蔡霖,席普宇,謝晴,李雪花,喬顯亮,謝宏彬,陳景文,蔡喜運
(大連理工大學環(huán)境學院,工業(yè)生態(tài)與環(huán)境工程教育部重點實驗室,遼寧大連 116024)
QuEChERS方法聯(lián)合HPLC-MS/MS和GC-MS測定土壤中110種農(nóng)藥殘留
蔡霖,席普宇,謝晴,李雪花,喬顯亮,謝宏彬,陳景文,蔡喜運*
(大連理工大學環(huán)境學院,工業(yè)生態(tài)與環(huán)境工程教育部重點實驗室,遼寧大連 116024)
采用QuEChERS前處理方法聯(lián)合高效液相色譜串聯(lián)二級質(zhì)譜(HPLC-MS/MS)和氣相色譜串聯(lián)質(zhì)譜(GC-MS),建立了測定土壤中110種農(nóng)藥殘留的方法。通過調(diào)整加入水中的乙酸含量對QuEChERS方法進行優(yōu)化,結(jié)果表明加入1%的乙酸提高了農(nóng)藥的回收率?;谵r(nóng)藥的極性、熱穩(wěn)定性、揮發(fā)性等特性差異,分別采用HPLC-MS/MS測定其中的43種農(nóng)藥和GC-MS測定另外的67種農(nóng)藥。采用內(nèi)標法測定回收率,內(nèi)標為阿特拉津-d5、磺酰磺隆、1,3-二甲基-2-硝基苯、磷酸三苯酯、苝-d12。在3個添加水平(10、20、50 μg·kg-1)下,由HPLC-MS/MS測定的43種農(nóng)藥的平均回收率范圍為59.1%~129.4%,相對標準偏差(RSD)在0.3%~15%之間;由GC-MS測定的67種農(nóng)藥的平均回收率范圍為44.9%~168.1%,RSD在0.5%~20%之間。方法的檢出限范圍為0.01~5.00 μg·kg-1。采用該方法檢測某土壤樣品,共檢出農(nóng)藥68種,其中主要包括煙嘧磺隆、炔苯酰草胺、乙氧氟草醚、滅菌丹、烯酰嗎啉、高效氯氟氰菊酯和部分有機磷、有機氯農(nóng)藥等,結(jié)果表明該方法簡單有效、檢測靈敏度高,可用于土壤中農(nóng)藥多殘留的檢測。
QuEChERS;高效液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜;氣相色譜串聯(lián)質(zhì)譜;農(nóng)藥殘留;土壤
據(jù)國家統(tǒng)計局年度數(shù)據(jù),2012年以來我國農(nóng)藥年施用量超過180萬t,且呈現(xiàn)出遞增趨勢[1]。農(nóng)藥的大量使用導致土壤中農(nóng)藥的殘留,例如阿特拉津、乙草胺等農(nóng)藥因長期大量使用而在土壤中廣泛殘留,已禁用的滴滴涕、六六六等有機氯農(nóng)藥則因其自身結(jié)構穩(wěn)定,也能夠長期殘留在土壤中,仍被頻繁檢出。殘留的農(nóng)藥易被農(nóng)作物吸收,被食用后則會危害人類健康。據(jù)王萬紅等[2]報道,遼寧省北部農(nóng)田中阿特拉津、乙草胺和丁草胺檢出率為100%,最大殘留量分別為21.2、203.2、30.9 μg·kg-1;艾氏劑、狄氏劑和六氯苯也被檢出,六氯苯檢出率為100%。尹可鎖等[3]報道,滇池流域農(nóng)田中有機氯農(nóng)藥檢出率達到95.9%,殘留濃度在ND~63.4 μg·kg-1之間。因此,需要開展土壤中農(nóng)藥多殘留分析技術研究,為農(nóng)田土壤中農(nóng)藥殘留特征分析和風險評估提供技術支撐。
土壤中農(nóng)藥殘留檢測主要包括樣品前處理和儀器分析兩部分。常見前處理方法包括加速溶劑萃取法[4]、固相萃取法[5]、微波輔助萃取法[6]、QuEChERS方法[7-8]等。其中:加速溶劑萃取法需要裝柱、洗脫、凈化等步驟,耗時較長;固相萃取法則因存在柱子選擇問題,使其能夠萃取的化合物比較單一;微波輔助萃取法對實驗條件要求較高,實驗繁瑣且耗時較長。QuEChERS方法因其具有快速、簡單、有效、廉價、安全、耐用等特點受到了廣泛應用,例如:Rashid等[7]采用QuEChERS方法結(jié)合GC-MS測試了土壤中19種有機氯農(nóng)藥,回收率在70%~100%之間,相對標準偏差在3%~20%之間;熊偉娜等[8]采用QuEChERS方法作為前處理技術結(jié)合HPLC對苯線磷及其兩種代謝產(chǎn)物進行了分析測定,回收率在82.5%~97.4%之間,相對標準偏差在2.5%~6.1%之間。常用的儀器測試技術為HPLC、GC、HPLC-MS/MS和GC-MS。本文基于農(nóng)藥極性、熱穩(wěn)定性、揮發(fā)性等特點的不同進行分類測試,采用HPLC-MS/MS分析磺酰脲類、三嗪類除草劑等43種農(nóng)藥,GC-MS分析有機氯、有機磷殺蟲劑、酰胺類除草劑等67種農(nóng)藥,建立了土壤中110種農(nóng)藥的殘留分析方法。與前人建立的農(nóng)藥殘留分析方法相比,本方法操作簡單、靈敏度高、檢測農(nóng)藥種類多。
