糧食中農(nóng)藥殘留檢測的主要前處理方法的介紹及應(yīng)用

孔亞南,曹 慧,徐 斐,袁 敏,葉 泰,于勁松,郝麗玲

(上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院,上海食品快速檢測工程技術(shù)研究中心,上海 200093)

農(nóng)藥是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,為保障農(nóng)作物的健康成長,所施用的殺滅病、蟲、有害動物(或雜草)的一類藥物的統(tǒng)稱。我國是農(nóng)業(yè)大國,擁有豐富的農(nóng)業(yè)資源,因而是各種農(nóng)藥的主要生產(chǎn)國和消費國。合理噴灑農(nóng)藥有效提高了我國糧食產(chǎn)量和質(zhì)量,對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展起到了巨大的推動作用[1-2]。但由于長期、過量或不合理地使用農(nóng)藥,糧食中農(nóng)藥殘留問題越來越嚴(yán)重。這些殘留的農(nóng)藥會通過食物鏈進(jìn)入人體[3],進(jìn)而產(chǎn)生各種潛在的危害,如遲發(fā)神經(jīng)毒性[4]、肝臟功能損傷[5-6]、骨髓抑制及生殖毒性[7]等。因此對糧食中農(nóng)藥殘留的檢測至關(guān)重要。

目前糧食中痕量農(nóng)藥殘留的檢測技術(shù)主要有光譜法[8]、免疫分析法[9]、色譜法[10]和色譜-質(zhì)譜法[11-12]等。但糧食種類繁多,且具有基質(zhì)復(fù)雜、含水量少及使用農(nóng)藥歷史未知等特點[13],因而在采用這些方法對其中殘留農(nóng)藥進(jìn)行定量分析前,需要建立合理的前處理方法對目標(biāo)分析物進(jìn)行提取、凈化和高效濃縮,從而達(dá)到快速簡便、準(zhǔn)確定性定量分析的目的。索氏提取[14]、溶劑萃取及柱層析[15]等方法是傳統(tǒng)的農(nóng)藥殘留前處理方法。然而,這些方法存在樣品需求量大、提取時間長、有機(jī)溶劑消耗量大和凈化效率低等缺點。

樣品前處理方法是整個檢測過程的瓶頸,也是保證樣品檢測結(jié)果準(zhǔn)確度的重要因素。為了解決傳統(tǒng)技術(shù)中存在的問題,近年來,Qu ECh ERS、固相萃取法、磁性固相萃取法(MSPE)、分散液液微萃取法(DLLME)等新型前處理方法被不斷地開發(fā)出來,并應(yīng)用于糧食中有害物質(zhì)的分離和富集。這些樣品前處理方法各有優(yōu)劣,且適用的范圍也有所不同,所以在實際應(yīng)用中需要根據(jù)樣品基質(zhì)、儀器種類及檢測要求來選擇相應(yīng)的方法?；诖?本工作重點討論了糧食農(nóng)殘檢測中常用的前處理方法,并介紹了它們的特點、工作原理、適用條件和未來的發(fā)展方向,旨在為糧食中農(nóng)藥殘留檢測技術(shù)的深入研究和發(fā)展提供借鑒。

1 固相萃取法

固相萃取法最早出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代,由液固萃取和柱液相色譜技術(shù)相結(jié)合發(fā)展而來,主要應(yīng)用于樣品中極性差距較大的目標(biāo)物的分離、純化和濃縮。操作步驟包括固相萃取柱的預(yù)處理、上樣、淋洗除雜、洗脫及收集目標(biāo)物等。固相萃取法主要利用固體吸附劑吸附樣品基質(zhì)中的目標(biāo)物,再通過加熱解吸或洗脫液洗脫等方式實現(xiàn)目標(biāo)物的分離、凈化及富集[16-17],因此萃取柱吸附劑(填料)是決定其富集濃縮效果的關(guān)鍵因素。根據(jù)萃取柱填料的不同,固相萃取主要分為正相固相萃取(吸附劑極性大于洗脫劑,如硅膠、氧化鋁和硅鎂吸附劑等)、反相固相萃取(吸附劑極性小于洗脫劑,主要為非極性或者弱極性的C8、C18和苯基吸附劑等)、離子交換型固相萃取(主要為離子交換樹脂,如苯乙烯系樹脂和丙烯酸系樹脂吸附劑等)以及親和固相萃取(主要利用抗原抗體反應(yīng)或配體受體結(jié)合的原理進(jìn)行吸附)[18]。

