袁彩霞，王玉，洪霞，何海寧，柴宗龍，張彥軍，錢瀅文，王杰斌，趙萍

（1.甘肅省商業(yè)科技研究所甘肅省動(dòng)物源性制品安全分析和檢測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730010；2.平?jīng)鍪惺称窓z驗(yàn)檢測(cè)中心，甘肅平?jīng)?44000；3.蘭州理工大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅蘭州730050）

食品中殘留的農(nóng)藥不僅給人體健康帶來了很大的傷害，而且也極大地影響生物環(huán)境和農(nóng)作物生長(zhǎng)[1]。農(nóng)藥雖然在防治農(nóng)產(chǎn)品病蟲害及植物生長(zhǎng)方面起到了有效作用，但也不同程度地污染了農(nóng)作物和環(huán)境[2]。尤其是農(nóng)藥不合理的使用，導(dǎo)致蔬菜、糧食、瓜果等農(nóng)產(chǎn)品甚至土壤中的農(nóng)藥殘留嚴(yán)重超標(biāo)[3]，殘留的農(nóng)藥不僅造成了環(huán)境污染，且直接或間接地危害人體健康[4]。因此，必須加強(qiáng)對(duì)農(nóng)藥檢測(cè)方法與降解機(jī)理的研究，解決農(nóng)藥對(duì)環(huán)境及食物的污染問題[5-6]。研究表明，殘留農(nóng)藥已成為對(duì)環(huán)境和食品的重要污染源之一，對(duì)其分析方法及檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展也引起了人們高度重視[7]，由于食品中農(nóng)藥殘留分析所涉及到的樣品復(fù)雜、農(nóng)藥類型較多，分析不同類型的樣品和農(nóng)藥需要選擇不同的檢測(cè)手段[8]。近年來，隨著各種檢測(cè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，農(nóng)藥殘留的分析正向省時(shí)、省力、環(huán)保的方向發(fā)展，尤其是樣品基質(zhì)較為復(fù)雜的農(nóng)藥殘留分析方法[9-11]。

在農(nóng)藥殘留檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)，樣品的前處理技術(shù)通常對(duì)檢測(cè)結(jié)果分析的準(zhǔn)確性具有很大的影響，同時(shí)，樣品的前處理過程也是農(nóng)藥殘留檢測(cè)中最耗時(shí)的部分，對(duì)于農(nóng)藥和基質(zhì)種類復(fù)雜的樣品，在農(nóng)藥殘留分析中需結(jié)合實(shí)際條件選用適當(dāng)?shù)臉悠非疤幚矸椒╗12-13]。理想的樣品前處理方法可以起到對(duì)目標(biāo)分析物很好地分離富集，并減少或消除樣品基質(zhì)干擾的作用[14-15]。

樣品前處理過程一般包括樣品的提取，凈化，濃縮，定容。樣品提取時(shí)，樣品中其他干擾物如色素、糖類、氨基酸、淀粉、脂類和蠟質(zhì)等一起被提取出來，將會(huì)對(duì)目標(biāo)分析物的檢測(cè)造成影響。樣品凈化就是消除或降低干擾物質(zhì)的過程[16]。傳統(tǒng)的樣品前處理技術(shù)有液-液萃取法[17]、索氏提取法[18]、振蕩提取法等[19]，這些方法雖然很成熟，但存在著操作復(fù)雜、有毒有害試劑使用量大，對(duì)環(huán)境造成二次污染，提取過程損耗大等缺點(diǎn)，不能很好地滿足現(xiàn)代農(nóng)藥殘留分析技術(shù)高效、環(huán)保、快速的發(fā)展趨勢(shì)[20]。近年來，雖然食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中一系列新的前處理方法如固相萃取技術(shù)、基質(zhì)固相分散萃取技術(shù)、凝膠滲透色譜技術(shù)、加速溶劑萃取技術(shù)、固相微萃取技術(shù)、微波輔助溶劑萃取技術(shù)等對(duì)于極難分離的目標(biāo)分析物有著較好的吸附和凈化效果，但仍然存在著固相萃取處理時(shí)間冗長(zhǎng)，操作技術(shù)人員要求高、大量使用有機(jī)試劑等缺陷[21-22]。

