基于全二维气相色谱－四极杆飞行时间质谱法同时检测土壤中24种有机磷与20种有机氯农药残留

余 磊，赵志燊，赵 杰，向章敏

（1.贵阳学院 贵州生态环境中优势农产品残留农药降解关键技术研究重点实验室，贵州 贵阳550005；2.广东省科学院测试分析研究所 广东省化学危害应急检测技术重点实验室，广东 广州510070）

近年来，我国农药产业迅速发展，农药年产量现居世界第二位。我国也是农业大国，大面积的化学农药使用导致土壤和生态受到严重破坏。据统计，我国化学农药的使用量是世界平均用量的2.5倍，高毒农药使用量约占我国农药使用量的30%，其中有机磷和有机氯农药产量约占全世界总量的1/3，占全国农药总量的50%以上［1］。虽然高毒高残留的有机氯农药在中国已禁用了二十多年，但大量研究表明它们在土壤中的检出率接近90%，且在某些地区土壤中仍有相对较高的残留［2］。有机磷农药是作为取代有机氯农药而发展起来的新型农药，其比有机氯农药容易降解，对自然环境的污染和生态系统的危害不及有机氯农药普遍和持久。然而，有机磷农药并不是理想的高效、低毒、低残留农药，其可在动物体内富集，在环境中的残留也不容忽视［3］。因此，对土壤中残留的有机磷和有机氯农药进行检测非常重要，可为土壤修复及环境治理提供重要参考数据。

目前有关土壤中有机磷及有机氯农药残留的检测，多数集中在气相色谱［4］、气相色谱－质谱［5］以及气相色谱－三重四极杆质谱［6］等方面。采用全二维气相色谱检测也偶有报道，例如李燕群等［7］采用全二维气相色谱－质谱法同时分析土壤中有机氯农药、酞酸酯和多氯联苯，但并未对有机磷农药进行分析。马健生等［8］采用气相色谱法测定土壤中21种有机氯和4种有机磷农药，分别采用电子俘获检测器及氮磷检测器，需分步进行，且农药种类少。针对土壤中可能同时存在多种有机磷及有机氯农药残留的现象，本文借助于全二维气相色谱强大的分离能力以及高分辨质谱精确分子量准确的定量效果［9－12］，建立了一种能同时检测土壤中24种有机磷和20种有机氯农药残留的分析方法，对于我国农业用地土壤中农药残留的高通量筛查与检测具有重要意义。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

气相色谱-四极杆飞行时间质谱联用仪（7890B－7250，美国Agilent公司），配置固态热调制器（SSM1800，上海雪景电子科技有限公司）和三合一自动进样器（PAL RSI120，瑞士CTC公司）；旋转蒸发仪（RE－52AA，上海亚荣生化仪器厂）；离心机（TG16－W，湖南湘仪实验室仪器开发有限公司）；超声萃取仪（DTD－6R，湖北鼎泰恒胜科技设备有限公司）；电子天平（AL－104，美国Mettler－Toledo公司）及其他常用玻璃仪器。

正己烷、丙酮（色谱级，美国Merck公司）；无水硫酸钠（分析纯，广州化学试剂厂）；24种有机磷和20种有机氯标准品（纯度＞99.5%，美国Accustandard）。

1.2 仪器分析条件

全二维气相色谱条件：柱1：HP－5MS（30 m×0.25 mm，0.25 μm）；柱2：D－17（1.0 m×0.18 mm，0.18 μm）；升温程序：50℃保持1 min，以6℃/min升至150℃并保持2 min，再以3℃/min升至250℃并保持2 min；恒流模式，流速为1.0 mL/min；进样口温度：260℃；分流模式：不分流；调制周期：5 s。

质谱条件：离子源：EI，70 eV；离子源温度：230℃；四极杆温度：150℃；传输线温度：280℃；质量范围：50～450 m/z；采集速率：12 500 amu/s。

1.3 前处理方法

本文主要借鉴马健生等［8］报道的方法，采用索氏提取法进行样品前处理。称取5.000 0 g样品和等量的无水硫酸钠至50 mL纸筒中，包裹后放入索氏提取器中，加入正己烷和丙酮（体积比1∶1）混合液100 mL，在65℃水浴加热提取7 h，将提取后的样品溶液经旋转蒸发仪浓缩至1 mL左右，待检测。

1.4 定量方法

实验数据分析与处理采用Canvas全二维数据处理系统，选择带有高分辨精确质量的特征离子进行外标法定量，并设置其质荷比的质量偏差在±0.002 0范围内。

2 结果与讨论

2.1 全二维气相色谱分离

全二维气相色谱由于组合了两根不同极性固定相的色谱柱，可依据沸点和极性两个性质实现对样品的分离。通常在全二维谱图中，同系物（具有类似化学性质但碳链长度有差异）物质由于沸点范围分布较广，会沿着一维时间（按沸点分离）排列成具有一定二维宽度（按极性分离）的条带。不同条带代表不同性质的族类物质，从而形成结构化的全二维色谱图，更加适合族类的分离分析［13］。因此，本研究选择较为常见的色谱柱组合（弱极性+中等极性），对索氏提取后的样品直接进行色谱分离，其色谱分离结果如图1所示。

