氨基修饰磁性氧化石墨烯固相萃取-高效液相色谱/质谱法测定水中苯脲类除草剂

刘小燕， 李欣悦， 高仕谦， 张占恩*,2

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

脲类除草剂是一种核心结构为脲的化学性除草剂，可分为苯脲类、杂环脲类等，其中品种最多、使用较广泛的是苯脲类除草剂(Phenylurea Herbicides,PUHs)[1]。PUHs是一种内吸传导性除草剂，具有水溶性低、杀草谱广、残效期长等优点[2]。该类除草剂在环境中的残留时间过长，已经成为在土壤和水中普遍存在的污染物之一[3]。对于水中单种PUHs残留，美国(EPA method 532)要求方法的检出限为1 μg/L，而欧盟要求水中单种PUHs含量不超过0.1 μg/L，所有除草剂的总量不超过0.5 μg/L[4]。

对PUHs的检测主要集中在环境水中，其次是土壤和食品。目前，主要的前处理方法有液-液萃取(LLE)[5 - 7]、固相萃取(SPE)[8]、基质固相分散萃取(MSPD)[9 - 10]、微波萃取(MASE)[6]和超临界流体萃取法(SFE)等。磁性固相萃取(Magnetic Solid Phase Extraction,MSPE)作为一种新型的前处理方法逐渐发展起来，方法具有便捷分离、操作简单的优点。氧化石墨烯(GO)是一种具有二维层状结构的碳纳米材料，每层碳原子都含有大量的含氧官能团，具有较多活性官能团、较大比表面积并且具有较好稳定性[11]。通过在GO表面接枝有机物，如利用三乙酸四胺(TETA)中的氨基和GO表面的环氧基的亲核作用，将GO氨基化可增加活性吸附位点，从而提高吸附能力。本文将三乙酸四胺通过环氧基和伯胺的亲核反应修饰到GO表面，再在材料表面加磁，以合成的磁性三乙酸四胺氧化石墨烯(MTGO)为磁性固相萃取的吸附剂，建立了磁性固相萃取-高效液相色谱/质谱(HPLC/MS)联用技术测定环境水样中灭草隆、异丙隆、绿麦隆和敌草隆4种苯脲类除草剂的分析方法。该方法灵敏度高、检出限低，为环境水样中痕量苯脲类除草剂的检测提供了简单快捷的新方法。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

TSQ Quantum Ultra EMR三重四极杆-质谱仪，Ultimate 3000高效液相色谱仪(美国，Thermo公司)；Quanta FEG 250扫描电子显微镜(美国，FEI公司)；Nicolet-6700傅里叶变换红外光谱仪(美国，Thermo公司)。

灭草隆、异丙隆、绿麦隆、敌草隆4种苯脲类除草剂标准品购于上海农药研究所，纯度均在98.0%以上。将4种苯脲类除草剂标准品用甲醇配制成500 mg/L的单标准储备溶液，于冰箱中4 ℃保存。根据实验需要，用甲醇将储备溶液混合稀释成1.0 mg/L的标准工作溶液。FeCl3·6H2O、FeSO4·7H2O及无水乙醇购于国药集团；三乙酸四胺(TETA)为分析纯，购于阿拉丁试剂公司；氧化石墨烯(GO)粉末的纯度为96%、单层率≥99%(济宁利特纳米技术有限责任公司)；乙腈、丙酮及甲醇均为色谱纯(美国Tedia公司)。实验用水均为Milli-Q纯水净化器(美国Millipore)所制的超纯水。

1.2 HPLC/MS条件

高效液相色谱:色谱柱为Zorbax Eclipse XDB-C18柱(50.0×3.0 mm，1.8 μm)；流动相：甲醇(A)和0.1%的甲酸(B)，梯度洗脱程序：0～1.5 min,60%A；1.5～2.0 min，60%～80%A；2.0～2.5 min，80%A；2.5～3.0 min,80%～60%A；3.0～4.0 min,60%A；流速：0.4 mL/min；进样量：10.0 μL。

