基于亲水和疏水低共熔溶剂的分散液液微萃取结合数字图像比色法测定粮食中对硫磷的方法

1.本发明属于食品安全检测技术领域，具体涉及一种基于亲水和疏水低共熔溶剂的分散液液微萃取结合数字图像比色法测定粮食中对硫磷的方法。


背景技术：

2.对硫磷是一种高效的有机磷杀虫剂和杀螨剂，主要用于防治病虫害，提高农作物的总产量。但是由于使用不当会导致其在粮食中形成残留，从而给人体带来负面影响。对硫磷农药的毒性很高，它的毒性是基于不可逆的抑制人体内乙酰胆碱酯酶的活性，而乙酰胆碱酯酶对人体的中枢神经系统至关重要。通过饮食摄入或者长期接触会引起头痛、呕吐、视力模糊、精神恍惚、呼吸麻痹甚至死亡等症状。因此，检测粮食中的对硫磷农药残留具有重要的意义。
3.样品预处理可以对目标物进行预浓缩，消除样品基质组分的干扰，在检测分析过程中十分重要。对于固体样本的预处理方法如固液萃取，常使用有毒的甲醇或乙腈作为萃取溶剂。在固液萃取后总需要进行固相萃取步骤进一步浓缩和净化样品溶液，但这既费时又消耗溶剂。分散液液微萃可以进一步完成样品的浓缩和净化，其原理是分散剂将微量的萃取剂分散在溶液中，使得样品中的分析物被提取到萃取剂的细小液滴中。该方法虽然具有快速、经济、富集倍数高、可减少有机溶剂的消耗等优点。但是常选择氯苯、四氯化碳、氯仿、四氯乙烯等高毒的卤代烃作为萃取溶剂，这对操作者和环境都不利。因此选择绿色的萃取剂改进分散液液微萃取尤为重要。低共熔溶剂（des）作为一种新型绿色环保的萃取剂，有不挥发、不易燃、可生物降解、成本低、易收集、绿色环保等显著优势，因此可以克服固液萃取中常使用有毒的甲醇或乙腈提取剂和分散液液萃取中常使用高毒的卤代烃提取剂的缺点。
4.到目前为止，已经开发了多种检测对硫磷农药残留的方法，如高效液相色谱法、液相色谱-质谱联用法、气相色谱-质谱联用法等。虽然上述检测方法在特异性、灵敏性等方面均可满足检测精度的要求，但仪器复杂、设备昂贵、检测耗时长、而且对技术人员的专业要求高。所以需要建立一种环保、快速、简单、廉价的制备和分析方法来检测粮食中对硫磷农药的残留量。
5.数字图像比色法作为一种图像分析技术在定量比色方面获得了关注。该方法需要利用图像采集工具采集有颜色的部分，然后再利用图像处理软件对所采集的图像进行分析。随着科技的进步，智能手机更加微型化，其像素更高清、处理器更强劲、储存能力也有大大提高，这些性能的提升使得智能手机变得越来越完善化，自动化和智能化，并且使智能手机成为一种非常有应用潜力的图像采集工具及分析检测设备。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种分散液液微萃取结合数字图像比色法测定粮食中对硫
磷的方法。本发明首次设计采用一种亲水des作为固液萃取的萃取剂，采用一种疏水des进行分散液液微萃取，再结合以智能手机为基础的数字图像比色法对粮食中的对硫磷农药进行测定分析。
7.本发明采用如下技术方案：一种分散液液微萃取结合数字图像比色法测定粮食中对硫磷的方法，以氯化胆碱作为氢键受体，乙二醇、丙二醇、丁二醇作为氢键供体，按一定摩尔比混合成亲水des作为萃取剂，完成对粮食样品中对硫磷农药的提取；加入氢氧化钠溶液；再加入以四丁基溴化铵作为氢键受体，十一醇、薄荷醇、松油醇、香叶醇、芳樟醇、香茅醇作为氢键供体，按一定摩尔比混合成的疏水des，合成的疏水des可以原位解离为tba
＋
和醇，解离的亲水tba
＋
在碱性条件下将亲水des相中的对硫磷转化为一种黄色产物，并被原位生成的分散在溶液中的疏水萃取剂醇进一步提取和净化。颜色变化可用肉眼看到并利用智能手机进行图像采集，通过rgb模型获取数据进行分析，从而实现对粮食样品中对硫磷农药的定量检测。
