陈杰锋 梁明 冼燕萍 吴玉銮 温少楷 王斌 王莉 侯向昶 刘冬虹

摘 要：制备了一种新型吸附材料铁磁性氟化石墨烯（FG@Fe3O4），用于萃取富集茶汤中10种含氟杀虫剂，结合气相色谱串联质谱（GCMS/MS）进行分析，研究含氟杀虫剂从茶叶到茶汤的浸出率。FG@Fe3O4同时具有石墨烯表面π电子和F原子，使FG@Fe3O4和含氟杀虫剂之间能够形成ππ共轭作用和FF相互作用而呈现出优异的吸附性能。通过扫描电镜、X射线衍射、红外光谱以及振动样品磁力计对磁性吸附材料进行表征，并优化了萃取条件（吸附剂质量、洗脱溶剂种类和体积、萃取时间等），考察了不同材料的吸附效果以及自制FG@Fe3O4的重復使用次数。在优化的实验条件下，10种含氟杀虫剂在相应浓度范围内呈现良好的线性关系，相关系数R2≥0.998，方法检出限为0.3～6.0 μg/kg， 3个添加水平的平均回收率在71.2%～108.4%之间，日内精密度RSD（n=6）在2.6%～8.7%之间，日间精密度RSD（n=5）在3.5%～7.8%之间。10份茶汤样品的检测结果显示，有2份样品中检出氟虫酰胺，2份样品检出氟虫脲，1份样品中检出氟硅唑，不同杀虫剂的浸出率不同。

关键词：铁磁性氟化石墨烯; 含氟杀虫剂; 茶汤; 浸出率; 气相色谱串联质谱

1 引 言

含氟杀虫剂在农药中占有相当大比重，主要包括拟除虫菊酯类和苯甲酰脲类中的含氟品种。由于氟所具有的独特的模拟效益、电子效应、阻碍效应和渗透效应，氟原子的引入使得传统拟除虫菊酯类农药的抗药性明显降低，活性增强，且兼具有杀螨活性[1]。氟虫腈、溴虫腈、茚虫威和苯甲酰脲类杀虫剂是20世纪90年代后开始广泛应用的杀虫剂，由于作用机理独特，对靶标生物具有较高的选择性，使用浓度低，有利于环境保护，因此，在农业生产中得到了广泛的应用[2， 3]。虽然含氟杀虫剂的毒性相对较低，但仍具有一定的毒性，如顺式联苯菊酯具有潜在的神经毒性，对人体T细胞具有免疫毒性。含氟杀虫剂类农药的大量使用带来了农药残留的问题，人体和生物摄入含有农药残留的食品后，会对身体产生一定的危害[4]。因此，有必要对含氟杀虫剂在食品中的残留情况和残留检测技术进行深入的研究探索。

在茶叶的种植过程中往往会施用农药进行除虫和除草，农药的不合理施用是茶叶中农药残留的主要原因[5， 6]。茶树鲜叶采下后，一般不经洗涤就直接进行加工，加工后的干茶用沸水进行浸泡并饮用其茶汤，溶入茶汤的农药等有害物质会对人体健康造成危害，茶汤中农药残留水平是计算人体对农药摄入量的关键点。目前，许多国家和组织都针对茶叶中农药残留制定了严格的最大残留限量（Maximum residue limits， MRLs），如欧盟标准EU79/2014[7]。我国国标《GB 27632016 食品安全国家标准 食品中农药最大残留限量》[8]限定了茶叶中部分含氟农药的MRLs（如氟氯氰菊酯、氟氰戊菊酯和联苯菊酯）的MRLs分别为1、20和5 mg/kg， 但茶汤中农药残留分析仍缺乏相关技术和标准。因此，为了探究茶汤中含氟农药的溶出情况，开展对茶汤中含氟杀虫剂类农药的检测分析具有十分重要的意义。