1.1 儀器和試劑
高效液相色譜三重串聯(lián)四級桿質(zhì)譜聯(lián)用儀(Agilent 2100SL液相色譜,Agilent 6410B質(zhì)譜),配有電噴霧離子源,Eclipse XDB-C18分析柱(150×3 mm,3.5 μm,Agilent公司);Agilent 6890-5975型氣相色譜-質(zhì)譜(Agilent 6890N氣相,Agilent 5975質(zhì)譜),DB-5MS石英毛細管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm);BS224S電子天平(北京賽多利斯);QKPURE實驗室超純水儀器(上海淶科);QL-901渦旋振蕩器(海門其林貝爾);TDL-5-A臺式離心機(上海安亭);KQ5200DB數(shù)控超聲儀(昆山舒美);WD-12氮吹儀(杭州奧盛)。
正己烷、丙酮、乙腈、甲酸均為色譜純(美國Sigma-Aldrich公司);乙二胺-N-丙基硅烷(PSA)、無水硫酸鎂、氯化鈉均為分析純;噻菌靈、噻蟲嗪、啶蟲脒、甲霜靈、異丙威、烯酰嗎啉、嘧菌酯、丙溴磷、戊唑醇、異菌脲、丙環(huán)唑、苯醚甲環(huán)唑、2,4-滴丁酯、乙氧氟草醚、聯(lián)苯菊酯、噠螨靈、高效氯氟氰菊酯來自企業(yè)饋贈,其余購自北京百靈威科技有限公司(純度>97%);分別稱取一定量43種農(nóng)藥(HPLC-MS/MS測定)和67種農(nóng)藥(GC-MS測定),分別采用乙腈和正己烷溶解,將農(nóng)藥配制成1 mg·L-1的混標儲備液,保存在-20℃。分別采用乙腈和正己烷稀釋,配制5、10、20、50、100、200、500共7個濃度的標準曲線,供HPLC-MS/ MS和GC-MS分析測試,現(xiàn)配現(xiàn)用。
1.2 樣品前處理
取10 g(精確至0.01 g)土壤置于50 mL離心管中,加入含1%乙酸的超純水6 mL,然后加入10 mL乙腈渦旋振蕩1 min;稱取4 g無水硫酸鎂和1 g氯化鈉加入離心管中,充分渦旋振蕩除水;在4000 r·min-1轉(zhuǎn)速下離心分離5 min,轉(zhuǎn)移全部上清液到10 mL離心管中,稱取1 g無水硫酸鎂和200 mg PSA加入離心管中,振蕩后在4000 r·min-1轉(zhuǎn)速下離心分離5 min;取3 mL上清液加入到氮吹管中,氮吹至近干,加入1 mL乙腈和水(體積比1∶1)的混合液,渦旋振蕩后過0.22 μm濾膜到液相小瓶中,供HPLC-MS/MS分析;同時取3 mL上清液加入到氮吹管,氮吹至近干,加入1 mL正己烷,渦旋振蕩后過0.22 μm濾膜到液相小瓶中,供GC-MS分析。
1.3 液相色譜與質(zhì)譜條件
液相條件:流動相為乙腈(A相)和含0.1%甲酸的超純水(B相);流速0.25 mL·min-1;進樣量10 μL。進樣梯度:0~4 min,50%A~60%A;4~6 min,60%A~70%A;6~6.1 min,70%A~75%A;6.1~10 min,75%A~80%A;10~15 min,80%A~90%A。
質(zhì)譜條件:電噴霧離子源,正離子模式;干燥氣溫度350℃;干燥氣流速8 L·min-1;毛細管電壓4 kV;電噴霧壓力25 psi(1 psi=6.895 kPa);檢測方式為多離子反應監(jiān)測模式(MRM)。
配制農(nóng)藥混標溶液,ESI源選擇正離子模式,采用SCAN模式,掃描得到各農(nóng)藥的母離子、碎片離子及其對應的碰撞能量等參數(shù),分析優(yōu)化參數(shù)見表1。
1.4 氣相色譜串聯(lián)質(zhì)譜測試條件
色譜條件:載氣為氦氣(純度99.999%);恒流模式,流速1.2 mL·min-1;進樣口溫度290℃;進樣量1 μL;不分流進樣,無分流進樣后打開分流閥和隔墊吹掃閥。柱溫箱升溫程序:80℃,保持3 min,然后以30 ℃·min-1升溫到150℃,再以6℃·min-1升溫到290℃,保持1 min。
表1 農(nóng)藥殘留HPLC-MS/MS測試條件及結(jié)果Table 1 Test conditions and results of pesticides for HPLC-MS/MS analysis
