郭婕， 張燕， 胡振國， 劉菲*

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境學(xué)院， 水資源與環(huán)境工程北京市重點實驗室， 北京 100083；2.中石化石油工程地球物理有限公司， 北京 100029)

農(nóng)藥的使用有助于提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，但隨著其廣泛使用、濫用，農(nóng)藥殘留問題已引起國內(nèi)外廣泛關(guān)注。我國《農(nóng)藥中文通用名稱》(GB 4839—2009)中列出1274種農(nóng)藥，其中常用農(nóng)藥超過300種，登記的農(nóng)藥產(chǎn)品近30000個，但我國《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)中的農(nóng)藥僅有19種。美國《國家飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(EPA 822-F-18-001)也只對23種農(nóng)藥規(guī)定了限值，《WHO飲用水水質(zhì)準(zhǔn)則》(第四版)對25種農(nóng)藥及其代謝物設(shè)定準(zhǔn)則值，對農(nóng)藥的相關(guān)管理均不足。盡管隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了農(nóng)藥多殘留的痕量分析，農(nóng)藥殘留限量標(biāo)準(zhǔn)不斷被更新，但在過去的幾年中，在環(huán)境中檢測到的新興的和不受管制的污染物的數(shù)量和類型一直在增加，包括藥物、破壞內(nèi)分泌的化合物、表面活性劑、農(nóng)藥和通過生物或非生物作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)化產(chǎn)物等，農(nóng)藥殘留限量標(biāo)準(zhǔn)修訂的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及新興污染物的檢出速度，對環(huán)境污染監(jiān)測和生態(tài)風(fēng)險評估工作帶來新的挑戰(zhàn)[1-2]。

據(jù)報道，大多農(nóng)藥殘留研究均是對確定數(shù)量的目標(biāo)物進(jìn)行靶向分析，其中氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)、液相色譜-質(zhì)譜(LC-MS)分析技術(shù)的應(yīng)用廣泛[3-5]。然而，靶向分析需要購買標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)建立明確的分析方法，對于那些沒有標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)市售或價格昂貴的目標(biāo)物，往往不在篩查清單中，且無法檢測環(huán)境中的未知污染物。因此，高靈敏度、高選擇性、高抗干擾能力、篩查快速的多農(nóng)殘高通量篩查確證分析方法應(yīng)運而生。高分辨率質(zhì)譜(HRMS)與氣相色譜或液相色譜聯(lián)用技術(shù)，如氣相色譜串聯(lián)四極桿飛行時間質(zhì)譜(GC-Q-TOF/MS)[1]、液相色譜串聯(lián)四極桿飛行時間質(zhì)譜(LC-Q-TOF/MS)[6]、液相色譜串聯(lián)離子淌度飛行時間質(zhì)譜(LC-IM-TOF/MS)[7]、超高效液相色譜-四極桿/靜電場軌道阱高分辨質(zhì)譜(UHPLC-Q/Orbitrap MS)[8]等，是當(dāng)前非靶向篩查的主要分析技術(shù)，具有靈敏度高、選擇性強、篩查結(jié)果可靠性高等優(yōu)勢。Shao等[9]詳細(xì)闡述了當(dāng)前食品基質(zhì)中非靶向檢測方法的研究現(xiàn)狀和趨勢，指出樣品制備和分析技術(shù)是提高食品質(zhì)量和安全研究的關(guān)鍵，數(shù)據(jù)分析和未知物識別是食品基質(zhì)非靶向篩查分析的“瓶頸”，可通過開發(fā)先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理工具和建立綜合質(zhì)譜(MS)或質(zhì)譜-質(zhì)譜(MS/MS)數(shù)據(jù)庫加以改進(jìn)。隨著人們對食品基質(zhì)中有機污染物非靶向篩查技術(shù)研究的不斷深入，環(huán)境水樣中農(nóng)藥的非靶向篩查方法的開發(fā)也成為目前檢測工作者的研究熱點。國外已有學(xué)者基于高分辨質(zhì)譜將靶向篩查與非靶向篩查方法結(jié)合，表征海洋[1,10-11]、河流[12]、地下水[13]以及工業(yè)廢水[7]等水環(huán)境中的新興污染物，利用質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫和多種數(shù)據(jù)分析軟件鑒定出農(nóng)藥、藥品及個人護(hù)理品、阻燃劑等多種新型污染物。再如，Meng等[2]對我國淀山湖潛在污染物進(jìn)行了目標(biāo)和非目標(biāo)分析，并識別出農(nóng)藥、藥物、表面活性劑、塑料添加劑等潛在污染物。許惠等[14]利用超高效液相色譜-四極桿/靜電場軌道阱高分辨質(zhì)譜技術(shù)，對長江和烏江涪陵段的表層水、土壤及沉積物樣品進(jìn)行非靶向篩查，經(jīng)全掃描非靶向篩查和Compound Discoverer 3.0軟件定性分析，初步共發(fā)現(xiàn)137種有機污染物，包括農(nóng)藥、藥物及個人護(hù)理產(chǎn)品(PPCPs)、塑料添加劑三類。但相比于食品領(lǐng)域，非靶向篩查在環(huán)境領(lǐng)域的關(guān)注度仍然較低。

本文概述了國內(nèi)外食品與水質(zhì)中農(nóng)藥殘留限量標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的變遷，評述了近年來水質(zhì)中農(nóng)藥篩查方法的研究進(jìn)展。同時，系統(tǒng)總結(jié)了近五年來水質(zhì)樣品中農(nóng)藥非靶向篩查方法的樣品前處理和檢測技術(shù)、質(zhì)譜數(shù)據(jù)篩查確證技術(shù)現(xiàn)狀，并對相關(guān)技術(shù)特點進(jìn)行了比較和展望。

1 國內(nèi)外農(nóng)藥殘留限量相關(guān)法規(guī)

