全自动在线顶空固相微萃取-气相色谱-串联质谱法测定鱼塘投毒案件水样中硫丹和硫丹硫酸酯

王 丹，张云峰，董林沛∗，姜 红

(1.中国人民公安大学侦查学院，北京 100038；2.公安部物证鉴定中心，北京 100038)

硫丹于1956年由赫司特公司开发[1]，是一种广谱有机氯杀虫杀螨剂。商品化的硫丹是α-硫丹、β-硫丹两种立体异构体以质量比7∶3组成的混合制剂，在环境中的代谢产物主要为硫丹硫酸酯[2-3]。硫丹和硫丹硫酸酯环境半衰期长，对生物体具有神经、生殖和发育毒性，自2019年3月起，已在全球范围内禁用[4-5]，但其仍通过多种非法途径流入市场。

硫丹由于其高毒性常被用于鱼塘投毒案件中，造成大量经济损失甚至影响社会稳定。在刑事技术领域，开发快速、准确的硫丹测定方法已成为长期关注的焦点之一。在鱼塘投毒案件中，鱼塘面积大导致目标毒物含量较低，养殖过程中投放各种药物导致鱼塘水基质复杂。相关测定方法的研究虽然较多，但是每种测定方法都有不同方面的局限性。硫丹可以采用气相色谱法[6]和气相色谱-质谱法[7]进行测定。气相色谱法仅依靠保留时间定性，容易产生假阳性结果；气相色谱-质谱法使用美国国家标准与技术研究院(NIST)谱库进行检索，结合标准品匹配，定性结果较为准确，但是其测定的灵敏度比较低。使用上述仪器方法测定水中的硫丹，通常使用液液萃取(LLE)[8]、固相萃取(SPE)[9]等前处理方法对水样进行浓缩。LLE 需要消耗大量有机溶剂，对环境和试验人员具有潜在伤害；SPE 需经柱活化、萃取、洗脱、浓缩等步骤，成本高且耗时较长。近几年，分散液液微萃取(DLLME)[10]、Qu ECh ERS法[11]以及直接浸入式固相微萃取(DI-SPME)[12]等新型前处理方法也被应用于水样中硫丹的测定。DLLME和Qu ECh ERS法操作复杂，对试验人员的要求较高；DI-SPME在萃取过程中会受到溶液中的不挥发性高分子物质或者腐殖质、蛋白质等其他杂质污染，从而损耗萃取纤维，大大缩短了萃取纤维的使用寿命。

顶空固相微萃取(HS-SPME)将沸点相对较低的目标物蒸发至顶空相中，而将难挥发的杂质保留在水相中，在实现了待测物富集的同时，还减少了其他杂质的污染，既能保护萃取纤维，又能减少仪器污染、降低仪器的维护频次[13]。文献[14]优化了顶空固相微萃取的条件，结合气相色谱法(电子俘获检测器)测定水中有机氯农药的含量，取得了良好的结果，但电子俘获检测器容易造成假阳性结果，不宜在案件中使用。

综上所述，测定鱼塘水样中的硫丹需解决3个问题:①优化前处理方法以减少鱼塘水基质对测定的干扰；②提高前处理自动化程度，减少技术人员的工作时间和强度，同时减少有机溶剂的使用；③使用高灵敏度的测定方法以减少单次分析所需的鱼塘水样用量。针对上述问题，拟通过对HS-SPME和气相色谱-串联质谱法(GC-MS/MS)条件进行优化，建立了鱼塘水样中硫丹(α-硫丹和β-硫丹)和硫丹硫酸酯的全自动在线分析方法，并应用于鱼塘投毒案件水样中硫丹的测定。本方法单次测定仅需使用2.0 mL水样，且整个分析流程几乎全自动完成，降低了对操作人员的要求，节约了试验成本，实现了批量化的在线分析，为鱼塘水中毒物的定性、定量分析开辟了新的思路。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

