大气压低温等离子体降解苹果表面氟啶虫酰胺残留的研究

徐毓谦，马东硕，孙少忆，赵芳芳，刘贵珊，孙运金

(1.宁夏大学食品与葡萄酒学院，宁夏 银川 750021；2.北京农学院首都农产品安全产业技术研究院等离子体工程中心，北京 102206；3.宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021)

氟啶虫酰胺(flonicamid) 又名N-氰甲基-(三氟甲基)烟酰胺，为白色无味固体粉末，是新型的低毒性杀虫剂，低剂量即可对蚜虫、粉虱等吮吸害虫产生很好的神经破坏作用和快速拒食活性，主要用于棉花、水果、蔬菜的虫害防治[1]。目前，氟啶虫酰胺在中国已经得到推广，批准用于马铃薯、黄瓜和苹果等果蔬的蚜虫防治[2]。欧盟制定的果蔬表面氟啶虫酰胺最高残留限量标准为0.02～2.00 mg·kg-1，苹果表面氟啶虫酰胺的最高残留限量标准不得高于0.2 mg·kg-1[3]。氟啶虫酰胺虽然属于低毒性农药，但是其渗透能力强，高剂量时仍会对环境造成污染，并对水生动植物的生长产生较大影响；此外，相当一部分农业生产者对农药使用缺乏规范性，造成农药残留超标。农药在不规范使用时会通过生物富集作用进入人体，产生慢性中毒，影响人的神经功能，严重时会引起头昏多汗、全身乏力乃至恶心呕吐、腹痛腹泻等症状。因此，如何有效降解氟啶虫酰胺在果蔬表面残留并减少相应的损失已成为目前研究的热点。

果蔬表面农药残留的传统降解方法主要有物理方法、化学方法和生物方法，但是物理方法的降解能力低，化学方法和生物方法又会导致二次污染。研究表明，等离子体技术对有害物质具有较好的降解作用，降解能力高于传统的降解方法，已广泛应用于医学、电子、环境、食品及日常生活等众多领域[4-8]。等离子体根据热力学性质分为高温等离子体和低温等离子体。其中，低温等离子体主要通过气体放电法和高能电子束法产生，目前使用较多的是气体放电法，包括高压脉冲放电法、介质阻挡放电法、辉光放电法和滑动弧放电法[9]。滑动电弧放电法是在通电电极板间，利用电子在电场作用下获得加速的动能，与气体分子发生碰撞，使气体电离形成电弧的气体放电法[10]。在农药降解中，等离子体以带电粒子为主，受外加电场的影响，具有独特的光、热和电等物理性质，可以破坏农药的自身结构，达到降解农药残留的目的。丛来欣等[11]利用高压电场低温等离子体降解马拉硫磷，降解效率达到79.62%±2.97%。方敏等[12]利用低温等离子体降解含有苯酚的工业废水，效果显著。大气压低温等离子体滑动电弧放电法与其他低温等离子体相比，处在相对较低的压力和环境中内，具有电离效率高、活性粒子浓度高、降解效果好和操作简便等优点，具有良好的农药降解应用前景。

近年来，低温等离子体在农药残留降解中的研究日渐增多，但此种方法较少应用于降解氟啶虫酰胺中。张岩等[9]使用低温射频等离子体降解乙腈中黄曲霉毒素B1，降解率可达95%；李善评等[10]利用低温等离子体降解烯啶虫胺农药废水，降解率达到82.7%。本文以氟啶虫酰胺作为研究对象，利用大气压低温等离子体滑动电弧放电法对苹果表面氟啶虫酰胺进行降解，研究该技术对苹果品质的影响，采用正交设计，确定最佳降解条件，为低温等离子体降解农药残留的应用提供一定的数据和理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

氟啶虫酰胺标准品(日本石原产业株式会社)；甲酸，麦克林公司(色谱纯)；乙腈，韩国德山药品工业公司(色谱纯)。红富士苹果样品，购于超市。

1.2 仪器与设备

滑动电弧放电等离子装置由北京农学院食品科学与工程学院自制，如图1所示，该装置由等离子发生器和高压电源等部分组成[13]。超高效液相色谱-串联质谱仪，Agilent Technologies公司，配置电喷雾离子(electrospay ionization,ESI)源;Triple Quad LC/Ms型匀质器，Agilent Technologies公司；涡旋仪，Scientific Industries公司。

