多壁碳纳米管固相萃取分析有机磷农药残留

作者：赵海香 ，史文礼 孙大江 王华 张连鹏 赵孟彬 丁明玉

【摘要】 建立了多壁碳纳米管为吸附剂的固相萃取净化和火焰光度检测气相色谱法测定蔬菜中16种有机磷农药的方法。采用双柱双检测器进行定性和定量分析。建立了水相和有机相上样两种净化体系。水相上样时采用pH 5.0醋酸醋酸钠缓冲体系，真空抽干除水，二氯甲烷为洗脱剂，只有9种农药的回收率>75%。对于正己烷溶解药物，丙酮正己烷(5∶5，V/V)作洗脱剂的有机相净化体系，16种农药回收率均>75%。本研究提出的有机相上样净化体系用于黄瓜、卷心菜、韭菜、生姜和洋葱等样品的净化，效果良好，表明多壁碳纳米管具有较强的吸附和去除色素的能力，可以克服色素对测定的干扰。

【关键词】 多壁碳纳米管， 固相萃取， 有机磷农药， 蔬菜， 气相色谱火焰光度法

1 引 言

有机磷农药通常采用火焰光度检测气相色谱法(GC/FPD)测定，FPD为选择性检测器，蔬菜样品往往可不经净化而直接进样分析，样品中的色素一般不影响测定。但基质复杂的含硫蔬菜通常需要采用固相萃取(SFE)净化[1]，如采用Florisil SPE柱净化。对于颜色较深的蔬菜样品，Florisil SPE柱净化后仍有一定颜色，会导致进样口、色谱柱和检测器污染，从而增大分析误差[2]。

多壁碳纳米管(Multiwalled carbon nanotubes，MWCNTs)作为固相萃取吸附剂被用于动物组织中巴比妥[3]、苯二氮卓[4]和磺胺[5]等兽药残留检测的样品净化;水样中有机磷[6]和有机氯[7，8]农药以及除草剂[9，10]测定的样品富集与净化。Lidia等[11]用MWCNTs SPE柱对苹果、葡萄和橘子酱样品进行净化，同时测定了8种有机磷农药残留量，回收率为75%～103%。文献报道的MWCNTs SPE柱净化体系均采用水溶液上样，有机溶剂洗脱。对于水溶性差别较大的有机磷农药，采用水溶液上样时部分有机磷农药的回收率较低，因此测定的有机磷农药种类有限。本研究考察了有机相上样对蔬菜样品的净化效果。结果表明，常见的16种有机磷农药的回收率均>75%，克服了水相上样的缺点，简化了操作步骤。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

6890型气相色谱仪(美国Agilent公司)，配FPD检测器和Agilent 7683型双塔自动进样器;SGHK 500型氢气发生器(北京东方精华苑科技有限公司);Omni 混合匀浆机(美国Omni公司)。

浓度均为100.0 mg/L的甲胺磷、速灭磷、甲拌磷、二嗪农、久效磷、乐果、甲基毒死蜱、甲基嘧啶磷、毒死蜱、倍硫磷、水胺硫磷、喹硫磷、杀扑磷、乙硫磷、伏杀硫磷及亚胺硫磷标准品(农业部环境保护科研监测所); 其余试剂均为分析纯; 水为二次蒸馏水; 0.1 mol/L HAcNaAc缓冲溶液(pH 5.0)。

2.2 色谱条件

气相色谱采用双柱双火焰光度检测器系统。A柱为HP50毛细管柱(30 m×0.53 mm， 1.0 μm)，B柱为HP1毛细管柱(30 m×0.53 mm， 1.5 μm);柱温采用程序升温，起始温度为150 ℃，保持 2 min， 8 ℃/min升至250 ℃保持12.5 min;载气为高纯氮气(99.999%)，流速为10 mL/min;进样口温度为220 ℃;FPD检测器温度为250 ℃，氢气流速为75 mL/min，空气流速为100 mL/min;不分流进样1.0 μL。

2.3 样品提取

准确称取制备好的蔬菜样品25 g放入匀浆机的匀浆杯中，加入50.00 mL乙腈，以12000 r/min匀浆提取2 min。提取液过滤至加有5～7 g NaCl的100 mL具塞量筒中。振荡混合1 min，振荡时随时注意样品是否乳化，静置，使有机相与水相完全分层。

准确移取10.00 mL有机相于100 mL烧杯中，烧杯置于70 ℃水浴中加热，并通氮气浓缩至1 mL以下，自然挥发至干，向烧杯中加入适当溶液溶解，盖上铝箔待下一步分析。

2.4 MWCNTs SPE净化

2.4.1 MWCNTs SPE柱的制备 称取0.25～0.50 g MWCNTs(长度5～15 μm，直径20～40 nm)于6 mL固相萃取空柱管中，MWCNTs的用量与所处理的样品量有关。5 g以下蔬菜样品用量为0.25 g，放置上下筛板，控制填装高度以保证其在一定的压力下具有0.5 mL/min的流速。填装好的MWCNTs SPE柱使用前需预处理。

