余奇東, 張 蘭, 張文敏, 楊江帆*

(1.福建農(nóng)林大學園藝學院,福建 福州 350002;2.福州大學,食品安全與生物分析教育部重點實驗室,福建 福州 350116;3.閩江師范高等專科學校,化學與生物工程系,福建 福州 350108)

我國茶葉生產(chǎn)體量位居世界第一,但在國際市場上缺乏競爭優(yōu)勢,其中一個主要原因是在茶樹的種植栽培過程中化學農(nóng)藥,特別是擬除蟲菊酯(pyrethroids,PYs)類農(nóng)藥的濫用[1]。PYs會在人體內(nèi)累積,擾亂生物的神經(jīng)系統(tǒng)和內(nèi)分泌系統(tǒng)[2],因此,歐盟、美國、日本等組織和國家對進口茶葉制定了越來越嚴苛的農(nóng)藥檢測標準,這對中國茶葉的出口貿(mào)易考驗極大[3]。因此,建立茶葉中PYs檢測的新方法對促進我國茶業(yè)發(fā)展極其重要[4,5]。

固相微萃取技術(shù)(SPME)作為一種綠色的樣品前處理技術(shù)已被用于對PYs的預富集[6]。其中,涂層材料是SPME方法的關(guān)鍵因素,直接影響建立方法的選擇性、靈敏度和重現(xiàn)性。當前,各種納米材料例如金屬氧化物[7]、碳氮化合物[8]、金屬有機骨架材料(MOF)[9]等已經(jīng)被探索作為新型SPME涂層。近年來,共價有機骨架(COFs)材料因具有高比表面積、良好的熱/化學穩(wěn)定性、易于合成后修飾等優(yōu)點,而成為優(yōu)異的吸附劑[10,11]。PYs是一類分子直徑在1.6 nm左右的疏水性芳香族化合物[12],而β-酮烯胺COF(TpBD)具有芳香環(huán)和疏水性的大型二維網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)[13,14]?？紤]到PYs和COFs之間存在π-π相互作用和疏水效應(yīng),TpBD可能對PYs具有很好的吸附效果[15]。然而,TpBD的制備常依賴復雜苛刻的反應(yīng)條件,例如高溫、高壓以及冷凍脫氣等[16-18]。苛刻的合成條件限制了TpBD在SPME上的應(yīng)用。因此,如何發(fā)展簡便的方法合成TpBD,并應(yīng)用在SPME方法上引起分析領(lǐng)域的重視。

本實驗提出通過室溫溶液懸浮法(SSA)合成具有良好結(jié)晶度、高孔隙度和優(yōu)異穩(wěn)定性的TpBD。在室溫條件下,反應(yīng)溶液懸浮靜置3 d合成TpBD。將TpBD制成SPME涂層纖維,與氣相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜(GC-MS/MS)聯(lián)用,經(jīng)過實驗條件的優(yōu)化,建立了一種適用于茶樹種植栽培過程中常用的5種PYs的檢測方法,并考察了該方法的檢出限、回收率和重復性等。最后,將所建立的分析方法用于烏龍茶和綠茶實際樣品中PYs的檢測。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

TRACE 1300/TSQ 8000 Evo氣相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜聯(lián)用儀、EscaLab 250Xi X-射線光電子能譜儀、Nicolet 6700傅里葉變換紅外光譜儀(美國Thermo Fisher Scientific公司);Tecnai G2 F20透射電子顯微鏡(美國FEI公司);JSM-6300F掃描電子顯微鏡(日本JEOL公司);ASAP2020物理吸附儀(上海Micromeritics公司);DIL402C熱重分析儀(德國Netzsch公司);X′ Pert Pro MPD X射線粉末衍射儀(荷蘭Panalytical公司)。

1,4-二氧六環(huán)(dioxane,純度99.5%)、乙酸(純度99.8%)以及標準品溴氰菊酯(deltamethrin,DEL)、氯氰菊酯(cypermethrin,CYP)、氟氰菊酯(flucythrinate,FLU)、氰戊菊酯(fenvalerate,FEN)和氟氯氰菊酯(cyfluthrin,CYF)(100 μg/mL)均購自中國Aladdin試劑有限公司;三醛基間苯三酚(Tp,純度98%)和聯(lián)苯胺(BD,純度98%)購自吉林中科研伸科技有限公司;乙腈(ACN,純度99.5%)、甲醇(MeOH,純度99.5%)、四氫呋喃(THF,純度99.5%)、二氯甲烷(DCM,純度99.5%)、丙酮(CP,純度99.5%)和乙醇(EtOH,純度99.5%)購自中國國藥試劑有限公司;不銹鋼纖維(SSF)購自當?shù)氐某小嶒炗盟鶠镸illi-Q凈水器所制得的超純水(18.2 MΩ·cm)。

