磁性秸秆生物炭与gc/ms联用在测定复杂样品内痕量有机磷中的应用
阅读说明：本技术 磁性秸秆生物炭与gc/ms联用在测定复杂样品内痕量有机磷中的应用 (Application of magnetic straw biochar and GC/MS (gas chromatography/mass spectrometry) in determination of trace organic phosphorus in complex sample ) 是由 张素玲 华子泺 赵红挺 吕挺 于 2021-05-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开磁性秸秆生物炭与GC/MS联用在测定复杂样品内痕量有机磷中的应用。磁性秸秆生物质炭采用一步法合成法制备得到。在对磁性负载量和热解温度优化,建立制备条件-生物炭结构-萃取性能间构效关系的基础上,得到最佳磁性生物炭,可通过Π-Π作用、表面吸附、以及氢键等作用富集分离复杂样品中痕量有机磷,富集效果好,与GC/MS联用进行测定,检出限低,灵敏度高。(The invention discloses application of magnetic straw biochar and GC/MS in determination of trace organic phosphorus in a complex sample. The magnetic straw biomass charcoal is prepared by adopting a one-step synthesis method. The optimal magnetic biochar is obtained on the basis of optimizing magnetic loading capacity and pyrolysis temperature and establishing a structure-activity relation between preparation conditions, a biochar structure and extraction performance, trace organic phosphorus in a complex sample can be enriched and separated through the action of pi-pi, surface adsorption, hydrogen bonds and the like, the enrichment effect is good, and the detection limit is low and the sensitivity is high when the optimal magnetic biochar is combined with GC/MS for determination.)
技术领域
本发明属于样品前处理领域，涉及磁性秸秆生物炭与GC/MS联用在测定复杂样品内痕量有机磷中的应用，具体是用一步热解法制备该磁性材料，结合磁性固相微萃取技术，用于富集环境水和土壤样品中有机磷，气相色谱/质谱测定，并通过探讨制备条件/生物炭结构/萃取性能之间的关系，进一步提高分析灵敏度。
背景技术
在分析化学领域，环境样品中痕量、超痕量目标物分析一直是关注的焦点。由于样品基质复杂，干扰严重，且待测目标物浓度低，不能直接用仪器进行分析，需经过有效的样品前处理步骤对目标物进行富集、分离，再进行测定。因此，样品前处理是极其重要的步骤，决定了整个分析方法的灵敏度和稳定性。磁性固相微萃取(Magnetic dispersive solid-phase microextraction,MSPE)是以磁性材料为吸附剂，将其分散与样品溶液中吸附目标物后，在外部磁铁作用下即可实现磁性材料与样品溶液分离。该方法有机溶剂容量少，操作简便，适用于大体积样品溶液中目标物的富集分离。在萃取过程中，制备对目标物具有高吸附能力、且同时排除杂质干扰的吸附材料至关重要，可有效提高方法的灵敏度。