固相萃取法由于具有適用性廣、有機(jī)試劑消耗少、凈化和富集可同時進(jìn)行及操作方便等優(yōu)點,已被廣泛應(yīng)用于糧食中各類農(nóng)殘的富集、純化和分離。JI等[19]利用Co(II)離子的調(diào)節(jié)作用,通過微波消解法制備了微米級的單分散金屬有機(jī)配位聚合物珠(MOCBs),以其為固相萃取吸附劑,結(jié)合QuECh ERS對谷物中的氯苯氧基除草醚進(jìn)行固相萃取及富集,結(jié)果發(fā)現(xiàn)氯苯氧基除草醚的回收率為90.3%～102.3%,且重復(fù)使用40次后MOCBs仍保持較高的提取效率。MICHEL 等[20]利用硅膠為基質(zhì)的二羥基萃取柱(Diol柱),對小麥籽粒中殘留的苯并咪唑類殺菌劑進(jìn)行提取,結(jié)果發(fā)現(xiàn),苯并咪唑類殺菌劑的回收率為82.2%～83.2%,顯著高于液液萃取法的(71.2%～76.5%)。

固相萃取法主要應(yīng)用于色譜分析中的樣品前處理。與傳統(tǒng)的液液萃取法相比,固相萃取法能夠有效分離目標(biāo)物與干擾物,但固相萃取柱在使用一段時間后,柱子內(nèi)孔道容易發(fā)生堵塞,從而導(dǎo)致出現(xiàn)柱壓升高、批次間重復(fù)性變差等問題。因此,在使用過程中,建議將固相萃取法與其他萃取方法聯(lián)用,以進(jìn)一步提高農(nóng)藥分離凈化效果[21]。

2 QuEChERS

QuEChERS是由美國農(nóng)業(yè)部ANASTASSIADES教授等[22]于2003年開發(fā)的一種用于農(nóng)產(chǎn)品檢測的快速樣品前處理方法,綜合了液液萃取法和固相萃取法的特點。操作步驟包括樣品粉碎、有機(jī)溶劑提取、MgSO4等鹽類化合物除水、N-丙基乙二胺(PSA)等吸附劑凈化除雜、離心收集上清液等[23],其中吸附劑的選擇尤為關(guān)鍵[24]。

目前應(yīng)用于Qu ECh ERS 的吸附劑主要有PSA、C18及石墨化碳黑(GCB)[25]等。PSA 是最常用的吸附劑,主要通過弱陰離子交換作用有效吸附有機(jī)酸、脂肪酸及糖等極性雜質(zhì),從而達(dá)到凈化除雜的目的[26]。C18是十八烷基硅烷鍵合硅膠填料,因其長鏈烷基具有較高的碳含量和較強(qiáng)的疏水性而對脂肪和蠟等非極性物質(zhì)具有較好的吸附效率。GCB是由炭黑經(jīng)高溫煅燒生成的具有均勻石墨化表面的規(guī)則多面體,對平面分子或具有平面芳香環(huán)的分子有強(qiáng)烈的吸附作用,一般用來分離極性化合物,其典型應(yīng)用為分離農(nóng)產(chǎn)品中葉綠素等色素干擾物。

