基于金属有机骨架的磁固相萃取-高效液相色谱串联质谱法测定环境水样中的有机磷农药

刘丽文,李炳志,曹晓林,张景辉,张青松,李心怡,张资平,殷军港

(1.烟台大学生命科学学院,山东 烟台 264005;2.烟台大学计算机与控制工程学院,山东 烟台 264005)

有机磷农药(organophosphorus pesticides, OPPs)为国内使用量最大的农药(占农药总量50%以上)[1-3]。残留于环境中的有机磷农药或其代谢产物可通过食物链进入人体,破坏乙酰胆碱酶活性,导致中枢系统紊乱、器官衰竭等[4-5]。许多国家制定了有机磷农药的最大残留限量(0.02～10 mg/kg),甚至直接禁止部分高毒性有机磷农药的使用[6]。有机磷农药的常用分析检测方法包括固相萃取(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]结合气相色谱(GC)[16-17]、液相色谱(HPLC)[18-20]、气相色谱-串联质谱(GC-MS)[14,21]或液相色谱-串联质谱(HPLC-MS/MS)[22-23]。这些方法具有灵敏度高、重复性好等优点,但其前处理过程存在耗时长,有机试剂用量大或缺乏操作灵活性等不足。近年来,磁固相萃取(magnetic solid phase extraction, MSPE)依赖磁性纳米材料富集分离目标物,其作为一种新型的样品前处理技术,具有操作简单、耗费试剂少、萃取效率高等优点,在痕量污染物的富集检测中引起研究者的极大关注[24-26]。

金属有机骨架(metal-organic frameworks, MOFs)是无机金属离子或团簇与有机配体配位自组装形成的网络状多孔晶体材料,具有比表面积大、孔径可调、良好的热稳定和化学稳定等优点[27],已经被应用于磁固相萃取环境中的痕量污染物[28-32]。其中,TMU-6[33]、Zn/Co-MOFs[34]、UiO-67[35]及MIL-101[36]等已被报道用于富集环境水样中有机磷农药。然而,这些磁性MOFs的制备过程繁琐、费时长,需要严格的条件(高温或高压等)。

基于上述背景,为了简化磁性金属骨架的制备流程,获得适用于富集有机磷农药的磁性复合物,本实验首先采用基于静电相互作用(带负电荷的Fe3O4和正电荷的Zn2+)的原位聚合法制备Fe3O4/ZIF-8复合物,采用扫描电镜、傅里叶红外光谱以及磁强计进行表征,通过优化磁性复合物对有机磷农药的吸附和解吸条件,最终建立磁固相萃取-液相色谱串联质谱(MSPE-HPLC-MS/MS)测定环境水样中有机磷农药的分析方法,为痕量有机磷农药的富集检测提供重要借鉴。

1 实验部分

1.1 仪器、试剂与材料

JSM-6300扫描电子显微镜(SEM, 日本JEOL公司);LakeShore-7304振动样品磁强计(VSM, 美国LakeShore公司);Spectrum 100傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR, 美国PerkinElmer公司);ultraLC-100高效液相色谱仪(美国AB公司);API-4000串联四极杆质谱仪(美国AB公司);KQ-500DB数控超声波清洗机(昆山市超声仪器有限公司);Milli-Q超纯水系统(法国Millipore公司)。

丙线磷(Ethoprophos)、甲基对硫磷(Parathion-methyl)、苯线磷(Fenamiphos)、亚胺硫磷(Phosmet)、马拉硫磷(Malathion)、三唑磷(Triazophos)、2-甲基咪唑和甲酸(FA,98%)购于Sigma公司;六水合氯化铁(III)(FeCl3·6H2O)、四水合氯化亚铁(II)(FeCl2·4H2O)、氨水、六水合硝酸锌(Zn(NO3)2·6H2O)、乙醇和甲醇均购于国药控股化学试剂有限公司;乙腈(ACN)为色谱级,购自Merck公司;实验室用水为Milli-Q超纯水(电阻率为18.2 MΩ·cm)。

