自制Co3 O4 多孔材料净化-气相色谱法测定蔬菜中4种有机磷农药的残留量

操江飞，黄芷莹，韦寿莲，谢春生，陈志胜，姬鸿鹤，冯学璞

(1.肇庆学院 环境与化学工程学院,肇庆 526061;2.肇庆学院 广东省环境健康与资源利用重点实验室,肇庆 526061)

有机磷农药是一类使用广泛、快速高效的农药,大多具有中、高毒性,其若被不合理使用,将会导致食用蔬菜中的农药残留量超标,产生人急、慢性中毒等饮食安全风险[1-2]。因此,有必要对食用蔬菜中的有机磷农药含量进行监测。

目前相关检测方法主要包括气相色谱法[3]、气相色谱-质谱法[4]及液相色谱-质谱法[5]。但是蔬菜样品基质比较复杂,难以直接进样检测,需要配合相关前处理方法。已有的常规前处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]、基质固相分散法(MSPD)[9-10]和凝胶渗透色谱法(GPC)[11-12]。其中SPE 具有样品容量大、稳定、精确、分离度高的优点,但对于复杂基质样品和手性化合物的分离效果不理想[13];SPME 广泛用于挥发性、半挥发性物质的富集和检测,萃取过程中不使用有机溶剂,但由于受环境干扰大,该方法进样耗时长,吸附量受限,定量结果误差相对较大[1];QuEChERS法虽然操作简便、有机溶剂消耗少、仪器要求低,但净化剂价格昂贵,处理成本高;MSPD和GPC存在有机洗脱剂用量大的缺点。因此,需要开发一种价格低廉、有机溶剂消耗少并且适用于复杂基质的净化剂。Co3O4具有典型的AB2O4型立方尖晶石结构,是一种重要的反铁磁性材料,是常见的吸附材料之一,其吸附中心为表面的不饱和键和晶格氧,已被用于吸附去除水体中的砷[14],但在蔬菜样品农药残留处理方面报道较少。鉴于此,本工作自制了一种多孔、比表面积大的Co3O4净化剂,并用其净化蔬菜样品基质,用附火焰光度检测器(FPD)的气相色谱法测定净化液中磷胺、倍硫磷、喹硫磷、丙溴磷等4种常见有机磷农药的残留量,该方法快速、经济、灵敏,可为多种蔬菜样品中有机磷农药残留的检测提供参考。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

Agilent 7890B 型气相色谱仪,附FPD;TD3(800B)型台式低速离心机;AUY120 型电子天平;Autosorb-iQ 型全自动比表面和孔径分析仪;D8 Advance型X 射线粉末衍射仪;GL-88B 型涡旋混合器;SUPPA 55 SAPPHIRE型场发射扫描电子显微镜;DTG-60 H 型热重分析仪。

磷胺、倍硫磷、丙溴磷标准溶液:1 000 mg·L－1,编号分别为GSB05-1866-2010-2、GSB05-2299-2016-2、GSB05-2640-2010-2。

喹硫磷标准溶液:100 mg·L－1,编号为GSB05-2674-2016-2。

混合标准溶液系列:取适量各有机磷农药标准溶液,用丙酮逐级稀释,配制成质量浓度均为0.016,0.032,0.040,0.080,0.10,0.20,0.30,0.40,0.50,0.60 mg·L－1混合标准溶液系列。

甲苯、丙酮、三氯甲烷、二甲苯、异丙醇、甘氨酸、硝酸铵、葡萄糖为分析纯;乙腈为色谱纯;六水合硝酸钴的纯度为98%;试验用水为去离子水。

1.2 仪器工作条件

1.2.1 色谱条件

HP-5毛细管色谱柱(30 m ×0.32 mm,0.25μm);进样口温度220 ℃,检测器温度250 ℃。柱升温程序:初始柱温80 ℃,保持0.5 min;以12 ℃·min－1速率升温至190 ℃;以8 ℃·min－1速率升温至250 ℃,保持4.0 min;以20 ℃·min－1速率升温至300 ℃。载气为氮气,纯度不小于99.999%,流量3 mL·min－1,恒流模式;燃气为氢气,纯度不小于99.999%,流量75 mL·min－1;助燃气为空气,流量100 mL·min－1;尾吹气为氮气,流量60 mL·min－1;不分流进样;进样体积为1.00μL。