QuECh ERS是目前應(yīng)用最廣泛的糧食中農(nóng)藥殘留檢測的前處理方法[27-28],但應(yīng)根據(jù)樣品基質(zhì)中干擾物的分子結(jié)構(gòu)和特點選擇相應(yīng)類型的凈化吸附劑,以提高農(nóng)藥的回收率和降低基質(zhì)干擾[29]。LEE等[30]采用QuECh ERS提取稻谷中的磺酰脲類除草劑,并比較了不同提取劑(水、乙酸鹽緩沖溶液和檸檬酸鹽緩沖溶液)和不同凈化劑(PSA 和C18)對農(nóng)藥提取效果的影響。結(jié)果表明,采用檸檬酸鹽緩沖溶液提取和C18凈化時,磺酰脲類除草劑的回收率可達(dá)78.0%～114.5%,而PSA 容易與含有酰胺鍵的磺酰脲類農(nóng)藥結(jié)合,從而使農(nóng)藥的回收率降低[31]。LU 等[32]采用水和乙腈提取谷物中的甲氧基丙烯酸酯類殺菌劑,并采用超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法(UHPLC-MS/MS)驗證了含有不同吸附劑[PSA、PSA 和C18、PSA 和氧化鋯改性硅膠(ZSep)]的一次性移液器萃取針頭對樣品溶液的凈化效果。結(jié)果表明,以PSA 和Z-Sep混合的吸附劑不僅能最大程度降低樣品溶液中共萃取物的含量,還能去除大米和小麥中的一些中極性和弱極性的共萃取物,并能在1 min內(nèi)完成樣品的凈化,農(nóng)藥的平均回收率為84.8%～100.3%,測定下限為0.01 mg·kg－1。

Qu ECh ERS雖然具有目標(biāo)物回收率高(極性及揮發(fā)性農(nóng)藥的回收率一般大于85%)、精密度和準(zhǔn)確度高、可分析的農(nóng)藥范圍廣(極性、非極性的農(nóng)藥均可)及裝置簡單等優(yōu)點,但富集因子較低,且操作步驟較為繁瑣。

3 分散液液微萃取法

DLLME是ASSADI團(tuán)隊[33]提出的一種液相微萃取方法。該方法自2006年發(fā)現(xiàn)以來,就被認(rèn)為是一種符合現(xiàn)代分析化學(xué)發(fā)展趨勢的樣品前處理方法。DLLME的原理為萃取劑通過分散劑的作用在水分散成均勻分散的微小有機(jī)液滴,形成水、分散劑和萃取劑組成的乳濁液體系,可使目標(biāo)物不斷地被萃取到有機(jī)相,從而實現(xiàn)高效萃取的目的[34]。當(dāng)體系達(dá)到分配平衡時,有機(jī)溶劑中萃取得到的目標(biāo)物的量可由公式(1)得出。

式中:n為有機(jī)相中萃取得到的目標(biāo)物的物質(zhì)的量;C0是目標(biāo)物的初始濃度;Kodw為分析物在有機(jī)相和水相中的分配系數(shù);Vd、Vs分別為有機(jī)相和水相的體積[35]。

DLLME主要適用于親脂性目標(biāo)物(分配系數(shù)大于500)的萃取,而不適合于高度親水的目標(biāo)物的萃取。對于具有酸堿性的目標(biāo)物,改變樣品溶液的酸度可使目標(biāo)物以非離子形態(tài)存在,進(jìn)而提高其萃取效率。DLLME 的操作步驟:先向樣品溶液中加入10～100μL萃取劑和一定體積分散劑,三者混合迅速形成乳濁液,當(dāng)目標(biāo)物在水相和萃取劑相中達(dá)到分配平衡時,離心收集沉淀相供色譜分析。

DLLME具有富集因子高、有機(jī)試劑消耗少、操作簡便快捷等優(yōu)點,目前已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)藥檢測的前處理過程[36]。CUNHA 等[37]先采用QuECh-ERS萃取玉米樣品中的農(nóng)藥,再以乙腈作為分散溶劑、四氯化碳作為萃取溶劑對玉米中擬除蟲菊酯類農(nóng)藥和新煙堿類農(nóng)藥進(jìn)行了提取,該方法能有效清除樣品中大部分極性基質(zhì)成分,檢出限為0.019 mg·kg－1,回收率為70%～120%,相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)小于17%。ZHANG[38]等采用離子液體作為萃取劑和分散劑建立了離子液體DLLME-高效液相色譜法(HPLC)測定糙米中乙酰苯胺類除草劑含量的方法,除草劑的檢出限為3.6～7.4μg·kg－1,測定下限為12.0～24.6μg·kg－1,回收率為90.9%～106.4%,且該法能較好地去除樣品中的蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等雜質(zhì)和有效減少對環(huán)境和操作人員的不利影響[39]。

