新型磁性介孔复合材料在绿叶菜有机磷农药残留样品前处理中的应用

李蕊岑，王懂帅*，袁彩霞，冯玉升，洪霞，何海宁，马文娟，尤毅娜

1(甘肃中商食品质量检验检测有限公司，甘肃 兰州，730010)2(甘肃省商业科技研究所有限公司，甘肃 兰州，730010)

随着人们对自身健康的关注和安全意识的不断提高，食品安全的重要性引起了人们的高度重视，动物源性食品的安全问题尤其引人关注[1-2]。为了提高农作物及其产品的质量和产量，越来越多的农药产品投入了市场，据统计，目前市面上的农药产品多达1 400种[3]。农药的使用，虽然提高了农产品的品质和产量，但同时也给食品安全带来了隐患[4]。尤其是人们对农药的不合理使用，造成蔬菜、粮食、瓜果等农产品甚至土壤中的农药残留严重超标[5]，大多数农药都难以降解且存在富集性，长期以来不仅造成生物环境污染，还会直接或间接地危害人体健康，给食品安全问题和农作物生长带来了极为严重的后果[6]。因此，强化农药残留量快速检测方法和降解机理的研究，解决农药残留对生物环境及食品的污染问题具有非常重要的研究价值[7-8]。

绿叶菜虽然生长周期短，但病虫害却伴随其整个生长过程，如果人们过量、频繁、不合理地使用农药，造成其农药残留过多，长期食用会给人体健康带来严重伤害[9]。因此，开发一种快速、环保、准确检测绿叶菜农药残留量的方法是非常紧迫和重要的[10]。而样品基质复杂、农药类型较多，因此分析不同种类样品中的农药残留需要选择不同的检测方法[11-12]。在农药残留检测过程中样品前处理技术显得非常重要，随着检测技术的进步，农药残留检测样品前处理分析正向高效、快速、准确的方向发展，尤其对基质较为复杂的样品[13-14]。由于农药残留分析涉及的农药和基质种类繁多，需结合实际条件选用适当的样品前处理方法[15-16]。传统的样品前处理技术有液-液萃取法[17]、索氏提取法[18]、振荡提取法[19]等，这些操作存在的共同缺陷是操作繁琐、大量使用对环境有害的有机试剂、回收率低[20]。因此，开发省时、省力、经济、微型化和自动化的样品前处理技术是现代分析化学发展的重要方向[21]。

本试验以绿叶菜为基质，采用“简单、绿色、经济”手段利用功能性碳纳米材料(如碳纳米管、石墨烯、介孔碳)以及金属纳米粒子(如Fe3O4纳米粒子)，通过化学气相沉淀法和水热法制备出新颖的、结构可控的、具有特异性吸附性能和催化性能的磁性介孔纳米复合材料，作为一种净化剂应用于有机磷农药残留检测样品前处理中。实现样品的提取与净化于一体，消耗的溶剂少，操作简单，能够消除基质干扰且不需要昂贵的仪器。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 仪器与耗材

XS 225A-SCS电子天平，上海安谱科技有限公司；GENIUS3涡旋振荡仪，常州国华电器有限公司；CF16RXⅡ台式高速离心机，上海仪电科学仪器股份有限公司；SB-100B超声波清洗机，苏州安泰空气技术有限公司；7890/5975C气相色谱-质谱联用仪，岛津(上海)科技有限公司；Talos F200X高分辨率透射电子显微镜，荷兰 Philips-FEI 公司；XRD X-射线衍射仪，钛洛科学器材(上海)有限公司；VSM Lake Shore 7410振动样品磁强计，安泰科技股份有限公司。

