四氧化三鐵/還原氧化石墨烯合成及其在有機(jī)磷農(nóng)藥檢測(cè)中應(yīng)用研究

湯振華，岳都盛

(昆山市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，江蘇昆山215316)

目前，磁性材料在樣品分離中的應(yīng)用受到越來(lái)越多的關(guān)注，一種基于磁性吸附劑的新型的固相萃取模式，即磁固相萃取(magnetic solid-phase extraction，MSPE)，已經(jīng)在樣品前處理中得到廣泛的應(yīng)用［1］。在MSPE過(guò)程中，首先將磁性吸附劑加入到含有目標(biāo)分析物的樣品溶液中，然后通過(guò)一定時(shí)間的萃取，分析物被磁性材料吸附，最后利用外磁場(chǎng)將吸附劑從樣品溶液中分離。四氧化三鐵(Fe3O4)具有很好的生物相容性和生物催化活性，而且還具有超順磁性、低毒性以及低成本，因此是最常用的MSPE吸附劑，但 Fe3O4易團(tuán)聚，阻礙了其應(yīng)用。Fe3O4復(fù)合物，如殼聚糖/Fe3O［2］4、碳納米管/Fe3O［3］4、石墨烯/Fe3O［4］4的制備有效解決了這一問(wèn)題。在這些材料中，石墨烯被認(rèn)為是最理想的選擇之一。石墨烯(Graphene，G)具有獨(dú)特的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)和熱學(xué)等物理性質(zhì)［5-6］，其巨大的比表面能夠有效阻止Fe3O4的團(tuán)聚，而且能夠提高復(fù)合物的吸附容量，是一種很有前途的吸附材料。近年來(lái)，已經(jīng)有一些研究小組成功制備出G/Fe3O4并將其應(yīng)用于一些環(huán)境污染物的濃縮和分離［7-12］。但是很多研究者制備該復(fù)合物的方法復(fù)雜，甚至用到很多有機(jī)溶劑，不利于環(huán)境的保護(hù)，而且未有文獻(xiàn)報(bào)道將該復(fù)合物應(yīng)用于水樣中有機(jī)磷農(nóng)藥的萃取分離。

本文用一步溶劑熱法快速合成了G/Fe3O4納米復(fù)合物，并探討了該復(fù)合物在水溶液中有機(jī)磷農(nóng)藥檢測(cè)中的應(yīng)用。當(dāng)目標(biāo)分析物用G/Fe3O4納米復(fù)合物濃縮之后，最后用氣相色譜(Gas Chromatography，GC)分析。其中，考察了G/Fe3O4納米復(fù)合物量、萃取時(shí)間、解吸條件、離子強(qiáng)度對(duì)萃取效率的影響。該法靈敏、準(zhǔn)確、簡(jiǎn)單，已成功應(yīng)用于環(huán)境水樣中多種有機(jī)磷農(nóng)藥的污染監(jiān)測(cè)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

石墨粉(AR)、高錳酸鉀(KMnO4，AR)、濃硫酸(H2SO4，AR)、雙氧水 (30%H2O2，AR)、濃鹽酸(HCl，AR)、無(wú)水三氯化鐵(FeCl3，AR)、二乙二醇(DEG，AR)、醋酸鈉(NaOAC，AR)、氯化鈉(NaCl，AR)、甲醇(AR)、丙酮(AR)、二氯甲烷(AR)、乙醇(AR)、乙腈(AR)國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)有限公司生產(chǎn);二嗪農(nóng)標(biāo)準(zhǔn)品、甲基對(duì)硫磷標(biāo)準(zhǔn)品、甲基嘧啶磷標(biāo)準(zhǔn)品、水胺硫磷標(biāo)準(zhǔn)品、喹硫磷標(biāo)準(zhǔn)品(純度＞97%，均購(gòu)自中國(guó)計(jì)量科學(xué)院)，儲(chǔ)備標(biāo)準(zhǔn)溶液:1．00mg/mL，并存放在4℃的冰箱中。標(biāo)準(zhǔn)溶液:按需要取儲(chǔ)備標(biāo)準(zhǔn)溶液用甲醇稀釋。