GCMS-TQ8050 NX 型气相色谱-三重四极杆串联质谱仪；PAL RSI型全自动样品处理及进样系统，带顶空萃取模块；Milli-Q Direct型水纯化系统；100μm 聚二甲基硅氧烷(PDMS)萃取纤维头。

α-硫丹、β-硫丹、硫丹硫酸酯标准储备溶液:1.000 g·L－1，分别称取10.00 mgα-硫丹、β-硫丹、硫丹硫酸酯标准品(纯度不小于98%)，用甲醇溶解并转移至10 mL 容量瓶中，用甲醇定容，于－20 ℃保存。

α-硫丹、β-硫丹、硫丹硫酸酯混合标准溶液:含20.0 mg·L－1α-硫丹、硫丹硫酸酯以及40.0 mg·L－1β-硫丹，分别移取1.000 g·L－1α-硫丹标准储备溶液1.0 mL、1.000 g·L－1β-硫丹标准储备溶液2.0 mL 及1.000 g·L－1硫丹硫酸酯标准储备溶液1.0 mL于50 mL容量瓶中，用甲醇定容，于－20 ℃保存。使用时用水逐级稀释至所需质量浓度。

甲醇为色谱纯；氯化钠为分析纯；试验用水为一级水。

1.2 仪器工作条件

1)顶空固相微萃取条件 萃取温度75 ℃；萃取前平衡时间10 min，萃取时间60 min；振荡速率250 r·min－1；进样针插入样品瓶深度为22 mm，插入进样口深度为54 mm；进样口解析温度260 ℃，解析时间2 min。

2)色谱条件 DB-5 ms毛细管色谱柱(30 m×0.25 mm，0.25 μm)；载气为高纯氦气(纯度为99.999%)，恒流模式，流量1.56 mL·min－1；进样口温度260℃；不分流进样模式。柱升温程序:初始温度60 ℃，保持2 min；以10 ℃·min－1速率升温至280 ℃，保持5 min。

3)质谱条件 电子轰击离子源(EI)；离子源温度200 ℃，接口温度280 ℃；溶剂延迟时间2 min；扫描方式为多反应监测(MRM)模式，扫描间隔0.1 s；碰撞气为高纯氩气。其余质谱参数见表1。

表1 质谱参数Tab.1 MS parameters

1.3 试验方法

移取2.0 mL鱼塘水样于20 mL 顶空瓶中，加入0.6 g氯化钠，旋紧装有聚四氟乙烯/聚硅氧烷盖垫的螺纹盖，放入样品盘中。使用100μm PDMS萃取纤维头，按仪器工作条件进行测定。

2 结果与讨论

2.1 色谱行为

按试验方法对α-硫丹、β-硫丹和硫丹硫酸酯的混合标准溶液进行测定，其总离子流色谱图见图1。

图1 α-硫丹、β-硫丹和硫丹硫酸酯混合标准溶液的总离子流色谱图Fig.1 Total ion current chromatogram of mixed standard solution ofα-endosulfan，β-endosulfan，and endosulfan sulfate

2.2 顶空固相微萃取条件的选择

2.2.1 萃取温度

顶空固相微萃取包含两个过程，即目标物从样品基质中挥发进入顶空气相的过程，以及萃取纤维对目标物的吸附过程。一方面，升高萃取温度可以增大扩散系数，加速目标物的挥发；另一方面，升高萃取温度会导致分配系数降低，影响萃取纤维对目标物的吸附，降低萃取效率。试验考察了萃取温度依次为30，45，60，75，90℃时对α-硫丹、β-硫丹和硫丹硫酸酯萃取效果的影响，结果见图2。

图2 萃取温度对α-硫丹、β-硫丹和硫丹硫酸酯萃取效果的影响Fig.2 Effect of extraction temperature on extraction efficiency ofα-endosulfan，β-endosulfan，and endosulfan sulfate

