水體中草甘膦質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及檢測方法綜述

馬天翼,董會軍,董建芳,李 義,李梓瑤,封梅青

(1.河北省地質(zhì)資源環(huán)境監(jiān)測與保護重點實驗室,河北 石家莊 050021;2.河北省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院,河北 石家莊 050021)

0 引言

自1974年孟山都公司將草甘膦引入市場,草甘膦已成為世界上應(yīng)用最廣泛的除草劑之一。據(jù)報道,2020年草甘膦的全球使用量在60萬t～70萬t,預(yù)計2025年草甘膦使用量達到74萬t～92萬t[1]。草甘膦作為最常見的土壤用有機磷除草劑之一,具有高效,低毒的特性,長期以來被認為是環(huán)境友好型農(nóng)藥[2]。然而,隨著大量使用草甘膦除草劑造成土壤中草甘膦不斷累積,并且通過地表徑流、雨水沖刷及地下水滲透等方式進入水體中污染水體環(huán)境,破壞水生生態(tài)系統(tǒng)平衡[3,4],研究表明,草甘膦對環(huán)境生物具有遺傳毒性、神經(jīng)毒性、生長毒性等不利作用[5],殘留于環(huán)境中的草甘膦及其衍生物通過生物富集作用進入食物鏈,可能會影響人體神經(jīng)和腎臟等健康,并具有一定的致癌性,從而引起了人類的廣泛關(guān)注。因此對水體中草苷酸殘留分析檢測和監(jiān)管至關(guān)重要。本文主要綜述了水體中草苷酸殘留相關(guān)標(biāo)椎和檢測方法,為未來制定符合我國水體現(xiàn)狀的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和快速、靈敏的草苷膦殘留檢測技術(shù)提供參考。

1 水體草甘膦殘留質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及檢測標(biāo)準(zhǔn)方法概述

據(jù)報道,草甘膦作為有機污染物之一,已在我國多個地區(qū)檢出[6]。我國政府為保障水質(zhì)安全作了大量努力,多次結(jié)合我國發(fā)展現(xiàn)狀修改水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

GB 5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》[7]是在GB5749—1985《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》基礎(chǔ)上,參考美國、歐盟以及世界衛(wèi)生組織等的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合我國飲用水現(xiàn)狀在原有基礎(chǔ)上修訂增加了包括草甘膦在內(nèi)的71項指標(biāo),規(guī)定生活飲用水草甘膦限值為0.7 mg/L。

GB/T 14848—2017《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[8]在GB/T 14848—1993《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的基礎(chǔ)上增加了包括草甘膦在內(nèi)的54項指標(biāo)評價地下水質(zhì)量,GB/T 14848—2017規(guī)定草甘膦指標(biāo)在地下水Ⅰ類水不得超過0.1 μg/L,Ⅱ類水不得超過140 μg/L。

水質(zhì)實時監(jiān)測能夠迅速把握水體污染情況,為及時調(diào)查污染來源、解決突發(fā)污染狀況提供有力保障。國內(nèi)外先后制定水體中草甘膦除草劑的檢測標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范監(jiān)測手段。

1990年美國發(fā)布《EPA 547-Determination of Glyphosate in Drinking water by Direct-queous Injection HPLC,Post-column Derivatization,and Fluorescence Detection》檢測標(biāo)準(zhǔn)[9]使用高效液相色譜熒光檢測器和柱后衍生測定飲用水中的草甘膦,檢出限為6 μg/L。

2006年我國發(fā)布GB/T 5750.9—2006《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗方法 農(nóng)藥指標(biāo)》[10]適用于高效液相色譜法測定飲用水和水源水中草甘膦,經(jīng)過柱后衍生,用熒光檢測器進行檢測,外標(biāo)法定量,直接進樣方式檢出限為25 μg/L(進樣量200 μL)。

2007年國家環(huán)境保護總局發(fā)布GB 5085.6—2007《危險廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn) 毒性物質(zhì)含量鑒別》[11]使用柱后衍生和高效液相色譜測定水體中草甘膦,地下水草甘膦檢出限達到8.99 μg/L,試劑水檢出限達到6 μg/L,脫氯處理過的自來水檢出限達到5.99 μg/L (進樣量均為200 μL)。

國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 16308—2014《Water quality-Determination of glyphosate and AMPA-Method using high performance liquid chromatography (HPLC) with tandem mass spectrometric detection》[12]在ISO 21458—2008基礎(chǔ)上作了改進,采用柱前衍生的處理方式,液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀測定飲用水、地下水和地表水中的草甘膦和氨基甲基膦酸,檢出限達到0.03 μg/L。

