固相萃取-气相色谱法测定水体中2,4-滴和灭草松的残留量

吴志鹏 ,桑柳波 ,彭诗琪,3 ,赵嘉辉,3 ,唐 毅

(1.中科检测技术服务(广州)股份有限公司,广州 510650;2.中科广化(重庆)新材料研究院有限公司,重庆 400000;3.中国科学院广州化学研究所,广州 510650)

由于农业生产需要,除草剂类农药的使用量巨大,而该类农药具有一定毒性且化学性质稳定,不易降解,具有致癌、致突变以及干扰生物体内分泌系统等作用[1-4]。2,4-滴是一种生长素类似物,可作用于小麦、玉米、高粱等单子叶植物,使杂草的茎叶扭曲,茎基增厚、胀裂等,但对眼睛、皮肤具有刺激作用,长期接触会对中枢神经系统产生影响,导致腿部僵硬、运动系统失衡、疲劳、厌食和昏迷等症状,严重时还会损害肝脏、肾脏和其他器官。灭草松是一种杂环接触型、微系统除草剂,对大多数双子叶植物和莎草科杂草均有杀灭作用,并且灭草松在水稻和小麦等植物中会被还原代谢成对人体有毒性的6-羟基灭草松和8-羟基灭草松[5]。虽然2,4-滴和灭草松均是高效除草剂[6],但这两种农药均会在环境和生物体内富集,对周边水体造成污染。因此,检测水体中的2,4-滴和灭草松具有重要意义。

目前检测水体中2,4-滴和灭草松的国家标准主要涉及生活饮用水。GB 5749—2006《生活饮用水卫生标准》规定2,4-滴和灭草松的限量分别为0.03,0.30 mg·L—1,GB/T 5750.9—2006《生活饮用水标准检验方法 农药指标》中2,4-滴和灭草松的检出限分别为0.05,0.2μg·L—1,而针对地表水、城镇污水和海水则尚无相关标准出台。除草剂的检测方法主要有气相色谱法[7-10]、液相色谱法[11-12]、液相色谱-串联质谱法[13-17]、气相色谱-质谱法[18-19]和离子色谱法[20-22]等。GB/T 5750.9—2006推荐的方法是先将水样在酸性条件下经乙酸乙酯萃取,然后在碱性条件下用碘甲烷溶液酯化,生成较易挥发的甲基化衍生物,再用气相色谱法进行测定。然而该方法中所用的试剂碘甲烷为禁售品,且衍生过程繁杂,不易控制温度。因此,本工作提出了固相萃取-气相色谱法测定水体中2,4-滴和灭草松含量的方法,以适用于生活饮用水、地表水、城镇污水和海水等不同类型水体中2,4-滴和灭草松的快速、灵敏检测。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

Nexis GC-2030 型气相色谱仪,配电子捕获检测器;ATX124型电子天平(感量0.000 1 g);MTN-5800型氮吹浓缩装置;Milli Q 型纯水机;HLB pro固相萃取柱(500 mg/6 mL)。

2,4-滴、灭草松、灭草松甲酯单标准溶液:1 000 mg·L—1。

2,4-滴甲酯标准溶液:100 mg·L—1。

2,4-滴、灭草松混合标准储备溶液:10 mg·L—1,取适量的2,4-滴、灭草松单标准溶液,用正己烷逐级稀释,配制成2,4-滴、灭草松质量浓度均为10 mg·L—1的混合标准储备溶液。使用时,用正己烷稀释至所需质量浓度。

乙酸乙酯、正己烷、丙酮、甲醇均为色谱纯;N,N-二甲基甲酰胺二甲缩醛、氯化钠、无水硫酸钠均为分析纯;硝酸为优级纯;试验用水为超纯水(电阻率18.25 MΩ·cm)。

1.2 色谱条件

SH-Rtx-1701 色谱柱(30 m ×0.25 mm,0.25μm);进样口温度250℃,检测器温度280 ℃;载气为氮气,流量1.2 mL·min—1;进样量1μL,分流比1∶10。柱升温程序:初始温度为150℃,保持2 min;以10℃·min—1速率升温至260℃,保持5 min。