續(xù)表1 農(nóng)藥殘留HPLC-MS/MS測試條件及結(jié)果Continued table 1 Test conditions and results of pesticides for HPLC-MS/MS analysis
質(zhì)譜條件:電子轟擊源70 eV;離子源溫度230℃;電離模式為電子轟擊電離(EI);MS接口溫度280℃;溶劑延遲時間4 min;數(shù)據(jù)采集模式選擇離子掃描模式(SIM)。
配制農(nóng)藥混標溶液,采用SCAN模式,掃描得到各農(nóng)藥的定量離子和定性離子等參數(shù),分析優(yōu)化參數(shù)見表2。
2.1 測試條件的優(yōu)化
2.1.1 HPLC-MS/MS測試條件優(yōu)化
在SCAN模式下,對各農(nóng)藥進行一級質(zhì)譜掃描,獲得各農(nóng)藥的母離子,采用二級質(zhì)譜分析掃描各農(nóng)藥的母離子,確定碎片離子,然后對碎片離子對應的碰撞能量(CE)值等參數(shù)進行了優(yōu)化。以碘甲磺隆鈉鹽為例,在SCAN模式下掃描得到母離子為508,其碎片離子為167,然后對碎片離子167對應的CE值進行優(yōu)化,通過比對發(fā)現(xiàn),CE=10、15、20、25 eV時對應的豐度分別為5000、5200、5100、5100,故選擇碎片離子167對應的CE值為15 eV。
表2 農(nóng)藥殘留GC-MS測試條件及結(jié)果Table 2 Test conditions and results of pesticides for GC-MS analysis
續(xù)表2 農(nóng)藥殘留GC-MS測試條件及結(jié)果Continued table 2 Test conditions and results of pesticides for GC-MS analysis
續(xù)表2 農(nóng)藥殘留GC-MS測試條件及結(jié)果Continued table 2 Test conditions and results of pesticides for GC-MS analysis
對液相色譜流動相梯度也進行了優(yōu)化(表3),其中采用梯度3時,45種化合物的色譜峰分布均勻,15 min就可以得到所有農(nóng)藥的色譜峰(圖1)。與前人在20 min得到4種農(nóng)藥的色譜峰和在30 min得到12種農(nóng)藥的色譜峰[4-5]相比,本方法檢測效率較高。
2.1.2 GC-MS測試條件優(yōu)化
在SCAN模式下,掃描得到各農(nóng)藥的碎片離子,選擇豐度最大的碎片離子作為對應農(nóng)藥的定量離子,選擇其他碎片離子作為定性離子。以乙草胺為例,在SCAN模式下掃描得到的碎片離子146和162對應豐度分別為4000和3300,故選擇碎片離子146作為定量離子,選擇162作為定性離子。根據(jù)質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫中的化合物比對功能,核對乙草胺的分子結(jié)構,確定保留時間,同時采用SIM模式測試樣品,掃描待測化合物的定性碎片離子和定量碎片離子以提高儀器靈敏度。圖2為SIM模式下得到的67種農(nóng)藥和3種內(nèi)標標準品的總離子色譜圖。
表3 用于優(yōu)化的3種流動相梯度Table 3 3 mobile phase gradients used for optimization
圖1 43種農(nóng)藥和2種內(nèi)標標準品的總離子色譜圖Figure 1 Total ion chromatograms of 43 pesticides and 2 internal standards
2.2 QuEChERS前處理方法的優(yōu)化
本方法的前處理過程采用AOAC(Association of Official Analytical Chemists)2007.01官方QuEChERS方法,具體包括:在10 g(精確至0.01 g)土壤中加入10 mL乙腈及6 mL含有緩沖物質(zhì)的水渦旋振蕩1 min,然后加入4 g無水硫酸鎂和1 g氯化鈉渦旋振蕩0.5 min,離心分離,接著取1 mL上清液加入25 mg的PSA和150 mg無水硫酸鎂,振蕩后離心分離,過0.22 μm濾膜到液相小瓶中,供HPLC-MS/MS或GC-MS分析測定。而本方法在第一次離心分離后取出所有上清液加入200 mg的PSA和1 g的無水硫酸鎂,振蕩后離心分離,取兩份上清液進行后續(xù)處理分析。