DLLME主要依據(jù)物質(zhì)在不同溶劑中的分配系數(shù)進(jìn)行萃取,一般需要密度比水大、毒性較強(qiáng)的有機(jī)試劑,不利于操作者的身體健康[40],且該法主要適用于簡單的液體環(huán)境,在復(fù)雜基質(zhì)中的適用性較差。因此,在糧食農(nóng)藥殘留的檢測中,常將DLLME 與Qu ECh ERS[37]、微波萃取[41]等方法聯(lián)用,以保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確度。

4 新型納米材料在糧食農(nóng)藥殘留測定前處理中的應(yīng)用

4.1 磁性納米材料

MSPE被稱為21世紀(jì)分離富集領(lǐng)域的革命性技術(shù),這種方法在固相萃取法的基礎(chǔ)上,引入外加磁場,并利用外加磁場代替過濾或高速離心將吸附了目標(biāo)物的復(fù)合納米粒子從樣品溶液中分離出來,再用合適的溶劑洗脫,從而實現(xiàn)目標(biāo)物的同時分離和富集[42-43]。吸附劑是MSPE核心材料,是以磁性納米粒子為核,并由一種或多種無機(jī)及有機(jī)材料如二氧化硅、碳納米管、有機(jī)小分子、有機(jī)高分子等經(jīng)單層或多層包覆而成的復(fù)合納米粒子[44]。與常規(guī)的固相萃取吸附劑相比,磁性吸附劑具有比表面積大、擴(kuò)散距離短、只需少量的吸附材料、吸附時間短、無需進(jìn)行離心分離、吸附劑和目標(biāo)物的接觸面積大、可對痕量目標(biāo)物進(jìn)行萃取與富集等特點,在糧食中殘留農(nóng)藥的提取和富集方面具有廣泛的應(yīng)用前景[45-46]。

目前,基于改性磁性納米粒子的MSPE 對糧食中多種殘留農(nóng)藥進(jìn)行測定的研究較多。LI等[45]利用靜電作用使聚乙烯亞胺磁性納米粒子(Fe3O4＠PEI)與氧化石墨烯(GO)片進(jìn)行自組裝,再對組裝后GO 進(jìn)行還原,制備了新型磁性聚乙烯亞胺改性還原氧化石墨烯(Fe3O4＠PEI＠RGO),該磁性吸附劑有效結(jié)合了聚乙烯亞胺和石墨烯的吸附優(yōu)勢[47],能通過較強(qiáng)的靜電作用和π-π作用實現(xiàn)大米中麥草畏等極性酸性農(nóng)藥的高效提取,回收率為87.41%～102.52%,檢出限為0.67～2 ng·g－1。MOHD 等[48]以將非離子型有機(jī)硅表面活性劑(OFX 0309)和活性炭(AC)制備了非離子型有機(jī)硅表面活性劑包覆的磁納米粒子(AC＠OFX＠MNPs),通過對AC＠OFX＠MNPs材料的表征及萃取機(jī)理分析,發(fā)現(xiàn)OFX 0309與三嗪類除草劑之間存在強(qiáng)烈的疏水作用,從而增強(qiáng)了該磁性吸附劑從大米中提取三嗪類除草劑的能力(回收率為81%～111%)。

MSPE具有分離快速、富集效率高、可重復(fù)利用及操作簡便等優(yōu)點,但磁性納米材料仍存在制備過程繁瑣、解吸過程耗時長、選擇性差、改性后磁性減弱、條件優(yōu)化過程繁瑣、前處理成本高等缺點。因此,開發(fā)高選擇性、高吸附量的新型吸附劑為MSPE的主要研究目標(biāo)。

