尿素功能化Fe3O4@TMU-16-NH2磁固相萃取吸附剂结合高效液相色谱-紫外检测测定二嗪磷、氟苯脲和氟铃脲

《Talanta Open》：Urea-functionalized Fe?O?@ TMU-16-NH? as a sorbent for magnetic solid-phase extraction of diazinon, teflubenzuron, and hexaflumuron followed by high-performance liquid chromatography-ultraviolet detection

　　

研究人员旨在开发一种基于尿素修饰的磁性TMU-16-NH₂的创新且高效的磁性吸附剂，用于磁固相萃取（magnetic solid-phase extraction，MSPE）。尿素因其可获得性及其官能团能够为目标分析物提供额外相互作用位点，从而增强吸附剂的吸附能力，被选作TMU-16-NH₂的合适表面改性剂。据此，该吸附剂被用于萃取二嗪磷、氟苯脲和氟铃脲。萃取的分析物通过高效液相色谱-紫外检测（high-performance liquid chromatography-ultraviolet detection，HPLC-UV）进行分离和定量。研究人员系统研究并优化了实验参数，包括吸附剂用量、盐浓度、样品溶液pH、洗脱剂体积、解吸时间和萃取时间。在最优条件下，所建立的方法在二嗪磷0.50–200.00 μg L^?1、氟铃脲1.00–200.00 μg L^?1和氟苯脲2.00–200.00 μg L^?1浓度范围内表现出良好的线性。检测限（limits of detection，LODs）和定量限（limits of quantification，LOQs）分别为0.13–0.61 μg L^?1和0.43–2.01 μg L^?1。富集因子（enrichment factors，EFs）和绝对回收率（absolute recoveries，%ARs）分别在255.00–310.00和63.25%–77.50%范围内。所制备的吸附剂可重复使用9次。BAGI和AGREEprep评分分别为80.00和0.76，表明该分析程序具有良好的绿色特征。该验证方法被应用于茄子、甜椒、橙子和马铃薯等实际样品的分析，相对回收率和加标回收率可接受（高于90%），表明其对于复杂基质分析的可靠性和适用性。

农药在保障粮食安全方面发挥着重要作用，但其广泛使用和在环境中的持久性对人类健康与生态系统构成潜在威胁。世界卫生组织报告指出，害虫和病媒生物导致约17%的传染病；联合国粮农组织数据显示，害虫造成的年农业损失达20%–40%。因此，开发灵敏、可靠、高效的农药残留检测方法具有重要意义。由于复杂基质中农药残留浓度低，样品前处理必不可少。传统固相萃取（solid-phase extraction，SPE）存在选择性差、耗时、消耗大量吸附剂和有机溶剂等问题，而磁固相萃取（magnetic solid-phase extraction，MSPE）利用磁性纳米粒子可通过外部磁场快速分离，具有萃取效率高、有机溶剂用量少、传质快、比表面积大等优点。金属有机框架（metal-organic framework，MOF）因高比表面积、可调孔结构、易于功能化等特性，在吸附萃取领域受到广泛关注。其中TMU-16-NH₂由锌离子、4-bpdh和2-氨基对苯二甲酸配体构筑，具有规则孔道和良好稳定性，但其表面功能基团类型有限。尿素含有氨基（–NH₂）和羰基（C=O），可同时提供氢键供体和受体位点，弥补单一类型改性的不足，增强与含极性和芳香结构农药分子的相互作用。研究人员将Fe₃O₄磁性核心与TMU-16-NH₂结合并进行尿素表面功能化，构建了多功能磁性吸附剂Fe₃O₄@TMU-16-NH₂-Urea，用于MSPE富集二嗪磷、氟苯脲和氟铃脲，结合高效液相色谱-紫外检测（HPLC-UV）完成定量分析。

研究中采用的主要技术方法包括：首先合成Fe₃O₄磁性纳米粒子，通过原位溶剂热法在其表面生长TMU-16-NH₂，再在乙醇中与尿素室温搅拌进行表面功能化，得到目标吸附剂。利用X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、振动样品磁强计（VSM）、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、透射电子显微镜（TEM）和能量色散X射线光谱（EDS）对材料的结构、形貌、元素分布和磁性能进行表征。在方法优化中，先采用Plackett-Burman设计（PBD）筛选显著因素，再通过Box-Behnken设计（BBD）结合响应面法（RSM）确定最佳萃取条件。实际样品来自茄子、甜椒、橙子和马铃薯，样品经乙腈/水提取、盐析离心后供MSPE处理。MSPE流程为：10 mL样品溶液调节pH至9.00，加入Na₂SO₄至3.75%（w/v），加入5.00 mg吸附剂，超声萃取4 min，磁分离后用25 μL甲醇超声解吸2 min，进HPLC-UV测定。研究还采用AGREEprep和BAGI工具评估方法的绿色性与实用性。

研究结果部分的主要发现如下：

**3.1 Characterization（表征）**：XRD图谱显示Fe₃O₄的立方尖晶石结构特征峰和TMU-16-NH₂在低角区的特征峰同时存在，尿素修饰后晶体结构未受明显影响，说明磁性MOF吸附剂成功合成且结构稳定。FT-IR光谱确认了Fe–O伸缩振动、MOF的N–H、羰基/羧酸根等官能团，尿素修饰后原有吸收带保留，在N–H和羰基区域的变化支持尿素官能团的引入。VSM测得Fe₃O₄饱和磁化强度约为60 emu g^?1，包覆TMU-16-NH₂-Urea后降至约40 emu g^?1，但仍足以实现快速磁分离。FE-SEM显示吸附剂为由准球形颗粒组成的团聚形貌，表面粗糙；TEM测得粒径约250–300 nm；EDS及元素mapping证实Fe、Zn、C、O、N均匀分布，证明磁性相与MOF组分均匀分散。

