高冉， 饒竹， 郭曉辰

(1.中國冶金地質(zhì)總局山東局測試中心， 山東 濟南 250014；2.國家地質(zhì)實驗測試中心， 北京 100037；3.自然資源部生態(tài)地球化學重點實驗室， 北京 100037)

農(nóng)藥廣泛用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，對保證農(nóng)業(yè)產(chǎn)量和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量提升發(fā)揮了重要作用。中國《農(nóng)藥中文通用名稱》(GB 4839—2009)中登記在冊農(nóng)藥1274種，其中常用農(nóng)藥超過300種，每年農(nóng)藥使用量在50～60萬噸[1-2]。但農(nóng)藥有效利用率低，大部分殘留在土壤或漂浮于大氣中，再通過干濕沉降、地表徑流等途徑進入地表和地下，從而造成地下水多種農(nóng)藥污染[3-6]。地下水作為重要的飲用水源，為保證地下水用水安全，需要對其進行調(diào)查、監(jiān)測和評價。中國《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2006)和《地下水質(zhì)量標準》(GB/T 14848—2017)分別明確規(guī)定了21種和17種農(nóng)藥限值。按照傳統(tǒng)分析方法，水中農(nóng)藥殘留分析需要按不同類別分別前處理和測定，不僅耗時長、效率低、分析成本高，且難以保證樣品分析的時效性。

近年來，農(nóng)藥多殘留分析技術(shù)以其快速、簡便、多種類同時檢測等優(yōu)點成為農(nóng)藥殘留分析發(fā)展的熱點和方向。但目前農(nóng)藥多殘留分析主要集中在果蔬[7]、中藥材[8]、谷物[9]、水產(chǎn)品[10]、土壤[11-12]等基質(zhì)，地下水中農(nóng)藥多殘留分析文獻報道較少。檢測方法主要有氣相色譜法(GC)[13-14]、高效液相色譜法(HPLC)[15-16]、氣相色譜-質(zhì)譜法(GC-MS)[17-18]及高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法(HPLC-MS/MS)[19-20]等。常規(guī)色譜法采用專用檢測器檢測，干擾因素多，準確定性難，目前應(yīng)用范圍有限。色譜-質(zhì)譜法是以質(zhì)譜為檢測器，能夠保證檢測結(jié)果準確定性，已成為當前農(nóng)藥殘留分析的主要手段。Nasiri等[18]對環(huán)境水樣中有機磷農(nóng)藥采用磁性固相萃取，GC-MS分析，檢出限為20～80ng/L。賴國銀等[20]對地表水26種農(nóng)藥采用超高液相色譜-四極桿-飛行時間質(zhì)譜測定，檢出限為0.03μg/L，分析時間短，靈敏度高。其中，GC-MS儀器使用和維護相對較為方便，在實驗室多有使用和推廣。在水樣前處理方法上，目前常用大體積水樣前處理方法主要有液液萃取法[21]和固相萃取法[22-23]。仇秀梅等[21]采用液液萃取法對地下水中16種含氯農(nóng)藥進行萃取濃縮，氣相色譜法測定，其檢出限在0.6～1.5ng/L，回收率為80.1%～109.0%，該方法操作簡便。張莉等[23]采用苯乙烯/二乙烯苯膜對地下水中6種有機磷農(nóng)藥進行前處理，氣相色譜法測定，方法檢出限均小于0.01μg/L。固相萃取法因有機溶劑使用少，易于商品化，在實驗室多有使用，但其應(yīng)用受限于膜或小柱填料，選擇性小；相比于固相萃取法，液液萃取法更為經(jīng)典、廣譜，操作簡便，應(yīng)用較廣。

本文結(jié)合文獻、國家和行業(yè)標準、國際公約等，選取對人體和環(huán)境風險較高、檢出率較高的91種農(nóng)藥作為研究目標物，分別對水樣前處理方法和GC-MS分析參數(shù)進行選擇和優(yōu)化，建立了地下水中多種類農(nóng)藥殘留GC-MS分析方法，提高了現(xiàn)階段地下水中農(nóng)藥分析檢測效率，從而保證了樣品分析的時效性，便于在實驗室推廣使用。

1 實驗部分

1.1 儀器和主要試劑

Trace GC UltraTM-DSQTMⅡ氣相色譜-質(zhì)譜儀(美國ThermoFisher公司)，配有AS3000自動進樣器；Zebron Multiresidue-2 彈性石英毛細管柱(30m×0.25mm×0.20μm)；6位圓盤固相萃取裝置(美國3M公司)；LABOROTA-4003型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(德國Heidolph公司)；Milli-Q超純水系統(tǒng)(美國Millipore公司)；不同規(guī)格的氣密性微量注射器(美國Hamilton公司)。