8.具体包括如下步骤：（1）制备样品溶液：准确称取粉碎后的待测粮食样品0.1～0.5 g于 0.5 ml 离心管中，精确至0.0001 g，加入140μl～260 μl的亲水des，然后涡旋混合15～180 s，放入离心机中以6000r/min离心1～2min，取出上清液，待用；（2）收集萃取液：在步骤（1）所得上清液中加入50 μl～200 μl氢氧化钠水溶液，再加入50 μl～200 μl的疏水des，提取后以6000r/min离心1～2min，然后用进样针吸取水相弃置；（3）分析结果：裸眼观察溶液颜色变化，定性分析检测结果；然后用智能手机进行图像采集，再使用adobe photoshop图像处理软件获取rgb值，以对硫磷的浓度为横坐标，rgb值（i）为纵坐标作图建立对应的检测标准曲线，对检测结果进行定量分析。
9.所述待测粮食样品为水稻、小麦、高粱、玉米、小米中的至少一种。
10.所述亲水des是以氯化胆碱作为氢键受体，乙二醇、丙二醇和丁二醇作为氢键供体合成的，优选氯化胆碱和丙二醇。
11.所述亲水des的摩尔比是氯化胆碱和丙二醇按1/1、1/2、1/3、1/4、1/5和1/6合成的，优选1/3。
12.所述亲水des加入的体积为200 μl。
13.所述涡旋时间为60 s。
14.所述氢氧化钠水溶液的浓度为5 moll-1
。
15.所述氢氧化钠水溶液的体积为100 μl。
16.所述疏水des是以四丁基溴化铵作为氢键受体，十一醇、薄荷醇、松油醇、和香茅醇作为氢键供体合成的，优选四丁基溴化铵和松油醇。
17.所述疏水des的摩尔比是四丁基溴化铵和松油醇按5/1、4/1、3/1、2/1、1/1和1/2合成的，优选1/1；所述疏水des加入的体积为100 μl；所述智能手机型号为华为mate 40。
18.本发明的有益效果如下：本发明使用以氯化胆碱和丙二醇合成的亲水des作为萃取剂，替代了传统的甲醇、
乙腈等毒性有机溶剂，完成对粮食样品中对硫磷农药的提取。疏水des原位解离为四丁基溴化铵和松油醇，解离的亲水tba
＋
在碱性条件下将亲水低共熔溶剂相中的对硫磷转化为一种黄色产物（如图1），并被原位生成的分散在溶液中的疏水萃取剂松油醇进一步提取和净化（如图2）。再利用数字图像比色法对松油醇中的黄色产物进行定量检测。发生的颜色变化用智能手机拍照收集，在rgb模式下读取有效数据计算i值，得出实验结果。
19.本发明以氯化胆碱为氢键受体，乙二醇为氢键供体合成的亲水des使得能够溶于有机溶剂的对硫磷农药得到很好的萃取；提取过程中仅用了200 μl的亲水des，对人体和环境的危害极小，这样既环保又有效。
20.本发明采用的疏水des可原位解离生成松油醇萃取剂，由于其细小液滴和对硫磷的接触表面积大，从而加速了提取速率，缩短了提取时间，提取过程仅用不到1 min就可以完成，这样既方便又高效。
21.因为本发明所采用的疏水des与样品溶液互溶后，又可发生解离和原位分散，解离生成的亲水tba
＋
在碱性条件下将溶在亲水des中的对硫磷转化为一种黄色产物，同时被解离生成的松油醇浓缩和净化，所以提取和显色几乎是同步完成的，所需时间非常短。
22.本发明采用的检测设备简单、样品所需量少，无需昂贵的精密仪器（如质谱或色谱），使用智能手机这一常见的电子设备，利用图像处理系统即可对实验结果进行准确分析。
23.整个实验过程绿色环保、操作简单、成本低廉、快速灵敏还具有避免使用有机溶剂、节约提取剂用量等优势。通过回收率及精密度实验，说明本发明方法适用于检测粮食中对硫磷农药的含量。
附图说明
24.图1为本发明的对硫磷的检测机理图。
25.图2为本发明的提取和检测对硫磷的方法流程图。
26.图3为不同反应体系的紫外可见吸收光谱图。
27.图4为亲水des的种类对回收率的影响。
28.图5为亲水des的比例对回收率的影响。
29.图6为亲水des的体积对回收率的影响。
30.图7为涡旋时间对回收率的影响。
31.图8为疏水des的种类对回收率的影响。