實(shí)際水樣的采集:飲用水取自實(shí)驗(yàn)室自來(lái)水，海水取自東海(上海)，湖水取自滴水湖(上海)。所有的水樣在分析之前都用0．45μm的過(guò)濾膜進(jìn)行過(guò)濾處理。

DF-101S型集熱式恒溫加熱攪拌器 鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司;KQ-50DB型數(shù)控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司;H2050R高速冷凍離心機(jī) 長(zhǎng)沙湘儀有限公司生產(chǎn);AUW320電子分析天平 日本島津公司生產(chǎn);SP-6890A型氣相色譜儀 山東魯南瑞虹化工有限公司。

GC條件:初溫:80℃，保持1min，以10℃/min升到100℃，以5℃/min升到120℃，再以8℃/min升到180℃，保持2min。五種有機(jī)磷的出峰順序依次為:1-二嗪農(nóng)，2-甲基對(duì)硫磷，3-甲基嘧啶磷，4-水胺硫磷，5-喹硫磷。

1.2 氧化石墨的合成

通過(guò)改進(jìn)的Hummers方法制得氧化石墨。制備步驟如下:將石墨粉加入濃H2SO4(75mL)，在冰浴保護(hù)下逐步加入KMnO4(15g)，此混合物于冰浴下攪拌3h，接著轉(zhuǎn)移到40℃水浴中，繼續(xù)攪拌45min，之后加入150mL水，在90℃下反應(yīng)50min，結(jié)束之后加入400mL水稀釋?zhuān)偌尤?0mL 30%H2O2溶液終止反應(yīng)?；旌衔镞^(guò)濾之后用5%HCl酸洗離心，再用水洗離心至中性。最后將得到的產(chǎn)物冷凍干燥之后備用。

1.3 G/Fe3O4納米復(fù)合物

以氧化石墨和FeCl3為原料，以一步溶劑熱法合成了G/Fe3O4納米復(fù)合物。其中氧化石墨烯的還原和Fe3O4的生成是一步完成的。合成步驟如下:將氧化石墨超聲分散在DEG中，形成氧化石墨烯懸浮液，再將FeCl3和NaOAC溶解在DEG中形成透明溶液，再將兩種液體超聲混合，最后將混合物加入到不銹鋼反應(yīng)釜中，置于200℃中反應(yīng)8h。將得到的產(chǎn)物用乙醇和水清洗，60℃真空干燥24h。

1.4 MSPE過(guò)程

MSPE過(guò)程如下:首先，將20mg G/Fe3O4納米復(fù)合物加入到100mL加標(biāo)濃度為5ng/mL的水溶液中。并置于搖床中振蕩15min，隨后將磁鐵放置在燒杯的底部，吸附有目標(biāo)物的復(fù)合物被吸附在燒杯底部，倒掉上清液，然后將殘留的溶液以及復(fù)合物轉(zhuǎn)移到10mL離心管中，再將磁鐵放在離心管外部，傾出殘留的溶液。再用0．5mL的乙腈對(duì)復(fù)合物洗脫1min，將該解吸過(guò)程重復(fù)2次，然后將3次的洗脫液收集在一起并轉(zhuǎn)移到2mL離心管中，用N2吹干，最后用50μL甲醇定容，取1μL進(jìn)樣分析。

1.5 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)均由Excel、Origin等軟件進(jìn)行分析處理，最終的數(shù)據(jù)用平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。

2 結(jié)果與討論

2.1 萃取條件的優(yōu)化

在吸附過(guò)程中，一些因素，如復(fù)合物的量、離子強(qiáng)度、解吸條件是影響萃取效率的關(guān)鍵因素，因此，為了實(shí)現(xiàn)復(fù)合物對(duì)目標(biāo)物最高的吸附容量，有必要對(duì)這些條件進(jìn)行優(yōu)化。

2．1．1 復(fù)合物量的影響 為了實(shí)現(xiàn)復(fù)合物對(duì)目標(biāo)物良好的萃取效率，選取不同質(zhì)量的復(fù)合物加入到100mL加標(biāo)水溶液中，從圖1可以看出，在吸附時(shí)間為5min條件下，隨著G/Fe3O4納米復(fù)合物用量的增加，對(duì)5種有機(jī)磷農(nóng)藥的萃取率也隨之增加，當(dāng)復(fù)合物用量在20mg時(shí)，5種有機(jī)磷農(nóng)藥的去除率達(dá)到最大并趨于平衡。因此，復(fù)合物的最適宜用量為20mg。

