磁性氧化石墨烯固相萃取/高效液相色谱-串联质谱法测定环境水样中6种三嗪类除草剂残留

2016-04-13郭宇彤李欣悦高仕谦顾海东张占恩

分析测试学报 2016年11期

郭宇彤，李欣悦，高仕谦，顾海东，张占恩,3*

(1.苏州科技大学环境科学与工程学院，江苏苏州 215000；2.苏州科技大学江苏省环境科学与工程重点实验室，江苏苏州 215000；3.苏州科技大学水处理技术与材料协同创新中心，江苏苏州 215000)

郭宇彤1，李欣悦1，高仕谦1，顾海东2，张占恩1,3*

采用一步合成法制备磁性氧化石墨烯材料(GO-Fe3O4)，将其用作磁性固相吸附剂对环境水样中的6种三嗪类除草剂进行萃取和富集，并与高效液相色谱-串联质谱法相结合进行测定。以扫描电镜和傅立叶红外光谱对合成材料进行了表征，并考察了GO-Fe3O4用量、萃取时间、水样的pH值及离子强度和解吸条件等因素对萃取效率的影响。6种三嗪类除草剂的检出限为0.1～1.0 ng/L，富集倍数可达616～902倍。将方法应用于苏州地区太湖水、运河水和护城河水等实际水样的分析，加标回收率为85.4%～117.6%，相对标准偏差为1.2%～10.0%。该方法操作简单快速，富集倍数较高，检出限低，可用于水样中痕量三嗪类除草剂残留的检测。

磁性氧化石墨烯；磁性固相萃取；三嗪类除草剂；液相色谱-串联质谱；环境水样

三嗪类除草剂是一种在农业种植业中广泛使用的选择性除草剂，其化学性质稳定，在环境中残留时间长久，会对人类产生内分泌干扰和致癌作用[1]。各国对三嗪类除草剂的残留含量作出了严格限定，USEPA规定饮用水中三嗪类除草剂的浓度不得超过3 μg/L，欧盟的标准限值为0.1 μg/L[2]。三嗪类除草剂在水中具有较高的溶解性，可通过多种途径从土壤中迅速扩散到地表水和地下水中，因此，建立环境水样中痕量三嗪类除草剂的测定方法具有十分重要的意义。

目前，三嗪类除草剂常用的样品预处理方法有液液萃取(LLE)[3]、固相萃取(SPE)[4-5]、固相微萃取(SPME)[6]和基质固相分散(MSPD)[7]等，而基于新型磁性吸附剂的磁性固相萃取(MSPE)技术因操作简便、萃取时间短、分离快速等特点倍受人们关注[8-9]。氧化石墨烯(GO)具有超高的比表面积以及丰富的含氧官能团，可与有机化合物形成π-π键相互作用，磁性纳米材料能提供方便的磁分离能力，因而可将两者相结合，形成一种新型的磁性石墨烯复合材料。这种复合材料能将GO的强吸附性能和便捷的磁性分离相结合，且可循环使用，是一种极具潜力的磁性固相吸附剂。近年来，磁性石墨烯材料对环境样品中有机污染物的吸附研究已有文献报道[10-12]。

本文通过化学共沉淀法一步合成出GO-Fe3O4，将其用作磁性固相吸附剂对环境水样中的6种三嗪类除草剂进行萃取和富集，并与高效液相色谱-串联质谱法(HPLC-MS/MS)相结合进行了分析测定。本方法简单高效，检出限低，精密度较好，成功用于实际水样中痕量三嗪类除草剂残留的检测。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

TSQ Quantum Ultra EMR三重四极杆质谱检测器、Ultimate 3000高效液相色谱仪、Nicolet-6700傅立叶转换红外光谱分析仪(美国Thermo公司)；Milli-Q Academic超纯水净化器(美国Millipore公司)；VD115真空干燥箱(德国Binder公司)；HY-2调速多用振荡器(苏州威尔实验用品有限公司)；DC-12型氮吹仪(上海安普公司)；KQ-300VDE型三频数控超声波清洗器(昆山超声仪器有限公司)；SK-1快速混匀器(金坛市科析仪器有限公司)；JJ-1精密增力电动搅拌器(金坛市科析仪器有限公司)。

6种三嗪类除草剂标准品：西玛通、莠去通、敌草净、特丁通、草净津、异丙净(纯度均在98%以上，北京生物制品研究所)，用乙腈配制成500 mg/L的单标储备液，储存于4 ℃冰箱中，使用前用乙腈稀释成1.0 mg/L的混合工作标准溶液。

