快速溶劑萃取-氣相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法同時測定土壤中有機氯及有機磷農(nóng)藥

宋曉娟, 賀心然,2*, 尹明明, 萬延延

(1. 連云港市環(huán)境監(jiān)測中心站, 江蘇 連云港 222001; 2. 河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院, 江蘇 南京 210098)

有機氯(organochlorine pesticides, OCPs)和有機磷(organophosphorus pesticides, OPPs)均是環(huán)境監(jiān)測中備受關(guān)注的農(nóng)藥類物質(zhì)。OCPs是典型的持久性有機污染物,自20世紀(jì)初合成以來,曾大量用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn),因其具有強毒性和生物累積性,相繼被各國禁用,中國自1986年全面禁用,但時至今日仍可從各種環(huán)境介質(zhì)中檢出該類物質(zhì)[1-3]。OPPs具有廣譜、高效、品種多等特點,在我國已有30多年的使用歷史,其用量穩(wěn)居各類農(nóng)藥之首[4,5]。

農(nóng)藥類物質(zhì)釋放進(jìn)入環(huán)境后,首先遭受侵害的是土壤,建立快速、靈敏的檢測方法,對于研究土壤中農(nóng)藥的污染水平、評價土壤環(huán)境質(zhì)量具有重要意義。土壤中OCPs和OPPs的檢測包括前處理和儀器分析兩個環(huán)節(jié)。前處理方式有索氏提取、超聲提取、微波提取、快速溶劑萃取(accelerated solvent extraction, ASE)等[6-9],除超聲提取不適用于OPPs外[6],其他方式均可同時處理這兩類物質(zhì),其中ASE具有提取速度快、溶劑消耗量少、自動化程度高等優(yōu)勢,近年來應(yīng)用廣泛[9-12],國內(nèi)外很多標(biāo)準(zhǔn)方法也優(yōu)先推薦這種前處理方式[8,13],但一般情況下,都只針對其中一類農(nóng)藥建立分析方法,若要同時研究兩類農(nóng)藥,需要分兩次進(jìn)行處理。本研究根據(jù)兩類物質(zhì)的理化性質(zhì),對ASE萃取過程進(jìn)行了優(yōu)化,篩選出同時適合兩類物質(zhì)的萃取溶劑,實現(xiàn)兩者的同時萃取,大大提高了環(huán)境監(jiān)測的工作效率。

最常用的OCPs和OPPs儀器分析手段都是GC法,OCPs適合用電子捕獲檢測器進(jìn)行分析[10,14,15],檢出限可達(dá)10-5mg/kg[14], OPPs適合用氮磷檢測器或火焰光度檢測器進(jìn)行分析[5,16,17],檢出限可達(dá)10-4mg/kg[17]。GC法單獨分析每類物質(zhì)時,靈敏度較高,但因檢測器的差異無法實現(xiàn)同時測量,且方法抗干擾能力不足,土壤基質(zhì)比較復(fù)雜時,難以避免假陽性現(xiàn)象。相對而言,GC-MS法可以實現(xiàn)同時檢測,并可通過離子碎片的篩選增強抗干擾能力,但質(zhì)譜的靈敏度不如GC法高,全掃描條件下OCPs的檢出限僅為10-2mg/kg[18]。針對以上問題,本研究選擇GC-MS/MS法進(jìn)行分析,一方面,可實現(xiàn)兩類物質(zhì)的同時檢測,提高工作效率;另一方面,通過兩級質(zhì)譜的篩選,可降低背景,提高靈敏度,增強土壤中農(nóng)藥殘留的分析能力。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

氣相色譜-三重四極桿質(zhì)譜聯(lián)用儀(7890B-7000C,美國Agilent公司);快速溶劑萃取儀(E-914,瑞士Buchi公司);全自動氮吹濃縮儀(TurboVap Ⅱ,美國Caliper公司);真空冷凍干燥機(TFD,韓國Ilshin公司);固相萃取儀(EluVac TM,德國LC-Tech公司)。

