直接進(jìn)樣超高效液相色譜-三重四極桿質(zhì)譜法快速測(cè)定環(huán)境水樣中草甘膦、氨甲基膦酸、草銨膦及乙烯利殘留

何書海, 曹小聰, 吳海軍, 李騰崖, 張鳴珊, 梁 焱, 陳表娟

(1. 海南省環(huán)境科學(xué)研究院, 海南 海口 571126; 2. 海南省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站, 海南 ?？?571126; 3. SCIEX公司, 廣東 廣州 510000)

草甘膦(glyphosate)是目前世界上使用量最大的除草劑,廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)和非農(nóng)業(yè)領(lǐng)域[1];草銨膦(glufosinate)是觸殺型滅生性除草劑,可防治大部分抗草甘膦藥性雜草,近年來被廣泛使用[2,3]。草甘膦和草銨膦經(jīng)常在植物、土壤、水、甚至食物和人體尿液中檢出[4],因此備受社會(huì)關(guān)注。國際癌癥研究機(jī)構(gòu)(IARC)研究報(bào)告顯示草甘膦除草劑可能對(duì)人類致癌[5]。歐洲化學(xué)品管理局(ECHA)研究報(bào)告顯示草甘膦會(huì)對(duì)眼睛造成嚴(yán)重?fù)p害,對(duì)水生生物產(chǎn)生毒性,影響持久[6],但ECHA的研究報(bào)告沒有考慮草甘膦主要代謝物氨甲基膦酸(aminomethyl phosphonic acid, AMPA)的潛在風(fēng)險(xiǎn),因此需對(duì)其潛在危害加以重視[7]。乙烯利(ethephon)是植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑,具有促進(jìn)果實(shí)成熟、調(diào)節(jié)性別轉(zhuǎn)化等效應(yīng),在果蔬催熟領(lǐng)域中廣泛使用,研究表明乙烯利具有神經(jīng)毒性,長(zhǎng)期使用會(huì)對(duì)動(dòng)物免疫和生殖系統(tǒng)造成一定損害[8]。

由于草甘膦、氨甲基膦酸、草銨膦和乙烯利均屬于強(qiáng)極性化合物,易溶于水,且草甘膦和草銨膦缺少發(fā)色和熒光基團(tuán)[2,9-11],其分析檢測(cè)難度較大。目前有關(guān)4種農(nóng)藥的分析方法很多,有分光光度法[12]、高效液相色譜法[13-15]、氣相色譜法[16,17]、離子色譜法[7,18-20]、氣相色譜-質(zhì)譜法[21-23]、高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法[2,3,24-27]和電感耦合等離子體質(zhì)譜法[1,28]等,大多數(shù)分析方法均需進(jìn)行柱前或柱后衍生。衍生化雖能提供較好的靈敏度,但操作過程繁瑣,重現(xiàn)性差,且僅限于一種或兩種分析物?；诂F(xiàn)有方法存在的問題,需建立一種快速、高效、便捷、靈敏的檢測(cè)方法。本研究利用離子交換色譜柱在常規(guī)液相色譜上與串聯(lián)質(zhì)譜連接,快速測(cè)定環(huán)境水樣中草甘膦、氨甲基膦酸、草銨膦及乙烯利。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

LC-30AD超高效液相色譜(日本島津公司), Triple Quad 6500+三重四極桿質(zhì)譜聯(lián)用儀(美國AB Sciex公司),配IonDriveTMTurbo V離子源;Milli-Q超純水儀(美國Millipore公司);高速冷凍離心機(jī)(美國ThermoFisher Scientific公司)。氨水為分析純(廣州化學(xué)試劑廠),碳酸氫氨為優(yōu)級(jí)純(阿拉丁公司);尼龍(Nylon)、聚四氟乙烯(PTFE)、醋酸纖維(CA)、聚醚砜(PES)、聚偏氟乙烯(PVDF)濾膜均為針式過濾頭(孔徑0.22 μm,直徑13 mm)。

草甘膦(純度99%)、氨甲基膦酸(純度99%)、草銨膦(純度97.5%)及乙烯利(純度96%)購于美國AccuStandard公司。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液

準(zhǔn)確稱取一定量的草甘膦、氨甲基膦酸、草銨膦和乙烯利于10 mL棕色容量瓶中,用純水定容至刻度線,得到1 000 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)貯備液。標(biāo)準(zhǔn)貯備液用純水稀釋成質(zhì)量濃度為100 μg/L的中間使用液。標(biāo)準(zhǔn)曲線濃度臨用現(xiàn)配。

1.3 采樣點(diǎn)位

2019年4月分別采集海南省18個(gè)市縣30個(gè)點(diǎn)位飲用水源地水樣、檳榔園附近3個(gè)水樣及香蕉園附近1個(gè)水樣,其位置分布見圖1。水樣嚴(yán)格按照HJ 91-2002技術(shù)規(guī)定要求進(jìn)行采集。采集水樣裝入棕色磨口玻璃瓶中,于4 ℃下冷凍箱中保存。

