加速溶剂萃取-气相色谱-质谱法同时测定污泥中37种有机磷类及10种拟除虫菊酯类农药

王威，窦文渊，郭杰煌，陈飞龙

(广东省科学院 测试分析研究所(中国广州分析测试中心)广东省化学危害应急检测技术重点实验室,广州 510070)

有机磷类和拟除虫菊酯类农药残留都是环境监测的重点对象。有机磷类农药具有高效、广谱、多样的特点,在我国曾被广泛用于农业、家庭和仓储中虫害的防治,在环境中存在大范围的残留,对人体及环境的安全威胁极大[1]。有机磷类农药会随着食物链在人体内累积,从而造成慢性中毒和三致效应[2],国家已制定检测此类农药残留的标准,如GB 36600－2018《土壤环境质量建设用地 土地污染风险管控标准(试行)》,其中规定敌敌畏、乐果的限量分别为1.8,86 mg·kg－1[3]。拟除虫菊酯类农药也是一种广谱、高效的杀虫剂,与有机磷类农药相比,具有低毒、环境相容等优点,但由于其使用量大,使用范围广泛,接触人群多,危害程度不容忽视[4]。毒理学的研究表明,部分有机磷类与拟除虫菊酯类农药具有相加或协同的联合毒性,对敏感生物体具有急性毒害作用[5-6]。

在污水处理厂处理污水过程中,污泥容易吸附水中的污染物,在对其进行填埋后,可造成土壤的二次污染,因此,建立污水处理厂污泥中多种污染物的快速分析方法,对于研究污水处理效果、污泥中农药残留的污染程度、评价污泥排放指标有重要意义[7-8]。目前,针对污泥中有机污染物的分析研究较少,主要集中于土壤及沉积物中有机磷类和拟除虫菊酯类农药残留的检测分析,该过程主要包括样品前处理和仪器分析两个部分。前处理方法主要有索氏提取、超声提取、Qu ECh ERS 萃取[9-10]和加速溶剂萃取法。加速溶剂萃取法是一种在高温、高压的条件下,利用有机溶剂快速萃取样品中目标物的自动化方法,其中,高温条件可增加溶剂的萃取容量,提高萃取效率,而高压条件能提高溶剂沸点而使其保持液态,该方法具有所需样品少、提取效率高、操作简便易行等优点,在固体基质中农药残留提取方面的应用很广泛[4,11-14]。有机磷类和拟除虫菊酯类农药残留分析的常用仪器分析方法有气相色谱法(GC)和气相色谱-质谱法(GC-MS)[15]。GC 可搭配各类检测器,适合单一目标物的分析,具有灵敏度高的特点,但对基质复杂的污泥而言,其抗干扰能力不足,且无法实现多类目标物的同时检测。GC-MS凭借其选择离子技术,具有较高的分辨率,可准确分析复杂基质中目标物,能用于污泥中多目标物的同时快速分析[16-19]。

本工作以污水处理厂污泥为研究对象,通过加速溶剂萃取法结合GC-MS,建立了污泥中37种有机磷类和10种拟除虫菊酯类农药的分析方法,以期为污泥中有机磷类和拟除虫菊酯类农药残留的定性分析、定量检测提供依据。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

7890B-5977B型气相色谱-质谱仪;E-916 型加速溶剂萃取仪;Bond Carbon-GCB 固相萃取小柱;DGJ-25E型冷冻干燥机;HPE-6B 型平行真空浓缩蒸发仪。

37 种有机磷类农药混合标准储备溶液:500.0 mg·L－1。

10种拟除虫菊酯类农药混合标准储备溶液:500.0 mg·L－1。

正己烷、二氯甲烷为色谱纯;无水硫酸钠、石英砂为分析纯;硅藻土粒径为0.9～2 mm(10～20目)。

1.2 仪器工作条件

1.2.1 萃取条件

载气压力0.8 MPa;萃取温度110 ℃;萃取池压力10.0 MPa;预加热平衡时间300 s;静态萃取时间300 s;溶剂洗涤体积为60%池体积;氮气吹扫时间60 s;静态循环萃取次数2 次;总萃取时间30 min(6个样品)。

1.2.2 色谱条件

DB-1701P色谱柱(30 m×320μm,0.25μm);进样口温度270 ℃;载气为高纯氦气,纯度为99.999%;流量1.4 mL·min－1;进样量3.00μL;不分流进样。柱升温程序:初始温度40 ℃,保持1 min;以30 ℃·min－1速率升温至130 ℃;再以5 ℃·min－1速率升温至250 ℃;最后以10 ℃·min－1速率升温至280 ℃,保持8 min。

1.2.3 质谱条件

电子轰击离子源(EI);离子源温度230℃;电子轰击能量70 e V;接口温度280 ℃;四极杆温度150 ℃;扫描范围m/z35～550;溶剂延迟时间5.5 min;扫描模式为全扫描模式。

