气相色谱-质谱法测定水-沉积物系统中39 种农药残留

纪丙鑫, 郝雨阳, 徐彦军, 林永锋, 李 季,田光明,4, 魏雨泉, 丁国春, 许 艇*,

(1. 中国农业大学 资源与环境学院，生物多样性与有机农业北京市重点实验室，北京 100193；2. 中国农业大学 理学院应用化学系 农药创新研究中心，北京 100193；3. 中国农业大学 有机循环研究院，江苏 苏州 215000；4. 浙江大学 环境与资源学院，杭州 310058)

农药应用在农业生产中，可以有效防治病虫害，保护作物，提高产量[1]，但随着农药的大量使用，残留的农药可通过地表径流、工业废水排放、大气干湿沉降或远距离传输等途径进入河流、湖泊等水体中并最终富集到沉积物中，对水生环境造成危害[2-3]，因此多种农药在水-沉积物系统中残留检测方面的研究显得愈来愈重要。

目前，水体中农药残留检测常用的前处理方法有液-液萃取[4]、固相萃取[5]等。其中，固相萃取成本较高，而液-液萃取操作简单、萃取效率高、成本低。因此本研究采用液-液萃取水体中的农药残留。沉积物中残留检测常用的前处理方法有振荡提取、索氏提取[6]、加速溶剂萃取[7]等。这些方法或存在提取时间长、过程复杂、有机试剂用量大等缺点，或需要昂贵的前处理设备，同时检测农药残留种类数量少，无法同时对多种类型农药残留进行检测。QuEChERS(Quick、Easy、Cheap、Effective、Rugged、Safe)，是一种用于农产品检测的样品前处理方法，利用吸附剂填料与基质中的杂质相互作用吸附杂质从而达到除杂净化的目的，操作简便、快速[8]。近年开始应用在环境介质(土壤、沉积物)中农药的残留检测[9]。

环境中农药残留的检测方法主要有气相色谱(GC)法[10]、高效液相色谱(HPLC)法[11]、气相色谱-质谱 (GC-MS)法[12]、液相色谱-质谱 (LC-MS)法[13]等。其中，GC 和HPLC 方法灵敏度相对较低，易受到杂质干扰，仅依靠保留时间定性依据不充分，而GC-MS 和LC-MS 灵敏度提高，抗干扰能力更强，能对农药残留进行准确定量和定性分析，在食品农药的多残留分析中得到广泛应用[14]。

本研究重点针对在环境中难降解的有机氯、农业生产中常使用的有机磷和拟除虫菊酯类农药以及在我国水域中广泛被检出的三嗪类农药[15]，采用GC-MS 对水体和沉积物样品中39 种农药进行检测，以期为水环境中农药的测定提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 仪器、药剂与试剂

ISQ7000 Trace1300 GC-MS (美国Thermo 公司)；5424R 高速冷冻离心机 (德国Eppendorf 公司)；KQ3200DE 超声波清洗器 (昆山市超声仪器有限公司)；Field-X-2-15UV 实验室超纯水仪 (费尔德北京科学仪器有限公司)；MM400 冷冻混合球磨仪 (上海一韦科技有限责任公司)；QF-3800B氮气吹干仪 (天津市旗美科技有限公司；SJIA-10N-50A 真空冷冻干燥机 (宁波市双嘉仪器有限公司) 。

乙腈、正己烷和乙酸乙酯均为色谱纯，购自上海安谱实验科技股份有限公司；39 种农药混合标准溶液 (100 mg/L) 、乙二胺-N-丙基硅烷(PSA)、石墨化碳黑(GCB)和QuEChERS 萃取盐包(6 g 无水硫酸镁、1.5 g 无水乙酸钠)均购自上海安谱实验科技股份有限公司；氯化钠购于国药集团化学试剂公司；无水硫酸钠小柱(6 g/12 mL)购于上海靳澜仪器制造有限公司。

