基于聚乙烯吡咯烷酮功能化磁性氧化石墨烯固相萃取鸡饲料中Cu（II）、Zn（II）、Cr（III）、Cd（II）和Pb（II）离子

邱素艳，俞熙仁，董一帆，魏益华，黄 琴，张大文*

（1.江西省农业科学院 农产品质量安全与标准研究所，江西 南昌 330200；2.江西省农产品质量安全重点实验室，江西 南昌 330200）

我国16.67%的耕地受到了重金属污染，重金属可经食物链转移到耕地的相关农作物中，如水稻、玉米、饲草等。这与近几年发现的饲料及其原料中重金属污染严重的现象相吻合。2012年，农业农村部对全国30 个省市的饲料重金属含量进行了调查，发现70%的饲料原料中As、Cr、Pb、Cd 等重金属元素含量超标。陈甫等［1］对山东省肉鸡饲料原料中的重金属污染情况进行了分析，发现原料中Cr 污染最为严重，且As、Cr、Pb、Cd 的检出率分别高达32.29%、100.00%、7.29%和12.50%。杨柳等［2］对172份鸡饲料原料中的重金属污染进行调查，同样发现Cr超标最为严重，其次为Pb，个别饲料出现As与Cd的超标。因此，对鸡饲料样品中重金属残留含量的快速检测至关重要。

样品快速前处理是实现大量样品中重金属残留含量快速检测的关键。目前实验室常用的样品前处理技术为以大量浓强酸进行消解［3-4］，其消解过程耗时、操作繁琐、对微波消解仪依赖大，同时大量浓强酸的腐蚀作用对操作人员、周边环境及物品都存在严重危害。因此，亟需开发操作简单、效率高、绿色环保、易于现场实施的重金属快速前处理技术。

目前，磁性固相萃取技术由于萃取能力强、选择性高、分离简单等特点而备受关注［5］，成为重金属现场快速前处理的理想手段之一［6］，其使用的磁性材料还具有可重复利用、成本低、不易对环境造成二次污染等特性。磁性氧化石墨烯作为一种新型吸附材料，在磁性固相萃取技术领域得到了广泛应用［7-12］。该材料不仅具有氧化石墨烯比表面积大、吸附效率高、化学稳定性好的特点，还具有磁性材料易分离、绿色环保、可重复利用等优势［13］。

本文将聚乙烯吡咯烷酮（Polyvinylpyrrolidone，PVP）修饰在Fe3O4包埋的氧化石墨烯表面，大大改善了未修饰的Fe3O4包埋氧化石墨烯的分散性和稳定性，增加了氧化石墨烯的表面官能团，如含氮和含氧基团，使之可提供更多的结合位点；并以其为磁性固相萃取剂，实现了重金属Cu（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）、Cr（Ⅲ）、Cd（Ⅱ）、Pb（Ⅱ）离子的同时快速萃取。该方法具有萃取效率高、萃取速度快，易分离除去、不易对环境造成二次污染，无需依赖实验室大型微波消解仪等特点，在饲料重金属离子现场快速前处理领域有着较大的应用潜力。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

JEOL JEM-2100 透射电子显微镜（TEM，日本JEOL 公司），傅里叶红外光谱仪（FT-IR，美国Thermo 公司），900T 火焰原子吸收光谱仪（FAAS）、NexION 2000 电感耦合等离子体-发射光谱仪（ICP-OES）均为美国PerkinElmer公司产品，Milli-Q 超纯水系统（美国Millipore 公司），磁力恒温搅拌器（德国IKA公司）。

石墨粉购自中国科学院成都有机化学所。聚乙烯吡咯烷酮、氨水、FeSO4·7H2O、FeCl3·6H2O、水合肼从国药集团化学试剂有限公司购买。除特别说明外，所用试剂均为分析纯。

1.2 实验方法

1.2.1 氧化石墨烯（Graphene oxide，GO）的制备

GO采用改进后的Hummers方法进行制备［14］，具体如下：取1 g石墨粉、1 g NaNO3、50 mL H2SO4在三颈瓶中混合，于冰浴中搅拌。随后分3 次缓慢加入6 g KMnO4，继续在冰浴中搅拌3 h 后，将上述溶液转移至35 ℃的水浴中搅拌1 h，并在搅拌状态下缓慢加入100 mL 超纯水，加热至98 ℃继续搅拌45 min。然后向混合溶液中缓慢加入200 mL超纯水和8 mL H2O2（30%），除去过多的MnO−4，此时溶液颜色由暗棕色变为黄色。最后，将混合溶液过滤，超纯水清洗3次后，冷冻干燥，置4 ℃备用。