1.2 溶液配制与环境水样

准确称取一定量农药标准品,用乙腈溶解并配制成浓度为1000 mg·L-1的单一标准溶液,准确吸取一定体积的6种标准溶液,用乙腈定容配制混合标准溶液,均于4 ℃冰箱避光保存。

环境水样取自烟台市自来水、湖水、河水,所有水样过0.45 μm滤膜除去固体颗粒,于4 ℃棕色玻璃瓶中保存。

1.3 磁性金属有机骨架复合物的制备

1.3.1 Fe3O4的制备 采用化学共沉淀法制备Fe3O4纳米颗粒[37]。称取2.35 g FeCl3·6H2O和0.90 g FeCl2·4H2O分别溶于10 mL超纯水中,将其倒入含有80 mL超纯水的250 mL圆底烧瓶中,70 ℃水浴中剧烈搅拌后,再加入10 mL 25%氨水。将溶液80 ℃下剧烈搅拌30 min,冷却至室温。用乙醇洗涤Fe3O4纳米颗粒后,外加磁铁分离,最后置于80 ℃烘箱中干燥12 h,待用。

1.3.2 Fe3O4/ZIF-8的制备 根据已有的文献[36,38],采用改进的原位聚合法制备Fe3O4/ZIF-8复合物。步骤如下:首先,称取0.9 g Zn(NO3)2和1.95 g 2-甲基咪唑分别溶于30 mL甲醇。将50 mg Fe3O4纳米颗粒和Zn(NO3)2溶液加入250 mL圆底烧瓶中,50 ℃搅拌15 min;再加入2-甲基咪唑溶液,继续搅拌2 h。冷却至室温,用甲醇洗涤Fe3O4/ZIF-8复合物,借助磁铁分离(重复3次),最后于80 ℃干燥12 h。

1.4 磁固相萃取

准确称取20mg Fe3O4/ZIF-8复合物加入到50 mL样品溶液中,振荡吸附5 min后,进行磁分离,弃去上清液。将Fe3O4/ZIF-8复合物转移至新的5 mL离心管,3 mL 1% FA-20% ACN涡旋洗脱(每次1 mL,重复操作3次),合并洗脱液后过0.22 μm滤膜,HPLC-MS/MS分析。

1.5 液相色谱条件

色谱柱:Eclipse XDB-C18(3.5 μm, 2.1×150 mm,美国安捷伦公司),柱温:25 ℃。流动相:A相为0.1%FA-水溶液,B相为乙腈。梯度洗脱条件如下: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,进样量:10 μL。

1.6 质谱条件

碰撞气(Collision Gas,CAD):12 psi;气帘气(Curtain Gas,CUR):10 psi;雾化气(Ion Source Gas 1,GS 1):50 psi;辅助气(Ion Source Gas2,GS 2):50 psi;离子源温度(Temperature,TEM):500.0 ℃;喷雾电压(IonSpray Voltage,IS):5500 V。6种有机磷农药的质谱参数见表1。

表1 6种有机磷农药的质谱参数Tab.1 The parameters of mass spectrometer of six organophosphorus pesticides

2 结果与讨论

2.1 Fe3O4/ZIF-8的表征

图1 Fe3O4/ZIF-8的SEM图, FT-IR图和磁滞曲线Fig.1 SEM image, FT-IR image and hysteresis curve of Fe3O4/ZIF-8

2.2 磁固相萃取条件的优化

在磁固相萃取过程中,吸附和解吸条件对萃取效率至关重要。本实验主要优化吸附剂用量、萃取时间、pH、洗脱溶剂和样品体积,所有实验均用50 mL水样(含6种有机磷农药各500 ng·mL-1)。

