劉麗文,李炳志,曹曉林,張景輝,張青松,李心怡,張資平,殷軍港

(1.煙臺(tái)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264005;2.煙臺(tái)大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264005)

有機(jī)磷農(nóng)藥(organophosphorus pesticides, OPPs)為國內(nèi)使用量最大的農(nóng)藥(占農(nóng)藥總量50%以上)[1-3]。殘留于環(huán)境中的有機(jī)磷農(nóng)藥或其代謝產(chǎn)物可通過食物鏈進(jìn)入人體,破壞乙酰膽堿酶活性,導(dǎo)致中樞系統(tǒng)紊亂、器官衰竭等[4-5]。許多國家制定了有機(jī)磷農(nóng)藥的最大殘留限量(0.02～10 mg/kg),甚至直接禁止部分高毒性有機(jī)磷農(nóng)藥的使用[6]。有機(jī)磷農(nóng)藥的常用分析檢測(cè)方法包括固相萃取(SPE)[7-8]、固相微萃取(SPME)[9-10]、液液萃取(LLE)[11-12]、液液微萃取(LPME)[13]和QuEChERS[14-15]結(jié)合氣相色譜(GC)[16-17]、液相色譜(HPLC)[18-20]、氣相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜(GC-MS)[14,21]或液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜(HPLC-MS/MS)[22-23]。這些方法具有靈敏度高、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn),但其前處理過程存在耗時(shí)長,有機(jī)試劑用量大或缺乏操作靈活性等不足。近年來,磁固相萃取(magnetic solid phase extraction, MSPE)依賴磁性納米材料富集分離目標(biāo)物,其作為一種新型的樣品前處理技術(shù),具有操作簡單、耗費(fèi)試劑少、萃取效率高等優(yōu)點(diǎn),在痕量污染物的富集檢測(cè)中引起研究者的極大關(guān)注[24-26]。

金屬有機(jī)骨架(metal-organic frameworks, MOFs)是無機(jī)金屬離子或團(tuán)簇與有機(jī)配體配位自組裝形成的網(wǎng)絡(luò)狀多孔晶體材料,具有比表面積大、孔徑可調(diào)、良好的熱穩(wěn)定和化學(xué)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[27],已經(jīng)被應(yīng)用于磁固相萃取環(huán)境中的痕量污染物[28-32]。其中,TMU-6[33]、Zn/Co-MOFs[34]、UiO-67[35]及MIL-101[36]等已被報(bào)道用于富集環(huán)境水樣中有機(jī)磷農(nóng)藥。然而,這些磁性MOFs的制備過程繁瑣、費(fèi)時(shí)長,需要嚴(yán)格的條件(高溫或高壓等)。

基于上述背景,為了簡化磁性金屬骨架的制備流程,獲得適用于富集有機(jī)磷農(nóng)藥的磁性復(fù)合物,本實(shí)驗(yàn)首先采用基于靜電相互作用(帶負(fù)電荷的Fe3O4和正電荷的Zn2+)的原位聚合法制備Fe3O4/ZIF-8復(fù)合物,采用掃描電鏡、傅里葉紅外光譜以及磁強(qiáng)計(jì)進(jìn)行表征,通過優(yōu)化磁性復(fù)合物對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥的吸附和解吸條件,最終建立磁固相萃取-液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜(MSPE-HPLC-MS/MS)測(cè)定環(huán)境水樣中有機(jī)磷農(nóng)藥的分析方法,為痕量有機(jī)磷農(nóng)藥的富集檢測(cè)提供重要借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器、試劑與材料

JSM-6300掃描電子顯微鏡(SEM, 日本JEOL公司);LakeShore-7304振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM, 美國LakeShore公司);Spectrum 100傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR, 美國PerkinElmer公司);ultraLC-100高效液相色譜儀(美國AB公司);API-4000串聯(lián)四極桿質(zhì)譜儀(美國AB公司);KQ-500DB數(shù)控超聲波清洗機(jī)(昆山市超聲儀器有限公司);Milli-Q超純水系統(tǒng)(法國Millipore公司)。

