固定金属亲和磁性吸附剂对有机磷农药残留的固相萃取性能

贺茂芳*， 秦 蓓， 张 博， 唐一梅， 张 剑， 韩 禄

(西安医学院药学院，西安医学院药物研究所，陕西西安 710021)

有机磷农药(Organophosphorous Pesticides,OPPs)是世界范围内最常用的农药种类之一，该类农药半衰期相对较长，对环境、食品等造成巨大的危害[1,2]。气相色谱或高效液相色谱与质谱联用是农药残留最常用的检测手段。但是复杂的基质干扰给仪器分析带了极大的不便。因此建立有效的样品前处理方法，消除基质干扰、选择性分离富集，对于提高农药残留检测的选择性和灵敏度具有重要意义。近年来，固相萃取[3,4]、固相微萃取[5,6]、液-液微萃取[7 - 9]等技术被广泛应用于农药残留的样品前处理。目前，用于OPPs的固相萃取吸附剂主要有两大类：一类是直接以碳纳米管(Carbon Nano-tubes,CNTs)、氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)等为吸附剂进行固相萃取[10,11]。这类材料能够与OPPs分子中的烷基链及其它疏水性基团产生π-π相互作用、疏水相互作用、氢键等；另一类是以Fe3O4磁性纳米粒子、石英纳米纤维等为基质，在其表面修饰离子液体、分子印迹聚合物等功能分子，通过静电相互作用、孔吸附以及主-客体作用等对OPPs产生吸附[12,13]。但是这两类材料与OPPs间的作用力都是非选择性的，难以有效地消除基质干扰，实现高选择性分离富集。

根据软硬酸碱理论，过渡金属能与富电子的N、P、S等发生配位作用，由此发展的固定金属亲和色谱法被广泛用于组氨酸标记蛋白、磷酸化蛋白/磷酸化肽的分离纯化[14,15]。大量研究表明，这种金属配位作用具有高度选择性[14 - 16]。固定金属亲和色谱法现已广泛用于生物大分子的分离富集，但其对小分子的应用研究甚少。由于OPPs分子中含有磷酸基、胺基或硫代磷酸酯等基团，所以固定金属亲和吸附剂也能够与OPPs分子发生选择性配位作用[17 - 19]。本文以磁性多壁碳纳米管(Magnetic Multi-wall Carbon Nano-tubes,mMWCNTs)为基质，在其表面修饰亚氨基二乙酸(IDA)后，再鳌合Zr4+、Ti4+、Fe3+、Cu2+、Zn2+，研究了鳌合不同金属离子的金属亲和吸附剂对乙酰甲胺磷和乐果的吸附性能，筛选出对乙酰甲胺磷和乐果吸附量最大的金属亲和吸附剂；同时优化了吸附时间，洗脱时间和洗脱溶剂的种类和用量。实验结果表明，本文所建立的OPPs样品前处理方法操作简便、耗时短，有机溶剂用量远小于传统的液-液萃取法，因此，是一种绿色、环保、快捷的OPPs样品前处理技术。

1 实验部分

1.1 主要仪器及试剂

7890A气相色谱仪(美国，安捷伦科技有限公司)，配置FID检测器；H-7650透射电子显微镜(日本，Hitachi)；TENSOR 27傅立叶红外光谱仪(德国，布鲁克公司)；ESCALAB 250XI型X射线光电子能谱仪(美国，Thermo)。聚四氟乙烯内衬高压反应釜(天津市兰博实验仪器设备有限公司)。SB-5200DT型超声波清洗器(宁波新芝生物科技股份有限公司)。JJ-1型增压电动搅拌器(上海司乐有限公司)。

FeCl3、乙二醇、无水乙酸钠、CuSO4、乙酸锌、环氧氯丙烷、Zr(NO3)4·5H2O(分析纯，国药集团化学试剂有限公司)；丙酮、乙酸乙酯、二氯甲烷、乙腈(色谱纯，天津市科密欧化学试剂有限公司)；氨基化的MWCNTs(外径8～15 nm，长50 μm，南京先丰纳米材料科技有限公司)；96%Ti(SO4)2(分析纯，上海吉至生化科技有限公司)；乐果、乙酰甲胺磷(IDA，99%)(上海阿拉丁生化科技股份有限公司)。水为超纯水。