4.2 分子印跡聚合物

分子印跡聚合物(MIPs)是一種對某一種(類)目標(biāo)物具有特異性識別和選擇性吸附的高分子聚合物材料,于1973年首次被德國WULFF等[49]合成。MIPs的合成步驟一般為先將模板分子與功能單體分散在致孔劑當(dāng)中,并通過氫鍵等弱相互作用形成可逆復(fù)合物;加入交聯(lián)劑和引發(fā)劑,將可逆復(fù)合物在特定的空間固定下來,形成三維剛性聚合物;利用化學(xué)試劑或者物理解吸的方式將模板分子從聚合物中洗脫出來,從而形成與模板分子相匹配的三維空腔[50],得到的聚合物即為MIPs。MIPs的空腔在空間形狀及官能團(tuán)上可與目標(biāo)分子完全匹配,從而能夠選擇性地從復(fù)雜混合物中萃取、分離、凈化和富集目標(biāo)物或具有類似結(jié)構(gòu)的物質(zhì)。

MIPs由于具有預(yù)定性、專一性及實用性等特點,在固相萃取、異構(gòu)體的分離及膜分離技術(shù)等領(lǐng)域展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景[51-52]。DOWLATSHAH等[53]以苯醚甲環(huán)唑為模板分子,采用溶膠-凝膠法在介孔二氧化硅中合成了MIPs,并將其應(yīng)用于小麥中苯醚甲環(huán)唑的分離,結(jié)果MIPs不僅具有大量的苯醚甲環(huán)唑識別位點,在有機(jī)試劑中也具有優(yōu)異的穩(wěn)定性,對苯醚甲環(huán)唑的富集因子高達(dá)2 636,選擇性因子達(dá)到6.04,回收率大于73%,測定下限低至0.005 ng·g－1。HUANG 等[54]以喹硫磷為模板分子,丙烯酰胺和β-環(huán)糊精為功能單體,制備了一種對喹硫磷及其類似物具有高選擇性的固相微萃取印跡探針,并結(jié)合高效液相色譜-紫外檢測器(HPLC-UV)建立了大麥中喹硫磷及其類似物殘留的定量檢測方法,結(jié)果表明,該固相微萃取探針對喹硫磷的最大吸附容量為70μg·mg－1,選擇性因子為1.9,喹硫磷的回收率為98%,檢出限為0.03～0.1μg·L－1,說明采用MIPs對農(nóng)藥殘留進(jìn)行前處理時,不僅可以獲得較高的富集因子,還可以有效消除基質(zhì)干擾,證明MIPs是一種良好的前處理材料。WANG 等[55]采用雙模板印跡法合成了可以選擇性萃取17種三嗪類除草劑及其代謝物的MIPs,該MIPs能同時特異性識別氯、硫代甲基和甲氧基三嗪等多種基團(tuán),具有較強(qiáng)的類別選擇性,對莠去津、撲草凈的吸附容量分別為2.2,2.7μmol·g－1,經(jīng)過5次吸附-解吸后,回收率仍為77.8%～112.1%,結(jié)合液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法(LC-MS/MS)用于玉米、小麥和棉籽樣品中微量三嗪類除草劑及其代謝物含量的測定,農(nóng)藥的回收率為61.3%～105.9%,檢出限為0.5～8.8μg·kg－1,說明了多/雙模板印跡技術(shù)在糧食中多種農(nóng)藥的高通量分析中具有良好應(yīng)用前景。

近年來,分子印跡技術(shù)已經(jīng)得到了大力的發(fā)展,但由于MIPs的制作步驟及優(yōu)化條件過程繁瑣,故將其應(yīng)用于實際樣品前處理中仍存在一定的局限性。