1.1.2 试剂

SBA-15介孔碳(纯度：98.2%，外径：10～50 nm内径：5～10 nm长度：20～40 μm比表面积：>150 m2/g)，北京科创海光有限公司；N-丙基乙二胺(PSA，纯度：97%)，深圳市纳米港有限公司；十八烷基硅烷键合硅胶(C18，纯度：99.6%)，宁波新芝生物科技股份有限公司；丙酮(色谱纯，纯度：99.6%)，西安市永红化工原料公司；正己烷(色谱纯，纯度：99.6%)，深圳市时得佳科技有限公司；乙腈(色谱纯，纯度：99.8%)、十八烷胺(纯度：98.8%)，高碑店市隆年达商贸有限公司；二价铁盐(FeCl2·4H2O)、三价铁盐(FeCl3·6H2O)、NH3·H2O(纯度：99.6%)、高锰酸钾(纯度：99.1%)、乙醇(纯度：98.9%)，北京振翔科技有限公司；二次蒸馏水。

16种有机磷农药标准物质；毒死蜱、甲胺磷、水胺硫磷、三唑磷、丙溴磷、乐果、敌敌畏、氧乐果、丙溴磷、对硫磷、马拉硫磷、杀扑磷、乙酰甲胺磷、杀螟硫磷、伏杀硫磷、久效磷等有机磷农药标准品(纯度均>99%)，北京海岸鸿蒙标准物质技术有限责任公司。

1.2 实验方法

1.2.1 磁性Fe3O4纳米粒子的制备

采用化学共沉淀法制备。使用NH3·H2O作为沉淀剂，将一定量的二价铁盐(FeCl2·4H2O)和三价铁盐(FeCl3·6H2O)混合溶液加入到烧杯中，然后再将25%的NH3·H2O加入到烧杯中。剧烈搅拌，水浴恒温，混合液由橙红色逐渐变成黑色后，再继续搅拌55 min后停止反应，在外加磁场下分离，用蒸馏水反复洗涤直至pH为中性为止，移去上清液，70 ℃真空干燥18 h，研磨后即得到最终产物磁性Fe3O4纳米粒子(magnetic nanoparticles,MNPs)。

1.2.2 十八烷胺功能化介孔碳复合材料的合成

称取100 mg SBA-15介孔碳于250 mL圆底烧瓶中，加入100 mL乙醇超声30 min使其完全溶解，再加入400 mg十八烷胺，70 ℃下搅拌2 h，6 000 r/min离心8 min，蒸馏水洗涤2次，真空干燥，备用。

1.2.3 MNPs负载功能化介孔碳磁性碳纳米材料的合成

本研究合成MNPs负载功能化的介孔碳形成磁性介孔纳米复合材料。具体合成过程如下：将10 mL质量浓度为10 mg/mL磁性纳米粒子缓慢地加入功能化的介孔碳悬浮液里并不断地搅拌，接着在110 ℃油浴中搅拌8 h，最后，将磁铁放到烧瓶旁边收集黑色产物，黑色产物通过蒸馏水洗涤3次后在80 ℃真空下烘4 h即得到最终产物(MNPs/ODA-SBA-15)。合成示意如图1所示。

1.2.4 样品前处理

准确称取均质菠菜样品20 g于50 mL具塞离心管中，加入质量浓度为10 μg/mL毒死蜱标准储备液100 μL，加入25 mL乙腈溶液，振荡30 min，加入2～3 g NaCl摇匀，3 500 r/min离心5 min，取上清液10 mL于25 mL具塞离心管，加入40 mg磁性介孔纳米复合材料，涡旋5 min，萃取后，将磁铁置于离心管管壁处收集磁性吸附剂。然后加入10 mL乙腈溶液，解吸15 min，再加入1 g NaCl和4 g MgSO4，振荡1 min。10 000 r/min离心10 min，取上清液，过0.22 μm滤膜，即得到待测样品。