生物炭是生物质(农业废弃物、木屑、动物粪便、海洋藻类等)加工而成的一种多孔炭材料。我国每年生产玉米秸秆约2.5亿吨，采用焚烧法处理会造成环境污染，将其变废为宝具有重要意义。秸秆生物质可采用热解法在高温条件下进行无氧或限氧炭化制得生物炭，在热解过程中，生物质的有机组分大量分解，孔隙结构得到发育，碳含量和芳香性增加，比表面积和孔体积显著增大。生物质碳因具有较大的比表面积、极性官能团、芳香性，目前主要在土壤修复、有机物和重金属的吸附去除中应用较为广泛，而在样品前处理磁性固相萃取中应用有待进一步扩展。
发明内容
本发明将生物炭与磁性纳米粒子结合，制备了磁性秸秆生物炭材料用于复杂样品中痕量有机磷农药分析，在探讨制备条件及吸附机理的基础上，最大程度提高了对目标化合物的富集效率。本方法具有以下优势：①本发明无需对生物质活化，直接进行高温炭化磁化后得到磁性生物炭，制备步骤简单；②为进一步提高对目标物的富集性能，尽可能降低复合材料中磁性纳米粒子的投加比；③采用秸秆为生物质源，探讨了不同热解温度对磁性生物炭结构、化学性能、和萃取效果的影响，建立几者之间的构效关系，得到最优条件；④在最优条件下，该方法分别用于环境水和土壤中痕量有机磷的测定，富集效率高，灵敏度高。
本发明中采用的磁性秸秆生物质炭采用一步法合成法制备得到，该一步法合成法包括以下步骤：
步骤(1)、将玉米秸秆、含Fe2+盐、含Fe3+盐溶于去离子水中，得到均匀的混合液；
所述玉米秸秆、含Fe2+盐中Fe2+、含Fe3+盐中Fe3+与去离子水的投料比为8～12：1.2～2.4：16～32：30～40，单位为g：mmol：mmol：mL；
作为优选，含Fe2+盐为FeCl2·4H2O、含Fe3+盐为FeCl3·6H2O；
作为优选，上述反应物玉米秸秆、含Fe2+盐中Fe2+、含Fe3+盐中Fe3+和去离子水的投料比为10：1.2：16：40，单位为g：mmol：mmol：mL。
步骤(2)、将上述混合液调节pH至10～11，搅拌0.5～1h，过滤，放入烘箱中100～110℃干燥2～3h。
作为优选，pH调节试剂为NaOH；
步骤(3)、将上述干燥后材料置于管式炉内，N2氛围下400～800℃条件下热解40～60min，得到炭化后材料。
步骤(4)、将上述炭化后材料用去离子水洗涤至中性，干燥，得到磁性秸秆生物质炭。
上述方法制备的磁性秸秆生物炭材料通过扫描电镜、磁滞回线、氮气吸附仪进行表征。
本发明的第一个目的是提供上述磁性秸秆生物炭在富集分离水样中痕量有机磷，GC/MS测定上的应用，具体包括如下步骤：
S1、对待检测水样经0.45μm滤膜过滤，于4℃保存；
S2、在步骤S1过滤后的水样中加入磁性秸秆生物质炭，采用摇床振荡萃取15～35min，水样中痕量有机磷吸附于磁性秸秆生物炭上；利用外部磁场力作用，将吸附痕量有机磷的磁性秸秆生物炭与样品分离，得到吸附痕量有机磷的磁性秸秆生物炭；对吸附痕量有机磷的磁性秸秆生物炭用乙酸乙酯涡旋振荡解吸2～8min，分离后的解吸液用0.22μm孔滤膜过滤。
S3、用GC/MS测定解吸液中有机磷的浓度。
所述待检测水样与磁性玉米秸秆生物质炭的质量体积比为20～40mL：15～25mg；
作为优选，所述待检测水样与乙酸乙酯的体积比为20～40mL：200μL；
作为优选，摇床振荡条件为200rpm，25℃；
作为优选，涡旋振荡转速1400rpm。
本发明的第二个目的是提供上述磁性秸秆生物炭用于富集分离土壤中痕量有机磷，GC/MS测定，其特征是包括如下步骤：
S1、待检测土壤样品取样后，置于烘箱中110℃烘干，研钵磨细，0.45mm过筛。
S2、在步骤S1处理后土壤于丙酮中超声提取20～40min，离心3～6min。
作为优选，所述土壤与丙酮的投料比为10～20g：20～40mL。