2018年發(fā)布CJ/T 141—2018《城鎮(zhèn)供水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)檢驗方法》[13]適用于離子色譜法測定城鎮(zhèn)供水及水源水中草甘膦,以氫氧化鉀或者氫氧化鈉為淋洗液,等度淋洗,電導(dǎo)檢測器檢測,保留時間定性,峰高或者峰面積定量。檢出限為0.044 mg/L(進樣量25 μL);以碳酸鈉為淋洗液檢測城鎮(zhèn)供水及水源水中草甘膦,檢出限為0.032 mg/L(進樣量為20 μL)。

2019年發(fā)布HJ 1071—2019《水質(zhì)草甘膦的測定高效液相色譜法》[14]適用于高效液相色譜測定地表水、地下水、生活污水和工業(yè)廢水中草甘膦,在水樣中加入檸檬酸三鈉絡(luò)合金屬離子,經(jīng)過固相萃取小柱凈化后使用9-芴甲基氯甲酸酯進行衍生后,使用二氯甲烷萃取,高效液相色譜儀測定,根據(jù)保留時間定性,外標(biāo)法定量,檢出限為2 μg/L(進樣量為20 μL),該液相色譜法使用衍生和凈化等前處理方式,相比柱后衍生過程能更好的控制衍生過程,提高回收率和精確度,該方法目前廣泛被用于水體中草甘膦的檢測。

2023年GB/T 5750.9—2023《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗方法第9部分:農(nóng)藥指標(biāo)》(10月1日實施)[15]測定生活飲用水中草甘膦的檢測方法在2007版的基礎(chǔ)上增加了離子色譜法,檢出限達到0.15 mg/L(進樣量100 μL)。

現(xiàn)行部分檢測標(biāo)準(zhǔn)測定草甘膦無法避免基質(zhì)效應(yīng)干擾和假陽性檢測情況發(fā)生,且檢出限過高無法準(zhǔn)確評定地下水質(zhì)量水平。因此,研究人員在不斷探索優(yōu)化的檢測方法。

2 水體中草甘膦檢測方法

水體中草甘膦的檢測方法主要包括離子色譜法,高效液相色譜法,高效液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜法,氣相色譜串聯(lián)質(zhì)譜法和毛細管電泳法。水體中草甘膦檢測研究應(yīng)用情況詳見表1—表3。

表1 離子色譜法檢測水體中草甘膦的應(yīng)用

2.1 離子色譜法(IC)

離子色譜法是通過氫氧根或碳酸根等淋洗液將水體中的草甘膦和其他陰離子帶入陰離子交換柱,根據(jù)陰離子交換柱對不同離子的親和力差異進行離子分離,經(jīng)陰離子抑制系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為高電導(dǎo)率強酸,利用電導(dǎo)檢測器檢測各陰離子電導(dǎo)率后,通過保留時間定性,色譜峰面積或峰高定量。

基于上述不足,研究人員通過使用不同類型色譜柱及調(diào)整淋洗液類型及濃度等進行優(yōu)化,大多優(yōu)化條件為使用IonPac AS19保護柱、分析柱和使用KOH淋洗液等提高檢測分辨率和靈敏度[16-21]。離子色譜法線性范圍一般設(shè)置為mg/L量級,優(yōu)化后檢出限在1～100 μg/L不等,如丘露等人[19]、張任男等人[22]通過大體積進樣提高檢測靈敏度,檢出限達到1～5 μg/L,邱慧敏等人[23]使用一維分析系統(tǒng)串聯(lián)二維毛細管離子色譜使檢測限達到0.025 μg/L。通過條件優(yōu)化,大部分研究草甘膦檢測都能避開水體中其他陰離子干擾,目標(biāo)峰能夠正常顯示。詳見表1。

2.2 高效液相色譜法(HPLC)

高效液相色譜法主要通過前處理(過濾或固相萃取等)凈化后與9-芴甲基氯甲酸酯(FMOC-Cl)進行衍生化反應(yīng),生成的熒光產(chǎn)物去除衍生化副產(chǎn)物后,利用不同性質(zhì)物質(zhì)在兩種流動相中移動速度的差異經(jīng)過色譜柱分離,有序的進入熒光檢測器進行檢測,以保留時間和特征波長定性,色譜峰面積或峰高定量。