4.3 碳納米管基復(fù)合材料

碳納米管(CNTs)是由石墨烯片圍繞同一中心軸按一定的螺旋角卷曲而成的無縫納米管狀結(jié)構(gòu)物質(zhì),最早由IIJIMA 等[56]發(fā)現(xiàn)。按照石墨烯片層數(shù)可將CNTs分為單壁碳納米管(SWCNTs)和多壁碳納米管(MWCNTs)。CNTs外表面具有高度離域化的大π鍵,因而可通過π-π堆積作用對疏水性分子表現(xiàn)出較強(qiáng)的親和力。CNTs的管狀結(jié)構(gòu)也賦予了其較大的比表面積,從而有助于弱極性小分子農(nóng)藥在其上的高效吸附[57]。

利用CNTs極大的比表面積及易于被修飾的特點,QIN 等[58]使用聚偏二氟乙烯(PVDF)作為偶聯(lián)劑,將MIL-101(Cr)和羧化MWCNTs負(fù)載在三聚氰胺海綿(MeS)骨架上,制備了高效的新型萃取材料MIL-101(Cr)＠MWCNTs＠MeS。該萃取材料不僅具有高的比表面積,還含有大量的羥基、羰基和苯環(huán),能通過氫鍵、靜電和π-π作用與三嗪類除草劑形成強(qiáng)烈的相互作用。將制備的MIL-101(Cr)＠MWCNTs＠MeS應(yīng)用于玉米中三嗪類除草劑的富集,結(jié)果發(fā)現(xiàn),三嗪類除草劑的回收率為92.38%～116.24%,檢出限為0.01～0.04 ng·g－1,測定下限為0.05～0.14 ng·g－1。

CNTs基復(fù)合材料具有高的吸附能力、良好的熱穩(wěn)定性和寬廣的pH 應(yīng)用范圍等優(yōu)點,已經(jīng)成為一種優(yōu)秀的吸附材料[59],但是它在普通有機(jī)試劑和水中溶解度很差,且易于聚集[60],因此在實際應(yīng)用中,常將MWCNTs分散或附著在其他載體上。LI等[61]應(yīng)用物理包埋法將空心碳納米球(HCSs)修飾到磁性羧基 MWCNTs(Fe3O4＠ MWCNTs-COOH)上合成了一種新型萃取材料(HCSs＠Fe3O4＠ MWCNTs-COOH)。與 MWCNTs-COOH 相比,該萃取材料的羧基和結(jié)構(gòu)間隔明顯增加,親水性和分散性也顯著增強(qiáng)?；跉滏I和π-π電子供體-受體(EDA)相互作用,該萃取材料對小麥中甲羧除草醚、敵草腈等具有苯環(huán)和吸電子基團(tuán)結(jié)構(gòu)的目標(biāo)物具有良好的吸附性能,其吸附容量可達(dá)到2.9～3.9μg·mg－1,回收率為88.8%～96.6%,檢出限為0.24 ng·g－1。

5 結(jié)語和展望

公眾對食品安全監(jiān)管的高度關(guān)注及急切需求,推動了糧食中農(nóng)藥殘留檢測技術(shù)的不斷創(chuàng)新與發(fā)展。隨著檢測技術(shù)的發(fā)展,糧食中農(nóng)藥檢測前處理方法的研究也有了長足的進(jìn)步,但由于存在糧食中農(nóng)藥殘留量低、糧食種類繁多及其基質(zhì)復(fù)雜等問題,在對糧食中殘留農(nóng)藥進(jìn)行實際檢測時,應(yīng)根據(jù)基質(zhì)類型、儀器種類和檢測要求選擇合適的前處理方法;此外,目前應(yīng)用于糧食中農(nóng)藥檢測的前處理方法各有優(yōu)劣,因此可聯(lián)合運用不同的前處理方法,以有效提高前處理效率、增加農(nóng)藥殘留分析的種類和拓寬應(yīng)用范圍。隨著科學(xué)檢測技術(shù)的不斷發(fā)展,繼續(xù)開發(fā)綠色、新型的萃取劑,研發(fā)自動化的萃取裝置及擴(kuò)大不同萃取方法的適用范圍,將是未來前處理技術(shù)研究發(fā)展的主要方向。