有機氯、有機磷、氨基甲酸酯、菊酯類、三唑類、酰胺類、三嗪類等七類91種農(nóng)藥標準品(具體名稱見表1)均來自有證標準物質(zhì)供應(yīng)商，分別由Dr.Ehrensorfer公司(德國)、O2Si公司(美國)、農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護科研監(jiān)測所(天津)和上海市農(nóng)藥研究所提供，其純度均大于95%。所有標準品均在-18℃以下的冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>

氯化鈉(分析純)；無水硫酸鈉(分析純)：分別于650℃馬弗爐中烘4h，冷卻后放入干燥器備用；正己烷(色譜純，北京J&K百靈威科技公司)；丙酮(色譜純，美國Fisher Scientific公司)；二氯甲烷(農(nóng)殘級，韓國Duksan公司)； ENVI-C18固相萃取膜(47mm，美國Supulco公司)； Empore-C18固相萃取膜(47mm，美國3M公司)；1L分液漏斗，帶聚四氟乙烯活塞；高純氮氣和氦氣(純度均為99.999%)。

1.2 氣相色譜-質(zhì)譜分析條件

氣相色譜條件：ZB-Multiresidue 2(30m×0.25mm×0.20μm)毛細管色譜柱；柱升溫程序：起始溫度50℃，保留1min；以20℃/min升溫至160℃，繼續(xù)以3℃/min升溫至190℃，保留2min，再以3℃/min升溫至210℃，保留2min，最后以8℃/min升溫至300℃，保留5min；載氣流速1.2mL/min；進樣口溫度250℃；脈沖不分流進樣，脈沖壓力250kPa，時間1min；進樣量1μL。

質(zhì)譜條件：電子轟擊源(EI)，電離電壓70eV；離子源溫度230℃；接口溫度280℃；溶劑延遲時間4.5min；全掃描定性，掃描質(zhì)量范圍m/z50～500，選擇離子監(jiān)測(SIM)定量。

1.3 實驗方法

取1000mL水樣于2L分液漏斗中，加入10.0g氯化鈉搖勻至完全溶解，加入50μL替代物混合標準使用液(濃度2.0μg/mL)，混勻后，加入50mL萃取溶劑二氯甲烷，放氣后于振蕩器上振搖萃取10min，靜置分層，將下層有機相轉(zhuǎn)移至250mL平底燒瓶中；再加入30mL二氯甲烷，重復(fù)萃取，步驟同上，合并兩次有機相經(jīng)無水硫酸鈉脫水、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮至2～3mL；濃縮液轉(zhuǎn)移至25mL K·D濃縮瓶，于氮吹儀上濃縮，加入50μL內(nèi)標物混合標準使用液(濃度2.0μg/mL)，二氯甲烷定容至1.0mL，上機測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 檢測組分的篩選

綜合高毒、高殘留、廣泛使用以及部分有毒理學意義的農(nóng)藥及其代謝產(chǎn)物且適合氣相色譜-質(zhì)譜檢測等因素最終選擇了91種農(nóng)藥作為檢測目標物，具體組分和檢測結(jié)果見表1。

2.2 萃取方法的選擇和優(yōu)化

2.2.1圓盤萃取法

本方法覆蓋了有機氯、有機磷、氨基甲酸酯、菊酯類、三唑類、酰胺類、三嗪類等物理化學性質(zhì)差異較大的多類別農(nóng)藥，目前很難有一種前處理方法適用于上述農(nóng)藥分析。因圓盤萃取法具有萃取時間短、有機試劑使用少，可適用于大體積水樣分析等優(yōu)點，所以實驗優(yōu)先考察了圓盤萃取法對91種農(nóng)藥萃取富集效果。取水樣1000mL，加入5mL甲醇，采用ENVI-C18和Empore-C18兩種萃取膜，上樣前分別用10mL丙酮、10mL甲醇、10mL水活化，之后水樣以100mL/min的流速流經(jīng)萃取膜，二氯甲烷和丙酮-乙酸乙酯(1∶3,V∶V)兩種溶劑分別洗脫，收集洗脫液，于氮吹儀上濃縮，加入內(nèi)標定容至1.0mL，上機測定。采用正交法試驗，對比ENVI-C18和Empore-C18兩種膜和兩種洗脫溶劑對各農(nóng)藥萃取富集效果，以加標回收率衡量。研究發(fā)現(xiàn)，采用 Empore-C18膜、15mL丙酮-乙酸乙酯(1∶3，V∶V)作洗脫溶劑時，萃取富集效果較佳，91種目標物中有76種平均回收率在60.7%～130%之間，結(jié)果見表2。但是圓盤萃取法不能實現(xiàn)91種農(nóng)藥完全萃取富集；且六氯苯、艾氏劑、七氯等目標物平均回收率遠低于30%，很難滿足《地下水污染地質(zhì)調(diào)查評價規(guī)范》中水樣調(diào)查必測和選測測試指標要求。

