介孔碳固相分散蔬菜中农药残留的前处理方法

王懂帅，王宗梅，袁彩霞，洪霞，尤毅娜，何海宁

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

农药被广泛应用于工农业领域，因其持久性、毒性和积累特性对环境和人体健康造成潜在威胁而受到广泛关注[1-5]。农药残留及其降解产物广泛存在于人类活动的各种环境中，如空气、工业废水、土壤、水生生物和食品中[6-8]。研究表明，色谱法是一种高效的检测农药残留的方法[9-11]。然而，考虑到农药残留样品基质复杂性，一种新型的前处理方法，高效、灵敏的提取技术和高选择性吸附剂成为研究热点[12-15]。近年来，固相微萃取（μ-SPE）技术在复杂样品的前处理中发挥着越来越重要作用[16-18]。

介孔碳因其独特的性能，如比表面积大、孔结构大、稳定性高，是一种很有前途的吸附和分离材料[19-22]。孙何等[23]研究有序介孔碳对罗丹明B的吸附行为，将介孔碳的应用从有机小分子扩展到广泛的分析物。然而，介孔碳复合材料在分析食品中痕量农药残留方面的应用仍少有报道[24-27]。

试验报道一种十八烷胺功能化介孔碳作为高效μ-SPE技术的研究，介孔碳复合材料并联用气相色谱-质谱联用仪对蔬菜中9种有机磷农药的痕量残留进行分析研究。建立了一种简便、灵敏、快速、低成本、有效的快速检测蔬菜及水果中农药残留样品前处理方法。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 主要仪器设备

BSA124S-CW电子天平（济南欧威腾生物科技有限公司）；VORTEX3涡旋振荡器（上海达姆实业有限公司）；Allegra X-30高速离心机[贝克曼库尔特国际贸易（上海）有限公司]；JC-QXS-1.3L超声波清洗机（青岛聚创世纪环保有限公司）；GCMS-QP2020 NX气相色谱-质谱联用仪[岛津（广东）晟泽科技有限公司]；TEM，Talos F200X高分辨率透射电子显微镜（荷兰Philips-FEI 公司）；XRD，DMAX-RB X-射线衍射仪[钛洛科学器材（上海）有限公司]；VSM，YP077-VSM-130振动样品磁强计（北京海富达科技有限公司）。

1.1.2 主要材料与试剂

介孔碳（纯度98.2%，XFP02，南京先丰纳米科技有限公司），N-丙基乙二胺（PSA，CAS号11861-26-8，湖北玖丰隆化工有限公司），十八烷基硅烷键合硅胶（PA28240，广东翁江化学试剂有限公司），十八烷胺（ODA，纯度99.6%，郑州淇临化工产品有限公司）。丙酮（纯度98.8%，北京科展生物科技有限公司），正己烷（纯度99.8%，天津益仁达化工有限公司），乙腈（纯度99.8%，天津益仁达化工有限公司），均为色谱纯；标准品敌敌畏、甲胺磷、杀螟硫磷、氧乐果、毒死蜱、对硫磷、马拉硫磷、水胺硫磷、三唑磷等9种农药（均为10 mg/L标准液，购自国家农产品安全环境因素控制重点实验室，标准品纯度均在99.6%以上）。

1.1.3 仪器参数

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5.0 mL/min；离子源温度280 ℃；进样方式采用不分流进样；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。

1.2 试验方法

1.2.1 介孔碳SBA-15的制备

根据已有报道[28-29]，以pluronic P123为表面活性剂，四乙氧基硅烷为硅源，制备SBA-15模板。煅烧后的SBA-15用含硫酸的蔗糖水溶液浸渍。将混合物在100 ℃烘箱中放置6 h，在160 ℃烘箱中放置6 h，类似的过程被重复。所得深棕色粉末在氮气流中800 ℃碳化4 h，用1 mol/L NaOH（溶解于水和乙醇，V水∶V乙醇=1∶1）蚀刻去除二氧化硅模板。

