李 迪, 張瑞琪, 王鐵峰, 蘇 萍, 楊 屹

(北京化工大學理學院, 北京 100029)

20世紀80年代,磺酰脲類除草劑(SUHs)問世,其具有較高選擇活性的同時對哺乳動物毒性較低,而且施用劑量小,因此廣泛用于主要農作物的除草[1,2]。然而隨著磺酰脲類農藥在環(huán)境中逐年積累,已經在天然水中檢測出它們的痕量殘留[3]。世界各國高度重視此類農藥對環(huán)境的危害,我國從2013年起也陸續(xù)出臺了對此類農藥的限制公告[4]。考慮到其在水體中富集后可能通過食物鏈傳導并危害人體健康,高效、靈敏地檢測環(huán)境水樣中的磺酰脲類農藥具有實際意義。

磺酰脲類農藥施用劑量小,在環(huán)境水中濃度較低,須將樣品富集后分析。常用的前處理方法有固相萃取(SPE)法[5]和磁性固相萃取(MSPE)法[6]。其中磁性固相萃取是20世紀90年代末發(fā)展起來的新型樣品前處理方法,其利用磁性粒子吸附樣品中的目標化合物[7],實現與復雜基體的高效分離。但在實際的分析工作中,磁性固相萃取與洗脫過程中離線的手工操作(如超聲、渦旋等)可能影響分析結果的精密度和準確度。近年來,在線磁性固相萃取技術的發(fā)展受到廣泛關注[8-10]。在線磁性固相萃取整合了萃取和洗脫過程,實現前處理的自動化,且減少了手工操作誤差,提高分析測試的精密度、準確度。

磁性萃取劑是磁性固相萃取的核心。Fe3O4磁性粒子由于表面易被氧化且易團聚,通常對其進行表面修飾以提高磁性粒子的穩(wěn)定性。表面活性劑是一類兩親性物質,作為一種磁性粒子的表面修飾材料,已經廣泛應用于有機化合物的分析中。利用表面活性劑的兩親性,將其與磁性粒子結合到一起,制備一種新型磁性固相萃取劑,以實現對疏水物質的分離富集,這種方法又被稱為混合半膠束磁性固相萃取[11]。

本文以簡單的兩步常溫反應合成了表面修飾十八烷基三甲基溴化銨(STAB)的磁性粒子,將其作為萃取劑,利用蠕動泵、聚四氟乙烯管和六通閥等零件設計了一種在線磁性固相萃取裝置,與高效液相色譜相結合,應用于水樣中兩種磺酰脲類農藥的檢測。

1 實驗部分

1.1 儀器、試劑、材料與標準溶液

BT100L流量型智能蠕動泵(保定雷弗流體科技有限公司),聚四氟乙烯硬管(內徑1 mm，外徑2 mm)(天津第九塑料廠),不銹鋼接頭(天津舜禹達克科技有限公司),六通閥(天津舜禹達克科技有限公司),軟硬對接直通接頭(南京市潤澤流體控制設備有限公司),倒錐接頭(南京市潤澤流體控制設備有限公司), Saint-Gobain Norprene Chemical NSF-51 16#管(圣戈班(中國)投資有限公司), BS124S電子分析天平(北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司), KQ-100DB型數控超聲波清洗器(江蘇昆山市超聲儀器有限公司), ZNCL-S智能恒溫磁力攪拌器(上海予華儀器有限公司), DGX-073B-1電熱鼓風干燥箱(上海?，攲嶒炘O備有限公司),真空干燥箱(上海一恒科學儀器有限公司),系列移液槍(上海大龍醫(yī)療設備有限公司), NDK200-2M自動快速濃縮儀(杭州米歐儀器有限公司),一次性注射器(常州悅康醫(yī)療器材有限公司), 0.45 μm濾膜(天津津騰實驗設備有限公司), 0.22 μm濾膜(天津津騰實驗設備有限公司), Shimadzu 20A Prominence超快速液相色譜儀(島津公司,日本)配色譜柱Shimadzu InertSustain-C18(150 mm×4.6 mm, 5 μm)。

六水合三氯化鐵購自天津市大茂化學試劑廠;甲醇(HPLC級)、乙腈(HPLC級),購自百靈威科技有限公司;原硅酸四乙酯(TEOS)(分析純)購自北京百靈威科技有限公司;十八烷基三甲基溴化銨(分析純)購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司;無水乙酸鈉、氫氧化鈉、鹽酸(含量37.5%)、乙酸乙酯、二氯甲烷、乙二醇、無水乙醇,購自北京化工廠;丙酮、正己烷,購自北京益利精細化學品有限公司;氨水(分析純)購自北京化工廠;去離子水,高校自產;娃哈哈純凈水;芐嘧磺隆(BSM)(質量濃度100 μg/mL),購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司;氯磺隆(CS)(質量濃度100 μg/mL),購自上海安譜實驗科技股份有限公司。

