自制Co3 O4 多孔材料凈化-氣相色譜法測(cè)定蔬菜中4種有機(jī)磷農(nóng)藥的殘留量

操江飛，黃芷瑩，韋壽蓮，謝春生，陳志勝，姬鴻鶴，馮學(xué)璞

(1.肇慶學(xué)院 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,肇慶 526061;2.肇慶學(xué)院 廣東省環(huán)境健康與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,肇慶 526061)

有機(jī)磷農(nóng)藥是一類使用廣泛、快速高效的農(nóng)藥,大多具有中、高毒性,其若被不合理使用,將會(huì)導(dǎo)致食用蔬菜中的農(nóng)藥殘留量超標(biāo),產(chǎn)生人急、慢性中毒等飲食安全風(fēng)險(xiǎn)[1-2]。因此,有必要對(duì)食用蔬菜中的有機(jī)磷農(nóng)藥含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

目前相關(guān)檢測(cè)方法主要包括氣相色譜法[3]、氣相色譜-質(zhì)譜法[4]及液相色譜-質(zhì)譜法[5]。但是蔬菜樣品基質(zhì)比較復(fù)雜,難以直接進(jìn)樣檢測(cè),需要配合相關(guān)前處理方法。已有的常規(guī)前處理方法有固相萃取法(SPE)[4]、固相微萃取法(SPME)[6]、QuECh ERS法[3,7-8]、基質(zhì)固相分散法(MSPD)[9-10]和凝膠滲透色譜法(GPC)[11-12]。其中SPE 具有樣品容量大、穩(wěn)定、精確、分離度高的優(yōu)點(diǎn),但對(duì)于復(fù)雜基質(zhì)樣品和手性化合物的分離效果不理想[13];SPME 廣泛用于揮發(fā)性、半揮發(fā)性物質(zhì)的富集和檢測(cè),萃取過程中不使用有機(jī)溶劑,但由于受環(huán)境干擾大,該方法進(jìn)樣耗時(shí)長(zhǎng),吸附量受限,定量結(jié)果誤差相對(duì)較大[1];QuEChERS法雖然操作簡(jiǎn)便、有機(jī)溶劑消耗少、儀器要求低,但凈化劑價(jià)格昂貴,處理成本高;MSPD和GPC存在有機(jī)洗脫劑用量大的缺點(diǎn)。因此,需要開發(fā)一種價(jià)格低廉、有機(jī)溶劑消耗少并且適用于復(fù)雜基質(zhì)的凈化劑。Co3O4具有典型的AB2O4型立方尖晶石結(jié)構(gòu),是一種重要的反鐵磁性材料,是常見的吸附材料之一,其吸附中心為表面的不飽和鍵和晶格氧,已被用于吸附去除水體中的砷[14],但在蔬菜樣品農(nóng)藥殘留處理方面報(bào)道較少。鑒于此,本工作自制了一種多孔、比表面積大的Co3O4凈化劑,并用其凈化蔬菜樣品基質(zhì),用附火焰光度檢測(cè)器(FPD)的氣相色譜法測(cè)定凈化液中磷胺、倍硫磷、喹硫磷、丙溴磷等4種常見有機(jī)磷農(nóng)藥的殘留量,該方法快速、經(jīng)濟(jì)、靈敏,可為多種蔬菜樣品中有機(jī)磷農(nóng)藥殘留的檢測(cè)提供參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Agilent 7890B 型氣相色譜儀,附FPD;TD3(800B)型臺(tái)式低速離心機(jī);AUY120 型電子天平;Autosorb-iQ 型全自動(dòng)比表面和孔徑分析儀;D8 Advance型X 射線粉末衍射儀;GL-88B 型渦旋混合器;SUPPA 55 SAPPHIRE型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡;DTG-60 H 型熱重分析儀。

磷胺、倍硫磷、丙溴磷標(biāo)準(zhǔn)溶液:1 000 mg·L－1,編號(hào)分別為GSB05-1866-2010-2、GSB05-2299-2016-2、GSB05-2640-2010-2。

