磁固相萃取結合氣-質聯用測定土壤中的有機氯農藥

曲 博， 王 慧， 丁 杰， 于愛民

(1.中國航空工業空氣動力研究院質量安全處，黑龍江哈爾濱 150009；2.哈爾濱工業大學城市水資源與水環境國家重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150090；3．吉林大學化學學院，吉林長春 130012)

有機氯農藥(Organochlorine Pesticides,OCPs)作為一種重要的殺蟲劑，自20世紀40年代以來在世界范圍內得到大規模生產和應用[1]。相關研究表明，有機氯農藥能在生物脂肪層中積累，對人類健康構成威脅[2 - 4]。盡管大多數有機氯農藥多年前已停止生產，但由于其在土壤中的持久性，土壤仍是有機氯農藥的重要蓄積庫和二次排放源，它可在地域和區域尺度上促進大氣污染，因此，監測土壤中的有機氯農藥殘留對于評估排放和氣-土分離至關重要。

近年來，利用氣相色譜-串聯質譜(GC-MS/MS)[5 - 7]或電子捕獲檢測器[8,9]等技術，分析環境樣品中的有機氯農藥已被大量報道。GC-MS/MS已被公認為一種靈敏度高、選擇性強的測定方法。然而，由于土壤基質復雜，地表水中有機氯農藥濃度低，很難通過GC-MS/MS直接檢測，因此分析方法還應包括強有力的萃取分離富集步驟，以去除基質干擾，提高方法靈敏度。

磁性固相萃取(MSPE)作為一種很有前途的樣品前處理技術已得到廣泛的研究[10,11]。磁性吸附劑可以通過外加磁場快速實現相分離，這避免了傳統固相萃取中裝柱、上樣、過濾等繁瑣步驟。磁性脂質體是一種人工制備的磁性納米顆粒，由類似細胞膜的磷脂雙分子層包裹著水相介質組成。脂質體具有無毒性、無免疫源性和生物降解性等特點，常被作為藥物載體用于臨床醫療，以降低藥物毒副作用并提高其療效[12]。磷脂雙分子層可以通過疏水作用吸附有機物，而且兩性離子端賦予磁性脂質體的外表面親水性，可以改善吸附劑在水溶液中的分散性能。Zhang等人[13]應用磁性磷脂雙層膜分析環境水體和牛奶中的多環芳烴，獲得了很好的吸附效果。本文提出了一種以磁性脂質體為吸附劑提取環境樣品中9種有機氯農藥的新方法。該方法簡單快速，萃取分離和富集可一步完成。我們對磁性脂質體的幾種性質進行了評價，并考察了影響吸附性能的主要實驗因素。

1 實驗部分

1.1 儀器、試劑與樣品

7890A-7000B氣相色譜-串聯三重四極桿質譜聯用儀(美國，安捷倫)；SIGMA 500場發射掃描電鏡(德國，卡爾蔡司)；JEM-1400透射電子顯微鏡(日本，日立)；FT-IR 360傅里葉變換紅外光譜儀(美國，尼克萊)；SB -5200DT超聲清洗儀(寧波新芝生物科技股份有限公司)。

有機氯農藥標準品：五氯苯、六氯苯、α-六六六、林丹、α-氯丹、十氯酮、p,p′-DDT、β-硫丹、滅蟻靈，均購于德國Dr.Ehrenstorfer公司；大豆卵磷脂和膽固醇購于德國Sigma-Aldrich公司；分析純FeCl3·6H2O和FeCl2·4H2O購于上海阿拉丁試劑有限公司；分析純乙腈、乙醇、甲醇、丙酮、正己烷、三氯甲烷、HAc和氨水等試劑購于北京化工廠。水為去離子水。

土壤樣品取樣于哈爾濱市、吉林市和敦化市境內5處不同區域的土地，包括化工廠附近、農田、公園、公路大橋等。土樣經過風干，研磨，過10目篩子后，置于暗處保存。

1.2 氣相色譜-串聯質譜分析

氣相色譜柱為HP-5MS毛細管柱(30 m×0.25 mm i.d.,0.25 μm;Agilent)，固定相為(5%苯基)甲基聚硅氧烷。以氦氣為載氣，流速為1.2 mL/min。柱溫箱梯度升溫：初始溫度80 ℃，以15 ℃/min速度升溫至305 ℃，保持3 min。進樣體積2 μL。進樣口溫度230 ℃，在不分流進樣模式下工作。

質譜參數如下：輸送線溫度305 ℃，離子源溫度230 ℃，四極桿溫度150 ℃，電子沖擊電離能70 eV，溶劑延遲時間5 min。在MS1質量為50～400 amu的范圍內，對9種分析物進行全掃描監測，以獲得它們的保留時間，并確定合適的前級離子。然后將識別出的前級離子進一步碎片化，進而在MRM的工作模式下進行數據采集。