研究表明，功能化碳納米復(fù)合材料和金屬納米粒子因具有獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，在蔬菜及水果中農(nóng)藥殘留檢測(cè)過程具有潛在的應(yīng)用價(jià)值[23]。如功能化碳納米管由于其具有大的比表面積，良好的化學(xué)穩(wěn)定性，較強(qiáng)的疏水性和易于進(jìn)行化學(xué)修飾等優(yōu)點(diǎn)，是一種典型的分散固相萃取劑[24]?？梢酝瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)樣品的提取和凈化，消耗的溶劑少，不需要昂貴的儀器，可以用于食品和生物基質(zhì)中有機(jī)污染物的提取與凈化[25-26]。

本研究集中以碳納米管、石墨烯、金屬納米粒子合成一些新型的功能化納米復(fù)合材料，該納米復(fù)合材料由于具有大的比表面積、化學(xué)惰性、生物相容性、大的孔體積，良好的孔道穩(wěn)定性，疏水親有機(jī)物等特性，使其具有更高的吸附容量及生物降解性能[27-28]。本研究通過調(diào)節(jié)合成時(shí)的投料比可以改變納米材料的孔道結(jié)構(gòu)，使其可以選擇性吸附不同種類的目標(biāo)物。因此，在農(nóng)藥殘留分析領(lǐng)域，功能化的碳納米復(fù)合物可作為一種反相固相萃取柱在樣品中農(nóng)藥殘留檢測(cè)過程進(jìn)行選擇性吸附解析，且能夠很好的消除基質(zhì)干擾。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 儀器與設(shè)備

電子天平（XS225A-SCS）、臺(tái)式高速離心機(jī)（CF16RXⅡ）：奧豪斯國(guó)際貿(mào)易（上海）有限公司；渦旋振蕩儀（VORTEX 2）：北京卓信宏業(yè)儀器設(shè)備有限公司；超聲波清洗機(jī)（SB-100B）：成都鑫榮誠(chéng)超聲波科技有限公司；氣相色譜儀（Agilent 7890B）：安捷倫科技（上海）有限公司；碳納米管（純度97.5 %，外徑20 nm，內(nèi)徑10 nm，長(zhǎng)度30 μm，比表面積110 m2/g）、弗洛硅土柱（純度97 %，比表面積2 630 m2/g）、石墨烯（純度99.6 %）：深圳市納米港有限公司。

1.1.2 試劑

丙酮（色譜純，99.6%）：西安市永紅化工原料有限公司；正己烷（純度99%）：深圳市時(shí)得佳科技有限公司；乙腈（純度99.8%）：高碑店市隆年達(dá)商貿(mào)有限公司；二價(jià)鐵鹽（FeCl2·4H2O，純度99.5 %）、三價(jià)鐵鹽（FeCl3·6H2O，純度99.5 %）、NH3·H2O（純度99.6 %）、高錳酸鉀（純度99.1%）、過氧化氫（純度98.9%）、1，3，6，8-芘四磺酸鈉（純度99.3%）：北京振翔科技有限公司。本試驗(yàn)用水為二次蒸餾水。

1.1.3 農(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)品及標(biāo)準(zhǔn)溶液

毒死蜱、甲胺磷、水胺硫磷、三唑磷、丙溴磷、樂果、敵敵畏、甲拌磷、氧樂果、丙溴磷、甲基對(duì)硫磷、對(duì)硫磷、馬拉硫磷、殺撲磷、甲基硫環(huán)磷、乙酰甲胺磷、水胺硫磷、伏殺硫磷、硫環(huán)磷、治螟磷、久效磷、滅線磷、殺螟硫磷等有機(jī)磷農(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)品（以上標(biāo)準(zhǔn)品純度均＞99%）：北京海岸鴻蒙標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)技術(shù)有限責(zé)任公司。標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制：準(zhǔn)確稱取適量標(biāo)準(zhǔn)品農(nóng)藥，用少量丙酮溶解，再用丙酮稀釋成10 mg/mL 標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液。量取適量標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液，用丙酮稀釋為系列混合標(biāo)準(zhǔn)溶液。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 磁性Fe3O4納米粒子的制備