目前，茶叶中含氟杀虫剂的残留检测方法主要集中在茶叶基体和茶青上，检测方法主要有气相色谱法[9]、气相色谱质谱联用法[10，11]、高效液相色谱法[12，13]和液相色谱质谱联用法[14]等。前处理技术主要有索氏提取法、振荡法、均质法等，这些方法一般都要经过有机溶剂提取与样品纯化过程，因此存在有机溶剂消耗大、耗时长、毒性大等缺点[15]。磁纳米材料因其高吸附性、超顺磁性、易修饰和可磁分离等独特优势，在前处理技术中使用越来越广泛[16]，其具有操作简单、省时快速、无需离心过滤等优点，且磁吸附材料能够重复使用。

本研究制备了一种铁磁性吸附剂铁磁性氟化石墨烯（FG@Fe3O4），用作磁性固相吸附材料，在外加磁场下，能够快速、有效地富集萃取茶汤中含氟杀虫剂，结合气相色谱串联质谱技术，对茶汤中10种含氟杀虫剂进行准确、快速的检测。同时，参照《GB/T 232042008 茶叶中519种农药及相关化学品残留量的测定 气相色谱质谱法》[17]的前处理方法，测定了茶叶中10种目标含氟杀虫剂的含量，并研究茶叶中含氟杀虫剂在浸泡过程中的转移动态，为茶叶的质量监管和保证消费者身体健康，提供了技术参考。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

Agilent 7890B气相色谱仪、Agilent 7000D三重四极杆质谱检测器、7693自动进样器（美国Agilent公司）; MS3 digital 涡旋混合器（IKA公司）; KQ500E 超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司）; KDC40低速离心机（安徽中科中佳公司）; MilliQ超纯水仪（美国Millipore公司）; NEVAP 112水浴氮吹仪（美国OA公司）; 3K15高速离心机（美国Sigma公司）。

氟虫酰胺、氟胺氰菊酯、氟乐灵、氟氯氰菊酯、氟虫脲、氟菌唑、吡氟甲禾灵、氟硅唑、溴虫腈、联苯菊酯标准品（纯度>99.0%，德国Dr公司）; 氧化石墨烯（GO，南京先丰纳米材料科技有限公司）; 乙腈（色谱纯， Merck公司）; FeCl3·6H2O（99%）、FeSO4·7H2O（99%）、氨水（26%）、HF（广州化学试剂厂）; 水合肼（99%，上海安谱公司）。实验用水为超纯水。

标准溶液的配制：分别称取适量的10种含氟杀虫剂标准物质，用乙腈配制成100 mg/L的单标贮备液。各吸取适量，混合配成1 mg/L的混标溶液，再用乙腈配制成系列标准工作液。

2.2 FG@Fe3O4的制备

2.2.1 氟化石墨烯（FG）的制备 参考文献＼[18＼]的方法，准确称取80 mg GO于50 mL聚四氟乙烯反应釜中，加入40 mL水，超声30 min，使GO分散均匀; 加入0.5 mL 40%（w/w）HF，超声混匀5 min; 将聚四氟乙烯反应釜密封，在180℃下反应30 h; 用水离心洗涤3次，在60℃下烘干，即得FG。

2.2.2 FG@Fe3O4的制备 称取60 mg上述制备的FG，加60 mL水，超声1 h; 加入0.02 g FeCl3、0.12 g FeSO4·7H2O和0.2 mL水合肼，超声处理5 min; 在强力搅拌下，滴加氨水至pH=9，搅拌30 min; 转移至聚四氟乙烯反应釜内，在100℃下反应2 h; 分别用水、乙腈、甲醇各离心洗涤3次，真空干燥，收集粉末，即为FG@Fe3O4，备用。

2.3 样品前处理方法

2.3.1 FG@Fe3O4吸附萃取 稱取混匀的茶叶样品1 g（精确至0.01 g）于50 mL塑料离心管中，加入10 mL沸水浸泡5 min，离心，弃去茶叶，待茶汤冷至室温后，加入30 mg自制FG@Fe3O4，超声6 min，将磁铁静置于离心管外壁，磁性分离后，弃去茶汤，用乙腈对磁吸附材料洗涤3次，每次0.4 mL。收集乙腈，氮吹浓缩至1 mL以下，用乙腈定容至1.0 mL，过0.22 μm PFTE滤膜，滤液待GCMS/MS测定。