由图1可知，经全二维气相色谱分离后，有机磷和有机氯农药的目标峰与杂质干扰峰可实现有效的族分离。经过质谱鉴定，主要的杂峰来自于苯系物和烷烃干扰，但经全二维气相色谱分离后，这些杂质并未对目标峰形成干扰，所以本方法无需过固相萃取柱分离杂质，即可对44种目标峰进行定量分析，简化了分析步骤，在节省分析费用的同时提升了分析效率。其次，一维气相色谱进行多目标物高通量分析时，往往存在相互干扰，即一维保留时间相同的物质，无法在一根色谱柱上进行有效分离。如在本方法中，部分有机磷化合物的保留时间基本一致（见表1），例如：甲基毒死蜱和甲基对硫磷均为31.12 min，毒死蜱和对硫磷均为33.96 min，这4种农药在一维色谱上仅出现2个峰，难以进行有效的定量分析。此外，除同类物质干扰外，部分有机氯也会对有机磷产生干扰，如：甲基立枯磷和七氯均为31.37 min，异狄氏剂醛和乙硫磷均为42.21 min，也很难进行有效的定量分析。然而，本文利用全二维气相色谱可有效解决上述物质相互干扰的问题，虽然一维的保留时间一致，但第二维的保留时间有一定差异，能实现有效分离。因此，全二维气相色谱优势在于使一维色谱柱上难分离的化合物，可在第二维色谱柱上继续进行二次分离［14－15］，排除杂质及目标物相互之间的干扰，从而实现准确的定量分析。此外，本文优化了不同调制周期对样品的色谱分离效果，结果表明5 s的调制周期效果最好，所有峰在全二维气相色谱图上呈现较好的族分离效果，各族分布均匀，互不干扰，且无峰迂回现象。

图1 全二维气相色谱的族类分离色谱图Fig.1 GC×GC contour plot of group separation

2.2 方法前处理

参照马健生等［8］对有机磷及有机氯农药的索氏提取方法，本文对提取温度（60、65、70℃）、提取溶剂（丙酮∶甲醇=1∶1、丙酮∶正己烷=1∶1、正己烷∶甲醇=1∶1）及提取时间（5、7、12 h）进行了前处理条件验证，结果与文献［8］报道一致，即采用100 mL正己烷和丙酮（1∶1）混合溶剂在65℃下索氏提取7 h为最优条件。

2.3 定性与定量分析

根据《质谱分析方法通则》（GB/T－6041－2020）［16］，一般是通过标准品或对照品的保留时间及谱库匹配度确定物质结构，同时也可根据高分辨质谱的精确质量，直接获得元素组成来推断物质结构。本文定性分析除了根据标准品的保留时间外，同时选择对应精确质量的分子离子或特征离子作为辅助定性离子，详见表1中的定性离子对。

其次，在定量分析方面，采用空白土壤提取后的基质分别将24种有机磷和20种有机氯农药混合标准储备溶液逐级稀释配成10 mg/L的混合标准溶液，再稀释配制成20、50、100、500、1 000、3 000 μg/L的混合标准溶液。按“1.2”色谱条件对混合标准溶液系列进行检测，选择高分辨精确质量基峰离子的峰面积绘制标准曲线，其定量离子、线性关系和检出限（S/N=3，LOD）见表1。结果显示，44种农药的线性范围为20～3 000 μg/L，相关系数（r2）为0.990 3～0.999 9，LOD为0.3～7.9 μg/L。可见，本方法呈现出较好的线性关系和较高的灵敏度。

表1 44种农药的保留时间、定量定性离子、线性关系及检出限Table 1 Retention times，quantitative and qualitative ions，linear relations and detection limits of 44 pesticides

2.4 回收率与相对标准偏差

向不含有机氯和有机磷的空白土壤样品中，分别添加50、1 000 μg/kg两个不同浓度的40种农药混合标准品，按相同的实验方法平行测定5次，计算其回收率和相对标准偏差（RSD），结果见表2。结果显示，加标浓度为50 μg/kg时，44种农药的回收率为80.3%～102%，平均回收率为90.4%，RSD为2.8%～9.6%，平均RSD为6.7%；加标浓度为1 000 μg/kg时，44种农药的回收率为82.3%～103%，平均回收率为95.5%，RSD为1.3%～9.7%，平均RSD为7.3%。综上，该方法的平均回收率为93.0%，平均RSD为6.9%，具有良好的准确度及精密度。

表2 44种农药的回收率及相对标准偏差（n=5）Table 2 Recoveries and relative standard deviations of 44 pesticides（n=5）

2.5 实际样品应用

采集草莓种植园、小麦种植园、蔬菜基地等不同类型土壤样品，采用本文所建立的方法进行分析（见表3）。结果表明，上述3种土壤中有机磷及有机氯农药的残留量均较低，分别检出8种、3种和5种待测农药。由此可见，草莓园中的农药残留种类高于小麦和蔬菜，原因可能在于草莓大棚内接受阳光和雨水的能力受限，导致农药不易降解。此外，草莓园中的甲拌磷，小麦种植土壤中的狄氏剂以及蔬菜土壤中的甲基立枯磷，均比其他农药的残留含量高，这可能与防治对象所施用的农药不同有关。

表3 实际样品检测结果（n=3）Table 3 Results of test for real samples（n=3）

3 结论

为了更高效地检测土壤样品中残留的多种有机磷及有机氯农药，本文基于全二维气相色谱-四极杆飞行时间质谱建立了土壤中24种有机磷和20种有机氯农药残留的高通量检测方法，并对实际样品进行了应用分析。在现有方法的基础上，将索氏抽提后的样品直接进行全二维气相色谱分离，可获得较好的分离效果，在无需过固相萃取柱的情况下，即可排除杂质与目标物之间的干扰，简化了分析步骤和提高了分析效率。方法验证结果显示，本文采用的高分辨特征离子定量方法，线性相关性较好，灵敏度较高，回收率和精密度均能满足分析要求。本研究为土壤中有机磷和有机氯农药残留的高通量快速筛查提供了方法保证。