1.2.2 聚乙烯吡咯烷酮功能化Fe3O4包埋氧化石墨烯（PVP/Fe3O4/GO）复合物的制备

将0.93 g FeCl3·6H2O 和0.48 g FeSO4·7H2O 溶解在125 mL 水溶液中，形成混合溶液；在氮气保护和搅拌条件下，慢慢加入0.1 g的GO，加热至80 ℃；其后迅速加入70 mL氨水，控制温度为85 ℃，继续加入氨水直至反应混合液pH 值为10.0；继续搅拌45 min，得到Fe3O4/GO 复合物；然后用1 mol/L 的HCl调至pH 7.0，继续加入0.25 g聚乙烯吡咯烷酮和1.5 mL水合肼的混合物，并持续搅拌4 h，得到的黑色产物分别经外置磁铁分离、乙醇/H2O清洗3次、干燥后，得到PVP/Fe3O4/GO复合物。

1.2.3 PVP/Fe3O4/GO复合物对Cu（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）、Cr（Ⅲ）、Cd（Ⅱ）、Pb（Ⅱ）离子的萃取

将0.2 mL重金属离子浓度小于或等于1 000 mg/L的Cu（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）、Cr（Ⅲ）、Cd（Ⅱ）、Pb（Ⅱ）溶液分别加入10 mL 的PVP/Fe3O4/GO 复合物（0.2 mg/mL）溶液中，室温下摇匀10 min 后经外置磁铁分离，弃去上层清液后，向吸附了Cu（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）、Cr（Ⅲ）、Cd（Ⅱ）、Pb（Ⅱ）离子的PVP/Fe3O4/GO复合物中加入2 mL 5%的硝酸溶液，超声解吸10 min，释放所吸附的重金属离子，经外置磁铁分离处理后，将PVP/Fe3O4/GO复合物用5 mL 5%的HNO3清洗1次。混合两次上清液并定容至10 mL进行FAAS检测。解吸重金属离子后的PVP/Fe3O4/GO 复合物再分别经乙醇/H2O 清洗3 次、干燥，得到的PVP/Fe3O4/GO 复合物循环使用。

1.2.4 鸡饲料中重金属离子的萃取

1.2.4.1 磁性固相萃取法将3 种鸡饲料粉碎，过40 目筛，各称取0.2 g，加入2.0 mL 浓HNO3，于加热炉上100 ℃加热30 min，以溶解出饲料样品中的重金属离子。过滤，并将滤液以NaOH调至pH 6.8左右，加入PVP/Fe3O4/GO 溶液（0.2 mg/mL），采用超纯水定容至35 mL，按照“1.2.3”步骤进行重金属离子萃取，通过FAAS检测其中Cu（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）、Cr（Ⅲ）、Cd（Ⅱ）、Pb（Ⅱ）的浓度。

1.2.4.2 微波消解法称取上述3 种鸡饲料样品各0.2 g 于聚四氟乙烯微波消解管中，加入5 mL 浓HNO3，于加热炉上100 ℃加热30 min 以溶解出饲料样品中的重金属离子，然后置于微波消解仪中按程序消解，具体程序如表1 所示。待冷却后，将微波消解管中的溶液倒入容量瓶中，分别以5 mL 5%的HNO3清洗微波消解管2 次，并将2 次的清洗液倒入容量瓶中，定容至25 mL，通过FAAS 检测其中的Cu（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）、Cr（Ⅲ）、Cd（Ⅱ）、Pb（Ⅱ），若浓度较低，则采用ICP-OES检测。

表1 微波消解仪的消解程序Table 1 Digestion program of microwave digestion system

2 结果与讨论

2.1 PVP/Fe3O4/GO复合物的表征

PVP/Fe3O4/GO 复合物的形态如图1A 所示，GO 呈褶皱的薄片结构，Fe3O4纳米颗粒覆盖在其表面。图1B显示，Fe3O4纳米颗粒的尺寸约为10 nm，且能明显看出其晶格纹路。上述结果表明Fe3O4纳米颗粒与GO成功结合。

GO 和PVP/Fe3O4/GO 复合物的红外光谱如图1C 所示。从图1C 曲线a 可知，1 730 cm-1和1 617 cm-1处分别归属于GO 上—COOH 基团和C===== C骨架的伸缩振动峰，表明GO 被成功制备。从图1C曲线b可以明显观察到1 384、1 280、580 cm-1处均出现了新的振动峰，其中1 384 cm-1和1 280 cm-1处分别为甲基的弯曲振动和C—N 键的伸缩振动，而这两个基团均来自PVP 分子［15］，说明PVP 成功结合在GO 表面。另外，580 cm-1处的峰由Fe—O键的伸缩振动引起，再次表明Fe3O4成功覆盖在GO表面。

图1 PVP/Fe3O4/GO复合物的透射电镜图（A）与放大透射电镜图（B），以及GO（a）与PVP/Fe3O4/GO复合物（b）的红外光谱图（C）Fig.1 TEM images of PVP/Fe3O4/GO composite at low magnification（A）and high magnification（B），FT-IR spectra（C）of GO（a）and PVP/Fe3O4/GO composite（b）