2.3.2 国标前处理方法[17] 称取5 g试样（精确至0.01 g）于80 mL离心管中，加入15 mL乙腈，15000 r/min均质提取1 min，4200 r/min离心5 min，取上清液于200 mL鸡心瓶中。残渣用15 mL乙腈重复提取一次，离心，合并二次提取液，40℃水浴旋转蒸发至约1 mL，待净化。

在Cleanert TPT固相萃取柱中加入高约2 cm无水Na2SO4，用10 mL乙腈甲苯预洗Cleanert TPT固相萃取柱，弃去流出液。下接鸡心瓶，放入固定架上。将上述样品浓缩液转移至Cleanert TPT固相萃取柱中，用2 mL乙腈甲苯洗涤样液瓶，重复3次，并将洗涤液移入柱中，在柱上加上50 mL贮液器，再用25 mL乙腈甲苯洗涤小柱，收集上述所有流出液于鸡心瓶中，40℃水浴中旋转浓缩至约0.5 mL。加入5 mL正己烷进行溶剂交换，重复2次，最后使样液体积约为1 mL，混匀，待GCMS/MS测定。

2.4 色谱质谱条件

色谱柱：DB5石英毛细管气相色谱柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）; 猝灭气（He）流量：2.25 mL/min; 碰撞气（N2）流量：1.5 mL/min; 隔垫吹扫流量：3 mL/min; 柱温程序：初始温度60℃，保持1 min，以40℃/min 升至170℃，再以10℃/min升至310℃，保持3 min; 进样口温度280℃; 进样量1.0 μL，不分流进样; 溶剂延迟：3 min。

离子源：EI，70 eV; 离子源温度250℃; 四级杆温度（MS1）：150℃; 传输线温度：280℃; EMV增量：600 V; 动态多反应监测扫描模式（dMRM）; 以RT±0.5 min的模式采集。质谱采集参数见表1。

3 结果与讨论

3.1 FG@Fe3O4的表征

通过扫描电镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、红外光谱（FTIR）和振动样品磁力计（VSM）对铁磁性FG的形貌和结构进行表征。SEM图（图1A）显示， GO为褶皱的片层结构; FG的SEM图（图1A）显示FG同样为褶皱的片层结构，与GO的形貌类似，说明在GO中引入F原子形成FG后，未明显改变其形貌。N2吸附脱附测试表明，GO的比表面积为112.5 m2/g，而在GO上引入了F原子和Fe3O4后，比表面积为100.2 m2/g，变化较小，仍具有较大的比表面积，这有利于对目标物进行吸附; 由FG@Fe3O4的SEM图（图1C）可见，Fe3O4纳米颗粒分散附着于FG片层上，颗粒大小约为20～40 nm，FG上负载Fe3O4纳米颗粒后，纳米复合材料具有铁磁性; FG@Fe3O4的XRD图（图1D）中的特征峰与Fe3O4（JCPDS card NO. 1910629）的特征峰（图中竖直线）相符，进一步说明在FG上成功负载了Fe3O4纳米颗粒。 FG和FG@Fe3O4的FTIR图（图1E）中，FG和FG@Fe3O4在1225、1532、1710和3200 c1处的吸收峰，分别对应FC的伸缩振动峰、CC的伸缩振动峰、CO的伸缩振动峰和OH伸缩振动峰[19]。FG@Fe3O4在570 cm1有明显的吸收峰，为FeOFe的伸缩振动峰[20]。这说明石墨烯经过氟化后，其表面的官能团基本不变，并且成功地将F和Fe3O4引入到GO的表面，官能团的保留有利于形成ππ共轭作用，从而提高萃取能力。由FG@Fe3O4在300 K时的磁化曲线（图1F）可知，FG@Fe3O4的磁饱和值为22.55 emu/g，吸附目标物的FG@Fe3O4能够通过磁铁分离[22]。