2．1．2 萃取時(shí)間的影響 吸附時(shí)間是影響復(fù)合物對(duì)目標(biāo)分析物萃取效率的重要因素。在復(fù)合物用量為20mg時(shí)，控制萃取時(shí)間分別為 5、10、15、20、25、30min。由圖2可知，在復(fù)合物用量為20mg時(shí)，有機(jī)磷農(nóng)藥的吸附率隨吸附時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，在15min時(shí)，5種有機(jī)磷農(nóng)藥的吸附率達(dá)到最大，延長(zhǎng)吸附時(shí)間對(duì)目標(biāo)物的吸附不再有明顯增加，因此將萃取時(shí)間設(shè)定為15min。

圖1 復(fù)合物用量與復(fù)合物對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥萃取效率的關(guān)系Fig．1 The relationship between the dosage of adsorbent and its extraction efficiency for OPP

圖2 萃取時(shí)間與復(fù)合物對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥萃取效率的關(guān)系Fig．2 The relationship between extraction time and the extraction efficiency for OPP by the adsorbent

2．1．3 離子強(qiáng)度的影響 離子強(qiáng)度是影響吸附作用的重要因素之一。一方面，鹽的加入會(huì)減少目標(biāo)分析物的溶解度(鹽析效應(yīng))和增加分散常數(shù)，有利于復(fù)合物對(duì)目標(biāo)物的萃取;另一方面，鹽的加入還會(huì)增加溶液的黏度和減少擴(kuò)散系數(shù)，這將不利于復(fù)合物對(duì)目標(biāo)物的萃?。?3］。因此，本文研究了NaCl加入量對(duì)吸附作用的影響，從圖3中可以看出，當(dāng)NaCl濃度為0．5%時(shí)，有機(jī)磷農(nóng)藥的回收率最高，當(dāng)NaCl濃度進(jìn)一步增加時(shí)，回收率會(huì)逐漸下降。因此，將樣品溶液中NaCl濃度設(shè)定為0．5%。

圖3 NaCl濃度與復(fù)合物對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥萃取效率的關(guān)系Fig．3 The relationship between the ionic strength and the extraction efficiency for OPP by the adsorbent

2．1．4 解吸條件的優(yōu)化 本文考察了四種有機(jī)溶劑，即丙酮、乙腈、甲醇和二氯甲烷對(duì)目標(biāo)分析物的洗脫效果。從圖4中可以看出，乙腈對(duì)5種有機(jī)磷農(nóng)藥的洗脫效果最好，因此，選取乙腈為洗脫溶劑。為了將目標(biāo)分析物從復(fù)合物中完全解吸出來(lái)，本文優(yōu)化了洗脫溶劑量，結(jié)果表明當(dāng)用1．5mL(0．5mL×3)乙腈洗脫復(fù)合物時(shí)，分析物能被完全解吸，即在氣相中檢測(cè)不出目標(biāo)物特征峰，因此最佳洗脫劑量為1．5mL。然后將1．5mL洗脫溶劑轉(zhuǎn)移到2mL離心管中，在溫和的N2流速下將混合溶液吹干，再用50μL甲醇定容，最后取1μL進(jìn)氣相進(jìn)行檢測(cè)分析。

圖4 洗脫劑與復(fù)合物對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥萃取效率的關(guān)系Fig．4 The relationship between eluent and the extraction efficiency for OPP by the adsorbent

2.2 吸附劑的使用壽命

為了研究G/Fe3O4吸附劑的使用壽命，當(dāng)目標(biāo)分析物從復(fù)合物中被解吸出來(lái)之后，用5mL乙腈對(duì)復(fù)合物進(jìn)行清洗2次，再將其重復(fù)利用于有機(jī)磷農(nóng)藥的磁性固相萃取，結(jié)果表明吸附劑在重復(fù)使用15次之后，吸附量?jī)H僅損失了4．65%。