1.3 试验方法

将采集的新鲜污泥保存至棕色玻璃瓶中,经－40 ℃真空冷冻干燥后研磨粉碎。在40 mL 萃取池底端铺上玻璃纤维滤膜,加入2.0 g 硅藻土和10 g样品,再加入一定量石英砂至距离萃取池顶部1.0 cm 处,顶端也用玻璃纤维滤膜密封,将萃取池转移至加速溶剂萃取仪中,使用体积比为1∶1的正己烷-丙酮混合溶液按1.2.1节条件萃取,用250 mL接收瓶收集萃取液,将萃取液转移至K-D 浓缩瓶中,用真空浓缩蒸发仪将溶液减压浓缩至1.0 mL。将样品溶液转移至预先经10 mL 正己烷淋洗的GCB固相萃取小柱中,用25 mL 体积比为1∶1的正己烷-丙酮混合溶液洗脱,控制洗脱流量为4 mL·min－1,收集洗脱液,并减压浓缩至1.0 mL,过0.22μm 有机滤膜,滤液供GC-MS分析。

2 结果与讨论

2.1 萃取条件的选择

加速溶剂萃取的主要影响因素有萃取溶剂、萃取温度、萃取压力以及循环次数等,而有机磷类和拟除虫菊酯类农药的最佳萃取温度为100～120℃,因此试验选择的萃取温度为110 ℃。基于文献[12,17],以加标石英砂样品(加标量为0.50 mg·kg－1)为待测对象,考察了不同萃取溶剂、萃取压力和循环次数对47种目标物萃取效果的影响,结果见表1。

由表1可知:以体积比为1∶1的正己烷-丙酮混合溶液为萃取溶剂在10.0 MPa压力下萃取时,所得47种化合物的回收率较理想;目标物回收率随着溶剂循环萃取次数的增加而增加,但3次萃取所得的回收率和2次萃取的相差不大,从提高效率角度考虑,试验选用循环次数为2次。

2.2 色谱条件的优化

为了实现47种化合物的有效分离,分别采用弱极性的HP-5色谱柱和中等极性的DB-1701P色谱柱进行试验,二者对目标物的分离效果见图1。

图1 2种色谱柱对47种化合物的分离效果Fig.1 Separation effect of 2 chromatographic columns on 47 compounds

由图1 可知:采用HP-5 色谱柱时,无法实现47种化合物的全部分离,响应值也较低;DB-1701P色谱柱则可以满足试验要求。因此,试验选择的色谱柱为DB-1701P色谱柱。

2.3 基质效应、标准曲线和检出限

基质效应与所使用的仪器、溶剂和样品有关,其在GC-MS分析中普遍存在,会对目标物的定量分析产生一定程度的影响[20]。分别用空白污泥样品提取液和体积比为1∶1的正己烷-丙酮混合溶液逐级稀释配制成2.00,3.00,5.00,10.0,15.0,20.0,100.0 mg·L－1的47 种化合物的基质匹配混合标准溶液系列和混合标准溶液系列,按照ICP-MS条件测定,以47种化合物的质量浓度为横坐标,对应的峰面积为纵坐标进行线性回归,以所得线性回归方程斜率的比值计算基质效应,所得47种化合物的基质效应值为0.7～1.6,说明基质效应会对测定值产生一定影响,因此,为保证结果的准确度,试验采用基质匹配混合标准溶液制作的标准曲线进行定量分析,线性范围为2.00～100.0 mg·L－1,其他线性参数见表2。

按照GC-MS 条件重复分析7 次1.00 mg·kg－1的混合标准溶液,以3.143倍标准偏差(s)计算检出限(3.143s)[21],所得结果见表2。

由表2可知:47 种化合物的线性关系良好,相关系数均在0.9910以上,检出限为0.04～0.19mg·kg－1。

表2 47种化合物的线性回归方程、相关系数、检出限及基质效应Tab.2 Linearity regression equations，correlation coefficients，detection limits and matrix effect of 47 compounds

表2 (续)

2.4 精密度和回收试验

按照试验方法平行分析6份污泥样品,每份样品均加入0.50 mg·kg－1的47种化合物,计算回收率和测定值的相对标准偏差(RSD),结果见表3。

表3 精密度和回收试验结果(n＝6)Tab.3 Results of tests for recovery and precision(n＝6)

由表3可知:47种化合物的回收率为58.0%～118%,RSD 为0.80%～7.4%,均小于10%,与相关标准的要求基本一致[22-23]。

2.5 样品分析

按照试验方法分析4个污泥样品,在其中1份样品中检出了毒死蜱(0.23 mg·kg－1),1份样品中检出了二嗪农(0.39 mg·kg－1)、安硫磷(0.71 mg·kg－1),其含量均未超过标准规定的限值[3]。

本工作采用加速溶剂萃取法结合GC-MS同时测定污泥中37种有机磷类及10种拟除虫菊酯类农药,该方法具有高效、简便、准确、可靠的特点,可为污水处理厂污泥中有机磷类农药和拟除虫菊酯类农药的监测和快速检测提供参考。