環(huán)境中農(nóng)藥殘留一直是國際社會關(guān)注和研究的熱點，國內(nèi)外對其使用及殘留量已有嚴(yán)格的規(guī)定。許多國家和世界組織規(guī)定了食品和水質(zhì)中農(nóng)藥的最大殘留限量(MRLs)，如國際食品法典委員會、歐盟(EU)、美國、日本、中國、韓國、加拿大等都制定了嚴(yán)格的規(guī)定。歐盟是世界上較早制定農(nóng)藥最大殘留限量標(biāo)準(zhǔn)的地區(qū)，20世紀(jì)70年代歐盟開始對食品中農(nóng)藥殘留立法管理，經(jīng)過不斷地修改和調(diào)整，許多農(nóng)藥最大殘留限量越來越低，同時一些新的農(nóng)藥被添加到法令中。1976年歐盟發(fā)布76/395/EEC《部分水果和蔬菜中的農(nóng)藥殘留最大限量》指令，該指令確定了43種農(nóng)藥活性物質(zhì)在部分水果和蔬菜上的MRLs標(biāo)準(zhǔn)。隨后又相繼發(fā)布86/362/EEC《谷物中農(nóng)藥最大殘留限量》、86/363/EEC《動物源性食品中農(nóng)藥最大殘留限量》以及90/642/EEC《植物源性食品中農(nóng)藥最大殘留限量》法令，明確規(guī)定谷物及谷物加工品、水果和蔬菜等農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥的MRLs。1997年歐盟理事會發(fā)布97/41/EEC指令，將制定MRLs的范疇由蔬菜水果等初級植物源農(nóng)產(chǎn)品擴大到加工食品、合成食品和動物源食品[15]。2002年歐盟委員會又發(fā)布2002/66/EC《動植物產(chǎn)品農(nóng)藥殘留最高限量》，該指令修訂了林丹、五氯硝基苯、氯菊酯和對硫磷4種農(nóng)藥在水果、蔬菜及谷物中的限值，要求最大殘留限量應(yīng)低于分析檢出限。

截至2003年，歐盟共發(fā)布37個有關(guān)農(nóng)藥MRLs的指令，制定出194種農(nóng)藥活性物質(zhì)在190種食品中共28689項農(nóng)藥的MRLs標(biāo)準(zhǔn)，其中有3/4以上的MRLs標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定在檢測限之上[16]。2008年9月歐盟實施了新的農(nóng)藥殘留法規(guī)(EC)396/2005，涉及315種食品和農(nóng)產(chǎn)品中471種農(nóng)藥，條例中農(nóng)藥殘留限量數(shù)量增加到118000多個，對于沒有設(shè)立殘留限量的農(nóng)藥要求其含量小于0.01mg/kg。2015年歐盟對1998年頒布實施的飲用水水質(zhì)指令98/83/EC進(jìn)行修訂,其中農(nóng)藥指標(biāo)通過單一農(nóng)藥和農(nóng)藥總量兩項指標(biāo)進(jìn)行限定，限值分別為0.1μg/L和0.5μg/L，規(guī)定艾氏劑、狄氏劑、七氯和環(huán)氧七氯的濃度不能超過0.03μg/L，所有檢出農(nóng)藥的總濃度不能超過0.5μg/L。

1975年美國環(huán)境保護(hù)署(EPA)首次發(fā)布具有強制性的《飲用水一級規(guī)程》，并于1979年發(fā)布《飲用水二級規(guī)程》，隨后的幾年內(nèi)該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了多次修訂。2009年5月美國EPA頒布《國家飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(EPA 816-F-09-004)，該標(biāo)準(zhǔn)將指標(biāo)分為兩大類：一級飲用水規(guī)程，為強制實施標(biāo)準(zhǔn)；二級飲用水規(guī)程，為非強制性標(biāo)準(zhǔn)，該國各州可以根據(jù)實際情況采納部分指標(biāo)作為強制指標(biāo)。其中一級飲用水規(guī)程共包含88項指標(biāo)，含有農(nóng)藥21項，該規(guī)程中MRLs值最低的農(nóng)藥為林丹及環(huán)氧七氯，殘留限量僅為0.0002mg/L；MRLs值最高的農(nóng)藥為草甘膦，其殘留限量為0.7mg/L。2012年美國EPA頒布《國家飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(EPA 822-S-12-001)，共有112項指標(biāo)，與2009年的標(biāo)準(zhǔn)相比，增加了3項涕滅威類農(nóng)藥指標(biāo)(涕滅威、得滅克、涕滅威亞砜)，由于類似的作用方式，三種化學(xué)物質(zhì)中的兩種或多種的任何組合的MRLs值不應(yīng)超過0.007mg/L。2018年3月美國EPA發(fā)布《國家飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(EPA 822-F-18-001)并一直沿用至今，該標(biāo)準(zhǔn)修訂了2012年飲用水標(biāo)準(zhǔn)中健康建議(DWSHA)表內(nèi)相關(guān)指標(biāo)限值。