1.3 试验方法

随机采集1.0 L水样,除去肉眼可见杂质后,将其置于玻璃瓶中,加入适量硝酸调节酸度至pH 小于2,抽滤,取滤液待用。依次用10.0 mL 甲醇和10.0 mL水活化HLB pro固相萃取柱,然后将处理后的水样以6.0 mL· min—1流量过柱,用10.0 mL水淋洗,再用真空泵抽干柱子,最后用10.0 mL乙酸乙酯洗脱。收集洗脱液,于40 ℃用氮气吹至近干,加入500μLN,N-二甲基甲酰胺二甲缩醛和1.0 mL正己烷,涡旋1 min,混匀,于160 ℃衍生50 min。衍生结束后,取出,冷却至室温,加入2.0 mL饱和氯化钠溶液,待分层后,取0.8 mL上层有机相过0.22μm 有机相滤膜,滤液按照仪器工作条件进行测定。

2 结果与讨论

2.1 衍生产物和色谱行为

2,4-滴和灭草松不能直接用气相色谱仪进行分析,需对其进行甲酯衍生化。N,N-二甲基甲酰胺二甲缩醛在有机合成中的应用非常广泛,主要用途是酯化作用,特点是反应温和、效率高[23]。利用气相色谱-质谱联用仪分别对2,4-滴、灭草松与N,N-二甲基甲酰胺二甲缩醛的衍生产物进行检测,通过标准谱库对待测物质质谱图的分子离子峰和主要碎片的质荷比(m/z)进行检索,根据匹配度进行定性。结果显示,2,4-滴和灭草松的甲酯衍生产物分别为2,4-滴甲酯、灭草松甲酯。

按照试验方法对2,4-滴、灭草松混合标准溶液进行衍生和测定,色谱图见图1。

由图1可知:衍生产物灭草松甲酯、2,4-滴甲酯在SH-Rtx-1701 色谱柱上的保留时间分别为9.503 min和12.943 min,两种物质可完全分离,峰形较好,且没有杂质峰干扰。

2.2 衍生条件的选择

以0.50 mg·L—12,4-滴、灭草松混合标准溶液为研究对象,通过单因素试验优化衍生条件。

2.2.1 衍生温度

固定衍生时间为60 min,考察了衍生温度为80～180 ℃(每10 ℃为一个梯度)时对衍生产物2,4-滴甲酯、灭草松甲酯响应强度的影响。结果表明:2,4-滴甲酯响应强度随着衍生温度的升高逐渐增大,100 ℃时达到最高,继续升高衍生温度,响应强度变化不明显;灭草松甲酯响应强度先在90 ℃时达到第一个拐点,然后在160℃时达到最高,随着衍生温度的继续升高,响应强度变化不明显。综合考虑,试验选择的衍生温度为160 ℃。

2.2.2 衍生时间

固定衍生温度为160 ℃,考察了衍生时间为30～70 min(每10 min为一个梯度)时对衍生产物2,4-滴甲酯、灭草松甲酯响应强度的影响。结果表明,2,4-滴甲酯、灭草松甲酯响应强度均随着衍生时间的延长逐渐增大,50 min时达到最高,继续延长衍生时间,响应响度趋于稳定且变化不大。因此,试验选择的衍生时间为50 min。

2.2.3 衍生试剂用量

固定衍生温度为160 ℃,衍生时间为50 min,考察了衍生试剂N,N-二甲基甲酰胺二甲缩醛用量为100～800μL(每100μL 为一个梯度)时对衍生产物2,4-滴甲酯、灭草松甲酯响应强度的影响。结果表明:在100～800μL 内,2,4-滴甲酯、灭草松甲酯响应强度变化不大。考虑到实际样品中2,4-滴、灭草松的含量可能会较高,同时可能受其他杂质的影响,为保证衍生反应完全,试验选择的衍生试剂用量为500μL。

2.3 固相萃取柱的选择

选择合适的固相萃取柱对于富集水体中微量2,4-滴和灭草松极为重要。取生活饮用水、地表水、城镇污水和海水各1.0 L,分别加入10 μL 10 mg·L—12,4-滴和灭草松混合标准储备溶液,按照1.3节试验方法进行固相萃取、衍生和测定,考察了佛罗里硅土、C18、HLB 和HLB pro等固相萃取柱对4种水样中2,4-滴和灭草松回收率的影响,结果见图2。