1.2.2 十八烷胺功能化介孔碳复合材料的制备

十八烷胺功能化介孔碳复合材料的制备具体过程参考文献[30]。准确称取50 mg上述制备的介孔碳于200 mL圆底烧瓶中，加入50 mL色谱乙醇，超声30 min使其完全溶解，加入400 mg十八烷胺，70 ℃下搅拌2 h，按6 000 r/min离心8 min，蒸馏水洗涤2次，真空干燥，备用。

1.2.3 样品提取过程

样品提取方法参照GB 23200.8—2016《食品安全国家标准 水果和蔬菜中500种农药及相关化学品残留量的测定 气相色谱-质谱法》[31]。准确称取20.00 g均质黄瓜样品于50 mL具塞离心管中，加入100 μL质量浓度为10.0 μg/mL敌敌畏标准储备液，加入25 mL乙腈溶液，振荡30 min，加入2～3 g氯化钠摇匀，在3 500 r/min转速下离心5 min，取10 mL上清液于25 mL具塞离心管备用。

1.2.4 固相微萃取过程

典型的优化μ-SPE萃取方法：将μ-SPE萃取装置浸泡在装有10 mL样品的玻璃瓶中（每种样品的加标浓度为0.25 μg/mL），在环境温度下以1 000 r/min的转速磁化搅拌一段时间。萃取后，去除μ-SPE装置，用超纯水洗涤2次，用无绒纸巾擦干。将装置置于100 μL的洗脱溶剂中，对提取液进行解吸。在规定的时间内用超声辅助解吸过程。每次解吸后，用200 μL的洗脱溶剂对所使用的装置进行清洗，以确保没有残留的分析物。提取液（约1 μL）直接注入GC-MS系统分析。介孔碳纳米复合材料的形成机理见图1。

图1 介孔碳纳米复合材料的形成机理

1.3 复合材料结构表征

1.3.1 复合材料表面结构表征

介孔碳及功能化纳米复合材料的表面结构特征在200 kV加速电压下利用高分辨率透射电子显微镜（TEM）观察。如图2所示，片状物和纳米片表明介孔碳结构，碳材料外表面的白色薄膜可以识别为图2（a）所示的模板苯胺，图2（b）中没有看到任何白色薄膜，说明十八烷胺成功地修饰在介孔碳表面，极大地提高介孔碳溶解性和分散性。

图2 功能化介孔碳（a）及未功能化介孔碳（b）

1.3.2 X射线衍射分析

试验利用X射线衍射仪（XRD）分析介孔碳晶体结构，结果如图3所示。在小角度下峰的相对强度差异可能是由于中孔碳重复使用20次后，残留的分析物或溶剂分子占据晶体结构的孔隙。与原介孔碳相比，XRD谱图中峰位的一致性证实晶体结构的保留[32]。

图3 介孔碳复合材料的X射线衍射图谱

1.3.3 氮气吸附-脱附

通过氮气吸附-解吸热法进一步了解介孔碳的吸附性能，如图4（a）所示。介孔碳纳米复合材料的N2吸附等温线在较低的相对压力（P/P0＞0.9）下迅速上升，表现为Ⅰ型吸附行为。根据国际理论与应用化学联盟（IUPAC），孔隙宽度在20～50 nm之间的材料被归类为介孔材料[19]。从孔径大小分布图计算得到的介孔碳复合材料孔径分布如图4b所示。

图4 介孔碳复合材料氮气吸附-脱附图谱

2 结果与讨论

2.1 萃取时间对吸附性能影响

选取不同基质样品卷心菜、苹果、菠菜、桔子为分析物，分别称取一定量该样品于200 mL三角瓶，编号依次为A、B、C、D，依次加入2.00 μg稳定性较好的敌敌畏标准储备液，混匀，按1.2.3和1.2.4方法操作处理，收集洗脱液，过0.22 μm滤膜后进样测定，结果如图5所示，萃取时间10 min时回收率达到最大值，回收率不变，说明敌敌畏在介孔复合材料表面吸附已达饱和状态，因此，试验选取10 min为最佳萃取时间。

