土壤中有机氯农药分析测定方法的研究进展

王 苗，张 宛，尹延震，岳 超

(1.河南省南水北调中线渠首生态环境监测中心，河南 南阳 473000；2.河南省南阳生态环境监测中心，河南 南阳 473000； 3.南水北调中线建管局渠首分局，河南 南阳 473000，4.南阳师范学院，河南 南阳 473000)

前 言

有机氯农药(OCPs)曾经是世界农业生产中应用最广泛的杀虫剂，能够在土壤、水体、大气、底泥等环境介质中长期残留且难以降解，是典型的持久性有机污染物(POPs)，具有致癌、致畸、致突变作用。研究表明，OCPs极易在生物体内富集和残留，进而通过食物链进入人体，引发人体内分泌紊乱、生殖及免疫功能失调、发育紊乱等严重疾病[1～4]。因此，土壤中OCPs有机氯农药的风险以及危害评估已经成为当今环境与健康领域的一个重要研究方向[5,6]，而土壤中OCPs的分析和测定则是科学研究和土壤环境监测过程中的必要手段。随着分析仪器的不断更新换代和分析方法的持续优化改进，土壤中OCPs的分析测试更加便捷高效和精密准确。本文着重从萃取方法、净化方法和检测方法3个方面，对近些年土壤中OCPs分析测定方法的研究进展进行了综述。

1 萃取方法

由于土壤基质较为复杂且大多数农药残留与土壤耦合作用较强，所以土壤中农药残留的萃取一直是分析过程中最为复杂的环节。当前土壤中农药残留的常用萃取方法有索氏萃取法、超声萃取法、微波萃取法、加速溶剂萃取法等，其他萃取方法如基质固相分散萃取法、超临界流体萃取法、QuEChERS法、搅拌棒吸附萃取法等仍以探索为主。近些年来，国内外学者结合自身需求和工作实际，对各种萃取方法进行了不断优化，不仅提高了萃取效率、节约了试剂，而且进一步提高了分析结果的准确度和精密度。

1.1 索氏萃取

索氏萃取(Soxhlet Extraction，SE)利用溶剂回流和虹吸原理，使目标化合物能为溶剂反复萃取，具有萃取效率较高、能耗低、操作简单等特点。缺点在于取萃取时间长，对于易降解的P,P'-DDT和异狄氏剂影响较大，稳定性较差，萃取溶剂用量大、易造成二次环境污染等问题。索氏萃取主要从萃取时间、萃取温度和萃取溶剂三个方面进行优化。马健生等[7]探索的索氏萃取最佳条件为：温度为65℃，萃取时间为7h, 萃取剂为丙酮-正己烷(1∶1，v/v)混合液，优化后方法回收率为68%～125%，精密度为2.8%～5.9%。

1.2 超声波萃取

超声波萃取(Ultrasonic Extraction，UE)原理是利用超声波辐射产生的机械振动、空化和扰动效应增加物质分子运动的频率和速度，以此来破坏有机物在土壤表面的吸附、提高溶剂的穿透力，从而加速有机物在有机相中的溶解；具有操作简单、萃取速度快等特点，缺点是受萃取时间、萃取温度影响较大且回收率较低，但经过优化也可取得满意结果。如陈蓓蓓等[8]比较了索氏萃取和超声波萃取对土壤和沉积物中的20种OCPs的萃取效率，结果表明：索氏萃取的平均回收率和相对标准偏差(RSD)为46.24%～102.7%和9.1%～18%，超声萃取为62.62%～95.40%和6.6%～12%；同时她们在优化过程中发现，用40mL二氯甲烷超声萃取3min，重复4次，前3次萃取出的目标化合物占总量的98.05%，考虑到减少试剂用量，进行3次超声萃取共用120mL二氯甲烷即可满足回收率要求。

1.3 微波萃取

微波萃取(Microwave-Assisted Extraction，MAE)原理是利用某些区域或萃取体系中的基体物质在微波场中吸收微波能力的差异，从而某些组分被选择性加热后进入到介电常数较小、微波吸收能力相对差的萃取剂中。微波萃取具有简便快捷、试剂用量少、回收率高及批样处理和环境友好等优点，缺点在于仅适用于热稳定性物质的提取，对于热敏性物质，微波加热可能使其变性或失活。微波萃取主要从萃取溶剂、溶剂体积、微波辐射温度、微波辐射时间4个方面进行优化。李庆霞等[9]为了优化最佳萃取条件，设计了三因素(溶剂体积、微波辐射时间和温度)三水平的正交实验，得出的最佳条件为：萃取溶剂体积30mL，从室温开始5min升温至120℃，保持15min，升温至120℃后萃取功率随萃取温度的变化范围在300～320 W。