质谱条件:离子源：电喷雾电离正离子模式(ESI+)；检测模式：多反应监测(MRM)；离子传输管温度：350 ℃；喷雾温度：300 ℃；喷雾电压：3500 V；鞘气压力：0.24 MPa；辅助气压力：0.1 MPa；碰撞气压力0.20 kPa。质谱参数如表1所示。

表1 4种苯脲类除草剂的保留时间、母离子、子离子和碰撞能

1.3 实验方法

1.3.1MTGO的合成称取1.5 g GO溶于300 mL水中，超声分散溶解1 h。将上述GO溶液转移到四口烧瓶中，加入10 mL TETA，用氨水调节pH为11，在室温下搅拌10 min使其充分混匀，然后于90 ℃水浴中，继续搅拌反应8 h。将所得材料用水和无水乙醇交替清洗至近中性，最后将材料分散于200 mL水中，得到TGO悬浮液。称取2.65 g FeCl3·6H2O和1.61g FeSO4·7H2O并溶于200 mL水中。将上述混合溶液与TGO悬浮液转移至四口烧瓶中，在室温下搅拌1 h使其充分混匀，将水浴锅升温至80 ℃，用氨水调节pH为10，在氮气保护下搅拌反应2 h，降低水浴锅温度至50 ℃，继续搅拌反应1 h。将所得材料用水和无水乙醇交替清洗至近中性，于50 ℃下真空干燥24 h。

1.3.2样品前处理取含4种PUHs的水样(100 ng/L)100 mL于锥形瓶中，加入15.0 mg的MTGO粉末后，振荡萃取15 min。在外加磁场的作用下移去上层清液。用1 mL甲醇洗脱1 min，如此反复洗脱三次，将洗脱液氮吹至干，用初始流动相定容至1.0 mL，用HPLC/MS分析测定。

2 结果与讨论

2.1 MTGO的表征

2.1.1扫描电镜表征通过扫描电镜(SEM)图片可以得到经过氨基修饰的MTGO的表面形态,见图1。从图中可以看出，GO的表面有纳米颗粒分布，说明Fe3O4已经成功负载在GO上，使得MTGO具有良好的磁性，有利于吸附完成后进行分离。同时，MTGO表面粗糙，有诸多褶皱，有利于增加吸附效果。

图1 GO-Fe3O4的扫描电镜(SEM)图Fig.1 SEM images of GO-Fe3O4

图2 GO(a)、GO-Fe3O4(b)和MTGO(c)的傅里叶红外(FI-IR)光谱图Fig.2 FT-IR spectra of GO (a),GO-Fe3O4(b) and MTGO(c)

2.1.2MTGO的傅里叶红外光谱表征图2分别是GO(a)、GO-Fe3O4(b)、MTGO(c)的红外(IR)光谱图。由于GO是由石墨烯氧化而得，因此GO表面有很多含氧基团。如图中曲线a可知，3 407 cm-1处为O-H收缩振动峰，1 717 cm-1处为羧基C=O收缩振动峰，1 224 cm-1和1 053 cm-1处分别代表羟基的C-O和环氧基的C-O-C收缩振动峰。图中曲线b显示，3 423 cm-1处的吸收峰是GO-Fe3O4上吸附的水分子O-H，1 577 cm-1处的吸收峰属于羧基中的C=O伸缩振动，1 460 cm-1处的吸收峰是COO-的伸缩振动，1 324 cm-1处的吸收峰属于C-O-C的振动，622 cm-1处的吸收峰则属于Fe-O。图中曲线c显示，2 918 cm-1、2 844 cm-1处为C-H伸缩振动峰，是TETA的特征峰，表明TETA通过环氧基和伯胺的亲核反应修饰到GO表面。1 548 cm-1、1 099 cm-1处为C-NH-C的N-H弯曲振动和C-N 伸缩振动峰。此外，582 cm-1处为Fe-O金属氧键伸缩振动峰，说明磁性材料成功负载到吸附剂表面。

2.2 萃取条件优化

2.2.1MTGO用量的选择在磁性固相萃取过程中，吸附剂的用量是影响萃取效率的重要因素。如图3，当MTGO的用量在5.0～15.0 mg之间时，其萃取效率随着MTGO用量的增加而逐渐升高；当MTGO的用量大于15.0 mg时，萃取效率会有所降低。因此，选择其用量为15.0 mg。