丙線磷(Ethoprophos)、甲基對(duì)硫磷(Parathion-methyl)、苯線磷(Fenamiphos)、亞胺硫磷(Phosmet)、馬拉硫磷(Malathion)、三唑磷(Triazophos)、2-甲基咪唑和甲酸(FA,98%)購于Sigma公司;六水合氯化鐵(III)(FeCl3·6H2O)、四水合氯化亞鐵(II)(FeCl2·4H2O)、氨水、六水合硝酸鋅(Zn(NO3)2·6H2O)、乙醇和甲醇均購于國藥控股化學(xué)試劑有限公司;乙腈(ACN)為色譜級(jí),購自Merck公司;實(shí)驗(yàn)室用水為Milli-Q超純水(電阻率為18.2 MΩ·cm)。

1.2 溶液配制與環(huán)境水樣

準(zhǔn)確稱取一定量農(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)品,用乙腈溶解并配制成濃度為1000 mg·L-1的單一標(biāo)準(zhǔn)溶液,準(zhǔn)確吸取一定體積的6種標(biāo)準(zhǔn)溶液,用乙腈定容配制混合標(biāo)準(zhǔn)溶液,均于4 ℃冰箱避光保存。

環(huán)境水樣取自煙臺(tái)市自來水、湖水、河水,所有水樣過0.45 μm濾膜除去固體顆粒,于4 ℃棕色玻璃瓶中保存。

1.3 磁性金屬有機(jī)骨架復(fù)合物的制備

1.3.1 Fe3O4的制備 采用化學(xué)共沉淀法制備Fe3O4納米顆粒[37]。稱取2.35 g FeCl3·6H2O和0.90 g FeCl2·4H2O分別溶于10 mL超純水中,將其倒入含有80 mL超純水的250 mL圓底燒瓶中,70 ℃水浴中劇烈攪拌后,再加入10 mL 25%氨水。將溶液80 ℃下劇烈攪拌30 min,冷卻至室溫。用乙醇洗滌Fe3O4納米顆粒后,外加磁鐵分離,最后置于80 ℃烘箱中干燥12 h,待用。

1.3.2 Fe3O4/ZIF-8的制備 根據(jù)已有的文獻(xiàn)[36,38],采用改進(jìn)的原位聚合法制備Fe3O4/ZIF-8復(fù)合物。步驟如下:首先,稱取0.9 g Zn(NO3)2和1.95 g 2-甲基咪唑分別溶于30 mL甲醇。將50 mg Fe3O4納米顆粒和Zn(NO3)2溶液加入250 mL圓底燒瓶中,50 ℃攪拌15 min;再加入2-甲基咪唑溶液,繼續(xù)攪拌2 h。冷卻至室溫,用甲醇洗滌Fe3O4/ZIF-8復(fù)合物,借助磁鐵分離(重復(fù)3次),最后于80 ℃干燥12 h。

1.4 磁固相萃取

準(zhǔn)確稱取20mg Fe3O4/ZIF-8復(fù)合物加入到50 mL樣品溶液中,振蕩吸附5 min后,進(jìn)行磁分離,棄去上清液。將Fe3O4/ZIF-8復(fù)合物轉(zhuǎn)移至新的5 mL離心管,3 mL 1% FA-20% ACN渦旋洗脫(每次1 mL,重復(fù)操作3次),合并洗脫液后過0.22 μm濾膜,HPLC-MS/MS分析。

1.5 液相色譜條件

色譜柱:Eclipse XDB-C18(3.5 μm, 2.1×150 mm,美國安捷倫公司),柱溫:25 ℃。流動(dòng)相:A相為0.1%FA-水溶液,B相為乙腈。梯度洗脫條件如下:0～3 min,20%B;3～4 min,20%B～60%B;4～6 min,60%B～70%B;6～11 min,70%B;11～12 min,70%B～20%B;12～15 min,20%B。流速:0.3mL/min,進(jìn)樣量:10 μL。

