磁性固相萃取-气相色谱质谱联用检测桔汁中的农药残留

董云渊* 陈晓彬 金 晨2 郑启富

(1. 衢州学院化学与材料工程学院，衢州 324000；2.金华环境监测中心站，金华 321015)

柑桔是我国南方地区种植面积最大的水果，具有较高的营养和经济价值[1]。柑桔汁是最重要的柑桔加工产品，柑桔汁类产品的质量安全关系到人类健康和柑桔产业的健康发展[2]。农药在保护农产品免受霉菌，真菌，昆虫等因素影响作物质量和产量方面发挥着重要的作用[3]。因此，它们在农业中的使用日益广泛，虽然农药的使用有许多优点，但过度使用可能对环境和人类健康造成极大的威胁。因此，开发能够检测其在食品和环境样品中痕量残留浓度的方法是非常迫切的。2-苯基苯酚作为一种抗真菌剂被广泛的应用于橙子的种植当中[4]，二苯胺作为一种抗氧化剂被用于控制果皮油胞病[5]，胡椒基丁醚是天然除虫菊和合成拟除虫菊酯杀虫剂的半合成增效剂，大量用于作物灭虫处理[6]。食品法典委员会规定柑桔汁等果汁中2-苯基苯酚的限量标准为0.5 mg·L-1，二苯胺的限量标准是0.5 mg·L-1，日本标准胡椒基丁醚的限量标准为0.05mg·L-1[7]。农药在果汁中残留浓度较低再加上复杂基体的干扰，在进仪器分析前需要对其进行富集和净化。

目前用于制备果汁农残中农药的前处理方法主要有液液萃取(LLE)[8]、分散液液微萃取(DLLME)[9-11]、固相萃取(SPE)[12-14]、搅拌棒吸附萃取(SBSE)[15]等。然而，这些方法操作繁琐复杂，需要消耗大量的时间或有毒有机溶剂。近年来，磁性固相萃取技术[16,17]得到了较大的发展，被广泛地应用在环境，医药，生物等各个领域，其在果汁痕量污染物富集净化中的应用也越来越广泛。如Sun[18]等将磁性石墨烯用于橙汁中8种有机氯农药的萃取中，Li[19]等将磁性石墨烯用于水和果汁中的 4种酰胺类杀菌剂的的提取分析均取得较好的回收率。

本人在之前的工作中[20]将氯甲基化磁性聚苯乙烯微球用于环境水体中硝基苯类化合物的固相萃取中，并在实际水样中检测到阳性样本。但在之前的研究[21，22]当中发现，磁性纳米材料在磁性固相萃取过程中容易发生团聚现象，且不易于分散，漂浮于溶液表面，极大的影响了分析结果的平行性，且容易造成材料的损耗，而且要求弃去水样时操作需非常谨慎。因此，本次研究通过化学共沉淀法合成的磁性羟基化的多壁碳纳米管作为吸附剂，用于果汁中2-苯基苯酚、二苯胺、胡椒基丁醚等3种农药的固相萃取中，解决了材料的分散问题。同时考察了磁性吸附剂用量，萃取时间，洗脱溶剂种类和体积等参数对萃取效率的影响，结果显示，羟基改性后的多壁碳纳米管极大的增强了多壁碳纳米管的亲水性，增加了材料的吸附效果，简化了操作，使分析结果更加的可靠。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

GCMS-QP2010SE气相色谱质谱联用仪(日本 岛津公司)；LB-K200氮气吹扫仪(奥特赛恩斯仪器)；超纯水由四川优普超纯科技公司的UPHW-1-901装置制备；SZCL-2A智能控温磁力搅拌器(中国 予华仪器)。

甲醇、乙醇、乙腈、二氯甲烷、乙酸乙酯均为纯度大于99.9%的HPLC级，购自美国天地公司(TEDIA)；六水合硫酸亚铁铵、十二水合硫酸亚铁和氨水均为分析纯购置于西陇科学公司；多壁碳纳米管(MWSNTs)，羟基化多壁碳纳米管(MWSNTs-OH)，氮掺杂多壁碳纳米管(MWSNTs-N)均购置于阿拉丁公司(中国，上海)；3种农药标准品(>99.5%)购于阿拉丁公司；由甲醇配制为1000 μg·mL-1标准储备液，于4℃避光保存，根据需要再用甲醇逐级稀释成不同浓度的系列混合标准工作溶液。

1.2 色谱质谱条件

色谱条件：进样口温度：280℃；进样量：1μL(不分流进样)；载气：He；流量：1mL/min；色谱柱：Rtx-5MS(30.0m×0.25mm i.d.×0.25μm)；程序升温条件：100℃保持1min，以20℃/min升至280℃，保持5min；