3.2.2水样pH的影响本实验选取pH值范围为2～10进行考察。如图4所示，4种目标苯脲类除草剂在pH值为6～8时萃取效率没有明显变化。因此，无需调节水样的pH值。

图3 MTGO用量对萃取效率的影响Fig.3 Effect of MTGO amount on extraction efficiency

图4 水样pH对萃取效率的影响Fig.4 Effect of sample pH on extraction efficiency

2.2.3萃取时间的选择萃取时间的长短直接影响着实验的效率。实验对萃取时间进行了优化，分别选取0、5、10、15、20、25、30 min 7个萃取时间进行考察，实验结果如图5，当萃取时间为15 min时，萃取效率最大达到萃取平衡。

2.2.4洗脱条件的选择在磁性固相萃取过程中，吸附材料的洗脱是重要环节。本实验选择乙醇、丙酮、乙腈、甲醇作为洗脱剂进行考察，它们的萃取效果如图6所示，可以看出甲醇的洗脱效果最好。实验考察了洗脱剂体积的影响。选取1、2、3、4、5 mL的甲醇研究单次洗脱剂的用量。实验结果(图7)表明单次

图5 萃取时间对萃取效率的影响Fig.5 Effect of extraction time on extraction efficiency

图6 洗脱剂种类对萃取效率的影响Fig.6 Effect of desorption solvent on extraction efficiency

使用1 mL的甲醇萃取效率最优。此外，实验还考察了洗脱次数的影响，分别洗脱1、2、3次，结果显示洗脱3次效果更好。实验对单次洗脱时间进行了研究，见图8，结果表明，单次洗脱时间为1 min最佳。

图7 洗脱剂体积对萃取效率的影响Fig.7 Effect of desorption solvent volume on extraction efficiency

图8 洗脱时间对萃取效率的影响Fig.8 Effect of desorption time on extraction efficiency

2.3 方法的线性范围和检出限

在已优化的条件下，对0.01、0.05、0.1、0.5、1.0 μg/L的PUHs系列标准溶液进行测定。将待测物的峰面积与相应的浓度进行线性拟合，方法的线性范围、相关系数等参数见表2。对0.01 μg/L的标准溶液平行测定5次，相对标准偏差(RSD)小于7.9%，检出限为0.03～0.05 μg/L。

表2 4种苯脲类除草剂的线性范围、检出限、相关系数和相对标准偏差

2.4 实际样品分析

将经过处理的水样在上述优化的条件下进行测定，均未检出4种目标PUHs，这可能与采样的时间段与采样点的选择有关。分别对三种水样进行加入回收实验，使其浓度分别为0.1和0.5 μg/L，对加标水样平行测定5次，检测结果如表3所示，回收率范围为84.3%～96.4%，RSD为3.9%～8.6%。

表3 自来水、太湖水和金鸡湖水中苯脲类除草剂的回收率(n=5)

2.5 MTGO的重复利用

实验结果表明，回收的MTGO至少可以使用8次以上而不降低萃取效率。因此，MTGO是一种具有较好稳定性和可重复性的理想吸附材料。

2.6 与MGO的比较

在最优条件下，分别用磁性氧化石墨烯(MGO)和磁性三乙酸四胺氧化石墨烯(MTGO)作为吸附剂富集水样中的4种目标PUHs，对比两种材料的萃取效率。结果显示，对GO进行氨基化修饰有助于提高GO对苯脲类除草剂的吸附效果。

3 结论

本文成功地将合成的MTGO作为吸附剂，富集环境水样中的苯脲类除草剂残留，并采用高效液相色谱/质谱法进行测定。该实验将GO进行氨基化修饰，提高了GO的吸附性能。并在此基础上与便捷的磁分离技术相结合，简化了操作步骤，缩短了萃取时间。此外，方法检出限较低、重现性较好、环境友好，可以用来检测环境水样中的痕量苯脲类除草剂。