楊 松, 鄒 楠, 高 云, 許樂園, 張文文, 潘燦平, 慕 衛(wèi),*

(1. 山東農業(yè)大學植物保護學院農藥毒理與應用技術省級重點實驗室, 山東 泰安 271018; 2. 山東農業(yè)大學農藥環(huán)境毒理研究中心, 山東 泰安 271018; 3. 中國農業(yè)大學理學院應用化學系, 北京 100193)

農藥是一類特殊的化學品,使用農藥是我國病蟲害防治的主要手段,對防控農作物病蟲害、保障農業(yè)生產安全和國家糧食安全發(fā)揮了重要作用[1]。農藥具有生物累積性、環(huán)境難降解性以及對人體的“三致效應”(致癌、致畸、致突變)等[2],因此不合理的使用會對人體和環(huán)境造成極大危害。長期以來,由于農藥的不當管理及使用,多種環(huán)境介質中均有農藥被檢出,其中水環(huán)境的農藥污染尤為嚴重。水環(huán)境是與人類接觸密切的環(huán)境介質,具有較強的污染物遷移能力[3],農藥可以通過污水排放、農業(yè)灌溉徑流、干濕沉降、大氣/水交換等方式最終富集進入水環(huán)境[4]。水體環(huán)境中的農藥污染問題是近幾年研究的熱點,目前已有文獻[5]報道發(fā)現不同地域的各類環(huán)境水體中有不同類型的農藥被檢出。因此,在分析各類環(huán)境水體中不同類型農藥殘留時,不僅要求分析方法具有較高的靈敏度,還要求前處理方法有良好的富集、凈化和通用性。

目前,已有較多研究報道了水體中農藥多殘留分析方法,例如王為中等[6]報道了磁固相萃取與高效液相色譜法聯用測定水體中防治白蟻的農藥殘留,楊梅[7]報道了液液萃取-氣相色譜法測定水體中45種有機氯和菊酯類農藥殘留。綜合來看,較常用的分析方法主要有氣相色譜法[8,9]、液相色譜法[10,11]、氣相色譜-串聯質譜法[12-14]和液相色譜-串聯質譜法[15-17]等。在進行水體中農藥殘留檢測時固相萃取(SPE)相比于液液萃取具有高效、簡便、快速、安全、重復性好、可進行富集濃縮和便于前處理自動化等優(yōu)點,被廣泛應用于水體中農藥殘留檢測,是水體中農藥多殘留檢測最重要的前處理方法之一[18,19]。當前,Cleanrt?-S C18、Cleanrt?-Silica和Cleanrt?-PEP 3種不同填料類型的固相萃取柱廣泛應用于水體中農藥殘留分析的前處理[20]。水樣通過自動大體積濃縮(AUTO Prep)前處理技術來實現超大體積進樣,能滿足ng/L級樣品的定量檢測,這極大地提高了分析方法的靈敏度[21]。采用大體積萃取裝置與固相萃取柱串聯,可極大提高環(huán)境水體的富集倍數,降低定量限。目前,不同極性農藥的同時檢測已出現提取效率不一致、回收率不穩(wěn)定的現象,如能建立一種通用性強,能同時對不同極性范圍農藥進行前處理的方法,可極大地提高分析效率和節(jié)約成本。例如,張凌怡等[22]報道了C18修飾的磁性納米材料用于不同性質農藥的固相萃取理論研究。該方法具有通用性強、靈敏度高、穩(wěn)定性好和簡便省時的優(yōu)點。

化工園區(qū)中所包含的企業(yè)有染料行業(yè)、醫(yī)藥行業(yè)、農藥行業(yè)等多個化工類相關行業(yè),涉及的廢水具有高酸性、顏色濃、氨氮含量高和含鹽量高等特點[23],在進行農藥多殘留檢測時難度較大。

