同位素稀释气相色谱-质谱法测定土壤/底泥中23种有机氯农药

房丽萍, 封跃鹏, 刘海萍, 吴忠祥

(环境保护部标准样品研究所,北京100029)

同位素稀释气相色谱-质谱法测定土壤/底泥中23种有机氯农药

房丽萍, 封跃鹏, 刘海萍, 吴忠祥＊

(环境保护部标准样品研究所,北京100029)

建立了同位素稀释气相色谱-质谱法(ID-GC-MS))测定土壤/底泥中23种有机氯农药残留的分析方法。样品经干燥、研磨、筛分处理后用250mL丙酮-正己烷(体积比为1∶1)混合溶剂进行索氏提取24h,再经铜粉、凝胶渗透色谱和弗罗里硅土固相萃取柱净化,最后用DB-5毛细管柱进行分离和电子轰击电离源质谱在选择离子监测模式下进行检测,并用13C标记同位素稀释内标法定量。实验结果表明,23种化合物的标准曲线的线性相关性良好,线性范围为50～1 600μg/L,同位素内标的回收率范围为60%～110%,相对标准偏差为1.5%～18%;方法的检出限为0.20～10.3μg/kg。该方法的净化效果较好,定量准确,适用于土壤/底泥这类复杂基质中农药残留的确证分析。

同位素稀释气相色谱-质谱;有机氯农药;土壤;底泥

Abstract:A method was developed for the determination of organochlorine pesticide(OCP)residues in soil/sediment using high resolution gas Chromatography coup led with low resolution mass spectrometry.The analytical p rocedures consisted of Soxhlet extraction,sulfur rem oval with copper powder,clean-up with gel permeation Chromatography(GPC)and a florisil column of solid phase extraction(SPE).The analytes were separated on an HP-5MS capillary column,detected in selected ion monitoring(S IM)mode and quantified using internal standard calibration curves of isotope dilution technique.The linear correlations of calibration standard solutions were good for all the OCPs.The recoveries and relative standard deviations of labeled com pound solutions ranged from60%to110%and from1.5%to18%,respectively.The limits of detection ranged from0.20to10.3μg/kg were established for the23OCPs.The method show ed satisfactory clean-up effect and precision quantification.It is suitable for the determination and confirmation of pesticides in complex matrices such as soil,sediment.

Key words:isotope dilution gas Chromatography-mass spectrometry(ID-GC-MS);organochlorine pesticides(OCPs);soil;sediment

有机氯农药(organochlorinepesticides,OCPs)是《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》中优先控制的12类持久性有机污染物(persistent organic pollutants,PO Ps)之一,具有毒性、亲脂性、半挥发性和生物富集性等特点,可通过食物链进入生物体,易引起生物体内分泌紊乱、生殖及免疫功能失调、发育紊乱等严重疾病[1]。由于其杀虫效果显著而曾被广泛应用,目前虽已禁用多年,但由于其化学性质稳定、持久、难降解,在土壤、底泥中仍能检测到[2-6]。

《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》将9类有机氯农药,即滴滴涕(DD Ts)、氯丹、灭蚁灵、六氯苯、艾氏剂、狄氏剂、异狄氏剂、七氯和毒杀芬列入PO Ps的受控名单。2004年11月11日《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》正式对中国生效,这标志着中国将全面履行该公约所规定的各项基本义务和常规义务[7]。这些有机氯农药的监测成为履约的重要部分,也成为我国环保监测的重点。目前,对于有机氯农药的分析检测方法研究比较多,但是由于有机氯农药的种类繁多,已有的方法不能涵盖该公约中要求禁止使用的所有有机氯农药,而且针对这9类有机氯农药的分析检测方法尚不完善。为了履行该公约和满足环保监测的要求,需要建立有机氯农药准确的定性和定量方法。

