Fe3O4/g-C3N4磁性固相萃取湖水中的3种苯甲酰脲杀虫剂

赵腾雯， 金 阳， 李佳琦， 吴 晗， 李子凌， 王曼曼*

(华北理工大学公共卫生学院，河北唐山 063210)

苯甲酰脲杀虫剂(Benzoylurea Insecticides，BUs)属于几丁质合成抑制剂，即通过抑制昆虫体内几丁质的生物合成而使昆虫致死，已被广泛用于粮食、蔬菜和水果等农作物的病虫害防治[1]。然而，该类杀虫剂的广泛应用容易造成农田土壤及灌溉水污染，并随着迁移作用引起环境水体的污染，影响人体健康和生态环境[2]。美国环境保护署已将除虫脲和氟虫脲等BUs归类为Ⅲ级或Ⅳ级中等毒性物质[3]。因此，建立行之有效的环境水体中BUs的检测方法，有利于该类农药的合理使用，同时为环境水污染风险评价提供科学依据。

BUs的分析通常以色谱法为主，而BUs样品前处理方法包括固相萃取[4]、分散液液微萃取[5]和固相微萃取[6]等方法。磁性固相萃取(Magnetic Solid Phase Extraction，MSPE)是一种以磁性或可磁化材料作为吸附剂的分散固相萃取技术。与传统固相萃取技术相比，MSPE无需离心、过滤等操作，仅通过外部磁场作用即可实现吸附剂与样品溶液的快速分离，简便快速；吸附剂直接分散在样品基质中，萃取效率高[7,8]。因此，MSPE成为当前的研究热点领域。

氮化碳(g-C3N4)是一种仅由C和N元素组成的二维纳米材料。其结构中富氮官能团和电子离域特性使之能够与一些离子或分子产生络合、疏水、π-π、氢键和静电力等相互作用；同时化学和热稳定性良好，因此可以作为一种理想的吸附分离材料[9,10]。Nedaei等[11]将g-C3N4作为分散固相萃取吸附剂，结合高效液相色谱-紫外检测，建立了土壤中污染物硝基甲苯的分析方法，检出限为0.12～0.33 μg/g，回收率为78.0%～96.0%。Zheng等[12]使用物理研磨法制备Fe3O4/g-C3N4，并以该材料磁性固相萃取，结合气相色谱-质谱法，对食用油中的多环芳烃进行分析测定，回收率为91.0%～124%。本课题组[13]以溶剂热法制备Fe3O4/g-C3N4，并用于人尿液中3种羟基多环芳烃前处理，使用4 mg吸附剂3 min即可完成吸附，富集倍数20倍。本研究通过溶剂热法构筑Fe3O4/g-C3N4吸附剂，采用该材料磁性固相萃取，结合高效液相色谱-可变波长紫外检测，建立一种高效、经济的湖水中氟铃脲、虱螨脲和氟啶脲3种BUs分析新方法。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

Agilent 1200高效液相色谱-可变波长紫外检测器(HPLC-VWD)(美国，Agilent公司)。

氟铃脲(HEXA，纯度≥98%)、虱螨脲(LUFE，纯度≥98%)和氟啶脲(CHLO，纯度≥99%)均购自国家标准物质中心，使用甲醇配制成质量浓度均为500 μg/mL的标准储备溶液，于4 ℃下避光保存。使用甲醇稀释上述标准储备溶液，配制成质量浓度为100 μg/mL的标准工作溶液。尿素、乙二醇、FeCl3·6H2O、NaOH、HCl和NaCl购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；NaAc·3H2O、无水乙醇、乙酸乙酯和丙酮购自天津市申泰化学试剂有限公司；色谱纯甲醇和乙腈均购自美国赛默飞世尔科技有限公司。超纯水购自杭州娃哈哈集团有限公司。