由图2可知:萃取温度为30～75 ℃时，α-硫丹、β-硫丹和硫丹硫酸酯的峰面积均随萃取温度升高而增大；萃取温度为75～90 ℃时，α-硫丹和β-硫丹的峰面积均随萃取温度升高而减小，硫丹硫酸酯的峰面积随萃取温度升高而继续增大。试验选择萃取温度为75 ℃。

2.2.2 萃取时间

顶空固相微萃取作为一种平衡萃取技术，萃取时目标物在样品基质、顶空气体以及纤维涂层这三相中转移直至平衡。若萃取时间过短，吸附尚未达到平衡状态，无法保证方法的灵敏度和精确度，达到平衡状态之后继续萃取只会增加该方法的时间成本，对于提高方法的灵敏度和精确度无意义。试验考察了萃取时间依次为30，45，60，75，90 min时对α-硫丹、β-硫丹和硫丹硫酸酯萃取效果的影响，结果见图3。

由图3可知:随着萃取时间的延长，α-硫丹、β-硫丹和硫丹硫酸酯的峰面积逐渐增大；萃取时间为60 min时，α-硫丹、β-硫丹和硫丹硫酸酯在纤维涂层中的吸附均达到平衡。试验选择萃取时间为60 min。

图3 萃取时间对α-硫丹、β-硫丹和硫丹硫酸酯萃取效果的影响Fig.3 Effect of extraction time on extraction efficiency ofα-endosulfan，β-endosulfan，and endosulfan sulfate

2.2.3 氯化钠加入量

在使用顶空固相微萃取过程中常加入大量的盐来增加溶液的离子强度，使目标物在水溶液中的溶解度下降，分配系数增大，改善方法灵敏度[15]。试验选择最常用的盐氯化钠作为离子强度调节剂，考察了水样中不加氯化钠和加入过量氯化钠(加入量为0.3 kg·L－1)，即离子强度对α-硫丹、β-硫丹和硫丹硫酸酯萃取效果的影响，结果见图4。

图4 离子强度对α-硫丹、β-硫丹和硫丹硫酸酯萃取效果的影响Fig.4 Effect of ionic strength on extraction efficiency ofα-endosulfan，β-endosulfan，and endosulfan sulfate

由图4可知:加入过量氯化钠(0.3 kg·L－1)时，α-硫丹、β-硫丹和硫丹硫酸酯的峰面积增加了0.69～4.87倍。这是由于加入过量氯化钠使样品达到饱和状态后，可将样品间离子强度的差异降至最低。试验在水样中添加过量氯化钠进行萃取，选择氯化钠加入量为0.3 kg·L－1。

2.2.4 样品体积

在萃取温度不变的情况下，增大样品体积，顶空固相微萃取的萃取相中样品绝对量相应增加，因此增大样品体积可以提高测定方法的灵敏度。试验在保证萃取纤维不接触水相的前提下，考察了样品体积依次为0.5，1.0，2.0 mL 时对α-硫丹、β-硫丹和硫丹硫酸酯萃取效果的影响，结果见图5。

由图5可知:随着样品体积的增大，α-硫丹、β-硫丹和硫丹硫酸酯的峰面积逐渐增大；样品体积为2.0 mL时，α-硫丹、β-硫丹和硫丹硫酸酯的峰面积最大。试验结果表明:样品体积大于2.0 mL 时，顶空固相微萃取过程的剧烈振荡会导致萃取头接触到液体样品，从而减小了萃取头的使用寿命；样品体积为2.0 mL 时，萃取效果最好。试验选择样品体积为2.0 mL。

2.3 标准曲线、检出限和测定下限

按试验方法对含0.05，0.5，5.0，10，25，50，100μg·L－1α-硫丹、硫丹硫酸酯和0.1，1.0，10，20，5 0，100，200μg·L－1β-硫丹的混合标准溶液系列进行测定，以α-硫丹、β-硫丹和硫丹硫酸酯的质量浓度为横坐标，对应的峰面积为纵坐标绘制标准曲线。α-硫丹、β-硫丹和硫丹硫酸酯的线性范围、线性回归方程和相关系数见表2。