1.6 質(zhì)譜條件

碰撞氣(Collision Gas,CAD):12 psi;氣簾氣(Curtain Gas,CUR):10 psi;霧化氣(Ion Source Gas 1,GS 1):50 psi;輔助氣(Ion Source Gas2,GS 2):50 psi;離子源溫度(Temperature,TEM):500.0 ℃;噴霧電壓(IonSpray Voltage,IS):5500 V。6種有機(jī)磷農(nóng)藥的質(zhì)譜參數(shù)見表1。

表1 6種有機(jī)磷農(nóng)藥的質(zhì)譜參數(shù)Tab.1 The parameters of mass spectrometer of six organophosphorus pesticides

2 結(jié)果與討論

2.1 Fe3O4/ZIF-8的表征

圖1 Fe3O4/ZIF-8的SEM圖, FT-IR圖和磁滯曲線Fig.1 SEM image, FT-IR image and hysteresis curve of Fe3O4/ZIF-8

2.2 磁固相萃取條件的優(yōu)化

在磁固相萃取過程中,吸附和解吸條件對(duì)萃取效率至關(guān)重要。本實(shí)驗(yàn)主要優(yōu)化吸附劑用量、萃取時(shí)間、pH、洗脫溶劑和樣品體積,所有實(shí)驗(yàn)均用50 mL水樣(含6種有機(jī)磷農(nóng)藥各500 ng·mL-1)。

2.2.1 吸附劑用量 吸附劑用量是影響萃取效率的重要參數(shù)之一。吸附劑過少導(dǎo)致目標(biāo)物不能完全被吸附,過多會(huì)浪費(fèi)材料。本實(shí)驗(yàn)分別比較5、10、15、20和25 mg吸附劑用量對(duì)萃取效率的影響。分別在50 mL水樣中加入不同量的吸附劑,振蕩吸附6 min后,進(jìn)行磁分離,HPLC-MS/MS分析上清液。如圖2所示,吸附劑用量為5至15 mg時(shí),萃取效率隨著吸附劑用量的增加而逐漸升高;當(dāng)繼續(xù)增加吸附劑用量,萃取效率基本保持不變。為了保證材料的最佳吸附利用率,20 mg作為最佳加入量。

圖2 吸附劑用量對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥萃取效率的影響Fig.2 Effects of the amount of adsorbent on the extraction efficiency of organophosphorus pesticides

2.2.2 萃取時(shí)間 磁固相萃取是通過質(zhì)量傳遞使溶液與萃取材料形成動(dòng)態(tài)平衡的過程,充足的萃取時(shí)間是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡的關(guān)鍵[41]。因此,實(shí)驗(yàn)分別考察不同萃取時(shí)間(1、3、5、7、9 min)對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥萃取效率的影響。分別準(zhǔn)確稱取20 mg磁性復(fù)合物加入到50 mL水樣中,振蕩吸附不同時(shí)間后,進(jìn)行磁分離,HPLC-MS/MS分析上清液。結(jié)果表明(圖3),當(dāng)吸附時(shí)間從1 min增加到5 min時(shí),有機(jī)磷農(nóng)藥的萃取效率呈逐漸上升趨勢(shì),5 min后達(dá)到平衡,說明動(dòng)態(tài)平衡所需時(shí)間為5 min。因此,5 min作為最佳萃取時(shí)間。

圖3 萃取時(shí)間對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥萃取效率的影響Fig.3 Effects of the adsorption time on the extraction efficiency of organophosphorus pesticides

