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.煙臺大學生命科學學院,山東 煙臺 264005;2.煙臺大學計算機與控制工程學院,山東 煙臺 264005)

有機磷農藥(organophosphorus pesticides, OPPs)為國內使用量最大的農藥(占農藥總量50%以上)[1-3]。殘留于環(huán)境中的有機磷農藥或其代謝產物可通過食物鏈進入人體,破壞乙酰膽堿酶活性,導致中樞系統紊亂、器官衰竭等[4-5]。許多國家制定了有機磷農藥的最大殘留限量(0.02～10 mg/kg),甚至直接禁止部分高毒性有機磷農藥的使用[6]。有機磷農藥的常用分析檢測方法包括固相萃取(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]結合氣相色譜(GC)[16-17]、液相色譜(HPLC)[18-20]、氣相色譜-串聯質譜(GC-MS)[14,21]或液相色譜-串聯質譜(HPLC-MS/MS)[22-23]。這些方法具有靈敏度高、重復性好等優(yōu)點,但其前處理過程存在耗時長,有機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物,其作為一種新型的樣品前處理技術,具有操作簡單、耗費試劑少、萃取效率高等優(yōu)點,在痕量污染物的富集檢測中引起研究者的極大關注[24-26]。

金屬有機骨架(metal-organic frameworks, MOFs)是無機金屬離子或團簇與有機配體配位自組裝形成的網絡狀多孔晶體材料,具有比表面積大、孔徑可調、良好的熱穩(wěn)定和化學穩(wěn)定等優(yōu)點[27],已經被應用于磁固相萃取環(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]等已被報道用于富集環(huán)境水樣中有機磷農藥。然而,這些磁性MOFs的制備過程繁瑣、費時長,需要嚴格的條件(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磷農藥的磁性復合物,本實驗首先采用基于靜電相互作用(帶負電荷的Fe3O4和正電荷的Zn2+)的原位聚合法制備Fe3O4/ZIF-8復合物,采用掃描電鏡、傅里葉紅外光譜以及磁強計進行表征,通過優(yōu)化磁性復合物對有機磷農藥的吸附和解吸條件,最終建立磁固相萃取-液相色譜串聯質譜(MSPE-HPLC-MS/MS)測定環(huán)境水樣中有機磷農藥的分析方法,為痕量有機磷農藥的富集檢測提供重要借鑒。

1 實驗部分

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振動樣品磁強計(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串聯四極桿質譜儀(美國AB公司);KQ-500DB數控超聲波清洗機(昆山市超聲儀器有限公司);Milli-Q超純水系統(法國Millipore公司)。

丙線磷(Ethoprophos)、甲基對硫磷(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試劑有限公司;乙腈(ACN)為色譜級,購自Merck公司;實驗室用水為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

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

環(huán)境水樣取自煙臺市自來水、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 磁性金屬有機骨架復合物的制備

1.3.1 Fe3O4的制備 采用化學共沉淀法制備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 根據已有的文獻[36,38],采用改進的原位聚合法制備Fe3O4/ZIF-8復合物。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復合物,借助磁鐵分離(重復3次),最后于80 ℃干燥12 h。

1.4 磁固相萃取

準確稱取20mg Fe3O4/ZIF-8復合物加入到50 mL樣品溶液中,振蕩吸附5 min后,進行磁分離,棄去上清液。將Fe3O4/ZIF-8復合物轉移至新的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,進樣量:10 μL。

1.6 質譜條件

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種有機磷農藥的質譜參數見表1。

表1 6種有機磷農藥的質譜參數Tab.1 The parameters of mass spectrometer of six organophosphorus pesticides

2 結果與討論

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,吸附和解吸條件對萃取效率至關重要。本實驗主要優(yōu)化吸附劑用量、萃取時間、pH、洗脫溶劑和樣品體積,所有實驗均用50 mL水樣(含6種有機磷農藥各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之一。吸附劑過少導致目標物不能完全被吸附,過多會浪費材料。本實驗分別比較5、10、15、20和25 mg吸附劑用量對萃取效率的影響。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,萃取效率隨著吸附劑用量的增加而逐漸升高;當繼續(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 吸附劑用量對有機磷農藥萃取效率的影響Fig.2 Effects of the amount of adsorbent on the extraction efficiency of organophosphorus pesticides

2.2.2 萃取時間 磁固相萃取是通過質量傳遞使溶液與萃取材料形成動態(tài)平衡的過程,充足的萃取時間是實現動態(tài)平衡的關鍵[41]。因此,實驗分別考察不同萃取時間(1、3、5、7、9 min)對有機磷農藥萃取效率的影響。分別準確稱取20 mg磁性復合物加入到50 mL水樣中,振蕩吸附不同時間后,進行磁分離,HPLC-MS/MS分析上清液。結果表明(圖3),當吸附時間從1 min增加到5 min時,有機磷農藥的萃取效率呈逐漸上升趨勢,5 min后達到平衡,說明動態(tài)平衡所需時間為5 min。因此,5 min作為最佳萃取時間。