1.4 加速溶剂萃取

加速溶剂萃取(Accelerated Solvent Extraction，ASE)是将处理后的土壤或沉积物样品加入密闭容器中，在加压、加热条件下，处于液态的有机溶剂与土壤或沉积物样品充分接触，将土壤或沉积物中的有机物提取到有机溶剂中。加压的主要目的是阻止有机溶剂因高温沸腾，使其一直处于液态并和样品充分接触。加热可以减少溶剂的粘性和表面张力，从而破坏溶剂和基质之间范德华力、氢键等引起的强吸引力，使溶剂能够更好地扩散到基质里，提高目标物萃取效率。与传统萃取方法相比，加速溶剂萃取具溶剂用量少、提取时间短、回收率高等优点；缺点是对于一些杂质的提取效率也同样得到增强，使得提取液中含有大量杂质，从而增加了净化的难度。刘彬等[10]考察了不同萃取溶剂、萃取温度和萃取次数对土壤中有OCPs和PAHs的影响，实验结果表明：二氯甲烷-正己烷(1∶1，v/v)萃取液较为干净、呈透明浅黄色，由于受色素共萃物的影响含有丙酮的萃取液颜色偏深；萃取2次时，90℃(62%～112%)和100℃(65%～105%)下化合物回收率略高于80℃(58%～95%)；萃取1～3次时，回收率差别不大。

1.5 其他萃取方法

基质固相分散萃取(Matrix Solid-Phase Dispersion Extraction，MSPD)原理是将涂渍有C18 等多种聚合物的材料与样品一起研磨成半干状态的混合物作为填料装柱，然后用不同的溶剂淋洗柱子，将各种待测物洗脱下来。其他前处理技术相比，基质固相分散萃取技术样品和有机溶剂用量少，并避免了对样品均化、沉淀、离心、转溶、乳化、浓缩等环节可能造成的待测物的损失，特别适合于固体、半固体和粘性样品的处理。影响基质固相分散萃取效果的因素主要有分散剂的尺寸、分散剂种类和修饰效果、有机物-分散剂表层的键合特征、分散剂的衍生化等[11]。

超临界流体萃取(Supercritical Fluid Extraction，SFE)是指在超临界状态下，将超临界流体与待分离的物质接触，通过控制体系的压力和温度使其选择性地萃取其中某组分，然后通过温度或压力的变化，降低超临界流体的密度，进而改变萃取物在超临界流体中的溶解度，实现萃取物质的分离。与传统萃取技术相比，超临界流体萃取可在低温下提取分离，从而减少和防止热敏成分的氧化和逸散，并能同时完成萃取和分离两步操作，具有分离效率高、节省溶剂、高效快速、选择性好、易于自动化和环境友好等优点，缺点在于装置较复杂、成本较高、对于较强极性物质萃取不甚理想[12]。

QuEChERS萃取(Quick,Easy,Cheap,Effective, Rugged, and Safe Extraction)原理是利用基质吸附剂填料中杂质从而达到除杂净化的目的，具有操作简单、快速、试剂用量小、费用低等特点。如蔡灏兢等[13]建立QuEChERS -气相色谱法同时检测土壤中8 种有机氯农药的方法，方法操作简单、结果准确、有机试剂用量少、分析成本低，适用于土壤中有机氯农药的残留检测与分析。

搅拌棒吸附萃取(Stir Bar Sorptive Extraction，SBSE)原理是在磁力搅拌棒的外层上涂覆聚二甲基硅氧烷吸附剂后将其放置在样品中吸附有机化合物，然后进行解吸。搅拌棒吸附萃取过程中搅动速率、温度影响、样品体积等因素均会影响萃取效率，所以在实验中必须优化适合的萃取条件。同时，聚二甲基硅氧烷是非极性材料，不适用于萃取极性化合物，因此近些年新型搅拌棒涂层研发和制备是其研究方向[14]。

2 净化方法

净化是指用化学或物理的方法除去萃取物中对测定有干扰的杂质的过程。由于土壤样品基质复杂，影响定性定量结果甚至是减低气相色谱柱效、沾污检测器的共萃物较多，因此萃取液必须经过净化处理。净化的原则是尽量完全除去干扰物，而使待测物尽量少损失。

2.1 铜粉除硫

土壤组成复杂，经萃取处理后萃取液中常有硫化物存在，对后续的色谱分析形成干扰，因此在萃取液净化时加入一定量的铜粉进行脱硫处理可有效降低色谱分析时硫峰的干扰。但必须使用光亮未被氧化的铜粉，外观暗泽的铜粉因是被氧化成氧化铜失去活性而脱硫效果差[15-16]。