本文選取了低、中和高不同極性范圍的18種農藥作為研究對象,采用大體積固相萃取裝置進行樣品凈化和富集濃縮,考察了Cleanrt?-PEP、Cleanrt?-S C18和Cleanrt?-Silica 3種不同吸附填料固相萃取柱對地表水體(河流和水庫)以及化工污水凈化和富集濃縮的效果，繪制了18種農藥在3種不同吸附類型固相萃取柱上的吸附洗脫曲線,明確了不同極性范圍目標化合物在固相萃取柱上的吸附和洗脫特性?；诖篌w積固相萃取儀，研究并建立了同時檢測環(huán)境水體中不同極性18種農藥殘留的分析方法,并將方法應用于泰安市周邊地區(qū)河流和水庫以及化工廠區(qū)污水農藥殘留檢測。該方法具有靈敏度高、重復性好、操作簡單和通用性強等優(yōu)點,適用于水體中農藥殘留檢測,可為環(huán)境水體中痕量農藥殘留檢測提供有力的技術支持,對水環(huán)境保護意義重大。

1 實驗部分

1.1 儀器、試劑與材料

ACQUITY UPLC-H-Class Xevo-TQSMicor超高效液相色譜-串聯質譜儀(配有電噴霧電離(ESI)源)、ACQUITY UPLCTMBEH C18色譜柱(100 mm×2.1 mm, 1.7 μm)(美國Waters公司);固相萃取儀(YGC-8,鄭州寶晶電子科技有限公司); Cleanrt?-PEP固相萃取柱(500 mg/6 mL,天津博納艾杰爾科技公司);萬分之一天平(北京賽多利亞科學儀器有限公司);瓶口分液器(德國Dispensette公司);移液器(德國Eppendorf公司);漩渦振蕩器(德國Irmsci公司)。

噻蟲嗪、吡蟲啉、噻蟲胺、啶蟲脒、樂果、甲霜靈、嘧霉胺、噻呋酰胺、丙環(huán)唑、吡唑醚菌酯、吡丙醚、毒死蜱、乙螨唑、丁醚脲、螺螨酯、丁硫克百威、醚菊酯和聯苯菊酯標準品(含量均在98%以上)購自中國標準物質中心;甲醇和乙腈(色譜純,德國Merck公司);乙酸胺和甲酸(分析純,上海阿拉丁試劑有限公司);高溫蒸餾水(廣州屈臣氏食品飲料有限公司)。

1.2 標準溶液配制

準確稱取一定量18種農藥標準品,用乙腈溶解,配制成500 mg/L 的混合標準溶液,再依次用乙腈和空白基質乙腈洗脫液稀釋成0.5、1.0、2.5、5.0、25和50 μg/L 的系列混合標準溶液,所有標準溶液于-18 ℃下保存,備用。

1.3 樣品采集

在泰安南部高新工業(yè)園區(qū)及周邊河流和水庫設置12個水樣采集點,HWHG-01、HWHG-02、MN-01和MN-02為化工廠區(qū)排放污水,PH、WH、QLH、MTH、WH和SLH為泰安市周邊河流,SLSK和HQSK為周邊水庫。在每個采集位點用棕色瓶采集水面下20 cm處2 L水樣,迅速運回實驗室,水樣過0.45 μm濾膜,待前處理和檢測。

1.4 樣品前處理

先用4 mL正己烷淋洗Cleanrt?-PEP固相萃取柱,消除填料上的雜質。然后分別用6 mL甲醇和5 mL純水活化。

采用大體積固相萃取裝置將300 mL水樣以2 mL/min 的速率通過Cleanrt?-PEP固相萃取柱,然后用4 mL純水進行清洗,再用6 mL的乙腈進行洗脫,收集洗脫液,過0.22 μm有機濾膜,待檢測。

1.5 分析條件

色譜柱:ACQUITY UPLCTMBEH C18柱(100 mm×2.1 mm, 1.7 μm);柱溫:35 ℃;流速:0.30 mL/min;流動相:A為0.1%(體積分數)甲酸水溶液(含2 mmol/L 乙酸銨), B為乙腈。梯度程序:0～3.5 min, 90%A～2%A; 3.5～5.0 min, 2%A; 5.0～5.1 min, 2%A～90%A; 5.1～6.5 min, 90%A。進樣體積:2 μL。

離子源:ESI源,正離子模式;離子源溫度:150 ℃;毛細管電壓:3.0 kV;脫溶劑溫度:550 ℃;脫溶劑氣流速:1 000 L/h;錐孔反吹氣流速:30 L/h;監(jiān)測模式:多反應監(jiān)測(MRM)模式。MRM模式下18種農藥的質譜參數見表1。

表 1 MRM模式下18種農藥的質譜參數Table 1 MS parameters of the 18 pesticides in MRM mode

* Quantitative ion pair.