喹硫磷標(biāo)準(zhǔn)溶液:100 mg·L－1,編號(hào)為GSB05-2674-2016-2。

混合標(biāo)準(zhǔn)溶液系列:取適量各有機(jī)磷農(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)溶液,用丙酮逐級(jí)稀釋,配制成質(zhì)量濃度均為0.016,0.032,0.040,0.080,0.10,0.20,0.30,0.40,0.50,0.60 mg·L－1混合標(biāo)準(zhǔn)溶液系列。

甲苯、丙酮、三氯甲烷、二甲苯、異丙醇、甘氨酸、硝酸銨、葡萄糖為分析純;乙腈為色譜純;六水合硝酸鈷的純度為98%;試驗(yàn)用水為去離子水。

1.2 儀器工作條件

1.2.1 色譜條件

HP-5毛細(xì)管色譜柱(30 m ×0.32 mm,0.25μm);進(jìn)樣口溫度220 ℃,檢測(cè)器溫度250 ℃。柱升溫程序:初始柱溫80 ℃,保持0.5 min;以12 ℃·min－1速率升溫至190 ℃;以8 ℃·min－1速率升溫至250 ℃,保持4.0 min;以20 ℃·min－1速率升溫至300 ℃。載氣為氮?dú)?純度不小于99.999%,流量3 mL·min－1,恒流模式;燃?xì)鉃闅錃?純度不小于99.999%,流量75 mL·min－1;助燃?xì)鉃榭諝?流量100 mL·min－1;尾吹氣為氮?dú)?流量60 mL·min－1;不分流進(jìn)樣;進(jìn)樣體積為1.00μL。

1.2.2 表征條件

1)X 射線衍射法(XRD)電壓40 kV;電流40 m A;掃描角度10°～70°;狹縫寬度0.2 mm;步進(jìn)寬度0.02°;步進(jìn)時(shí)間0.1 s。

2)場(chǎng)發(fā)射電子掃描顯微鏡(FESEM)電壓5.0 kV;工作距離13.2 mm;放大倍數(shù)5 000,10 000,20 000。

3)吸附比表面測(cè)試(BET)脫氣溫度100 ℃;脫氣時(shí)間3 h;吸附/脫附氣為氮?dú)?溫度77 K。

4)熱重分析(TG)溫度范圍25～800 ℃;工作氣為空氣,保護(hù)氣為氮?dú)?升溫速率10 ℃·min－1。

1.3 凈化劑的制備

參照文獻(xiàn)[15],分別取甘氨酸0.373 2 g、六水合硝酸鈷7.24 g、硝酸銨1.0 g、葡萄糖1.46 g于蒸發(fā)皿中,用少量蒸餾水溶解,于300℃加熱并不斷攪拌,至燃燒完全,繼續(xù)加熱至產(chǎn)物變成黑色,即得Co3O4凈化劑。

1.4 試驗(yàn)方法

取蔬菜樣品可食用部分,切碎后放入研缽中研磨至糊狀。取糊狀樣品2.5 g于10 mL 離心管中,加入5.0 mL 甲苯,以2 400 r·min－1轉(zhuǎn)速渦旋5 min后放入離心機(jī)中,以3 500 r·min－1轉(zhuǎn)速離心5 min。分取上清液4.0 mL,加入1.3節(jié)制備好的Co3O4凈化劑0.07 g,以2 400 r·min－1轉(zhuǎn)速渦旋5 min后放入離心機(jī)中,以3 500 r·min－1轉(zhuǎn)速離心30 s。用1.0 mL注射器吸取上清液0.6 mL,用0.22μm 濾膜過濾,濾液按照1.2.1 節(jié)色譜條件檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 凈化劑的表征

凈化劑的XRD 圖如圖1所示。

圖1 凈化劑的XRD圖Fig.1 XRD pattern of the purifier

結(jié)果顯示,2θ為31.4°,36.9°,44.8°,59.4°,65.2°處有明顯的衍射峰,分別對(duì)應(yīng)Co3O4晶體(220),(311),(400),(511)和(440)的晶面反射峰,與尖晶石型Co3O4的特征衍射峰吻合,說明制得的凈化劑為尖晶石型Co3O4材料。