1.2.2 表征条件

1)X 射线衍射法(XRD)电压40 kV;电流40 m A;扫描角度10°～70°;狭缝宽度0.2 mm;步进宽度0.02°;步进时间0.1 s。

2)场发射电子扫描显微镜(FESEM)电压5.0 kV;工作距离13.2 mm;放大倍数5 000,10 000,20 000。

3)吸附比表面测试(BET)脱气温度100 ℃;脱气时间3 h;吸附/脱附气为氮气,温度77 K。

4)热重分析(TG)温度范围25～800 ℃;工作气为空气,保护气为氮气;升温速率10 ℃·min－1。

1.3 净化剂的制备

参照文献[15],分别取甘氨酸0.373 2 g、六水合硝酸钴7.24 g、硝酸铵1.0 g、葡萄糖1.46 g于蒸发皿中,用少量蒸馏水溶解,于300℃加热并不断搅拌,至燃烧完全,继续加热至产物变成黑色,即得Co3O4净化剂。

1.4 试验方法

取蔬菜样品可食用部分,切碎后放入研钵中研磨至糊状。取糊状样品2.5 g于10 mL 离心管中,加入5.0 mL 甲苯,以2 400 r·min－1转速涡旋5 min后放入离心机中,以3 500 r·min－1转速离心5 min。分取上清液4.0 mL,加入1.3节制备好的Co3O4净化剂0.07 g,以2 400 r·min－1转速涡旋5 min后放入离心机中,以3 500 r·min－1转速离心30 s。用1.0 mL注射器吸取上清液0.6 mL,用0.22μm 滤膜过滤,滤液按照1.2.1 节色谱条件检测。

2 结果与讨论

2.1 净化剂的表征

净化剂的XRD 图如图1所示。

图1 净化剂的XRD图Fig.1 XRD pattern of the purifier

结果显示,2θ为31.4°,36.9°,44.8°,59.4°,65.2°处有明显的衍射峰,分别对应Co3O4晶体(220),(311),(400),(511)和(440)的晶面反射峰,与尖晶石型Co3O4的特征衍射峰吻合,说明制得的净化剂为尖晶石型Co3O4材料。

净化剂的FESEM 图如图2所示。

图2 净化剂的FESEM 图Fig.2 FESEM image of the purifier

由图2可知,制得的净化剂呈层状堆积的疏松多孔结构。

净化剂的吸/脱附等温线如图3所示。

图3 净化剂的BET 图Fig.3 BET image of the purifier

根据国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)提出的物理吸附等温线分类,图3所示的吸/脱附等温线为Ⅳ型,在相对压强(p/p0)0.5～1.0 内有滞后环,说明制得的净化剂具有介孔结构。依据BJH 模型[16],计算得孔径为20～40 nm;依据BET 方程[17],计算得比表面积为22.054 m2·g－1。

净化剂的TG 曲线如图4所示。

图4 净化剂的TG 曲线Fig.4 TG curve of the purifier

由图4可知,净化剂的质量损失率为13.0%,可能是其中有机物被氧化成二氧化碳挥发了,说明净化中Co3O4的质量分数约为87.0% 。

2.2 色谱行为

按1.2.1节色谱条件分析4种有机磷农药混合标准溶液,其中磷胺、倍硫磷、喹硫磷、丙溴磷的质量浓度分别为0.080,0.040,0.040,0.080 mg·L－1,色谱图如图5所示。

图5 混合标准溶液的色谱图Fig.5 Chromatogram of the mixed standard solution

由图5可知,各有机磷农药的色谱峰峰形尖锐,响应值较高,可在15 min内实现基线分离,同时磷胺顺反异构体也得到了拆分和分离,说明本方法色谱分离效果的优越性。

2.3 提取溶剂的选择

选择色素含量低、基质效应影响较小的白萝卜[18]作为基质进行加标回收试验。依据各农药的溶解性,选取乙腈、丙酮、甲苯、异丙醇、三氯甲烷、二甲苯作为提取溶剂,并比较了其对各有机磷农药的提取回收率。结果表明:甲苯的提取回收率为80.0%～120%,准确度较高;乙腈、丙酮、异丙醇和三氯甲烷的提取回收率均不小于120%,回收率相对偏高;二甲苯对磷胺的提取回收率低于50.0%。因此,试验选择甲苯作为蔬菜中有机磷农药的提取溶剂。