1.3 磁性脂質體的準備

采用化學共沉淀法制備Fe3O4磁性納米粒子[14]：氮氣保護下，將100 mL含有0.01 mol FeCl2·4H2O和0.02 mol FeCl3·6H2O的水溶液加熱至80 ℃，然后加入40 mL 2.0 mol/L的NaOH溶液，恒溫水浴下攪拌60 min。用外加磁鐵收集沉淀物，用去離子水和乙醇反復清洗。

采用改進的干脂膜水化法制備了磁性脂質體[12,15]：將Fe3O4納米顆粒(1.0 g)用無水乙醇和三氯甲烷沖洗幾次以去除水分，然后分散在含有卵磷脂(0.6 g)和膽固醇(0.12 g)的50 mL三氯甲烷中。所有組分經超聲分散5 min后，在40 ℃旋轉蒸發溶劑，并在旋蒸瓶上形成均勻薄膜。隨后，將旋蒸瓶置于真空干燥箱中至少3 h，以去除殘留有機溶劑。用超聲波儀水合120 min，使所得的干脂膜分散在去離子水中。制得的磁性脂質體用外部磁鐵分離，用乙醇清洗，然后分散到80 mL去離子水中。磁性脂質體懸浮液被儲存在4 ℃的冰箱中。凍干后的磁性脂質體重量約為1.6 g，所以磁性脂質體懸浮液的濃度約為20 mg/mL。

1.4 實際樣品分析

稱取2 g土壤樣品于錐形瓶中，再將10 mL乙腈加入錐形瓶，搖勻，超聲萃取8 min后離心。將上清液取出并分散于200 mL的去離子水中，加入120 mg的磁性脂質體，吸附25 min后，在強磁場作用下快速從溶液中分離出捕獲了有機氯農藥的磁性脂質體。用1 mL乙腈超聲洗脫吸附在磁性脂質體上的目標物。這個洗脫過程重復進行三次，每次超聲輔助時間為40 s。用氮吹儀在50 ℃條件下，將合并后的洗脫液吹干。用0.5 mL正己烷回溶殘渣并進行氣相色譜-串聯質譜分析。

2 結果與討論

2.1 磁性脂質體的表征

圖1 Fe3O4(a)和磁性脂質體(b)的傅立葉變換紅外(FT-IR)光譜(A)圖和Fe3O4(a)和磁性脂質體(b)的磁化曲線(B)Fig.1 FT-IR spectra(A) and magnetization curves(B) of the obtained Fe3O4(a) and magnetoliposomes(b) nanoparticles

2.2 吸附容量的測定

以林丹、p,p′-DDT和滅蟻靈為模型目標物，用靜態吸附法測定磁性脂質體對有機氯的吸附容量(圖2A)。在5 mL離心管中制備了一系列初始濃度為5～500 mg/L的2 mL 有機氯農藥溶液，每個溶液中均含有20 mg的磁性脂質體。將離心管置于恒溫振蕩器中，于25 ℃、150 r/min振蕩。達到平衡后(6 h)，用6 mL正己烷分三次萃取水溶液，合并有機相后濃縮至1 mL。采用氣相色譜-串聯質譜測定吸附后有機氯農藥的平衡濃度。計算吸附劑對有機氯農藥的吸附容量(qe):qe=(c0-ce)×V/m。其中，c0和ce(mg/L)分別是有機氯農藥溶液的初始濃度和吸附后的平衡濃度，V(L)為水溶液體積，m(g)為磁性脂質體的質量。磁性脂質體對林丹、p,p′-DDT和滅蟻靈的吸附容量分別為20.73、21.43和17.42 mg/g。

2.3 吸附動力學

以林丹、p,p′-DDT和滅蟻靈為模型目標物，通過靜態吸附法研究了吸附容量隨吸附時間的變化。準確稱量磁性納米吸附劑20 mg，分散于2.0 mL 100 mg/L的有機氯農藥標準溶液中，將離心管置于恒溫振蕩器上。在1～20 min內，磁性脂質體對有機氯農藥的吸附容量迅速增大，20～30 min內，增大趨勢漸緩，30 min后增大趨勢不明顯。因此，磁性脂質體對有機氯農藥的吸附在30 min內達到平衡(圖2B)。

圖2 (A) 磁性脂質體對有機氯的靜態吸附等溫線；(B) 磁性脂質體對有機氯的吸附動力學曲線Fig.2 (A) Adsorption isotherms of OCPs;(B) Adsorption kinetic curves for OCPs OCPs:1.lindane(γ -HCH);2.p,p′-DDT;3.mirex.