1.3 试验方法

1.3.1 标准溶液的配制 准确称取100 mg·kg-1的氟啶虫酰胺标准品1.0 mL置于10 mL的棕色小瓶中，用乙腈定容至10 mL，得到10 mg·kg-1的标准储备液。准确吸取标准储备液1 mL于10 mL棕色小瓶中，用乙腈定容后得到1 mg·kg-1混合标准中间工作液备用。配制10、50、100、150和200 μg·kg-1系列混合标准工作液。

1.3.2 标准溶液样品制备 准确称取并配制0.2 mg·kg-1的氟啶虫酰胺标准品，吸取1 mL标准品置于干净平皿中，在25 ℃条件下进行自然风干。

注：1为样品放置台；2为电子喷射口；3为距离刻度线，由下至上为0～7 cm；4为电介质管；5和6为正负直流电压；7为功率显示屏；8为功率调节器；9为开关；10为铜管。Note：1 sample placement table;2 electron injection port;3 distance scale,which is 0～7 cm from bottom to top;4 dielectric tube;5 and 6 positive and negative DC voltages；7 power screen;8 power regulator;9 switch;10 Cu electrode.图1 试验装置示意图Fig.1 The schematic diagram of the experimental apparatus

1.3.3 涂布方法处理样品 苹果经过清水清洗后削皮，称重5 g，在固定位置用记号笔画出测定的范围，在该范围内涂布上0.2 mg·kg-1的氟啶虫酰胺，使其均匀地分布在范围内，将其置于25 ℃下风干后备用[14]。测定结果进行3次重复，取平均值。

1.3.4 浸泡方法处理样品 苹果经过清水清洗后削皮，称重5 g，将其放入0.2 mg·kg-1的氟啶虫酰胺中充分浸泡30 min，沥干后备用。测定结果进行3次重复，取平均值。

1.3.5 大气压低温等离子体处理 放电气体：空气；流速：40 L·min-1；极距：3、4、5 cm；输出功率：3、4、5 kW；时间梯度：5、10、15 s。处理后平皿置于室温中进行冷却，冷却后吸取1 mL的乙腈进行复溶，在600 r·min-1的涡旋仪上震荡1 min后，吸取并过膜至1.5 mL的进样小瓶中，待进行上机处理。

1.3.6 色谱-质谱条件 采用液相色谱-串联质谱分析。采用色谱柱分离，色谱柱：Luna C18(2)-HsT柱(50 mm×2 mm，2.5 μm)；流动相：A相为体积分数0.1%甲酸水溶液，B相为乙腈，V(A相)∶V(B相)=1∶4；流速0.3 mL·min-1。进样量：10 μL；ESI源正离子模式电离；多反应监测模式扫描；毛细管电压：2.2 kV；萃取锥孔电压：20 V；射频透镜电压：0.5 V；离子源温度：100 ℃；脱溶剂气温度：300 ℃；锥孔气流速：50 L·h-1；脱溶剂气流速：1 000 L·h-1；倍增器电压：650 V；二级碰撞气：氩气。

1.3.7 大气压低温等离子体降解条件单因素试验设计 本试验选取极距(3、4、5、6、7 cm)、输出功率(1、2、3、4、5 kW)、时间梯度(3、5、7、10、15 s)进行单因素试验，氟啶虫酰胺含量为0.2 mg·kg-1。以氟啶虫酰胺标准品降解率作为评价指标，进一步确定各因素的选取范围[14-16]。按照方法1.3.1进行测定，测定结果进行3次重复，取平均值。

1.3.8 大气压低温等离子体降解条件正交优化试验 在单因素试验的基础上，以极距、输出功率、时间梯度为影响因素进行 L9(34)的正交试验，具体见表1。以氟啶虫酰胺标准品的降解率作为评价指标，优化大气压低温等离子体对氟啶虫酰胺的降解方案。按照方法1.3.1进行测定，测定结果进行3次重复，取平均值。

表1 正交试验因素与水平Table 1 Factor and level table of orthogonal experiments

1.4 指标测定

1.4.1 降解效率计算公式 农药降解效率按下式进行计算[17]：

农药降解率=

(1)

1.4.2 降解后样品含水率及外观测定 含水率：测定样品降解前和降解后的含水率，并计算含水率损失。含水率损失为降解前后含水率的差值。取洁净的蒸发皿，置于105 ℃的干燥箱中干燥1 h，放入干燥器内冷却30 min后重复操作至恒质量。取5 g样品，置于蒸发皿中均匀铺开，重复上述操作，直至质量差不超过2 mg,随后进行含水率的计算[17]。

