馬銘揚,徐尉力,常珊珊,王 林,梁正基,李吉龍,王志兵

(長春工業(yè)大學(xué)化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院,吉林長春 130012)

磺酰脲類除草劑(Sulfonylurea herbicides,SUHS)是目前世界上廣泛使用的一類除草劑,具有高效性、廣譜性和高選擇性等優(yōu)點,常作為植物細胞分裂抑制劑,用于一年生或多年生雜草尤其是闊葉雜草的防治,其作用機理為抑制乙酰乳酸合成酶的合成,阻礙細胞分裂,從而達到滅草的作用[1-2]。由于其具有較高的水溶性,使磺酰脲類化合物易于侵入土壤[3-5]和地表水中[6-8],通過生物富集作用殘留于水稻[9]、大豆[10-11]和小麥[12-13]等各種農(nóng)作物中,繼而對各種深加工產(chǎn)品產(chǎn)生影響[14]。市售包裝豆奶作為一種新興的大豆深加工食品,其安全性受到消費者廣泛關(guān)注。目前,國內(nèi)外針對大豆豆奶中的多種除草劑殘留檢測都有了相關(guān)報道[15-16],我國國標(biāo)GB/T 23817-2009中規(guī)定原料大豆中磺酰脲類除草劑的限量標(biāo)準為0.02 mg/kg。因而,建立一種簡單、高效的方法用于檢測豆奶中磺酰脲類除草劑殘留是尤為重要的。

目前,常見的食品中磺酰脲類農(nóng)殘的檢測方法[17]有高效液相色譜法[18]、毛細管電泳法[19]和高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法[20-21]等,其中高效液相色譜法具有選擇性強、靈敏度高、分析時間短等優(yōu)點,常被用于農(nóng)殘檢測。磺酰脲類的樣品前處理方法主要有液液萃取、超聲提取和固相萃取等[22],這些方法不僅耗時、費力,而且均使用大量傳統(tǒng)有機溶劑作萃取劑。離子液體(Ionic liquids,ILs)是由有機陽離子和有機或無機陰離子組成的離子液體,作為一種“綠色溶劑”,具有不揮發(fā)、環(huán)境友好、熱穩(wěn)定性高和陰陽離子可設(shè)計性強等優(yōu)點[23],常被應(yīng)用于萃取和分離領(lǐng)域,但由于部分離子液體具有較高的粘度,使其在應(yīng)用時受到了很大限制。為了提高萃取效率,常?？赏ㄟ^渦旋、超聲、微波和加壓等輔助手段將離子液體破碎成小液滴[24],從而降低離子液體的表面張力[25-26],加速其在樣液中的分散和乳化,增大離子液體與目標(biāo)物的接觸面積,并通過π-π堆積、靜電、氫鍵、疏水作用力等與目標(biāo)分析物產(chǎn)生相互作用[25]。液液微萃取(Liquid-liquid microextraction,LLME)是在液液萃取的基礎(chǔ)上發(fā)展而來,因其具有試劑用量少、萃取過程簡單的優(yōu)點而被廣泛使用。分散于樣液中離子液體與水相之間分離成為了液液微萃取技術(shù)的關(guān)鍵步驟。分散固相萃取(Dispersive solid phase extraction,DSPE)是通過向溶液中加入吸附劑而使目標(biāo)物與樣品溶液發(fā)生相分離的一種常用于液體樣品的前處理方法。萃取時,吸附劑被直接加入到樣品溶液中,并經(jīng)渦流、振蕩等方式吸附目標(biāo)物或其載體,然后通過離心、過濾或磁性等方式與本體溶液分離,具有操作簡單、萃取時間短、萃取效率高、試劑用量少等優(yōu)點[26]。

因此,本研究首次將渦旋-超聲協(xié)同乳化離子液體液液微萃取與分散固相萃取相結(jié)合,對市售豆奶中的6種磺酰脲類除草劑進行萃取分析,以離子液體為萃取劑,經(jīng)超聲-渦旋協(xié)助作用促進離子液體與目標(biāo)分析物的結(jié)合,以蒙脫土為吸附劑,通過固相分散吸附離子液體,達到富集目標(biāo)分析物的目的。最后,通過乙腈解析富集有目標(biāo)分析物的離子液體,過濾后進入高效液相色譜分析、測定。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