本試驗(yàn)采用化學(xué)共沉淀法制得磁性四氧化三鐵納米粒子，采用NH3·H2O 作為沉淀劑，將一定量的二價(jià)鐵鹽（FeCl2·4H2O）和三價(jià)鐵鹽（FeCl3·6H2O）混合溶液加入到燒杯中，然后再將25%的NH3·H2O 加入到燒杯中。劇烈攪拌，水浴恒溫，混合液由橙紅色逐漸變成黑色后，再繼續(xù)攪拌55 min 后停止反應(yīng)，離心分離，用蒸餾水反復(fù)洗滌直至pH 值為中性為止，移去上層清液，在70 ℃真空干燥18 h，研磨后即得到最終產(chǎn)物磁性四氧化三鐵納米粒子（magnetic nanoparticles，MNPs）。

1.2.2 碳納米管（carbon nanotubes，CNTs）純化過程

碳納米管的酸化：取1 g 經(jīng)過預(yù)處理的碳納米管放入100 mL 的燒瓶中，依次加入15 mL 濃硝酸和45 mL濃硫酸，裝好回流冷凝和吸收裝置，加熱回流1.5 h。冷卻至室溫（25 ℃）后將多余的酸過濾，所剩的粉末狀物質(zhì)即為純凈的碳納米管。將所得的純碳納米管用去離子水洗滌至pH 值為7 時(shí)止，最后將洗滌干凈的碳納米管放入烘箱中干燥8 h。

1.2.3 1，3，6，8-芘四磺酸鈉功能化石墨烯復(fù)合材料的制備

采用熱解1，3，6，8-芘四磺酸鈉（1，3，6，8-pyrenetetrasulfonic，PyTS）的方法非共價(jià)鍵修飾石墨烯表面。通過石墨烯表面的磺酸鈉基團(tuán)與石墨烯之間的靜電作用和絡(luò)合作用，使磺酸鈉基團(tuán)均勻地、穩(wěn)定地鍵合在石墨烯表面。詳細(xì)的合成過程如下：稱取1 mg石墨烯粉末加入10 mL 二次水超聲1 h，再取10 mL 芘四磺酸鈉加到上述分散液中并且在70 ℃攪拌4 h。通過離心和真空干燥得到固體產(chǎn)品（reduced graphene oxide，rGO），圖1 是石墨烯和功能化石墨烯在水中的溶解示意圖，從圖中可以看出PyTS 能夠顯著地提高石墨烯在水中的分散性和溶解性。

圖1 石墨烯和功能化石墨烯在水中的溶解示意圖Fig.1 Schematic diagram of the dissolution of graphene and functionalized graphene in water

1.2.4 磁性四氧化三鐵納米粒子修飾石墨烯-多壁碳納米管磁性復(fù)合納米材料的合成

將磁性四氧化三鐵納米粒子擔(dān)載在功能化的石墨烯和碳納米管上形成三維多孔的納米復(fù)合材料。具體合成過程如下：現(xiàn)將10 mL 濃度為10 mg/mL 磁性納米粒子緩慢地加入功能化的石墨烯和碳納米管懸浮液里并不斷地?cái)嚢?，接著?10 ℃油浴中攪拌8 h，最后，將磁鐵放到燒瓶旁邊收集黑色產(chǎn)物，黑色產(chǎn)物通過二次水洗滌3 次后在80 ℃真空下烘4 h 即得到最終產(chǎn)物（MNPs/rGO-CNTs）。該復(fù)合材料的合成機(jī)理如圖2 所示。