正己烷、丙酮、二氯甲烷(色譜純,美國Fisher Scientific公司);乙酸乙酯(色譜純,德國CNW公司);硅膠(Si)SPE小柱(1 g/6 mL)和Florisil SPE小柱(1 g/6 mL)(德國CNW公司);無水硫酸鈉(分析純,國藥集團化學(xué)試劑有限公司);硅藻土顆粒(30～40目)、石英砂顆粒(20～30目)(瑞士Buchi公司);實驗用水(屈臣氏純凈水)。

分別用丙酮-正己烷(1∶1, v/v)溶液對標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行稀釋,配成目標(biāo)物中間使用液(8種OCPs+5種OPPs,質(zhì)量濃度均為1 mg/L)、內(nèi)標(biāo)中間使用液(PHE-d10+CHR-d12,質(zhì)量濃度均為4 mg/L)、替代物中間使用液(TCMX,質(zhì)量濃度為1 mg/L),于4 ℃保存。

1.2 樣品采集和預(yù)處理

采集表層土壤(0～20 cm)至潔凈、棕色玻璃瓶中,采樣瓶裝滿、裝實,密封、避光、4 ℃以下冷藏,保存時間不超過10 d。取適量樣品混勻,經(jīng)-40 ℃冷凍干燥后,用研缽研磨,過250 μm金屬網(wǎng)篩混勻后置于干燥器中備用。

準(zhǔn)確稱取10.0 g樣品,均勻混入2.0 g硅藻土顆粒,置于專用的玻璃纖維濾筒中。萃取腔(80 mL)底部放置專用的玻璃纖維濾膜,然后鋪一層石英砂顆粒,再放入玻璃纖維濾筒,同時加入10.0 μL替代物中間使用液(1 mg/L),之后再加入一定量的石英砂顆粒,直至石英砂距腔體頂部0.5～1.0 cm,最后用玻璃纖維濾膜封口,放入ASE儀中進(jìn)行萃取,接收瓶體積為250 mL。

1.3 萃取與凈化

1.3.1萃取

萃取溶劑:正己烷-丙酮(1∶1, v/v);載氣(高純氮氣)壓力:0.8 MPa;萃取溫度:100 ℃;萃取池壓強:10 MPa;預(yù)加熱平衡時間:3 min;靜態(tài)萃取時間:5 min;放氣時間:2 min;循環(huán)次數(shù):3次;總萃取時間:45 min。

表 1 有機氯農(nóng)藥、有機磷農(nóng)藥、2種內(nèi)標(biāo)及1種替代物的質(zhì)譜參數(shù)

1.3.2凈化

將1.3.1節(jié)所得的萃取液,通過裝有無水硫酸鈉的漏斗進(jìn)行脫水,并用氮吹儀濃縮至1.0 mL。Si SPE小柱預(yù)先用15.0 mL正己烷活化,然后加入除水、濃縮后的萃取液,用1.0 mL正己烷清洗濃縮管,洗液全部轉(zhuǎn)入Si SPE小柱,接著用正己烷淋洗小柱2次,每次用量1 mL。之后用15.0 mL正己烷-丙酮(1∶1, v/v)溶液進(jìn)行洗脫,收集全部洗脫液,常溫下用微弱氮氣濃縮至0.5 mL左右,加入5.00 μL內(nèi)標(biāo)中間使用液(4 mg/L),最終用正己烷-丙酮(1∶1, v/v)溶液定容至1.0 mL,供分析用。

1.4 GC-MS/MS條件

1.4.1色譜條件

色譜柱:HP-5MS石英毛細(xì)管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm);進(jìn)樣口溫度:250 ℃;載氣:高純氦氣(純度99.999% );流速:1.0 mL/min;進(jìn)樣量:1.0 μL;分流比:10∶1;程序升溫:初始溫度60 ℃,保持1 min,以40 ℃/min 升至120 ℃,再以5 ℃/min 升至310 ℃。