32.图9为疏水des的比例对回收率的影响。
33.图10为疏水des的体积对回收率的影响。
34.图11为氢氧化钠水溶液的体积对回收率的影响。
35.图12为对硫磷的标准曲线。
具体实施方式
36.下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
37.下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
38.下述实施例中，对硫磷标准品、甲醇、氯化胆碱、乙二醇、丙二醇、丁二醇、四丁基溴
化铵、十一醇、薄荷醇、松油醇、香茅醇、香叶醇、芳樟醇和氢氧化钠均购自阿拉丁试剂有限公司。粮食样品水稻、小麦、高粱、玉米、小米均购自当地超市。
39.华为mate 40智能手机购自华为技术有限公司，图像处理软件adobe photoshop cc购自adobe系统公司，ika vortex2涡旋混匀仪来自艾卡仪器设备有限公司。
40.实施例1：实验可行性的验证制备方法：准备 4 个 1.5 ml 的离心管，配置 4 种不同的反应体系：a：对硫磷+亲水des；b：对硫磷+亲水des+疏水des；c：对硫磷+亲水des+碱；d：对硫磷+亲水des+碱+疏水des；分别测定它们的紫外吸收光谱图。
41.实验结果如图 3 所示：当疏水des和氢氧化钠不存在时，a体系是无色的。当疏水des存在，氢氧化钠不存在时，b体系没有明显变化，溶液仍是无色的。当氢氧化钠存在，疏水des不存在时，c体系在 410 nm左右出现了一个较弱的吸收峰，但溶液仍是无色的。当疏水des和氢氧化钠同时存在时， d体系在 410 nm左右出现了一个显著的吸收峰，肉眼可见溶液颜色明显发生变化，由无色变成黄色。d体系吸收峰的出现意味着氢氧化钠对对硫磷p中心攻击形成的硝基苯氧负离子与疏水des原位解离的tba＋合成一种黄色产物。
42.实施例2：条件优化a. 亲水des的种类（1）实验方法：准确称取0.1 g 样品于0.5 ml 离心管中，加入200 μl亲水des（氯化胆碱分别与乙二醇、丙二醇和丁二醇合成），然后涡旋提取60 s，放入离心机中以6000r/min离心1min，将上清液取出置于 0.5 ml 离心管中，加入100 μl氢氧化钠水溶液，再加入 100 μl疏水des，疏水des可发生原位解离，解离的亲水tba
＋
在碱性条件下将亲水des中的对硫磷转化为一种黄色产物，并被原位生成的分散在溶液中的疏水萃取剂松油醇提取，在6000r/min的条件下离心1min，用进样针去除下层水相。然后对离心管中的有颜色部分进行拍照，分析rgb值，计算回收率。
43.b. 亲水des的比例（1）实验方法：与a中（1）相同，不同之处在于加入的亲水des的摩尔比分别为氯化胆碱和丙二醇2/1、1/1、1/2、1/3、1/4、1/5或1/6。
44.（2）实验结果如图5所示。
45.（3）结果分析：氯化胆碱和丙二醇按照摩尔比为 2/1 时无法合成，最终按摩尔比为1/1、1/2、1/3、1/4、1/5和1/6合成六种不同的亲水性des，研究其对目标物质的提取效果。当氯化胆碱和丙二醇的摩尔比从 1/1到 1/3 时，萃取效果呈上升趋势，当摩尔比从 1/3 到 1/6 时，萃取效果趋于平缓。这是因为氯化胆碱和丙二醇按摩尔比为 1/3 合成的亲水des比其它两种的极性更适合对硫磷的溶解。所以选用摩尔比为 1/3 的亲水des作为萃取溶剂。
46.c. 亲水des的体积（1）实验方法：与a中（1）相同，不同之处在于分别加入不同体积的亲水des（140，160，180，200，220，240，260 μl）。
47.（2）实验结果如图6所示。
48.（3）结果分析：亲水des的体积在 140~200 μl范围内随着萃取剂体积的增加，萃取率显著增加，这是因为亲水des体积过小时萃取能力有限，难以使目标物均匀地分散在萃取