不同品牌的市售包裝豆奶(樣品1～8) 均購買于當(dāng)?shù)爻?磺酰脲類標(biāo)準品:噻吩磺隆、甲磺隆、醚苯磺隆、氯磺隆、芐嘧磺隆和吡嘧磺隆(純度均>99.5%,結(jié)構(gòu)如圖1所示)、K-10蒙脫土 均購買于阿拉丁試劑公司;中性氧化鋁(200～300目)、酸性氧化鋁(100～200目)、堿性氧化鋁(200～300目)、PSA(200～300目)、硅膠(200～300目)、弗羅里硅土(60～100目) 均購買于中國藥品生物制品檢定所;三丁基十二烷基膦四氟硼酸鹽([P4 4 4 12][BF4])、三丁基十六烷基膦四氟硼酸鹽([P4 4 4 16][BF4])、三丁基辛基膦四氟硼酸鹽([P4 4 4 8][BF4]) 上海成捷化學(xué)有限公司;甲醇、乙腈 色譜級,科隆化學(xué)品有限公司;其他試劑 均為分析純,北京化工廠。

Agilent LC-1100高效液相色譜儀(配有四元泵、真空脫氣機以及二極管陣列檢測器) 美國Agilent公司;AcclaimTM120-C18色譜柱(5 μm,4.6 mm×250 mm) 美國Thermo公司;Allegra 5430R高速冷凍離心機 德國Eppendorf公司;XW-80A漩渦混合器 上海米青科實業(yè)有限公司;KQ-100DE超聲波清洗器 江蘇昆山市超聲儀器有限公司。

圖1 目標(biāo)分析物的化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.1 Chemical structures of sulfonylurea pesticides注:a:噻吩磺隆;b:甲磺隆;c:醚苯磺隆;d:氯磺隆;e:芐嘧磺隆;f:吡嘧磺隆。

圖2 渦旋/超聲協(xié)同乳化離子液體液液微萃取流程圖Fig.2 Schematic procedure of vortex-ultrasonic co-emulsification combine with ionic liquid liquid-liquid microextraction注：A為加標(biāo)樣品，B為混合標(biāo)準品；1～6分別為：噻吩磺隆、甲磺隆、醚苯磺隆、氯磺隆、芐嘧磺隆、吡嘧磺隆。

1.2 實驗方法

1.2.1 標(biāo)準溶液的配制 準確稱取噻吩磺隆、甲磺隆、醚苯磺隆、氯磺隆、芐嘧磺隆和吡嘧磺隆標(biāo)準品各5.0 mg,用乙腈分別定容于10 mL容量瓶中,配制成濃度為500.00 μg/mL的標(biāo)準儲備液,置于4 ℃的冰箱中避光保存。實驗所需其它工作溶液均通過乙腈稀釋各個標(biāo)準儲備液制得。

1.2.2 蒙脫土改性 取20.0 g的K-10蒙脫土置于瑪瑙研缽中,研磨10 min后裝于50 mL離心管中,以10.00 mL/g的比例加入乙腈,渦旋5 min,以5000 r/min離心5 min,棄去上清液,烘干后研磨均勻,得到改性蒙脫土。

1.2.3 樣品預(yù)處理 取40 mL加標(biāo)豆奶(100.00 μg/L)于50 mL離心管中,加入2.5 mL三氯乙酸溶液(10%,w/V),震搖混合后超聲5 min,然后以5000 r/min離心5 min,取10 mL上清液轉(zhuǎn)移至上下各墊有一層脫脂棉的凈化柱中,凈化柱中填充有2.0 g的中性氧化鋁。最后,定量收集8 mL樣液。除實際樣品分析外,其余實驗結(jié)果均由樣品1獲得。