圖2 三維磁性四氧化三鐵納米粒子修飾石墨烯-多壁碳納米管磁性復(fù)合納米材料的合成機(jī)理圖Fig.2 The formation mechanism of three dimensional MNPs/rGO-CNTs nanocomposite

1.2.5 蔬菜中有機(jī)磷農(nóng)藥的提取及凈化

稱取均質(zhì)菠菜樣品5.00 g 于50 mL 離心管中，加入10 mL 丙酮振蕩30 min，取其提取液2 mL 于10 mL離心管中同時(shí)再加入10 mg 磁性納米復(fù)合材料，渦旋5 min，10 000 r/min 離心2 min，取其上清液加入10 mL丙酮溶液解吸15 min，再加入1 g 氯化鈉和4 g 硫酸鎂，振蕩1 min。10 000 r/min 離心3 min，取其上清液過0.22 μm 有機(jī)膜，即得到待測(cè)樣品。

1.2.6 色譜條件

色譜柱：CP Sil 24 CB（30 m×0.25 mm×0.25 μm）；柱溫：150 ℃（2 min）→8 ℃/min→240 ℃（7 min）；汽化溫度：220 ℃；檢測(cè)溫度：240 ℃；氮?dú)猓?.0 mL/min；進(jìn)樣方式：不分流進(jìn)樣；進(jìn)樣量：1 μL。分別吸取混合標(biāo)準(zhǔn)液及樣品凈化液注入氣相色譜儀中，記錄色譜圖，以保留時(shí)間定性，以樣品和標(biāo)準(zhǔn)樣品的峰面積比定量。

2 結(jié)果與分析

2.1 材料表征

石墨烯片層結(jié)構(gòu)，碳納米管-石墨烯構(gòu)型和磁性四氧化三鐵修飾石墨烯-碳納米管磁性復(fù)合納米材料的透射電鏡圖譜如圖3 所示。

圖3 不同納米材料的透射電鏡圖Fig.3 Transmission electron microscopy（TEM）of different nanomaterials

由圖3 a 可以看出石墨烯納米片晶體結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，從圖3b 可以看出石墨烯均勻的分散在碳納米管層間而未出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，這說明碳納米管摻雜石墨烯不僅彌補(bǔ)了石墨烯由于團(tuán)聚而是其導(dǎo)電性降低的缺陷，而且有效地增大了復(fù)合材料的比表面積，因此，功能化石墨烯和碳納米管結(jié)合形成的復(fù)合材料有望用于改善石墨烯自身的缺陷而能夠成為一種奇特的電化學(xué)生物傳感器。從圖3c 和從圖3d 中可以看出，磁性四氧化三鐵納米粒子能夠均勻地分散在石墨烯-碳納米管表面，而且沒有團(tuán)聚現(xiàn)象；當(dāng)用磁力攪拌器振蕩時(shí)，溶液中也沒有游離磁性四氧化三鐵納米粒子，這表明磁性四氧化三鐵納米粒子緊緊地依附在石墨烯-碳納米管表面，不會(huì)因?yàn)橐恍┖?jiǎn)單的操作而從石墨烯-碳納米管表面脫落。電鏡圖證明成功制備了具有三維多孔結(jié)構(gòu)MNPs/rGO-CNTs 復(fù)合材料。

2.2 方法優(yōu)化

本研究利用該磁性納米復(fù)合材料對(duì)22 種有機(jī)磷農(nóng)藥殘留進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果表明，有機(jī)磷農(nóng)藥在0.02 μg/mL~1.00 μg/mL 濃度范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，具體數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 22 種有機(jī)磷測(cè)定的驗(yàn)證參數(shù)Table 1 Validation parameters for quantification of 22 organophosphorus