2.2 硫酸磺化法

硫酸磺化法原理是浓硫酸与脂肪、色素中碳-碳双键产生加成反应，所得的磺化产物溶于硫酸，从而使杂质与待测组分分离。刘芃岩等[17]用4mL硫酸对土壤样品中16种OCPs的萃取液进行2次净化，效果良好，所得样本谱图与标准样本谱图基本一致。但需注意的是，有些组分因在酸化放热的情况下会转化或分解而不能用浓硫酸净化，如艾氏剂、狄氏剂、异狄氏剂等。

2.3 固相萃取法

固相萃取原理是样品通过填充吸附剂的一次性萃取柱时分析物和杂质被保留在柱上，然后分别用选择性溶剂去除杂质、洗脱出分析物，从而达到分离的目的。固相萃取法净化具有简单、快速、选择性好、回收率高等优点，萃取过程中不出现乳化现象 、提高了分离效率。在土壤有机氯分析领域，近年以来常见诸报道的固相萃取柱有硅胶柱、硅胶/氧化铝复合柱、弗罗里硅土柱，石墨化碳黑/氨基复合柱(CARB/NH2)、石墨化炭黑/弗罗里硅土复合柱、N-丙基乙二胺(PSA)/弗罗里硅土复合柱等应用较少。

硅胶柱呈弱酸性且极性较强，主要用于从非极性溶剂如烃类、卤代烃中吸附分析物。由于氧化铝填充柱洗脱时间长，重现性较差，因此，在实验时一般不会单独使用氧化铝填充柱，而是采用一定比例混合的硅胶和氧化铝柱。如邓力等[18]用凝胶渗透色谱先去除大分子物质，再用硅胶-氧化铝柱进一步对土壤和沉积物中27种OCPs萃取液进行净化，实验结果加标回收率在65.1%～102% 之间，测定值的相对标准偏差不大于7.0%。弗罗里硅土柱填充材料是硅胶键合氧化镁的吸附剂，具有强极性、高活性和弱碱性，是一种效果良好、成本经济的常用固相萃取柱。如刘玲玲等[19]用在10 mL 二氯甲烷∶正己烷(体积比1 ∶9) + 10mL 丙酮∶正己烷(体积比1∶9)洗脱弗罗里固相萃取柱中23种有OCPs，用气相-质谱色谱法检测，23种OCPs的平均回收率为47.3%～127%，相对标准偏差范围分别为0.68%～15%。

石墨化碳黑/氨基复合柱由等量的石墨化碳(CARB)和氨基(NH2)装填而成，主要用于农药残留净化[20]。石墨化炭黑/弗罗里硅土复合柱是在固相萃取空管中装填一定质量比的石墨化炭黑和弗罗里硅土形成固相萃取柱，具有迅速便捷、吸附容量大、溶剂用量少等特点，适合于基质较为复杂的农药残留的净化[21]。N-丙基乙二胺(PSA)有两个氨基(伯胺和仲胺)，交换能力、吸附容量大，可有效去除脂肪酸、有机酸和极性色谱以及糖类，与弗罗里硅土柱配合使用进一步提升了净化效果[22]。

2.4 凝胶渗透色谱法

凝胶渗透色谱(GPC)技术是以多孔凝胶为固定相，利用凝胶孔的空间尺寸效应，使不同大小的分子按照由大到小的洗脱顺序进行分离，从而达到净化的目的。陈啓荣等[23]优化了凝胶色谱净化的条件，比较了凝胶色谱净化及浓硫酸净化法对15种有机氯回收率的影响。结果表明，采用GPC净化可有效避免浓硫酸净化对氯丹、异狄氏剂、硫丹、甲氧滴滴涕等农药回收率的影响。颜慧[24]等用加速溶剂萃取、凝胶渗透色谱净化、三重四级杆气相色谱串联质谱法(多反应监测模式，MRM)同时测定土壤中20种OCPs，实际土壤样品的加标回收率在73.7% ～l18% 之间，相对标准偏差在2.7%～13%之间。

2.5 凝胶渗透色谱联合固相萃取法

基质比较复杂或者含有杂质较多的样本经过凝胶色谱净化虽然可以除去大部分大分子杂质，但是与农药分子大小相近的杂质却无法去除，因此需要进一步净化，较为常用的是凝胶色谱-固相萃取联用技术。样品经凝胶色谱净化，收集所需组分并浓缩，再根据化合物和剩余杂质的类型和性质，采用固相萃取技术，使用不同性质的固相萃取吸附剂进一步净化。张烃等[25]的净化试验表明，约95%的土壤样品OCPs经弗罗里硅土净化柱可以达到GC/MS测定的灵敏度要求，但还有5%左右的样品含有较多有机质，经弗罗里硅土净化后GC/MS背景值仍然很高，经GPC净化后背景显著降低，满足测定要求。