剂中，萃取不完全。当萃取体积超过 200 μl时，萃取率有所下降，这可能是因为亲水des体积过大时会导致溶液在0.5 ml 的离心管中无法充分涡旋，从而影响目标物进入到萃取剂中。因此，最终选择亲水des的体积为 200 μl。
49.d. 涡旋时间（1）实验方法：与a中（1）相同，不同之处在于分别涡旋不同的时间（15，30，60，90，120，180 s）。
50.（2）实验结果如图7所示。
51.（3）结果分析：涡旋在萃取过程中的主要作用是将目标物与萃取溶剂充分混匀，使目标物与萃取溶剂在混合过程中密切接触，让被萃组分通过相际界面进入到萃取剂中，直到组分在两相间的分配基本达到平衡。在15~60 s内随着涡旋时间的延长，回收率呈递增趋势，60 s以后回收率趋于平缓，这是因为通过60 s的涡旋时间，亲水des已经最大程度萃取了对硫磷。因此最佳涡旋时间为 60 s。
52.e. 疏水des的种类（1）实验方法：与a中（1）相同，不同之处在于加入疏水des的种类不同（四丁基溴化铵分别与十一醇、薄荷醇、松油醇、香叶醇、芳樟醇和香茅醇合成）。
53.（2）实验结果如图8所示。
54.（3）结果分析：四丁基溴化铵分别与香叶醇和芳樟醇合成的des呈黄色澄清液体，本试验的最终产物也是黄色，使用这两类des会影响试验结果的准确性。比较其它四类des对对硫磷的提取效果，以四丁基溴化铵和松油醇合成的des提取效果最好，所以选用这类des。
55.f. 疏水des的比例（1）实验方法：与a中（1）相同，不同之处在于加入的疏水des的摩尔比分别为四丁基溴化铵和松油醇5/1、4/1、3/1、2/1、1/1或1/2。
56.（2）实验结果如图9所示。
57.（3）结果分析：四丁基溴化铵和松油醇的摩尔比为1/3、1/4和1/5时始终无法合成，研究其他六种des对对硫磷的提取和检测效果。以摩尔比为1/1合成的des提取效果最好。这是因为当溶液中的分散剂四丁基溴化铵比例小（5/1、4/1、3/1、2/1）时分散效果较弱，不能使萃取剂松油醇在水样中均匀充分的分配，从而不能达到较好的萃取效果。当溶液中的萃取剂松油醇比例小（1/2）时无法将目标物全部从水相萃取到有机相。所以，疏水des的摩尔比最终选择1/1。
58.g. 疏水des的体积（1）实验方法：与a中（1）相同，不同之处在于分别加入不同体积的疏水des（50，75，100，125，150，175，200 μl）。
59.（2）实验结果如图10所示。
60.（3）结果分析：随着疏水des体积的增加，萃取率显著增加，当疏水des体积超过 100 μl时，萃取率显著降低。造成这一结果的原因是通过疏水des分解产生的四丁基溴化铵可以促进分析物向提取溶剂之间的转移，增大疏水des的用量，回收率会实现最大化。随着疏水des体积的持续增大，回收率呈下降趋势，这是因为在疏水des用量较大的条件下，影响了溶液的黏度，使得对硫磷的分配系数下降从而导致萃取效率降低。因此，选择100 μl作为
疏水des的体积。
61.h. 氢氧化钠水溶液的体积（1）实验方法：与a中（1）相同，不同之处在于分别加入不同体积的氢氧化钠水溶液（50，75，100，125，150，175，200 μl）。
62.（2）实验结果如图11所示。
63.（3）结果分析：本试验加入的氢氧化钠可以使对硫磷发生亲核加成反应生成硝基苯氧负离子，所以氢氧化钠水溶液的体积是影响萃取效果的一个重要因素。氢氧化钠水溶液的体积在 50～100 μl范围内，回收率呈上升趋势，这是因为氢氧化钠水溶液体积的增大会影响目标分析物的稳定性和溶解度，同时也会影响des的存在状态。氢氧化钠水溶液的体积在 100～200 μl范围内回收率逐步降低，这是由于氢氧化钠水溶液的体积增大引起水相的体积增大，增加了萃取难度。所以氢氧化钠水溶液的最佳用量是100 μl。