3種環(huán)境水樣分別采集自北京奧林匹克森林公園、北京西壩河和北京某高校灌溉用水。使用前使用真空抽濾除去不溶性雜質,之后用0.45 μm有機濾膜過濾,儲存于玻璃瓶中并置于冰箱中。

1.2 磁性萃取劑的制備

首先以溶劑熱法合成Fe3O4磁性微粒[6],再以溶膠-凝膠法[12]在Fe3O4表面修飾SiO2,制備Fe3O4@SiO2磁性微粒,之后以溶膠-凝膠法制備Fe3O4@SiO2@STAB-SiO2磁性粒子。稱取0.40 g Fe3O4@SiO2磁性微粒倒入三口燒瓶,稱取0.60 g STAB溶解于20 mL無水乙醇和40 mL去離子水的混合溶液,水浴加熱至60 ℃充分溶解。將上述溶液及2.2 mL氨水逐滴加入三口燒瓶,機械攪拌30 min后,向三口燒瓶中加入1.0 mL TEOS,持續(xù)攪拌6 h,產物以300 mL去離子水和200 mL乙醇各洗滌3次,置于60 ℃真空烘箱中烘干備用。

1.3 在線磁性固相萃取過程

在線磁性固相萃取裝置由供液系統(tǒng)和萃取/洗脫切換系統(tǒng)兩部分組成。供液系統(tǒng)由兩臺蠕動泵組成,可以實現進樣、洗脫以及管路清洗。萃取/洗脫切換系統(tǒng)由六通閥構成,能實現對萃取和洗脫的實時切換。在線磁性固相萃取柱由一段長3 m的聚四氟乙烯管路繞結于釹鐵硼磁鐵上,磁鐵兩側管路各連接了一個內徑3 mm的不銹鋼管,內置篩板以防止磁性粒子的流失。系統(tǒng)管路連接情況見圖1。

進樣模式:提前將70 mg萃取劑超聲分散于乙醇后裝填入磁性固相萃取柱中。此時六通閥內流路為實線路徑所示,量取10 mL實際樣于50 mL離心管中,使用0.01 mol/L的鹽酸調節(jié)pH=4,置于蠕動泵A進樣口,觸摸操控蠕動泵,設定流速0.6 mL/min開始進樣。樣品溶液通過磁性固相萃取柱,開始萃取過程,廢液用離心管接收至進樣完畢。

洗脫模式:切換六通閥至洗脫模式,此時六通閥內流路為虛線路徑,量取3 mL甲醇于玻璃試管,置于蠕動泵B進樣口,開始洗脫,洗脫液使用玻璃試管接收。產物經過有機濾膜過濾、N2富集后復溶于200 μL乙腈,使用高效液相色譜分析。

圖 1 在線磁性固相萃取流程示意圖Fig. 1 Schematic diagram of on-line magnetic solid phase extraction (MSPE)PDA: photodiode array detector.

1.4 色譜條件

Shimadzu InertSustain-C18色譜柱(150 mm×4.6 mm, 5 μm);柱溫30 ℃;檢測波長為233 nm;流動相A為含有0.01%(v/v)三氟乙酸的水溶液,B為乙腈。梯度洗脫程序:0～2.0 min, 30%B～45%B; 2.0～5.0 min, 45%B～50%B; 5.0～8.0 min, 50%B～60%B; 8.0～10.5 min, 60%B。進樣體積20 μL;流速1.0 mL/min。

2 結果與討論

2.1 Fe3O4@SiO2@STAB-SiO2磁性粒子的表征

圖2為Fe3O4@SiO2和Fe3O4@SiO2@STAB-SiO2磁性粒子的掃描電鏡圖。從圖2可以看出,STAB修飾前后磁性粒子均為球形,其中Fe3O4@SiO2表面比較光滑、粒徑均一,而Fe3O4@SiO2@STAB-SiO2表面厚度有所增加,且較為粗糙。這是由于在合成步驟中,使用氨水將體系pH調控至堿性,此時Fe3O4@SiO2磁性粒子表面帶負電荷[13],逐漸滴加STAB溶液的過程中,STAB陽離子通過庫侖力吸附在硅層表面,疏水端延伸在溶液中,硅層表面形成單層膠束;隨著滴加使STAB濃度增加時,會在單層膠束的基礎之上,通過疏水作用力形成雙層膠束[14];由于STAB用量大于磁性粒子,可以判斷表面厚度增加為STAB形成的雙膠束層。

圖 2 (a)Fe3O4@SiO2磁性粒子和(b)Fe3O4@SiO2@STAB-SiO2磁性粒子的掃描電鏡圖Fig. 2 Scanning electron microscopy (SEM) images of (a) Fe3O4@SiO2 magnetic particles and (b) Fe3O4@SiO2@STAB-SiO2 magnetic particles STAB: stearyl trimethyl ammonium bromide.

