富集胶体晶体用于饮用水中痕量阿特拉津的测定

夏缓，吴蕴棠，孙忠，徐蓓，刘茜，赛娜

（天津医科大学公共卫生学院，天津 300070）

阿特拉津（atrazine）是世界范围内广泛使用的一种三嗪类除草剂。它主要适用于苗前土壤处理和苗后早期茎叶兼土壤喷雾处理，可防除一年生禾本科杂草，对某些多年生杂草也有一定的抑制作用。自1959年投入使用以来，国内外使用阿特拉津已有60多年历史，曾被认为是生态安全的除草剂[1]。但随着对阿特拉津毒理学研究的深入，阿特拉津对环境、动物以及人类的危害逐渐被人们所认知。研究表明，低浓度阿特拉津长期暴露会对人畜的内分泌系统产生干扰，引发一系列病症，甚至致畸、突变、致癌。阿特拉津也可对眼睛和皮肤有刺激作用，可经口、皮肤等部位进入血液循环，使肝肾、心脏、血管出现中毒症状，破坏人类心血管、生殖系统，严重危害人体健康[2-4]。

由于阿特拉津具有较大的极性，在环境中较为稳定，残留期长，可蓄积并随着地表径流、沉降等多种途径污染地表水和地下水。目前多个国家（包括中国、美国、日本等）已在地表水和地下水中发现阿特拉津残留[5]。因此，阿特拉津已被我国列入水中优先控制的污染物之一。1986年，欧盟将阿特拉津列为饮用水中检测标准之一，即其含量不得超过0.1 μg/L。1994年，美国环境保护局规定阿特拉津在水中的最高允许浓度为3 μg/L。我国GB 3838—2002《地表水环境质量标准》规定阿特拉津的标准限值为3 ng/mL[6-7]。

关于水质中阿特拉津测定，国外多采用色谱法、色质联用法等进行测定。国内新修订的GB/T 5750.8—2006《生活饮用水标准检验方法》采用固相萃取/气相色谱-质谱法对阿特拉津进行分析。卫生部卫生监督司编写的GB/T 16336—1996《食品中的阿特拉津残留量的测定》中使用气相色谱法测定。国家环境保护标准制定了HJ 587—2010《水质阿特拉津的测定高效液相色谱法》。但这些方法需要的设备昂贵，操作繁琐，难以进行快速测定和现场监测[8-10]。因此，发展一种简单、成本低、高灵敏度的检测方法十分必要。

胶体晶体是20世纪90年代中期提出的新概念和新型人工光学材料。胶体晶体是由单分散的、直径在微米或亚微米级别的无机或有机胶体颗粒，在重力、静电力或毛细管力等作用下组装形成的2D或3D有序阵列结构[11]。由于胶体晶体具有光传播控制特性而使得它在传感器、临床诊断、生物医学等诸多方面有着广阔的应用前景[12-13]。自Asher等通过共价键分子印迹修饰胶体晶体表面用于葡萄糖检测以来[14]，胶体晶体与分子印迹技术结合研发出多种材料用于金属离子、农兽药残留、蛋白质等的光学测定[15-18]。尽管这些胶体晶体材料表现出较高的检测特异性和操作简便性等优势，但其检测灵敏度仍有待进一步提高。近期，一些研究者发现，“亲水-疏水”结构可产生富集效应，可对目标物进行聚集浓缩，从而提高检测方法的灵敏度[19-23]。

本文将阿特拉津作为检测目标物，将“亲水-疏水”富集系统引入胶体晶体中，发展一种新型光学富集检测胶体晶体材料。该材料可对痕量阿特拉津进行富集吸附，并通过胶体晶体衍射光变化实现对饮用水中阿特拉津的快速、灵敏、特异性检测。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

阿特拉津、西维因、毒死蜱、三聚氰胺：三征新科技化工有限公司；甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酰胺、甲叉丙烯酰胺、过硫酸钾、过硫酸铵、氯化钠、甲醇（色谱级）：天津大学科威公司。

1.2 仪器与设备

HWS-150恒温水箱：宁波海曙赛福实验仪器厂；HL-2000光纤光谱仪：美国OCEANOPTICSS公司。ESEM XL30环境扫描电镜：Phillips公司；Waters Tm 600 E高效液相色谱仪配紫外检测器：美国Waters公司。