AOAC2007.01官方QuEChERS方法中需要加入含有緩沖物質(zhì)的水,由于磺酰脲類除草劑為弱酸性化合物[5],方法中加入的乙酸含量對其回收率影響較大,故以21種磺酰脲類除草劑為例,通過實驗比較了加入含0.1%和1%乙酸的水對其回收率的影響(圖3)。結(jié)果顯示,加入含0.1%乙酸的水的回收率范圍為20.5%~125.7%,加入含1%乙酸的水的回收率范圍為47.7%~128.6%,其中17種磺酰脲類除草劑回收率得到不同程度提高,平均提高了21.6%。此外,由于經(jīng)過改進的QuEChERS方法將農(nóng)藥殘留濃度濃縮了300%,因此可提高樣品中農(nóng)藥殘留的檢出限。
圖2 67種農(nóng)藥和3種內(nèi)標標準品的總離子色譜圖Figure 2 Total ion chromatograms of 67 pesticides and 3 internal standards
2.3 方法的決定系數(shù)和檢出限
配制5~500 μg·L-1一系列濃度梯度的標準液,繪制標準曲線,r2在0.965 2~0.999 6之間(表1、表2)。由檢出限定義信噪比為3時對應的濃度,配制0.1~10 μg·L-1一系列的低濃度梯度的標準液,確定了110種農(nóng)藥的方法檢出限為0.01(殺撲磷)~5.00(毒蟲畏、滅菌丹)μg·kg-1(表1、表2)。
圖3 加入含0.1%和1%乙酸時21種磺酰脲類除草劑的回收率Figure 3 Recoveries of 21 sulfonylurea herbicides with addition of 0.1%and 1%acetic acid
同一種農(nóng)藥采用GC-MS和HPLC-MS/MS測定時具有不同的靈敏度,例如:Alder等[9]整理的文獻中介紹阿特拉津在GC-MS的定量限為10 μg·kg-1,而在HPLC-MS/MS上的定量限僅為0.1 μg·kg-1;西瑪津在GC-MS的定量限為100 μg·kg-1,而在HPLCMS/MS上的定量限為1 μg·kg-1[10-12]。本方法采用HPLC-MS/MS測定的阿特拉津和西瑪津的定量限分別為1.56、0.6 μg·kg-1。4,4′-DDE通常采用GC-MS測定,檢出限為4.5 μg·kg-1[13],而鮮有報道采用HPLC-MS/MS測定4,4′-DDE,本方法采用GC-MS測定的4,4′-DDE的檢出限為0.54 μg·kg-1。本方法將GC-MS與HPLC-MS/MS結(jié)合起來測定農(nóng)藥殘留,顯著提高了農(nóng)藥的檢測靈敏度。
2.4 方法的回收率、精密度和土壤樣品測定結(jié)果
在10、20、50 μg·kg-1添加水平下,采用內(nèi)標法測定110種農(nóng)藥的回收率,內(nèi)標為阿特拉津-d5、磺?;锹?、1,3-二甲基-2-硝基苯、磷酸三苯酯和苝-d12,其中阿特拉津-d5和磺酰磺隆用于校正HPLC-MS/MS測定的43種農(nóng)藥,1,3-二甲基-2-硝基苯、磷酸三苯酯和苝-d12用于校正GC-MS測定的67種農(nóng)藥。3種添加水平下各農(nóng)藥的回收率范圍見圖4。在10 μg· kg-1添加水平下,回收率為50%~150%的農(nóng)藥共99種,占檢測農(nóng)藥總數(shù)的90.0%;在20 μg·kg-1添加水平下,回收率為50%~150%的農(nóng)藥共94種,占85.5%;在50 μg·kg-1添加水平下,回收率為50%~150%的農(nóng)藥共93種,占84.5%。根據(jù)歐盟農(nóng)藥殘留檢測標準導則,測試農(nóng)藥種類較多(百種以上)時,它們的回收率在50%~150%范圍內(nèi)和相對標準偏差小于20%時,測試方法是可行的[14-16]。由HPLC-MS/MS測定的43種農(nóng)藥的平均回收率范圍為59.1%~129.4%,相對標準偏差(RSD)在0.3%~15%之間;由GC-MS測定的67種農(nóng)藥的平均回收率范圍為44.9%~168.1%,RSD 在0.5%~20%之間。只有GC-MS測定的10種農(nóng)藥(異狄氏劑醛、敵敵畏、五氯硝基苯、2,4-D丁酯、馬拉硫磷、丁草胺、殺螨酯、順式九氯、4,4′-DDD、三氯殺螨砜)平均回收率在50%~150%范圍外,而這些農(nóng)藥在10 μg·kg-1添加水平下,其回收率均在50%~150%范圍內(nèi),能夠滿足農(nóng)藥殘留檢測的要求。因此該方法可用于土壤中農(nóng)藥殘留的檢測。
圖4 不同添加水平各回收率范圍下農(nóng)藥種類數(shù)Figure 4 Pesticide number of every each range at different spike level