2.2 磁性固相萃取条件优化

由于萃取剂表面电荷、离子化程度均和溶液pH 值密切相关，因此pH 值是影响重金属离子萃取的重要因素之一。图2A揭示了Cu（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）、Cr（Ⅲ）、Cd（Ⅱ）、Pb（Ⅱ）离子在不同pH值条件下萃取回收率的变化。结果显示，除Pb（Ⅱ）外，Cu（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）、Cr（Ⅲ）、Cd（Ⅱ）离子的萃取回收率首先随着pH 值的上升逐渐增加，并在pH 6.8时达到最高，之后随着pH 值的继续上升，回收率迅速下降。其主要原因可能是，当溶液pH 值大于6.8 时，上述4 种金属离子可能与OH-发生反应，生成沉淀，并在采用磁铁分离时随着上层清液被弃去，难以被仪器完全检测到。而当溶液pH 值小于6.8时，溶液中的H+与Cu（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）、Cr（Ⅲ）、Cd（Ⅱ）离子成为竞争关系，同时争夺含氧基团或含氮基团，导致被萃取的重金属离子的量降低。而Pb（Ⅱ）离子的萃取行为与上述金属离子有所区别，其萃取回收率先随着pH值的增加逐渐增大，并在pH 5.0～6.8范围内相对稳定，说明Pb（Ⅱ）离子与PVP/Fe3O4/GO复合物的结合行为对pH 值具有较强的耐受力，当pH 值大于6.8 时，其萃取回收率迅速降低，与Christou 和Xie等的报道相似［16-17］。因此最终选择6.8作为后续实验的pH值。

PVP/Fe3O4/GO 复合物对上述5种重金属离子的回收率随萃取时间和解吸时间的变化如图2B和图2C所示。上述5 种重金属离子的萃取和解吸回收率均先随时间的增加而迅速增大，并在10 min 后趋于平衡，表明PVP/Fe3O4/GO复合物对Cu（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）、Cr（Ⅲ）、Cd（Ⅱ）、Pb（Ⅱ）离子的萃取和解吸作用都非常迅速，能在10 min内吸附和解吸完全。因此萃取时间和解吸时间均选择10 min。

图2 pH值（A）、萃取时间（B）和解吸时间（C）对萃取回收率的影响Fig.2 Effect of pH value（A），extraction time（B）and desorption time（C）on the extraction recovery

2.3 吸附动力学研究

吸附容量是决定重金属离子萃取效率和萃取剂用量的一个重要因素。不同的重金属离子因尺寸、水化度和结合常数的差异，吸附容量有所不同。由于PVP/Fe3O4/GO 复合物对重金属离子的吸附等温线（图3A）均为Langmuir 吸附模型，因此本文将达到吸附平衡时重金属离子的质量浓度（Ce，mg/L）作为横坐标，Ce/qe的比值作为纵坐标绘图（图3B）。采用计算每种重金属离子的最大吸附容量（表2），其中qe与Ce分别为吸附平衡时的吸附容量（mg/g）和质量浓度（mg/L），kL为Langmuir 吸附常数（L/mg），q为最大吸附容量（mg/g）。k与q均可从图3B的斜率和截距数据计算获得。

图3 PVP/Fe3O4/GO复合物对5种重金属离子的吸附等温线（A）和相应Langmuir等温线模型的拟合（B）Fig.3 Adsorption isotherm（A）and linearized Langmuir model（B）for five heavy metal ions adsorption by PVP/Fe3O4/GO composite

从表2可知，PVP/Fe3O4/GO 复合物对Cu（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）、Cr（Ⅲ）、Cd（Ⅱ）和Pb（Ⅱ）重金属离子的最大吸附容量分别为68.03、103.63、13.82、36.51、555.56 mg/g。Pb（Ⅱ）离子的吸附容量最大，可能是因为聚乙烯吡咯烷酮和氧化石墨烯为Pb（Ⅱ）离子提供了更多的结合位点［18］。

表2 PVP/Fe3O4/GO复合物对5种重金属离子的最大吸附量及相关参数Table 2 The maximum absorption capacity and relevant parameters for five heavy metal ions on PVP/Fe3O4/GO composite