1.3 方法

1.3.1 富集胶体晶体的制备

称取30 mg阿特拉津溶于1.5 mL甲基丙烯酸和甲基丙烯酸甲酯中，超声混合使其溶解后加入0.06 g过硫酸钾和15 mL去离子水超声混合均匀，N2吹10 min后，移入四口烧瓶中，在氮气的保护下80℃搅拌反应。将所得乳液冷却至25℃，产物溶液通过离心除去上清液，经多次用去离子水振荡超声分散后，即可得到单分散胶体颗粒乳液。将其与140 mL去离子水混合，超声30 min，灌入附有载玻片的玻璃器皿中，放置在恒温恒湿箱内（温度：30℃，湿度：46%）。

同时，将10 g丙烯酰胺、2.2 g甲叉丙烯酰胺和50 mL去离子水，室温25℃下振荡30 min后，加入80 mg过硫酸铵，通10 min氮气以除去溶液中的氧气，即可得到聚合前驱液。采用毛细力诱导法将其灌入阵列中，烘干60 min，用冰乙酸和甲醇混合液（1∶18，体积比）反复洗涤，再用甲醇冲洗晶体，去除过量的冰乙酸，最后形成富集胶体晶体材料。非印迹富集胶体晶体制备仍采用同样方法，仅区别于未添加模板分子。

1.3.2 富集胶体晶体的表征与阿特拉津测定

扫描电镜对富集胶体晶体表面形态进行分析。利用光纤光谱仪测定吸附不同浓度阿特拉津后的富集胶体晶体布拉格衍射光谱变化。

1.3.3 饮用水样品前处理

样品分析以天津市和平区自来水为基质样品，进行加标检测，每个浓度重复5次。阿特拉津加标自来水样品，经过0.22 μm滤膜过滤后直接用于富集胶体晶体测定。将所采集的饮用水样品置于分液漏斗中，加15 g氯化钠和25 mL正己烷，振荡萃取，取其上清液，旋转蒸发，N2吹干，固体残渣使用2 mL甲醇溶解，用于高效液相色谱法分析。

1.3.4 高效液相色谱法分析条件

色谱柱为 C18（4.6 mm×250 mm，5 μm）；进样体积为 5 μL；流动相为甲醇-水（4∶1，体积比）混合液；流速为0.6 mL/min；检测波长为220 nm。

1.4 数据处理

试验所得数据采用软件Origin 7.5分析处理。

2 结果与分析

2.1 富集胶体晶体的形态特征以及检测机理

富集胶体晶体的扫描电镜 （scanning electron microscope，SEM）图片、结构色与富集检测机理见图1。

从图1a可以看出，所制备的富集胶体晶体呈现胶体颗粒粒径均一、排布均匀、呈现面心立方紧密堆积结构。这种有序晶格结构的特殊性，可发生强烈的衍射效应从而出现布拉格衍射峰并产生紫色结构色。在垂直入射条件下，衍射峰波长的位置可用布拉格定律表示。

图1 富集胶体晶体的形态特征及检测机理Fig.1 Morphology and detection principle of enrichment colloidal crystals

式中：λ为衍射峰波长，nm；D为胶体颗粒间距，nm；na为胶体晶体有效折射率；θ为入射光与晶体面之间夹角，°。

Lawrence等发现沙漠中甲壳虫表面具有“亲水-疏水”结构，有利于锁住雾中的水，可起到富集浓缩的作用。因此，人工模仿具有“亲水-疏水”结构已作为一种新型有效策略，完成富集稀释的目标分子，并已用于提高荧光分析和等离子体纳米传感器的灵敏度[19-23]。如图1b所示，所制备的富集胶体晶体具有疏水胶体颗粒以及周围亲水凝胶组成的“亲水-疏水”结构。其中，疏水胶体颗粒具有紧密堆积的结构和良好的周期分布规律，空位缺陷较少，结构完整。而环绕疏水胶体颗粒的亲水凝胶具有三维网状结构，有利于目标分子穿梭并进入胶体颗粒中。同时其具有柔韧和刚性，可以稳固胶体晶体结构的前提下，可发送一定膨胀或收缩，有利于识别信号的传送表达。如图1c所示，富集胶体晶体可依托其“亲水-疏水”结构增强其对目标物的富集，提高检测灵敏度。