1.2.5 质谱条件

色谱柱型号：CP Sil 24 CB(30 m×0.25 mm，0.25 μm)；柱温150 ℃，可采取程序升温(2 min)→8 ℃/min→240 ℃(7 min)；汽化温度220 ℃；检测温度240 ℃；氮气流速5.0 mL/min；离子源温度280 ℃；进样方式：不分流进样；进样量1 μL。分别吸取混合标准液及样品净化液注入气相色谱仪中，记录色谱图，以保留时间定性，以样品和标准样品的峰面积比定量。

1.3 磁性碳纳米复合材料的表征

1.3.1 透射电子显微镜

本试验在200 kV加速电压下利用高分辨率透射电子显微镜观察介孔碳、磁性纳米粒子及磁性碳纳米复合材料的表面结构特征(图2)。MNPs粒径大约为10～20 nm，粒径分布均匀，无团聚现象(图2-a)。图2-b是介孔碳在N,N-二甲基乙酰胺分散液中的透射电镜图，图2-c是磁性介孔复合材料的透射电镜图，磁性介孔复合材料分散液经多次振荡后测定，溶液中没有游离的磁性纳米粒子，纳米颗粒表现出良好的稳定性。

a-磁性纳米粒子；b-介孔碳；c-磁性介孔复合材料图2 磁性纳米粒子、介孔碳和磁性介孔复合材料的 透射电镜图谱Fig.2 The typical TEM images of the MNPs, the mesoporous carbon, and the MNPs/ODA-SBA-15 nanocomposite

1.3.2 X-射线衍射

本试验利用X-射线衍射仪测定了磁性纳米粒子的晶体结构。从图3可知，MNPs/ODA-SBA-15复合材料的衍射图谱与晶态磁铁矿(Fe3O4)的标准衍射图谱非常接近[22]。在2θ=30.10°、35.34°、43.32°、53.51°、57.19°和63.18°处出现磁性纳米粒子的4个衍射峰，对应的晶体指数分别为(220)、(311)、(400)、(422)、(511)和(440)。

图3 磁性碳纳米复合材料的X-射线衍射图谱Fig.3 The X-ray diffraction pattern of the MNPs/ODA-SBA-15 nanocomposite

1.3.3 氮气吸附-脱附

通过图4所示的氮气吸附-脱附试验，进一步探讨了MNPs/ODA-SBA-15纳米复合材料的多孔性能。该吸附-脱附等温线是在较低的相对压力(P/P0>0.9)下进行的，说明该磁性碳纳米复合材料是一种典型Ⅰ吸附行为[23]。

图4 磁性复合材料氮气吸附-脱附图谱Fig.4 Nitrogen adsorption-desorption isotherms of the porous MNPs/ODA-SBA-15 nanocomposite

1.3.4 磁强计

本试验在室温下测定了MNPs/ODA-SBA-15的磁性性能，振动样品磁强计曲线如图5所示。MNPs/ODA-SBA-15的最大比饱和磁化强度可达2.75 emu/g。测试结果表明，所制备的MNPs/ODA-SBA-15具有超顺磁性，这是由于MNPs/ODA-SBA-15中的元素Fe和微量Fe3O4均在纳米尺度上，超顺磁性与颗粒尺寸密切相关，当纳米颗粒尺寸小于超顺磁性极限尺寸时，颗粒表现出超顺磁性[24]。

图5 磁性纳米复合材料振动样品磁强计曲线Fig.5 Vibrating sample magnetometer curve of the MNPs/ODA-SBA-15 nanocomposite

2 结果与分析

2.1 pH值对吸附性能的影响

样品溶液的pH值对分析物的吸附起着重要的作用，pH值不仅影响分析物的存在形式，还影响其在吸附剂表面的电荷和密度。本试验使用1 mol/L盐酸或1 mol/L NaOH溶液调节样品溶液pH值，在pH 2～12的范围内优化样品溶液，选用响应较好的毒死蜱作为加标试验。结果如图6所示，在pH 6.0～7.5时获得最大回收率。因此，将样品溶液的pH值调整为6.0～7.5作为最佳条件。