用丙酮對擬除蟲菊酯類農(nóng)藥標準品進行逐級稀釋,配制成一系列不同濃度的標準工作溶液,供后續(xù)實驗使用。

1.2 分析條件

色譜柱:TG-5MS石英毛細管柱(30 m×0.2 mm×0.25 μm);進樣口溫度:280 ℃;載氣:高純He(純度>99.999%);流速:1.0 mL/min;不分流進樣;升溫程序:70 ℃保持1 min,以25 ℃/min的速率升至250 ℃,保持19 min。

離子源:EI源;電離能量:70 eV;接口溫度:300 ℃;四極桿溫度:150 ℃;離子源溫度:230 ℃;采用賽默飛TSQ 8000 Evo三重四極桿質(zhì)譜儀特有的定時-選擇反應(yīng)檢測掃描(Timed-SRM)模式,對實驗數(shù)據(jù)進行采集。5種PYs的其他質(zhì)譜參數(shù)見表1。

1.3 TpBD材料及其涂層纖維的制備

將已經(jīng)報道[19]的室溫溶液懸浮合成亞胺類COF(COF-LZU1)的方法進行改進后用于合成TpBD(見圖1a)。將42.0 mg Tp、56.0 mg BD和2.0 mL的1,4-二氧六環(huán)加入10 mL離心管中,超聲至單體完全溶解。取350 μL 3 mol/L乙酸水溶液加入混合物中,超聲混勻后密封離心管,靜置于室溫下3 d,然后離心5 min (5 000 r/min)收集沉淀物，并分別用THF、DCM和CP清洗至溶液呈無色,最后在真空條件下60 ℃干燥24 h。

不銹鋼絲(20 cm×0.22 mm)前端3 cm部分浸入氫氟酸(HF)中刻蝕30 min,用去離子水超聲清洗?？涛g部分涂抹一層環(huán)氧樹脂膠后垂直插入充滿TpBD粉末的離心管中旋轉(zhuǎn)幾圈。該過程重復3次,獲得所需厚度的纖維涂層(約9 μm),最后將涂層纖維在烤箱中120 ℃加熱30 min。TpBD-SPME涂層纖維制備的過程見圖1b。

圖 2 不同反應(yīng)時間下TpBD的(a)PXRD和(b)FT-IR譜圖Fig.2 (a) Powder X-ray diffraction (PXRD) patterns and (b) Fourier transform-infrared (FT-IR) spectra of TpBD with the different reaction times

1.4 樣品前處理

茶樣取自福建農(nóng)林大學,處理方法參照國家食品安全標準(GB/T 23204-2008 4.5),并略有改進。5.0 g已粉碎茶樣中加入15.0 mL乙腈,超聲30 min后,離心5 min (5 000 r/min),取上清液。殘渣再經(jīng)20.0 mL乙腈提取一次,合并兩次提取液,旋轉(zhuǎn)干燥后溶于2.0 mL丙酮,儲存于4 ℃冰箱,備用。

1.5 固相微萃取

SPME萃取過程采用浸入式。取20.0 μL實際樣品溶液,用水稀釋成20.0 mL待測液,并置于25 mL血清瓶中,將TpBD纖維插入血清瓶中,在75 ℃具有磁力攪拌器的恒溫水浴鍋中萃取30 min。萃取結(jié)束后,纖維插入GC進樣口,在280 ℃下解吸8 min。SPME纖維在兩次萃取間隙,在290 ℃下老化30 min,以排除殘留物質(zhì)。