质谱条件：离子源温度260℃，色谱传质杆温度250℃；电子轰击源(EI)，电离能量70eV；载气流速1 ml/min；检测方式：选择离子扫描模式(SIM)。

1.3 磁性复合材料的制备

Fe3O4@MWSNTs-OH (磁性羟基化多壁碳纳米管)、Fe3O4@MWSNTs(磁性多壁碳纳米管)和Fe3O4@MWSNTs-N (磁性氮掺杂多壁碳纳米管)根据文献[23]采用共沉淀法合成：分别称取0.5 g碳纳米管，在三口烧瓶中加入200 mL超纯水，恒温50℃下超声1 h使碳纳米管充分分散。之后在氮气保护下，加入1.7 g (NH4)2Fe(SO4)2?6H2O和2.5 g (NH4)2Fe(SO4)2?12H2O，超声10 min，逐滴加入10 mL氨水溶液使体系的pH值保持在11～12，于50℃恒温油浴恒速搅拌下反应1 h。反应结束为黑色悬浮液，用磁铁将生成的磁性复合材料从悬浮液中分离出来，用超纯水和无水乙醇各洗涤3次，再放入50℃真空干燥箱烘干。

1.4 磁性复合材料的表征

运用X射线衍射仪(D8 ADVANCE 德国布鲁克公司；铜靶，λ=1.541 8Å)测定样品的物相组成；运用傅里叶变换红外光谱仪(IS50，美国赛默飞世尔公司)测试样品的FTIR光谱图，KBr 压片法制样。运用元素分析仪(Elementar vario EL cube，德国元素分析系统公司)测试样品的CHONS元素含量，CHNS模式燃烧管温度1150℃，还原管温度850℃；磺胺作为标准品，对空白样品平行测定13次。O模式燃烧管温度1150℃，苯甲酸为标准品；对空白样品平行测定13次。

1.5 磁性固相萃取过程

称取25 mg磁性材料放入25 mL样品瓶中，加入3 mL甲醇活化，活化完成后，用磁铁进行分离。再加入20 mL加标农药浓度为0.2 mg·L-1的果汁样品液。超声振荡15 s使磁性多壁碳纳米管分散均匀，让其吸附10分钟。用磁铁进行磁分离后，移出溶液，加入2 mL甲醇进行洗脱，将洗脱溶液氮吹定容至1mL。经0.22 μm滤膜过滤后，取1μL于GC/MS进样分析。

2 结果与讨论

2.1 磁性复合材料的表征结果

从图1(A)Fe3O4@MWSNTs-OH的XRD谱图可以看出30.3°、35.6°、43.2°、53.7°、57.1°和62.9°的位置出现衍射峰(2θ为35.6°处的峰最强)，分别对应Fe3O4纳米颗粒的6个晶面。26.1°的衍射峰是石墨碳的特征衍射峰。说明负载了Fe3O4纳米颗粒的MWSNTs-OH仍是石墨结构。Fe3O4@MWSNTs-OH的FTIR谱图中571cm-1处有一处较强的Fe-O伸缩弯曲振动峰，表明复合材料中存在Fe3O4纳米颗粒。在3450 cm-1是-OH振动引起的强宽吸收峰，在1562 cm-1处是由石墨结构中的C=C伸缩振动引起的较强吸收峰，在1387 cm-1处是由-CH3弯曲振动引起的吸收峰，在1057cm-1处是由C-O伸缩振动引起的吸收峰，综上结果说明四氧化三铁纳米颗粒较好的结合在了羟基化多壁碳纳米管上。

图1 磁性复合材料的表征结果 (A) .Fe3O4@MWSNTs-OH的XRD谱图 ；(B). MWSNTs-OH(a)和Fe3O4@MWSNTs-OH(b)的FTIR谱图

元素分析仪测定结果如表1所示，其中羟基化多壁碳纳米管由于-OH的存在，O元素含量略高于多壁碳纳米管和氮掺杂多壁碳纳米管，而氮掺杂多壁碳纳米管中的N元素含量明显高于其它两种材料。3种多壁碳纳米管材料负载了Fe3O4后C元素含量明显降低，O元素含量明显升高。

表1 元素分析仪测定材料碳氢氧氮硫含量 %

2.2 磁性固相萃取条件优化

为获得磁性羟基化多壁碳纳米管对2-苯基苯酚、二苯胺、胡椒基丁醚的最佳萃取效果。实验中，对影响萃取过程的主要因素，如萃取材料的用量、洗脱溶剂种类和体积、萃取时间、样品体积等条件进行优化，优化过程中农药加标浓度为4 mg·L-1。

