Fe3O4纳米粒子修饰多壁碳纳米管用于检测菊酯类杀虫剂
沈卫东1，杨 帆1，崔艳华1,*，潘姚跃1，张素玲2，姚伟宣3
（1. 湖州市公安司法鉴定中心，浙江 湖州 313000；2. 杭州电子科技大学材料与环境工程学院，杭州310018；3. 浙江警察学院刑事科学技术系，杭州310053）
摘 要： 目的 Fe3O4纳米粒子修饰多壁碳纳米管是将Fe3O4纳米粒子负载于多壁碳纳米管（AMWNTs）表面。本研究旨在运用该磁性纳米复合材料对投毒案件水样中菊酯类杀虫剂的检测方法进行优化。方法 先后对离子强度、pH值、萃取时间以及洗脱溶剂进行考察，在最优条件下，建立了磁性AMWNTs-气相色谱联用测定9种菊酯类农药的分析方法。结果 实验结果表明该磁性AMWNTs对水中9种菊酯中氯氰菊酯和二氯苯醚菊酯的线性范围在1～50ng/mL，其余7种拟除虫菊酯浓度与峰面积的线性关系均表现良好，相关系数均高于0.990。该方法的回收率为77.6%～93.9%。结论 本研究所建立的Fe3O4纳米粒子修饰多壁碳纳米管对投毒案件水样中菊酯类杀虫剂的检测分析方法高效、经济、环保，适合用于司法实践领域中鱼塘投毒案件的检测。
关键词： Fe3O4纳米粒子修饰多壁碳纳米管；气相色谱；菊酯类杀虫剂；鱼塘投毒案件
拟除虫菊酯类杀虫剂是一类能防治多种害虫的广谱杀虫剂，是由天然除虫菊酯衍生而成的一种仿生合成的杀虫剂，在杀虫毒力方面，较有机氯、有机磷等传统杀虫剂提升十至百倍，优点为高效、广谱、光稳定、低残留和易生物降解，被人们广泛应用于农业生产活动中，其主要缺点是对鱼类毒性特别强。江南素有“鱼米之乡”之称，很多人以养殖鱼虾为生，鱼（虾）塘投毒案件时有发生，嫌疑人往往将菊酯类杀虫剂投入饲养鱼、虾等水产品的水塘内，且投入较低浓度的拟除虫菊酯就会对鱼虾等造成巨大危害，鱼塘投毒案件水样中拟除虫菊酯杀虫剂检测，长久以来是刑事技术检验鉴定中的技术难题。
截至目前，拟除虫菊酯类杀虫剂前处理方法主要为固相萃取[1-2]和液液提取[3]等，固相萃取方法耗时较长、操作复杂，而液液提取方法通常要使用大量的有机溶剂，对环境及操作人员造成伤害。拟除虫菊酯类杀虫剂的分子结构中大多带有电负性较强的卤代元素，其分子结构的极性偏强，在检测响应方面电子捕获检测器优势明显，因此将配有电子捕获检测器的气相色谱仪[4]作为拟除虫菊酯的检测仪器。
碳纳米管(carbon nanotubes,CNTs)[5-10]是一种类石墨平面卷曲而成的纳米级中空管，由碳六元环构成，在机械强度、耐热性、耐酸碱腐蚀能力、比表面积等方面表现优异，而且对很多有机化合物有很好的吸附效果，是样品前处理吸附材料的较好选择。纳米级的磁性CNTs，比表面积大、扩散快，在萃取中只需少量磁性CNTs在较少平衡时间内就能收到理想的萃取分离效果。但磁性CNTs表面带有多个π电子，具有较强疏水性，易聚集成团，很大程度限制磁性CNTs的应用，因此本实验将MNTs在酸性条件下结合羟基、羧基等亲水基团，增强其极性和亲水性达到改善其疏水性的缺点[11]，再将低毒、廉价易得的Fe3O4作为磁性材料与酸化的MNTs有机整合，合成磁性AMNTs，克服了碳纳米管（CNTs）疏水性较强、易团聚的缺点，具有比面积大、单分散性好和尺寸均匀的特点。笔者将该磁性纳米材料用于分离鱼塘水中的拟除虫菊酯杀虫剂，对影响优化萃取、洗脱效果的关键因素进行优化，对AMNTs的萃取时间、样品的离子强度、pH值和洗脱溶剂等几个因素进行优化试验，建立了一种高速、简便、高效的磁性纳米材料与气相色谱仪联用[2,12-18]测定投毒案件中鱼塘水样拟除虫菊酯杀虫剂的分析方法。
1 试验部分
1.1 仪器、试剂、材料
VARIAN CP 3800气相色谱仪（配有电子捕获检测器（ECD））、80-2离心机、超纯水仪、安谱2101TH超声清洗机、DC-12氮吹仪配DC-12H水浴锅。
在无锡市人民医院，可视管理遍布在“自我环境管理、班组环境管理、重点设施标识、安全警示标识、物料管理标识”等多个方面，不同方面还配有不同的卡通提示标志。
水样中离子强度的改变，会直接影响水中目标物的溶解度效果，从而有利于Fe3O4/AMWNTs对分析物吸附，但是，反过来说离子强度的增加也会导致溶液黏度增大，也会阻碍Fe3O4/AMWNTs对分析物的吸附。本实验以氯化钠为盐析试剂，考察了添加不同质量氯化钠（5～35 g）对萃取性能的影响（见图2）。可以看出，在加入10 g氯化钠时，Fe3O4/AMWNTs对9种菊酯类农药的富集性能达到峰值。
1.2 试验方法
1.2.1 磁性碳纳米管制备