1.4.2質(zhì)譜條件

離子源:電子轟擊(EI)離子源;離子源溫度:230 ℃;掃描方式:多級反應(yīng)監(jiān)測(MRM)模式;電離能量:70 eV;傳輸線溫度:280 ℃;溶劑延遲時間:5 min;碰撞氣(高純氮氣)流速:1.5 mL/min。目標(biāo)物、內(nèi)標(biāo)及替代物的質(zhì)譜參數(shù)見表1。

1.5 定性與定量

將1.1節(jié)配制的目標(biāo)物和替代物中間使用液(1 mg/L),分別用精密注射器抽取1.00、5.00、10.0、20.0、50.0及100 μL,用丙酮-正己烷(1∶1, v/v)溶液稀釋至1.0 mL,配制成質(zhì)量濃度為1.00、5.00、10.0、20.0、50.0及100 μg/L 的系列標(biāo)準(zhǔn)溶液。配制過程中,每個質(zhì)量濃度系列均加入5.00 μL內(nèi)標(biāo)中間使用液(4 mg/L),保證內(nèi)標(biāo)質(zhì)量濃度均為20.0 μg/L。將該系列標(biāo)準(zhǔn)溶液按照1.4節(jié)的條件按質(zhì)量濃度從低到高的順序進(jìn)樣分析。通過保留時間和NIST譜庫檢索對目標(biāo)物進(jìn)行定性分析,采用內(nèi)標(biāo)法進(jìn)行定量分析。

1.6 質(zhì)控手段

(1)使用超高惰性襯管進(jìn)行分析,保證DDT降解率不超過15% 。(2)每10個樣品做1個空白試驗,保證目標(biāo)物含量不超過方法檢出限。控制措施包括:徹底清洗萃取池、玻璃器皿;無水硫酸鈉、石英砂、硅藻土等使用前于400 ℃烘4 h。(3)校準(zhǔn)曲線中目標(biāo)物相對響應(yīng)因子的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于20% 。每日測定校準(zhǔn)曲線中間濃度點,與實際值的相對偏差小于20% ,否則重新繪制校準(zhǔn)曲線。(4)每10個樣品分析1個平行樣品,相對偏差小于30% 。(5)每10個樣品分析1個基質(zhì)加標(biāo)樣品,回收率控制范圍為50% ～140% 。(6)建立替代物回收控制圖,計算平均回收率p及標(biāo)準(zhǔn)偏差s,保證替代物的回收率控制在p±3s之間。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品前處理條件的優(yōu)化

2.1.1萃取溶劑的優(yōu)化

土壤中目標(biāo)物的回收率首先取決于萃取溶劑,根據(jù)相似相溶原理,主要使用正己烷對OCPs這類極性相對較弱的物質(zhì)進(jìn)行萃取[10,11],基質(zhì)比較復(fù)雜時(如固廢),偶爾也可用二氯甲烷等極性稍強的溶劑進(jìn)行萃取[19,20]。而OPPs的極性相對更強一些,通常選擇二氯甲烷、三氯甲烷等極性稍強的溶劑進(jìn)行萃取[21]。為綜合考慮兩類物質(zhì)的萃取效率,本研究共設(shè)置了3種溶劑組合:正己烷-丙酮(9∶1, v/v)、正己烷-丙酮(1∶1, v/v)和二氯甲烷-丙酮(1∶1, v/v), 3種組合的極性逐漸增強,可以全面研究兩類物質(zhì)回收率的變化。此外,每種組合中加入丙酮還有助于去除土壤中殘余的水分,減輕后續(xù)的除水負(fù)擔(dān)。

圖 1 萃取溶劑對有機氯農(nóng)藥和有機磷農(nóng)藥回收率的影響(n=3)Fig. 1 Effects of the extraction solvent on the recoveries of the OCPs and OPPs (n=3)