氧化石墨烯粉末(纯度99%，单层率96%以上，济宁利特纳米技术有限公司)；甲醇、乙腈、丙酮、乙醇、二氯甲烷(色谱纯，美国Tedia公司)；FeCl3·6H2O和FeSO4·7H2O(分析纯，国药集团化学试剂有限公司)；氨水(分析纯，无锡市展望化工试剂有限公司)；无水乙醇(分析纯，无锡市晶科化工有限公司)；实验用水为Milli-Q超纯水。

1.2 实验方法

1.2.1 GO-Fe3O4的合成 GO-Fe3O4是通过Fe3+，Fe2+和GO在碱性条件下发生化学共沉淀而制得[13]。将1 g氧化石墨烯粉末加入200 mL水中，充分搅拌后超声2 h，备用。称取5.410 g FeCl3·6H2O和3.336 g FeSO4·7H2O溶于200 mL水中，并转移至四颈烧瓶中，通N2，将温度升至80 ℃，在搅拌的条件下依次向四颈瓶中快速倒入10 mL氨水和GO悬浮液，保持搅拌反应1.5 h，随后将温度降至50 ℃继续反应2 h。最终得到深褐色沉淀物，用水和乙醇交替各洗3次后进真空干燥箱(60 ℃)干燥12 h，取出研磨过筛后得到2.942 g GO-Fe3O4粉末。

1.2.2 色谱条件色谱柱：Zorbax Eclipse XDB-C18反相色谱柱(50 mm×3 mm，1.8 μm)；柱温：30 ℃；流动相：水-乙腈(30∶70，体积比)；流速：0.3 mL/min；进样量：10 μL。

1.2.3 质谱条件离子源：电喷雾电离源(ESI+)；扫描模式：正离子扫描；检测模式：选择反应监测(SRM)；离子传输管温度：350 ℃；喷雾温度：300 ℃；喷雾电压：3 500 V；鞘气压力：25 Arb；辅助气压力：10 Arb；SRM模式的参数如表1所示。

表1 6种三嗪类除草剂的保留时间、母离子、子离子和碰撞能Table 1 Retention times，parent ions，product ions and collision energies of 6 triazine herbicides

1.2.4 磁性固相萃取准确称取10 mg GO-Fe3O4加入到装有100 mL水样的具塞锥形瓶中，将其放在振荡器上振荡20 min后，在瓶底放置一块强磁铁，在外加磁场的作用下倾去上清液，并将GO-Fe3O4转移到10 mL离心管中。随后加入1 mL丙酮，在涡旋混匀器上解吸1 min，再用一次性针管将解吸液转移到另一10 mL离心管中，如此重复解吸3次。最后将3 mL解吸液用氮气吹干，用100 μL 70%的乙腈溶液溶解并吸取10 μL进行HPLC-MS/MS分析。回收的GO-Fe3O4经丙酮和水清洗后可重复使用。

2 结果与讨论

2.1 GO-Fe3O4的表征

2.2 磁性固相萃取条件的优化

2.2.1 GO-Fe3O4用量的影响磁性吸附剂的用量是影响萃取效率的重要因素。本实验分别对2.0，4.0，6.0，8.0，10.0，15.0，20.0 mg的GO-Fe3O4用量进行了考察。结果显示，当GO-Fe3O4用量在2.0～10.0 mg之间时，萃取效率随着吸附剂用量的增加而逐渐增加，而用量大于10.0 mg后，萃取效率无明显变化，此时基本能对三嗪类除草剂完成吸附，无需再提高吸附剂用量。因此，实验选择GO-Fe3O4用量为10.0 mg。

2.2.2 萃取时间的影响为得到最优的萃取效率并降低萃取时间，考察了不同振荡时间(0，5，10，15，20，30 min)对萃取效率的影响。结果显示，随着振荡时间的增加，萃取效率迅速提高，当振荡时间达到20 min后萃取效率基本稳定，说明在20 min时可达到吸附平衡。因此，实验选择萃取时间为20 min。

2.2.3 水样pH值的影响水样的pH值不仅会影响目标分析物在水溶液中的存在形态，还会影响吸附材料表面电荷的密度和类型，所以选择合适的pH值很有必要。考察了pH值在3.0～11.0之间的萃取效率，结果见图3。由图3可知，水溶液pH值在5.0～9.0之间变化时，各物质的萃取效率无显著变化，这可能是由于三嗪类除草剂为中性化合物。由于本实验所用的水样pH值均在7.0～8.0之间，因此无需调节水样的pH值。