高效液相色譜熒光檢測器無法直接檢測草甘膦,因此需要進行柱前衍生或者柱后衍生,柱前衍生在水樣中加入硼酸鹽溶液和FMOC(FMOC-Cl)于50～60 ℃水浴衍生1～2 h,衍生過程中產(chǎn)生的水解產(chǎn)物等干擾物質(zhì)使用固相萃取或者有機溶劑去除,經(jīng)過濾后上機測試。采用柱前衍生處理方式過程中產(chǎn)生的水解產(chǎn)物干擾可以通過固相萃取或者有機溶劑去除,該方法應(yīng)用廣泛,檢出限較低,但存在過程繁瑣,試劑使用量大的缺點。柱后衍生則是使用柱后衍生儀,不需要進行繁雜的前處理過程,配制柱后衍生液后使用液相色譜上機。液相色譜法測定水體中的草甘膦精密度和靈敏度較高,報道的檢出限在0.002～5 μg/L。柱后衍生處理過程自動化,由于柱后衍生化反應(yīng)是在高效液相色譜流路中完成的,反應(yīng)程度難以觀察和控制,且柱后衍生儀價格昂貴,因此這種方法普及度不高,文獻報道的較少。

研究人員主要通過優(yōu)化固相萃取小柱類型,洗脫液比例,選擇合適的色譜柱和洗脫程序[31-38]等方式提高高效液相色譜法測定水體中草甘膦含量的精密度和靈敏度。詳見表2。

表2 高效液相色譜法檢測水體中草甘膦的應(yīng)用

2.3 高效液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜法(HPLC/MS/MS)

草甘膦樣品由9-芴基甲酸甲基氯甲酸酯(FMOC-Cl)進行衍生,降低極性以增加化合物在反相色譜柱的保留能力,通過高效液相色譜系統(tǒng)進樣,經(jīng)色譜柱分離后進入離子源進行離子化,進而被聚焦后送入質(zhì)譜,通過三重四極桿后以離子對形式被檢測。根據(jù)保留時間和特征離子對定性,峰高或者峰面積定量。

綜合近些年的研究發(fā)現(xiàn),高效液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜法(HPLC/MS/MS)測定水體樣品,通過調(diào)整色譜質(zhì)譜條件能達到較高的靈敏度、精密度和準(zhǔn)確度,測試時間短,同時可檢測多種有機污染物,能夠?qū)崿F(xiàn)高效監(jiān)測水質(zhì)的目標(biāo)。然而,高效液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜法直接進樣只適用于生活飲用水等干凈水質(zhì)的檢測,不適用于地表水、地下水甚至鹽分高和污染嚴(yán)重的水質(zhì)監(jiān)測,直接進樣檢測結(jié)果存在不同程度基質(zhì)干擾的問題。因此,研究人員采用了固相萃取或者衍生等前處理方法,降低基質(zhì)干擾及水質(zhì)污染的影響,提高高效液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜法測定草甘膦的靈敏度和準(zhǔn)確度[39-41]。筆者現(xiàn)使用該方法測定地下水和地表水樣品,柱前衍生-高效液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜法測定草甘膦可以有效地降低基質(zhì)干擾的影響,方法檢出限滿足地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求,回收效果好,適用于大批量樣品檢測。但是該方法衍生過程的鹽類物質(zhì)易析出阻塞質(zhì)譜接口,損害儀器設(shè)備。

總結(jié)優(yōu)化后的條件,高效液相色譜系統(tǒng)用于分離草甘膦(或衍生產(chǎn)物)的色譜柱多采用反相色譜柱,流動相中有機相一般采用乙腈或者甲醇,水相則是采用乙酸銨或者甲酸水溶液。多數(shù)研究檢出限在0.06～40 μg/L,適用于水體中痕量草甘膦的檢測。詳見表3。

表3 高效液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜法檢測水體中草甘膦的應(yīng)用

2.4 氣相色譜串聯(lián)質(zhì)譜法(GC/MS/MS)

草甘膦需經(jīng)過衍生反應(yīng)后才可使用氣相色譜串聯(lián)質(zhì)譜儀測定,性質(zhì)不同物質(zhì)在氣、固相中分配系數(shù)存在差異,樣品經(jīng)過氣化后被載氣帶入色譜柱分離,依次進入質(zhì)譜檢測。根據(jù)保留時間、碎片離子質(zhì)荷比或不同離子豐度比定性,峰面積或峰高定量。