2 結(jié)果與討論

2.1 SSA制備TpBD

通過考察不同反應(yīng)時間下TpBD粉末X射線衍射(PXRD)和傅里葉變換紅外(FT-IR)圖譜,驗證室溫SSA是否能夠合成良好結(jié)晶度的TpBD。如圖2a所示,TpBD的結(jié)晶度隨著反應(yīng)時間的延長而增強,反應(yīng)72 h時擁有良好的結(jié)晶度,這在3.3°和27.4°出現(xiàn)對應(yīng)(100)和(001)面的特征峰得到證明,并且與前人報道[16-18]的相一致。從FT-IR圖譜中可以看出,從反應(yīng)30 min起C=C (1 596 cm-1)和C-N (1 289 cm-1)拉伸帶已經(jīng)出現(xiàn),證實了配體發(fā)生反應(yīng),形成了β-酮烯胺結(jié)構(gòu)(見圖2b)。上述結(jié)果表明室溫SSA 3 d就能合成TpBD。

2.2 TpBD及其纖維的表征

為了考察TpBD的化學穩(wěn)定性,對浸泡在水、有機溶劑和酸堿溶液中24 h后的TpBD進行PXRD(見圖3a)和FT-IR(見圖3b)測試。結(jié)果表明,TpBD在多種溶液中均能保持良好的晶型和化學結(jié)構(gòu)。此外,TpBD的熱穩(wěn)定性高達350 ℃(見圖3c)。經(jīng)氮氣吸附-脫附實驗對TpBD的比表面積和孔隙率進行表征,TpBD的比表面積為230 m2/g,孔徑尺寸為1.64 nm(見圖3d)。較高的比表面、均一的孔道以及優(yōu)異的熱/化學穩(wěn)定性使TpBD具備成為纖維涂層的條件。

圖 3 采用不同化學溶劑浸泡24 h后TpBD的(a)PXRD和(b)FT-IR譜圖以及TpBD的(c)熱穩(wěn)定性表征圖和(d)等溫氮氣吸附-脫附曲線Fig.3 (a) PXRD patterns and (b) FT-IR spectra of TpBD after treatment with different solvents for 24 h,and (c) thermal stability and (d) N2 adsorption-desorption isotherms of TpBDThe inset in Fig.3d shows the pore size distributions of TpBD.THF:tetrahydrofuran;MeOH:methanol;EtOH:ethanol;DCM:dichloromethane;ACN:acetonitrile;CP:acetone;BET:Brunauer-Emmett-Teller surface area.

通過涂層纖維的SEM圖像可知(見圖4),一層相對均勻的片狀材料包覆在不銹鋼絲表面,涂層厚度約為9 μm,其片狀結(jié)構(gòu)有利于目標物在涂層中的傳質(zhì)。

圖 4 (a)刻蝕的不銹鋼纖維、(b)TpBD涂層纖維、(c)TpBD纖維的橫截面和(d)TpBD材料的SEM圖Fig.4 SEM images of (a) the etched stainless steel fiber,(b) TpBD coated fiber,(c) the cross section of the TpBD fiber,and (d) TpBD material

2.3 TpBD對PYs的SPME應(yīng)用

萃取溫度直接影響目標物在SPME纖維上的傳質(zhì)和吸附。本實驗考察了萃取溫度為65～85 ℃時,TpBD對PYs的萃取效率。由圖5a可知,目標物的峰面積隨著萃取溫度而升高,在75 ℃時,達到最大值。但是隨著后續(xù)溫度的升高,萃取效率反而下降。這可能是因為PYs分子的運動速率隨著萃取溫度的提高而增加。同時,吸附是一個放熱過程,過高的萃取溫度會降低萃取效率。故選75 ℃為最佳萃取溫度。

圖 5 (a)萃取溫度、(b)萃取時間、(c)解吸溫度和(d)解吸時間對5種PYs(500 ng/L)萃取效率的影響(n=3)Fig.5 Effects of (a) extraction temperatures,(b) extraction times,(c) desorption temperatures and (d) desorption times on the extraction efficiencies of the five PYs (500 ng/L) (n=3)

SPME是基于吸附平衡的前處理方法,萃取效率與萃取時間呈正相關(guān),直至達到萃取平衡。當萃取時間為10～50 min時,目標物的峰面積總體隨著時間的增加而增加,直至30 min時,萃取達到平衡(見圖5b)。故選30 min為最佳萃取時間。

為了最大程度將目標物從纖維上解吸下來,避免遺留效應(yīng)影響后續(xù)纖維的使用,優(yōu)化了解吸溫度和解吸時間。從圖5c和圖5d可知,最佳的解吸溫度和時間為280 ℃和8 min。