2.3 溶液pH 值的影響

樣品溶液的酸堿性對(duì)目標(biāo)分析物的吸附有很大的影響，如pH 值不僅影響目標(biāo)分析物的存在形式，而且對(duì)吸附劑表面的電負(fù)性和電子云密度也有影響[29-30]。本試驗(yàn)利用1 mol/L 鹽酸和1 mol/L 氫氧化鈉調(diào)節(jié)不同pH 值，以韭菜、菠菜、大蔥和橙子為目標(biāo)分析物，以甲基異柳磷標(biāo)準(zhǔn)液為加標(biāo)回收，pH 值的影響結(jié)果如圖4所示。

由圖4 可知，隨著pH 值從1.0 增加到5.0，4 種樣品的回收率逐漸增大，此后回收率緩慢降低。這說明在低pH 值范圍內(nèi)，溶液中氫離子濃度增加，氫離子和甲基異柳磷處于同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)到吸附劑表面狀態(tài)，因此離子交換作用很難發(fā)生。然而，在高pH 值范圍內(nèi)，磁性納米復(fù)合材料的官能團(tuán)容易與氫氧根離子形成沉淀物，導(dǎo)致其吸附能力降低。因此，本試驗(yàn)選pH 5 為最佳試驗(yàn)條件。

圖4 溶液pH 值的影響圖譜Fig.4 Effect of sample solution pH value

2.4 凈化時(shí)間的影響

基質(zhì)的性質(zhì)對(duì)某些特定化合物的基質(zhì)效應(yīng)也起著重要作用，韭菜、小青菜、生菜基質(zhì)成分較為復(fù)雜，經(jīng)過加標(biāo)回收率試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，回收率偏差較大的，對(duì)農(nóng)藥測(cè)定的干擾大，準(zhǔn)確性不高。因此，本試驗(yàn)以韭菜樣品為研究對(duì)象，考察了0.5、1.0、1.5、2.0 min 時(shí)間內(nèi)目標(biāo)分析物在該納米復(fù)合材料表面的凈化效果，不同凈化時(shí)間與凈化效果比較情況如圖5 所示。

圖5 凈化時(shí)間的影響Fig.5 The effect of clarification time

由圖5 可知，隨著凈化時(shí)間增加，基質(zhì)干擾減小，當(dāng)時(shí)間為1.5 min 時(shí)，基質(zhì)干擾最小，凈化效果最好，因此，本試驗(yàn)選用1.5 min 為最佳凈化時(shí)間。

2.5 復(fù)合材料與弗洛硅土柱凈化效果對(duì)比

食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 5009.144-2003《植物性食品中甲基異柳磷殘留量的測(cè)定》中規(guī)定的樣品前處理過程涉及大量有機(jī)溶劑，試驗(yàn)操作步驟繁瑣，回收率低。該方法中樣品先用60 mL 乙酸乙酯提取30 min，再取30 mL 上清液進(jìn)行濃縮，然后用30 mL 乙酸乙酯通過弗洛硅土柱凈化，最后再濃縮用丙酮定容至1 mL 進(jìn)氣相色譜測(cè)定。而本試驗(yàn)樣品前處理過程中涉及少量有機(jī)試劑，試驗(yàn)操作簡(jiǎn)單、快速，回收率高，納米復(fù)合材料與弗洛硅土柱凈化效果對(duì)比如圖6 所示。

圖6 磁性納米復(fù)合材料與弗洛硅土柱有機(jī)磷農(nóng)藥殘留檢測(cè)凈化效果對(duì)比圖Fig.6 Comparison of the purification effect of magnetic nanocomposite and Flo silicate column on organophosphorus pesticide residues

如圖6 可知，該納米復(fù)合材料凈化效果要比弗洛硅土柱好得多。該納米復(fù)合材料凈化后的樣液顏色清澈，而弗洛硅土柱凈化后的樣液仍然很渾濁。這是由于該納米復(fù)合材料具有大的吸附容量和大比表面積，通過渦旋能與樣液充分接觸，凈化效果更好。