圖 1 采樣點(diǎn)位分布示意圖Fig. 1 Map illustrating sampling locations

1.4 樣品預(yù)處理

環(huán)境水樣過0.22 μm濾膜后,待超高效液相色譜-三重四極桿質(zhì)譜儀測(cè)定;若樣品含有雜質(zhì)較多或樣品較為渾濁,需對(duì)樣品進(jìn)行離心,于4 ℃以12 000 r/min離心5 min后測(cè)定。

1.5 超高效液相色譜分析條件

離子交換柱為Metrosep A Supp 5 (150 mm×4.0 mm, 5 μm);流動(dòng)相為碳酸氫銨-氨水溶液(B)和純水(A),采用梯度洗脫程序,5%B(0～0.5 min), 5%B升至80%B(0.5～2.0 min), 80%B(2.0～6.5 min), 80%B降至5%B(6.5～6.51 min), 5%B(6.51～10.0 min);柱箱溫度為40 ℃;柱流速為0.4 mL/min;進(jìn)樣體積為20.0 μL。

1.6 串聯(lián)質(zhì)譜分析條件

電噴霧負(fù)離子模式(ESI-);噴霧電壓(IS)-4 500 V;離子源溫度(TEM)600 ℃;氣簾氣(CUR)壓力207 kPa(30 psi);噴霧氣(GS1)壓力379 kPa(55 psi);輔助加熱氣(GS2)壓力379 kPa(55 psi);駐留時(shí)間(dwell time)50 ms。4種農(nóng)藥的質(zhì)譜參數(shù)見表1。

表 1 4種農(nóng)藥檢測(cè)的質(zhì)譜條件Table 1 MS/MS conditions for the detection of the four pesticides

AMPA: aminomethyl phosphonic acid. *Quantitative ion.

2 結(jié)果與討論

2.1 色譜柱條件的優(yōu)化

由于草甘膦類農(nóng)藥均為極性物質(zhì),在常規(guī)C18色譜柱上保留較差,并且存在嚴(yán)重的基質(zhì)干擾,通常需要使用芴甲氧羰酰氯(Fmoc-Cl)試劑衍生化才能保留;在親水性HILIC色譜柱上,該類化合物可很好地保留,但是峰形拖尾嚴(yán)重,影響定量。本文對(duì)比了歐盟EURL-SRM推薦的色譜柱Hypercarb (50 mm×2.1 mm, 5 μm)、美國FDA推薦的色譜柱Acclaim Trinity Q1(100 mm×3.0 mm, 5 μm)以及離子交換柱Metrosep A Supp 5(50 mm×2.1 mm, 5 μm)在各自的優(yōu)化條件下,利用常規(guī)的液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜對(duì)這幾種目標(biāo)物的分離效果。結(jié)果表明:Hypercarb色譜柱上草甘膦拖尾嚴(yán)重,其他幾種物質(zhì)峰形較寬;在Acclaim Trinity Q1色譜柱上所有目標(biāo)物的峰形較好,但是與離子交換柱Metrosep A Supp 5相比,具有重復(fù)性差、靈敏度低等缺點(diǎn)。因此,本實(shí)驗(yàn)最終選擇Metrosep A Supp 5作為分析色譜柱,在該色譜柱上的典型色譜圖見圖2。

圖 2 4種農(nóng)藥(50.0 μg/L)在MRM模式下的提取離子色譜圖Fig. 2 Extracted ion chromatogram of the four pesticides (50.0 μg/L) separated on Metrosep A Supp 5 column Peaks: 1. AMPA; 2. glufosinate; 3. glyphosate; 4. ethephon.

2.2 串聯(lián)質(zhì)譜條件的優(yōu)化

實(shí)驗(yàn)首先采用負(fù)離子全掃描模式掃描4種化合物,分別確定其母離子,并對(duì)其已確認(rèn)的母離子進(jìn)行二級(jí)質(zhì)譜Product Ion掃描,得到子離子。根據(jù)響應(yīng)強(qiáng)度高、基線噪聲低、抗干擾能力強(qiáng)的原則,最終選擇一個(gè)母子和兩個(gè)子離子。并在MRM模式下對(duì)每種目標(biāo)化合物離子對(duì)的碰撞能量、去簇電壓等質(zhì)譜參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,見表1。

2.3 樣品前處理?xiàng)l件的優(yōu)化

樣品中的細(xì)微雜質(zhì)等易造成超高效液相色譜系統(tǒng)堵塞,因此在上機(jī)分析前需對(duì)樣品進(jìn)行前處理。本研究比較了不同材質(zhì)的0.22 μm濾膜對(duì)4種農(nóng)藥回收率的影響,分別選擇Nylon、PES、PVDF、PTFE、CA等5種針式過濾膜對(duì)4種農(nóng)藥含量均為5.00 μg/L的水樣進(jìn)行過濾。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3, Nylon對(duì)草甘膦和乙烯利均有一定的吸附,草甘膦和乙烯利損失率分別為19%和16%; PES對(duì)草甘膦也有一定的吸附,損失率為12%;乙烯利經(jīng)過PTFE過濾處理后回收率達(dá)到117%,表明過膜后乙烯利有明顯的增值效應(yīng)。水樣經(jīng)過PVDF和CA過濾后,4種農(nóng)藥均獲得較好的回收效果,滿足分析要求,考慮價(jià)格因素,最終選擇CA過濾處理樣品。