2.3 方法的驗(yàn)證

2．3．1 方法評(píng)價(jià) 配制不同濃度的有機(jī)磷農(nóng)藥標(biāo)液:0．01、0．05、0．1、0．5、1、5、10 和 50ng/mL，考 察MSPE/GC測(cè)定有機(jī)磷農(nóng)藥的線性關(guān)系。結(jié)果表明:二嗪農(nóng)和喹硫磷在0．01～10ng/mL濃度范圍內(nèi)有良好的線性關(guān)系，甲基對(duì)硫磷和甲基嘧啶磷在0．05～50ng/mL濃度范圍內(nèi)有很好的線性關(guān)系，水胺硫磷在0．01～50ng/mL濃度范圍內(nèi)有良好的線性關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù) R2在0．9985～0．9996 之間，五種有機(jī)磷的檢測(cè)限 LOD 在 0．0002～0．009ng/mL 之間，連續(xù) 5 次重復(fù)操作所得相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD為3．2%～7．8%，方法精密度好。

表1 MSPE技術(shù)萃取有機(jī)磷農(nóng)藥的線性范圍、相關(guān)系數(shù)、檢測(cè)限和精密度Table 1 Linear range，correlation coefficient(R2)，detection limit(LODS)and precision(RSD)for the analysis of five pesticides by MSPE technology

2．3．2 實(shí)際樣品分析 為驗(yàn)證本研究建立的方法在環(huán)境樣品中的可靠性，對(duì)真實(shí)環(huán)境水樣進(jìn)行分析。飲用水取自實(shí)驗(yàn)室自來(lái)水，環(huán)境水取自東海和滴水湖。經(jīng)分析，三種樣品均未檢測(cè)到有機(jī)磷農(nóng)藥。隨后考察了方法在三種樣品中的加標(biāo)回收率，結(jié)果如表2。以自來(lái)水、東海水以及滴水湖水為基底，在0．1、5．0 和 10．0ng/mL 的加標(biāo)水平下，二嗪農(nóng)的回收率在 92．0% ～108．3% 之間，RSD 為 3．4% ～11．2% ，喹硫磷的回收率在 95．8% ～101．7% 之間，RSD 為 1．9%～10．0%;在 0．5、10．0、50．0ng/mL 的加標(biāo)水平下，甲基對(duì)硫磷的回收率為 94．0% ～102．8% ，RSD 為 1．5%～9．1%，甲基嘧啶磷的回收率為 94．7% ～106．6%，RSD 為 2．3% ～9．4%;在 0．1、10．0、50．0ng/mL 的加標(biāo)水平下，水胺硫磷的回收率為 90．4% ～104．1%，RSD為1．3%～8．2%。實(shí)際樣品的分析結(jié)果表明本方法具有較高的準(zhǔn)確度。圖5顯示的是從加標(biāo)滴水湖水樣中萃取的5種有機(jī)磷的特征色譜圖。

表2 MSPE技術(shù)在加標(biāo)自來(lái)水、東海水和滴水湖水中的回收率Table 2 Recoveries for the analysis of five pesticides in spiked tap water，Donghai sea water and Dishui lake water using MSPE technology

圖5 從加標(biāo)滴水湖水樣中萃取的5種有機(jī)磷農(nóng)藥的特征色譜圖Fig．5 The typical chromatograms of Dishui lake water samplespiked with fiveOPPs

3 結(jié)論

本文采用一步溶劑熱法合成了基于石墨烯的磁性納米復(fù)合物(G-Fe3O4)，該吸附劑結(jié)合了Fe3O4的超順磁性以及石墨烯的高吸附量，能有效簡(jiǎn)化操作步驟，并能取得很好的萃取效果且對(duì)環(huán)境無(wú)污染，最后將其成功應(yīng)用于分離富集環(huán)境水樣中的有機(jī)磷農(nóng)藥。最佳萃取條件為:復(fù)合物量為20mg;萃取時(shí)間為15min;NaCl濃度為0．5%;洗脫溶劑為乙腈以及洗脫劑的量為1．5mL。在最優(yōu)條件下，方法線性相關(guān)系數(shù)在0．9985～0．9996之間，五種有機(jī)磷的檢測(cè)限 LOD 在0．0002～0．009ng/mL 之間，連續(xù) 5 次重復(fù)操作所得相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD為3．2%～7．8%，在實(shí)際樣品中有較高的回收率和萃取重現(xiàn)性，驗(yàn)證了該方法良好的萃取效果和萃取容量，說(shuō)明該方法對(duì)提高方法靈敏度等有重大意義。

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