稱取9份高溫處理后的石英砂各10.0 g,分成3組,每組3個平行樣,每個樣品分別加入10.0 μL目標(biāo)物和替代物的中間使用液(1 mg/L),分別使用3種溶劑組合進(jìn)行萃取,其余條件同1.3節(jié),不同溶劑對回收率的影響見圖1。由圖1可知,對于OPPs而言,使用極性稍強的溶劑,有利于提高回收率,3種溶劑組合中,二氯甲烷-丙酮(1∶1, v/v)的萃取效果最好,但OCPs的情況卻相反,極性相對較弱的正己烷-丙酮(9∶1, v/v)回收效果最好,為保證兩類物質(zhì)均達(dá)到相對較好的回收率,本研究選擇中等極性的正己烷-丙酮(1∶1, v/v)作為最終萃取溶劑。

2.1.2凈化小柱的選擇

土壤基質(zhì)較為復(fù)雜,萃取結(jié)束后,通常都需要進(jìn)行凈化。根據(jù)已有報道[11,14,17,19,20],用于OCPs和OPPs的凈化小柱主要包括Si SPE和Florisil SPE兩種,因此本研究分別對這兩種小柱的回收率進(jìn)行了測試。

圖 2 SPE小柱對有機氯農(nóng)藥和有機磷農(nóng)藥回收率的影響(n=3)Fig. 2 Effects of the SPE column on the recoveries of the OCPs and OPPs (n=3)

稱取6份高溫處理后的石英砂各10.0 g,分成2組,每組3個平行樣品,每個樣品分別加入10.0 μL目標(biāo)物和替代物的中間使用液(1 mg/L),在1.3.1節(jié)的條件下進(jìn)行萃取,隨后分別使用兩種小柱進(jìn)行凈化,凈化條件同1.3.2節(jié),兩種小柱對回收率的影響見圖2。由圖2可知,兩種小柱的凈化效果均可滿足質(zhì)控要求。Si和Florisil對13種目標(biāo)物的平均回收率分別是73.8%和73.7% ,總體效果差別不大。就每類物質(zhì)而言,Si和Florisil對OCPs的平均回收率分別是74.0%和77.5% ,對OPPs的平均回收率分別是73.4%和67.7% ,其中Florisil對OCPs的凈化回收相對較低,因此本研究最終選擇Si SPE小柱對兩類物質(zhì)進(jìn)行凈化。

2.1.3洗脫液的優(yōu)化

洗脫液會直接影響目標(biāo)物的回收率:極性太弱,可能無法把待測組分完全洗脫下來;極性太強,可能會洗下一些更強保留的雜質(zhì)組分。根據(jù)以往報道,一般選用正己烷-丙酮(9∶1, v/v)對OCPs進(jìn)行洗脫[14,18],而選用極性較強的乙酸乙酯等溶劑對OPPs進(jìn)行洗脫[17]。為綜合研究兩類物質(zhì)的回收率,本研究設(shè)置了3種溶劑組合:正己烷-丙酮(9∶1, v/v)、正己烷-丙酮(1∶1, v/v)和正己烷-乙酸乙酯(1∶1, v/v), 3種組合的極性逐漸增強,可全面研究兩類物質(zhì)回收率的變化。

稱取9份高溫處理后的石英砂各10.0 g,分成3組,每組3個平行樣品,每個樣品分別加入10.0 μL目標(biāo)物和替代物的中間使用液(1 mg/L),在1.3節(jié)的條件下進(jìn)行處理,最后分別使用3種溶劑組合進(jìn)行洗脫,洗脫液對回收率的影響見圖3。由圖3可知,OPPs的回收率隨著洗脫液極性的增強而明顯升高,其中正己烷-乙酸乙酯(1∶1, v/v)的洗脫效果最好,平均回收率為73.4% ,比正己烷-丙酮(9∶1, v/v)的回收率高27%左右。而對于OCPs而言,正己烷-丙酮(9∶1, v/v)和正己烷-丙酮(1∶1, v/v)的洗脫效果都相對較好,但是極性較強的洗脫液卻并不適用,因此,綜合考慮兩類物質(zhì)的回收率,本研究選擇正己烷-丙酮(1∶1, v/v)作為最終的洗脫液。

