土壤中氨基甲酸酯類農(nóng)藥檢測的方法優(yōu)化

陳建,李恒,王志龍,鐘希,鄧銘遠(yuǎn)

(1.中核華東地礦科技有限公司,江西 南昌 330200;2.江西菲爾檢測服務(wù)有限公司,江西 南昌 330001)

氨基甲酸酯類農(nóng)藥是一類高效廣譜型殺蟲劑,一般無特殊氣味,遇堿性環(huán)境分解,在酸性環(huán)境下穩(wěn)定。氨基甲酸酯類農(nóng)藥不屬于劇毒化合物,但具有致癌性,國際癌癥研究機(jī)構(gòu)在2007年把氨基甲酸酯類列為2A類致癌物。近年來氨基甲酸酯類農(nóng)藥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中被廣泛使用[1],由此帶來的環(huán)境污染和食品健康問題也日益引起關(guān)注。無論是樣品的前處理方法還是儀器檢測方法都有待不斷地完善和發(fā)展,因此,開發(fā)理想的樣品前處理方法和更加有效的儀器分析方法成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

目前用于檢測土壤中氨基甲酸酯類農(nóng)藥的前處理提取方法主要有索氏提取和加壓流體萃取[2-4],這兩種提取方式也是目前檢測土壤中氨基甲酸酯類農(nóng)藥的大部分檢測標(biāo)準(zhǔn)所提及的提取方式[5-8],兩種提取方式的主要區(qū)別見表1。

表1 索氏提取與加壓流體萃取的性能對比

由表1可知,索氏提取過程中存在消耗溶劑量大、耗時長、操作較為復(fù)雜等問題,不利于大批量樣品的高速高效檢測;加壓流體萃取雖不存在這些問題,但是設(shè)備成本較貴且維護(hù)保養(yǎng)高,增加了運(yùn)營成本。目前用于檢測土壤中氨基甲酸酯類農(nóng)藥的檢測方法主要有柱后衍生-高效液相色譜法和高效液相色譜-三重四極桿質(zhì)譜法,其中高效液相色譜-三重四極桿質(zhì)譜儀儀器成本和維護(hù)成本均比較高,而柱后衍生-高效液相色譜法是最常見的檢測土壤中氨基甲酸酯類農(nóng)藥的方法,檢測設(shè)備售價較質(zhì)譜類設(shè)備便宜,維護(hù)成本也相對較低。

本研究選擇10種常見的氨基甲酸酯類農(nóng)藥,采用超聲提取作為目標(biāo)化合物的提取方式[9-12],利用超聲波具有的機(jī)械效應(yīng)、空化效應(yīng)和熱效應(yīng)來提取土壤中目標(biāo)化合物,使土壤中的氨基甲酸酯類農(nóng)藥能夠在相對較短時間進(jìn)入提取劑中。同時優(yōu)化提取條件、凈化條件和色譜條件,利用柱后衍生-高效液相色譜儀,建立一種適用于土壤中氨基甲酸酯類農(nóng)藥的快速、準(zhǔn)確的檢測方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器和試劑

高效液相色譜儀(熒光檢測器):型號RF-20A,購置于日本島津公司。

柱后衍生系統(tǒng):型號CRB-40,購置于日本島津公司。

色譜柱:型號Shim-pack FC-ODS,75 mm×4.6 mm,3 μm,購置于日本島津公司。

數(shù)控超聲波清洗器:型號KQ-800DE,購置于昆山市超聲儀器有限公司。

離心機(jī):型號TDZ5-WS,購置于湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開發(fā)有限公司。

旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀:型號R-3001,購置于鄭州長城科技工貿(mào)有限公司。

氮吹儀:型號EFAA-DC24,購置于上海安譜實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司。

標(biāo)準(zhǔn)品/甲醇中10種氨基甲酸酯類農(nóng)藥混標(biāo):產(chǎn)品編號80791GA,購置于壇墨質(zhì)檢。

OPA試劑:稱取0.1 g鄰苯二甲醛(P816033-5 g,麥克林),溶于10 mL甲醇。稱取2.0 g 2-二甲氨基乙硫醇鹽酸鹽(115810250,ACROS),溶于10 mL四硼酸鈉溶液(0.05 mol/L)。將上述2種溶液混合后用四硼酸鈉溶液(0.05 mol/L)稀釋至1 L。