圖 3 STAB、Fe3O4@SiO2磁性粒子、Fe3O4@SiO2@STAB-SiO2磁性粒子的FT-IR譜圖Fig. 3 FT-IR spectra of STAB, Fe3O4@SiO2 magnetic particles, and Fe3O4@SiO2@STAB-SiO2 magnetic particles

圖3為Fe3O4@SiO2和Fe3O4@SiO2@STAB-SiO2磁性粒子的紅外光譜圖。由圖3可知,1 056.8 cm-1的峰歸屬于Si-O鍵彎曲振動,可證明SiO2成功修飾于Fe3O4表面;2 919.7 cm-1和2 850.3 cm-1兩個峰可歸屬為STAB長鏈中亞甲基的伸縮振動,可以證明STAB已成功包覆到磁性粒子表面。

圖 4 Fe3O4磁性粒子、Fe3O4@SiO2磁性粒子、Fe3O4@SiO2@STAB-SiO2磁性粒子的熱重分析Fig. 4 Thermogravimetric analysis of Fe3O4 magnetic particles, Fe3O4@SiO2 magnetic particles, and Fe3O4@SiO2@STAB-SiO2 magnetic particles

圖4為磁性粒子修飾表面活性劑前后產物的熱重分析。由圖4可知,Fe3O4@SiO2與Fe3O4磁性粒子相比,在相同時間內質量損失更大,隨著STAB在Fe3O4@SiO2表面進一步修飾,最終產物的質量損失速率最大。證明了STAB成功地包覆到磁性粒子表面。

2.2 萃取條件優(yōu)化

本文優(yōu)化了在線磁性固相萃取條件。對洗脫劑種類(甲醇、乙腈、二氯甲烷、乙酸乙酯)、洗脫劑用量(1、3、5、7、9 mL)、萃取劑用量(10、30、50、70、90 mg)、離子強度(鹽含量0、1%、2%、3%、4%)、溶液pH值(3、4、5、6、7、8),以及進樣流速(0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL/min)6個因素進行了考察。結果表明,甲醇、乙腈都能對目標物質充分洗脫,考慮到毒性,選擇甲醇作為洗脫劑。隨著萃取劑、洗脫劑用量的增大,萃取效率也增大,但是洗脫劑超過3 mL,萃取劑用量大于70 mg時,萃取效率上升不再明顯。離子強度的增大一方面增大了溶液黏度,降低STAB與目標物質的相互作用;另一方面,隨著溶液中各種離子總濃度增大,增強了離子間的靜電作用,在季銨陽離子周圍有更多的陰離子(主要是Cl-),在硅羥基(表面帶負電荷)附近存在更多陽離子(主要是Na+),形成了所謂的“離子氛”,使硅羥基與季銨陽離子都受到較強的牽制作用,硅層表面有效吸附的STAB減少,從而降低萃取效率。實驗結果表明,鹽含量為0時萃取效果最好。檢測的兩種磺酰脲類農藥在水中均呈弱酸性,強酸或堿性條件下易水解,從而降低萃取效率,因此選擇pH 4進行萃取。進樣流速直接影響萃取劑與目標物質的接觸時間是否充分,實驗選取0.6 mL/min流速進樣,較低的流速能保證萃取效率的同時避免進樣過程中材料表面STAB膠層的流失。進樣完畢后樣品排入廢液,不會對后續(xù)檢測產生干擾。

2.3 方法學評價

首先精確配制質量濃度為200 μg/L磺酰脲混合標準溶液。逐級稀釋混標溶液,依次配成質量濃度為1、5、10、20、40、80、160 μg/L的加標水樣。在上述適宜條件下,對兩種磺酰脲農藥進行在線磁性固相萃取,用高效液相色譜-二極管陣列檢測器檢測,繪制工作曲線。如表1所示,CS在1～160 μg/L范圍內呈良好的線性關系,BSM在5～160 μg/L范圍內呈良好的線性關系。兩種農藥線性相關系數(r)良好,均≥0.999 7, CS檢出限(LOD,S/N=3)為0.32 μg/L, BSM檢出限為1.12 μg/L。選擇80 μg/L的加標水樣進行6次平行實驗以考察方法的重現性,所得峰面積的RSD≤4.2%,證明本方法重現性良好。