2.2.4 水样离子强度的影响在水溶液中加入适量的盐有助于增加离子强度，降低有机目标物在水中的溶解度，进一步提高萃取效率。本实验通过向水样中添加不同浓度的NaCl(0～10%)，考察了离子强度对萃取效率的影响。结果表明，额外添加的NaCl并未提高GO-Fe3O4对三嗪类除草剂的萃取能力。因此本实验选择不加盐。

2.2.5 解吸条件的影响在本方法(MSPE)中，选择合适极性的解吸剂将三嗪类除草剂从GO-Fe3O4表面洗脱下来是非常关键的一步。实验考察了二氯甲烷、乙醇、丙酮、乙腈和甲醇的洗脱效果，其中二氯甲烷是弱极性溶剂，几乎无法将较强极性的三嗪类除草剂洗脱下来；其他4种解吸剂中，丙酮的解吸效果相对较优，且挥发性最强，为减少后续氮吹的时间，实验采用丙酮作为解吸剂。

进一步考察了不同体积(1.0，2.0，3.0，4.0，5.0 mL)丙酮对萃取效率的影响。结果显示，丙酮用量从1.0 mL增加到3.0 mL时，萃取效率随之上升，并在3.0 mL达到最大值，超过3.0 mL后，萃取效率不再上升，说明3.0 mL丙酮基本能将三嗪类除草剂完全解吸下来。实验还考察了不同解吸次数对萃取效率的影响，结果发现分3次解吸可获得较好的萃取效率。因此，实验选用3.0 mL丙酮(分3次，每次1.0 mL)进行解吸。

实验也考察了解吸时间(0～5 min)对萃取效率的影响。结果表明，1 min之内萃取效率随解吸时间增长而提高，1 min之后萃取效率无显著变化。因此选择解吸时间为1 min。

本实验中，只需10 mg的GO-Fe3O4基本可将三嗪类除草剂从100 mL溶液中萃取出来。此外，在萃取效率无明显降低的情况下，回收的GO-Fe3O4至少可重复使用10次。说明本实验合成的GO-Fe3O4是一种较为高效并可循环使用的磁性吸附剂。

2.3 线性范围、检出限、富集倍数及精密度

配制浓度分别为0.1，0.5，1.0，5.0，10.0，100.0，500.0 ng/L的系列标准溶液，在上述最优萃取条件下对其萃取并测定。以色谱峰面积(Y)对标准溶液的质量浓度(X，ng/L)作线性拟合，绘制工作曲线，并考察方法的线性范围、检出限、相关系数、富集倍数及精密度(见表2)。结果显示，西玛通、特丁通、异丙净在1.0～500 ng/L范围内，莠去通、敌草净在0.5～500 ng/L范围内，草净津在5.0～500 ng/L范围内呈良好的线性关系，相关系数均不小于0.999 4。草净津的检出限(S/N=3)为1.0 ng/L，其他5种除草剂的检出限均不大于0.5 ng/L。对10.0 ng/L的加标水样平行测定5次，得到相对标准偏差(RSD)为6.2%～10.5%，富集倍数为616～902倍。本方法具有较好的灵敏度和精密度。

表2 6种三嗪类除草剂的线性范围、检出限、相关系数、富集倍数及相对标准偏差Table 2 Linear ranges，detection limits，correlation coefficients(r)，enrichment times and RSDs of 6 triazine herbicides

2.4 实际水样的测定

采集苏州地区的太湖水、运河水和护城河水3个实际环境水样，过0.45 μm滤膜后测定其中6种三嗪类除草剂的残留量，每个水样平行测定5次，3种水样均未检出6种三嗪类除草剂。对3种水样进行10.0，100.0 ng/L两个浓度水平的加标回收实验，每个浓度平行测5次，图4为使用和不使用GO-Fe3O4对10.0 ng/L浓度水平的加标湖水样品进行萃取后所得的色谱对比图，回收率和RSD见表3。结果显示，6种三嗪类除草剂的平均加标回收率为85.4%～117.6%，RSD在10.0%以内。因此，本方法的精密度和重现性良好，可满足实际水样的测定要求。