图6 pH值对吸附性能的影响Fig.6 Effect of pH on the adsorption property

2.2 盐度对吸附性能的影响

通过在均质样品中添加不同质量浓度的NaCl(0,5,10,30,100,200和250 g/L)，研究了盐度对菠菜样品中毒死蜱提取回收率的影响，在优化的实验条件下，对每个水平进行了3次重复提取和测定。试验结果表明，加入NaCl可以加强水相和有机相分层，但对分析物的萃取回收率的影响可以忽略不计，数据结果如表1所示。

2.3 萃取时间对吸附性能的影响

准确量取100 mL样品5份于250 mL三角瓶中，编号依次为1、2、3、4、5号，分别加入质量浓度为10 μg/mL的毒死蜱标准储备液200 μL混匀，再加入40 mg磁性介孔复合材料，5份样品依次振荡1、2、5、10、15 min，在外加磁场作用下分离，弃去上清液，固体物质分别用5 mL乙腈洗脱，收集洗脱液，过0.22 μm滤膜后进样测定。如图7所示，当振荡时间为5 min时回收率达到最大值，当振荡时间再增加时，回收率不变，这说明毒死蜱在磁性介孔复合物表面吸附已达到饱和状态，因此，本试验选5 min为最佳萃取时间。

表1 盐度对吸附性能的影响Table 1 Effect of sample salinity on the adsorption property

图7 萃取时间对吸附性能的影响Fig.7 Effect of extraction time on adsorption property

2.4 十六种有机磷农药线性关系和回收率研究

配制标准溶液质量浓度系列0.02、0.05、0.07、0.10、0.15、0.25 μg/mL建立标准曲线，在优化的实验条件下，对每个水平进行6次重复测定，数据结果如表2所示，在0.02～0.25 μg/mL具有很好线性关系，检出限为0.01～0.08 μg/mL，相关系数为0.994 3～0.999 7。这是由于该磁性介孔复合材料具有大的吸附容量和大比表面积，通过涡旋使得磁性介孔复合材料与样液充分接触，以达到较好的净化效果。绿叶菜中有机磷农药残留含量较低，因此，本试验通过加标试验研究其回收率和精密度。样品的添加量分别为0.02、0.05、0.10 mg/kg，每个添加水平的样品测定6次取其平均值，菠菜样品前处理按1.2.4方法进行。先测定样品中毒死蜱的本底含量，再分别测定加标样品中毒死蜱的含量，扣除空白值后，计算平均加标回收率。由表2可见，平均加标回收率为81.3%～94.0%，相对标准偏差(relative standard deviation, RSD)<10%(n=3)。

表2 十六种有机磷农药线性关系和回收率Table 2 Linear relationship and recoveries of 16 organophosphorus pesticide residues

3 结论与讨论

本试验通过共沉淀法、简单水热法成功合成磁性Fe3O4纳米粒子负载十八烷胺功能化介孔碳复合材料，基于QuEChERS技术联合气相色谱-质谱联用仪建立了一种同时测定绿叶菜中16种有机磷农药残留量检测样品前处理方法，该方法省去了过滤和离心等复杂的操作步骤，提高净化效率，缩短前处理的时间。实验结果表明，与传统的净化剂相比，该磁性介孔材料能够很好地消除基质干扰，提高检测效率，操作简单。绿叶菜基质中16种有机磷农药残留量在0.02～0.25 μg/mL具有良好的线性关系，相关系数(R2)在0.994 3～0.999 7，在0.02、0.05、0.10 mg/kg添加水平下，绿叶菜基质中16种有机磷农药平均加标回收率在81.3%～94.0%，相对标准偏差<10%，检出限为0.01～0.08 μg/mL。将本方法应用于实际绿叶菜样品的检测，结果显示所有绿叶菜样品均符合农药最大残留限量标准。本方法具有灵敏度高、通用性强、准确度高、稳定性好、经济环保等优点，适用于其他蔬菜及水果中农药残留量检测样品前处理中。