2.4.2 水相上样净化分析 MWCNTs SPE柱依次用5 mL甲醇、5 mL HAcNaAc缓冲溶液淋洗。用5 mL HAcNaAc缓冲液(pH 5.0)溶解挥干后的样品残渣，并以0.5 mL/min的流速通过SFE柱，再加5 mL HAcNaAc缓冲液洗涤烧杯，并通过SPE柱，真空抽干10 min除水。用10 mL二氯甲烷洗脱样品，收集洗脱液于具塞小瓶中，盖上瓶塞，缓慢混匀，静置10 min，小心移去上层水相，有机相用氮气吹干。加入1 mL丙酮，涡动溶解后转移至两个气相小瓶，进行双柱GC/FPD分析。

2.4.3 有机相上样净化分析 MWCNTs SPE柱依次用5 mL丙酮正己烷(5∶5， V/V)、5 mL正己烷淋洗。用2 mL正己烷溶解挥干后的样品残渣，以0.5 mL/min的流速通过SFE柱，收集于15 mL离心管中，用10 mL丙酮正己烷(5∶5， V/V)分多次洗涤烧杯，并通过SPE柱，收集全部淋洗液，氮气吹干。加1 mL丙酮复溶后转移至两个气相小瓶中，进行双柱GC/FPD分析。

3 结果与讨论

3.1 16种有机磷农药的双柱GC/FPD分析方法的建立

采用双柱GC/FPD法同时测定16种有机磷农药残留量，用HP50柱进行定性和定量分析，HP1柱进行验证。一次进样，同时收集两套数据供定性和定量分析。如图1所示，伏杀硫磷和亚胺硫磷在HP50柱上不能达到基线分离，但在HP1柱上可以完全分开。这样可以保证物质在HP50柱分离不理想的情况下，定性和定量分析更加准确。选用HP50柱进行定量分析，在0.05～1.00 mg/L范围内，16种农药的线性关系良好，线性相关系数r≥0.995。

1. 甲胺磷(Methamidaphos); 2. 速灭磷(Mevinphos); 3. 甲拌磷(Phorate); 4. 二嗪农(Diazinon); 5. 久效磷(Monocrotophos); 6. 乐果(Dimethoate); 7. 甲基毒死蜱(Chlorpyrifosmethyl); 8. 甲基嘧啶磷(Pirimiphosmethyl ester); 9. 毒死蜱(Chlorpyrifos); 10. 倍硫磷(Fenthion); 11. 水胺硫磷(Isocarbophos); 12. 喹硫磷(Quintiofos); 13. 杀扑磷(Methidathion); 14. 乙硫磷(Ethion); 15. 伏杀硫磷(Phosalone); 16. 亚胺硫磷(Phthalophos)。3.2 MWCNTs SPE柱的特点

MWCNTs柱的大小(直径、长度及填料用量)、填装高度和紧密程度直接影响测定结果的重复性。一次实验所用的MWCNTs SPE柱最好一次填充完毕，并能够保证在一定的压力下具有0.5 mL/min的流速。填装好的MWCNTs SPE柱与C18柱、Florisil SPE柱相比，筛板液面的润湿性保持较长时间，可以使操作者有充分的时间更换溶剂，从而避免重复活化，节省分析时间和有机溶剂的用量。MWCNTs SPE柱在某些分析中可以代替C18和Florisil SPE柱，降低分析成本。以净化5 g蔬菜样品为例，MWCNTs SPE可降低成本50%～70%。

3.3 水相上样净化条件优化与净化效果

3.3.1 MWCNTs SPE柱净化条件优化 以甲胺磷、甲拌磷、乐果、胺丙畏、二嗪农、甲基嘧啶磷6种有机磷农药为例，研究了上样溶液HAcNaAc缓冲液的pH值对回收率的影响。结果表明，上样溶液的pH在4～8范围内，对乐果、胺丙畏、二嗪农及甲基嘧啶磷影响不大，4种药物的回收率为75%～120%。甲拌磷的回收率随pH的增大而降低，pH在4～6范围内，回收率为75%～85%。在所有pH范围内，甲胺磷回收率低于15%。进一步研究表明，由于甲胺磷水溶性较大，在MWCNTs SPE柱上存在穿漏现象，因此测定水样品中的甲胺磷时，可以用适当的溶剂(如二氯甲烷)从MWCNTs SPE柱的水样流出液中提取，回收率大于80%。因此，MWCNTs SPE柱净化水样品中的有机磷农药的适宜pH为4～6。