2.4 净化剂及其用量的选择

选择色素含量较高的番茄作为基质,比较QuEChERS净化剂和Co3O4净化剂对色素的吸附能力。结果显示:加入Qu ECh ERS净化剂和Co3O4净化剂后,样品溶液均由红色变为无色,说明QuEChERS净化剂和Co3O4净化剂对蔬菜色素都有很强的吸附能力;在达到相同吸附效果时,Co3O4净化剂的用量仅为Qu ECh ERS净化剂用量的百分之一,避免了因净化剂用量过多而导致的农药被吸附的现象,说明以Co3O4作为净化剂更加绿色环保和高效。

净化剂用量会影响样品的净化效果,用量过低,样品中色素及其他杂质去除不完全;用量过多,部分农药可能会被吸附,回收率降低。因此,试验以油麦菜样品为基质,考察了Co3O4净化剂用量分别为0,0.01,0.03,0.05,0.07,0.09 g时对样品净化效果的影响。结果表明,样品溶液中色素随着Co3O4净化剂用量的增加而减少,当Co3O4用量不少于0.07 g时,样品溶液呈无色,说明色素基本被吸附完全,继续增加净化剂用量至0.09 g,各农药回收率低于0.07 g的(80.8%～102%),尤其是磷胺,回收率低于70.0%。因此,试验选择Co3O4净化剂用量为0.07 g。

2.5 净化涡旋时间的选择

涡旋时间也是影响净化效果的因素之一。以上述同一批油麦菜样品为基质,考察了净化涡旋时间分别为0,1,3,5,7,10 min时对样品净化效果的影响。结果表明,净化效果随涡旋时间的延长而变好,在涡旋时间不小于5 min时,样品溶液基本呈无色。因此,试验选择的净化涡旋时间为5 min。

2.6 标准曲线和检出限

按照1.2.1 节色谱条件分析混合标准溶液系列,以各农药的质量浓度为横坐标,其对应的峰面积为纵坐标进行线性拟合,线性参数如表1所示,其中磷胺以两种顺反异构体含量的总和以及对应的峰面积的总和进行线性拟合。

以3倍信噪比(S/N)计算检出限(3S/N),结果如表1所示。

表1 线性参数和检出限Tab.1 Linearity parameters and detection limits

由表1 可知,各农药的检出限为0.004～0.010 mg·L－1。

2.7 精密度和回收试验

按照试验方法对空白油麦菜样品进行4个浓度水平的加标回收试验,每个浓度水平平行测定6次,计算回收率和测定值的相对标准偏差(RSD),结果如表2所示。

表2 精密度和回收试验结果(n=6)Tab.2 Results of tests for precision and recovery(n=6)

由表2可知,回收率为89.2%～95.8%,测定值的RSD 不大于7.0%,说明方法准确可靠。

2.8 样品分析

按照试验方法分析从肇庆市端州区某市场购入的青瓜、瓜苗、油麦菜、豆角、菜心、番薯叶、芹菜、白菜、尖椒、木耳菜、空心菜等11种蔬菜样品,均未检出4种有机磷农药的残留,符合GB 2763－2021《食品安全国家标准 食品中农药最大残留限量》关于这4种有机磷农药残留限量(0.05～10 mg·kg－1)的规定。

本工作自制了一种呈层状疏松多孔结构的尖晶石型Co3O4净化剂,该净化剂的比表面积为22.054 m2·g－1,Co3O4的质量分数为87.0%,以此净化剂对蔬菜样品进行分散固相萃取净化,净化剂用量仅为QuECh ERS 法的百分之一,实现了蔬菜中磷胺、倍硫磷、喹硫磷、丙溴磷残留量准确、高效的测定,可为相关从业人员提供方法参考。