我國《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749-85)發(fā)布于1985年，該標(biāo)準(zhǔn)并未包含農(nóng)藥。2001年6月，衛(wèi)生部頒布《生活飲用水衛(wèi)生規(guī)范》(GB/T 5750—2001)，該規(guī)范中共包含水質(zhì)指標(biāo)96項，分別為34項常規(guī)檢測項目及62項非常規(guī)檢測項目。與《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—85)相比，加強了對有機污染的監(jiān)測，增加了甲草胺、滅草松、林丹等18種農(nóng)藥，相關(guān)限值范圍為0.001～0.5mg/L。2006年，GB 5749—85修訂為《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)，與《生活飲用水衛(wèi)生規(guī)范》(GB/T 5750—2001)相比，該標(biāo)準(zhǔn)刪去了甲草胺、葉枯唑、內(nèi)吸磷等農(nóng)藥指標(biāo)，添加了莠去津(0.002mg/L)、呋喃丹(0.007mg/L)、毒死蜱(0.03mg/L)等農(nóng)藥。1993年，我國發(fā)布《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—1993)，該標(biāo)準(zhǔn)將地下水劃分為五類，并對不同類別地下水檢測指標(biāo)規(guī)定了相應(yīng)限值。該標(biāo)準(zhǔn)僅含六六六及滴滴涕兩種農(nóng)藥指標(biāo)，Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)下限值分別為≤0.05μg/L及≤0.005μg/L。2017年，我國發(fā)布《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)，替代GB/T 14848—1993，水質(zhì)指標(biāo)增加至93項，其中六六六及滴滴涕分別用六六六(總量)及滴滴涕(總量)替代，并調(diào)整Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)限值為≤0.5μg/L及≤0.1μg/L，同時該標(biāo)準(zhǔn)中增添了克百威、敵敵畏、樂果等多種農(nóng)藥指標(biāo)。這些法律法規(guī)的實施，加強了對農(nóng)藥的監(jiān)管，確保了農(nóng)藥的規(guī)范使用，從而保護(hù)人體健康。但是，如此眾多的最大殘留限量法律法規(guī)對農(nóng)藥殘留的篩查分析提出了新的挑戰(zhàn)性問題。

2 水環(huán)境中農(nóng)藥篩查進(jìn)展

水資源污染是環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)性面臨的主要問題之一，隨著農(nóng)藥的廣泛使用，農(nóng)藥濫用等情況導(dǎo)致農(nóng)藥殘留進(jìn)入水環(huán)境中，對環(huán)境和人類健康構(gòu)成潛在威脅。因此，調(diào)查水質(zhì)中微量農(nóng)藥的存在情況對評估水環(huán)境污染十分重要。據(jù)報道，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用了1300種農(nóng)藥和化學(xué)藥品[17]，農(nóng)藥殘留在不同領(lǐng)域已有許多研究報道[18-19]，這些研究僅針對某些靶向化合物，不足以明確評估環(huán)境的質(zhì)量，必須考慮同時存在的潛在有害的未知污染物。因此，針對水質(zhì)中農(nóng)藥殘留建立一套全面的篩查方法十分必要。

樣品前處理是農(nóng)藥殘留篩查過程中的重要步驟之一，是篩查結(jié)果的可靠性、準(zhǔn)確性和重現(xiàn)性的基礎(chǔ)與保障，可分為樣品的提取和凈化過程。因此，開發(fā)簡便、快速、準(zhǔn)確的前處理方法對于農(nóng)藥殘留篩分析工作尤為重要。傳統(tǒng)的樣品前處理技術(shù)如液液萃取，由于萃取劑用量多、操作復(fù)雜和回收率低等問題，逐步被新興的樣品前處理方法所取代?，F(xiàn)有水質(zhì)中農(nóng)藥殘留的前處理方法主要包括液相微萃取技術(shù)[20-21]、固相萃取技術(shù)[22]、固相微萃取技術(shù)[23]、分散固相萃取技術(shù)[24]等。新興的樣品前處理方法有效降低了基質(zhì)干擾，提高了分析的重現(xiàn)性和準(zhǔn)確度，同時一次可提取化合物的種類顯著提升，為水質(zhì)中農(nóng)藥的非靶向篩查分析提供支撐。

氣相色譜(GC)與高效液相色譜(HPLC)是傳統(tǒng)的農(nóng)藥檢測技術(shù)，通過使用不同的檢測器可實現(xiàn)對多種物質(zhì)的檢測。但這些檢測器大多只適合某一類農(nóng)藥檢測，很難實現(xiàn)多殘留分析。氣相色譜-電子俘獲檢測器廣泛應(yīng)用于有機氯、擬除蟲菊酯、氨基甲酸酯類農(nóng)藥檢測；氣相色譜-火焰光度檢測器僅用于檢測含硫、磷的農(nóng)藥殘留；高效液相色譜-紫外吸收檢測器只能檢測對紫外有吸收的農(nóng)藥；大部分農(nóng)藥本身并不發(fā)射熒光，限制了高效液相色譜-熒光檢測器在農(nóng)藥分析中的應(yīng)用。隨著分析方法逐漸向高通量方向發(fā)展，單一氣相色譜法應(yīng)用范圍越來越少，色譜與質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)結(jié)合了色譜的高分離性能和質(zhì)譜的結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確鑒定特點，逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)檢測器，成為農(nóng)藥殘留檢測方面最有效的檢測手段。

基于高分辨率質(zhì)譜(HRMS)的出現(xiàn)，農(nóng)藥殘留的靶向篩查可擴展至未知物的非靶向篩查。目前，幾種基于高分辨率質(zhì)譜的分析策略已被報道用于環(huán)境樣品的分析[1,25-26]：①靶向篩查。其目的是檢測和定量特定物質(zhì)；②可疑篩查。用于從可疑靶標(biāo)列表中鑒定已知化合物；③非靶向篩查。指在沒有有關(guān)化合物任何信息的情況下對未知化合物進(jìn)行篩查鑒定。高分辨率質(zhì)譜可使用包含化學(xué)式和質(zhì)譜信息的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行未知化合物的非目標(biāo)篩查，為快速鑒定水環(huán)境中沒有參考標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的化合物提供了有效和實用的方法[27-28]。近些年來，已經(jīng)發(fā)表了越來越多的相關(guān)分析方法研究成果(表1)。隨著農(nóng)藥殘留標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格及農(nóng)藥殘留檢測項目的不斷增多，研發(fā)簡便、高效、高通量的農(nóng)藥多殘留全面篩查確證分析技術(shù)迫在眉睫。

表1 基于高分辨率質(zhì)譜(HRMS)不同分析方法的應(yīng)用

(續(xù)表1)

(續(xù)表1)