研究了丙酮正己烷、乙腈和二氯甲烷3种常用洗脱剂的洗脱效果。实验结果表明，丙酮正己烷洗脱时随着丙酮含量的增加，回收率增大。丙酮比例大于40%(V/V)时可以获得较好的回收率。MWCNTs对水具有强的吸附能力，采用真空抽干除水时，不能完全除去水分，洗脱溶液中含有大量水分，必须采用进一步的方法除水。采用乙腈盐析提取和二氯甲烷提取，回收率均大于75%，但是增加了实验处理过程和分析时间。采用乙腈或二氯甲烷直接洗脱，甲拌磷的回收率分别为77.98%和75.86%;二嗪农为75.92%和79.84%;乐果为102.52%和99.53%;甲基嘧啶磷为75.80%和76.70%。二者的洗脱回收率相近，但是二氯甲烷的分层处理更方便。所以，本实验选用二氯甲烷作洗脱剂。

3.3.2 样品净化效果 利用建立的水相上样净化体系，对添加了除速灭磷外的15种有机磷农药的黄瓜样品进行净化处理和GC/FPD分析。结果表明，甲胺磷、甲基毒死蜱、毒死蜱、倍硫磷、乙硫磷和伏杀硫磷的回收率均小于62%，甲胺磷的回收率仅为15%，其余9种有机磷农药的回收率均大于75%，相对标准偏差小于11.7%。因此MWCNTs SPE柱采用水相上样时，只能选择性地富集净化部分有机磷农药。

3.4 有机相上样净化条件优化与净化效果

由于水相上样方法的缺陷，本实验参照传统的Florisil SPE净化条件，对MWCNTs SPE柱采用有机相上样净化蔬菜样品进行了研究。

3.4.1 MWCNTs SPE柱净化条件的优化 许多文献中蔬菜样品的Florisil SPE柱净化方法是正己烷溶解上样和丙酮正己烷洗脱。 图2 丙酮正己烷的配比对5种有机磷农药在MWCNTs SPE柱上的净化回收率的影响

Fig.2 Recoveries of 5 organophosphorus pesticides in MWCNTs SPE cartridge with acetonehexane

：甲胺磷(Methamidaphos); ：甲拌磷(Phorate); ：乐果(Limethoate); ：二嗪农(Jiazinou); ：甲基嘧啶磷(Pirimiphosmethyl ester)。本研究将蔬菜样品提取液残渣用2 mL正己烷溶解后直接上样，以10 mL丙酮正己烷(V/V)为洗脱剂。图2显示了不同体积比的丙酮正己烷的洗脱效果，当丙酮正己烷的体积比大于1∶10时，5种农药的回收率均大于70%。随着丙酮含量的升高，回收率增大，但同时洗脱出的干扰物和溶液颜色也增加。当洗脱剂为丙酮正己烷(5∶5， V/V)时，回收率均大于80%，此时洗脱出的样品溶液为无色。因此，本实验用丙酮正己烷(5∶5， V/V)进行洗脱。

3.4.2 样品净化效果 蔬菜样品中农药残留检测的最大干扰物是色素。采用Florisil SPE柱净化时，对于颜色较重的蔬菜，如油菜、生菜和韭菜等，其洗脱液具有较深的颜色。虽然有机磷农药的测定采用FPD选择性检测器，色素的存在不影响测定，但色素的存在会污染进样口、色谱柱和检测器，有时不得不采用预柱来减少干扰。本实验用MWCNTs SPE柱(6 mL，0.25 g)净化5 g蔬菜样品，净化后的溶液完全无色，表明MWCNTs SPE对色素具有较好的吸附去除效果。对于含硫蔬菜，样品基质在FPD检测器上会产生干扰峰，通过对MWCNTs SPE柱和Florisil SPE柱净化处理5 g韭菜样品的色谱图的比较， 图3 韭菜添加样品经MWCNTs SPE柱净化处理(A)和未经净化直接进样(B)的色谱图

Fig.3 Chromatograms of the spiked leek with a pretreatment by MWCNTs SPE cartridge(A) and without SPE pretreatment(B)可知二者的净化效果相当。

图3是添加了农药标准品的韭菜样品的色谱图，图3A用MWCNTs SPE进行了样品净化，而图3B未做样品净化处理。显然净化后干扰色谱峰数目和强度减少，而且，柱净化后的样品溶液为无色，未净化的样品为墨绿色。

MWCNTs SPE柱采用有机相上样净化体系对5种蔬菜样品中添加16种有机磷农药进行回收率实验，结果见表1。5种蔬菜中16种有机磷农药的回收率在75% ～110%之间; 相对标准偏差小于9.1%。与水相上样相比，有机相上样选择性更好，回收率均满足残留分析的要求。同时选用有机相可以减少除水操作，并可参照Florisil SPE的净化条件优化MWCNTs SPE柱的净化条件，从而节省分析时间，可快速建立相关的检测方法。表1 5种蔬菜中16种有机磷农药的添加回收率