论文先后对Fe3O4/AMWNTs磁性纳米材料萃取过程中离子强度、萃取时间、pH值以及洗脱溶剂的种类等重要影响因素进行了系统的考察。
取1.00 g MWNTs放入80 mL浓硝酸中，60 ℃水浴中回流反应3 h后，自然冷却用纯水洗涤至中性，过滤后60 ℃烘干，得到AMWNTs。
分别称取 2.35 g FeCl3·6H2O 和 0.86 g FeCl2·4H2O加入140 mL纯水，搅拌至溶解后加入AMWNTs，超声10 min；在N2保护条件下，用氨水（5 %）调pH＞9，在80 ℃水浴下反应30 min，反应过程中用玻棒不断搅拌，反应产物用纯水反复洗至中性，过滤后将产物放入烘箱，80 ℃干燥12 h，即得到磁性纳米复合材料（Fe3O4/AMWNTs复合物）。
1.2.2 样品处理
本文考察了5、10、15、20 min四个萃取时间，通过图1可以看出Fe3O4/AMWNTs对9种菊酯类杀虫剂在吸附20 min后萃取性能均有明显提升，从节约时间成本和最大发挥Fe3O4/AMWNTs的萃取效能的综合情况考虑，将萃取时间选择在20 min。
2015年12月，泸州市政府和华为签署战略协议，共同打造四川华为大数据中心，前期规划30000平方米，部署3000个机柜。目前数据中心一期已建成投用，面积13000平方米，容纳1032个机柜，基本实现泸州市级部门非涉密政务信息系统全部“云化”。
色谱柱：CP-SIL 8毛细柱（30 m × 0.25 mm ×0.32 µm）。检测器：电子捕获检测器（ECD）。载气：高纯氮（≥99.999%），流速0.1 mL/min。进样口温度：250 ℃。升温程序：初始柱温150 ℃保持0 min，以50 ℃/min升温至280 ℃保持10 min。检测器温度：300 ℃。进样口分流比：20∶1。进样量1 µL。
1.2.3 VARIAN CP 3800气相色谱仪仪器条件
2 结果与讨论
2.1 影响萃取性能的条件优化
T1时刻：根据风力、光伏的实际出力情况、负荷需求、储存电量水平等，进行生产调度调整，如指定电源出力、管理负荷、控制交换功率等。
鱼塘水样来自浙江省湖州市安吉县，水样过滤后备用。取100 mL水样置于250 mL三角烧瓶中，称量30 mg磁性纳米复合材料放入三角烧瓶中，后将三角烧瓶置于超声清洗机中萃取20 min。萃取完成后，将磁铁置于三角烧瓶瓶壁外将磁性吸附剂固定于瓶壁后弃去液体。然后将磁性纳米材料加入10 mL乙酸乙酯进行超声解吸10 min，再用磁分离法有机相分离并浓缩致干，再用200 µL甲醇定容后，取1 µL进行GC/ECD分析。对于加标鱼塘水样品，在100 mL鱼塘水样中加入3 μL浓度为100 µg/mL的拟除虫菊酯杀虫剂混合标准溶液，制成加标浓度为300 ng/100 mL，混合均匀，按以上步骤进行分析。
图1 萃取时间对Fe3O4／AMWNTs对菊酯吸附效果的影响
Fig.1 Effect of extraction time on Fe3O4/AMWNTs adsorption
MWNTs（深圳纳米港有限公司，外径为10～20 nm， 纯 度 97%）；FeCl2·4H2O（ 纯 度 99%） 和FeCl3·6H2O（纯度99%）购于上海安谱实验科技有限公司；氯仿、乙酸乙酯、正己烷、环己烷均为色谱纯。实验室用水为Ⅰ级纯水。标准物质9种菊酯类混合标准溶液，包括丙烯菊酯、联苯菊酯、甲氰菊酯、氯氰菊酯、氰戊菊酯、溴氰菊酯、高效氯氟氰菊酯、二氯苯醚菊脂、氟丙菊酯，溶剂为甲醇，质量浓度均为1000 mg/L，购于上海安谱实验科技有限公司。
图2 离子强度对Fe3O4／AMWNTs对菊酯吸附效果的影响
Fig.2 Effect of ion strength on Fe3O4/AMWNTs adsorption
拟除虫菊酯杀虫剂遇酸较稳定，在碱介质下较易分解，而且在弱酸性条件下，溶液中存在少量氢键供体改善了Fe3O4/AMWNTs对菊酯吸附效果，本文分别考察2.0、4.0、6.0和9.0四种pH值条件下Fe3O4/AMWNTs的吸附效果（见图3）。根据色谱响应值，在四种不同的酸碱条件下，在pH为6.0时Fe3O4/AMWNTs对拟除虫菊酯杀虫剂吸附效果最佳。
图3 pH值对Fe3O4／AMWNTs对菊酯吸附效果的影响
Fig.3 Effect of pH on Fe3O4/AMWNTs adsorption