1.2.4 渦旋/超聲協(xié)同乳化離子液體液液微萃取 萃取流程如圖2所示,將上述8 mL樣液置于10 mL離心管中,加入5.0 mg三丁基十二烷基膦四氟硼酸鹽([P4 4 4 12][BF4]),渦旋3 min后,按照超聲1 min、渦旋30 s的規(guī)律交替進行(重復(fù)3次),待樣液乳化分散后,加入0.15 g改性蒙脫土,渦旋2 min,然后以2000 r/min離心7 min,棄去上清液后,得到吸附有目標(biāo)物和離子液體的改性蒙脫土,向離心管中加入200 μL乙腈,用封口膜密封后將離心管渦旋1 min,解吸目標(biāo)物,并以7000 r/min離心2 min,用注射器吸取解吸液,過0.22 μm有機濾膜,進行色譜分析。

1.2.5 色譜條件 流動相由pH=2.5的磷酸水溶液(A)和乙腈(B)組成,梯度洗脫條件為:0 min,40%(B);0～15 min,40%～50%(B);15～20 min,50%～80%(B);20～25 min,80%～70%(B);25～33 min,70%～40%(B);33～40 min,40%(B)。流動相流速:0.5 mL/min;進樣體積:20 μL;柱溫:35 ℃;檢測波長:230 nm。

1.2.6 加標(biāo)回收率計算公式

加標(biāo)回收率(%)=(檢出量(μg/g)-原始量(μg/g))/加入量(μg/g)×100

1.3 數(shù)據(jù)處理

本研究以6種磺酰脲類化合物回收率為指標(biāo)對影響回收率的各個因素進行了優(yōu)化,并參照實驗結(jié)果推測各個結(jié)果產(chǎn)生的原因。采用Origin 8.0.6軟件進行統(tǒng)計分析,對影響目標(biāo)物萃取效率的離子液體種類、離子液體用量、改性蒙脫土用量、氯化鈉用量、離心轉(zhuǎn)速以及pH進行擬合優(yōu)化,得到最佳萃取條件。通過對工作曲線進行擬合,得到加標(biāo)濃度與回收率的線性關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 萃取條件優(yōu)化

通過預(yù)實驗確定萃取條件的取值范圍和最佳值,并在“1.2.3”和“1.2.4”小節(jié)所述最優(yōu)實驗條件下,通過改變單一萃取條件進行了正式實驗。進一步考察了離子液體種類、離子液體用量、改性蒙脫土用量、氯化鈉用量、離心轉(zhuǎn)速以及pH對目標(biāo)物回收率的影響。

2.1.1 離子液體種類的影響 在本研究中,離子液體作為一種綠色萃取劑,起到結(jié)合目標(biāo)物的作用,由于離子液體的種類很多,為了獲得最佳的萃取效果,本研究考察了[P4 4 4 8][BF4]、[P4 4 4 12][BF4]和[P4 4 4 16][BF4]3種不同離子液體對目標(biāo)分析物回收率的影響。結(jié)果如圖3所示,[P4 4 4 12][BF4]的萃取效果優(yōu)于[P4 4 4 8][BF4]和[P4 4 4 16][BF4],這可能是由于[P4 4 4 16][BF4]在室溫下難以完全融化,在渦旋-超聲協(xié)同作用后以大顆粒形態(tài)分散在樣液中,乳化效果較差,與目標(biāo)物的接觸面積相對較小,同時由于密度最低,使得[P4 4 4 16][BF4]分散時多聚集在上層樣液中,無法與目標(biāo)物充分接觸。此外,由于[P4 4 4 8][BF4]的烷基鏈較短,導(dǎo)致其與目標(biāo)分析物之間的疏水相互作用較弱,固提取率略低于[P4 4 4 12][BF4]。因此,本研究選擇[P4 4 4 12][BF4]作為萃取劑。