本文检测分析了公约中规定的除毒杀芬外的8类有机氯农药,包括六氯苯(hexachlorobenzene)、艾氏剂(aldrin)、狄氏剂(dieldrin)、异狄氏剂(endrin)、4,4′-滴滴涕(4,4′-DD T)、4,4′-滴滴伊(4,4′-DD E)、4,4′-滴滴滴(4,4′-DDD)、2,4′-滴滴涕(2,4′-DD T)、2,4′-滴滴伊(2,4′-DD E)、2,4′-滴滴滴(2,4′-DDD)、反式氯丹(trans-chlordane)、顺式氯丹(cis-chlordane)、反式九氯(trans-nonachlor)、顺式九氯(cis-nonachlor)、氧化氯丹(oxychlordane)、七氯(hep tachlor)、反式环氧七氯(transhep tachlor epoxide)、顺式环氧七氯(cis-hep tachlor epoxide)、灭蚁灵(m irex)、α-六六六(α-BHC)、β-六六六(β-BHC)、γ-六六六(γ-BHC)、δ-六六六(δ-BHC)23种有机氯农药。

目前,超声提取(USE)[4,7,8]、索氏提取(SE)[3,9]、加速溶剂萃取(ASE)[10-16]、凝胶渗透色谱(GPC)[2,15-20]、固相萃取(SPE)[3,15,16,20,21]等样品前处理方法在有机氯农药分析中应用广泛。最普遍的分析方法是气相色谱-电子捕获法(GC-ECD)和气相色谱-质谱法(GC-MS)[22,23]。虽然GC-ECD的分析灵敏度高,但是容易出现假阳性,需要质谱确认。GC-MS对于基体复杂的环境样品(如底泥)也很难进行准确的定性和定量。随着同位素技术的发展,应用同位素稀释(ID)技术进行质谱确认,能够准确地定性和定量,弥补了GC-MS的不足,提高了方法的可靠性。本文在参考国内外文献样品前处理方法的基础上,引入同位素稀释技术,通过选择离子监测(S IM)模式,同时采用两对离子对进行定性和定量分析土壤/底泥中的有机氯农药。该方法降低了背景干扰,提高了分析的灵敏度和可靠性。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

气相色谱-质谱联用仪(Agilent7890A-5975C,美国Agilent公司),配Agilent7693自动进样器;色谱柱为DB-5MS(30m×0.25mm×0.25μm);氮吹浓缩仪(N-EVAP,美国O rganom ation Associates公司);旋转蒸发仪(德国Heidolph公司);固相萃取装置(美国Supelco公司);恒温循环器(HX-1050,北京博医康实验仪器公司);微型涡轮装置(QL-901,海门市其林贝尔仪器制造有限公司)。

正己烷、丙酮、二氯甲烷、甲醇均为农残级(J.T.Baker公司);壬烷为色谱纯(A lfa Aesar,A Johnson M attay Com pany);弗罗里硅土固相萃取柱(LC-Florisil,12mL,2g,美国Supelco公司);铜粉(200目,国药集团化学试剂有限公司);凝胶渗透色谱填料(B io-Beads S-X3B eads,200～400目,美国B io-Rad Laboratories公司);无水硫酸钠为优级纯(天津市津科精细化工研究所),660℃下烘干6h备用。

13C标记的OCPs定量内标标准溶液(ES-5349-L)(1 000μg/L)、回收率内标溶液(EC-5350-L)(1 000μg/L)以及非标记标准溶液(ES-5399-10X-0.5)(2 000μg/L)均购自美国Cam bridge Isotope Laboratories Inc.。

定量内标标准溶液:六氯苯-13C6(hexachlorobenzene-13C6)、艾氏剂-13C12(aldrin-13C12)、狄氏剂-13C12(dieldrin-13C12)、异狄氏剂-13C12(endrin-13C12)、4,4′-滴滴涕-13C12(4,4′-DD T-13C12)、4,4′-滴滴伊-13C12(4,4′-DD E-13C12)、4,4′-滴滴滴-13C12(4,4′-DDD-13C12)、2,4′-滴滴涕-13C12(2,4′-DD T-13C12)、2,4′-滴滴伊-13C12(2,4′-DD E-13C12)、2,4′-滴滴滴-13C12(2,4′-DDD-13C12)、反式氯丹-13C10(trans-chlordane-13C10)、反式九氯-13C10(transnonachlor-13C10)、顺式九氯-13C10(cis-nonachlor-13C10)、氧化氯丹-13C10(oxychlordane-13C10)、七氯-13C10(hep tachlor-13C10)、顺式环氧七氯-13C10(cishep tachlor epoxide-13C10)、灭蚁灵-13C10(m irex-13C10)、α-六六六-13C6(α-BHC-13C6)、β-六六六-13C6(β-BHC-13C6)、γ-六六六-13C6(γ-BHC-13C6)、δ-六六六-13C6(δ-BHC-13C6)。