图5 样品体积对α-硫丹、β-硫丹和硫丹硫酸酯萃取效果的影响Fig.5 Effect of sample volume on extraction efficiency ofα-endosulfan，β-endosulfan，and endosulfan sulfate

以3倍信噪比和10倍信噪比计算方法的检出限(3S/N)和测定下限(10S/N)，结果见表2。

表2 线性范围、线性回归方程、相关系数、检出限和测定下限Tab.2 Linearity ranges，linear regression equations，correlation coefficients，detection limits and lower limits of determination

2.4 精密度和回收试验

按试验方法对空白水样分别进行3个浓度水平的加标回收试验，每个浓度水平平行测定6个样品，连续测定3 d，计算回收率和测定值的相对标准偏差(RSD)，结果见表3。

由表3可知:回收率为83.6%～117%，日内RSD 为2.2%～18%，日间RSD 为4.2%～18%。样品在加热模块中升温并不断振荡进行萃取时，样品瓶壁可能会吸附部分目标物，尤其是当基质中目标物含量较低时，瓶壁的吸附作用会对测定值的RSD 产生较大影响。

表3 精密度和回收试验结果Tab.3 Results of tests for precision and recovery

在空白水样中分别设置α-硫丹、硫丹硫酸酯的加标质量浓度为10μg·L－1，β-硫丹的加标质量浓度为20μg·L－1，使用同一萃取头按试验方法连续测定180个样品，样品中3个化合物峰面积的变化见图6。1号样品和180号样品的色谱图见图7。

图6 样品中3个化合物峰面积的变化Fig.6 Variation of peak area of 3 compounds in the samples

图7 1号样品和180号样品的色谱图Fig.7 Chromatograms of sample 1 and sample 180

由图6、图7可知:180号样品中，α-硫丹、β-硫丹和硫丹硫酸酯的峰形、峰面积以及信噪比未见明显变化。这表明萃取头的萃取效率以及仪器灵敏度未受影响，方法具有较好的稳定性。

2.5 案例应用

2019年8月22日，我中心受理河北省卢龙县送检的投毒案件样品，安某某报警称其自家水库里养的鱼被人投药，按试验方法检验其送检的8瓶水样，均检出α-硫丹和β-硫丹。2019年9月18日，我中心受理河南省鲁山县送检的投毒案件样品，许某某承包鱼塘内的鱼大量死亡，怀疑是硫丹投毒所致，按试验方法对送检的鱼塘水样和鱼鳃样品进行分析，鱼塘水中检出α-硫丹、β-硫丹和硫丹硫酸酯，同时将鱼鳃的血水稀释10 倍后进行分析，检出了α-硫丹和β-硫丹。

顶空固相微萃取对鱼塘水中的硫丹类化合物具有良好的萃取效果，结合气相色谱-串联质谱法进行分析，检出限低达0.001μg·L－1。本方法仅需2.0 mL鱼塘水样，无需使用有机溶剂，绿色环保，测定过程对仪器污染小，连续进样180针，目标物的峰形、灵敏度未受明显影响。萃取步骤为程序设定的全自动化操作，平行性好，且萃取模块直接搭载在质谱仪上方，样品处理完毕后直接进样测定，整个过程仅需1.5 h左右，实现了前处理分析一体化的功能，能够满足公安机关对鱼塘投毒案件水样中硫丹的测定需求。

除硫丹外，有机磷及拟除虫菊酯类农药也常见于鱼塘投毒案件中，后续的方法研究可以进一步根据有机磷和拟除虫菊酯类农药的性质，筛选不同的萃取纤维涂层种类，优化萃取条件，建立测定鱼塘水中有机磷及拟除虫菊酯类农药的顶空固相微萃取-气相色谱-串联质谱法，更加丰富该项技术在刑事技术领域的应用。