图5 功能化介孔碳对卷心菜、苹果、菠菜、桔子中农药残留的萃取时间

2.2 pH对吸附性能的影响

试验以白菜、梨、橘子为代表样品，在pH范围为1～12的条件下，分别用1 mol/L盐酸或1 mol/L NaOH溶液对样品溶液pH进行优化，研究其pH。从图6可以看出，3个样品在pH 5左右时回收率最高，因此，将样品溶液调整为pH 5。

图6 样品溶液pH的影响

2.3 介孔碳纳米复合材料与不同吸附剂的吸附效果比较

试验旨在充分利用该介孔碳吸附剂，获得对蔬菜样品中痕量有机磷农药残留较好的提取富集性能。本试验选用毒死蜱为目标分析物通过加标试验，对NH2柱固相萃取、PSA分散固相萃取与介孔碳吸附剂吸附性能进行比较，评价相同条件下介孔碳的萃取性能。从图7可以看出，介孔碳比其他2种提取方法的提取效果更好，对于介孔碳，其富集能力主要表现为2种吸附：孔包埋吸附和介孔碳的配位不饱和位点表面吸附及π-π相互作用。介孔碳的大孔可以容纳或部分容纳有机磷分子。结果表明，介孔碳对有机磷农药具有较高的吸附回收率。可以推测，分析物在介孔碳的孔结构中尺寸匹配越好，吸附能力越强，而体积较大的空间构型会阻碍分子扩散。同时介孔碳的不饱和位点和π-π相互作用对富电子分析物（如芳香环或双键）具有吸附亲和性。

图7 3种不同的吸附剂材料吸附农药残留比较

2.4 线性关系

配制0.05，0.10，0.15，0.20和0.25 μg/mL标准溶液质量浓度系列，建立标准曲线，在优化的试验条件下，对每个水平进行3次重复测定，数据结果如表1所示，在0.05～0.25 μg/mL质量浓度范围具有很好线性关系，高灵敏度，3倍噪音最低检出限为0.01～0.08 μg/mL，定量限为0.028～0.26 μg/mL，相关系数为0.999 1～0.999 8。这是由于该功能化介孔复合材料具有大的吸附容量和大比表面积，通过涡旋使得介孔复合材料与样液充分接触，以达到很好的净化效果。

表1 9种有机磷农药线性关系研究

2.5 回收率试验

建立9种农药在白菜上的回收率和重复性评价方法的性能，在3个质量分数水平（0.020，0.050和0.120 mg/kg）连续6次提取（n=6），考察方法的重复性和实用性。回收率和相对标准偏差（SRSD）见表2。加标回收率为85.0%～95.8%，相对标准偏差SRSD为1.68%～5.32%，表明该方法具有较好的准确度和精密度，能完全满足农药的检测要求。

表2 9种有机磷农药回收率试验

3 结果与讨论

试验探究功能化介孔碳作为吸附剂在微固相萃取9种有机磷农药残留中的应用。与传统萃取方法相比，功能化的介孔碳纳米复合材料具有萃取效率高、富集比高、用量少的特点。结果表明，该方法是一种简便、灵敏、快速、低成本、有效的蔬菜中农药残留检测样品前处理方法，加标平均回收率为85.0%～95.8%，相对标准偏差SRSD为1.68%～5.32%（n=6），在0.05～0.25 μg/mL质量浓度范围内呈良好线性关系，高灵敏度，3倍噪音最低检出限为0.01～0.08 μg/mL，定量限为0.028～0.26 μg/mL，相关系数为0.999 1～0.999 8。功能化介孔碳复合材料作为一种很有前途的净化材料，将在不同样品中对其他有机污染物有更广泛的应用。