3.2 色谱质谱条件的优化

对10种目标物（浓度为1～1000 μg/L）进行一级质谱扫描，确定每种分析物的分子离子; 再在产物离子模式下对分子离子进行二级质谱扫描，选择信号强度较大、干扰小的两个碎片离子作为特征定性定量离子，优化碰撞能等质谱参数，使各特征离子对信号达到最强，以动态多反应监测扫描模式（dMRM）测定（质谱参数见表1）。综合优化后确定EMV增量值为600 V，此时各目标物响应值较好。在优化的色谱质谱条件下，各化合物的总离子色谱图如图2所示。

3.3 磁吸附条件的优化

采用单因素实验和加标茶汤（50 μg/kg）对磁吸附过程进行优化，考察的参数包括磁吸附剂的用量，萃取时间、洗脱时间、洗脱剂的种类和用量，萃取效率用回收率进行表征。

3.3.1 磁吸附剂种类和使用量的优化   实验对比了GO、Fe3O4和FG@Fe3O4的萃取吸附效果，Fe3O4对含氟杀虫剂基本无吸附作用，10种含氟杀虫剂的回收率低于10%;GO具有丰富的π电子体系，而含氟杀虫剂都具有苯环结构，可与GO的π电子体系形成ππ共轭作用，因此GO对含氟杀虫剂有一定的吸附作用，但GO作为萃取吸附剂对含氟杀虫剂的回收率较低（15.1%～39.5%）;FG@Fe3O4复合材料中，FG具有GO的π电子体系，且含有F原子，FG除了与含氟杀虫剂形成ππ共轭作用，其表面的F原子还可与含氟杀虫剂的F原子形成F-F相互作用，从而提高目标物的吸附能力，对含氟杀虫剂的回收率为73.6%～106.5%。接下来，考察了不同用量的FG@Fe3O4磁吸附剂的萃取回收率，如图3所示，随着磁吸附剂用量的增加，含氟杀虫剂回收率逐渐增大，在20 mg时，除了氟虫酰胺，其它分析物的回收率均达到70%以上，继续增大磁吸附剂的用量至30 mg后，所有目标物的回收率都达到最大值（约70%以上）。因此，本研究采用吸附剂的用量为30 mg。

3.3.2 萃取时间的优化 考察了不同超声萃取时间的影响。结果发现，超声时间为2 min时，10种含氟杀虫剂的回收率为43.5%～77.8%; 超声时间为6 min时，回收率为74.2%～104.5%; 超声时间为8和10 min时， 回收率与6 min超声时间的回收率值差别不大。因此，本实验的最佳超声萃取时间选择6 min。

3.3.3 洗脱剂种类和用量的优化 选择常用溶剂甲醇、乙腈、正己烷、丙酮作为洗脱溶剂，考察洗脱效率和回收率。将吸附了目标物的磁性纳米粒子浸入洗脱溶剂中，超声处理1 min，结果如图4所示。正己烷和丙酮作为洗脱溶剂时，多种含氟杀虫剂的回收率较差; 选用甲醇作为洗脱溶剂时，由于甲醇的极性较大，洗脱过程中会洗脱更多干扰物质， 对含氟杀虫剂的分析产生干扰，回收率较低; 选用乙腈作为洗脱溶剂时，所有含氟杀虫剂回收率较高，且使用乙腈0.4 mL×3次洗脱时，可获得最佳的萃取效率。

3.3.4 磁吸附劑的重复使用性能 磁吸附剂的重复性通过将其进行多次吸附和解吸循环后，对目标物的回收率值进行测定。 为了确保吸附剂每次用完后不再有目标物残留，使用前先以乙腈、甲醇各洗涤3次，再于50℃下烘干，初次使用时，磁吸附剂吸附后，10种含氟杀虫剂的回收率为73.6%～106.5%， 而磁吸附剂在使用5次后，10种含氟杀虫剂的回收率值为73.2%～97.8%， 未发生大的变化。说明磁性吸附剂可用于重复萃取含氟杀虫剂，且重复性较好。