回收率内标标准溶液:4,4′-二氯联苯-13C12(4,4′-D iCB-13C12,PCB15-13C12)、2,3′,4′,5-四氯联苯-13C12(2,3′,4′,5-tetraCB-13C12,PCB70-13C12)。

校准标准溶液的配制:分别取12.5、50、200、250、400μL非标记标准溶液于5个棕色进样瓶中,然后分别加入质量浓度为1 000μg/L、体积为50 μL的定量内标溶液和回收率内标溶液,最后用壬烷定容至0.5mL,配制成校准标准溶液CS1、CS2、CS3、CS4、CS5。

实验用底泥于2008年6月采集自松花江阿什河口,样品经风干、研磨、筛分后备用。实际样品是参加联合国环境规划署组织的国际实验室间比对的已干燥好的底泥样品(取自荷兰某实验室)。

1.2 样品前处理

1.2.1 样品提取

准确称取5g底泥样品,加入定量内标标准溶液50μL(质量为50ng)和5mL丙酮,充分混匀,平衡30m in。在预先淋洗过的索氏提取器中用250 mL正己烷-丙酮(体积比为1∶1)混合溶剂提取24h。

1.2.2 铜粉去硫

将铜粉放于锥形瓶中,加入适量的6mol/L盐酸溶液将铜粉浸没,慢慢旋转大约1m in,将盐酸溶液弃去。再用去离子水将铜粉洗涤3次,然后依次用甲醇和正己烷各洗3次。

将活化后的铜粉加入提取液中,旋转大约1 m in。如果铜粉变黑,就再加入少量铜粉,再旋转大约1～2m in。然后加入大约3g无水硫酸钠,稍稍振动后放置至少30m in,之后过滤至梨形瓶中;或者过无水硫酸钠柱,以去除水分和铜粉。将滤液旋蒸浓缩至1～2mL,待进一步净化。

1.2.3 凝胶渗透色谱净化

净化柱:称取30g GPC填料Bio-Beads-S-X3(200～400目)于三角瓶中,加入二氯甲烷-正己烷(体积比为1∶1)混合溶液约200mL,浸泡至少12 h,使填料充分溶胀后,装填于300mm×25mm带200目砂芯的玻璃柱管中,注意保证填料均匀分布,没有断层、气泡和沉降分界层。用500mL二氯甲烷-正己烷(体积比为1∶1)混合溶液淋洗使填充柱稳定,滴速控制在2～3滴/s。不用时关阀加塞密闭,上层留5cm以上的溶剂。GPC使用溶剂均为二氯甲烷-正己烷(体积比为1∶1)混合溶液。进行GPC纯化前,如长时间没用,则用100mL溶剂预淋洗。

使用前先用50mL正己烷-二氯甲烷(体积比为1∶1)混合溶液淋洗,然后将1.2.2节所述待净化液转移到GPC柱上,用70mL正己烷-二氯甲烷(体积比为1∶1)混合溶液洗脱,收集。再用50mL正己烷-二氯甲烷(体积比为1∶1)混合溶液淋洗GPC柱,洗去其他可能的杂质,弃去。将收集的洗脱液旋转蒸发浓缩至1～2mL,待进一步净化。