凈化劑的FESEM 圖如圖2所示。

圖2 凈化劑的FESEM 圖Fig.2 FESEM image of the purifier

由圖2可知,制得的凈化劑呈層狀堆積的疏松多孔結(jié)構(gòu)。

凈化劑的吸/脫附等溫線如圖3所示。

圖3 凈化劑的BET 圖Fig.3 BET image of the purifier

根據(jù)國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUPAC)提出的物理吸附等溫線分類,圖3所示的吸/脫附等溫線為Ⅳ型,在相對(duì)壓強(qiáng)(p/p0)0.5～1.0 內(nèi)有滯后環(huán),說明制得的凈化劑具有介孔結(jié)構(gòu)。依據(jù)BJH 模型[16],計(jì)算得孔徑為20～40 nm;依據(jù)BET 方程[17],計(jì)算得比表面積為22.054 m2·g－1。

凈化劑的TG 曲線如圖4所示。

圖4 凈化劑的TG 曲線Fig.4 TG curve of the purifier

由圖4可知,凈化劑的質(zhì)量損失率為13.0%,可能是其中有機(jī)物被氧化成二氧化碳揮發(fā)了,說明凈化中Co3O4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為87.0% 。

2.2 色譜行為

按1.2.1節(jié)色譜條件分析4種有機(jī)磷農(nóng)藥混合標(biāo)準(zhǔn)溶液,其中磷胺、倍硫磷、喹硫磷、丙溴磷的質(zhì)量濃度分別為0.080,0.040,0.040,0.080 mg·L－1,色譜圖如圖5所示。

圖5 混合標(biāo)準(zhǔn)溶液的色譜圖Fig.5 Chromatogram of the mixed standard solution

由圖5可知,各有機(jī)磷農(nóng)藥的色譜峰峰形尖銳,響應(yīng)值較高,可在15 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)基線分離,同時(shí)磷胺順反異構(gòu)體也得到了拆分和分離,說明本方法色譜分離效果的優(yōu)越性。

2.3 提取溶劑的選擇

選擇色素含量低、基質(zhì)效應(yīng)影響較小的白蘿卜[18]作為基質(zhì)進(jìn)行加標(biāo)回收試驗(yàn)。依據(jù)各農(nóng)藥的溶解性,選取乙腈、丙酮、甲苯、異丙醇、三氯甲烷、二甲苯作為提取溶劑,并比較了其對(duì)各有機(jī)磷農(nóng)藥的提取回收率。結(jié)果表明:甲苯的提取回收率為80.0%～120%,準(zhǔn)確度較高;乙腈、丙酮、異丙醇和三氯甲烷的提取回收率均不小于120%,回收率相對(duì)偏高;二甲苯對(duì)磷胺的提取回收率低于50.0%。因此,試驗(yàn)選擇甲苯作為蔬菜中有機(jī)磷農(nóng)藥的提取溶劑。

2.4 凈化劑及其用量的選擇

選擇色素含量較高的番茄作為基質(zhì),比較QuEChERS凈化劑和Co3O4凈化劑對(duì)色素的吸附能力。結(jié)果顯示:加入Qu ECh ERS凈化劑和Co3O4凈化劑后,樣品溶液均由紅色變?yōu)闊o(wú)色,說明QuEChERS凈化劑和Co3O4凈化劑對(duì)蔬菜色素都有很強(qiáng)的吸附能力;在達(dá)到相同吸附效果時(shí),Co3O4凈化劑的用量?jī)H為Qu ECh ERS凈化劑用量的百分之一,避免了因凈化劑用量過多而導(dǎo)致的農(nóng)藥被吸附的現(xiàn)象,說明以Co3O4作為凈化劑更加綠色環(huán)保和高效。