综上，最佳磁性固相萃取条件为： 30 mg FG@Fe3O4吸附剂，超声萃取6 min，乙腈洗脱0.4 mL×3次。

3.4 含氟杀虫剂的分析方法

3.4.1 线性范围、检出限和基质效应 配制系列标准工作液，以目标物定量离子的峰面积（y）对相应的质量浓度（x，μg /L）绘制标准曲线。采用标准溶液逐步稀释法结合信噪比（S/N）法确定仪器检出限（ILOD，S/N≥3）和仪器定量限（ILOQ，S/N≥10），预估方法定量限，在略大于预估浓度附近选择2～3个浓度点进行空白样品加标实验（n=6），联合信噪比法测得方法检出限（MLOD，S/N≥3）和方法定量限（MLOQ，S/N≥10）。实验结果见表2，10种含氟杀虫剂的方法检出限在0.3～6.0 μg/kg之间，方法定量限在1.0～20.0 μg/kg之间，表明方法具有高灵敏度。

对方法的基质效应（ME，ME =基质标准曲线的斜率/溶剂标准曲线的斜率）进行了评价。若ME<0.8，表示存在基质抑制效应; 若ME>1.2，表示存在基质增强效应; ME=0.8～1.2时，通常认为基质效应可以忽略[23， 24]。10种含氟杀虫剂的基质效应在0.98～1.16之间（表2），表明本方法基质干扰较少，基质效应可以忽略。

3.4.2 方法回收率和精密度 选择空白茶汤样品进行加标回收实验，3个添加水平为1×MLOQ、 2×MLOQ和10×MLOQ，每个添加水平重复6次，计算回收率和精密度。由表3可见，10种含氟杀虫剂的平均回收率在71.2%～108.4%之间，日内精密度RSD（n=6）在2.6%～8.7%之间，日间精密度RSD（n=5）在3.5%～7.8%之间，表明回收率和精密度良好。

3.5 实际样品的测定及含氟杀虫剂浸出率的计算

含氟杀虫剂浸出率 （Transfer rate，T）按照下公式（1）计算：

在优化的实验条件下，对市售10种茶叶样品用沸水浸泡获得的茶汤中含氟杀虫剂的含量进行检测; 同时，参照GB/T 232042008[17]的前处理方法对10份茶叶样品进行处理，测定茶叶中含氟杀虫剂的含量，测量结果及浸出率见表4。10份样品中，有2份茶汤样品中检出氟虫酰胺，含量分别为3.9和5.2 μg/kg，浸出率分别为6.6%和7.7%; 2份茶汤样品中检出氟虫脲，含量分别为8.5和16.8 μg/kg，浸出率分别为32.5%和26.9%; 1份茶汤样品中检出氟硅唑，含量为4.8 μg/kg，浸出率为18.4%。阳性样品色谱图及加标实验结果见图5。茶叶中联苯菊酯的含量为4.5 μg/kg，而在茶汤中含量低于检出限，这可能因为联苯菊酯的浸出率较小，这与文献报道相符，如王运浩等[21]研究了7种拟除虫菊酯杀虫剂在茶叶浸泡时不同影响因子对浸出率的影响，其中联苯菊酯的最大浸出率仅为4.4%，并提出了茶叶中拟除虫菊酯农药对人体安全性评估的体系，根据该安全评价体系，结合人类平均每日消费的茶叶量和实验测得的最高浸出率计算出每日可能通过饮茶进入人体的最大农药摄入量，再与每日最大摄入量（ADI）[8]进行比较，计算出安全因子（即安全因子=通过饮茶可能进入人体的最大数量/ADI），安全因子越小， 说明该农药对人体危害性越小，这为科学饮茶提供了参考依据。

4 结 论

制备了一种新型铁磁性氟化石墨烯（FG@Fe3O4）吸附材料，并建立了基于FG@Fe3O4萃取净化GCMS/MS测定茶汤中10种含氟杀虫剂的新方法。在氧化石墨烯表面引入F原子，再负载Fe3O4纳米颗粒所制备的FG@Fe3O4， 不仅能够与含氟杀虫剂形成ππ共軛作用，还能形成FF相互作用，从而表现出较好的萃取性能。与现有含氟杀虫剂检测方法相比，本方法结合了磁纳米材料快速分离的优势，溶剂用量少，净化效果好，灵敏准确，可为茶汤中含氟杀虫剂的富集检测和浸出率研究提供技术支持。

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