TriazineherbicideAdded(ng/L)LakewaterCanalwaterMoatwaterFound(ng/L)Recovery(%)Found(ng/L)Recovery(%)Found(ng/L)Recovery(%)Simeton10.09.6896.8±2.2*11.20112.0±3.89.4294.2±1.2100.098.098.0±8.9100.9100.9±8.7117.6117.6±2.8Atraton10.010.09100.9±8.810.66106.6±2.39.3093.0±3.2100.092.892.8±1.5103.9103.9±3.0104.3104.3±6.3Desmetryn10.010.01100.1±4.710.13101.3±2.39.2792.7±3.2100.095.595.5±1.691.691.6±2.7111.2111.2±6.8Terbumeton10.011.02110.2±9.69.7197.1±4.010.91109.1±6.0100.0100.1100.1±4.498.898.8±7.8109.1109.1±4.0Cyanazine10.08.5485.4±5.79.8098.0±6.410.88108.8±9.3100.094.094.0±3.2107.0107.0±10.098.398.3±8.5Dipropetryne10.09.1891.8±7.79.2892.8±4.610.75107.5±2.4100.088.488.4±6.898.898.8±3.4110.8110.8±8.0

* RSD for five detections

2.5 与其他及同类方法的比较

将本方法与其他(SPME，SPE)及同类(MSPE)方法在检出限、萃取时间和富集倍数等方面进行了比较，结果见表4。从表4可以看出，本方法的萃取时间较短，富集倍数较高，且检出限远低于其他方法。

表4 本方法与其他前处理技术对三嗪类除草剂萃取的比较Table 4 Comparison of this method with other sample preparation techniques for extraction of triazine herbicide

3 结论

本文合成了GO-Fe3O4用作磁性固相吸附剂，并与高效液相色谱-串联质谱相结合，成功从环境水样中富集了三嗪类除草剂并实现其测定。便捷的磁分离和氧化石墨烯的强吸附能力使得本方法具有简单快速、富集倍数高等优点。此外，本方法线性范围良好，检出限较低，精密度和重现性较好，可用于实际水样中痕量三嗪类除草剂残留的检测。

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Determination of 6 Triazine Herbicide Residues in Environmental Water Samples by Magnetic Graphene Oxide Solid Phase Extraction and High Performance Liquid Chromatography-Mass Spectrometry

GUO Yu-tong1，LI Xin-yue1， GAO Shi-qian1，GU Hai-dong2，ZHANG Zhan-en1,3*

(1.College of Environmental Science and Engineering，Suzhou University of Science and Technology，Suzhou 215000，China；2.Jiangsu Key Laboratory of Environmental Science and Engineering，Suzhou University of Science and Technology，Suzhou 215000，China；3.Innovation Center of Water Treatment Technology and Material,Suzhou University of Science and Technology，Suzhou 215000，China)

An oxidized graphene based magnetic nanoparticles(GO-Fe3O4) was synthesized by one step,and used as the adsorbent for the magnetic solid-phase extraction(MSPE) of six triazine herbicides in environmental water samples prior to high performance liquid chromatography with mass spectrometry(HPLC-MS/MS).The synthesized material was characterized by scanning electron microscopy(SEM) and Fourier transform infrared spectrometry(FTIR).Various experimental parameters including amount of GO-Fe3O4，extraction time， pH values and ionic strength of sample solution and desorption conditions were optimized to improve the extraction efficiency.The limits of detection of the method ranged from 0.1 ng/L to 1.0 ng/L,and the enrichment ranged from 616 to 902 for six triazine herbicides.The method was applied in the analysis of actual water samples from Taihu lake，canal and moat in Suzhou，with spiked recoveries of 85.4%-117.6% and relative standard deviations(RSDs) of 1.2%-10.0%.Attributed to its simplicity and rapid operation，high enrichment and low detection limit，this method could be used to analyze the trace residues of triazine herbicides in water samples.

oxidized graphene based magnetic nanoparticles；magnetic solid-phase extraction(MSPE);trazine herbicide；high performance liquid chromatography-mass spectrometry(HPLC-MS/MS)；environmental water sample

2016-05-05；

2016-06-15

江苏省高校自然科学研究重大项目(15KJA610003)

10.3969/j.issn.1004-4957.2016.11.003

O657.72；S482.4

1004-4957(2016)11-1384-06

*通讯作者：张占恩，博士，教授，研究方向：环境监测，Tel:0512-68093060，E-mail:zhanenzhang@126.com