3 樣品前處理方法

篩查確證分析是在滿足一定分析靈敏度基礎(chǔ)上的定性分析，而當(dāng)進(jìn)行痕量水平分析時，樣品的提取和凈化是極其重要的步驟。優(yōu)化樣品前處理過程，旨在減少基質(zhì)干擾并提高準(zhǔn)確度、靈敏度、回收率和低檢測限水平，這對于儀器分析至關(guān)重要[44]。水環(huán)境中的農(nóng)藥殘留具有種類多、濃度低等特點，需要采集較大體積的水樣進(jìn)行富集與濃縮，這決定了水環(huán)境中農(nóng)藥的前處理方法不同于食品樣品而種類繁多。傳統(tǒng)的前處理方法如液液萃取[45]、固相萃取廣泛應(yīng)用于水環(huán)境中的農(nóng)藥殘留的靶向分析中[46-47]。隨著技術(shù)的發(fā)展，基于傳統(tǒng)的前處理方法衍生出液相微萃取[48-49]、固相微萃取[50]、分散固相萃取[51-52]、磁分散固相微萃取[53]、加速溶劑萃取[54]、攪拌棒吸附萃取[55]等技術(shù)，這些萃取技術(shù)在近幾年水體中農(nóng)藥殘留檢測方面的應(yīng)用逐漸增多。

3.1 液液萃取

液液萃取(LLE)，是一種利用物質(zhì)在兩相的溶解性差異實現(xiàn)分離和富集的前處理技術(shù)。目前常用的萃取劑有二氯甲烷、正己烷、苯、鹵代烴等。該方法具有分離效果好、處理量大、操作簡單等優(yōu)點。陳峰等[56]采用液液萃取分析地表水中25種有機氯農(nóng)藥(OCPs)，使用正己烷萃取，25種OCPs方法檢出限范圍為0.32～1.34ng/L，樣品加標(biāo)回收率為74.0%～103%，滿足地表水中有機氯的檢測要求。Murrell等[57]對比了傳統(tǒng)的液液萃取和攪拌棒吸附萃取(SBSE)兩種技術(shù)在廢水和地表水樣品中的應(yīng)用。對于分析的14種目標(biāo)化合物，以二氯甲烷為萃取劑的液液萃取能夠提取所有目標(biāo)化合物，回收率為19%～159%；SBSE的回收率在19%～117%，但其只能提取8種化合物，此提取方法的極性偏差。同時這項研究將全面的提取方法與GCGC-TOFMS結(jié)合進(jìn)行可疑篩查分析，在實際水樣中篩查出殺蟲劑和除草劑的降解產(chǎn)物。相較于SBSE，液液萃取可以提取的化合物類別范圍更大，但其溶劑消耗大、選擇性差、耗時且不夠自動化。

3.2 固相萃取

固相萃取技術(shù)基于液-固相色譜理論，采用選擇性吸附、選擇性洗脫的方式對樣品進(jìn)行富集、分離和純化，包括固相柱萃取及固相膜萃取。常見的固相萃取材料有HLB柱、C18柱和SDB-XC柱、C18萃取膜、HLB萃取膜等。白雪媛[58]利用C18固相萃取膜結(jié)合全自動固相萃取儀建立了82種農(nóng)藥檢測方法，萃取劑為乙酸乙酯-丙酮(3∶1，體積比)，農(nóng)藥回收率為50%～130%，所有農(nóng)藥的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)均小于30%(n=8)，方法檢出限低于200ng/L。同時該研究與傳統(tǒng)液液萃取的前處理方法進(jìn)行了對比分析，固相萃取方法可自動化、受人為操作影響小、富集倍數(shù)高、萃取劑消耗小且毒性小。近幾年，新型吸附材料逐漸受到關(guān)注，固相萃取材料的開發(fā)成為研究熱點，如功能化的石墨烯材料等。Amini等[59]將石墨化炭黑(GCB-4)顆粒嵌入聚四氟乙烯(PTFE)網(wǎng)絡(luò)中制成圓盤，將固相萃取(SPE)和表面輔助激光解吸電離質(zhì)譜結(jié)合，應(yīng)用于農(nóng)業(yè)排水中的農(nóng)藥分析。

3.3 其他前處理方法

Akbarzade等[53]制備了零價鐵還原氧化石墨烯量子點，作為一種新型高效的吸附劑，利用磁性分散固相萃取對真實水樣中的五種有機磷農(nóng)藥進(jìn)行預(yù)濃縮和測定，該方法檢出限低至0.07ng/L，所有真實樣品的相對回收率為82.9%～113.2%，RSD平均值小于5.8%。該方法采用磁性粒子材料作為萃取劑，可與分析物充分接觸，從而提高回收率，且可利用磁鐵回收吸附材料，操作快速簡單；張洋陽等[60]采用頂空固相微萃取方法，以二甲基硅氧烷/二乙烯基苯(PDMS/DVB)萃取纖維頭檢測水中34種有機氯農(nóng)藥和氯苯類化合物。方法檢出限為3.5～8.5ng/L，樣品加標(biāo)回收率為70.2%～108%，RSD為0.98%～15.8%。該方法利用萃取頭(纖維)吸附樣品中的揮發(fā)性或半揮發(fā)性有機污染物，將萃取頭置于儀器進(jìn)樣口，進(jìn)行熱解吸或溶解。提取、凈化一步完成，減少了萃取過程中目標(biāo)物質(zhì)的損失，方法的選擇性強。