(2)

式中：X为样品中的含水率；W1为蒸发皿和样品的质量；W2为蒸发皿和样品干燥后的质量；W3为蒸发皿的质量。

外观：观察外观有无明显的颜色、形态、气味以及组织变化，具体内容见表2。

表2 苹果样品外观感官评分Table 2 Sensory evaluation of appearance of apple samples

1.5 检测方法线性范围测定

参考谢建军等[18]、吴银良等[19]、蒲陆梅等[20]、陈国等[21]的检测方法，测定氟啶虫酰胺检测限，得到氟啶虫酰胺的保留时间，线性方程以及检测限。

1.6 数据处理

采用 Design Expert 8.0.6、Origin 2017 和 SPSS 21对试验数据进行处理。

2 结果与分析

2.1 大气压低温等离子体降解条件单因素试验结果

2.1.1 极距对氟啶虫酰胺标准品降解率的影响 由图2可以看出，在时间为10 s和功率为4 kW时，随着极距的增加，标准品的降解率呈现先增加后降低的趋势，利用ANOVA单因素分析其显著性，发现极距为4 cm时，降解率最高达到34.25%。

注：图中不同字母标记表示结果差异性显著，P<0.05。下同。Note：Different letter marks in the picture indicate that the results are significantly different,P<0.05.The same as below.图2 极距对氟啶虫酰胺标准品降解率的影响Fig.2 Effect of plasma polar distance on degradation efficiency of flonicamid standard

其中极距为3、4 cm差别不显著，在5、6和7 cm时差异显著，极距7 cm时差异极显著，且降解率为最低。

2.1.2 功率对氟啶虫酰胺标准品降解率的影响 由图3可以看出，在时间为10 s和极距为4 cm时，随着功率的增加，经过大气压低温等离子体处理后，标准品降解率逐渐从24.56%增加到74.27%，之后开始下降。在功率为1～4 kW时，降解率逐渐上升，各处理组差异显著。当功率增加到5 kW时，降解率出现略微下降，并保持在这一水平。

图3 功率对氟啶虫酰胺标准品降解率的影响Fig.3 Effect of plasma power on degradation efficiency of flonicamid standard

2.1.3 时间对氟啶虫酰胺标准品响应值的影响 由图4可以看出，在功率为4 kW和极距为4 cm时，随着时间的延长，降解率没有明显的增加。在3～10 s时，降解率上升，标准品降解率逐渐从21.31%增加到66.91%，各处理组差异性显著。当处理时间达到10 s时，降解率到达最高，而后逐渐趋于平缓，处理时间10、15 s差别不显著。

图4 时间对氟啶虫酰胺标准品降解率的影响Fig.4 Effect of time on degradation efficiency of flonicamid standard

2.2 大气压低温等离子体降解条件正交试验结果

结合单因素的试验结果，以降解率作为参考指标，正交设计试验结果见表3。在不同的降解条件的正交优化下，通过极差R值可知各指标之间对降解影响由大到小的顺序为功率A>极距C>时间B，此时氟啶虫酰胺的最佳降解组合为A3B3C2，即功率为5 kW、时间为15 s、极距为4 cm，在此条件下进行验证试验，氟啶虫酰胺降解率为91.30%。

表3 大气压低温等离子体降解氟啶虫酰胺的条件正交试验结果Table 3 Orthogonal test results of degradation flonicamid condition by atmospheric low temperature plasma

2.3 样品中氟啶虫酰胺降解效果

基于正交优化结果，采用涂布法和浸泡法降解苹果样品表面的氟啶虫酰胺，结果见表4。样品中的氟啶虫酰胺降解率分别为72.10%和80.30%，在浸泡方法处理的苹果样品降解率比涂布方法处理下的显著增大。

表4 苹果表面氟啶虫酰胺降解效果Table 4 Degradation effect of flonicamid on apple surface

2.4 降解处理对样品的含水率及外观的影响

2.4.1 大气压低温等离子体降解对样品含水率的影响 经大气压低温等离子体降解后含水率损失结果见表5。2种方法的含水率受到的影响不同，浸泡法、涂布法的样品含水率损失分别为13.95%和17.15%，差异显著。

表5 苹果样品含水率损失试验结果Table 5 Results of water loss rate of apple samples

2.4.2 大气压低温等离子体降解对样品感官的影响 大气压低温等离子体降解后外观结果见表6。2种方法下的样品表面均无明显变化，差异性不显著,同时未产生烧灼后易出现黑色物质，无明显的颜色变化，无灼烧后的焦味，样品自身形状保持完整，无缺失或者损耗。处理未使样品本身的质构和外观出现不良的影响。