2.2 方法的评估

2.2.1 灵敏度

分子印迹聚合物的识别性能依赖于聚合物洗脱模板分子后所留下来的孔穴立体结构和功能团的位置。图2展示了富集胶体晶体和非印迹富集胶体晶体对阿特拉津的光学响应。

如图2a所示，当阿特拉津浓度为2 ng/mL时，富集胶体晶体开始产生响应，其布拉格衍射峰峰强降低2.05。随着溶液中阿特拉津含量增加，布拉格衍射峰强度随之减弱，而当溶液中阿特拉津浓度达到32 768 ng/mL时，布拉格衍射峰强度降低到最低点。同时，非印迹富集胶体晶体产生的布拉格衍射峰并没有随阿特拉津浓度的改变而发生明显变化，如图2b中所示，在研究浓度范围内，富集胶体晶体对阿特拉津的吸附远远高于非印迹富集胶体晶体对阿特拉津的吸附，且检测灵敏度达到2 ng/mL，已满足我国对地表水阿特拉津的标准限值的检测要求。造成较高的检测灵敏度归结于其“亲水-疏水”结构以及广阔的比表面积，使得阿特拉津目标分子能够进行浓缩和富集并广泛地渗入材料内部产生强烈的光学响应。

图2 富集胶体晶体和非印迹富集胶体晶体对阿特拉津的响应Fig.2 Optical responses of enrichment colloidal crystals and nonimprinted enrichment colloidal crystal to atrazine

2.2.2 特异性

为研究制备的富集胶体晶体吸附选择性，以几种阿特拉津结构类物（西维因和三聚氰胺）作为分析对象，进行了特异性吸附研究，富集胶体晶体对不同目标分子的选择性见图3。

从图3a和3b可知，富集胶体晶体对西维因和三聚氰胺响应较小或几乎没有响应。进一步将富集胶体晶体对阿特拉津、西维因和三聚氰胺的响应性进行对比（图3c），可明显得出，所制备的富集胶体晶体具有较好的响应特异性，并进一步确定了富集胶体晶体的选择性来源于模板分子（阿特拉津）产生的纳米孔穴。

图3 富集胶体晶体对不同目标分子的选择性Fig.3 Selectivity of enrichment colloidal crystals to different target molecules

2.2.3 实际饮用水样品的分析

为研究富集胶体晶体的适用性和有效性，将富集胶体晶体用于自来水样品中阿特拉津残留的检测，并采用高效液相色谱方法进行对比见表1。

由表1所示，和高效液相色谱法得到结果基本一致，其中富集胶体晶体对不同浓度的阿特拉津加标回收率在89.0%～105.5%之间。因此，富集胶体晶体适用于实际饮用水样品的阿特拉津检测。

表1 富集胶体晶体以及高效液相色谱法在实际饮用水样品检测中的应用Table 1 Application of enrichment colloidal crystals and high performance liquid chromatography（HPLC）in actual water sample detection

2.2.4 富集胶体晶体响应时间

富集胶体晶体的周期性结构除了能提供可读的光信号外，还提供较为广阔的比表面积。比表面积增大，使更多识别位点处于表面上，有利于与外来目标分子相结合，达到快速响应的目的。图4是以时间驱动模式测定的富集胶体晶体响应时间曲线。

图4 富集胶体晶体对阿特拉津（500 ng/mL）检测响应时间Fig.4 The response time of enrichment colloidal crystals to atrazine（500 ng/mL）

从图4可以看出，富集胶体晶体对阿特拉津响应时间仅为7 min左右。相比高效液相色谱法、气相色谱法、酶联免疫法等传统检测方法，富集胶体晶体缩短了检测时间和预处理时间。富集胶体晶体表现出的较快检测时间可能与其特殊结构密切相关，即其均质阵列层可使目标物顺畅地扩散到富集胶体晶体内部，而且其高比表面积和特殊的“亲水-疏水”结构可进一步促进其从表面扩散到材料内部进行响应检测。

3 结论

本文以阿特拉津为靶标物，研发出一种新型光学检测材料——富集胶体晶体。该材料具有由疏水胶体颗粒与亲水凝胶构成的“亲水-疏水”结构，可以对目标物进行富集并通过布拉格衍射峰强度变化实现对阿特拉津目标物识别检测。该富集胶体晶体表现出较高的检测灵敏度，稳定性和较强的识别特异性，对于饮用水目标分析的回收率可达到89.0%～105.5%，分离效率较高。同时，相对于传统检测方法（如高效液相色谱法、酶联免疫法等），该富集胶体晶体具有低成本、易操作、无需昂贵仪器以及较快的检测响应性，呈现出较为广阔的应用前景。下一步研究需集中在深入挖掘该纳米材料的结构特异性，结合其它检测技术以进一步增强其检测灵敏度和稳定性。