2 結果與討論

2.1 色譜和質譜條件的優(yōu)化

甲酸和乙酸銨為ESI+模式下增強目標化合物[M+H]+和[M+NH4]+離子化程度的常用試劑,并且均能有效改善峰形,使峰形更加尖銳和對稱[24]。聯苯菊酯為[M+NH4]+離子化模式,其他為[M+H]+,為確保目標化合物均能獲得最佳靈敏度,本研究比較了有機相為乙腈,水相為純水、0.1%(v/v)甲酸水溶液和0.1%(v/v)甲酸水溶液(含2 mmol/L 乙酸銨)時目標化合物的響應強度(見圖1)。結果表明,水相為純水時目標化合物響應極低;0.1%的甲酸加2 mmol/L 乙酸銨水溶液與乙腈流動相體系時所有目標化合物響應強度略高于0.1%的甲酸水與乙腈流動相體系。因此選0.1%的甲酸水溶液(含2 mmol/L 乙酸銨)與乙腈作為流動相。通過不斷優(yōu)化梯度洗脫程序,最終在6.5 min內將18種殺蟲劑有效分離(見圖2)。與何欣等[25]報道的固相萃取-高效液相色譜-串聯質譜法同時檢測環(huán)境水樣中24種農藥殘留比較,檢測時間由24 min縮短至6.5 min,大幅度節(jié)省了檢測時間,提高了工作效率。

圖 1 采用不同流動相水相時18種農藥的響應強度(n=3)Fig. 1 Response intensities of the 18 pesticides using different water phase of mobile phase (n=3)

圖 2 MRM模式下18種農藥(50 μg/L)的TIC色譜圖Fig. 2 Total ion current chromatograms of the 18 pesticides (50 μg/L) in MRM mode

以18種農藥混合標準溶液(0.5 mg/L)為調試液進行手動調諧,優(yōu)化每種農藥的母離子和子離子,獲得最佳的錐孔電壓和碰撞能,選取兩組靈敏度最佳的離子對進行檢測,一組用來定量,另一組輔助定性,并且采用分段式MRM模式進行檢測。

2.2 固相萃取柱的選擇

Cleanrt?-S C18固相萃取柱填料為C18烷基硅膠,對非極性和弱極性化合物具有很好的保留能力;Cleanrt?-Silica固相萃取柱的填料是未鍵合的硅膠,對中等性化合物有較好的保留效果;Cleanrt?-PEP固相萃取柱的填料為官能化聚丙乙烯/二乙烯本,表面同時具有親水性和憎水性集團,對各類極性和非極性化合物具有較均衡的萃取效果[20]。以乙腈為洗脫溶液,考察了添加水平為1 μg/L 時上述3種不同吸附類型的固相萃取柱對18種不同極性范圍農藥的萃取和濃縮效果。結果表明,Cleanrt?-PEP固相萃取柱對水體中18種不同極性范圍的農藥有較均衡的吸附與保留效果,18種農藥的回收率均在81.1% ～101.2%之間;Cleanrt?-S C18處理組18種農藥的回收率為42.0% ～102.1% ,對弱極性農藥有較高的回收率,其中樂果、噻蟲胺、噻蟲嗪、丁硫克百威和噻呋酰胺等高極性農藥的回收率偏低,在59.0%以下;Cleanrt?-Silica固相萃取柱對嘧霉胺、啶蟲脒、樂果、噻蟲胺、吡蟲啉、甲霜靈和噻蟲嗪等高極性農藥有較好的吸附保留效果,回收率在75.1% ～97.3%之間,弱極性農藥的回收率低于30%(見圖3)。綜上,本研究選用Cleanrt?-PEP固相萃取柱進行前處理。

圖 3 不同固相萃取柱對18種農藥回收率的影響(n=3)Fig. 3 Effects of different solid-phase extraction columns on the recoveries of the 18 pesticides (n=3)