二氯甲烷(農(nóng)殘級)、甲醇(農(nóng)殘級)、無水硫酸鈉(優(yōu)級純)、氫氧化鈉(優(yōu)級純)、氯化鈉(優(yōu)級純)等。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立

移取適量的氨基甲酸酯類農(nóng)藥混標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)使用液至5 mL容量瓶,用甲醇稀釋配制9個濃度的標(biāo)準(zhǔn)曲線點(diǎn),標(biāo)準(zhǔn)曲線點(diǎn)質(zhì)量濃度分別為0.02,0.05,0.10,0.20,0.50,1.00,2.00,5.00,10.00 μg/mL。由低質(zhì)量濃度到高濃度依次對標(biāo)準(zhǔn)曲線點(diǎn)溶液進(jìn)樣,按照優(yōu)化后的色譜條件分析。

1.3 儀器條件

1.3.1 色譜條件

進(jìn)樣體積為20 μL;柱溫箱溫度為50 ℃;流動相流速為1 mL/min;流動相為甲醇和水;梯度程序:第0 min甲醇比例為10%,第4 min甲醇比例為14%,第10 min甲醇比例為40%,第17 min甲醇比例為45%,第23 min甲醇比例為60%,第26 min甲醇比例為60%,第26.1 min甲醇比例為10%,第36 min結(jié)束;熒光檢測器激發(fā)波長330 nm,發(fā)射波長465 nm。

1.3.2 柱后衍生系統(tǒng)條件

柱后衍生系統(tǒng)柱溫箱溫度:100 ℃;

柱后衍生通道B:0.05 mol/L NaOH,流速0.4 mL/min;

柱后衍生通道C:OPA試劑,流速0.4 mL/min。

1.4 前處理

1.4.1 樣品的制備

采集回來的土壤樣品除去樣品中的枝棒、葉片、石子等,將樣品完全混勻。如樣品水分含量較高,應(yīng)先用冷凍干燥儀干燥。稱取兩份約10 g(精確至0.01 g)的樣品。一份用于測定干物質(zhì)含量;另一份用于提取。

1.4.2 水分的測定

按照HJ 613測定土壤樣品干物質(zhì)含量。

1.4.3 超聲提取

將用于提取的那份風(fēng)干土壤轉(zhuǎn)入50 mL離心管中,向離心管中加入25 mL的V(甲醇)∶V(二氯甲烷)=1∶1,加蓋搖勻數(shù)分鐘后再開蓋加入5.0 g的氯化鈉,加蓋搖勻成漿狀,置于超聲清洗器以35 ℃的水浴溫度和350 W超聲功率,對土壤樣品進(jìn)行超聲處理25 min(期間取出搖晃幾次),取出后置于離心機(jī)中以5 000 r/min轉(zhuǎn)速離心5 min后,將離心管中上清液經(jīng)過鋪有無水硫酸鈉的濾紙去水后收集于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)瓶中,再向離心管中加入25 mL的V(甲醇)∶V(二氯甲烷)=1∶1,加蓋搖勻成漿狀,置于超聲清洗器以35 ℃的水浴溫度和350 W超聲功率,對土壤樣品進(jìn)行超聲處理25 min(期間取出搖晃幾次),取出后置于離心機(jī)中以5 000 r/min轉(zhuǎn)速離心5 min后,離心管中上清液經(jīng)過鋪有無水硫酸鈉的濾紙去水后收集于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)瓶中,再用提取劑沖洗兩遍殘?jiān)蜑V紙,混合萃取液于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)瓶中。

1.4.4 濃縮

用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀將萃取液于30 ℃水浴上濃縮至近1.0 mL,待凈化。

1.4.5 凈化

用5.0 mLV(甲醇)∶V(二氯甲烷)=1∶9以2 mL/min的速度活化固相萃取柱(Carb/NH2,500 mg/500 mg/6 mL,Welchrom),在填料即將暴露于空氣之前,將濃縮液轉(zhuǎn)移至柱頭,在填料即將再次暴露于空氣之前,用5.0 mLV(甲醇)∶V(二氯甲烷)=1∶9少量多次沖洗旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)瓶后再轉(zhuǎn)入固相萃取柱洗脫萃取柱,收集洗脫液于10 mL離心管中。