圖3 離子液體種類對回收率的影響Fig.3 Effect of ionic liquid type on recovery

2.1.2 離子液體用量的影響 離子液體作為吸附與富集目標(biāo)物的重要載體,其用量的多少決定了對目標(biāo)物的吸附量以及在蒙脫土上的富集量,所以本研究考察了0.0、2.0、5.0、10.0、15.0和30.0 mg[P4 4 4 12][BF4]對目標(biāo)物回收率的影響。研究發(fā)現(xiàn),隨離子液體用量的增加,乳化時間不斷延長,蒙脫土吸附后樣液渾濁度上升。從圖4可以看出,當(dāng)不使用[P4 4 4 12][BF4]時,蒙脫土仍對目標(biāo)物具有一定的萃取吸附能力,目標(biāo)物回收率接近80%～90%,這說明蒙脫土不僅能吸附樣液中的某些大電荷陽離子雜質(zhì),也能吸附目標(biāo)物。當(dāng)離子液體用量逐漸增加時,目標(biāo)物回收率也隨之增加,當(dāng)[P4 4 4 12][BF4]用量為5.0 mg時,回收率達到最大值。這可能是因為[P4 4 4 12][BF4]通過π-π堆積、疏水作用力等對目標(biāo)物產(chǎn)生一定的吸附作用,而[P4 4 4 12][BF4]在結(jié)構(gòu)組成上屬于陽離子表面活性劑,又能同時與蒙脫土產(chǎn)生較強的靜電引力,從而能有效富集目標(biāo)物于改性蒙脫土上,在一定程度上實現(xiàn)特異性吸附。但當(dāng)離子液體用量過高時,目標(biāo)物回收率顯著下降,這可能是因為蒙脫土的陽離子交換能力隨著離子液體用量的不斷增加而減弱,從而造成部分帶有目標(biāo)分析物的離子液體未能被有效吸附。因此,本研究選用[P4 4 4 12][BF4]的用量為5.0 mg。

圖4 離子液體用量對回收率的影響Fig.4 Effect of amount of ionic liquid on recovery

2.1.3 改性蒙脫土用量的影響 蒙脫土作為一種天然膨潤土,具有較強的陽離子交換功能和吸附能力,本試驗以乙腈改性蒙脫土作為固相分散吸附劑,對樣液中結(jié)合了目標(biāo)物的離子液體產(chǎn)生吸附作用,其用量的多少對目標(biāo)物回收率有較大影響。研究發(fā)現(xiàn),相同條件下,乙腈改性蒙脫土比未改性蒙脫土具有更好的吸附效果,目標(biāo)物回收率更高。這可能是由于乙腈增大了蒙脫土的土層間距,同時交換出一部分陽離子,減少了雜質(zhì)對萃取效率的影響,并適當(dāng)?shù)脑黾恿嗣擅撏恋谋砻嫖侥堋嶒灲Y(jié)果如圖5所示,改性蒙脫土用量分別為0.010、0.025、0.050、0.100、0.150、0.200和0.500 g,隨著改性蒙脫土用量的增加,目標(biāo)物回收率先增加后減少,當(dāng)改性蒙脫土用量為0.15～0.20 g時,目標(biāo)物回收率達到最大值,但當(dāng)蒙脫土用量過高時,會導(dǎo)致后續(xù)過濾困難。綜合考慮,本研究選用0.15 g的改性蒙脫土作為固相分散吸附劑。

圖5 蒙脫土用量對回收率的影響Fig.5 Effect of amount of montmorillonite on recovery

同時,為了考察改性蒙脫土對目標(biāo)分析物的萃取吸附作用,本研究在不使用離子液體萃取劑的條件下,以改性蒙脫土為吸附劑,采用分散固相萃取法分離富集樣液中的目標(biāo)分析物。實驗結(jié)果表明,改性蒙脫土對噻吩磺隆、甲磺隆和醚苯磺隆具有一定的萃取作用,但同時對一部分大豆異黃酮、蛋白質(zhì)和鈣離子等也有吸附作用,通過對其萃取溶液的色譜峰分析,發(fā)現(xiàn)目標(biāo)物芐嘧磺隆和吡嘧磺隆的色譜峰被嚴重干擾,無法進行定性定量分析。因此,在本研究中,采用了以離子液體為萃取溶劑和以改性蒙脫土為吸附劑的渦旋/超聲協(xié)同乳化結(jié)合固相分散吸附離子液體液液微萃取法,測定豆奶中殘留的磺酰脲類除草劑。