S3、取步骤S2上清液，氮气吹干后加入1～2mL色谱甲醇重溶，得到重溶样品；
S4、将重溶样品、超纯水、磁性玉米秸秆生物质炭混合，采用摇床振荡萃取15～35min后，土壤中痕量有机磷吸附于磁性生物炭上；利用外部磁场力作用，将吸附痕量有机磷的磁性材料和土壤提取液分离，得到吸附痕量有机磷的磁性材料；对吸附痕量有机磷的磁性材料用乙酸乙酯涡旋振荡解吸2～8min，用磁铁将解吸液与磁性材料分离，分离后的解吸液用0.22μm孔滤膜过滤。
所述重溶样品、超纯水、磁性玉米秸秆生物质炭的投料比为100～200μL：20～40mL：15～25mg；
所述待检测土壤与乙酸乙酯的投料比为1～2g：200～400μL；
S5、用GC/MS测定解吸中有机磷的浓度。
上述磁性生物炭用于复杂环境样品中有机磷农药的测定，具有线性范围宽、检出限低、回收率高等优点。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
第一、采用一步法制备磁性生物炭步骤简单、磁性较强、分散性好；
第二、秸秆生物质廉价、来源丰富，与磁性固相萃取技术结合，磁性生物炭作为萃取介质具有易磁分离、适用于大体积样品处理的特点。
第三、在对磁性负载量和热解温度优化，建立制备条件-生物炭结构-萃取性能间构效关系的基础上，得到最佳磁性生物炭，可通过Π-Π作用、表面吸附、以及氢键等作用富集分离复杂样品中痕量有机磷，富集效果好，与GC/MS联用进行测定，检出限低，灵敏度高。
附图说明
图1是磁性粒子负载量的优化图。
图2是秸秆生物炭(A)和磁性秸秆生物炭(B)的扫描电镜图。
图3是磁性生物炭的磁滞回线，插图为磁性生物炭磁分离效果图。
图4是不同热解温度下制备的磁性秸秆生物质炭的红外谱图。
图5是不同热解温度下制备的磁性秸秆生物质炭对有机磷的萃取效果对比图。
图6有机磷混标直接进样和经磁性秸秆生物质炭富集后的GC/MS图(1：灭线磷，2：乐果，3：氯唑磷，4：磷铵，5：甲基嘧啶磷，6：杀螟硫磷，7：毒死蜱，8：对硫磷，9：杀扑硫磷，10：丙溴磷，11：乙硫磷，12：三唑磷)。
图7磁性生物炭的重复利用性能。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的分析。
实施例1：磁性生物炭的制备
将10g玉米秸秆干燥后用高速粉碎机粉粹，与FeCl2·4H2O(0.4772g，2.4mmol)和FeCl3·6H2O(8.6496g，32mmol)于40mL离子水中混匀，磁力搅拌30min。滴加10mol/L NaOH溶液至pH为10～11，继续搅拌30min。过滤，将得到的产物放入110℃烘箱2h后，放入管式炉内，在N2气氛下，以20℃/min升温速率升至700℃，保持40min。用去离子水将得到的产物多次冲洗至中性，110℃烘6h，得到磁性生物炭。
实施例2：为进一步降低磁性负载量，将10g玉米秸秆与FeCl2·4H2O(0.2386g，1.2mmol)和FeCl3·6H2O(4.324g，16mmol)混合，其它步骤同上。
图1是实施例1、2制得磁性生物炭的萃取性能对比。磁性负载量的降低明显提高了复合材料对有机磷的萃取效果，揭示了秸秆生物炭在有机磷吸附中的主要作用；继续降低Fe2+、Fe3+的用量分别至0.6mmol、8mmol,所得的磁性生物炭磁性较弱，不能满足磁性分离需求。
实施例3：在实施例1的基础上采用不同热解温度(300、400、500、600、700、800℃)制备磁性生物炭，制得的生物炭分别命名为MB300、MB400、MB500、MB600、MB700、MB800。其他条件与实施例1相同。
其中，MB300磁性弱，不能满足磁性分离的需求，故不作讨论。表1为400～800℃热解温度下制备的磁性秸秆生物质炭的理化特性。随着温度升高，生物炭的比表面积和孔隙体积呈现增大趋势。
表1不同热解温度下制备的磁性秸秆生物质炭的比表面积和孔体积参数
生物质炭
BET比表面积(m<sup>2</sup>/g)