3 检测方法

3.1 气相色谱法

传统的气相色谱仪(Gas Chromatography，GC)对于各种介质中OCPs的分析测定具有灵敏度高、分离能力强、定量准确、仪器稳定、重现性好、操作简便、运行成本低等优点，但由于土壤基质中存在大量干扰物，如果仅依靠保留时间对OCPs进行定性，则结果容易出现假阳性。因此，还需要依靠其他方法对检测结果进行进一步确认。全二维气相色谱(GC×GC)能够利用色谱柱间的极性差异实现待测物质的正交分离，从而改善结构相似化合物的分离度。与传统一维色谱相比，GC× GC峰容量大、定性可靠性高，特别适用于复杂样品的分析，如Alina M.Muscalu等[26]在用全二维气相色谱对沉积物、土壤和污泥中PCBs、OCPs、氯苯的测定后指出，与GC-ECD法相比，全二维气相色谱可节省大量分析时间和成本，测定结果准确可靠，尤为重要的是全二维气相色谱可分析质谱检测器无法区分的同分异构体或同系物。时磊等[27]用全二维气相色谱-电子捕获检测器测定复杂基质土壤中24 种有机氯和拟除虫菊酯类农药，测得回收率为80.7%～103.5%，测定值的相对标准偏差(n = 6) 为1.84%～10.12%。

3.2 气相色谱质谱法

与气相色谱法相比，气相色谱和质谱(Gas Chromatography-MassSpectrometry，GC-MS)联用仪克服了定性的局限性，兼具气相色谱高分离效能和质谱准确鉴定化合物结构的特点；同时质谱可选择性地对目标化合物的特征离子进行检测，具有选择性高、干扰少等优点，但GC-MS对于基体复杂的环境样品难以进行准确的定性和定量。随着同位素技术的发展，应用同位素稀释(ID)技术进行质谱确认，能够准确地定性和定量，弥补了GC-MS的不足，提高了方法的可靠性。房丽萍等[28]用索氏萃取结合凝胶渗透色谱及弗罗里硅土净化技术，以同位素稀释气相色谱-质谱法(ID-GC-MS)测定土壤/底泥中23 种OCPs，方法回收率为60%～110%，相对标准偏差为1.5%～18%，方法的检出限为0.20～10.3μg/kg。

3.3 气相色谱串联三重四级杆质谱法

气相色谱串联三重四级杆质谱(GC-MS/MS)是目前有机物测试分析的先进技术，与单级质谱相比，它的多重反应监测模式可进一步确认和区分一级质谱无法区分的化合物和同分异构体，同时有效消除背景干扰、基质干扰、降低仪器的检出限，尤其是在低浓度水平的定性和定量方面具有较大优势。王海棠等[29]建立了气相色谱-三重四级杆串联质谱同时检测土壤中的痕量OCPs和PAHs的方法，土壤样品先经快速溶剂提取和Florisil柱净化后经GC-MS/MS在多级反应监测模式下(MRM)进行检测与分析。该方法有效排除了干扰，稳定性和精密性可靠，灵敏度高，检出限低于国标规定的OCPs及PAHs的方法检出限。

3.4 离子阱质谱仪法

三重四级杆质谱属“空间上”串联，即将两个质量分析器串联而成，这种串联方式受离子传输效率的限制很难往多级发展。离子阱质谱仪(Ion Trap Tandem Mass Spectrometry，IT-MS/MS)在四级杆的基础上增加两个端盖电极，对带电粒子进行筛选捕获，进而待测离子进行分离。离子阱质谱仪属“时间上”串联质谱，由于没有离子空间传输的损失，最多可实现10级质谱，且具有构造简单、易于小型化、价格低廉和仪器调谐、维护都更加容易等优点。如杨佳佳等[30]分别用GC-MS、GC-IT-MS/MS同时测定土壤和沉积物样品中25种OCPs，结果表明，与单质谱相比，GC-IT-MS/MS检出限可降低3～10倍，且离子阱串联质谱的排除干扰能力强，排除了一级质谱测定样品时出现假阴性和假阳性结果的可能性，克服了由于样品基质干扰严重时用一级质谱无法定量的困难。

4 结 语

土壤中OCPs分布广、含量低、危害大，是全国土壤污染状况调查、土壤质量例行监测、污染与健康风险评估研究领域的必测项目。随着以人为本发展理念的深入实施，这些工作正在甚至有的已经成为常态化。如何在短时间内高质量完成批量化土壤样品的分析测试，发展快速高效、准确可靠且自动化程度高的检验检测技术势在必行。

展望未来，由于多级质谱仪在痕量、微量和同分异构体分析等方面具有较大优势，应着重开发和建立以气相色谱串联多级质谱技术为主的新技术新方法。同时，研发更为先进的前处理技术，如无害无毒溶剂萃取、溶剂萃取液无需净化、前处理各环节全部自动化技术等。考虑到某些情况下需现场快速判断土壤的污染程度和对企业的监管要求，发展现场检测和在线检测技术也是未来重要的研究方向。