大部分前處理方法只能提取分離單個或某類性質(zhì)相似的農(nóng)藥，多種新興前處理方法還在發(fā)展之中，存在較大的局限性，客觀制約了農(nóng)藥多殘留分析的開展。QuEChERS前處理技術(shù)是目前水果、蔬菜等食品基質(zhì)中農(nóng)藥殘留篩查最常見的前處理方法，該方法采用乙腈進(jìn)行提取分離，加入無水硫酸鎂等鹽類除水，再加入吸附劑去除雜質(zhì)，最后吸取上清液進(jìn)行檢測，具有溶劑用量少、操作簡便、分析速度快等優(yōu)點，是一種發(fā)展?jié)摿艽蟮那疤幚矸椒?。而固相萃取因其具有機溶劑的低消耗、高濃縮系數(shù)、多種吸附劑的可選擇性以及應(yīng)用的多樣性等特點，成為水質(zhì)中非靶向篩查最常用的前處理方法[36,43,59,61]。常見的固相萃取小柱有HLB柱、C18柱和SDB-XC柱等，其中HLB小柱是水質(zhì)檢測中農(nóng)藥殘留非靶向篩查最常用的凈化材料之一[10,34,39,62]。Moschet等[38]以HLB小柱為凈化材料，使用固相萃取-液相色譜和氣相色譜—飛行時間質(zhì)譜法篩查加利福尼亞北部薩克拉曼多—圣華金河三角洲的5000多種目標(biāo)化合物和可疑化合物。Tian等[1]使用HLB固相萃取柱結(jié)合高分辨率質(zhì)譜儀進(jìn)行可疑物和非目標(biāo)物篩查來表征普吉特海灣(美國華盛頓州)近海海洋環(huán)境中新出現(xiàn)的污染物，識別出兩種新型的農(nóng)藥轉(zhuǎn)化產(chǎn)物。

在非靶向篩查中，高選擇性的固相萃取(SPE)凈化過程中可能會發(fā)生分析物損失，且化合物的極性和化學(xué)性質(zhì)不同，僅通過一種SPE萃取無法多種化合物，因此基于吸附材料的樣品前處理優(yōu)化成為非靶向篩查的優(yōu)勢，這是未來非靶向檢測研究的熱點方向。Chau等[40]分別對五種萃取材料(C18、PS2、HLB、AC2、PLS-3)進(jìn)行探究，C18以十八烷基二氧化硅為吸附劑，PS2、HLB和PLS-3主要以苯乙烯-二乙烯基苯為吸附劑，而AC2以活性炭為吸附劑。使用128種農(nóng)藥及190種模型化合物進(jìn)行方法優(yōu)化表征，最終以采用苯乙烯-二乙烯基苯聚合物和活性炭固相萃取柱串聯(lián)可萃取具有廣泛理化特性(logPow值為-2.2～8.53)的有機化合物。所開發(fā)的方法在添加水平為0.05μg/L的條件下提取190種模型化合物，平均回收率為87.1%，RSD平均值為10.8%。Gao等[63]使用具有不同吸附劑(HLB、MAX和MCX)的平行SPE來萃取和純化多類多殘留農(nóng)藥和藥物，并選擇了25種性質(zhì)不同的農(nóng)藥和藥物評估該方法的可行性，萃取效果良好。此外，金屬有機骨架(MOF)因其可調(diào)節(jié)的孔徑和較大的表面積成為一種新型吸附材料，引起了人們廣泛的關(guān)注[64-66]。但是，某些MOF的水穩(wěn)定性較差，其結(jié)構(gòu)易于在溶液中坍塌。因MOF中結(jié)構(gòu)缺陷的存在限制了MOF吸附劑在水質(zhì)檢測中的應(yīng)用[67]，對其結(jié)構(gòu)缺陷的控制尚需進(jìn)一步改進(jìn)。

4 儀器分析技術(shù)

4.1 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)

氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)適用于揮發(fā)性或半揮發(fā)性物質(zhì)的痕量分析，既具有氣相色譜的高分離效能，又利用了質(zhì)譜準(zhǔn)確鑒定化合物結(jié)構(gòu)的特點，是農(nóng)藥殘留靶向分析的常規(guī)檢測手段，采用氣相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜(GC-MS)技術(shù)可分析食品、水體、土壤等多種基質(zhì)中的農(nóng)藥殘留，在國內(nèi)外農(nóng)藥殘留檢測領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛[68-70]。羅曉飛等[46]建立了同時測定飲用水中 67 種農(nóng)藥殘留的固相膜萃取-氣相色譜串聯(lián)質(zhì)譜法。除敵敵畏、速滅威等部分農(nóng)藥外，該方法線性范圍為0.05～5μg/L，大多數(shù)農(nóng)藥的檢出限小于0.2μg/L，方法回收率為81.0%～125.0%(n=3)，RSD平均值為1.5%～21.4%(n=6)。該方法準(zhǔn)確靈敏、操作簡便且環(huán)保，適用于生活飲用水中多種農(nóng)藥殘留的同時快速分析。Cacho等[71]使用原位離子分散微萃取技術(shù)結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法(GC-MS)測定了不同來源的環(huán)境水中定9種有機磷農(nóng)藥。該方法使用熱脫附注射器作為樣品引入系統(tǒng)，優(yōu)化了影響微萃取和樣品進(jìn)樣步驟的參數(shù)，所提出的方法顯示出良好的精密度，RSD值在4.1%～9.7%之間，回收率為97%～113%。

氣相色譜串聯(lián)二級質(zhì)譜(GC-MS/MS)在氣相色譜串聯(lián)一級質(zhì)譜(GC-MS)的基礎(chǔ)上增加了子離子的質(zhì)譜信息，增強了結(jié)構(gòu)解析和定性能力[72]。GC-MS/MS法較GC-MS法具有更強的抗干擾能力，能有效排除基質(zhì)干擾，具有高選擇性、高靈敏度高和定量準(zhǔn)確等優(yōu)點，在農(nóng)藥多殘留靶向分析中被廣泛應(yīng)用[73-74]。王乙震等[73]采用固相萃取-氣相色譜串聯(lián)二級質(zhì)譜(SPE-GC-MS/MS)對地表水中18種有機磷殘留物進(jìn)行分析測定，結(jié)合Bond ElutC18和Oasis HLB兩種固相萃取柱，有效富集其中的16種有機磷農(nóng)藥(OPPs)。結(jié)果表明，16種OPPs的回收率為46.1%～117.2%，RSD為1.1%～15.8%，方法檢出限為0.09～0.82ng/L，該方法滿足地表水水質(zhì)檢測需求。