表 1 兩種磺酰脲類農藥的線性范圍、線性方程、 相關系數、檢出限和相對標準偏差Table 1 Linear ranges, linear equations, correlationcoefficient (r), LODs and RSDs of two sulfonylurea herbicides (SUHs)

CS: chlorsulfuron; BSM: bensulfuron-methyl.y: peak area;x: mass concentration, μg/L.

2.4 與文獻方法比較

如表2所示,將本文建立的方法與傳統(tǒng)固相萃取、磁性固相萃取磺酰脲類農藥進行對比[6,15,16]。結果表明,本方法的回收率、檢出限和線性范圍能滿足定量分析的要求。

2.5 重復使用情況

磁性固相萃取劑的一個優(yōu)勢在于可以回收并重復利用。我們考察了Fe3O4@SiO2@STAB-SiO2磁性粒子的重復使用性。如圖5所示,在進行3次萃取后,CS萃取效率仍保留有64.1%, BSM萃取效率

仍保留有88.7%,因此制備的Fe3O4@SiO2@STAB-SiO2磁性粒子較穩(wěn)定,可重復利用。

2.6 實際樣品檢測

將本文建立的方法應用于環(huán)境水樣分析(北京奧林匹克森林公園、北京西壩河和北京某高校灌溉用水),以評估其實際應用價值。如圖6所示,富集后的3種環(huán)境水樣均檢測出CS,均未檢出BSM。

圖 5 萃取劑的可重復使用性Fig. 5 Reusability of the adsorbent

圖 6 在線磁性固相萃取前后水樣中兩種磺酰脲類農藥的色譜圖Fig. 6 Chromatograms of two SUHs in water samples with or without on-line MSPE a. Olympic park water without on-line MSPE; b. Olympic park water with on-line MSPE; c. Xiba river water with on-line MSPE; d. Irrigation water with on-line MSPE; e. Olympic park water spiked at 50 μg/L with on-line MSPE.

AnalyteMethodSampleLOD/(μg/L)Linear range/(μg/L)Recovery/%RSD/%Ref.BSMMSPE-HPLC-DADwater0.692.5-20082.3-109.75.1-9.4[6]CSUASEME-HPLC-UVwater and soil0.51-10090.6-110.15.1-6.0[15]BSM0.51-10094.0-106.14.7-6.1CSCPE-HPLC-UVwater, soil and rice1.26-200085.4-93.60.4-7.8[16]BSM0.84-200081.9-94.51.9-4.2CSOnline-MSPE-HPLC-DADwater0.321-16070.0-113.40.3-5.0this workBSM1.125-16083.3-101.10.3-10.9

UASEME: ultrasound-assisted surfactant-enhanced emulsification microextraction; CPE: cloud point extraction; DAD: diode array detector.

分別量取10 mL 3種環(huán)境水樣,兩種磺酰脲農藥標準品在10、50、100 μg/L 3個不同水平下加標(n=3),再按1.3節(jié)和1.4節(jié)進行前處理以及檢測。計算加標回收率和RSDs,結果如表3,加標回收率在70.0%～113.4%之間,RSD≤10.9%,說明此方法可以應用于分析實際水樣中的兩種磺酰脲類農藥。

表 3 3種水樣中兩種磺酰脲類農藥的加標回收率和相對標準偏差(n=3)Table 3 Spiked recoveries and RSDs of two SUHs in three real water samples (n=3)

-: no data; N. D.: not detected.

3 結論

本實驗合成了Fe3O4@SiO2@STAB-SiO2磁性粒子作為萃取劑,合成步驟較為簡單,反應條件溫和,對磺酰脲類農藥有良好的吸附性能。設計并組裝了一種在線磁性固相萃取裝置,該裝置洗脫過程中有機溶劑消耗較少。所建立的在線磁性固相萃取-高效液相色譜聯用測定環(huán)境水樣中兩種磺酰脲類農藥的方法檢出限、回收率及重現性良好,滿足定量分析的要求,且一定程度上減小了手工操作帶來的誤差。與在線固相萃取相比,亦有背壓小、萃取劑可重復利用的優(yōu)勢[9,10]。因此,本方法在水樣中磺酰脲類農藥的檢測中有一定的應用價值。