1.2.4 弗罗里硅土固相萃取柱净化

取弗罗里硅土固相萃取柱(2g,12mL),用正己烷预淋洗后,将1.2.3节得到的溶液转移至该固相萃取柱,然后用35mL正己烷-二氯甲烷(体积比为90∶10)混合溶液洗脱,收集该组分。将收集到的洗脱液用旋转蒸发仪浓缩至约1mL,转移至已加入50μL壬烷的样品瓶中;每次用约1mL正己烷洗涤浓缩瓶2次,洗涤液转移至样品瓶中,并在细小氮气流下将样品浓缩至约100μL,最后转移至进样小管中,加入回收率内标溶液50μL(质量为50ng),在涡轮机上混匀,待GC-MS测定。

1.3 分析条件

1.3.1 气相色谱条件

色谱柱:DB-5MS(30m×0.25mm×0.25 μm);升温程序:100℃下保持2m in,以20℃/m in速率升温至160℃,保持5m in,再以2℃/m in速率升温至270℃;进样口温度:225℃;不分流进样,进样量1μL;载气:氦气,纯度≥99.999%,流量为1.0 mL/m in。图1为OCPs校准标准溶液的总离子流色谱图。

图1 OCPs校准标准溶液的总离子流色谱图Fig.1 Totalion current chromatograms of OCPs calibration standard solution

1.3.2 质谱条件

电子轰击离子源,电子能量为70eV;离子源温度:230℃;传输线温度:280℃;溶剂延迟:14m in;S IM模式。表1列出了23种OCPs的保留时间以及GC-MS监测的特征离子和丰度比。

表1 23种有机氯农药的保留时间、特征离子和丰度比Table1 Retention times,characteristic ions and abundance ratios of23OC Ps

2 结果与讨论

2.1 固相萃取柱条件优化

2.1.1 填料及装填量的选择

考察了自填硅胶柱、自填弗罗里硅土柱、商品弗罗里硅土固相萃取柱净化效果。分别称取7g硅胶和弗罗里硅土,湿法装填于玻璃柱管中,用正己烷预淋洗,考察上述3种固相萃取柱的净化效果。实验发现,自填硅胶柱和弗罗里硅土柱的回收率和重现性较商品弗罗里硅土柱差一些,故本文采用商品弗罗里硅土柱进行净化。

比较了填料装填量分别为1、2和5g的净化效果。结果发现对于底泥样品,1g的填料较少,提供不了所需要的净化效果;而2g和5g填料柱都可以提供比较理想的回收率和净化效果。本文考虑到虽然底泥的基质复杂,但已经经过铜粉和GPC净化,因此选择使用2g填料的弗罗里硅土固相萃取柱进行净化。

2.1.2 洗脱溶剂的选择

考察了不同极性洗脱溶剂的洗脱效果。用正己烷-二氯甲烷混合溶剂作为洗脱剂,正己烷-二氯甲烷的体积比分别为95∶5、90∶10、85∶15和70∶30。以体积5mL为一个级分,最后确定采用35mL的正己烷-二氯甲烷(体积比为90∶10)作为洗脱溶剂,23种OCPs的回收率达到81%～107%,并且洗脱下来的杂质较少。

2.2 定量方法

采用同位素稀释技术进行定量,回收率为13C标记的定量内标OCPs的回收率,对定量内标的回收率计算使用内标法。计算定量内标回收率的回收率内标为2个,分别为PCB15和PCB70。其中PCB15为α-、β-、γ-、δ-BHC以及六氯苯、七氯、艾氏剂、氧化氯丹、反式环氧七氯、顺式环氧七氯的回收率内标,PCB70为其他OCPs的回收率内标。样品中各OCPs的定量计算采用2个子离子的响应值之和,相对响应因子为5个校准标准溶液的响应因子的平均值。

2.2.1 相对响应因子(RRF)

本方法采用RRF进行定量计算,使用校准标准溶液计算RRF值,计算方法见式(1)和式(2):

式中:RRFn为第n个目标化合物对定量内标的相对响应因子;A1n、A2n分别为该目标化合物两个特征离子的峰面积;Cs为定量内标的质量浓度(μg/L);A1s、A2s分别为定量内标两个特征离子的峰面积;Cn为该目标化合物的质量浓度(μg/L);RRFr为定量内标对回收率内标的相对响应因子;Cr为回收率内标的质量浓度(μg/L);A1r、A2r分别为回收率内标两个特征离子的峰面积。