1.2 固定金属亲和吸附剂的制备

(1)mMWCNTs的制备。通过水热法制备mMWCNTs：1.4 g FeCl3溶解于75 mL乙二醇和3.6 mL水中，在超声条件下将0.4 g MWCNTs分散于上述溶液中，静置10 min后，再超声10 min；然后加入3.6 g乙酸钠，在室温下搅拌30 min；最后，将所得混合物转移到聚四氟乙烯反应釜中加热至200 ℃，反应16 h；反应结束后，冷却至室温，采用磁铁进行液-固分离，然后依次用水和醇交替洗涤产物3次，40 ℃下真空干燥6 h，即得mMWCNTs。(2)mMWCNTs表面修饰IDA。用HCl将50 mL 0.2 mol/L的Na2CO3溶液调节至pH=9后，向其中加入2.0 mL环氧氯丙烷，混合均匀；加入0.5 g制备好的mMWCNTs，超声分散，60 ℃搅拌反应12 h；所得产物用水和乙醇交替洗3次，再将上述所得产物分散于50 mL含1.2 mol/L Na2CO3和1.0 mol/L IDA的溶液中，超声分散后，60 ℃搅拌反应12 h，即得到IDA修饰的mMWCNTs(mMWCNTs@IDA)。(3)螯合金属离子。称取mMWCNTs@IDA 50 mg(5份)，分别分散于20 mL的0.1 mol/mL的FeCl3、乙酸锌、Zr(NO3)4、CuSO4和Ti(SO4)2水溶液，置于摇床中于25 ℃、150 r/min的条件下振荡反应12 h，得到5种鳌合不同金属离子的金属亲和吸附剂(mMWCNTs@IDA-M(M=Zr4+、Ti4+、Fe3+、Cu2+、Zn2+)。制备流程图见图1。

图1 mMWCNTs@IDA-M的合成示意图Fig.1 The preparation route of mMWCNTs@IDA-M

1.3 气相色谱条件

2 结果与讨论

2.1 mMWCNTs@IDA-M的表征

通过透射电镜(TEM)观察了吸附剂的形貌和尺寸。由图2A可知，Fe3O4磁性纳米粒子均匀地分散附着在线状的MWCNTs表面，外形呈球状，粒径约为200 nm。经过一系列反应键合IDA后，mMWCNTs的形貌完整，Fe3O4仍然紧密地附着在MWCNTs表面(图2B)，说明mMWCNTs的性质稳定，Fe3O4不会在反应过程中从MWCNTs表面脱落或者团聚。

图2 mMWCNTs(A)和mMWCNTs@IDA(B)的透射电镜(TEM)图Fig.2 TEM images of mMWCNTs (A) and mMWCNTs@IDA (B)

通过红外光谱进一步对吸附剂的化学组成进行了表征，如图3A。620 cm-1处为Fe-O-Fe的特征吸收峰，证明了Fe3O4的存在；1 650 cm-1处为N-H的伸缩振动峰，1 053 cm-1处为C-N的伸缩振动，2 920 cm-1处为C-H非对称伸缩振动，2 851 cm-1处为C-H的对称伸缩振动，1 462 cm-1处为C-H面内弯曲振动，证明了氨基化MWCNTs的存在。因此，mMWCNTs的制备是成功的。修饰IDA后，亚甲基吸收峰信号增强，C=O的吸收峰与N-H的吸收峰重叠，所以mMWCNTs@IDA未出现新的吸收峰。为了进一步验证材料的制备是否成功，我们又通过X射线光离子能谱(XPS)对合成的材料进行了表征，如图3B。由图可以明显观察到Fe 2p、Zn 2p、Cu 2p、Zr 3d和Ti 2p吸收峰，X射线光电子能谱表明成功制备mMWCNTs@IDA-M。

图3 (A) mMWCNTs和mMWCNTs@IDA傅里叶红外(FI-IF)光谱图；(B)mMWCNTs@IDA-Fe3+(a),mMWCNTs@IDA-Ti4+(b),mMWCNTs@IDA-Zr4+(c),mMWCNTs@IDA-Cu2+(d),mMWCNTs@IDA-Zn2+(e)的X射线光电子能谱。Fig.3 (A)FT-IR spectra of mMWCNT and mMWCNTs@IDA;(B) X-ray photoelectron spectroscopy mMWCNTs@IDA-Fe3+(a),mMWCNTs@IDA-Ti4+(b),mMWCNTs@IDA-Zr4+(c),mMWCNTs@IDA-Cu2+(d) and mMWCNTs@IDA-Zn2+(e).