采用本方法檢測了采集自遼寧省某玉米田(42° 37′50″N,121°57′58″E)的土壤樣品,檢出農(nóng)藥68種(表1、表2),主要包括阿特拉津、煙嘧磺隆、炔苯酰草胺、乙氧氟草醚、滅菌丹、烯酰嗎啉、高效氯氟氰菊酯和部分有機磷、有機氯農(nóng)藥等。其中煙嘧磺隆的殘留濃度為8.65 μg·kg-1,據(jù)報道土壤中含有0.01~0.07 μg·kg-1的磺酰脲類除草劑殘留就會對一些敏感作物產(chǎn)生影響[17],因此該區(qū)域磺酰脲類除草劑殘留可能會對農(nóng)作物產(chǎn)生不利影響。該檢測土壤中有機磷農(nóng)藥共檢出20種,總殘留濃度為198.93 μg·kg-1,其中伏殺硫磷、殺撲磷均超過25 μg·kg-1,根據(jù)加拿大頒布的土壤環(huán)境質(zhì)量標準規(guī)定,有機磷農(nóng)藥殘留總量不應超過25 μg·kg-1[18],顯然該檢測樣點有機磷農(nóng)藥殘留濃度超標。有機氯農(nóng)藥共檢出18種,其中六六六、滴滴涕、艾氏劑、狄氏劑、異狄氏劑、七氯都能夠被檢出,殘留濃度范圍為6.71~95.57 μg·kg-1,均未超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量標準。
(1)建立了QuEChERS方法聯(lián)合HPLC-MS/MS 和GC-MS測定土壤中110種農(nóng)藥殘留的方法,通過對前處理條件和儀器條件的優(yōu)化,該方法能夠快速準確測定土壤中110種農(nóng)藥的殘留濃度。
(2)110種農(nóng)藥在5~500 μg·L-1濃度范圍內(nèi)線性關系良好,r2在0.965 2~0.999 6之間。由HPLC-MS/ MS測定的43種農(nóng)藥的平均回收率范圍為59.1%~129.4%,相對標準偏差在0.3%~15%之間;由GC-MS測定的67種農(nóng)藥的平均回收率范圍為44.9%~168.1%,相對標準偏差在0.5%~20%之間。方法的檢出限范圍為0.01~5.00 μg·kg-1。
(3)采用該方法檢測了某土壤樣品,共檢出農(nóng)藥68種。該方法具有簡便有效、靈敏度高等特點,可以滿足土壤中農(nóng)藥多殘留檢測的需求。
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Development of a multiresidue method for determination of 110 pesticide residues in soil using QuEChERSHPLC-MS/MS and QuEChERS-GC-MS
CAI Lin,XI Pu-yu,XIE Qing,LI Xue-hua,QIAO Xian-liang,XIE Hong-bin,CHEN Jing-wen,CAI Xi-yun*
(Key Laboratory of Industrial Ecology and Environmental Engineering(Ministry of Education),School of Environmental Science and Technology,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China)
A method was established for the determination of 110 pesticides in soil using high performance liquid chromatography tandem mass spectrometry(HPLC-MS/MS)and gas chromatography tandem mass spectrometry(GC-MS)with modified QuEChERS(Quick,Easy, Cheap,Effective,Rugged,and Safe).Levels of acetic acid used in the QuEChERS procedure were optimized,and results indicated that higher recoveries were obtained when 1%acetic acid was added.Based on differences in polarity,thermostability,volatility,and other