2.2.2液液萃取法

目前，水體中農(nóng)藥殘留液液萃取常用的溶劑有正己烷、二氯甲烷、丙酮、乙酸乙酯等單一或混合溶劑萃取體系。本文實驗以農(nóng)藥加標回收率為指示，考察了正己烷、二氯甲烷、二氯甲烷-正己烷(1∶1，V∶V)三種溶劑體系對各農(nóng)藥萃取效率，每種萃取溶劑分別進行3次平行實驗，結(jié)果見表2。從表中可以看出采用二氯甲烷作萃取溶劑時，萃取效果較好，所有組分平均回收率在54.3%～129%之間；二氯甲烷-正己烷(1∶1，V∶V)體系次之；正己烷萃取效果最差。綜上，實驗選用液液萃取法，二氯甲烷作萃取溶劑，實現(xiàn)對91種農(nóng)藥的萃取濃縮。

表2 91種農(nóng)藥及替代物圓盤萃取法和液液萃取法平均加標回收率對比(加標濃度100ng/L，n=3)Table 2 Average recoveries of 91 pesticides and substitutes by disc extraction and liquid-liquid extraction at the spiked concentration of 100ng/L (n=3)

(續(xù)表2)

(續(xù)表2)

2.2.3液液萃取鹽濃度的影響

在1L水樣中加入不同濃度的氯化鈉(0%～5%，g/L)考察鹽濃度對萃取效率的影響。結(jié)果表明，隨著氯化鈉含量的增加，多數(shù)目標物回收率沒有明顯的變化，少數(shù)有減小的趨勢。原因可能在于隨著離子強度的增加，有機相在水相中的溶解度降低，相應(yīng)的萃取效率也下降；但若不加入氯化鈉，容易產(chǎn)生乳化現(xiàn)象。綜合考量，實驗選擇加入1%的氯化鈉，即1L水樣中加入10.0g氯化鈉。

2.3 氣相色譜-質(zhì)譜條件的優(yōu)化

2.3.1色譜柱的優(yōu)選

對于多組分分析，為了獲得近百種農(nóng)藥在一根色譜柱有較理想的分離效果，提高定性定量的準確度，色譜柱的優(yōu)選則非常關(guān)鍵。實驗對比研究了DB-5MS(30m×0.25mm，0.25μm)、DB-XLB(30m×0.25mm，0.25μm)和ZB-Multiresidue 2(30m×0.25mm，0.20μm)三種不同類型的毛細管柱對91種農(nóng)藥的分離效果。實驗結(jié)果表明，ZB-Multiresidue 2色譜柱對各分析農(nóng)藥均有較好的分離效果，峰形對稱，分離度高，靈敏度高且基線低，柱流失?。欢鳧B-5MS色譜柱對相同特征離子的o,p’-DDT和p,p’-DDT等分離度差、且整體靈敏度較低；DB-XLB色譜柱基線高，柱流失大，噪音高。故實驗選用ZB-Multiresidue 2作為本方法的分析柱。總離子流色譜圖見圖1，各組分出峰順序見表1。

圖1 91種農(nóng)藥全掃描總離子流色譜圖(ZB—Multiresidue 2)Fig.1 Total ions chromatogram of 91 pesticides in fullscan mode (ZB—Multiresidue 2)

2.3.2進樣方式的選擇

溶劑在襯管內(nèi)有很大的膨脹體積，普通壓力下進樣有體積限制，在痕量分析中需要加大進樣量來保證靈敏度[24]，結(jié)合氣相進樣口參數(shù)配置，實驗對比了常用不分流和脈沖不分流兩種進樣方式對各目標物的響應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，采用脈沖不分流進樣方式，即在進樣期間進樣口維持較高壓力(250kPa，維持1.0min)，快速將樣品吹入色譜柱，之后壓力恢復(fù)至初始柱流量對應(yīng)的壓力，各目標物響應(yīng)明顯增強。以脈沖不分流進樣和不分流進樣峰面積響應(yīng)比值制圖，結(jié)果見圖2?？梢钥闯觯捎妹}沖不分流進樣方式與不分流進樣，峰面積響應(yīng)比值為1.2～2.4，各農(nóng)藥檢測靈敏度大大提升。因此，實驗采用脈沖不分流進樣方式進樣。

圖2 91種農(nóng)藥脈沖不分流進樣和不分流進樣峰面積響應(yīng)比值柱狀圖Fig.2 Response ratio in splitless with surge and splitless of 91 pesticides

