賈葉青，念琪循，張 磊，冀欠欠，徐厚君，王曼曼，王學(xué)生，郝玉蘭

(華北理工大學(xué) 公共衛(wèi)生學(xué)院 河北 唐山 063210)

苯甲酰脲類(lèi)農(nóng)藥(Benzoylurea pesticides，BUs)是一種高效的昆蟲(chóng)生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑，具有殺蟲(chóng)率高，殺蟲(chóng)譜寬，殘留量低等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于糧食、蔬菜、水果等病蟲(chóng)害防治[1]。然而，BUs農(nóng)藥的廣泛使用容易造成農(nóng)田土壤及灌溉水污染，進(jìn)而經(jīng)滲透或蒸發(fā)等途徑進(jìn)入環(huán)境水系中。已有學(xué)者在農(nóng)田灌溉水、河水以及湖水等環(huán)境水系中檢測(cè)到虱螨脲、氟鈴脲等BUs的存在[2-3]。雖然目前相關(guān)部門(mén)并未制定環(huán)境水中BUs的限量標(biāo)準(zhǔn)，但研究發(fā)現(xiàn)，水棲生物特別是甲殼類(lèi)(蝦、蟹幼體)對(duì)BUs存在敏感反應(yīng)。美國(guó)環(huán)境保護(hù)局已將部分苯甲酰脲類(lèi)農(nóng)藥定為Ⅲ類(lèi)毒性或Ⅳ類(lèi)毒性的中等毒性農(nóng)藥[4]。由于BUs種類(lèi)較多，本文以4種常用的BUs作為目標(biāo)物，對(duì)農(nóng)田灌溉水中的BUs殘留進(jìn)行分析，以期為該類(lèi)農(nóng)藥的合理使用和環(huán)境安全評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)。

目前，BUs的分析方法主要包括高效液相色譜-紫外檢測(cè)、高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜檢測(cè)等方法[5-6]。但鑒于實(shí)際水樣的基底成分復(fù)雜，且BUs往往處于痕量水平，因此，有效、簡(jiǎn)單且快速的前處理技術(shù)是決定分析方法準(zhǔn)確度和靈敏度的關(guān)鍵。目前，BUs分析常用的前處理方法包括液液萃取、固相萃取及纖維固相微萃取等[6-8]。

磁性固相萃取技術(shù)(MSPE)是一種新型固相萃取技術(shù)，其通過(guò)施加外部磁場(chǎng)以實(shí)現(xiàn)吸附劑與樣品溶液的快速分離。相比于傳統(tǒng)的前處理方法，MSPE的操作簡(jiǎn)單，樣品分析速度快，且避免了填充柱的背壓高等問(wèn)題。金屬-有機(jī)骨架(MOFs)是以有機(jī)配體中的氧原子和氮原子連接無(wú)機(jī)金屬離子形成的多孔晶體材料，具有比表面積大、孔道可調(diào)控等特性，在吸附分離方面具有明顯優(yōu)勢(shì)[9-11]。將MOFs引至磁性固相萃取技術(shù)，一方面可利用磁性納米粒子的超順磁特點(diǎn)，使其在外部磁場(chǎng)作用下與樣品溶液快速分離；另一方面可充分發(fā)揮MOFs較強(qiáng)的吸附性能，以達(dá)到高效富集痕量物質(zhì)的目的。2005年，法國(guó)Férey等[12]率先采用Cr(Ⅲ)與對(duì)苯二甲酸鍵合而成MIL-101，該材料呈立方結(jié)構(gòu)，比表面積達(dá)4 000 m2/g以上，在水及有機(jī)溶劑中具有優(yōu)良的穩(wěn)定性，被廣泛用于吸附、催化等領(lǐng)域[13-14]。2014年，Huang等[15]制備了功能化復(fù)合材料Fe3O4-NH2@MIL-101，該材料中MIL-101對(duì)BUs的苯環(huán)結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的π-π共軛作用；而Fe3O4-NH2的加入則提高了材料在水中的分散性，增加了材料與BUs的接觸面積，進(jìn)一步提高了吸附效率；且BUs本身具有強(qiáng)疏水性，易從水溶液中吸附分離。

