农药残留降解试验：分别取带药蜂蜜100 g两份于两只250 mL烧杯中，各加入50 mL纯净水以降低体系黏度，其中一份中加入1.0 g Fe3O4@SiO2@meso-TiO2纳米材料，分别将两份带药蜂蜜置于简易紫外线光解装置内，开启慢速搅拌。关闭光解装置前窗，打开紫外灯，开始计时。分别在 3、5、7、9、11、13、15 min 时对两份样品取样，每次取样10 g～15 g，重复试验一次。

禹白芷农药残留降解试验：撤去紫外线光解装置内的搅拌器，将一洁净玻璃板放置在台面上，将两份50 g带药禹白芷片剂分别平摊于两块玻璃板上，其中一份表面均匀撒0.5 g Fe3O4@SiO2@meso-TiO2纳米材料。关闭光解装置前窗，打开紫外灯，开始计时。分别在 3、5、7、9、11、13、15 min 时取样，每次取样 6 g～7 g，重复试验一次。

1.3.2.3 材料回收利用性研究

1）蜂蜜中Fe3O4@SiO2@meso-TiO2纳米材料回收利用性试验

首次：参考1.3.2.2蜂蜜农药残留降解试验过程，取带药蜂蜜50 g及纯净水25 mL于250 mL烧杯中，混匀，加入0.5 g Fe3O4@SiO2@meso-TiO2纳米材料，光解15 min后，将烧杯置于55℃恒温箱中放置20 min以降低体系黏度，烧杯侧边外壁放置磁铁，在磁场的作用下，Fe3O4@SiO2@meso-TiO2纳米材料被吸附在磁铁处，将烧杯内蜂蜜倒出后剩余Fe3O4@SiO2@meso-TiO2加酒精清洗2次，超纯水清洗2次，60℃下烘干24 h。

第一次回收：取带药蜂蜜40 g及纯净水20 mL于250 mL烧杯中，混匀，加入上步所回收Fe3O4@SiO2@meso-TiO2纳米材料0.4 g，其他程序同首次。

第二次回收：取带药蜂蜜30 g及纯净水15 mL于100 mL烧杯中，混匀，加入上步回收Fe3O4@SiO2@meso-TiO2纳米材料0.3 g，其他程序同首次。

第三次回收：取带药蜂蜜20 g及纯净水10 mL于100 mL烧杯中，混匀，加入上步回收Fe3O4@SiO2@meso-TiO2纳米材料0.2 g，其他程序同首次。

检测每次处理前后带药蜂蜜的农药残留，以考察材料的回收利用性。（注：本试验考虑到操作过程中材料有一定程度损耗，因此所取带药蜂蜜量逐步减少。）

2）禹白芷Fe3O4@SiO2@meso-TiO2纳米材料回收利用性试验

回收试验操作过程同1.3.2.2所述，初始及每次回收所取带药禹白芷质量分别为50、40、30、20 g，Fe3O4@SiO2@meso-TiO2纳米材料质量分别为0.5、0.4、0.3、0.2 g。材料回收时，采用洁净保鲜膜将方形磁铁快包裹，然后置于禹白芷片剂表面吸附磁性纳米材料，再将保鲜膜打开置于烧杯中进行清洗，干燥后供下一步使用。

1.3.2.4 农药降解率的计算

某农药降解率计算公式为：

式中：Dx为某农药的降解率，%；Cx0为某农药的初始浓度，mg/kg；Cxt为某农药在紫外线作用t时间时的浓度，mg/kg。

2 结果与分析

2.1 Fe3O4@SiO2@meso-TiO2材料的透射电镜表征

2.1.1 磁核（Fe3O4）电镜表征

所制备的纳米粒子颜色乌黑，为明显的Fe3O4特征。对所制得的Fe3O4进行透射电镜扫描表征，如图1。

图1 所制备Fe3O4透射电镜图Fig.1 Picture of Fe3O4obtained by transmission electron microscope

由图1所示，所制备的Fe3O4粒子大部分呈圆球形，部分粒子表面呈现有规则面及夹角。粒子界面清晰，表面分布有孔。粒子大小均匀，平均直径在70 nm左右。粒子与粒子之间存在空隙，表明了良好的分散性。

2.1.2 二氧化硅包埋磁核（Fe3O4@SiO2）效果表征

由于四氧化三铁磁核较易发生氧化，其实际应用效果有限。采用惰性的二氧化硅对其进行包埋可以有效地提高其实际应用效果。经观察，发现经过二氧化硅包埋处理后，纳米粒子颜色为棕色，对制得的Fe3O4@SiO2进行电镜扫描表征，见图2。

如图2所示，所制得的Fe3O4@SiO2纳米粒子大小均匀，表面光滑，透射电镜清晰可见四氧化三铁磁核及二氧化硅包埋层，经测量，二氧化硅包埋层厚度均匀，厚度约为17 nm。说明二氧化硅包埋效果良好。

2.1.3 二氧化钛覆盖磁核效果表征

经观察，所制得的Fe3O4@SiO2@meso-TiO2材料表面呈现灰白色，初步判断为二氧化钛外层的颜色。对其进行透射电镜表征，见图3。

图2 所制备Fe3O4@SiO2透射电镜图Fig.2 Picture of Fe3O4@SiO2obtained by transmission electron microscope