4.2 液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)

液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)相比于氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)的應(yīng)用范圍更廣泛，因為它適用于極性強、不穩(wěn)定、不易衍生化、不易揮發(fā)和分子量較大的化合物，幾乎能檢測所有的化合物[75]。氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)可分為單級的 LC-MS 和多級的 LC-MS/MS。相對于 LC-MS，LC-MS/MS 技術(shù)可產(chǎn)生更多的質(zhì)譜信息，提供更多的結(jié)構(gòu)信息，為復(fù)雜體系中痕量組分的定性、定量分析提供了可能性。因此，液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于復(fù)雜樣品基質(zhì)中農(nóng)藥多殘留檢測，成為目前最常用的分析工具之一。楊敏娜等[76]采用超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法(UPLC-MS/MS)測定地表水中21種氨基甲酸酯和有機磷農(nóng)藥，在8min內(nèi)實現(xiàn)21種化合物的分離檢測，對空白水樣做3個質(zhì)量濃度水平的加標(biāo)回收試驗，5次測定結(jié)果的RSD值為0.3%～9.5%，回收率為82.0%～113.0%。

Hernandez等[77]基于在線固相萃取(SPE)與液相色譜(LC)電噴霧(ESI)串聯(lián)質(zhì)譜(MS-MS)相結(jié)合，分析環(huán)境地下水和地表水中29種殺蟲劑和6種代謝物，所有化合物在0.5mg/L和0.1mg/L濃度下可準(zhǔn)確定量。液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)的使用已從檢測優(yōu)先污染物轉(zhuǎn)變?yōu)閷D(zhuǎn)化產(chǎn)物的識別和檢測[78]。Richardson[79]在對環(huán)境質(zhì)譜的綜述中也指出這種趨勢，提出降解產(chǎn)物(通常為水解產(chǎn)物)在環(huán)境中的含量可能比母體農(nóng)藥本身更高。但液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)具有一定的局限性，難以對未知轉(zhuǎn)化產(chǎn)物進(jìn)行識別與定量。

4.3 高分辨質(zhì)譜快速篩查定性分析技術(shù)

環(huán)境中農(nóng)藥種類繁多、極性差異較大，常規(guī)的分析方法如GC-MS、GC-MS/MS、LC-MS/MS等，具有一定的局限性，需要通過對定量離子、定性離子及保留時間確認(rèn)待測化合物，且難以產(chǎn)生信息豐富的二級質(zhì)譜圖，常用于目標(biāo)物分析，并且需要參考標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對照，忽略了潛在的未知化合物。雖然也可以設(shè)定全掃描模式，但該類方法在此掃描模式下靈敏度有限，分辨率差，難以準(zhǔn)確定性，達(dá)不到農(nóng)殘檢測的要求。因此，快速、高分辨率的高分辨率質(zhì)譜(HRMS)非靶向分析手段應(yīng)運而生。HRMS具有高分辨率、精確的質(zhì)量測定和全掃描模式下的高靈敏度等優(yōu)點，將高分辨質(zhì)譜與LC或者與GC聯(lián)用，高速掃描功能可以打破檢測過程中分析物數(shù)量的限制，從而達(dá)到同時篩查多種農(nóng)藥殘留的目的。此外，全掃描模式具有非目標(biāo)物質(zhì)篩選和數(shù)據(jù)跟蹤的功能。因此，它被廣泛應(yīng)用于土壤、水和食物中農(nóng)藥殘留的篩查和確認(rèn)[80-82]。氣相色譜-四極桿飛行時間質(zhì)譜法(GC-Q-TOF/MS)、液相色譜-四極桿飛行時間質(zhì)譜法(LC-Q-TOF/MS)、超高效液相色譜-四極桿/靜電場軌道阱高分辨質(zhì)譜(UPLC-Q-orbitrap/MS)以及液相色譜-三重四極桿/線性離子阱質(zhì)譜法(LC-Q-TRAP/MS)等高分辨率質(zhì)譜(HRMS)分析技術(shù)，已成為近年來非靶向篩查分析的發(fā)展趨勢。

四極桿飛行時間質(zhì)譜(Q-TOF/MS)具有質(zhì)量范圍寬、分辨率高、分析速度快等特點，Q-TOF/MS儀器極高的數(shù)據(jù)采集速率可與超高效液相色譜完全兼容，一次運行即可高通量檢測所有預(yù)期和未預(yù)期的分析物，無需預(yù)先調(diào)整某些預(yù)測物種的檢測數(shù)量，并且無需進(jìn)行各種采集后數(shù)據(jù)過濾和處理選項，就可以直接對未知物進(jìn)行篩查識別。因此，GC-Q-TOF/MS及LC-Q-TOF/MS在水中非靶向農(nóng)藥殘留分析領(lǐng)域中具有突出優(yōu)勢[10,36]。Campos-Maas等[36]利用LC-Q-TOF/MS檢測技術(shù)，結(jié)合固相萃取前處理方法，對農(nóng)業(yè)食品廢水中的未知農(nóng)藥及其可能的轉(zhuǎn)化產(chǎn)物進(jìn)行鑒定。將質(zhì)量誤差小于5ppm和至少含有兩個特征子離子，用作陽性鑒定標(biāo)準(zhǔn)。此外，與自制的保留時間(RT)預(yù)測模型相比，保留時間的±2min的差異對于陽性鑒定也很有幫助[83]。Wang等[33]使用GC-Q-TOF/MS結(jié)合大型數(shù)據(jù)庫PCDL及NIST14全面分析了廢水處理過程中的微量污染物，在處理過程中鑒定出117種化合物，包括農(nóng)藥、抗氧化劑和多環(huán)芳烴等，這些化合物可能通過污水處理廠的廢水處理而對水環(huán)境和人類造成威脅。