凈化劑用量會(huì)影響樣品的凈化效果,用量過低,樣品中色素及其他雜質(zhì)去除不完全;用量過多,部分農(nóng)藥可能會(huì)被吸附,回收率降低。因此,試驗(yàn)以油麥菜樣品為基質(zhì),考察了Co3O4凈化劑用量分別為0,0.01,0.03,0.05,0.07,0.09 g時(shí)對(duì)樣品凈化效果的影響。結(jié)果表明,樣品溶液中色素隨著Co3O4凈化劑用量的增加而減少,當(dāng)Co3O4用量不少于0.07 g時(shí),樣品溶液呈無(wú)色,說明色素基本被吸附完全,繼續(xù)增加凈化劑用量至0.09 g,各農(nóng)藥回收率低于0.07 g的(80.8%～102%),尤其是磷胺,回收率低于70.0%。因此,試驗(yàn)選擇Co3O4凈化劑用量為0.07 g。

2.5 凈化渦旋時(shí)間的選擇

渦旋時(shí)間也是影響凈化效果的因素之一。以上述同一批油麥菜樣品為基質(zhì),考察了凈化渦旋時(shí)間分別為0,1,3,5,7,10 min時(shí)對(duì)樣品凈化效果的影響。結(jié)果表明,凈化效果隨渦旋時(shí)間的延長(zhǎng)而變好,在渦旋時(shí)間不小于5 min時(shí),樣品溶液基本呈無(wú)色。因此,試驗(yàn)選擇的凈化渦旋時(shí)間為5 min。

2.6 標(biāo)準(zhǔn)曲線和檢出限

按照1.2.1 節(jié)色譜條件分析混合標(biāo)準(zhǔn)溶液系列,以各農(nóng)藥的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo),其對(duì)應(yīng)的峰面積為縱坐標(biāo)進(jìn)行線性擬合,線性參數(shù)如表1所示,其中磷胺以兩種順反異構(gòu)體含量的總和以及對(duì)應(yīng)的峰面積的總和進(jìn)行線性擬合。

以3倍信噪比(S/N)計(jì)算檢出限(3S/N),結(jié)果如表1所示。

表1 線性參數(shù)和檢出限Tab.1 Linearity parameters and detection limits

由表1 可知,各農(nóng)藥的檢出限為0.004～0.010 mg·L－1。

2.7 精密度和回收試驗(yàn)

按照試驗(yàn)方法對(duì)空白油麥菜樣品進(jìn)行4個(gè)濃度水平的加標(biāo)回收試驗(yàn),每個(gè)濃度水平平行測(cè)定6次,計(jì)算回收率和測(cè)定值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD),結(jié)果如表2所示。

表2 精密度和回收試驗(yàn)結(jié)果(n=6)Tab.2 Results of tests for precision and recovery(n=6)

由表2可知,回收率為89.2%～95.8%,測(cè)定值的RSD 不大于7.0%,說明方法準(zhǔn)確可靠。

2.8 樣品分析

按照試驗(yàn)方法分析從肇慶市端州區(qū)某市場(chǎng)購(gòu)入的青瓜、瓜苗、油麥菜、豆角、菜心、番薯葉、芹菜、白菜、尖椒、木耳菜、空心菜等11種蔬菜樣品,均未檢出4種有機(jī)磷農(nóng)藥的殘留,符合GB 2763－2021《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中農(nóng)藥最大殘留限量》關(guān)于這4種有機(jī)磷農(nóng)藥殘留限量(0.05～10 mg·kg－1)的規(guī)定。

本工作自制了一種呈層狀疏松多孔結(jié)構(gòu)的尖晶石型Co3O4凈化劑,該凈化劑的比表面積為22.054 m2·g－1,Co3O4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為87.0%,以此凈化劑對(duì)蔬菜樣品進(jìn)行分散固相萃取凈化,凈化劑用量?jī)H為QuECh ERS 法的百分之一,實(shí)現(xiàn)了蔬菜中磷胺、倍硫磷、喹硫磷、丙溴磷殘留量準(zhǔn)確、高效的測(cè)定,可為相關(guān)從業(yè)人員提供方法參考。