磁性MIL-100(Fe)微粒制备及其萃取应用

吴官永，王筱倩，党雪平，陈怀侠

(湖北大学化学化工学院， 湖北 武汉 430062)

0 引言

氯吡脲是一种新型苯基脲衍生物类细胞分裂素，可用作植物生长的调节剂，在黄瓜、葡萄和猕猴桃的生物活性比6-苄基氨基嘌呤高10至100倍，因此，氯吡脲被广泛用于增加果实大小、提高黄瓜产量.然而，长期接触氯吡脲会导致健康问题[1].不同国家对氯吡脲的最大残留量(MRL)的要求在0.01～0.1 mg·kg-1[2].因此，对瓜果中氯吡脲的检测是对食品安全的保障.

目前，氯吡脲的检测方法主要有高效液相色谱(HPLC)[3]和液相色谱-串联质谱(LC-MS)[4]，其中HPLC应用比较广泛.样品前处理可以有效提高分析方法的灵敏度和选择性，例如，液-液萃取(LLE)[5]，固相萃取(SPE)[6]和分散固相萃取(DSPE)[7]等.磁固相萃取(MSPE)是一种新型SPE方法，其特点是操作简单、快速、有机溶剂消耗少，在样品前处理中具有较好的应用潜力[8].

金属有机骨架(MOFs)是一类新型无机-有机微孔结晶材料，该材料依托配位键将金属离子和有机配体自组装而拥有不同的形状、孔径、拓扑结构，具有丰富的化学位点和大比表面积[9]，是一类理想的吸附剂材料.

本实验以溶剂热法在Fe3O4纳米粒子表明包覆MIL-100(Fe)，该复合材料兼具磁性和MOFs材料的吸附特性. 以此为吸附介质，建立果蔬中氯吡脲残留的MSPE-HPLC定量方法.

1 实验

1.1 仪器与试剂仪器：高效液相色谱仪(美国Dionex Technologies公司，配置光电二极管阵列检测器)；UPW-20N超纯水仪(北京历元电子仪器有限公司)；CP213分析天平(上海五相仪器有限公司)；DZ-2BC真空干燥箱(天津泰斯特仪器有限公司)；Spectrum One傅里叶红外光谱仪(美国PERKIN ELMER公司)；DIAMOND TG/DTA热重分析仪(美国PERKIN ELMER公司)；JSM 7100F场发射扫描电子显微镜(日本电子株式会社).

试剂：氯吡脲(阿拉丁化学有限公司，中国上海)；六水合氯化铁(FeCl3·6H2O)(博迪化学工业有限公司，中国天津)；乙二醇(国药化学试剂有限公司，中国上海)；无水乙酸钠(NaAc)(国药化学试剂有限公司，中国上海)；巯基乙酸(TGA)和均苯三甲酸(BTC)购自阿拉丁(中国上海)；甲醇(HPLC级)购自Tedia Company Inc.(俄亥俄州，美国)；氯化钠、氨和乙醇购自国药集团化学试剂有限公司(中国上海).未标明纯度的试剂均为分析级.超纯水在超纯水系统(中国北京)上制备得到.

1.2 Fe3O4@MIL-100(Fe)微粒的制备纳米Fe3O4合成[10]：FeCl3·6H2O(1.73 g)在磁搅拌下溶解在35 mL乙二醇中，然后添加NaAc(2.309 g).磁力搅拌搅拌30 min， 200 ℃下反应10 h，然后冷却至室温.产品呈黑色，用超纯水和乙醇洗涤数次，并在60 ℃下真空干燥12 h.

核壳MIL-100(Fe)@Fe3O4磁微粒制备：参考了Chen等人合成Fe3O4@MOF的方法[11]，将1.0 gFe3O4添加到含有80 μL巯基乙酸的200 mL乙醇溶液中，振摇24 h.磁分离后以蒸馏水和乙醇超声清洗.取1.0 g该材料分散在4.0 mL10 mM FeCl3·6H2O乙醇溶液中，再于70 ℃下将其分散在4.0 mL均苯三甲酸的乙醇溶液(10 mmol/L)中.在每个步骤之间进行磁分离，并用乙醇洗涤.30次循环后，用乙醇清洗样品，于150 ℃进行真空干燥.