對(duì)于渾濁的廢水樣品可通過離心方式去除顆粒物。在基體復(fù)雜的廢水中加入4種農(nóng)藥,于4 ℃以12 000 r/min離心5 min后進(jìn)行測(cè)定。結(jié)果顯示,4種農(nóng)藥的回收率均可達(dá)到91%以上,達(dá)到分析要求。

圖 3 不同濾膜處理水樣對(duì)4種農(nóng)藥回收率的影響Fig. 3 Effect of different filter membranes on the recovery of the four pesticides in environmental water samplesNylon: polyamide; PES: polyethersulfone; PVDF: polyvinylidene fluoride; CA: cellulose acetate; PTFE: polytetrafluoroethylene.

2.4 線性范圍及檢出限

分別配制0.50、1.00、5.00、10.0、20.0和50.0 μg/L的4種農(nóng)藥混合標(biāo)準(zhǔn)溶液。按照最終優(yōu)化后的儀器條件,從低濃度到高濃度依次進(jìn)樣分析,得到不同濃度目標(biāo)物的質(zhì)譜圖,在0.50～50.0 μg/L范圍內(nèi)4種農(nóng)藥的相關(guān)系數(shù)(r)均大于0.999,線性關(guān)系良好。

按照HJ 168-2010要求,并考慮儀器靈敏度,本實(shí)驗(yàn)配制4種農(nóng)藥含量均為0.50 μg/L的7份純水樣進(jìn)行檢出限試驗(yàn),結(jié)果見表2。當(dāng)進(jìn)樣體積為20.0 μL時(shí),4種農(nóng)藥的方法檢出限為0.05～0.09 μg/L,方法定量限分別為0.20～0.36 μg/L。與Lajin等[1]、Hao等[29]和Demonte等[30]報(bào)道的方法相比較,本研究的檢出限遠(yuǎn)低于其報(bào)道結(jié)果。

表 2 4種農(nóng)藥的回歸方程、相關(guān)系數(shù)、檢出限和定量限Table 2 Linear regression equations, correlation coefficients (r), LODs, and LOQs of the four pesticides

y: peak area;x: mass concentration, μg/L.

表 3 4種農(nóng)藥在兩個(gè)環(huán)境水樣中的加標(biāo)回收率及RSD(n=6) Table 3 Recoveries and RSDs of the four pesticides spiked in two environmental water samples (n=6)

圖 4 MRM模式下兩個(gè)樣品及其加標(biāo)樣品的色譜圖Fig. 4 Extracted ion chromatograms of two samples and their spiked samples in MRM mode Spiked level: 10.0 μg/L. Peak Nos. are the same as in Fig. 2.

2.5 實(shí)際樣品測(cè)定、方法準(zhǔn)確度和精密度

采用優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)條件對(duì)海南省18個(gè)市縣30個(gè)點(diǎn)位飲用水源地水樣、檳榔園附近3個(gè)水樣及香蕉園附近1個(gè)水樣及部分加標(biāo)樣品進(jìn)行分析。結(jié)果顯示海南省18個(gè)市縣30個(gè)(1#～30#)飲用水源地水樣中均未檢出草甘膦、氨甲基膦酸、草銨膦及乙烯利,檳榔園附近3個(gè)(31#～33#)水樣中均檢出草甘膦和氨甲基膦酸,其水樣中草甘膦的質(zhì)量濃度為0.67～0.91 μg/L,氨甲基膦酸的質(zhì)量濃度為1.43～1.67 μg/L;香蕉園附近水樣中檢出草銨膦和氨甲基膦酸,草銨膦的質(zhì)量濃度為0.63 μg/L,氨甲基膦酸的質(zhì)量濃度為0.21 μg/L。

同時(shí)對(duì)31#和34#樣品進(jìn)行3個(gè)不同濃度水平的加標(biāo)試驗(yàn),結(jié)果見表3,相關(guān)譜圖見圖4。結(jié)果表明,回收率分別為76.3%～108%、83.0%～107%和87.0%～105%,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)分別為2.0%～12.3%、2.4%～5.6%和2.7%～6.8%,說明該法準(zhǔn)確度高,重現(xiàn)性好,對(duì)不同水質(zhì)樣品適用性均良好。

3 結(jié)論

本研究建立了一種無需衍生化直接快速檢測(cè)環(huán)境水樣中草甘膦、氨甲基膦酸、草銨膦及乙烯利的分析方法,方法將離子交換色譜柱用于常規(guī)液相色譜分離,具有良好的穩(wěn)定性。與傳統(tǒng)的衍生化方法比較,具有操作簡(jiǎn)便、節(jié)省時(shí)間、靈敏度高、準(zhǔn)確性好、重現(xiàn)性好等優(yōu)點(diǎn),可在10 min內(nèi)完成環(huán)境水樣中草甘膦、氨甲基膦酸、草銨膦及乙烯利的檢測(cè)。