2.6 吸附劑納米復(fù)合材料的用量

在樣品的前處理過程中，經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)吸附劑的用量對(duì)凈化效果和回收率有很大的影響[31]。本試驗(yàn)選用1、2.5、5、10、15、20、25 mg 納米復(fù)合材料分別對(duì)韭菜、大蔥、菠菜和橙子4 種樣品進(jìn)行萃取，通過加甲基異柳磷標(biāo)準(zhǔn)溶液計(jì)算其回收率。

圖7 吸附劑納米復(fù)合材料的用量Fig.7 The effect of MNPs/rGO-CNTs nanocomposite amount

從圖7 可以看出，隨著吸附劑用量增加，回收率逐漸增大，當(dāng)吸附量達(dá)到10 mg 時(shí)，吸附達(dá)到飽和，回收率不再增大。因此，為了提供足夠多的吸附位點(diǎn)以及提高富集效率，本試驗(yàn)選10 mg 納米復(fù)合材料作為最佳吸附量。

2.7 線性關(guān)系

本試驗(yàn)選用甲基異柳磷濃度系列0.02、0.04、0.06、0.08、0.1、0.2 μg/mL，以韭菜樣品作為基質(zhì)研究其線性關(guān)系，吸附行為如圖8 所示。

圖8 磁性Fe3O4 納米粒子修飾石墨烯-碳納米管對(duì)不同濃度甲基異柳磷吸附行為圖譜Fig.8 The adsorption behavior of graphene-carbon nanotubes modified by magnetic Fe3O4 nanoparticles on different concentrations of isfenphos-methyl

由圖8 可知，相對(duì)峰面積與濃度呈良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2=0.999 16，最低檢出限為0.006 5 μg/mL。

2.8 實(shí)際樣品分析

以韭菜、菠菜、大蔥和橙子樣品為基質(zhì)，分別加入濃度為0.02 mg/mL 甲基異柳磷標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液100 μL 和300 μL，每種樣品重復(fù)進(jìn)樣6 次，通過測(cè)量值/加入量計(jì)算其平均回收率，其結(jié)果如表2 所示。

從表2 可以看出，其韭菜回收率在85.0%~98.3%之間，菠菜回收率在95.0%~106.7%之間，大蔥回收率在80.0 %～96.7 %之間，橙子回收率在90.0 %～101.7%之間，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（relative standard deviation，RSD）小于5%。

表2 樣品中甲基異柳磷的加標(biāo)回收率Table 2 The recovery rate of methyl isosalicylate in the sample

2.9 穩(wěn)定性

對(duì)磁性Fe3O4納米粒子修飾石墨烯-碳納米管復(fù)合材料吸附的穩(wěn)定性進(jìn)行了考察，將制備好的待測(cè)液在6 ℃下儲(chǔ)存，一周以后測(cè)定獲得回收率為89.5%，兩周以后測(cè)定獲得回收率為89.2%，一個(gè)月以后測(cè)定獲得回收率為89.1%。這說明該磁性Fe3O4納米粒子修飾石墨烯-碳納米管復(fù)合材料對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥的吸附具有很好的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

本研究成功地制備了一種三維多孔結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合材料，并將其作為一種反相吸附劑應(yīng)用于蔬菜及水果樣品有機(jī)磷農(nóng)藥殘留檢測(cè)中。由于磁性納米粒子強(qiáng)磁性和三維石墨烯-碳納米管良好的吸附性能，該復(fù)合材料在蔬菜及水果樣品有機(jī)磷農(nóng)藥殘留的檢測(cè)中具有良好的凈化效果和消除基質(zhì)干擾能力。試驗(yàn)結(jié)果表明，此方法中使用低毒性丙酮代替乙酸乙酯，不僅減少了有機(jī)溶劑的使用量，而且降低了揮發(fā)性溶劑對(duì)環(huán)境造成污染，具有操作簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的效果，有望在其他有毒有害物質(zhì)檢測(cè)中也具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。