总孔隙体积(cm<sup>3</sup>/g)
MB400
7.1751
0.024483
MB500
9.2781
0.028481
MB600
164.2298
0.119272
MB700
208.5834
0.162540
MB800
252.7942
0.251396
图2～3是本发明实施例2得到的磁性秸秆生物炭MCC700的扫描电镜照片、磁滞回线谱图。
图2A为秸秆生物炭的表面形貌；图2B为磁性纳米粒子与秸秆生物炭的复合材料，由图可知磁性纳米粒子分布于生物炭表面。图3可知，MB700无顽磁和剩磁，饱和磁化强度为38.5emu/g，表现出超顺磁性，可用磁铁将磁性生物炭从样品溶液中快速分离出来(见插图)，能满足磁性分离的需求。
图4是不同热解温度下制备的磁性秸秆生物炭的红外谱图。由图可知，400℃条件下制备的生物炭有丰富的含氧官能团，随着温度升高，逐渐发生脱氧、脱氢反应，导致含氧基团的伸缩振动峰发生了明显的减弱趋势，有的几乎消失。
实施例4：磁性生物炭的萃取性能表征
(1)不同热解温度条件下制得磁性生物炭对有机磷的萃取性能对比
将15mg磁性材料分散于含12种有机磷的样品溶液中(40mL)，包括灭线磷(Ethoprophos)，乐果(Dimethoate)，氯唑磷(Isazofos)，磷铵(Phosphamidon)，甲基嘧啶磷(Pirimiphos-methyl)，杀螟硫磷(Fenitrothion)，毒死蜱(Chlorpyrifos)，对硫磷(Parathion)，杀扑硫磷(Medathion)，丙溴磷(Profenofos)，乙硫磷(Ethion)，三唑磷(Triazophos)，浓度均为2μg/L。萃取35min，使有机磷被磁性材料吸附，萃取完成后，在外加磁场下，把结合了有机磷的磁性材料从样品溶液中分离；最后，加入200μL乙酸乙酯解吸4min，解吸液用GC/MS测定。
(2)GC/MS测定有机磷条件及相关参数
测定条件：进样口温度：260℃；进样体积：1μL；离子源温度为300℃；能量为70eV；传输线温度为280℃；氦气(纯度大于99.999％)，流量为1.0mL/min，不分流进样；选择反应监测模式(SRM)；柱温程序升温：初始温度50℃，保持3min，以25℃/min升至180℃，以5℃/min升温至250℃，以35℃/min升温至300℃，保持2min。质谱条件见表1。
表2 12种有机磷的检测参数
分析物
分子式
定性离子对(m/z)
定量离子对(m/z)
碰撞能量(eV)
灭线磷
C<sub>8</sub>H<sub>19</sub>O<sub>2</sub>PS<sub>2</sub>
158.00/97.00
97.00/65.00
16
乐果
C<sub>5</sub>H<sub>12</sub>NO<sub>3</sub>PS<sub>2</sub>
125.00/79.00
93.00/63.10
8
氯唑磷
C<sub>9</sub>H<sub>17</sub>ClN<sub>3</sub>O<sub>3</sub>PS
119.00/76.00
161.10/119.00
6
磷铵
C<sub>10</sub>H<sub>19</sub>ClNO<sub>5</sub>P
264.10/127.10
127.10/109.10
10
甲基嘧啶磷
C<sub>11</sub>H<sub>20</sub>N<sub>3</sub>O<sub>3</sub>PS
276.10/151.10
276.10/244.10
6
杀螟硫磷
C<sub>9</sub>H<sub>12</sub>NO<sub>5</sub>PS
277.10/109.00
109.10/79.00
6
毒死蜱
C<sub>9</sub>H<sub>11</sub>Cl<sub>3</sub>NO<sub>3</sub>PS
196.90/107.00
196.90/168.90
10
对硫磷