2.3 洗脫體積的優(yōu)化

本著目標化合物能被完全洗脫,并獲得高回收率,且節(jié)約溶劑的原則,實驗對洗脫溶液用量進行了優(yōu)化。采用10 mL乙腈進行洗脫,每1 mL收集1次,進行檢測,重復處理3次。以洗脫液體積為橫坐標,對應目標化合物峰面積為縱坐標繪制洗脫曲線(見圖4)。結果表明,除噻呋酰胺外,其余17種農藥的洗脫曲線類型相似,在洗脫液體積為6 mL時目標化合能完全物洗脫,為保證目標化合物均能完全洗脫,最終確定洗脫體積為6 mL。

圖 4 采用乙腈洗脫時18種農藥的洗脫曲線(n=3)Fig. 4 Elution curves of the 18 pesticides when eluting with acetonitrile (n=3)

2.4 基質效應、標準曲線和定量限

基質效應(ME)是影響定量準確度的關鍵因素之一,會對目標化合物的準確定量造成較大影響,在建立分析方法之前須對待測物進行基質效應的評估,并采取有效措施進行消除或補償,以提高分析方法的可靠性[26]。目前ME的評價方法常以基質標準曲線的斜率與溶劑標準曲線的斜率之比進行評估,當0.8≤ME≤1.2時為無明顯基質效應,ME<0.8時為基質抑制效應,ME>1.2時為基質增強效應[27]。

分別以地表水體和化工廠區(qū)污水為空白基質進行濃縮富集,以其乙腈洗脫液為溶劑配制基質標準溶液,同時用乙腈配制溶劑標準溶液。以基質和溶劑標準溶液的質量濃度為橫坐標(x, μg/L),其對應的峰面積為縱坐標(y)繪制標準曲線(見附表1,詳見http:/ /www.chrom-China.com)。結果表明,在0.5～50 μg/L 范圍內18種農藥在3種基質中的線性關系良好,相關系數(R2)≥0.995。地表水的ME值在0.88～1.16之間,呈現弱基質效應;化工污水中樂果、噻呋酰胺和乙螨唑的ME值分別是0.67、0.79和0.79,為基質抑制效應,聯苯菊酯、吡蟲啉和毒死蜱的ME值是1.58、1.29和1.27,為基質增強效應,為提高分析方法的可靠性,本文采用基質標準曲線進行定量分析。

參照《農藥殘留試驗準則》[28]要求,以添加回收最低水平作為分析方法的LOQ,環(huán)境水體中18種農藥的LOQ均為10 ng/L。

2.5 準確度和精密度

歐盟規(guī)定農藥在水體中的MRL值為100 ng/L,以MRL值為添加回收中間水平,以LOQ作為添加回收最低水平,10倍MRL值作為添加回收最高水平,分別向2種環(huán)境水體進行3個添加水平的加標回收試驗,每個水平重復5次,計算回收率和相對標準偏差。結果表明,18種農藥在不同環(huán)境水體中的平均回收率均為71.3% ～105.9% , RSD為1.3% ～9.9%(見表2)。方法的回收率和精密度均符合水體中農藥殘留檢測要求[29]。

表2 18種農藥在地表水和化工污水中的加標回收率及相對標準偏差Table 2 Spiked recoveries and relative standard deviations of the 18 pesticides in surface water and chemical sewage

2.6 實際樣品的檢測

將建立的SPE-UPLC-MS/MS分析方法用于泰安市南部高新工業(yè)園區(qū)及周邊河流和水庫10個采集位點水樣檢測。結果表明，所有采集位點檢測結果均低于10 ng/L,均未檢出18種農藥殘留。

3 結論

本研究建立了SPE-UPLC-MS/MS同時檢測環(huán)境水體中18種農藥殘留的分析方法,并將方法應用于泰安市周圍地區(qū)河流水、水庫水和化工廠區(qū)排放污水3種環(huán)境水體中的農藥殘留檢測。該方法具有操作簡便、凈化效果好、高回收率、通用性強和靈敏度高等優(yōu)點,適用于河流、水庫和化工廠區(qū)排放污水樣品的檢測,具有很強的實際應用價值,可為泰安地區(qū)水環(huán)境農藥污染的監(jiān)管監(jiān)測提供理論依據和技術支撐。