靜電場軌道阱高分辨質(zhì)譜(Orbitrap/MS)通過測定離子的運動頻率，可計算分子離子的質(zhì)荷比，具有分辨率高、與強度無關(guān)的高質(zhì)量準(zhǔn)確度、質(zhì)量范圍廣、不需要內(nèi)部校準(zhǔn)等優(yōu)點。此外，在靜電場軌道阱前面串聯(lián)四極桿，將四極桿特有高選擇性與高分辨、高準(zhǔn)確度的軌道阱檢測技術(shù)相結(jié)合，提供了高質(zhì)量的全掃描和 MS/MS 數(shù)據(jù)，通過單次分析可對成百上千種痕量組分進(jìn)行識別、定量和確認(rèn)[84-85]。與Q-TOF/MS相比，線性離子阱靜電場軌道阱高分辨質(zhì)譜(LTQ-Orbitrap/MS)的優(yōu)勢在于更高的分辨能力，這使其具有更好的質(zhì)量準(zhǔn)確性。該技術(shù)自面世以來，被廣泛應(yīng)用于未知物分析[86]。Cotton等[87]開發(fā)了一種新型的全自動污染物篩查方法，該方法將樣品凈化、預(yù)濃縮和超高效液相色譜-靜電場軌道阱高分辨質(zhì)譜(UHPLC-Orbitrap/MS)線上結(jié)合，通過優(yōu)化在線固相萃取、色譜和質(zhì)譜參數(shù)，獲得目標(biāo)分析物的最佳分離和最低檢測限。該方法可以同時對539種化合物(農(nóng)藥和藥物)進(jìn)行半定量分析，發(fā)現(xiàn)了法國巴黎及其周邊地區(qū)收集的20個自來水樣品中有34種不同化合物存在檢出，濃度均低于0.1mg/L，符合歐盟對飲用水的限量要求。此外，Cotton等還評價了該方法的重復(fù)性、選擇性、線性和基質(zhì)效應(yīng)等以實現(xiàn)方法驗證。

5 數(shù)據(jù)篩查確證技術(shù)

嚴(yán)格來說，非靶向篩查可分為廣義和狹義兩類。廣義的非靶向篩查主要是指根據(jù)組學(xué)方法(例如代謝組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和食品組學(xué))篩查污染物并識別樣品基質(zhì)中化學(xué)成分的差異，而狹義的非靶向篩查則主要利用已建立的數(shù)據(jù)庫篩查污染物。所以，狹義的非靶向篩查技術(shù)的實用性取決于數(shù)據(jù)庫的大小，并且需要使用其他篩查確證方法如化學(xué)計量統(tǒng)計學(xué)工具來實現(xiàn)廣義的非靶向篩查。

數(shù)據(jù)篩查確證分析的流程通常包括：①提取質(zhì)譜峰，獲得準(zhǔn)確質(zhì)量數(shù)；②對照空白樣品排除無關(guān)雜峰；③利用相關(guān)軟件，使用如去卷積等功能分離共流出組分，使用軟件設(shè)置相應(yīng)參數(shù)(如精確質(zhì)量差、峰面積、保留時間差等)篩查未知峰；④檢索數(shù)據(jù)庫初步鑒定未知物；⑤使用其他篩查確證方法再次鑒定未知物。

5.1 篩查確證相關(guān)指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)

不同類型和模式的質(zhì)譜檢測器具有不同的選擇性，這關(guān)系到鑒別的可靠性。目前，國內(nèi)外相關(guān)組織尚未發(fā)布針對未知物篩查確證的鑒定標(biāo)準(zhǔn)，但是有部分指南可以被視為鑒定的指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)，而不是證明存在或不存在分析物的絕對標(biāo)準(zhǔn)。

歐盟發(fā)布的《食品和飼料中農(nóng)藥殘留和分析的分析質(zhì)量控制和方法驗證程序指南》(SANTE/11813/2017)，根據(jù)不同質(zhì)譜分析技術(shù)提出不同的識別要求：①四極桿、離子阱、TOF等一級質(zhì)譜技術(shù)的最少定量離子數(shù)為3，而三重四極桿、離子阱、Q-TOF、Q-Orbitrap等二級質(zhì)譜技術(shù)在識別標(biāo)準(zhǔn)中要求最少含有2個產(chǎn)物離子數(shù)。②高分辨率質(zhì)譜技術(shù)如(Q-)TOF、(Q-)Orbitrap、FT-ICR-MS等要求最少含有2個離子且質(zhì)量精度≤5ppm。此外，所有質(zhì)譜技術(shù)均要求信噪比(S/N)≥3，且在提取的離子色譜圖中，兩個產(chǎn)物離子的分析峰必須完全重疊；美國FDA《在美國食品和獸藥管理局辦公室使用精確質(zhì)量數(shù)據(jù)確認(rèn)化學(xué)殘留物的驗收標(biāo)準(zhǔn)》文件中也提出相似的標(biāo)準(zhǔn)，詳細(xì)要求列于表2。另外，根據(jù)歐盟方法學(xué)標(biāo)準(zhǔn)2002/657/EC，質(zhì)譜方法定性確證必須達(dá)到4個定性點，定性點越多定性越準(zhǔn)確，反之則容易出現(xiàn)假陽性結(jié)果。近年來，這些指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)被廣泛應(yīng)用于食品及水質(zhì)中非靶標(biāo)篩查研究[1,88-89]。

表2 質(zhì)譜數(shù)據(jù)確認(rèn)化學(xué)殘留物的驗收標(biāo)準(zhǔn)