**3.2 Optimization（优化）**：通过单因素实验比较了乙醇、甲醇、乙酸乙酯、乙腈和异丙醇作为解吸溶剂的效果，甲醇因极性适宜且氢键能力强，解吸效率最高，被选为最优解吸溶剂。PBD筛选表明pH、盐浓度、洗脱剂体积和吸附剂用量对萃取效率有显著影响，而萃取时间和解吸时间不显著，分别固定为4 min和2 min。BBD优化确定最佳条件为：吸附剂用量5.00 mg，Na₂SO₄浓度3.75%（w/v），甲醇体积25 μL，样品pH=9.00。在最佳条件下RSM模型预测值和实测值的误差为?0.49%，验证了模型可靠性。随吸附剂用量增加萃取效率下降归因于颗粒团聚和有效表面积减少；盐浓度过高增加溶液粘度、限制分析物扩散；洗脱剂体积过小不足以完全解吸，过大则稀释信号；pH影响分析物和吸附剂的电离状态，pH=9.00时氢键和π–π作用最强。

**3.3 Figures of merit（分析品质）**：在最优条件下，二嗪磷、氟铃脲和氟苯脲的线性范围分别为0.50–200.00、1.00–200.00和2.00–200.00 μg L^?1，决定系数R²为0.9936–0.9981。检测限（LODs）和定量限（LOQs）分别为0.13–0.61 μg L^?1和0.43–2.01 μg L^?1。日内和日间精密度（RSD）为3.20%–6.50%。富集因子（EFs）为253.00–310.00，绝对回收率（%ARs）为63.25%–77.50%。吸附容量对二嗪磷、氟苯脲和氟铃脲分别为0.1265、0.1400和0.1550 mg g^?1。吸附剂可重复使用9次且萃取回收率无明显变化；在第二次解吸中未检测到残留分析物，表明无记忆效应。未加标的茄子样品色谱图在目标分析物保留时间处无干扰峰，加标后出现明显峰，证实方法特异性良好。

**3.4 Comparison of the proposed MSPE method with other published methods（与已发表方法比较）**：与文献中的MSPE方法相比，本方法的LOD和LOQ低于部分报道方法，RSD与多数方法相当或更低，EF明显高于某些方法，综合灵敏度、精密度和富集能力表现良好，具有一定优势。

**3.5 Analysis of selected real samples（实际样品分析）**：将所建方法用于茄子、甜椒、橙子和马铃薯中三种农药的测定。采用标准加入法和基质匹配校准消除基质效应。在1.00、2.00和5.00 μg L^?1三个加标水平下，相对回收率（%RR）为85%–120%，RSD为2.80%–6.80%。茄子中实测二嗪农浓度为3.20 μg L^?1（高于LOQ 0.43 μg L^?1，可定量）；甜椒、茄子等样品中氟铃脲检测值低于LOQ但高于LOD，记为可检出但低于定量限；氟苯脲在部分样品中低于LOQ。基质因子（MF）评估表明方法基本无基质效应。

**3.6 Possible extraction mechanism（可能的萃取机理）**：吸附剂对目标农药的萃取涉及多种协同作用。TMU-16-NH₂的氨基和尿素引入的N–H、C=O基团可与农药的极性官能团形成氢键；尿素-derived N–H作为供体，C=O作为受体；二嗪磷的P–O基团可与N–H形成氢键，氟苯脲和氟铃脲的羰基及含杂原子位点参与氢键和偶极–偶极作用；MOF有机配体的芳香环与农药芳香结构发生π–π堆叠；此外还包括范德华力和偶极–偶极作用。吸附剂的多孔结构增大了活性位点的可及性，有利于分析物接触。对比Fe₃O₄@TMU-16-NH₂和尿素功能化后的吸附容量，证明尿素功能化有效增强了吸附能力。

讨论部分指出，吸附剂的优异萃取性能源于多孔TMU-16-NH₂框架与尿素引入的氨基、酰胺和羰基官能团的协同效应；这些活性位点通过氢键、π–π作用及分子间作用力与目标农药结合，提高了吸附亲和力和萃取效率。基于Box-Behnken设计的响应面优化建立了可靠且可重复的分析方法。磁性特性使相分离快速简便，简化了样品前处理流程。绿色评价中AGREEprep得分为0.76，BAGI得分为80.00，表明方法具备良好绿色特征和实际应用性，但吸附剂合成中涉及72小时水热和有毒溶剂DMF，因此整体环境足迹需结合合成过程综合考量。

研究结论部分翻译如下：所提出吸附剂的优异萃取性能归因于其结构特征的协同效应，包括多孔的TMU-16-NH₂框架以及通过尿素修饰引入的氨基、酰胺和羰基官能团。这些活性位点通过氢键、π–π相互作用和其他分子间作用力与目标农药形成有利的相互作用，从而增强吸附亲和力和萃取效率。基于Box-Behnken设计的响应面方法对关键萃取参数的优化，建立了可靠且可重现的分析方法。该方法表现出令人满意的分析性能，包括宽线性范围、低检测限、高富集因子和可接受的萃取回收率，展示了该吸附剂在痕量农药测定中的优异能力。此外，吸附剂的磁性性质使其能够快速方便地进行相分离，简化了样品前处理步骤。总体而言，基于Fe₃O₄@TMU-16-NH₂-Urea的MSPE方法为复杂基质中农药残留的测定提供了一种简单高效的分析策略，将高萃取性能与样品前处理的实际优势相结合。