1.3 磁固相萃取在25 mL玻璃螺口瓶中加入20 mL标准溶液或者样品溶液和12.5 mgFe3O4@MIL-100(Fe)微球；螺口瓶用盖子密封后超声40 min(120 W，100 kHz)，期间每5 min摇晃30 s；在螺口瓶外侧用磁铁收集吸附剂并移除剩余液体；加入3 mL甲醇，超声洗脱10 min(120 W，100 kHz)；通过磁铁分离洗脱液和吸附剂后将洗脱液用氮气吹干后定容至1 mL，取20 μL进行HPLC分析.Fe3O4@MIL-100(Fe)制备流程和MSPE过程如图1所示.

1.4 标准溶液和样品溶液的配制精确称量氯吡脲以甲醇为溶剂配制为1.0 mg·mL-1的标准储备溶液.用超纯水适当稀释标准储备溶液配制氯吡脲标准溶液.

将10 g均质的黄瓜放入装有15 mL甲醇的50 mL塑料离心管中混匀，并提取24 h，加入1 g NaCl和4 g无水MgSO4并涡旋2 min.以8 000 r/min离心15 min后，将上清液过0.22 μm滤膜，直接进行MSPE-HPLC分析.

2 结果与讨论

2.1 Fe3O4@MIL-100(Fe)微粒的表征透射电镜结果表明，Fe3O4@MIL-100(Fe) MNPs材料直径约为1 μm，具有核-壳结构，见图2A.

图2B是Fe3O4@TGA@MIL-100(Fe)的热重分析曲线. 300 ℃以内的失重归因于材料中的客体分子丢失；300～400 ℃的失重归因于MIL-100(Fe)的分解和Fe3O4的氧化，属于主体重量损失[12].显然，该复合磁微粒在300 ℃内结构稳定，适合于磁固相萃取。

Fe3O4@TGA、Fe3O4@TGA@MIL-100(Fe)和MIL-100的红外光谱如图2C所示.其中，在Fe3O4@TGA的红外吸收曲线中，3 399和1 046 cm-1处的特征峰归因于O—H和S—O的伸缩振动.在Fe3O4@TGA@MIL-100的红外吸收曲线中，3 400、1 710和1 445 cm-1处的峰分别是由O—H，C—O伸缩振动和O-H弯曲拉伸引起，这表明其结构中存在羧基.Fe3O4@TGA和Fe3O4@TGA@MIL-100(Fe)的红外吸收曲线中，590和582 cm-1处的特征峰可归因于Fe—O的伸缩振动.与MIL-100的红外光谱图相比，Fe3O4@TGA@MIL-100(Fe)在红外光谱图中存在1 625～1 450 cm-1和900～650 cm-1处苯的特征峰.这些结果显示成功制备了Fe3O4@TGA@MIL-100(Fe)磁微粒.

2.2 MSPE萃取条件的优化使用20 mL 80 μg·L-1氯吡脲标准溶液进行萃取条件的优化.

2.2.1 材料用量 考察了5～15 mg不同吸附材料用量对萃取效果的影响，随着材料用量从5 mg逐渐增加到12.5 mg，回收率逐渐增加，材料从12.5 mg增加到15.0 mg时回收率基本不变.因此，后续实验中吸附剂的用量选择12.5 mg.