表6 苹果样品外观感官试验结果Table 6 Sensory evaluation results of appearance of apple samples

2.5 检测方法线性范围

由于氟啶虫酰胺的极性较强，在等梯度洗脱条件下，基质效应强出峰较快，因此，在本试验优化得到的降解条件下，氟啶虫酰胺的保留时间为0.5～0.6 min。取一系列不同含量的氟啶虫酰胺标准溶液，以仪器响应峰面积(y)对氟啶虫酰胺的质量浓度(x)进行线性回归，可以得到氟啶虫酰胺线性方程为y=4 755.8+73.4x，R2=0.996。结果表明，当氟啶虫酰胺含量在 200 μg·mg-1时，含量与响应峰面积线性关系显著，最低检测限为5 μg·kg-1。

续表Continuing table

3 结论与讨论

大气压低温等离子体由大量的电子和离子组成，其粒子带电，相互作用下多个带电粒子间的集体作用大于2个粒子之间的碰撞，运动轨迹不是简单的折线，而是在发生多个小波折之后形成的曲线[9]。在本试验中，大气压低温等离子体在热平衡中呈准中性，是高能的物理状态，其产生的大量具有高活性的电子、原子、分子和自由基能，可以在放电场中碰撞和反应，有效降解农药分子，同时不会产生有毒副产物[9-10,17]。

在本研究中，大气压低温等离子体的中性气体被施加足够高的能量后，形成一定数量的初级电子。这些电子电离后激发活性更高的激发态原子、离子以及自由电子[22]，释放大量活性物质，发生强氧化作用[23-24]，不断将有机物进行分解，使有机物转化为简单小分子无污染物质，从而高效率、低能耗降解有机物[25]，达到降解农药残留的目的。在极距为5～7 cm时，大气压低温等离子体的喷射口距离样品过远，降解率不高，而随着喷射口距离的缩短，其产生的有效活性成分距离样品足够近，当接触面不断增大时，降解率逐渐增加，这与高振红等[14]的研究结果相符。但当距离减少到3 cm时，降解率出现小幅度下降，推测是因为喷射口所释放出的部分有效活性成分没有全部抵达样品部位，对样品的有效作用程度降低，所以降解率出现下降。在功率试验中，本研究发现在5 kW时降解率趋于平缓，推测是因为大气压低温等离子体滑动电弧所产生的有效活性成分在功率超过4 kW达到同一水平值，对功率依赖性变弱，所以降解率不会发生较大变化。在时间处理上，大气压低温等离子体滑动电弧主要利用低温高能使农药分子键断裂，生成小分子成分，再逐步降解成更小分子或者形成低毒或无毒的小分子化合物[17]。随着时间的增加，氟啶虫酰胺的分子链发生碎裂，降解率不断增加，在10 s处达到最高点，在15 s处无显著变化，这可能是由于样品此时降解率已达到最高，随着时间的延长不会发生较大改变。

在试验样品的农药残留降解中，相对于王世清等[17]降解处理氧化乐果的研究结果，本试验的苹果含水率损失较低，推测是由于本试验处理时间较短，大气压低温等离子体释放的活性物质对有机物降解效率高，未导致组织水分大量损失。其中，浸泡法处理样品的水分损失比涂布法低，可以认为是较好的样品处理方法。在2种处理样品的方法对比中，经大气压低温等离子体处理后，浸泡法的降解效果更明显，这可能是由于在降解过程中，涂布法在果皮表面残留的农药较少，而浸泡法使得更多的农药残留在果皮表面。

本试验利用大气压低温等离子体滑动电弧放电法，针对氟啶虫酰胺的残留进行降解，具有显著的降解效果，其降解效果与大气压低温等离子体的功率、时间、极距有关，影响顺序为功率>极距>时间。针对氟啶虫酰胺的的最适降解条件为功率5 kW、时间15 s、极距4 cm，降解率可达91.30%，优于董晓娜等[15]研究结果，同时相对于高振红等[14]降解氯吡脲的效率更高，表明大气压低温等离子体处理方法能明显提高农药的降解率。大气压低温等离子体滑动电弧放电法处理简单快速、无化学污染，是降解农药残留的有效方法，在今后工业化处理农药残留时具有巨大的应用潜力。