各化合物5个浓度水平的RRF值的相对标准偏差(RSD)应小于20%。达到这个标准后,使用平均RRFn和平均RRFr进行定量计算。表2列出了各化合物的平均RRFn和平均RRFr。

表2 23种有机氯化合物的平均RRFn、平均RRFr和线性相关系数(r2)(n=5)Table2 Average RRFn,ave rage RRFrvalues and correlation coefficients(r2)of23OCPs(n=5)

2.2.2 有机氯农药的含量计算

试样中OCPs含量的计算见式(3):

式中:ms为试样中加入定量内标的质量(ng);m为取样质量(g)。其他同前。

2.2.3 定量内标回收率的计算按式(4)计算定量内标回收率(R):

式中:mr为试样中添加回收率内标的质量(ng)。其他同前。

2.3 校准曲线、检出限、精密度及回收率

本方法的试样检出限(LOD,μg/kg)规定为当信噪比为3时,同位素丰度比符合要求的响应所对应的试样浓度。检出限的计算见式(5):

式中:N为噪声峰高;H为定量内标峰高。其他同前。

试样基质、取样量、进样量、定量内标的回收率、色谱分离状况、噪声水平以及仪器灵敏度均可能对检出限造成影响,因此噪声水平必须从实际试样谱图中获取。计算得出底泥样品的方法检出限为0.20～10.3μg/kg。

质谱条件确定后,用系列校准标准溶液进样,以目标化合物的质量浓度(X,μg/L)对峰面积(Y)进行线性回归,23种化合物的线性相关系数见表2,表明所有OCPs的线性相关性良好,满足分析需要。

取5g实际土壤样品5份,添加13C标记的定量内标和回收率内标各50ng。按本文方法进行前处理和测定,13C标记的OCPs的回收率和RSD见表3。

表3 底泥样品中13C标记定量内标的回收率和相对标准偏差(RSD)(n=5)Table3 Recoveries and relative standard deviations(RSD)of13Clabe led quantitative internal standards in a sediment sample%

2.4 实际样品分析

利用同位素稀释法测定了国际比对的底泥样品,平行分析测试5次。在测定的有机氯农药中,检出的主要目标化合物为六氯苯、氯丹和滴滴涕类农药(见表4)。

表4 实际样品中检测到的目标化合物的含量Tab le4 Con ten ts of OCPs in a rea l sediment sam p le

3 结论

从上述实验结果可看出,本文建立的采用GPC-SPE处理土壤/底泥样品、同位素稀释GC-MS分析有机氯农药残留方法的检出限较低,灵敏度较高,线性关系较好。但异狄氏剂在GC-MS上的响应较低,检出限较高,并且在气相色谱仪的进样口处容易分解,在进行分析之前需要检查仪器,确保异狄氏剂的标准出峰稳定。

同位素稀释、两个子离子定量可使分析结果更为准确。在分析土壤/底泥样品时,凝胶渗透色谱、弗罗里硅土固相萃取柱净化使操作更为方便快捷,方法的检出限可满足要求。

本方法将凝胶渗透色谱及弗罗里硅土固相萃取柱结合使用对底泥样品进行了净化处理,并用高选择性的同位素稀释GC-MS进行定性和定量分析,方法的净化效果好,灵敏度高,选择性强,解决了底泥这类复杂基质中农药残留检测的问题,适合于土壤/底泥中农药残留的测定。

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Determination of organochlorine pesticide residues in soil/sediment using isotoped ilution gas chromatography-massspectrometry

FANG Lip ing,FENG Yuepeng,LIU Haip ing,WU Zhongxiang＊
(Institute for Environmental Reference Materials of Ministry of Environmenta l Protection,Beijing 100029,China)

O658

A

1000-8713(2010)05-0476-07

＊通讯联系人:吴忠祥,研究员.Tel:(010)84665737,E-m ail:w u.zhongxiang@cneac.com.cn.

国家高技术研究发展计划(“863”计划)课题(No.2009AA061603).

2010-01-14

DO I:10.3724/SP.J.1123.2010.00476