圖3 萃取時間對有機磷農藥萃取效率的影響Fig.3 Effects of the adsorption time on the extraction efficiency of organophosphorus pesticides

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

圖4 pH對有機磷農藥萃取效率的影響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,恰當的洗脫溶劑不僅可以提高回收率,還可以保護磁性復合材料。分別考察1% FA-H2O、1% FA-20% ACN、1% FA-50% ACN、1% FA-80% ACN及1% FA-ACN對有機磷農藥回收率的影響。水樣中目標物經振蕩吸附,磁分離后,將磁性復合物轉移至新的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1% FA-20% ACN作為洗脫劑時,6種目標物回收率最高(均大于83.7%),表明1% FA-20% ACN洗脫能力最強。進一步比較洗脫劑中不同甲酸濃度(0.1%、0.5%、1%、2%)對回收率的影響,如圖6所示,隨著甲酸濃度的增大,6種有機磷農藥的回收率依次遞增(例如:甲基對硫磷,66.9%～93.3%;三唑磷,64.5%～93.1%),但當甲酸濃度為2%時,回收率下降。因此,選擇1% FA-20% ACN作為洗脫劑。

圖5 洗脫劑種類對有機磷農藥回收率的影響Fig.5 Effects of eluent types on the extraction efficiency of organophosphorus pesticides

圖6 甲酸濃度對有機磷農藥回收率的影響Fig.6 Effects of formic acid concentrations on extraction efficiency of organophosphorus pesticides

此外,實驗還對洗脫劑體積(1～5 mL)進行了優(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,并且進一步增大體積回收率沒有明顯變化。因此,本實驗選取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 渦旋并重復操作3次)。

圖7 洗脫體積對有機磷農藥回收率的影響Fig.7 Effects of elution volumes on extraction efficiency of organophosphorus pesticides

2.2.5 樣品體積 為了發(fā)揮磁性復合物最大萃取能力和獲得高靈敏度分析方法,進一步考察不同樣品體積(10、30、50、70、90 mL)對回收率的影響。分別準確稱取20 mg復合物加入到不同體積溶液中,振蕩吸附5 min后,進行磁分離,將復合物轉移至新的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,當樣品體積不超過50 mL時,6種有機磷農藥的萃取回收率較好(均大于86.1%);隨著體積進一步增大,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 樣品體積對有機磷農藥回收率的影響Fig.8 Effects of solution volume on the extraction efficiency of organophosphorus pesticides

2.3 方法學驗證

在最優(yōu)的MSPE條件下(20 mg Fe3O4/ZIF-8、50 mL水樣、萃取時間5 min及1% FA-20% ACN為洗脫劑),考察了6種有機磷農藥的線性范圍,相關系數(R2),檢測限(LODs,S/N=3)和定量限(LOQs,S/N=10)。結果表明,6種有機磷農藥在1～200 ng·mL-1范圍內與色譜峰面積呈良好的線性關系,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(表2)。這些參數證明了該方法線性范圍好、靈敏度高。

表2 6種有機磷農藥的線性范圍、線性方程、相關系數、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 實際環(huán)境水樣分析

為了評價所建立的MSPE-HPLC-MS/MS方法在實際水樣中的適用性,在最佳萃取和解吸條件下,將該方法用于檢測實際樣品中的有機磷農藥。如表3所示,6種有機磷農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;甲基對硫磷(1.31 ng·mL-1)和丙線磷(0.12 ng·mL-1)在河水中被檢出。考慮到有機磷農藥在不同基質中最大殘留限量為0.01～8 mg·L-1[42-43],為了驗證方法準確性,分別對自來水、湖水、河水添加三個濃度水平(10、20和50 ng·mL-1),結果表明6種有機磷農藥的回收率為72.0%～99.6%,相對標準偏差為1.3%～6.9%。這些數據證明了基于Fe3O4/ZIF-8復合物所建立的磁固相萃取-高效液相色譜串聯質譜分析環(huán)境水樣中有機磷農藥的方法具有操作簡單、靈敏度高及費時短的優(yōu)點,適用于分析環(huán)境水樣中有機磷農藥。

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

3 結 論

通過簡單的原位聚合法成功制備了Fe3O4/ZIF-8復合材料,用于磁固相萃取環(huán)境水樣中有機磷農藥,其表現出快速的富集能力(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、萃取時間短、靈敏度高及重現性好的磁固相萃取-高效液相色譜串聯質譜法,不僅為分析環(huán)境水樣中有機磷農藥提供可靠地方法,也為分析其他污染物提供重要的技術借鑒。