2.1.4 氯化鈉用量的影響 氯化鈉不僅能增加溶液離子強度,同時作為一種破乳劑,也會對離子液體的乳化效果產(chǎn)生重要影響。所以,本研究考察了不同氯化鈉用量(0.01、0.02、0.03、0.05、0.10、0.50 g)對目標(biāo)物回收率的影響。實驗結(jié)果如圖6所示,隨著氯化鈉用量的增加,目標(biāo)物回收率無明顯變化。因此,為了簡化實驗操作,本研究選擇不加入氯化鈉。

圖6 氯化鈉用量對回收率的影響Fig.6 Effect of amount of NaCl on recovery

2.1.5 離心轉(zhuǎn)速 為了使改性蒙脫土(結(jié)合有目標(biāo)物與離子液體)與樣液分離,本研究考察了不同離心轉(zhuǎn)速(2000、3000、4000、5000、6000、7000 r/min)對固液分離效果和目標(biāo)物回收率的影響。通過觀察分離效果發(fā)現(xiàn),當(dāng)離心轉(zhuǎn)速低于2000 r/min時,離心管底部的蒙脫土較為松散,易隨樣液排出,當(dāng)離心轉(zhuǎn)速大于3000 r/min,改性蒙脫土的致密性逐漸增加,易于實現(xiàn)固液分離。從圖7可以看出,隨著離心轉(zhuǎn)速的增加,目標(biāo)物回收率先略微上升后持續(xù)下降,當(dāng)轉(zhuǎn)速達到3000 r/min時,回收率達到最大值。這可能是當(dāng)離心轉(zhuǎn)速過低時,蒙脫土受到離心力過小,蒙脫土顆粒和層隙存在一部分水,造成蒙脫土顆粒間結(jié)合不緊密,易發(fā)生斷裂和溶脹,當(dāng)轉(zhuǎn)速過高時則會導(dǎo)致蒙脫土間的水分減少,致密性增加,同時離子液體具有一定的粘性,使得蒙脫土內(nèi)部的離子液體不易被乙腈解吸,從而使回收率下降。因此,離心轉(zhuǎn)速被選擇為3000 r/min。

圖7 離心轉(zhuǎn)速對回收率的影響Fig.7 Effect of the centrifugal rotational speed on recovery

2.1.6 pH pH不僅影響樣液中目標(biāo)物和雜質(zhì)的解離狀態(tài),又會引起蛋白質(zhì)解離平衡的變化。所以,本研究通過HCl溶液(1 mol/L)和NaOH溶液(1 mol/L)調(diào)節(jié)除去蛋白質(zhì)后的樣液的pH,考察了不同pH(1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14)對目標(biāo)物回收率的影響。結(jié)果如圖8所示,當(dāng)樣液的pH為6～7時,目標(biāo)物的回收率達到最大,當(dāng)樣液的pH高于8時,目標(biāo)物回收率逐漸降低,且樣液由無色變?yōu)闇\綠色,并隨pH增加而加深,在后期乙腈解吸時,會發(fā)現(xiàn)有少量白色雜質(zhì)析出。在本研究中,除蛋白后的樣品溶液pH為6.16左右,與最適pH接近。因此,本研究選擇不調(diào)節(jié)樣液的pH。

圖8 pH對回收率的影響Fig.8 Effect of pH on recovery

2.2 方法評價

2.2.1 線性關(guān)系、檢出限和定量限 精確配制含有6種目標(biāo)物的一定濃度的混合標(biāo)準溶液,用乙腈進行梯度稀釋,分別加入到空白樣品中,形成系列濃度(7.80、15.60、31.25、62.50、125.00、250.00以及500.00 μg/L)的加標(biāo)樣品,在最優(yōu)實驗條件下,采用渦旋/超聲協(xié)同乳化離子液體液液微萃取結(jié)合高效液相色譜法,分析測定各目標(biāo)物的色譜峰面積,并通過分析11組低濃度(10 μg/L)空白加標(biāo)樣品,計算方法檢出限(LODs)和定量限(LOQs)。以加標(biāo)濃度(c)為橫坐標(biāo),色譜峰面積(A)為縱坐標(biāo),繪制工作曲線。實驗結(jié)果如表1所示,各目標(biāo)物線性關(guān)系良好(r>0.9990),檢出限(LODs)為1.60～3.15 μg/L,定量限(LOQs)為5.34～10.15 μg/L。

