加速溶剂萃取-凝胶渗透色谱法净化-气相色谱-串联质谱法测定土壤中常见的7种农药残留量

付衍宽,孙志洪

(河北省沧州生态环境监测中心,沧州 061000)

农药是指用于预防和治疗危害农业、林业、牧业等领域的有害病原菌、害虫、杂草的物质,包括杀菌剂、杀虫剂、除草剂等,种类繁多。截止到2019 年底,我国有效登记的农药达710 种,生产企业近2 000家(其中境外企业约120 家),是全球生产和使用农药的大国之一。据世界卫生组织统计,全球每年至少发生50万例农药中毒事件。近年来,随着我国环境保护措施的不断完善,我国农药每年使用量呈逐年下降的趋势,但农药滥用现象仍经常发生,如青岛“毒韭菜”事件、海南“毒豇豆”事件等。据计算,农药在喷洒、施用过程中,大部分流失到环境中,再通过降雨、沉降等作用流入土壤,造成土壤板结、污染等状况,严重影响土壤及土壤周边的生态系统,对人类赖以生存的地表环境造成不可逆影响[1-7]。因此,加强对土壤中杀虫剂、杀菌剂、除草剂等的监测[8-10],具有重要的意义。值得注意的是,目前关于五氯硝基苯、多效唑、腐霉利、甲霜灵、醚菊酯、啶虫脒和咪鲜胺等7种农药在土壤中的残留指标未有规定及报道。

土壤样品中的基质成分较多,通常含有有机质(如蛋白质等)、无机质(如硅酸盐、氧化物等)、空气、水分等。常用于土壤中农药提取的方法有固液萃取法、超声提取法和加速溶剂萃取法(ASE)[11-18]。固液萃取法将土壤与有机溶剂混合,采用振荡的方式将土壤中的农药提取出来;超声提取法是采用超声的方式进行提取,提取效率比固液萃取法高;ASE将土壤与有机溶剂混合,在高温和高压条件下,进行反复多次提取,相比其他方法,提取效率更高。

本工作建立了ASE-凝胶渗透色谱法(GPC)净化-气相色谱-串联质谱法(GC-MS/MS)测定土壤中的五氯硝基苯、多效唑、腐霉利、甲霜灵、醚菊酯、啶虫脒和咪鲜胺残留量的分析方法,该方法净化效果好、基质干扰小,适用于土壤中微量农药的检测。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

Shimadzu GC 2010型气相色谱-三重四极杆质谱仪;SP-600 QSE型加速溶剂萃取仪;Mettler-Toledo XS 205DU 型电子天平(精度0.01 mg);FLEXIGPC 型凝胶系统;Milli-Q A10 型超纯水系统;Centrifuge 5418型冷冻离心机。

混合标准储备溶液:分别取适量的五氯硝基苯、多效唑、腐霉利、甲霜灵、醚菊酯、啶虫脒和咪鲜胺的标准溶液,用正己烷稀释、混匀,配制成质量浓度均为10 mg·L－1的混合标准储备溶液,于2～10℃保存备用。

混合标准溶液系列:取上述适量的混合标准储备溶液,用正己烷逐级稀释,配制成质量浓度分别为0.04,0.1,0.5,1.0,2.0,4.0 mg·L－1的混合标准溶液系列。

100 mg·L－1五氯硝基苯标准溶液,GBW(E) 081805;100 mg·L－1多效唑标准溶液,GBW(E) 082337;100 mg·L－1腐霉利标准溶液,GBW(E) 082331;100 mg·L－1甲霜灵标准溶液,GBW(E) 083007;100 mg·L－1醚菊酯标准溶液,GBW(E) 082873;100 mg·L－1啶虫脒标准溶液,GBW(E) 083745;100 mg·L－1咪鲜胺标准溶液,GBW(E)082492。

乙腈、甲醇为色谱纯;其余试剂均为分析纯;试验用水为超纯水。

1.2 仪器工作条件

1)ASE条件 萃取温度85 ℃;压力10 k Pa;加热时间10 min;萃取剂为体积比1∶1的丙酮-正己烷混合液;静态提取时间8 min;循环3次,冲洗体积50%;氮气吹扫3 min。

2)GPC条件 CLNpak EV-2000AC型凝胶净化柱(300 mm×20 mm,50μm);洗脱剂为体积比1∶1的丙酮-正己烷混合液;流量4 mL·min－1;收集1 400～2 300 s的淋洗液。

3)色谱条件 Rtx-5MS 型色谱质谱专用柱(30 m×250 μm,0.25 μm);载气为氦气(纯度99.999%);进样口温度260℃;进样量1μL;进样方式为不分流进样;柱流量1.6 mL·min－1。柱升温程序:初始温度50 ℃,保持1 min;以20 ℃·min－1速率升温至125 ℃;再以10 ℃·min－1速率升温至300 ℃,保持15 min。

4)质谱条件 电子轰击离子源(EI);电离能量70 e V;接口温度250℃,离子源温度220℃;碰撞气为氩气(纯度99.999%);溶剂延迟时间2.0 min;多反应监测(MRM)扫描方式。其他质谱参数见表1。

表1 质谱参数Tab.1 MS parameters

1.3 试验方法

随机采集土壤样品,混匀,于35 ℃烘干。去除样品中植物根茎残体和石块等,将烘干后的样品压碎,过内径为2 mm 筛网。称取过筛后的土壤样品10 g,并置于加速溶剂萃取池中,加入硅藻土10 g,按ASE 条件反复萃取3次。将收集到的萃取液全部转移至GPC净化瓶中,按GPC条件进行净化,收集净化液,并于50 ℃水浴式氮吹仪中氮吹至近干,用1 mL正己烷溶解,经0.45μm 微孔滤膜过滤,滤液按色谱条件和质谱条件进行分析。