2.4 實驗條件的優化

2.4.1 磁性脂質體的用量在提取過程中，磁性脂質體分散在土壤萃取溶液中。通過改變吸附劑的用量(60～160 mg)，考察其用量對回收率的影響。當磁性脂質體質量從60 mg增加到120 mg時，9種目標物的回收率均有明顯提高，進一步增加吸附劑的用量對有機氯農藥的回收率沒有明顯的提高。由于吸附劑用量越大，洗脫時間增加，洗脫溶劑用量增大。因此，選擇120 mg作為吸附劑的用量。

2.4.2 萃取時間考察了萃取時間(5～35 min)對有機氯農藥回收率的影響。隨著萃取時間的延長，有機氯農藥的回收率逐漸增加，達到25 min后，有機氯農藥的回收率保持不變，即萃取平衡時間為25 min。選擇萃取時間為25 min，9種目標物的回收率范圍為80.1%～93.8%。

2.4.3 洗脫條件采用甲醇、乙腈、乙醇、丙酮、正己烷等一系列洗脫溶劑對洗脫步驟進行優化。由于丙酮、正己烷與水不互溶，單獨使用丙酮或正己烷對有機氯農藥的洗脫效果不明顯。與其他有機溶劑相比，乙腈對有機氯農藥的回收率最高，而且連續多次脫附后未見結轉效應。隨后，以乙腈為洗脫劑，考察洗脫溶劑體積(1～6 mL)對回收率的影響。當乙腈體積為3 mL時，9種有機氯農藥回收率為78.4%～88.9%。繼續增加乙腈體積，回收率上升幅度不明顯。采用3 mL乙腈為洗脫溶劑?？疾炝顺晻r間(10～60 s)對有機氯農藥回收率的影響。當超聲時間從10 s增加至40 s時，有機氯農藥的回收率逐漸增加。當超聲時間為40 s時，有機氯農藥的回收率達到最大值。實驗表明，以3 mL乙腈為洗脫溶劑，分三次進行超聲洗脫，每次洗脫超聲時間為40 s，回收率為81.6%～90.1%。

2.5 磁性脂質體的重復使用性

將100 mg磁性脂質體吸附劑重復進行吸附-洗脫-吸附實驗，重復8次，測定其吸附容量。重復利用6次以后，吸附容量雖然有所下降，但仍保持在初始吸附容量的85%左右。因此，該吸附劑具有較好的穩定性和重復利用性能。

2.6 方法驗證

本方法的檢出限(LOD)和定量限(LOQ)分別由信噪比的3倍信號和10倍信號所對應的濃度值得出。由表1可以看出，本方法的靈敏度高，線性范圍寬。而且每種有機氯農藥都呈現出了良好的線性，在測定濃度范圍內，線性相關系數均大于0.99。

表1 方法的各分析參數

為了考察本方法的重現性，在一天之內平行測定5次3個加標濃度水平下的加標樣品，得到的5次結果的相對標準偏差即為日內精密度；每天測定一次3個加標濃度水平下的加標樣品，連續測定5 d，得到的5次結果的相對標準偏差即為日間精密度。九種有機氯農藥的日內精密度為2.6%～4.9%，日間精密度為3.5%～7.7%。

2.7 實際樣品分析

為了驗證本方法的可行性及有效性，從不同的地方采集5種土壤樣品進行分析。在方法的檢測限范圍內，在化工廠附近收集的土樣中發現了五氯苯的存在，濃度為3.6 ng/g。在公路大橋附近收集的土樣中發現了六氯苯的存在，濃度為8.0 ng/g。隨后對5種土樣分別進行加標測定，加標濃度分別為10，50，200 ng/g，五氯苯、六氯苯、α-六六六、林丹、α-氯丹、十氯酮、p,p′-DDT、β-硫丹、滅蟻靈的回收率分別為75.6%～83.7%,86.8%～93.6%,79.4%～92.9%,89.5%～99.4%,80.6%～91.7%,83.1%～91.8%,84.8%～96.0%,83.1%～90.2%和72.4%～88.0%。

3 結論

本研究制備了一種新型磁性納米吸附劑，并成功將其應用于土壤樣品中痕量有機氯農藥的快速提取和富集。本方法簡化了分析步驟，節約了分析成本。同時，磁性脂質體吸附劑所具有的良好的超順磁性，使其能短時間內(<30 s)在外加磁場的作用下，從土壤基質溶液中分離出來，避免了傳統方法中的過柱操作，大大的減少了分析時間。同時，該吸附劑對土壤中的大分子共萃取物具有天然的屏蔽作用，將其用于土壤樣品的分離純化，能夠快速吸附有機氯農藥并有效排除干擾。因此，磁性脂質體可用于實際樣品中有機氯農藥的分離富集，在環境樣品前處理方面具有良好的應用前景。