2.3.3特征離子和分段掃描的選擇

由于本實驗涉及農(nóng)藥種類多、組分數(shù)量多，為保證每個組分的靈敏度和更好地分離，需要按照組分的出峰順序，進行分段(segment)分別監(jiān)測；同時控制每個時間段內(nèi)監(jiān)測的離子數(shù)目和駐留時間(dwell time)，以保證每個目標物都有足夠的數(shù)據(jù)采集點。優(yōu)化后的特征離子、保留時間等參數(shù)見表1，分段掃描離子數(shù)、駐留時間見表3。

表3 化合物分段掃描離子和駐留時間Table 3 Scanning ions in segments and dwell time of each compound

2.4 方法有效性評價

分別配制0.20、1.00、5.00、10.0、50.0、100、500和1000μg/L 8個濃度的91種混合農(nóng)藥標準系列，采用優(yōu)化后的分析條件測定，內(nèi)標法定量，建立標準曲線。大部分農(nóng)藥在1.00～1000μg/L濃度范圍內(nèi)具有良好的線性，相關(guān)系數(shù)(r)在0.9901～0.9997之間。

參考EPA方法檢出限MDLs=t(n-1,0.99)×s定義，進行了7個低濃度(20ng/L)水平地下水基體加標平行樣，經(jīng)液液萃取后，氣相色譜-質(zhì)譜法測定，計算組分MDLs，結(jié)果見表1。1L水樣經(jīng)前處理上機測定后，91種農(nóng)藥方法檢出限在3.1～12.5ng/L之間，對比國際標準《飲用水中有機物的測定》(US EPA 525.2)中農(nóng)藥方法檢出限和《地下水質(zhì)量標準》(GB/T 14848—2017)中Ⅰ類水農(nóng)藥限值，本方法靈敏度明顯提高，且涵蓋農(nóng)藥種類較為齊全。

為驗證方法的準確性和穩(wěn)定性，分別進行了20ng/L、100ng/L和1000ng/L低、中、高三個濃度水平的地下水基體加標實驗，用優(yōu)化后的前處理和儀器分析條件測定，平行測定5次。各目標物平均加標回收率和相對標準偏差結(jié)果見表1。各農(nóng)藥平均回收率均在50.6%～134%之間，RSD均小于等于20%。以《飲用水中有機物的測定》(US EPA 525.2)中的要求判定，本方法的準確度和精密度均在允許范圍內(nèi)。

2.5 實際樣品測定

采用本文建立的液液萃取，氣相色譜-質(zhì)譜測定方法分析了來自中國7個省市231個地下水調(diào)查樣品。231個地下水樣品中共檢出15種農(nóng)藥：敵敵畏、速滅磷、莠去津、脫乙基莠去津、α-六六六、六氯苯、γ-六六六、β-六六六、δ-六六六、乙草胺、甲基異柳磷、順式氯菊酯、o,p’-DDT、p,p’-DDT、p,p’-DDD(表4)。其中，殺蟲劑檢出種類最多(8種有機氯、3種有機磷和1種菊酯類農(nóng)藥)，除草劑中莠去津、脫乙基莠去津和乙草胺有檢出。因此，有必要加強對全國地下水中農(nóng)藥殘留調(diào)查和監(jiān)測。

表4 中國7個省市231個地下水樣品農(nóng)藥檢出匯總Table 4 Pesticides detected in 231 groundwater samples of 7 provinces in China

3 結(jié)論

本研究以中國常用農(nóng)藥為研究目標物，以地下水為研究對象，通過對氣相色譜-質(zhì)譜儀分析參數(shù)進行優(yōu)化，并對水樣液液萃取和圓盤固相萃取兩種前處理方法進行選擇和優(yōu)化，研究建立了地下水中91種農(nóng)藥液液萃取,氣相色譜-質(zhì)譜定性和定量分析方法。水樣經(jīng)液液萃取后，各農(nóng)藥方法檢出限為3.1～12.5ng/L，平均加標回收率在54.3%～129%間，RSD≤20%，方法檢出限明顯低于《飲用水中有機物的測定》(US EPA 525.2)方法檢出限和《地下水質(zhì)量標準》(GB/T 14848—2017)中Ⅰ類水農(nóng)藥限值，且準確度和精密度均滿足《飲用水中有機物的測定》(US EPA 525.2)規(guī)范要求。

本研究采用氣相色譜-質(zhì)譜法分析地下水中91種農(nóng)藥多殘留，不僅能夠在短時間內(nèi)完成91種農(nóng)藥的有效分離，有較好的靈敏度、準確度和精密度，且方法適用性較廣，更適合大體積水樣分析，具有較高的應(yīng)用價值。另外，方法的建立可為地下水中農(nóng)藥殘留快速篩查和準確定量提供可靠的技術(shù)支持。