1.2 磁性g-C3N4的制备

g-C3N4的合成参考Dong等[14]的方法。将10.0000 g尿素置于箱式电阻炉中，以15 ℃/min的速率从25 ℃升温至550 ℃，保持4 h，待自然冷却至室温后，得到g-C3N4。参照Nian等[13]的方法制备Fe3O4/g-C3N4。将1.0800 g g-C3N4超声2 h，使其均匀分散于80 mL乙二醇中，加入1.0800 g FeCl3·6H2O和 2.8000 g NaAc·3H2O，室温剧烈搅拌30 min，将所得混合溶液转移至100 mL聚四氟乙烯反应釜中，于200 ℃反应12 h，收集反应产物，使用超纯水和无水乙醇反复洗涤后，60 ℃真空干燥4 h，即得到Fe3O4/g-C3N4，备用。

1.3 样品采集

湖水样品采集自河北省唐山市曹妃甸区青龙湖，水样经0.45 μm滤膜过滤，使用0.1 mol/L NaOH溶液或0.1 mol/L HCl调节pH至7.0，于4 ℃下储存备用。

1.4 磁性固相萃取流程

将25.0 mg Fe3O4/g-C3N4加入至30 mL湖水样品中，涡旋振荡30 min，利用磁铁将吸附剂与溶液分离，弃去上清液。使用1 mL甲醇洗脱，重复3次，合并洗脱液，氮吹浓缩至干。残渣使用200 μL甲醇复溶后，进行高效液相色谱-可变波长紫外检测。

1.5 高效液相色谱分离条件

色谱柱：Agilent EC-C18柱(150 mm×4.6 mm，4 μm，美国Agilent公司)；流动相：甲醇-水(80∶20，V/V)；流速:1 mL/min；进样量：20 μL；检测波长：260 nm；柱温：25 ℃。

2 结果与讨论

2.1 磁性固相萃取条件的优化

溶液pH影响BUs的存在形式和吸附剂的表面活性位点[15]，通常湖水的pH为6.0～8.5，因此实验考察pH=5.0～9.0对3种目标物回收率的影响。结果如图1A所示，当溶液pH为7.0时，3种目标物的回收率最优，为84.4%～108%。因此，实验选择溶液pH为7.0。离子强度影响BUs在样品溶液中的溶解度，实验固定溶液pH为7.0，考察离子强度(0、20、40、60和80 mmol/L NaCl)对3种目标物回收率的影响。由图1B结果可知，NaCl溶液浓度在0～80 mmol/L范围内，3种BUs的回收率均无显著变化，回收率的相对标准偏差(RSD)≤10.9%。吸附剂用量决定了方法的萃取效率和成本。实验固定吸附时间30 min，考察吸附剂用量15、20、25和30 mg对3种目标物回收率的影响。图1C表明，当吸附剂用量从15 mg增加至20 mg时，CHLO和LUFE的回收率达到最大，HEXA的回收率逐渐增加；吸附剂用量继续增加至25 mg时，CHLO和LUFE的回收率不再变化，HEXA的回收率达到最大值；进一步增加至30 mg时，3种目标物的回收率均无明显变化。因此，实验确定Fe3O4/g-C3N4用量为25 mg。固定吸附剂用量25 mg，考察了吸附时间10、20、30和40 min对3种目标物回收率的影响。由图1D结果可知，当吸附时间从10 min增加到20 min时，3种目标物的回收率增加；当吸附时间提高至30 min时，3种目标物的回收率达到84.4%～108%，继续增加至40 min时，回收率无明显改变。因此，实验选择30 min作为最佳吸附时间。

在最优上样条件下，固定洗脱体积3 mL(1 mL×3次)，实验考察了乙腈(ACN)、乙酸乙酯、丙酮和甲醇(MeOH)作为洗脱溶剂对3种BUs回收率的影响。如图1E所示，甲醇作为洗脱溶剂时，3种BUs的回收率最佳，为84.4%～108%，RSD≤5.8%。同时实验考察了洗脱溶剂体积(单次洗脱体积×洗脱次数)对3种BUs回收率的影响，见图1F，1 mL×3次时最佳。故实验最佳洗脱条件为1 mL×3次的甲醇。