1.4.6 凈化后濃縮

用氮吹儀將洗脫液30 ℃以下濃縮至近干,用甲醇定容至1.0 mL,過0.45 μm濾膜。

2 結(jié)果與討論

2.1 超聲條件的優(yōu)化

2.1.1 水浴溫度的優(yōu)化

水浴溫度對目標(biāo)化合物的提取至關(guān)重要,溫度越高,分子擴(kuò)散越快,氨基甲酸酯類農(nóng)藥與土壤表面的相互作用力越容易斷裂,目標(biāo)化合物更容易從土壤中進(jìn)入提取劑當(dāng)中。但是,并不是溫度越高越好,當(dāng)超過一定溫度,較熱不穩(wěn)定的有機(jī)化合物容易受熱揮發(fā)而損失。此外,過高的溫度也容易改變提取劑原有的配比,導(dǎo)致提取效率的降低。溫度越低,目標(biāo)化合物的分子擴(kuò)散越慢,需要很長時間地提取才能將目標(biāo)化合物從土壤中轉(zhuǎn)移到提取劑當(dāng)中,無形中增加了運(yùn)營成本。本次試驗(yàn)過程中討論不同水浴溫度(15,25,35,45 ℃)對相同土壤的加標(biāo)樣品進(jìn)行提取[13],結(jié)果表明,當(dāng)水浴溫度為35 ℃時提取效率最高。

2.1.2 超聲時間的優(yōu)化

在超聲功率均為350 W條件下,討論超聲時間對提取效率的影響,超聲時間過短,目標(biāo)化合物未能充分進(jìn)入提取劑中,導(dǎo)致提取不完全;超聲時間過長,超聲波的長時間機(jī)械效應(yīng)容易使已經(jīng)從土壤中進(jìn)入提取劑中的目標(biāo)化合物揮發(fā)而損失。本文在討論過程中通過稱取10.0 g土壤樣品,同時對土壤樣品進(jìn)行加標(biāo),控制水浴溫度為35 ℃、萃取溶劑為50 mL的V(甲醇)∶V(二氯甲烷)=1∶1,超聲時間分別為超聲5 min、超聲15 min、超聲25 min、超聲35 min,討論超聲時間對提取效率的影響,結(jié)果顯示超聲25 min條件下提取的回收率最高。

2.2 固相萃取柱的優(yōu)化

常用固相萃取柱有很多種,比如C18固相萃取小柱以十八烷基硅膠為填料,通過強(qiáng)疏水作用保留非極性化合物,當(dāng)樣品過柱時,目標(biāo)化合物被吸附在固相表面,提取劑通過柱子,后用適當(dāng)溶劑把樣品洗脫下來。弗羅里硅土固相萃取柱是硅膠鍵合氧化鎂的吸附劑,與硅膠相似,是強(qiáng)極性吸附劑,可以從非極性溶液中萃取極性化合物。NH2固相萃取柱在非極性溶劑中具有強(qiáng)極性吸附,同時具有弱陰離子交換保留作用。Carb/NH2固相萃取柱在NH2固相萃取柱填料的基礎(chǔ)上混合了石墨化炭黑,起到一個脫色作用。本文研究的氨基甲酸酯類農(nóng)藥具有一定的極性,因此選擇弗羅里硅土固相萃取柱、NH2固相萃取柱和Carb/NH2固相萃取柱三種凈化小柱進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明NH2固相萃取柱和Carb/NH2固相萃取柱除雜效果無顯著差異,均優(yōu)于弗羅里硅土固相萃取柱。NH2固相萃取柱和Carb/NH2固相萃取柱加標(biāo)回收率無顯著差異且均高于弗羅里硅土固相萃取柱?？紤]到部分有色土壤在超聲波的機(jī)械效應(yīng)、空化效應(yīng)和熱效應(yīng)的作用下,提取的色素會轉(zhuǎn)移進(jìn)入提取溶液中,進(jìn)而被液相色譜儀的自動進(jìn)樣器引入液相系統(tǒng),為了更好地保護(hù)液相系統(tǒng),延長液相色譜柱的使用壽命,采用Carb/NH2固相萃取柱進(jìn)行提取液的凈化。