2 结果与讨论

2.1 萃取剂的选择

土壤中杂质较多,且目标化合物性质复杂,因此要求萃取剂对目标农药有一定的选择性和足够的溶解性。农药残留萃取常用的萃取剂有正己烷、乙酸乙酯、丙酮等。按照上述仪器工作条件,在其他处理条件均不变的情况下,考察了乙酸乙酯、丙酮、正己烷以及体积比为1∶1的丙酮-正己烷混合液为萃取剂时对加标样品(加标量1.0 mg·kg－1)中7种农药回收率的影响,结果见表2。

表2 不同萃取剂对7种农药回收率的影响Tab.2 Effect of different extraction solvents on recovery of 7 pesticides

结果表明:乙酸乙酯作为萃取剂时共提物较多,色谱柱、质谱离子阱污染严重,降低了目标物的响应值;而以体积比为1∶1的丙酮-正己烷混合液为萃取剂时,回收率较单一溶剂的高,且共提物少。因此,试验选择体积比为1∶1的丙酮-正己烷混合液作为萃取剂。

2.2 净化方法的选择

净化方法的选择非常关键,如果净化不完全,会造成色谱柱污染,从而导致色谱柱分离度变差、柱效下降,缩短净化柱的使用寿命。样品溶液汽化后,通过质谱时也会导致离子阱被污染,仪器灵敏度降低,基线干扰严重。目前农药残留测试中样品溶液的净化方法主要有液液萃取法、固相萃取小柱萃取法、GPC等。保持其他条件不变,试验考察了上述3种净化方法对加标样品(加标量1.0 mg·kg－1)中7种农药回收率的影响。

结果显示:采用液液萃取法时,7种农药的回收率为65.2%～84.5%;采用固相萃取小柱萃取法时,7种农药的回收率为71.3%～87.8%;采用GPC时,7种农药的回收率为84.2%～96.5%,并且GPC 自动化程度高,净化效果好。因此,试验选择净化方法为GPC。

2.3 质谱条件的选择

取五氯硝基苯、多效唑、腐霉利、甲霜灵、醚菊酯、啶虫脒和咪鲜胺质量浓度均为10 mg·L－1的混合标准储备溶液,以全扫描模式进行一级质谱扫描。根据前体离子相对分子质量大,且响应高的离子尽量不与其他化合物的前体离子重合的选择原则,确定了7种农药的前体离子。对前体离子进行二级扫描,输入碰撞电压范围和电压间隔,创建不同碰撞电压的产物离子扫描方法。运行方法并采集离子的扫描数据,得到各农药母离子对应的碎片离子。运行多反应监测优化工具(MRM-Optimization-Tool),得到各组分的碰撞电压和离子丰度值。选择丰度值较高的1个碎片离子进行定量,另外选择2个碎片离子进行定性,最终确定7 种农药的扫描方式为MRM。7种农药的质谱参数见表1,典型色谱图见图1。

图1 典型色谱图Fig.1 Typical chromatograms

2.4 标准曲线和检出限

按照仪器工作条件,对质量浓度为0.04,0.1,0.5,1.0,2.0,4.0 mg·L－1的混合标准溶液系列进行测定,以7种农药的质量浓度为横坐标,其对应的峰面积为纵坐标绘制标准曲线。结果表明:7种农药的质量浓度在0.04～4.0 mg·L－1内与其峰面积呈线性关系,相关系数均大于0.998 0,线性回归方程和相关系数见表3。

以3倍信噪比(S/N)计算检出限(3S/N),10倍信噪比计算测定下限(10S/N),检出限和测定下限结果见表3。

表3 线性参数、检出限和测定下限Tab.3 Linearity parameters,detection limits and lower limits of determination

由表3 可知:7 种农药的检出限为0.002～0.007 mg·kg－1,测定下限为0.008～0.024 mg·kg－1。

2.5 精密度和回收试验

在10 g空白土壤样品中加入一定量的7种农药混合标准溶液(加标量分别为0.1,0.5,2.0 mg·kg－1),按照试验方法对3个不同浓度水平样品进行加标回收试验。每个浓度水平测定6次,计算测定值的相对标准偏差(RSD)和回收率,结果见表4。

表4 精密度和回收试验结果(n＝6)Tab.4 Results of tests for precision and recovery(n＝6)

由表4可知:7种农药在3个加标浓度水平下的回收率为88.9%～104%,RSD 为1.7%～3.9%,说明该方法的准确度和精密度均较高,符合农药残留分析测试的要求。

2.6 样品分析

为验证该方法的实用性,随机采集5份不同区域的土壤样品,对上述7种农药残留进行测定。结果显示:有2份土壤样品分别检出腐霉利和啶虫脒,检出量分别为0.010,0.005 mg·kg－1;其余农药均未检出。由于测定结果均不在线性范围内,且低于测定下限,因此该测定结果为估计值。

本工作建立了ASE-GPC 净化-GC-MS/MS 测定土壤中7种农药残留量的分析方法。该方法自动化程度高、准确性好,并且回收率及精密度、检出限及测定下限等参数均能满足农药残留分析测定的要求,可为土壤中多种农药残留的监测提供新的测定方法。