2.2.3 pH值 樣品溶液pH值不僅影響目標(biāo)物的存在狀態(tài),也會(huì)影響吸附劑表面所帶電荷種類[25]。為了獲得最佳萃取效率,本實(shí)驗(yàn)采用甲酸或氨水溶液調(diào)節(jié)樣品pH值,考察不同pH值(3、5、7、9、11)對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥萃取效率的影響。分別準(zhǔn)確稱取20 mg磁性復(fù)合物加入到50 mL水樣中,振蕩吸附5 min后,進(jìn)行磁分離,棄去上清液。將磁性復(fù)合物轉(zhuǎn)移至新的離心管,渦旋洗脫后過0.22 μm濾膜,進(jìn)行分析測(cè)定。如圖4所示,在酸性條件下,隨著pH值增大,有機(jī)磷農(nóng)藥的萃取效率明顯升高;當(dāng)達(dá)到中性或堿性時(shí),萃取效率較好且穩(wěn)定。這表明Fe3O4/ZIF-8復(fù)合物與有機(jī)磷農(nóng)藥相互作用主要依賴于靜電和π-π堆積相互作用(考慮到分子結(jié)構(gòu))。與此同時(shí),考慮到實(shí)驗(yàn)操作的簡便性,在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中將pH值設(shè)定為7。

圖4 pH對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥萃取效率的影響Fig.4 Effects of the pH on the extraction efficiency of organophosphorus pesticides

2.2.4 洗脫溶劑 在MSPE過程中,恰當(dāng)?shù)南疵撊軇┎粌H可以提高回收率,還可以保護(hù)磁性復(fù)合材料。分別考察1% FA-H2O、1% FA-20% ACN、1% FA-50% ACN、1% FA-80% ACN及1% FA-ACN對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥回收率的影響。水樣中目標(biāo)物經(jīng)振蕩吸附,磁分離后,將磁性復(fù)合物轉(zhuǎn)移至新的5 mL離心管,不同試劑渦旋洗脫,過0.22 μm濾膜,HPLC-MS/MS分析。如圖5所示,當(dāng)1% FA-20% ACN作為洗脫劑時(shí),6種目標(biāo)物回收率最高(均大于83.7%),表明1% FA-20% ACN洗脫能力最強(qiáng)。進(jìn)一步比較洗脫劑中不同甲酸濃度(0.1%、0.5%、1%、2%)對(duì)回收率的影響,如圖6所示,隨著甲酸濃度的增大,6種有機(jī)磷農(nóng)藥的回收率依次遞增(例如:甲基對(duì)硫磷,66.9%～93.3%;三唑磷,64.5%～93.1%),但當(dāng)甲酸濃度為2%時(shí),回收率下降。因此,選擇1% FA-20% ACN作為洗脫劑。

圖5 洗脫劑種類對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥回收率的影響Fig.5 Effects of eluent types on the extraction efficiency of organophosphorus pesticides

圖6 甲酸濃度對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥回收率的影響Fig.6 Effects of formic acid concentrations on extraction efficiency of organophosphorus pesticides

此外,實(shí)驗(yàn)還對(duì)洗脫劑體積(1～5 mL)進(jìn)行了優(yōu)化。如圖7所示，隨著洗脫劑體積從1 mL增加到3 mL,回收率呈遞增趨勢(shì),并且進(jìn)一步增大體積回收率沒有明顯變化。因此,本實(shí)驗(yàn)選取3 mL作為最優(yōu)的解吸體積。綜上述,3 mL 1% FA-20% ACN 被選取為最佳洗脫條件(即加入1 mL 1% FA-20% ACN 渦旋并重復(fù)操作3次)。

圖7 洗脫體積對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥回收率的影響Fig.7 Effects of elution volumes on extraction efficiency of organophosphorus pesticides

2.2.5 樣品體積 為了發(fā)揮磁性復(fù)合物最大萃取能力和獲得高靈敏度分析方法,進(jìn)一步考察不同樣品體積(10、30、50、70、90 mL)對(duì)回收率的影響。分別準(zhǔn)確稱取20 mg復(fù)合物加入到不同體積溶液中,振蕩吸附5 min后,進(jìn)行磁分離,將復(fù)合物轉(zhuǎn)移至新的5 mL離心管,3 mL 1% FA-20% ACN渦旋洗脫,過0.22 μm濾膜,HPLC-MS/MS分析。如圖8所示,當(dāng)樣品體積不超過50 mL時(shí),6種有機(jī)磷農(nóng)藥的萃取回收率較好(均大于86.1%);隨著體積進(jìn)一步增大,回收率下降明顯(如馬拉硫磷95%～50.2%，丙線磷86.1%～49.0%)。因此,選取50 mL水樣作為萃取體積。