characteristics of pesticides,analysis of 43 pesticides was conducted via HPLC-MS/MS and the other 67 pesticides were analyzed using GC-MS. Five internal standards(atrazine-d5,sulfosulfuron,1,3-dimethyl-2-nitrobenzene,triphenyl phosphate,and perylene-d12)were used for the method validation.The average recoveries of the 43 pesticides analyzed via HPLC-MS/MS at three spike levels(10,20,and 50 μg·kg-1)ranged from 59.1%to 129.4%with relative standard deviations(RSDs)between 0.3%and 15%;whereas the average recoveries of the 67 compounds analyzed using GC-MS ranged from 44.9%to 168.1%with RSDs of 0.5%~20%.The detection limits of the method ranged from 0.01 to 5.00 μg·kg-1.The established method was used to determine pesticide resides in a soil sample,in which 68 pesticides were found,including nicosulfuron,propyzamide,oxyfluorfen,folpet,dimethomorph,lambda-cyhalothrin,some organophosphorus pesticides,and some organochlorine pesticides.Overall,the method is simple,efficient,and sensitive,and thus can be used for the simultaneous determination of pesticide residues in soil.
QuEChERS;high performance liquid chromatography tandem mass spectrometry;gas chromatography tandem mass spectrometry; pesticide residues;soil
X592
A
1672-2043(2017)08-1680-09
10.11654/jaes.2016-1657
2016-12-26
蔡霖(1990—),男,碩士研究生,主要從事污染物殘留分析。E-mail:cailinyushui@163.com
*通信作者:蔡喜運E-mail:xiyuncai@dlut.edu.cn
公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201503107);國家自然科學基金項目(21477013)
Project supported:The Special Scientific Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest(201503107);National Natural Science Foundation of China(21477013)
蔡霖,席普宇,謝晴,等.QuEChERS方法聯(lián)合HPLC-MS/MS和GC-MS測定土壤中110種農(nóng)藥殘留[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報,2017,36(8):1680-1688.
CAI Lin,XI Pu-yu,XIE Qing,et al.Development of a multiresidue method for determination of 110 pesticide residues in soil using QuEChERS-HPLC-MS/ MS and QuEChERS-GC-MS[J].Journal of Agro-Environment Science,2017,36(8):1680-1688.