1.2 标准溶液配制

39 种农药混合标准溶液经乙酸乙酯稀释50 倍得中间储备溶液.再依次用乙酸乙酯配制成各质量浓度分别为 10、20、50、100、200、500、1 000、2 000 μg/L 混合标准工作溶液，备用。

1.3 试验方法

1.3.1 仪器检测条件

色谱条件：TG-5SILMS 色谱柱(30 m × 0.25 mm，0.25 μm)。色谱柱温度程序：60 ℃保持2 min，然后以25 ℃/min 升温至180 ℃，再以5 ℃/min 升温至280 ℃，最后以10 ℃/min 升温至300 ℃，保持5 min。载气为氦气，纯度≥99.999%；氦气流速1 mL/min；进样口温度，250 ℃；不分流进样，进样量1 μL。

质谱条件：电子轰击离子源 (EI 源) ；电离能量70 eV；离子源温度300 ℃；传输线温度280 ℃；选择离子监测(SIM)模式。

1.3.2 样品前处理

水体样品：取1 L 水样，在负压条件下通过0.45 μm 玻璃纤维滤膜后，置于高密度聚乙烯瓶中，于4 ℃避光保存。量取200 mL水样于500 mL分液漏斗中，加入20 g 氯化钠，振荡至完全溶解后，加入20 mL 乙酸乙酯振摇30 min；静置分层，收集上层萃取液，重复萃取两次；合并萃取液，经无水硫酸钠小柱(6 g/12 mL)脱水后氮吹浓缩至近干，用乙酸乙酯定容至1 mL，过0.22 μm滤膜后进行GC-MS 测定。

沉积物样品：将采集自河流、湖泊的沉积物冷冻干燥后，用球磨仪研磨成粉末；称取5 g (精确至0.01 g) 样品于50 mL 离心管中，加入10 mL纯水和10 mL 乙腈，涡旋混匀1 min，超声30 min后置于4 ℃冰箱10 min；加入6 g 无水硫酸镁和1.5 g 无水乙酸钠，涡旋1 min，于8 000 r/min 下离心5 min；取6 mL 上清液至10 mL 离心管中，加入150 mg PSA 和20 mg GCB，涡旋1 min，于4 500 r/min 下离心5 min；取4 mL 上清液至10 mL 刻度试管中，于45 ℃水浴下氮气缓缓吹干，加入1 mL 乙酸乙酯溶解残渣，涡旋1 min，过0.22 μm 滤膜后进行GC-MS 测定。

1.3.3 添加回收试验 向空白水样和沉积物中分别加入低、中、高3 个水平的39 种农药混合标准溶液，使水样中添加水平分别为0.25、0.5 和5.0 μg/L，沉积物中添加水平分别为5.0、20 和100 μg/kg，每个水平重复5 次，按上述条件测定，计算回收率和相对标准偏差。

2 结果与分析

2.1 质谱条件的优化

取1.2 节中1 000 μg/L 的39 种农药混合标准溶液进行GC-MS 测定。首先采用全扫描(Full Scan)模式对39 种农药混合标准工作溶液进行全扫描，全扫描范围为m/z50～500。通过控制升温程序，将39 种农药分离，得到39 种农药的保留时间。根据全扫描结果，通过美国国家标准技术研究院 (NIST) 标准谱库检索匹配，每种农药选择3～4 个特征离子，选择响应最高、丰度最大的离子作为定量离子。最后根据保留时间和定量定性离子等参数构建选择离子监测模式(SIM)。39 种农药的保留时间和定性、定量离子见表1，其总离子流图见图1。

图1 39 种农药混合标准工作溶液 (1.0 mg/L) 在SIM 模式下的总离子流色谱图Fig. 1 Total ion current chromatogram of 39 pesticides (1.0 mg/L) in SIM mode

表1 39 种农药GC-MS 检测的SIM 条件Table 1 SIM conditions by GC-MS

续表1Table 1 (Continued)