圖 3 洗脫液對有機氯農(nóng)藥和有機磷農(nóng)藥回收率的影響(n=3)Fig. 3 Effects of the eluent on the recoveries of the OCPs and OPPs (n=3)

2.2 質(zhì)譜條件的優(yōu)化

首先設(shè)置質(zhì)譜分析模式為單質(zhì)譜掃描,掃描范圍為m/z50～450,分別確定13種目標(biāo)物、2種內(nèi)標(biāo)和1種替代物的保留時間及母離子。然后保持程序升溫不變,設(shè)置質(zhì)譜分析模式為產(chǎn)物離子掃描,逐步優(yōu)化每種物質(zhì)的子離子和碰撞能量,選擇響應(yīng)相對較高的兩個子離子,分別設(shè)為定量離子和輔助定性離子。最后在MRM模式下,對20.0 μg/L 的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)樣分析,得到的色譜圖見圖4。通過兩級質(zhì)譜對母離子和碎片離子的篩選,所得色譜圖背景干凈,沒有雜峰,且16種物質(zhì)峰形尖銳對稱,分離度較好,可以滿足定性與定量要求。

圖 4 MRM模式下有機氯農(nóng)藥、有機磷農(nóng)藥、2種內(nèi)標(biāo)及1種替代物混合標(biāo)準(zhǔn)溶液(20.0 μg/L)的色譜圖Fig. 4 Chromatogram of the OCPs, OPPs, two internal standards and one substitute in a mixed solution (20.0 μg/L) under MRM mode Peak Nos.: 1. DDVP; 2. TCMX; 3. α-BHC; 4. DMT; 5. β-BHC; 6. γ-BHC; 7. PHE-d10; 8. δ-BHC; 9. MPT; 10. MLT; 11. PRT; 12. p,p′-DDE; 13. p,p′-DDD; 14. o,p′-DDT; 15. p,p′-DDT; 16. CHR-d12.

2.3 方法學(xué)驗證

將1.5節(jié)配制的系列標(biāo)準(zhǔn)溶液,根據(jù)優(yōu)化后的參數(shù)進(jìn)樣分析,以目標(biāo)物的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)(X, μg/L)、目標(biāo)物與相應(yīng)內(nèi)標(biāo)的峰面積之比為縱坐標(biāo)(Y)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,回歸方程和相關(guān)系數(shù)(R)見表2。由表2可知,13種目標(biāo)物線性關(guān)系良好,R均大于0.995,標(biāo)準(zhǔn)曲線每個點重復(fù)測量5次,相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為15.6% ～23.8% ,符合質(zhì)控要求。每日測量時,新配20.0 μg/L 的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)樣分析,計算測定值與實際值的相對偏差為10.5% ～22.8% ,說明使用該曲線定量具有較高的可靠性。

在期望的方法檢出限(LOQ)范圍內(nèi)選擇一個合適的質(zhì)量濃度(OCPs、OPPs分別為0.50、1.00 μg/L),用精密注射器抽取相應(yīng)濃度的OCPs標(biāo)準(zhǔn)溶液和OPPs標(biāo)準(zhǔn)溶液各1.0 mL,分別加入到7份10.0 g高溫處理后的石英砂中,按照本研究確定的前處理與儀器條件進(jìn)行分析,計算7次結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差(s),則LOQ=s×t(n-1, 0.99),其中,n為樣品平行測定次數(shù),t(n-1, 0.99)表示:自由度為n-1,置信度為99%時的t分布(單側(cè))。通過查表可得,t(6, 0.99)=3.143,由此計算了13種目標(biāo)物的LOQ,結(jié)果見表2。取樣量為10.0 g時,OCPs的LOQ為0.02～0.04 μg/kg, OPPs的LOQ為0.06～0.12 μg/kg。