Fe3O4/AMWNTs对分析物吸附后先后选取了乙酸乙酯、乙酸乙酯/环己烷（体积比为1∶1）、乙酸乙酯/正己烷（体积比为1∶1）以及乙酸乙酯/氯仿（体积比为2∶1）四种溶剂作为洗脱溶剂，平行操作根据目标物的色谱响应值判断四种洗脱溶剂洗脱能力。实验结果表明（如图4所示），对于9种拟除虫菊酯杀虫剂而言，四种溶剂的洗脱效果为：乙酸乙酯/氯仿（体积比为2∶1）优于乙酸乙酯/正己烷（体积比为1∶1）优于乙酸乙酯/环己烷（体积比为1∶1）优于乙酸乙酯。最终，选择解吸溶剂为乙酸乙酯/氯仿（体积比为2∶1）。
使用本研究所优化的方法进行分析时，9种拟除虫菊酯配制 0.5、1.0、5.0、10.0、20.0、50.0 ng/mL的菊酯类农药混合标准溶液，氯氰菊酯和二氯苯醚菊酯在1.0～50.0 ng/mL浓度范围内呈现良好的线性，其余7种菊酯在0.5～50.0 ng/mL浓度范围内呈现良好的线性，相关系数均高于0.990。
图4 洗脱溶剂对Fe3O4／AMWNTs对菊酯洗脱效果的影响
Fig.4 Effect of eluting solvent on pyrethroids being dissociated from Fe3O4/AMWNTs
通过对萃取和洗脱条件的优化，确定最佳条件为：添加氯化钠10 g后调节pH值为6.0，加入Fe3O4/AMWNTs复合物30 mg后超声萃取20 min，在外磁场作用下分离出Fe3O4/AMWNTs复合物用10 mL乙酸乙酯/氯仿（体积比为2∶1）进行洗脱。
2.2 方法的线性和灵敏度
“嗒嗒球”是一项我国新兴的体育球类运动，它属于乒乓球与羽毛球的创意融合，通过延长球拍长度，扩大防守与进攻范围，并更改外观设计与本体重量，设计成黑白两用的塔塔球。它由嗒嗒球、嗒嗒球拍、嗒嗒球网架、运动场地4个部分组成，属于适合于男女老少健身的项目。塔塔球具有室内外可练、房前屋后可赛、变化多样，集便利与趣味性于一体等特点，该创意项目已被国家体育总局推荐为我国全民健身项目。
（2）货运量及配送距离。2018年9月1日各站点配送量及运输距离如下：A站点货运量0.9T，配送距离4.7KM；B站点货运量0.8T，配送距离7.6KM；C站点货运量1.3T，配送距离12KM；D站点货运量2.2T，配送距离28KM；E站点货运量2T，配送距离36KM；F站点货运量12T，配送距离49KM。
使用优化后的GC/ECD方法进行测试，考察方法的准确度和精密度，以空白水为基质加标，按照三倍信噪比计算方法的检出限，本方法的最低检出限在0.09～0.33 ng/mL。
2.3 方法的准确度和精密度
利用磁性纳米材料与气相色谱仪联用分析方法测定鱼塘水中9种菊酯类杀虫剂进行了加标回收率试验，结果如表1所示。本实验中空白鱼塘水样经过过滤后用磁性纳米材料萃取后进行GC/ECD分析，未检出9种拟除虫菊酯类杀虫剂。测得加标回收率为77.6%～93.9%，相对标准偏差小于9.3%。
表2为利用磁性纳米复合材料萃取法（MSPE）与固相萃取法和液液提取法的优缺点比较，可以看出本研究所用方法具有步骤简便，有机溶剂用量少，样品用量少的优点。在100 mL样品中进行加标试验测得3种方法的检出限，利用磁性纳米复合材料萃取法（MSPE）要优于另外两种方法。图5为空白鱼塘水样和加标鱼塘水样色谱图，可以看出9种菊酯通过Fe3O4/AMWNTs萃取均有很好的响应。
表1 9种菊酯杀虫剂的回收率、相对标准偏差及检出限
Table 1 Recoveries，relative standard deviations and LODs of nine pyrethroid pesticides
表2 3种前处理方法比较
Table 2 Comparison among three pretreatments
图5 空白鱼塘水与添加9种菊酯杀虫剂鱼塘水色谱图
Fig.5 Chromatograms of blank fishing pond water and the one spiked with nine pyrethroid pesticides
3 结论
相对于司法实践领域现有的鱼塘水样中拟除虫菊酯杀虫剂的分析方法而言，本研究所建立的磁性纳米材料与气相色谱仪联用方法具有简便快捷、高效灵敏以及环境友好等多方面的优势，适合在刑事技术领域进行推广。
远程用电检查系统数据采集功能，主要对过电压、过电流以及功率等参数进行计算。首先，根据侦听远程终端接收数据信息，然后逻辑分析程序采用“SEMMA”方法论进行数据分析，如下图所示。
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Determining Pyrethroid Pesticides with Multi-walled Carbon Nanotube Decorated with Fe3O4Nanoparticles