图2 固相萃取柱对2,4-滴和灭草松回收率的影响Fig.2 Effect of solid phase extraction cartridge on the recoveries of 2,4-D and benazone

结果表明:佛罗里硅土和C18固相萃取柱对2,4-滴和灭草松的回收率均低于80.0%,而HLB和HLB pro固相萃取柱对2,4-滴和灭草松的回收率为90.0%～100%。考虑到HLB pro固相萃取柱的填料配方优于HLB 固相萃取柱的,试验选择以HLB pro固相萃取柱富集水样中的2,4-滴和灭草松。

2.4 洗脱条件的选择

天然水和生活饮用水的酸度一般为pH 7.0～8.0,呈弱碱性;受当地环境、生产和处理工艺的影响,地表水、城镇污水的酸度一般为pH 6.0～9.0;海水的酸度一般为pH 8.0～8.5。2,4-滴和灭草松的pKa值分别为3.7和3.3,为保证目标物在有机相中充分溶解,需增大水样酸度使其在有机溶剂中的分配效率提高。试验采取直接加入硝酸的方式调节水样酸度至pH 小于2,并对比了调节酸度前后空白加标水样(加标量为0.10μg·L—1)中2,4-滴和灭草松的回收率。结果显示:调节酸度前,2,4-滴和灭草松的回收率为54.9%～63.8%;调节酸度后,回收率为82.4%～91.5%。可见调节酸度后目标物的回收率有很大提升。

根据相似相溶原理,洗脱溶剂的极性会影响目标物的提取效率。取生活饮用水、地表水、城镇污水和海水样品各1.0 L,分别加入10μL 10 mg·L—12,4-滴和灭草松混合标准储备溶液,考察了丙酮、乙酸乙酯、正己烷、甲醇等4种常用的洗脱溶剂对2,4-滴和灭草松回收率的影响。结果表明:正己烷的洗脱效果最差(回收率大部分小于60.0%),乙酸乙酯、丙酮和甲醇对两种目标物的洗脱效果均较好(回收率均大于80.0%)。考虑到丙酮和甲醇的毒性大于乙酸乙酯的,试验选择乙酸乙酯作为洗脱溶剂。

2.5 基质效应

移取10 mg·L—12,4-滴和灭草松混合标准储备溶液0.2 mL 于衍生管中,按照试验方法进行衍生,经0.22μm 有机相滤膜过滤后,用正己烷定容至5.0 mL,所得溶液作为衍生物储备溶液;选取桶装的生活饮用水、封开县古靖的地表水、水质净化厂的城镇污水和广东狮子洋的海水等4种空白水样,按照试验方法进行固相萃取,所得洗脱液用衍生管收集并氮吹至近干,分别加入0.8 mL 上述衍生物储备溶液,涡旋1 min,按照仪器工作条件进行测定。以衍生产物在空白基质和溶剂中的响应强度比来计算基质效应(ME)值;若ME 值为0.90～1.10,则认为基质效应可以忽略。结果显示:4种基质中2,4-滴甲酯的ME 值为0.96～1.08,灭草松甲酯的ME值为0.92～1.05,说明基质对目标物干扰较小,可以忽略。

2.6 衍生转化率

取适量的2,4-滴甲酯和灭草松甲酯单标准溶液,配制成质量浓度为0.1,0.2,0.4,0.8,1.0 mg·L—1的衍生产物混合标准溶液系列,按照仪器工作条件进行测定并绘制标准曲线。按照试验方法对0.20 mg·L—1和0.50 mg·L—1的2,4-滴和灭草松混合标准溶液进行衍生和测定,以2,4-滴甲酯和灭草松甲酯的测定值(衍生产物标准曲线计算的结果)与理论转化值的比值计算衍生转化率。根据理论计算,当2,4-滴和灭草松混合标准溶液质量浓度为0.20 mg·L—1和0.50 mg·L—1时,衍生后形成的2,4-滴甲酯和灭草松甲酯混合溶液质量浓度应约为0.21 mg·L—1和0.53 mg·L—1。结果显示:0.20 mg·L—1混合标准溶液中,2,4-滴和灭草松的衍生转化率分别为93.6%和97.2%;0.50 mg·L—1混合标准溶液中,衍生转化率分别为98.3%和94.0%,说明该方法衍生转化率高,可直接用2,4-滴和灭草松混合标准溶液绘制标准曲线。