為評價方法的穩(wěn)定性,稱取10.0 g高溫處理后的石英砂顆粒,共14份,每份分別加入10.0 μL目標(biāo)物和替代物的中間使用液(1 mg/L),按照上述優(yōu)化條件進(jìn)行萃取、凈化和濃縮,并加入內(nèi)標(biāo)。選擇其中7份日內(nèi)重復(fù)進(jìn)樣,計算方法的日內(nèi)精密度;選擇另外7份連續(xù)7日進(jìn)樣,計算方法的日間精密度(見表2)。此外,在高溫處理后的石英砂中加入10.0 μL目標(biāo)物的中間使用液(1 mg/L),依次進(jìn)行萃取、凈化、濃縮及定量檢測,分析目標(biāo)化合物的回收率,結(jié)果見表2。

由表2可知,目標(biāo)物的回收率范圍為66.8% ～88.4% ,符合1.6節(jié)的質(zhì)控要求,說明樣品的前處理過程并未造成待測物質(zhì)的明顯損失,能夠保證定量的準(zhǔn)確性。此外,日內(nèi)與日間精密度均小于10% ,說明方法穩(wěn)定可靠,可以保證日后的推廣應(yīng)用。

表 2 有機氯農(nóng)藥和有機磷農(nóng)藥的回歸方程、相關(guān)系數(shù)、檢出限、回收率、日內(nèi)精密度和日間精密度(n=7)

Y: peak area ratio of the analyte to internal standard;X: mass concentration of the analyte, μg/L.

圖 5 MRM模式下實際土壤樣品的色譜圖Fig. 5 Chromatogram of a real soil sample under MRM mode Peak Nos. 1. TCMX; 2. α-BHC; 3. DMT; 4. β-BHC; 5. γ-BHC; 6. PHE-d10; 7. δ-BHC; 8. CHR-d12.

2.4 實際樣品分析

為驗證該方法分析實際樣品的可行性,采集連云港市的農(nóng)用地土壤(n=6)進(jìn)行檢測。圖5為按上述步驟進(jìn)行處理的某一實際樣品的色譜圖。農(nóng)用地土壤基質(zhì)復(fù)雜,干擾較多,但通過串聯(lián)質(zhì)譜對目標(biāo)物離子進(jìn)行兩次篩選,所得色譜圖基線平穩(wěn)、背景干凈,可以滿足定性與定量檢測要求。說明該方法對于復(fù)雜基質(zhì)中存在的痕量農(nóng)藥殘留具有很強的檢測能力,便于及時掌控農(nóng)用地的OCPs和OPPs污染。

3 結(jié)論

本研究采用ASE提取土壤中13種OCPs、OPPs農(nóng)藥,對提取、凈化過程中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,建立了GC-MS/MS分析13種物質(zhì)的方法。一方面,通過優(yōu)化前處理參數(shù),可對兩類物質(zhì)同時進(jìn)行處理,選擇通用型的質(zhì)譜檢測器進(jìn)行定性與定量分析,最終實現(xiàn)兩類物質(zhì)的同時測量;另一方面,通過GC-MS/MS兩級質(zhì)譜的篩選,能夠在很大程度上扣除背景干擾,大大提高靈敏度,克服單級質(zhì)譜靈敏度低的不足。該方法樣品前處理自動化程度較高,操作簡便,檢出限較低,回收率、穩(wěn)定性均能滿足質(zhì)控要求,在提高工作效率的同時,還能夠增強土壤中OCPs、OPPs的檢測能力,對于例行環(huán)境監(jiān)測及深入科學(xué)研究,都具有重要的指導(dǎo)意義。