基于此，本研究將Fe3O4-NH2@MIL-101復(fù)合材料作為磁固相萃取介質(zhì)，結(jié)合高效液相色譜-紫外法，發(fā)展了一種簡(jiǎn)便、快速檢測(cè)農(nóng)田灌溉水中4種BUs殘留的分析方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Agilent 1260高效液相色譜，配有紫外檢測(cè)器(美國(guó)Agilent公司)；100 mL水熱合成反應(yīng)釜(天津凱易達(dá)儀器設(shè)備銷(xiāo)售有限公司)；JEM-2800F聚焦離子束-電子束雙束電鏡(美國(guó)FEI儀器有限公司)；Nicolet-6700傅立葉變換紅外光譜分析儀(美國(guó)Thermo公司)；XRD-6100型X射線衍射儀(日本島津公司)；LDJ 9600-1型振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(美國(guó)LDJ電子儀器公司)；DZF-6020型真空干燥箱(上海博訊實(shí)業(yè)有限公司)；LC-36熱風(fēng)循環(huán)烘箱(上海旦順實(shí)業(yè)有限公司)。

九水合硝酸鉻、對(duì)苯二甲酸、1,6-己二胺(分析純，上海阿拉丁試劑有限公司)；甲醇(MeOH)、乙腈(ACN)(色譜純，美國(guó)Fisher公司)；丙酮(DMK)、乙酸乙酯(EA)、無(wú)水乙酸鈉、六水合氯化鐵、乙二醇、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、無(wú)水乙醇(分析純，天津光復(fù)試劑有限公司)；實(shí)驗(yàn)用水為超純水。

4種BUs標(biāo)準(zhǔn)品：氯吡脲、氟幼脲、虱螨脲(純度≥98%，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)資源共享平臺(tái))，氟鈴脲(純度≥98%，上海阿拉丁試劑有限公司)，用乙腈配制成1 mg/mL標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液，于4 ℃儲(chǔ)存待用。

1.2 樣品采集

樣品采集自河北省唐山市曹妃甸區(qū)不同農(nóng)田灌溉水出水口，水樣分析之前經(jīng)0.45 μm的濾膜過(guò)濾以除去懸浮顆粒。

1.3 磁性金屬有機(jī)骨架吸附材料的制備與表征

將0.65 g六水合氯化鐵分散于20 mL乙二醇中，加入1.3 g無(wú)水乙酸鈉，超聲混勻后，加入5 mL 1,6-己二胺，于50 ℃下攪拌均勻。將混合溶液轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯內(nèi)襯反應(yīng)釜中，置于預(yù)先加熱至190 ℃的烘箱中反應(yīng)10 h。反應(yīng)釜在烘箱中冷卻至室溫，所得產(chǎn)物用水和無(wú)水乙醇洗滌，60 ℃真空干燥12 h后，得到Fe3O4-NH2。

將2 g九水合硝酸鉻和0.83 g對(duì)苯二甲酸溶于15 mL水中，磁力攪拌3 h后，超聲10 min，再加入0.1 g Fe3O4-NH2和5 mL水。將反應(yīng)溶液轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯內(nèi)襯反應(yīng)釜中，220 ℃下反應(yīng)18 h。冷卻至室溫，施加外部磁場(chǎng)將產(chǎn)物與反應(yīng)介質(zhì)分離，經(jīng)DMF、乙醇和水清洗產(chǎn)物，100 ℃下真空干燥過(guò)夜，得到Fe3O4-NH2@MIL-101磁性吸附劑。

對(duì)制備的Fe3O4-NH2@MIL-101磁性吸附劑進(jìn)行表征：采樣掃描電子顯微鏡、紅外光譜及X射線衍射考察Fe3O4-NH2@MIL-101的表面形貌、基團(tuán)和晶體結(jié)構(gòu)，通過(guò)振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)考察吸附劑的磁性強(qiáng)弱。

1.4 高效液相色譜分析條件

色譜柱為Agilent EC-C18(4.6 mm×150 mm，4 μm)，采用梯度洗脫方式，流動(dòng)相A為水，B為乙腈，洗脫程序?yàn)椋?～5 min，B由40%線性增加至65%；5～7 min，B由65%線性增加至80%，7～12 min,B保持80%至分析結(jié)束。流速為1 mL/min，檢測(cè)波長(zhǎng)為260 nm，柱溫22 ℃，進(jìn)樣量10 μL。

1.5 磁性固相萃取流程

稱取22 mg磁性吸附劑Fe3O4-NH2@MIL-101加至100 mL水樣中，吸附15 min后，施加外部磁場(chǎng)將吸附劑與樣品溶液分離，棄去上清液。采用0.5 mL甲醇對(duì)BUs進(jìn)行洗脫，充分振蕩3 min后磁分離，重復(fù)3次后合并洗脫液，氮吹濃縮后用甲醇定容至1 mL，待測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 Fe3O4-NH2@MIL-101的表征