2.4 磁性固相萃取方法分析性能

2.4.1 线性回归方程与检出限

实验发现，在最优条件下，Cu（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）、Cr（Ⅲ）和Cd（Ⅱ）的FAAS 吸光度随其浓度的变化趋势较为相似，即随着浓度的增加，吸光度逐渐增强，在高浓度时，增强较为缓慢。对于Pb（Ⅱ）离子，其吸光度与浓度呈线性增大趋势，即使在高浓度时，仍呈线性增加。这可能是因为PVP/Fe3O4/GO 复合物对Pb（Ⅱ）离子的萃取能力强，吸附容量大，导致其质量浓度为60 mg/L时，仍未达到饱和吸附。上述5种重金属离子的线性回归方程、相关系数、线性范围及检出限（3σ/S，其中σ为10次空白信号的标准偏差，S为标准曲线的斜率）如表3所示，其检出限分别为0.32、0.092、3.46、0.38、0.021 μg/L，线性相关系数r值均不小于0.983 3，其中Pb（Ⅱ）离子的线性范围最宽，为0.004～60 mg/L。

表3 5种重金属离子的线性回归方程、相关系数、线性范围及检出限Table 3 Linear regression equations，correlation coefficients（r），linear ranges and limits ofdetection（LODs）of five heavy metal ions

2.4.2 其它共存金属离子的影响

除上述5 种重金属离子外，饲料样品中含量较高的金属离子还有Na（Ⅰ）、K（Ⅰ）、Mg（Ⅱ）、Mn（Ⅱ）等，因此考察了这4种金属离子对本方法的影响。当Na（Ⅰ）、K（Ⅰ）、Mg（Ⅱ）和Mn（Ⅱ）的质量浓度分别为5、5、1、1 mg/L，Cu（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）、Cr（Ⅲ）、Cd（Ⅱ）、Pb（Ⅱ）的质量浓度均为1 mg/L 时，Cu（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）、Cr（Ⅲ）、Cd（Ⅱ）、Pb（Ⅱ）的萃取回收率为88.6%～110%。因此，上述金属离子的存在对5种重金属离子的萃取回收率无明显影响。这可能是因为PVP/Fe3O4/GO 复合物对Na（Ⅰ）、K（Ⅰ）、Mg（Ⅱ）、Mn（Ⅱ）离子的吸附作用较弱，吸附容量较低导致。

2.4.3 与文献的比较

本文所提出的磁性固相萃取技术可与近几年文献报道的非磁性萃取技术检出限相媲美，且萃取时间和解吸时间均比文献报道的短，萃取的重金属离子种类也多［19-22］。此外，本方法所用的磁性固相萃取剂经洗脱后可重复利用，降低了检测成本，且不易对环境造成二次污染。

2.5 实际饲料样品分析

以PVP/Fe3O4/GO 复合物为磁性固相萃取剂，对3种鸡饲料中的Cu（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）、Cr（Ⅲ）、Cd（Ⅱ）和Pb（Ⅱ）离子进行萃取。分别称取0.2、0.5、1 g 鸡饲料，加入少量硝酸进行预消解，发现上述重金属离子的回收率随着饲料质量的增加逐渐降低，当饲料为0.2 g 时，5 种离子的回收率最高（分别为86.0%、86.2%、83.9%、103%和98.0%）。其主要原因可能是饲料的用量越高，加入的强酸用量不足以完全解离出所含的重金属离子，导致萃取回收率较低。实验发现，PVP/Fe3O4/GO复合物对0.2 g不同鸡饲料样品中的上述重金属离子的萃取回收率为80.0%～120%，初步表明PVP/Fe3O4/GO 复合物作为磁性固相萃取剂能够应用于对鸡饲料中上述5种重金属离子的现场快速萃取。

表4显示，本方法与采用微波消解法萃取鸡饲料中Cu（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）、Cr（Ⅲ）、Cd（Ⅱ）、Pb（Ⅱ）离子的结果接近，相对误差为-18.73%～7.50%。表明将PVP/Fe3O4/GO 复合物作为饲料中重金属离子的现场快速固相萃取剂有着较高的潜在应用价值。

表4 实际鸡饲料样品中5种重金属离子的检测（n=3）Table 4 Determination of five heavy metal ions in real chicken feed samples（n=3）

3 结 论

本研究合成了一种PVP/Fe3O4/GO 复合物，PVP 不仅能显著改善未修饰的Fe3O4包埋氧化石墨烯的分散性和稳定性，而且增加了氧化石墨烯表面的官能团，使之可提供更多的结合位点。将PVP/Fe3O4/GO 复合物作为Cu（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）、Cr（Ⅲ）、Cd（Ⅱ）和Pb（Ⅱ）离子的磁性固相萃取剂，构建了一种检测鸡饲料中上述5 种重金属离子的磁性固相萃取/火焰原子吸收光谱法。所建方法的检出限为0.021～3.46 μg/L，与文献报道相近，其它共存金属离子如Na（Ⅰ）、K（Ⅰ）、Mg（Ⅱ）、Mn（Ⅱ）对测定无明显影响。该方法耗时短、易分离、萃取效率高、强酸用量小，且不易对环境造成二次污染，已成功应用于鸡饲料中上述5 种重金属离子的萃取。