2.3 色譜柱的優(yōu)化

考察不同柱長和粒徑的液相色譜柱Shim-C18(250 mm×4.6 mm,5 μm)、Shim-pack FC-ODS(75 mm×4.6 mm,3 μm)對10種氨基甲酸酯類農(nóng)藥分離的影響,結(jié)果表明,選用Shim-C18(250 mm×4.6 mm,5 μm)色譜柱時,色譜峰峰展寬,部分物質(zhì)不能得到較好的分離,且即使優(yōu)化梯度洗脫程序也很難縮短分析時間,給分析時效性帶來不便。而選用Shim-pack FC-ODS(75 mm×4.6 mm,3 μm)色譜柱時,獲得的色譜峰峰型更為尖銳,分離度更好,且能在相對較短的時間內(nèi)將10種氨基甲酸酯類農(nóng)藥分開。這可能的原因是色譜柱更短色譜峰分離出峰更快,分離時間更短。而且色譜柱粒徑越小,填料與化合物的作用越充分,分離度越高[14],但是需要注意的是,色譜柱粒徑越小,分離過程中產(chǎn)生的柱壓也就越大,所以選小粒徑的色譜柱的同時也需要兼顧液相系統(tǒng)的耐壓,避免液相系統(tǒng)的超壓而導(dǎo)致漏液,本文中選擇Shim-pack FC-ODS(75 mm×4.6 mm,3 μm)對10種氨基甲酸酯類農(nóng)藥分離,分離過程中最大柱壓可達(dá)15 MPa,本次所采用的液相系統(tǒng)最大耐壓可達(dá)25 MPa,能滿足該色譜柱的耐壓需求。

2.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線、線性方程和檢出限

按照標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立方法配制10種氨基甲酸酯類農(nóng)藥混標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)曲線點(diǎn),用優(yōu)化后的色譜條件上機(jī)分析,每個標(biāo)準(zhǔn)曲線點(diǎn)重復(fù)測定3次,以每個化合物的濃度為橫坐標(biāo),以每個化合物的3次重復(fù)分析峰面積均值為縱坐標(biāo),采用外標(biāo)法建立標(biāo)準(zhǔn)曲線,得到的10種氨基甲酸酯類農(nóng)藥的保留時間、線性方程和R值見表2。用3倍信噪比所對應(yīng)的濃度來表示檢出限,10種氨基甲酸酯類農(nóng)藥的檢出限見表2,均小于2 μg/kg。

表2 10種氨基甲酸酯類農(nóng)藥的保留時間、線性方程、R值和檢出限

2.5 回收率及精密度

分別稱取10.0 g制備好的土壤樣品,進(jìn)行低(5 μg/kg)、中(50 μg/kg)、高(500 μg/kg)三個濃度水平的加標(biāo)試驗(yàn),每個濃度水平進(jìn)行7次平行,按照優(yōu)化的提取方法、凈化條件及色譜條件進(jìn)行上機(jī)測試,10種氨基甲酸酯類農(nóng)藥的回收率及精密度見表3。

表3 10種氨基甲酸酯類農(nóng)藥的回收率及精密度

3 結(jié)論

本研究建立了土壤中10種氨基甲酸酯類農(nóng)藥含量的柱后衍生-液相色譜分析方法,分析了不同的超聲提取條件,不同的固相萃取小柱凈化條件,同時優(yōu)化了試驗(yàn)分析所用到的色譜條件。通過對線性關(guān)系、線性范圍、檢出限、精密度以及加標(biāo)回收率等性能指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證,驗(yàn)證結(jié)果表明該方法的線性系數(shù)均可達(dá)到0.999 3以上;線性范圍為0.02～10 μg/mL;檢出限低,均小于2.0 μg/kg;前處理簡單快速,重現(xiàn)性好,對10.0 g左右的土壤進(jìn)行低(5 μg/kg)、中(50 μg/kg)、高(500 μg/kg)三個濃度水平的加標(biāo)測試,每個濃度水平進(jìn)行7次平行分析,10種氨基甲酸酯類農(nóng)藥的加標(biāo)回收率為75.7%～118.5%;相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.8%～6.8%;整個過程大幅縮短檢測時間,適用于高通量分析檢測土壤中10種氨基甲酸酯類農(nóng)藥。