图1 pH(A)、离子强度(B)、吸附剂用量(C)、吸附时间(D)、洗脱溶剂种类(E)和洗脱溶剂体积(F)(单次洗脱体积×洗脱次数)对3种BUs的回收率的影响(n=3)

2.2 方法验证

2.2.1 线性范围、检出限和定量限在最优条件下，对质量浓度为0.20～500 ng/mL的3种BUs标准溶液进行分析，以目标物浓度(x，ng/mL)为横坐标，对应色谱峰面积(y)为纵坐标，绘制标准曲线。由表1结果可知，HEXA和LUFE在0.50～500 ng/mL、CHLO在0.20～200 ng/mL范围内线性关系良好，相关系数(r)为0.9997～0.9999。以信噪比(S/N)为3和10分别计算方法的检出限(LOD)和定量限(LOQ)，LOD为0.05～0.15 ng/mL，LOQ为0.20～0.50 ng/mL，表明方法灵敏度良好。

表1 方法的线性方程、线性范围、相关系数、检出限和定量限

2.2.2 回收率与相对标准偏差对同一空白湖水样品分别进行低、中、高3个水平的加标回收实验，经本方法MSPE后，计算加标回收率，以日内和日间(n=3)重复测定得到的峰面积的相对标准偏差(RSD)计算方法的精密度。根据表2结果可知，本方法对3种BUs的加标回收率为74.6%～102%，日内和日间精密度分别为1.9%～5.3%和2.2%～9.0%，表明本方法准确度和重现性良好。

表2 方法的回收率和相对标准偏差

2.3 富集效果

为了评价Fe3O4/g-C3N4对湖水中3种目标物的富集效果。在最优条件下，结合高效液相色谱-可变波长紫外检测，将加标湖水样品(HEXA和LUFE加标5 ng/mL，CHLO加标2 ng/mL)经本方法富集前后分别进样分析。与BUs标准溶液色谱图(图2A)相比，当加标湖水样品直接进样分析时，如图2B所示，目标物无检出且杂质峰明显。经过本方法处理后(图2C)，3种目标物均成功检出，有效富集达112～153倍，且杂质峰信号降低。以上结果表明，Fe3O4/g-C3N4能够有效富集湖水中的3种BUs。

图2 BUs标准溶液(300 ng/mL)(A)、加标湖水样品直接进样(B)和经本方法前处理后(C)的色谱图

2.4 使用次数

吸附剂的使用次数决定了前处理方法的成本。根据Fe3O4/g-C3N4重复萃取湖水中3种BUs的结果可知，Fe3O4/g-C3N4重复吸附-洗脱10次，目标物回收率的RSD≤9.8%(图3)，表明Fe3O4/g-C3N4的重复使用性良好。

图3 使用次数对3种BUs的回收率的影响(n=3)

2.5 实际样品分析

将该方法用于分析10例湖水样品中BUs。由结果可知，10份湖水样品中均未检出3种目标BUs。对10例湖水样品进行加标回收实验(HEXA和LUFE加标1 ng/mL，CHLO加标0.4 ng/mL)，回收率为78.7%±8.0%～102%±6.9%。表明该方法准确度良好，可用于实际样品分析。

2.6 与文献方法对比

为了进一步突出本方法的优势，将其与文献报道方法[16 - 19]进行比较。由表3可知，本方法的灵敏度相当或优于文献方法，且结果准确、可靠。当上样体积为30 mL时，仅需使用25 mg Fe3O4/g-C3N4即可对3种BUs有效富集达112～153倍。此外，该吸附剂可至少重复使用10次，节约了分析成本。

表3 本方法与其他方法对环境水中BUs分析结果的对比

3 结论

本研究将Fe3O4/g-C3N4磁性固相萃取，结合高效液相色谱-可变波长紫外检测，分离分析湖水中3种BUs。本方法具有良好的准确度和精密度，能够简便、高效富集湖水中的3种BUs。当上样体积为30 mL时，对3种BUs有效富集达112～153倍。此外，Fe3O4/g-C3N4具有良好的重复使用性，降低了样品前处理成本。