2.4 方法學考察

在最佳的SPME條件下,對建立的5種PYs分析方法進行評估。如表2所示,方法對5種PYs表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系(相關(guān)系數(shù)(R)≥0.999 1)、寬的線性范圍(0.2～800 ng/L)和低的檢出限(0.1～0.5 ng/L),對目標物萃取的富集倍數(shù)(EF)為702～2 687(富集因子=目標物固相微萃取后標準曲線斜率/目標物不經(jīng)任何處理直接進樣所得的標準曲線斜率)。單根TpBD涂層纖維對500 ng/L的目標物溶液進行3次重復測定,以目標物的峰面積作為評判標準,其日內(nèi)和日間相對標準偏差(RSD)分別為3.2%～5.5%和4.1%～8.7%。不同批次纖維間的RSD值為6.6%～11.0%。實驗結(jié)果表明本方法具有良好的靈敏度、準確度和重復性。

表2 5種PYs的線性范圍、相關(guān)系數(shù)、檢出限、精密度和富集倍數(shù)Table 2 Linear ranges,correlation coefficients (R),limits of detection (LODs),precisions and enrichment factors (EFs) of the five PYs

2.5 與商業(yè)纖維和其他報道方法的比較

為了評估基于TpBD建立的PYs痕量檢測方法的商業(yè)價值,對制備的纖維和CAR/PDMS商業(yè)纖維(75 μm)進行比較。實驗結(jié)果表明,TpBD涂層纖維對PYs的萃取效果高于商業(yè)纖維。其中對FLU的萃取效率,TpBD涂層是普通的商業(yè)化萃取頭的60倍。此外,本研究中,比較TpBD涂層纖維第1次和第120次對5種PYs的萃取效率,其效率并未出現(xiàn)顯著差異,表明該纖維具有優(yōu)異的使用壽命。

將本方法同文獻方法進行對比(見表3),本方法具有更低的檢出限和較寬的線性范圍。這是因為PYs和TpBD之間的π-π相互作用、疏水效應(yīng)和孔徑選擇性,使得TpBD對目標物具有突出的吸附能力。此外,COF較大的比表面積也有利于范德華力對擬除蟲菊酯的吸附。

表3 本方法與其他文獻方法的比較Table 3 Comparison of the proposed method with other reported methods

2.6 茶葉實際樣的應(yīng)用

將本方法用于綠茶和烏龍茶實際樣中5種PYs的檢測,并對該分析方法的回收率和精密度進行了考察。通過該方法,分別在綠茶和烏龍茶樣品中檢測出了CYF(0.4 ng/L和0.9 ng/L)、CYP(6.4 ng/L和1.7 ng/L)、FLU(2.1 ng/L和4.5 ng/L)、FEN(2.6 ng/L和2.6 ng/L)和DEL(2.7 ng/L和2.5 ng/L)的殘留。此外,分別在茶葉空白樣中進行加標回收試驗,添加水平分別為5、20和100 ng/L,每個水平做3個平行樣,回收率和精密數(shù)據(jù)見表4。5種PYs的平均回收率為80.2%～109.5%,并具有良好的重復性(RSD ≤9.5%)。圖6是實際茶樣和加標茶樣(20 ng/L)的色譜圖。結(jié)果表明本方法適用于檢測茶產(chǎn)品中PYs殘留。

表4 5種擬除蟲菊酯類農(nóng)藥在綠茶和烏龍茶樣品中的加標回收率及精密度(n=3)Table 4 Recoveries and RSDs of the five PYs spiked in green tea and oolong tea samples (n=3)

圖 6 綠茶和烏龍茶樣品中5種PYs(20 ng/L)的色譜圖Fig.6 Chromatograms of the five PYs (20 ng/L) in green tea and oolong tea samples

3 結(jié)論

本實驗通過合成步驟簡單、反應(yīng)條件溫和的SSA合成具有優(yōu)異熱/化學穩(wěn)定性、較高孔隙度和比表面的TpBD。將TpBD作為SPME涂層,與GC-MS/MS聯(lián)用,建立測定茶葉中5種PYs農(nóng)藥殘留的分析方法。方法具有令人滿意的靈敏度、回收率和重復性,適用于綠茶和烏龍茶樣品中PYs殘留的檢測。此外,通過SSA成功地制備了TpBD材料,證實了該方法具有較好的普適性,具有簡便合成其他COFs材料的潛力。