圖8 樣品體積對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥回收率的影響Fig.8 Effects of solution volume on the extraction efficiency of organophosphorus pesticides

2.3 方法學(xué)驗(yàn)證

在最優(yōu)的MSPE條件下(20 mg Fe3O4/ZIF-8、50 mL水樣、萃取時(shí)間5 min及1% FA-20% ACN為洗脫劑),考察了6種有機(jī)磷農(nóng)藥的線性范圍,相關(guān)系數(shù)(R2),檢測(cè)限(LODs,S/N=3)和定量限(LOQs,S/N=10)。結(jié)果表明,6種有機(jī)磷農(nóng)藥在1～200 ng·mL-1范圍內(nèi)與色譜峰面積呈良好的線性關(guān)系,R2均高于0.996 3。LODs和LOQs分別在0.08～1.2 ng·mL-1和0.25～3.5 ng·mL-1的范圍內(nèi)(表2)。這些參數(shù)證明了該方法線性范圍好、靈敏度高。

表2 6種有機(jī)磷農(nóng)藥的線性范圍、線性方程、相關(guān)系數(shù)、檢出限、定量限Tab.2 Linear range,linear equation, correlation coefficient,detection limit,quantification limit of the six organophosphorus pesticides

2.4 實(shí)際環(huán)境水樣分析

為了評(píng)價(jià)所建立的MSPE-HPLC-MS/MS方法在實(shí)際水樣中的適用性,在最佳萃取和解吸條件下,將該方法用于檢測(cè)實(shí)際樣品中的有機(jī)磷農(nóng)藥。如表3所示,6種有機(jī)磷農(nóng)藥在自來水中均未檢出;馬拉硫磷(0.44 ng·mL-1)、亞胺硫磷(0.27 ng·mL-1)和丙線磷(0.25 ng·mL-1)在湖水中被檢出;甲基對(duì)硫磷(1.31 ng·mL-1)和丙線磷(0.12 ng·mL-1)在河水中被檢出?？紤]到有機(jī)磷農(nóng)藥在不同基質(zhì)中最大殘留限量為0.01～8 mg·L-1[42-43],為了驗(yàn)證方法準(zhǔn)確性,分別對(duì)自來水、湖水、河水添加三個(gè)濃度水平(10、20和50 ng·mL-1),結(jié)果表明6種有機(jī)磷農(nóng)藥的回收率為72.0%～99.6%,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.3%～6.9%。這些數(shù)據(jù)證明了基于Fe3O4/ZIF-8復(fù)合物所建立的磁固相萃取-高效液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜分析環(huán)境水樣中有機(jī)磷農(nóng)藥的方法具有操作簡單、靈敏度高及費(fèi)時(shí)短的優(yōu)點(diǎn),適用于分析環(huán)境水樣中有機(jī)磷農(nóng)藥。

表3 有機(jī)磷農(nóng)藥在環(huán)境水中的回收率(n=5)Tab.3 Recovery of organophosphorus pesticides in environmental water(n=5)

3 結(jié) 論

通過簡單的原位聚合法成功制備了Fe3O4/ZIF-8復(fù)合材料,用于磁固相萃取環(huán)境水樣中有機(jī)磷農(nóng)藥,其表現(xiàn)出快速的富集能力(僅需5 min)。通過優(yōu)化磁固相萃取的吸附和解吸條件,最終建立了簡單易操作、萃取時(shí)間短、靈敏度高及重現(xiàn)性好的磁固相萃取-高效液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜法,不僅為分析環(huán)境水樣中有機(jī)磷農(nóng)藥提供可靠地方法,也為分析其他污染物提供重要的技術(shù)借鑒。