C<sub>10</sub>H<sub>14</sub>NO<sub>5</sub>PS
139.10/109.10
109.00/81.10
8
杀扑硫磷
C<sub>6</sub>H<sub>11</sub>N<sub>2</sub>O<sub>4</sub>PS<sub>3</sub>
85.10/58.10
145.00/85.10
6
丙溴磷
C<sub>11</sub>H<sub>15</sub>BrClO<sub>3</sub>PS
208.00/144.00
337.00/267.00
10
乙硫磷
C<sub>9</sub>H<sub>22</sub>O<sub>4</sub>P<sub>2</sub>S<sub>4</sub>
231.00/129.00
153.00/97.00
8
三唑磷
C<sub>12</sub>H<sub>16</sub>N<sub>3</sub>O<sub>3</sub>PS
161.10/106.10
161.10/134.10
6
(3)不同温度条件下制得的磁性秸秆生物质炭萃取12种有机磷，萃取效果如图5所示。由图可知，在400～700℃范围内，磁性生物炭对大部分有机磷的萃取峰面积随热解温度升高而增大。这是由于当温度升高至600～700℃时，半纤维素和其它有机化合物发生破裂使生物炭内部产生更多的孔，比表面积增加，增强对有机磷的萃取能力；另外温度升高过程中，生物炭碳含量增加，芳香性增强，与有机磷通过Π-Π作用增强。但当热解温度升至800℃时，生物炭表面含氧官能团进一步减弱，导致与目标物之间氢键作用减弱，萃取性能明显降低。因此，秸秆生物炭对有机磷的吸附与其比表面积、Π-Π作用和氢键作用密切相关。选择700℃为最佳热解条件。
图6为有机磷混标(2μg/L)直接进样和经磁性秸秆生物质炭MSPE后的GC/MS图，经萃取后，峰面积明显提高；磁性生物炭对12种有机磷的富集因子EFs为51.8～210.2(列于表3)，富集性能较高。
磁性生物炭的重复利用性如图7所示，结果显示，重复利用6次后，材料萃取效果基本稳定，稳定性好，具有良好的重复使用性能。说明材料的磁学性能良好，在回收过程中并没有造成磁性材料的损失，稳定性良好。
表3 MSPE与GC/MS联用法测定12种有机磷的方法学数据
方法学结果证明，由表可知，灭线磷、磷铵、杀扑硫磷、氯唑磷、丙溴磷、甲基嘧啶磷和毒死蜱、三唑磷在0.1～50.0μg/L范围内有良好的线性关系，乐果、杀螟硫磷、对硫磷、乙硫磷在0.5～50.0μg/L范围内有良好的线性关系，相关系数R2均高于0.99。检出限LODs为0.02～0.19μg/L，重现性的相对相对标准偏差(RSD)在7.3％以内，精密度较高。
实施例5：环境样品中痕量有机磷测定
环境水样(有机磷加标浓度为1μg/L)经0.45μm滤膜过滤，然后加入15mg实施例1磁性玉米秸秆生物质炭，萃取35min，200μL乙酸乙酯解吸4min。解吸液0.22μm用孔滤膜过滤，GC/MS待测。
土壤样品(加标浓度为0.04μg/g)烘干磨细过筛后，用30mL丙酮中超声提取30min，离心3min，取上清液氮气吹干。加入1mL色谱甲醇重溶，取其中100μL于40mL超纯水中；加入15mg实施例1磁性玉米秸秆生物质炭，采用摇床振荡(200rpm，25℃)萃取35min后，将痕量有机磷吸附于磁性生物炭上，利用外部磁场力作用，将磁性材料吸附分离；用200μL乙酸乙酯涡旋振荡解吸4min，转速1400rpm，用磁铁将解吸液与磁性材料分离，分离后的解吸液用0.22μm孔滤膜过滤，待测。
表3池塘水及土壤样品中有机磷的分析及回收率测定
空白池塘水和土壤中未检出有机磷，对加标环境水和土壤样品进行加标回收率的测定，结果显示，加标回收率>73％，相对标准偏差低于10％，回收率较高。
上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合本发明要求，均属于本发明的保护范围。