2.2 mMWCNTs@IDA-M对OPPs吸附性能的研究

2.2.1 鳌合金属离子种类对吸附量的影响称取10.0 mg mMWCNTs@IDA-M，分散于2.0 mL浓度为200 ng/mL的乙酰甲胺磷和乐果的标准溶液中(平行3份)，置于摇床中于25 ℃、150 r/min的条件下振荡90 min,将被吸附后的标准溶液进行气相色谱分析，结果如图4。由图可知，金属离子种类对吸附量产生较大影响。同种金属离子对乐果的吸附量大于对乙酰甲胺磷的吸附量，改变金属离子种类，鳌合Ti4+的吸附剂对乐果的吸附量最大，这是MWCNTs和金属离子协同作用的结果。MWCNTs具有较强的疏水性，对中等极性的乐果产生较强的吸附能力；同时，Ti4+的空轨道数最多，对富电子基团的亲和性最强，二者的共同作用，使mMWCNTs@IDA-Ti4+对乐果的吸附量最大。

图4 金属离子种类对乙酰甲胺磷和乐果吸附量的影响Fig.4 Effect of metal ions on the adsorption amount of acephate and dimethoate

2.2.2 吸附时间的影响称取mMWCNTs@IDA-Ti4+10.0 mg，分散于2.0 mL浓度为200 ng/mL的乐果标准溶液中(平行3份)，置于摇床中于25 ℃、150 r/min的条件下振荡10、20、30、60、90 min，研究了吸附时间对乐果吸附量的影响，如图5A。当吸附时间由10 min 延长至60 min时，吸附量明显增大，60 min以后吸附量无明显提高。因此，mMWCNTs@IDA-Ti4+对乐果的吸附在60 min时可达到吸附平衡，具有较快的吸附动力学。

2.2.3 洗脱溶剂的选择称取mMWCNTs@IDA-Ti4+10.0 mg，分散于2.0 mL浓度为200 ng/mL的乐果标准溶液中，设定吸附时间为60 min，吸附完成后分离出mMWCNTs@IDA-Ti4+，用水洗清洗2次后，再分别加入2.0 mL丙酮、乙酸乙酯、二氯甲烷、乙腈(平行3份)为洗脱溶剂，设定洗脱时间为90 min，如图5B。结果显示，丙酮对乐果的洗脱效率最高。在此条件下，进一步考察了丙酮的用量对乐果质量回收率的影响，如图5C。当丙酮用量为0.5和1.0 mL时，回收率较低，增大丙酮体积至1.5 mL时，回收率达到最大值。因此，本实验选取1.5 mL丙酮作为乐果的洗脱溶剂。

2.2.4 洗脱时间的影响设定吸附时间为60 min，以丙酮为洗脱溶剂，当洗脱时间分别为10、20、30、60、90 min时，分析测定丙酮中乐果的峰面积，结果如图5D。当洗脱时间为30 min时，乐果的峰面积最大，说明此时丙酮中乐果的浓度最大。因此，最佳洗脱时间为30 min。

图5 (A)吸附时间对乐果吸附的影响；(B)有机溶剂种类对乐果解吸的影响；(C)有机溶剂用量对乐果回收率的影响；(D)洗脱时间对乐果解吸的影响Fig.5 (A) Effect of adsorption time on the adsorption of dimethoate；(B) Effect of organic solvent on the elution of dimethoate；(C)Effect of acetone volume on the recovery of dimethoate；(D)Effect of desorption time on the elution of dimethoate

2.3 重现性

为了考察材料合成的重现性，测定了5个不同批次吸附材料对乐果的吸附量，计算相对标准偏差为8.7%，说明材料合成的重现性良好。

3 结论

本文以磁性多壁碳纳米管为基质，成功制备了5种不同金属的亲和吸附剂。考察了螯合不同金属离子的吸附剂对乐果和乙酰甲胺磷吸附量的影响。由于碳纳米管和金属离子的协同作用，使螯合Ti4+的磁性多壁碳纳米管对乐果的吸附量最大。研究了吸附条件对乐果富集效果的影响，结果显示，最佳吸附时间为60 min，最佳洗脱溶剂为丙酮，用量为1.5 mL，洗脱时间为30 min。本研究建立的OPPs样品前处理方法，选择性好，操作简便，有机溶剂用量少，是一种绿色、环保、快捷的样品前处理技术。