2.2.1 吸附剂用量 吸附剂用量是影响萃取效率的重要参数之一。吸附剂过少导致目标物不能完全被吸附,过多会浪费材料。本实验分别比较5、10、15、20和25 mg吸附剂用量对萃取效率的影响。分别在50 mL水样中加入不同量的吸附剂,振荡吸附6 min后,进行磁分离,HPLC-MS/MS分析上清液。如图2所示,吸附剂用量为5至15 mg时,萃取效率随着吸附剂用量的增加而逐渐升高;当继续增加吸附剂用量,萃取效率基本保持不变。为了保证材料的最佳吸附利用率,20 mg作为最佳加入量。

图2 吸附剂用量对有机磷农药萃取效率的影响Fig.2 Effects of the amount of adsorbent on the extraction efficiency of organophosphorus pesticides

2.2.2 萃取时间 磁固相萃取是通过质量传递使溶液与萃取材料形成动态平衡的过程,充足的萃取时间是实现动态平衡的关键[41]。因此,实验分别考察不同萃取时间(1、3、5、7、9 min)对有机磷农药萃取效率的影响。分别准确称取20 mg磁性复合物加入到50 mL水样中,振荡吸附不同时间后,进行磁分离,HPLC-MS/MS分析上清液。结果表明(图3),当吸附时间从1 min增加到5 min时,有机磷农药的萃取效率呈逐渐上升趋势,5 min后达到平衡,说明动态平衡所需时间为5 min。因此,5 min作为最佳萃取时间。

图3 萃取时间对有机磷农药萃取效率的影响Fig.3 Effects of the adsorption time on the extraction efficiency of organophosphorus pesticides

2.2.3 pH值 样品溶液pH值不仅影响目标物的存在状态,也会影响吸附剂表面所带电荷种类[25]。为了获得最佳萃取效率,本实验采用甲酸或氨水溶液调节样品pH值,考察不同pH值(3、5、7、9、11)对有机磷农药萃取效率的影响。分别准确称取20 mg磁性复合物加入到50 mL水样中,振荡吸附5 min后,进行磁分离,弃去上清液。将磁性复合物转移至新的离心管,涡旋洗脱后过0.22 μm滤膜,进行分析测定。如图4所示,在酸性条件下,随着pH值增大,有机磷农药的萃取效率明显升高;当达到中性或碱性时,萃取效率较好且稳定。这表明Fe3O4/ZIF-8复合物与有机磷农药相互作用主要依赖于静电和π-π堆积相互作用(考虑到分子结构)。与此同时,考虑到实验操作的简便性,在后续的实验中将pH值设定为7。

图4 pH对有机磷农药萃取效率的影响Fig.4 Effects of the pH on the extraction efficiency of organophosphorus pesticides

2.2.4 洗脱溶剂 在MSPE过程中,恰当的洗脱溶剂不仅可以提高回收率,还可以保护磁性复合材料。分别考察1% FA-H2O、1% FA-20% ACN、1% FA-50% ACN、1% FA-80% ACN及1% FA-ACN对有机磷农药回收率的影响。水样中目标物经振荡吸附,磁分离后,将磁性复合物转移至新的5 mL离心管,不同试剂涡旋洗脱,过0.22 μm滤膜,HPLC-MS/MS分析。如图5所示,当1% FA-20% ACN作为洗脱剂时,6种目标物回收率最高(均大于83.7%),表明1% FA-20% ACN洗脱能力最强。进一步比较洗脱剂中不同甲酸浓度(0.1%、0.5%、1%、2%)对回收率的影响,如图6所示,随着甲酸浓度的增大,6种有机磷农药的回收率依次递增(例如:甲基对硫磷,66.9%～93.3%;三唑磷,64.5%～93.1%),但当甲酸浓度为2%时,回收率下降。因此,选择1% FA-20% ACN作为洗脱剂。

图5 洗脱剂种类对有机磷农药回收率的影响Fig.5 Effects of eluent types on the extraction efficiency of organophosphorus pesticides

图6 甲酸浓度对有机磷农药回收率的影响Fig.6 Effects of formic acid concentrations on extraction efficiency of organophosphorus pesticides