5.2 高分辨質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫

高分辨質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫是非靶向分析技術(shù)的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)庫為化合物建立的電子識別標(biāo)準(zhǔn)，以電子識別標(biāo)準(zhǔn)取代利用參考標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的靶向分析方法，實現(xiàn)了農(nóng)藥殘留由靶向篩查向非靶向篩查的發(fā)展。常用的高分辨質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫主要有Chembook、ChemSpider、PubChem、DAIOS database和NIST等商業(yè)數(shù)據(jù)庫以及內(nèi)部開發(fā)數(shù)據(jù)庫。

非靶向篩查的確證范圍受限于數(shù)據(jù)庫的大小，通過結(jié)合化學(xué)計量統(tǒng)計學(xué)工具等可實現(xiàn)廣義的非靶向篩查。Konstantina等[12]使用內(nèi)部開發(fā)的2273種污染物數(shù)據(jù)庫及軟件TASQ Client 2.1和DataAnalysis 5.1，基于特定的篩選參數(shù)(質(zhì)量準(zhǔn)確度小于2mDa，保留時間偏移±0.2min，同位素譜圖擬合度小于100mSigma)，在地表水樣品中總共檢測出44種農(nóng)藥及其相關(guān)轉(zhuǎn)化物。Feng等[32]同時使用GC-MS/MS和UHPLC-Q-Orbitrap/MS檢測技術(shù)，系統(tǒng)、快速并高通量分析食品基質(zhì)中多種農(nóng)藥殘留。利用儀器內(nèi)部數(shù)據(jù)庫的自動數(shù)據(jù)挖掘軟件(TraceFinderv4.1)，使用正負(fù)兩種電離模式分別檢測出800種和140種化合物?；贑ompound Discoverer軟件和多個在線數(shù)據(jù)庫(ChemSpider、Massbank和mzCloud等)提取、篩選并初步鑒定了未知農(nóng)藥及其相關(guān)轉(zhuǎn)化產(chǎn)品。

5.3 其他篩查確證方法

除了上述篩選流程外，已有研究者提出了其他的篩選策略。云莉芬[90]通過氯元素同位素比例篩查氯代有機物，并利用XCalibur軟件，計算出化學(xué)組成，再通過氮規(guī)則以及氯原子的數(shù)量進(jìn)行排除，得到未知物可能的化學(xué)組成。當(dāng)存在大量鹵代化合物時，同位素模式識別在確定農(nóng)藥的化學(xué)式中起著至關(guān)重要的作用[91]。Marina等[36]使用自制的保留時間預(yù)測模型與實際值相比，通過保留時間±2min的誤差篩選未知峰，且該預(yù)測模型先前已在實驗室中使用。除了高分辨質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫外，在沒有結(jié)構(gòu)信息的情況下預(yù)測和注釋化合物片段的計算機預(yù)測軟件能夠提供快速、準(zhǔn)確和高效的數(shù)據(jù)挖掘，幫助鑒定未知物。Feng等[32]因內(nèi)部數(shù)據(jù)庫中保留時間及碎片信息的不可用，使用非靶標(biāo)篩查方法篩選了紅甘藍(lán)中的美托芬酮的特征，將其作為可疑結(jié)果。然后使用兩個計算機內(nèi)片段預(yù)測系統(tǒng)對美托芬酮的碎片信息進(jìn)行暫定注釋，其中片段預(yù)測系統(tǒng)的擬合度為69.7，成功注釋了四個美托芬酮的碎片信息。針對非靶標(biāo)篩查，網(wǎng)絡(luò)上有許多免費的資源和商業(yè)軟件，包括MZmine、XCMS、EnviMass和Agilent MassHunter等。在某些情況下，可以購買分析標(biāo)準(zhǔn)品對陽性結(jié)果進(jìn)行最終確認(rèn)。

6 結(jié)論與展望

水質(zhì)中農(nóng)藥非靶向篩查研究還處于發(fā)展階段，面臨著一系列的問題。本文通過調(diào)研近五年水質(zhì)中農(nóng)藥非靶標(biāo)篩查技術(shù)研究情況，分別從農(nóng)藥殘留限量法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)、水質(zhì)中農(nóng)藥非靶向篩查樣品前處理方法、儀器分析技術(shù)等方面進(jìn)行闡述，進(jìn)一步展示了該研究的現(xiàn)狀：①非靶向農(nóng)藥篩查水質(zhì)分析樣品前處理技術(shù)種類單一，主要集中在固相萃取材料的開發(fā)，對于水質(zhì)樣品中種類繁多、性質(zhì)差異較大的農(nóng)藥組分，一種前處理技術(shù)或單一的萃取材料很難實現(xiàn)多種農(nóng)藥的高效提取和凈化。②高分辨質(zhì)譜能同時得到樣品中所有化合物的母離子和子離子的精確質(zhì)量數(shù)，可同時檢測大量化合物，但是對于所得數(shù)據(jù)進(jìn)一步的篩查確證一方面受限于數(shù)據(jù)庫的大小，另一方面只能通過部分質(zhì)譜相關(guān)指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)以及化合物特征信息(如碎片信息、同位素比例、氮規(guī)則等)進(jìn)行驗證，缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的評價指標(biāo)。

綜上所述，高分辨質(zhì)譜是非靶向農(nóng)藥篩查的有力工具，但該技術(shù)在以下方面還需要進(jìn)一步開展研究：①高分辨質(zhì)譜分析技術(shù)對樣品前處理凈化過程提出挑戰(zhàn)，在水樣前處理過程中考慮多種技術(shù)聯(lián)用是將來的發(fā)展趨勢；②高分辨質(zhì)譜非靶向農(nóng)藥組分篩查研究在食品檢測領(lǐng)域比較廣泛，而在環(huán)境領(lǐng)域的關(guān)注度低，國內(nèi)外相關(guān)組織尚未發(fā)布針對未知物篩查確證的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)前的未知物篩查確證主要通過人工進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，還需要提高提高其自動化水平。