2.2 水体中39 种农药的提取

水体中的农药采用液-液萃取进行提取，在200 mL 空白水样中加入39 种农药混合标准溶液，配制成各目标农药质量浓度为 0.5 μg/L 的模拟水样，分别比较了正己烷、二氯甲烷以及乙酸乙酯对39 种农药的萃取效率。由图2 可知，乙酸乙酯对绝大多数目标物的萃取效率均达70% 以上。正己烷萃取扑草净、扑灭通、西玛津、莠去津等三嗪类除草剂的回收率均低于50%，这是由于正己烷属于非极性溶剂，对极性强的农药萃取效果一般。使用二氯甲烷进行液-液萃取时，虽然所有农药的回收率均在70%以上，但由于二氯甲烷本身就是一种环境污染物，对环境有深度危害性[16]；同时二氯甲烷还是一种中等毒性的物质，对人类具有潜在的致癌性[17]。综合考虑，最终选择乙酸乙酯作为萃取溶剂。

图2 不同萃取溶剂对水体中39 种农药回收率的影响Fig. 2 The recoveries of 39 pesticides in water using different extraction solvents

2.3 沉积物中39 种农药的提取与净化

乙腈、丙酮、正己烷和二氯甲烷等均为常用萃取溶剂。其中，乙腈极性较强，对农药的回收效果好[18]，且与丙酮相比，对色素和杂质的提取率低，可有效地降低基质干扰[19]，正己烷和二氯甲烷萃取一些极性强的农药回收率较低，因此选择乙腈为提取溶剂。C18、PSA 和GCB 等均为常用净化剂，其中，PSA 能够去除有机酸、部分色素和糖类等[20]，C18主要用于去除基质中油脂、维生素和甾醇等非极性物质的干扰[21]，GCB 能有效除去甾醇和色素，可吸附90%以上的色素成分[22]。本研究中考察了上述3 种净化剂不同组合对39 种农药的净化效果。称取5 g 空白沉积物样品，添加一定量的39 种农药混合标准溶液，添加水平为0.05 mg/kg，分别对比了6 组不同吸附材料组合：(Ⅰ) 100 mg PSA；(Ⅱ) 100 mg PSA + 100 mg C18；(Ⅲ) 100 mg PSA + 20 mg GCB；(Ⅳ) 100 mg PSA +40 mg GCB；(Ⅴ) 150 mg PSA；(Ⅵ) 200 mg PSA。结果 (图3) 表明：组合(Ⅰ) 和组合(Ⅱ)回收率相差较小，表明是否添加C18对回收率影响不大。由组合(Ⅰ)、 (Ⅴ)和 (Ⅵ)可知，随着PSA 添加量的增加，回收率逐渐增加，在其添加量为150 mg 时回收率达到最高。由组合(Ⅰ) 、(Ⅲ) 和(Ⅳ)可知，未添加GCB 的提取液呈淡黄色，随着GCB 用量的增加，色素逐渐被吸收，提取液逐渐呈现无色透明状，基质干扰降低，回收率逐渐增加，其中在其添加量为20 mg 时部分农药的回收率优于40 mg 的，因此GCB 添加量确定为20 mg。从减少对仪器的污染、节约成本、提高回收率等方面综合考虑，最终选择150 mg PSA + 20 mg GCB 作为净化剂组合。

图3 不同净化剂组合对沉积物中39 种农药回收率的影响Fig. 3 The recoveries of 39 pesticides in sediments using different cleaned-up sorbents

2.4 方法评价

2.4.1 标准曲线、检出限和定量限 取质量浓度分别为 10、20、50、100、200、500 和1 000 μg/L的系列混合标准工作溶液，按1.3.1 节的条件测定，采用SIM 模式，以峰面积为纵坐标，浓度为横坐标，平行测定3 次，得到39 种农药的线性方程。参照文献方法[23]在空白样品中加入极少量各目标农药，按照样品分析的全部步骤，对样品进行7 次平行测定，计算出各目标农药的标准偏差(SD)，以3.143 倍标准偏差(3.143SD)计算方法的检出限(LOD)，以3 倍方法检出限计算定量限(LOQ) 。结果 (表2) 表明：39 种农药线性关系良好，决定系数(R2)在0.995 6～0.999 9 之间，水体中39 种农药的LOD 为0.02～0.06 μg/L，LOQ 为0.04～0.18 μg/L；沉积物中39 种农药的LOD 为0.7～1.5 μg/kg，LOQ 为2.1～4.3 μg/kg。