程雪梅等人[48]研究認為氣相色譜串聯(lián)質(zhì)譜法比高效液相色譜法方便,靈敏度高。對于灌溉水中草甘膦的測定,使用七氟丁醇-三氟乙酸酐衍生試劑水浴反應(yīng)1 h后,吹氮氣排除雜質(zhì),加入檸檬醛乙酸乙酯溶解殘渣后上機測試。色譜柱采用彈性石英毛細管柱DB-5MS。檢出限為0.3 μg/L,回收率為91%～106%,精密度為2.9%～6.2%。由于草甘膦極性較強,需要進行衍生化反應(yīng)無法使用氣相色譜及氣相色譜質(zhì)譜法直接檢測,目前,我國使用氣相或氣相色譜串聯(lián)質(zhì)譜法測定水體中的草甘膦方法報道較少。

2.5 毛細管電泳分離法

毛細管電泳法是以毛細管為各組分分離通道,以高壓直流電場為驅(qū)動力,根據(jù)樣品的電荷、大小、極性和相分配特性等差異的大小實現(xiàn)分離分析的技術(shù)。毛細管電泳主要與紫外檢測器、激光誘導(dǎo)熒光檢測器、電化學(xué)檢測器或質(zhì)譜檢測器串聯(lián)進行檢測,毛細管電泳法具有分析速度快、環(huán)境友好等優(yōu)點。

由于草甘膦缺乏紫外可見波長范圍內(nèi)的生色團,因此直接檢測非常困難,一般使用間接檢測的方法,將草甘膦進行衍生,使草甘膦具有一定的光學(xué)性能,檢測器選擇紫外檢測器或者激光誘導(dǎo)熒光檢測器進行檢測,該方法需要芴甲氧羰酰氯[49]、硫代異氰酸苯酯[50]、異硫氰酸熒光素酯[51]或5-(4,6-二氯三嗪)氨基熒光素[52]等衍生,分別適用于地下水和湖水、地表水和植物油、農(nóng)產(chǎn)品以及環(huán)境水樣和土壤樣品等基體中草甘膦的檢測,步驟較為繁瑣,檢出限較高,因此需要旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)[50]或微流控芯片[51]等方法實現(xiàn)高靈敏度檢測,檢出限達到0.05～5 μg/L,回收率達到84%～102%。毛細管電泳結(jié)合電化學(xué)檢測方法,具體包括安培法、電導(dǎo)法和電致化學(xué)發(fā)光法等[53],該方法無需衍生,但存在檢測靈敏度較低的特點,檢出限在mg/L水平[54-55]。有研究人員使用毛細管電泳串聯(lián)質(zhì)譜檢測器對草甘膦進行測定,不需要衍生實現(xiàn)10 min內(nèi)完成檢測,檢出限達到10 μg/L[56],毛細管電泳串聯(lián)電感耦合等離子體質(zhì)譜對草甘膦進行測定,檢出限達到mg/L水平[57]。

毛細管電泳法可以滿足水體、土壤和食品等草甘膦檢測的需求,使用電化學(xué)檢測器、紫外檢測器或者熒光檢測器靈敏度較低,和質(zhì)譜檢測器串聯(lián)可以提高檢測靈敏度,但需要對毛細管柱內(nèi)壁化學(xué)性質(zhì)、與質(zhì)譜接口設(shè)計以及樣品純化等方面做進一步研究。

3 結(jié)束語

草甘膦在我國應(yīng)用廣泛,其殘留物及代謝產(chǎn)物危害人類和環(huán)境生物的健康和安全,因此,建立符合我國國情的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和靈敏可靠的樣品分析技術(shù)是保障生態(tài)環(huán)境健康穩(wěn)定的基礎(chǔ)。針對生活飲用水和地下水,我國已有成熟的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范水體中草甘膦的含量。目前,水體中草甘膦的檢測技術(shù)也在日趨成熟,質(zhì)譜法檢測采用柱前衍生,高效液相色譜質(zhì)譜儀靈敏度高,選擇性強,但價格昂貴,因此現(xiàn)今我國少有測定水體中草甘膦的高效液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜儀的標(biāo)準(zhǔn)方法。相比于質(zhì)譜法,色譜儀的普及度較高,其中液相色譜法測定草甘膦需要進行衍生反應(yīng),檢出限較低,操作簡單,目前是檢測水體中草甘膦的主要方法。

水體中草甘膦的檢測已經(jīng)關(guān)系到人類和生態(tài)系統(tǒng)的健康,未來的草甘膦檢測研究還應(yīng)側(cè)重以下兩方面:①對于地下水,地表水及污染地塊水體中草甘膦的批量前處理和檢測方法需要更快捷,靈敏和精確;②目前環(huán)境方法中測定地下水體中草甘膦檢出限較高,無法滿足地下水水質(zhì)定級標(biāo)準(zhǔn),未來需要完善相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn),更好的發(fā)揮檢測對于地表水,地下水污染的預(yù)警作用。