2.2.2 精密度 本研究對加標(biāo)濃度為25.00、100.00和250.00 μg/L的3組加標(biāo)樣品進行測定,以重復(fù)測定目標(biāo)物回收率的相對標(biāo)準偏差(RSD)表示其精密度。其中,日內(nèi)精密度是一天內(nèi)連續(xù)分析加標(biāo)樣品6次所得測定結(jié)果的相對標(biāo)準偏差,而日間精密度是每天分析加標(biāo)樣品2次、連續(xù)分析3 d所得測定結(jié)果的相對標(biāo)準偏差。實驗結(jié)果如表2所示,本方法的日內(nèi)精密度(RSD)為1.31%～5.07%,日間精密度(RSD)為1.12%～6.63%。

表1 線性關(guān)系、檢出限和定量限Table 1 Linear regression equation,LODs and LOQs for the analytes

表2 日內(nèi)和日間精密度(n=6)Table 2 Intra-day and inter-day precision for the analytes(n=6)

表3 實際樣品分析(n=3)Table 3 Analysis of real samples(n=3)

續(xù)表

表4 方法比較Table 4 Comparison of the present method with others

圖9 加標(biāo)樣品(A)和混合標(biāo)準品(B)色譜圖Fig.9 Chromatograms of spiked sample(A)and mixed standards(B)注:1:噻吩磺隆;2:甲磺隆,3:醚苯磺隆; 4:氯磺隆;5:芐嘧磺隆;6:吡嘧磺隆。

2.2.3 實際樣品分析 為考察本方法的適用性,本研究對7種不同品牌的市售包裝豆奶產(chǎn)品進行分析檢測,實驗結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明,不同品牌豆奶樣品的加標(biāo)回收率在81.55%～116.44%之間,相對標(biāo)準偏差在0.05%～8.91%之間,分析性能穩(wěn)定,結(jié)果令人滿意。從實驗結(jié)果可以看出,市售包裝豆奶樣品中并未檢出6種磺酰脲類除草劑。圖9所示為加標(biāo)樣品提取液色譜圖,可以看出各目標(biāo)物保留時間內(nèi)無明顯干擾峰。

2.2.4 方法比較 為了考察本法的分析性能,將本法與參考文獻報道的液液萃取-固相凈化法、QuECHERS法、離子液體-液液萃取等方法進行了比較,結(jié)果如表4所示。本法以離子液體代替?zhèn)鹘y(tǒng)有機溶劑作為萃取劑,避免了有機溶劑的大量使用,與傳統(tǒng)液液萃取法和QuECHERS法相比,本法萃取過程更環(huán)保,實驗操作更簡單,萃取效率更高。與基于離子液體的分散液液微萃取法相比,本法僅使用5 mg[P4 4 4 12][BF4]作為溶劑,各目標(biāo)分析物檢出限均低于3.15 μg/L,在離子液體用量和檢出限方面具有明顯優(yōu)勢。

3 結(jié)論

本研究采用離子液體作為萃取溶劑,以改性蒙脫土作固相分散吸附材料,將渦旋-超聲輔助離子液體乳相液液微萃取和分散固相萃取技術(shù)相結(jié)合,用于提取、分離與富集市售豆奶中的6種磺酰脲類農(nóng)藥殘留。本法利用渦旋-超聲協(xié)同乳化作用將離子液體完全分散在樣液中,增大了離子液體與目標(biāo)物的接觸面積,降低了離子液體的用量,同時使用改性蒙脫土作為吸附材料,與離子液體結(jié)合使用,既降低了基質(zhì)干擾,又能快速實現(xiàn)相分離。與其他方法相比,本方法具有萃取試劑用量少,萃取效率高,綠色環(huán)保,操作簡單等優(yōu)點,可用于市售包裝豆奶中磺酰脲類除草劑的萃取與分析。