图3 Fe3O4@SiO2@meso-TiO2透射电镜图Fig.3 Picture of Fe3O4@SiO2@meso-TiO2obtained by transmission electron microscope

如图3所示，图3A为制作成功且包裹良好的Fe3O4@SiO2@meso-TiO2材料，可以发现该材料依然为圆球状，表面粗糙，说明磁核已被严密地包裹在TiO2外层下，材料粒子直径约为165 nm，经测量推算，TiO2外层的厚度约为33 nm。右图所呈现的粒子的集团状，这是由于TiO2外层表面粗糙，纳米粒子之间存在一定程度的粘接所致，存在极少量未能包裹的磁核材料。

2.2 紫外线与磁性纳米粒子在蜂蜜（湿态）农药残留降解过程中的协同效果

紫外线结合磁性纳米粒子对蜂蜜中农药残留的降解见图4。

图4 紫外线结合磁性纳米粒子对蜂蜜中农药残留的降解Fig.4 Degradation tendency of pesticides residues in honey using united method of the ultraviolet ray and magnetic nanoparticles

在单一紫外线照射下（对照组），蜂蜜中的5种农药残留均存在不同程度的降解情况，且随着照射时间的延长，5种农药残留的降解率均呈现上升趋势，验证了紫外线照射对农药残留降解的显著效果。不同的农药种类，紫外线的作用效果存在显著差异，由图4A及图4B可以看出，紫外线照射15 min，蜂蜜中的乐果和乙酰甲胺磷残留的降解明显（降解率均超过50.0%），而对比图4C和图4D，紫外线对于高效氯氟氰菊酯及甲氰菊酯的降解效果较差（降解率均低于40.0%），紫外线对氟草胺（图4E）的降解效果中等（降解率为43.5%）。加入Fe3O4@SiO2@meso-TiO2磁性纳米粒子对紫外线降解蜂蜜中农残有明显的协同效果。加入磁性纳米粒子后，乐果、乙酰甲胺磷、高效氯氟氰菊酯及甲氰菊酯4种农药残留的降解率均有较大程度地提升。其中对乐果和高效氯氟氰菊酯的提升效果最为明显（乐果降解率由58.5%提升至82.1%，高效氯氟氰菊酯降解率由32.0%提升至56.1%）。然而，添加磁性材料后对氟草胺除草剂的降解效果影响较小（图4E）。

2.3 紫外线与磁性纳米粒子在禹白芷（干态）农药残留降解过程中的协同效果

紫外线结合磁性纳米粒子对禹白芷中农药残留的降解见图5。

图5 紫外线结合磁性纳米粒子对禹白芷中农药残留的降解Fig.4 Degradation tendency of pesticides residues in angelica root using united method of the ultraviolet ray and magnetic nanoparticles

由图5可以看出，单一紫外线（对照组）对于禹白芷中的5种农药残留均具有明显的降解效果。其中对于有机磷农药乐果的降解效果最为明显，降解率达到了51.9%，对氟草胺的降解效果最差，降解率仅为24.6%。加入Fe3O4@SiO2@meso-TiO2磁性纳米粒子后，各农药的降解率均有小幅的提升，在15 min的照射时间里，添加纳米粒子，乐果农药降解率从51.9%提升至59.9%，效果明显，而氟草胺降解率仅从24.6%提升至28.6%（按试验趋势，若延长照射时间，降解效果提升率可能会提高）。整体来看，添加Fe3O4@SiO2@meso-TiO2磁性纳米粒子在湿态（蜂蜜）的降解效果优于干态（禹白芷片）降解效果，分析可能的原因是，相比较于湿态的均匀分布，干态时材料仅分布在材料表面，限制了其对于物质内部农残的协同降解。

2.4 回收利用性

Fe3O4@SiO2@meso-TiO2磁性纳米材料在蜂蜜及禹白芷农残降解过程中的回收利用性见图6。

所考察的Fe3O4@SiO2@meso-TiO2磁性纳米材料在蜂蜜（图6A）和禹白芷（图6B）中农药残留降解过程中有较好的重复利用性。在实际操作过程中，纳米材料虽然会有少量损失，但回收后纳米材料对农药残留的降解活性并未有明显下降，说明材料具有较高的稳定性，具有较高的实际应用价值。

图6 Fe3O4@SiO2@meso-TiO2磁性纳米材料在蜂蜜及禹白芷农残降解过程中的回收利用性Fig.6 Recycle using effect of Fe3O4@SiO2@meso-TiO2in the degradation process of honey and angelica root

3 结论

通过本试验发现，本方法所制备的Fe3O4@SiO2@-meso-TiO2磁性纳米材料磁核内径约为70 nm，二氧化硅包埋层约为17 nm，二氧化钛包埋层厚度约为33 nm，所制备的材料表面粗糙，且具有良好的磁分离性；经过在蜂蜜及禹白芷片剂中农药残留的降解实验发现，所制备的Fe3O4@SiO2@meso-TiO2磁性纳米材料具有良好的协同紫外线降解农药残留性能，且在蜂蜜（湿态）中的作用效果优于禹白芷（干态）；另外，通过分别对作用于蜂蜜及禹白芷农残降解的Fe3O4@SiO2@meso-TiO2磁性纳米材料进行3次附加磁场回收利用研究，发现材料回收操作方便，快捷，且催化活性稳定，本方法具有广阔的应用前景。