2.2.1磁性材料种类的影响

如图2(A)所示，本实验考察了3种不同的磁性材料对农药的萃取效果。结果显示Fe3O4@MWSNTs-OH明显优于其它两种材料。原因可能是多壁碳纳米管羟基化后，增加了材料的亲水性，使其更容易在果汁中分散，增大与目标分析物的接触面积。通过实验也可以观察到萃取过程中羟基化磁性多壁碳纳米管团聚现象最少，更容易与果汁溶液混合。因此，选择羟基化磁性多壁碳纳米管作为固相萃取的吸附材料。

2.2.2萃取材料用量的影响

萃取材料用量对萃取效率的影响如图2(B)所示：当Fe3O4/MWSNTs-OH的用量从5 mg增加至25 mg时，目标分析物的萃取效率整体呈上升趋势，而当材料用量大于25 mg时，萃取效率基本没有太大变化。因此，选取25 mg作为磁性材料的用量。

图2 磁性固相萃取条件优化(A). 磁性材料种类对萃取效率的影响; (B) .材料用量对萃取效率的影响; (C) .洗脱溶剂种类对萃取效率的影响; (D) .洗脱溶剂体积对萃取效率的影响; (E) .萃取时间对萃取效率的影响; (F). 样品体积对萃取效率的影响

2.2.3洗脱溶剂种类的影响

洗脱溶剂种类的影响如图2(C)所示，乙腈、甲醇、乙醇对胡椒基丁醚有较好的洗脱效果，但乙腈和乙醇对于2-苯基苯酚和二苯胺的洗脱能力弱于甲醇；二氯甲烷的洗脱效果最差，不能满足定量分析的要求。因此，选择甲醇为最终的洗脱溶剂。

2.2.4洗脱溶剂体积的影响

如图2(D)所示，甲醇用量大于2 mL后，3种农药的洗脱效果没有明显变化。为减少萃取过程中有机溶剂的浪费与污染，选择2 mL甲醇进行接下来的实验。

2.2.5萃取时间的影响

图2(E)显示3种农药的萃取效率在0～10分钟内逐渐增加。当吸附时间超过10 min时，萃取效率趋于不变。说明10 min就能够达到吸附平衡。因此选取10 min作为磁性固相萃取的吸附时间。

2.2.6上样体积的影响

农药在果汁中的残留通常为痕量，因此当上样体积越大时，富集倍数越高。为了得到较好的实验结果及检出限，本实验对样品溶液的体积进行了优化。为了得到较好的实验结果及检出限，本实验对样品溶液的体积进行了优化。本实验考察了不同体积(10 mL、20 mL、30 mL、40 mL)的上样量对萃取效率的影响。结果如图2(F)所示，当上样量从30 mL增大到40 mL时，3种目标分析物的萃取效果均下降明显，所以最后选择 30 mL作为上样体积。

2.3 方法评价

在优化的实验条件下，对3种农药的线性范围、相关系数、最低检出限、精密度进行了考察，结果见表2。3种农药在0.01～10 mg·L-1质量浓度范围内与色谱峰面积呈良好的线性关系，其相关系数在0.9973～0.9987之间。检出限(S/N=3)和定量限(S/N=10)分别为0.167～0.333μg·L-1(S/N=3)和0.557～1.11 μg·L-1(S/N=3)，日内精密度在1.03%～8.59%之间，方法重现性良好。

表2 最优条件下MSPE/GC-MS联用法的方法评价

2.4 实际样品的测定

采用本方法分析了橙子汁、柑桔汁和沃桔汁，在已经确定的最优条件下进行检测，结果显示3种果汁样品中均未检出3种农药残留。在此基础上，考察了3种样本在200 μg·L-1和400 μg·L-1浓度下的加标回收率，每个样本平行萃取测定 3 次，表3结果显示3种农药加标回收率在85.1 %～101.0 %之间，RSD为1.9 %～5.5 %。

3 结论

本实验成功建立了同时测定桔汁中3种农药的MSPE/ GC-MS分析方法。萃取过程中的各个影响因素得到优化，并在最佳萃取条件下，获得了方法评价的各个参数，包括检出限、精密度等。该方法与传统方法相比，操作简单快速，有机溶剂用量少，符合绿色化学的要求，可应用于果汁样品中2-苯基苯酚、二苯胺、胡椒基丁醚的快速筛查。

表3 果汁中3种农药的测定