SHEN Weidong1, YANG Fan1, CUI Yanhua1,*, PAN Yaoyue1, ZHANG Suling2, YAO Weixuan3
(1. Judicial Identification Center of Huzhou Public Security, Huzhou 313000, Zhejiang, China; 2. College of Materials& Environmental Engineering, Hangzhou University of Electronic Science and Technology, Hangzhou 310018, China;3. Department of Criminal Science and Technology, Zhejiang Police College, Hangzhou 310053, China)
ABSTRACT: Objective To prepare the magnetic multi-walled carbon nanotube by loading Fe3O4 nanoparticles onto its surface (Fe3O4/AMWNTs) for optimizing the detection of water-containing pyrethroid pesticides. Methods Following the preparation of Fe3O4/AMWNTs composite, a magnetic AMWNTs extraction coupled with gas chromatography was set up for determining 9 pyrethroid pesticides under the optimized conditions of ionic strength, pH, extraction time and elution solvents.Results The Fe3O4/AMWNTs composite can detect both cypermethrin and fenvalerate among linear 1-50ng/mL, and the remaining 7 pyrethroids being across 0.5-50 ng/mL, with all the 9 pyrethroids showing their correlation coefficients greater than 0.990. Recoveries of the method were 77.6%-93.9%. Conclusions This method is efficient, economical and environmentfriendly, able to meet the actual requirements for drug analysis into cases, e.g., the one poisoning fishing-pond.
KEY WORDS: Fe3O4-modified multi-walled carbon nanotube; gas chromatography (GC); pyrethroid pesticides; cases of poisoning fishing-pond
中图分类号： DF795.1
文献标识码： A
文章编号： 1008-3650(2019)04-0298-05
DOI： 10.16467/j.1008-3650.2019.04.004
第一作者简介： 沈卫东，男，浙江湖州人，学士，工程师，研究方向为毒物分析。E-mail: swd050154@126.com
* 通讯作者简介： 崔艳华，女，黑龙江鸡西人，学士，高级工程师，研究方向为毒物分析。E-mail: 740058675@qq.com
收稿日期： 2017-05-11；修回日期：2017-07-14
引用 本文格式：沈卫东，杨帆，崔艳华，等. Fe3O4纳米粒子修饰多壁碳纳米管用于检测菊酯类杀虫剂[J]. 刑事技术，2019,44(4):298-302.
标签：Fe3O4纳米粒子修饰多壁碳纳米管论文; 气相色谱论文; 菊酯类杀虫剂论文; 鱼塘投毒案件论文; 湖州市公安司法鉴定中心论文; 杭州电子科技大学材料与环境工程学院论文; 浙江警察学院刑事科学技术系论文;