表2 39 种农药在溶剂中的线性方程、决定系数、检出限及定量限 (线性范围：10～1 000 μg/L)Table 2 The linear equation, R2, LOD and LOQ of 39 pesticides in solvent (Linear range: 10-1 000 μg/L)

续表2Table 2 (Continued)

2.4.2 正确度、精密度和灵敏度 将2 000 μg/L的39 种农药混合标准工作溶液用1.3.2 节的方法处理后的空白水体或沉积物提取溶液稀释，以空白基质匹配标准溶液外标法定量，配制成质量浓度范围在10～1 000 μg/L 的系列基质匹配标准溶液，按照1.3.3 节方法进行添加回收试验。结果(表3) 表明：39 种农药在水体中的平均回收率为72%～111%，相对标准偏差(RSD,n= 5)为1.1%～10%；在沉积物中的平均回收率为65%～119%，RSD (n= 5)为2.1%～12%之间。表明其正确度、精密度和灵敏度均较好。

表3 39 种农药在水体和沉积物基质中的线性方程、添加回收率及相对标准偏差(n=5)Table 3 The linear equations, recoveries and RSDs of 39 pesticides in water and sediment matrix (n=5)

续表3Table 3 (Continued)

续表3Table 3 (Continued)

续表3Table 3 (Continued)

2.5 实际样品检测

从江苏省苏州市太湖流域采集河水、湖水样品88 份，采集湖泊、河流沉积物样品81 份。采用1.2 节的方法进行样品前处理，对39 种目标农药残留进行检测。定性依据参考相关标准[24-27]，样品中目标农药的相对保留时间与标准系列溶液中该农药的相对保留时间的差值在 ±0.03 以内；样品中目标农药的辅助定性离子与定量离子丰度比与标准溶液中辅助定性离子与定量离子丰度比相对偏差应在 ±30% 以内。检测结果 (表4) 表明：水体中共检出扑草净和特丁津两种农药，其中扑草净检出浓度最高为0.75 μg/L；沉积物中共检出p,p′-DDE、p,p′-DDD、噻嗪酮、联苯菊酯、高效氯氟氰菊酯、氯菊酯和扑草净7 种农药，其中噻嗪酮检出浓度最高，为51.42 μg/kg；检出率较高的有p,p′-DDE (84%)、噻嗪酮 (47%)、联苯菊酯(38%)，其他农药检出率均较低。

表4 实际样品检测结果Table 4 Detected concentration of pesticides in samples

3 结论

本研究建立了水体和沉积物中包括有机氯、有机磷、三嗪类和拟除虫菊酯类农药在内的39 种农药的提取和GC-MS 测定方法。采用选择离子监测(SIM)模式检测，外标法定量。通过比较不同萃取溶剂确定了水体中农药的前处理方法，方法对水体中39 种农药的LOD 为0.02～0.06 μg/L。同时通过比较不同净化剂配比对沉积物提取液的净化效果，选择了成本低、回收率高的净化条件，方法对沉积物中39 种农药的LOD 为0.7～1.5 μg/kg。39 种农药在水体和沉积物中的添加回收率绝大部分在70%～110%之间，相对标准偏差(n= 5)＜20%。本方法前处理操作简便，提取效率高，检测时间短，一般实验室的配置均能满足操作要求，并且方法的正确度和精密度均能满足检测要求，可用于湖泊、河流中水体和沉积物中农药残留的测定，对于探明农药在水体和沉积物中的污染状况，防控农药污染，保护水生生态环境的健康可持续发展具有重要意义。