對(duì)Fe3O4-NH2@MIL-101進(jìn)行掃描電鏡分析(SEM)，可觀察到Fe3O4納米粒子均勻地附在MIL-101表面(圖1A)，表明二者已成功復(fù)合。對(duì)吸附劑的磁強(qiáng)度進(jìn)行考察，得到Fe3O4-NH2@MIL-101吸附劑的磁化飽和度值為27.7 emu·g-1(圖1B)，表現(xiàn)出較強(qiáng)磁性，能夠在外加磁場(chǎng)作用下與樣品溶

液快速分離。采用X射線晶體衍射進(jìn)一步鑒別材料的晶體結(jié)構(gòu)，可觀察到衍射圖中保留了Fe3O4-NH2的6個(gè)特征峰和MIL-101的2個(gè)特征峰(圖1C)，表明該復(fù)合材料由Fe3O4-NH2和MIL-101組成，與文獻(xiàn)一致[13]。為了進(jìn)一步驗(yàn)證復(fù)合材料的構(gòu)成，對(duì)其進(jìn)行紅外光譜(FT-IR)分析(圖1D)，可觀察到在3 415 cm-1處出現(xiàn)典型的—OH和—NH伸縮振動(dòng)峰，1 506 cm-1和1 690 cm-1處的吸收峰可歸屬為有機(jī)配體對(duì)苯二甲酸中—COOH的不對(duì)稱拉伸，578 cm-1處的吸收峰則由Fe—O鍵伸縮振動(dòng)引起，這些特征峰說(shuō)明了Fe3O4-NH2和MIL-101的存在。

2.2 磁性固相萃取條件的優(yōu)化

吸附和洗脫過(guò)程是影響磁固相萃取效果的關(guān)鍵，因此實(shí)驗(yàn)對(duì)吸附劑用量、吸附時(shí)間等吸附條件，以及洗脫溶劑種類(lèi)與體積等洗脫條件進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化過(guò)程采用100 mL混合標(biāo)準(zhǔn)水溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中氯吡脲的質(zhì)量濃度為10 μg/L，氟幼脲、氟鈴脲、虱螨脲的質(zhì)量濃度均為30 μg/L。所有實(shí)驗(yàn)均平行3次。

2.2.1吸附條件的優(yōu)化吸附劑的用量和時(shí)間決定了前處理過(guò)程的效率和成本。實(shí)驗(yàn)考察了吸附劑用量分別為16、18、20、22、24 mg，吸附時(shí)間分別為12、13、14、15、16 min時(shí)，對(duì)4種BUs萃取效率的影響，結(jié)果顯示，隨著磁性吸附材料用量的增加和吸附時(shí)間的延長(zhǎng)，4種BUs的吸附效率也隨之提高。當(dāng)吸附劑用量為22 mg，吸附時(shí)間為15 min時(shí)，吸附效率達(dá)到最高，繼續(xù)增加吸附用量和吸附時(shí)間，吸附效率保持穩(wěn)定。圖2A為吸附劑用量對(duì)BUs萃取效率的影響。后續(xù)實(shí)驗(yàn)選擇最佳吸附劑用量為22 mg，最佳吸附時(shí)間為15 min。

離子強(qiáng)度和pH值也會(huì)影響萃取效率。在溶液中分別加入不同濃度(0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%，m/v)NaCl調(diào)節(jié)離子強(qiáng)度，以考察離子強(qiáng)度對(duì)萃取效率的影響。結(jié)果顯示，4種BUs的吸附效率隨著NaCl濃度的增加而增加，當(dāng)NaCl濃度達(dá)到1.5%時(shí)，吸附效率最好，繼續(xù)增加NaCl濃度，吸附效率逐漸降低。實(shí)驗(yàn)確定NaCl的最佳濃度為1.5%。另外，在pH 2.0～8.0范圍內(nèi)探討了溶液pH值對(duì)吸附效率的影響。由圖2B可以看出，BUs的吸附效率在pH 5.0時(shí)達(dá)到最大，因此實(shí)驗(yàn)選擇pH值為5.0。

圖3 洗脫溶劑種類(lèi)對(duì)BUs洗脫效率的影響Fig.3 Effect of eluent type on elution efficiencies of BUs

2.2.2洗脫條件的優(yōu)化考察了甲醇、乙腈、丙酮和乙酸乙酯4種溶劑對(duì)BUs的洗脫效果，結(jié)果顯示，甲醇的洗脫效率達(dá)到85%(圖3)，明顯高于其他3種溶劑，因此實(shí)驗(yàn)選擇甲醇作為洗脫溶劑。