此外,实验还对洗脱剂体积(1～5 mL)进行了优化。如图7所示，随着洗脱剂体积从1 mL增加到3 mL,回收率呈递增趋势,并且进一步增大体积回收率没有明显变化。因此,本实验选取3 mL作为最优的解吸体积。综上述,3 mL 1% FA-20% ACN 被选取为最佳洗脱条件(即加入1 mL 1% FA-20% ACN 涡旋并重复操作3次)。

图7 洗脱体积对有机磷农药回收率的影响Fig.7 Effects of elution volumes on extraction efficiency of organophosphorus pesticides

2.2.5 样品体积 为了发挥磁性复合物最大萃取能力和获得高灵敏度分析方法,进一步考察不同样品体积(10、30、50、70、90 mL)对回收率的影响。分别准确称取20 mg复合物加入到不同体积溶液中,振荡吸附5 min后,进行磁分离,将复合物转移至新的5 mL离心管,3 mL 1% FA-20% ACN涡旋洗脱,过0.22 μm滤膜,HPLC-MS/MS分析。如图8所示,当样品体积不超过50 mL时,6种有机磷农药的萃取回收率较好(均大于86.1%);随着体积进一步增大,回收率下降明显(如马拉硫磷95%～50.2%，丙线磷86.1%～49.0%)。因此,选取50 mL水样作为萃取体积。

图8 样品体积对有机磷农药回收率的影响Fig.8 Effects of solution volume on the extraction efficiency of organophosphorus pesticides

2.3 方法学验证

在最优的MSPE条件下(20 mg Fe3O4/ZIF-8、50 mL水样、萃取时间5 min及1% FA-20% ACN为洗脱剂),考察了6种有机磷农药的线性范围,相关系数(R2),检测限(LODs,S/N=3)和定量限(LOQs,S/N=10)。结果表明,6种有机磷农药在1～200 ng·mL-1范围内与色谱峰面积呈良好的线性关系,R2均高于0.996 3。LODs和LOQs分别在0.08～1.2 ng·mL-1和0.25～3.5 ng·mL-1的范围内(表2)。这些参数证明了该方法线性范围好、灵敏度高。

表2 6种有机磷农药的线性范围、线性方程、相关系数、检出限、定量限Tab.2 Linear range,linear equation, correlation coefficient,detection limit,quantification limit of the six organophosphorus pesticides

2.4 实际环境水样分析

为了评价所建立的MSPE-HPLC-MS/MS方法在实际水样中的适用性,在最佳萃取和解吸条件下,将该方法用于检测实际样品中的有机磷农药。如表3所示,6种有机磷农药在自来水中均未检出;马拉硫磷(0.44 ng·mL-1)、亚胺硫磷(0.27 ng·mL-1)和丙线磷(0.25 ng·mL-1)在湖水中被检出;甲基对硫磷(1.31 ng·mL-1)和丙线磷(0.12 ng·mL-1)在河水中被检出。考虑到有机磷农药在不同基质中最大残留限量为0.01～8 mg·L-1[42-43],为了验证方法准确性,分别对自来水、湖水、河水添加三个浓度水平(10、20和50 ng·mL-1),结果表明6种有机磷农药的回收率为72.0%～99.6%,相对标准偏差为1.3%～6.9%。这些数据证明了基于Fe3O4/ZIF-8复合物所建立的磁固相萃取-高效液相色谱串联质谱分析环境水样中有机磷农药的方法具有操作简单、灵敏度高及费时短的优点,适用于分析环境水样中有机磷农药。

表3 有机磷农药在环境水中的回收率(n=5)Tab.3 Recovery of organophosphorus pesticides in environmental water(n=5)

3 结 论

通过简单的原位聚合法成功制备了Fe3O4/ZIF-8复合材料,用于磁固相萃取环境水样中有机磷农药,其表现出快速的富集能力(仅需5 min)。通过优化磁固相萃取的吸附和解吸条件,最终建立了简单易操作、萃取时间短、灵敏度高及重现性好的磁固相萃取-高效液相色谱串联质谱法,不仅为分析环境水样中有机磷农药提供可靠地方法,也为分析其他污染物提供重要的技术借鉴。