2.2.2 样品pH 样品pH值是影响萃取效率的重要参数. 文献报道[13]，pH=5时，Fe3O4与配体羧基形成的Fe-O配位键被破坏，表明Fe3O4@MIL-100(Fe)在酸性条件下不稳定.Garima等[14]证明，MIL-100(Fe)分散体系在pH为7时Zeta电位为负值且绝对值最高，随着pH降低，Zeta电位绝对值迅速降低，而且pH值为6时的吸附能力较pH值为8时有较大的下降.氯吡脲的pKb为1.5，即其共轭酸的pKa为12.5，因此，在pH<11.5的水溶液中，氯吡脲分子带正电荷.基于静电相互作用的机理，本实验测定了氯吡脲样品pH在7～11的萃取回收率.结果表明，样品pH值从7增加到11时，氯吡脲的回收率下降.因此，后续实验选择样品溶液pH为7.

2.2.3 样品盐度 在样品溶液中加入盐可以降低有机化合物在水溶液中的溶解度并导致盐析效应.在提取过程中，通过向样品中加入0～20%(w/v)NaCl来评价样品溶液的离子强度的影响.结果表明，随着盐的添加量从0%升至20%，回收率下降.因此，在随后的实验中样品溶液不添加固体NaCl.

2.2.4 吸附时间和解吸时间 在MSPE过程中，吸附和解吸过程应平衡足够的时间以达到最大回收率.因此，研究了吸附时间和解吸时间对氯吡脲回收率的影响.当吸附时间为40 min时，分析物的回收率最高.40 min后，氯吡脲的回收率略有下降.实验结果表明，10 min足以实现完全解吸过程.因此，分别选择40 min和10 min的吸附时间和解吸时间用于进一步研究.

2.2.5 洗脱液体积 考察了0.5～3.5 mL洗脱液对回收率的影响，洗脱液体积在0.5～3.0 mL时，回收率随着洗脱液体积增大而增大，在3.0 mL时达到最大值，继续增加到3.5 mL时回收率下降.因此，选取3.0 mL为最佳洗脱液体积.

2.3 分析方法和应用在优化条件下，建立了黄瓜中氯吡脲残留的DSPE-HPLC分析方法，该方法的线性范围为5～500 μg·kg-1，相关系数(R2)为0.999 2，线性方程为y=0.009 9x+0.278 5.检测限(LOD，S/N=3)和定量限(LOQ，S/N=10)分别为1.4 μg·kg-1和4.5 μg·kg-1，远低于黄瓜中氯吡脲的最大限量值.

将该方法应用于从当地超市购买的3个黄瓜样品中氯吡脲的测定.结果表明，在一个黄瓜样品中发现了130.0 μg·kg-1的氯吡脲残留.将空白黄瓜样品分别加标氯吡脲为5、250和500 μg·kg-1，其回收率在95.8%～101.0%范围内.用空白黄瓜中加入5、250和500 μg·kg-1的氯吡脲计算日内和日间相对标准偏差(RSD).实验结果显示，日内和日间RSD分别在5.1%～8.8%和5.3%～7.5%的范围内，表明本方法具有良好的重现性.图3是空白黄瓜、空白黄瓜MSPE、空白黄瓜加标500 μg·kg-1氯吡脲前后的.可以看出，MSPE对于黄瓜中的氯吡脲具有明显的富集作用.

如表1所示，与其他氯吡脲的分析方法比较，本MSPE-HPLC方法明显比QuEChERS LC/TOF-MS、SPE-HPLC、QuEChERS或SPE-LC-UV的定量限低，而且，远比DLLME-LC-ESI-TOFMS[5]的线性范围宽.

表1 Fe3O4@MIL-100(Fe)-MSPE-HPLC与其他方法的比较

3 结论

本实验制备了Fe3O4@MIL-100(Fe)核壳磁性微粒，并应用于黄瓜中氯吡脲残留磁萃取.实验结果显示，该复合材料兼具Fe3O4磁性和MOFs的结构特征，对氯吡脲具有良好的分离富集性能.所建立的黄瓜中氯吡脲的DSPE-HPLC方法简便快速、线性范围宽、灵敏度高、重现性好，适合于实际复杂样品中氯吡脲的定量分析.