實(shí)驗(yàn)同時(shí)考察了不同洗脫時(shí)間(1、3、6、9、12 min)及洗脫體積(0.5 mL、0.5×2 mL、0.5×3 mL、0.5×4 mL、0.5×5 mL)對(duì)BUs洗脫效率的影響。結(jié)果表明，當(dāng)洗脫時(shí)間為9 min，洗脫體積為0.5×3 mL時(shí)的洗脫效率最佳。

2.3 方法驗(yàn)證

在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件下，配制了一系列BUs的標(biāo)準(zhǔn)工作溶液，以峰面積(y)對(duì)BUs質(zhì)量濃度(x，mg/L)作圖。如表1所示，氯吡脲在0.010～1.0 mg/L范圍內(nèi)，氟幼脲和氟鈴脲在0.015～3.0 mg/L范圍內(nèi)，虱螨脲在0.030～3.0 mg/L范圍內(nèi)，線性關(guān)系良好，相關(guān)系數(shù)均大于0.999 5。氯吡脲、氟幼脲、氟鈴脲、虱螨脲的檢出限(LOD，S/N=3)分別為0.03、0.05、0.05、0.09 μg/L，定量下限(LOQ，S/N=10)分別為0.10、0.17、0.17、0.30 μg/L。

表1 基于Fe3O4-NH2@MIL-101磁固相萃取4種BUs的分析特征量Table 1 Analytical performance data for 4 BUs by Fe3O4-NH2@MIL-101 based MSPE technique

對(duì)實(shí)際農(nóng)田灌溉水樣進(jìn)行3個(gè)水平的加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，4種物質(zhì)的加標(biāo)濃度見(jiàn)表2，所有實(shí)驗(yàn)平行3次，計(jì)算方法的加標(biāo)回收率與相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)。由表2可知，4種BUs的回收率為81.7%～95.4%，方法的日內(nèi)和日間RSD分別為2.2%～6.8%和4.7%～9.4%。

表2 Fe3O4-NH2@MIL-101磁性固相萃取灌溉水中BUs的回收率及相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)Table 2 Recoveries and RSDs obtained in the determination of BUs from spiked irrigation water samples by using Fe3O4-NH2@MIL-101 as sorbent

2.4 實(shí)際樣品的分析

在最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)5份農(nóng)田灌溉水樣品中的BUs進(jìn)行萃取和分析，5份樣品均未檢出BUs。對(duì)樣品進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，加標(biāo)濃度為1.0 mg/L氯吡脲和3.0 mg/L氟幼脲、氟鈴脲、虱螨脲，圖4為空白樣品(A)、樣品加標(biāo)后未經(jīng)MSPE(B)和經(jīng)MSPE(C)處理的色譜圖，由圖4B、C可見(jiàn)，4種BUs經(jīng)Fe3O4-NH2@MIL-101吸附劑MSPE處理后，能夠得到有效富集，富集倍數(shù)達(dá)100倍。

2.5 與文獻(xiàn)方法對(duì)比

將本方法與文獻(xiàn)報(bào)道的其他前處理技術(shù)結(jié)合高效液相色譜檢測(cè)BUs的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)表3)。結(jié)果顯示，在回收率與檢出限相當(dāng)?shù)那闆r下，本方法所需的吸附劑用量少，吸附時(shí)間僅需15 min，且只需在外加磁場(chǎng)作用下即可完成對(duì)目標(biāo)物的萃取，無(wú)需過(guò)濾和離心，方法快速、簡(jiǎn)單。

表3 本方法與其他前處理技術(shù)結(jié)合高效液相色譜對(duì)BUs檢測(cè)的比較Table 3 Comparison with this work and the reported techniques for determination of BUs in various samples using HPLC

a:multiple monolithic fiber solid-phase microextraction,b:solid-phase extraction,c:thin film microextraction;*:no data

3 結(jié) 論

本研究將Fe3O4-NH2@MIL-101用于固相萃取水中BUs的殘留，結(jié)合高效液相色譜-紫外檢測(cè)，發(fā)展了一種簡(jiǎn)單、快速檢測(cè)農(nóng)田灌溉水中BUs殘留的分析方法。Fe3O4-NH2@MIL-101磁性萃取充分利用了MIL-101的吸附能力，以及磁性固相萃取操作簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，使其在外部磁場(chǎng)作用下可迅速分離目標(biāo)物，從而避免了離心、過(guò)濾等操作。方法操作簡(jiǎn)單、快速，為水中BUs的前處理方法提供了新選擇。