2.7 标准曲线和检出限

取适量的2,4-滴、灭草松混合标准储备溶液,用正己烷逐级稀释,配制成质量浓度为0.01,0.02,0.05,0.10,0.20,0.50 mg·L—1的混合标准溶液系列,按照仪器工作条件进行测定。以2,4-滴、灭草松的质量浓度为横坐标,对应的2,4-滴甲酯、灭草松甲酯峰面积为纵坐标绘制标准曲线。结果显示:2,4-滴、灭草松标准曲线的线性范围均为0.01～0.50 mg·L—1,线性回归方程分别为y＝1.546×107x—4.836×103和y＝8.948×106x—3.736×103,相关系数分别为0.999 8和0.999 0。

选取桶装的生活饮用水、封开县古靖的地表水、水质净化厂的城镇污水和广东狮子洋的海水等4种空白水样,每种水样平行配制7份2,4-滴和灭草松质量浓度均为0.015μg·L—1的空白加标样品,按照试验方法进行测定。根据HJ 168—2020《环境监测分析方法标准制修订技术导则》中的要求,计算测定值的标准偏差(s),以t(n—1,0.99)×s计算检出限(3.143s)。结果显示:生活饮用水、地表水、城镇污水、海水中2,4-滴的检出限分别为0.003,0.003,0.008,0.007 μg·L—1,灭草松的检出限分别为0.004,0.003,0.006,0.010μg·L—1。

2.8 稳定性试验

按照试验方法对实际样品A 进行测定,并将样品衍生液分装为A1、A2两份,每份约400μL。将A1置于8 ℃的阴凉柜中保存,A2置于—20 ℃的冷冻冰柜中保存,分别每隔24 h测定一次,连续测定10 d。记2,4-滴甲酯和灭草松甲酯21组响应强度的平均值为X(即中心线),标准偏差为s,上辅助线为X＋s,上警告限为X＋2s,上控制限为X＋3s,下辅助线为X—s,下警告限为X—2s,下控制限为X—3s,根据响应强度绘制质量控制图,结果见图3。

图3 质量控制图Fig.3 Quality control charts

结果显示:所有响应强度没有超出X±3s,其中95%的响应强度处于X±2s内,并且平均值X两侧的数据分布均匀,表明样品处于受控状态;2,4-滴甲酯和灭草松甲酯在10 d内的响应强度的相对标准偏差(RSD,n＝21)分别为2.3%和3.5%,表明8 ℃和—20 ℃两种保存条件的测定结果基本一致,衍生产物2,4-滴甲酯和灭草松甲酯的稳定性良好。

2.9 精密度试验

2.9.1 重复性试验

选取生活饮用水、地表水、城镇污水和海水样品各6份,加入适量的2,4-滴和灭草松混合标准储备溶液,使2,4-滴和灭草松质量浓度均为0.10μg·L—1,按照试验方法测定。结果显示:2,4-滴和灭草松测定值的RSD 为4.3%～6.6%,说明方法重复性较好。

2.9.2 仪器精密度试验

每种样品各取一份加标溶液,按照仪器工作条件连续测定6次。结果显示:2,4-滴和灭草松测定值的RSD 为2.3%～6.2%,说明仪器精密度较好。

2.10 回收试验

选取生活饮用水、地表水、城镇污水和海水样品各3份,加入适量的2,4-滴和灭草松混合标准储备溶液,配制成低、中、高等3个浓度水平的加标样品溶液,按照试验方法进行测定,计算回收率,结果见表1。

表1 回收试验结果Tab.1 Results of test for recovery

结果表明:4种水样中均未检出目标物,2,4-滴和灭草松在0.02,0.10,0.40μg·L—1等3个浓度水平下的回收率为81.3%～95.4%,表明该方法具有较高的准确度。

本工作提出了固相萃取-气相色谱法测定不同类型水体中2,4-滴和灭草松含量的方法,该方法前处理操作简便,衍生试剂毒性小,反应条件易控,并且检出限低、回收率高、精密度好,适用于生活饮用水、地表水、城镇污水和海水中2,4-滴和灭草松的检测。