64.实施例3：对硫磷标准曲线的制作（1）实验方法：准确称取0.1 g 样品（添加浓度分别为0.01 mg kg-1
、0.05 mg kg-1
、0.10 mg kg-1
、 0.50 mg kg-1
、1.00 mg kg-1
、2.00 mg kg-1
、5.00 mg kg-1
），加入200 μl亲水des（氯化胆碱和丙二醇按1/3合成），然后涡旋提取60 s，放入离心机中以3260 g 离心1min，将上清液取出置于 0.5 ml 离心管中，加入100μl氢氧化钠水溶液，再加入 100 μl疏水des（四丁基溴化铵和松油醇按1/1合成），在3260 g 的条件下离心1min，对硫磷溶于松油醇有机相位于离心管上层，用进样针去除下层水相。然后对离心管中的有颜色部分进行拍照，分析计算rgb值（i）。以对硫磷浓度为横坐标，i=r/b为纵坐标绘制标准曲线。根据定量限 (loq) 的计算公式：loq=10σ/k和检出限 (lod) 的计算公式：lod=3σ/k计算出此优化条件下的定量限和检出限。σ为空白样的标准偏差，k为工作曲线的斜率。空白样品做 10 次平行拍照计算其标准偏差。
65.（2）实验结果如图12所示。
66.（3）结果分析：对硫磷含量在0.01 mg kg-1～5 mg kg-1
浓度范围内存在良好的线性关系：y=0.027x+0.9819，r2=0.9957，检出限（lod）为0.003 mg kg-1
，定量限（loq）为0.01 mg kg-1
。这些实验结果表明本方法具有较高的灵敏度和准确度。
67.实施例4：实际样品的检测（1）实验方法：准确称取0.1 g 样品（样品分别为水稻、小麦、高粱、玉米和小米，样品的添加浓度分别为0.05 mg kg-1
、0.50 mg kg-1
和5.00 mg kg-1
），加入200 μl亲水des（氯化胆碱和丙二醇按1/3合成），然后涡旋提取60 s，放入离心机中以3260 g 离心1min，将上清液取出置于 0.5 ml 离心管中，加入100 μl氢氧化钠水溶液，再加入 100 μl疏水des（四丁基溴化铵和松油醇按1/1合成），在3260 g 的条件下离心1min，对硫磷溶于松油醇有机相位于离心管上层，用进样针去除下层水相。然后对离心管中的有颜色部分进行拍照，分析计算rgb值（i）。通过以下公式计算回收率(recovery)。
68.c
found
为样品中目标分析物最终的浓度，c
real
为实际样品测定出的目标分析物浓度，c
added
为加入样品中已知目标分析物的浓度。
69.（2）实验结果如表1-表5所示。
70.表1 水稻样品中对硫磷含量的测定表2 小麦样品中对硫磷含量的测定表3 高粱样品中对硫磷含量的测定表4 玉米样品中对硫磷含量的测定表5 小米样品中对硫磷含量的测定
（3）结果分析：样品回收率在94.8%～106.2%，rsd《3.6%（n=3）。结果表明本实验的结果准确可靠，可以用于粮食样品中对硫磷的安全检测。
71.实施例5：与其他方法的比较将本发明的dese-dic方法与其他已报道的检测食品中对硫磷的方法进行了比较，实验结果如下表6-表7所示。该方法所需的提取时间短；采用微量绿色的des作为提取溶剂，避免了使用大量的有毒溶剂，如乙腈、丙酮、苯等；由于des具有良好的溶解性和混溶性，因此省去了耗时的蒸发和再溶解步骤；本发明提出的dese-dic方法比传统的免疫层析、hplc-uv、gc-fpd法更便捷，同时也大大缩短了检测时间。所发明的方法提供了一个良好的线性关系，lod低于欧盟和中国的最大残留限量（0.05mg kg
−1和0.01 mg kg
−1）。通过比较可以得出结论：本发明所建立的方法是绿色环保、节省溶剂、便捷快速和成本低廉的。
72.表6本方法与其他检测对硫磷方法的比较表7本方法与其他检测对硫磷方法的比较