地下水中91種農(nóng)藥多殘留氣相色譜-質(zhì)譜分析方法研究及應(yīng)用

高冉， 饒竹， 郭曉辰

(1.中國(guó)冶金地質(zhì)總局山東局測(cè)試中心， 山東 濟(jì)南 250014；2.國(guó)家地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心， 北京 100037；3.自然資源部生態(tài)地球化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100037)

農(nóng)藥廣泛用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，對(duì)保證農(nóng)業(yè)產(chǎn)量和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量提升發(fā)揮了重要作用。中國(guó)《農(nóng)藥中文通用名稱》(GB 4839—2009)中登記在冊(cè)農(nóng)藥1274種，其中常用農(nóng)藥超過300種，每年農(nóng)藥使用量在50～60萬(wàn)噸[1-2]。但農(nóng)藥有效利用率低，大部分殘留在土壤或漂浮于大氣中，再通過干濕沉降、地表徑流等途徑進(jìn)入地表和地下，從而造成地下水多種農(nóng)藥污染[3-6]。地下水作為重要的飲用水源，為保證地下水用水安全，需要對(duì)其進(jìn)行調(diào)查、監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)。中國(guó)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)和《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)分別明確規(guī)定了21種和17種農(nóng)藥限值。按照傳統(tǒng)分析方法，水中農(nóng)藥殘留分析需要按不同類別分別前處理和測(cè)定，不僅耗時(shí)長(zhǎng)、效率低、分析成本高，且難以保證樣品分析的時(shí)效性。

近年來(lái)，農(nóng)藥多殘留分析技術(shù)以其快速、簡(jiǎn)便、多種類同時(shí)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)成為農(nóng)藥殘留分析發(fā)展的熱點(diǎn)和方向。但目前農(nóng)藥多殘留分析主要集中在果蔬[7]、中藥材[8]、谷物[9]、水產(chǎn)品[10]、土壤[11-12]等基質(zhì)，地下水中農(nóng)藥多殘留分析文獻(xiàn)報(bào)道較少。檢測(cè)方法主要有氣相色譜法(GC)[13-14]、高效液相色譜法(HPLC)[15-16]、氣相色譜-質(zhì)譜法(GC-MS)[17-18]及高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法(HPLC-MS/MS)[19-20]等。常規(guī)色譜法采用專用檢測(cè)器檢測(cè)，干擾因素多，準(zhǔn)確定性難，目前應(yīng)用范圍有限。色譜-質(zhì)譜法是以質(zhì)譜為檢測(cè)器，能夠保證檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確定性，已成為當(dāng)前農(nóng)藥殘留分析的主要手段。Nasiri等[18]對(duì)環(huán)境水樣中有機(jī)磷農(nóng)藥采用磁性固相萃取，GC-MS分析，檢出限為20～80ng/L。賴國(guó)銀等[20]對(duì)地表水26種農(nóng)藥采用超高液相色譜-四極桿-飛行時(shí)間質(zhì)譜測(cè)定，檢出限為0.03μg/L，分析時(shí)間短，靈敏度高。其中，GC-MS儀器使用和維護(hù)相對(duì)較為方便，在實(shí)驗(yàn)室多有使用和推廣。在水樣前處理方法上，目前常用大體積水樣前處理方法主要有液液萃取法[21]和固相萃取法[22-23]。仇秀梅等[21]采用液液萃取法對(duì)地下水中16種含氯農(nóng)藥進(jìn)行萃取濃縮，氣相色譜法測(cè)定，其檢出限在0.6～1.5ng/L，回收率為80.1%～109.0%，該方法操作簡(jiǎn)便。張莉等[23]采用苯乙烯/二乙烯苯膜對(duì)地下水中6種有機(jī)磷農(nóng)藥進(jìn)行前處理，氣相色譜法測(cè)定，方法檢出限均小于0.01μg/L。固相萃取法因有機(jī)溶劑使用少，易于商品化，在實(shí)驗(yàn)室多有使用，但其應(yīng)用受限于膜或小柱填料，選擇性??；相比于固相萃取法，液液萃取法更為經(jīng)典、廣譜，操作簡(jiǎn)便，應(yīng)用較廣。

本文結(jié)合文獻(xiàn)、國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)際公約等，選取對(duì)人體和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較高、檢出率較高的91種農(nóng)藥作為研究目標(biāo)物，分別對(duì)水樣前處理方法和GC-MS分析參數(shù)進(jìn)行選擇和優(yōu)化，建立了地下水中多種類農(nóng)藥殘留GC-MS分析方法，提高了現(xiàn)階段地下水中農(nóng)藥分析檢測(cè)效率，從而保證了樣品分析的時(shí)效性，便于在實(shí)驗(yàn)室推廣使用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器和主要試劑

Trace GC UltraTM-DSQTMⅡ氣相色譜-質(zhì)譜儀(美國(guó)ThermoFisher公司)，配有AS3000自動(dòng)進(jìn)樣器；Zebron Multiresidue-2 彈性石英毛細(xì)管柱(30m×0.25mm×0.20μm)；6位圓盤固相萃取裝置(美國(guó)3M公司)；LABOROTA-4003型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(德國(guó)Heidolph公司)；Milli-Q超純水系統(tǒng)(美國(guó)Millipore公司)；不同規(guī)格的氣密性微量注射器(美國(guó)Hamilton公司)。

有機(jī)氯、有機(jī)磷、氨基甲酸酯、菊酯類、三唑類、酰胺類、三嗪類等七類91種農(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)品(具體名稱見表1)均來(lái)自有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)供應(yīng)商，分別由Dr.Ehrensorfer公司(德國(guó))、O2Si公司(美國(guó))、農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所(天津)和上海市農(nóng)藥研究所提供，其純度均大于95%。所有標(biāo)準(zhǔn)品均在-18℃以下的冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>

氯化鈉(分析純)；無(wú)水硫酸鈉(分析純)：分別于650℃馬弗爐中烘4h，冷卻后放入干燥器備用；正己烷(色譜純，北京J&K百靈威科技公司)；丙酮(色譜純，美國(guó)Fisher Scientific公司)；二氯甲烷(農(nóng)殘級(jí)，韓國(guó)Duksan公司)； ENVI-C18固相萃取膜(47mm，美國(guó)Supulco公司)； Empore-C18固相萃取膜(47mm，美國(guó)3M公司)；1L分液漏斗，帶聚四氟乙烯活塞；高純氮?dú)夂秃?純度均為99.999%)。

1.2 氣相色譜-質(zhì)譜分析條件

氣相色譜條件：ZB-Multiresidue 2(30m×0.25mm×0.20μm)毛細(xì)管色譜柱；柱升溫程序：起始溫度50℃，保留1min；以20℃/min升溫至160℃，繼續(xù)以3℃/min升溫至190℃，保留2min，再以3℃/min升溫至210℃，保留2min，最后以8℃/min升溫至300℃，保留5min；載氣流速1.2mL/min；進(jìn)樣口溫度250℃；脈沖不分流進(jìn)樣，脈沖壓力250kPa，時(shí)間1min；進(jìn)樣量1μL。

質(zhì)譜條件：電子轟擊源(EI)，電離電壓70eV；離子源溫度230℃；接口溫度280℃；溶劑延遲時(shí)間4.5min；全掃描定性，掃描質(zhì)量范圍m/z50～500，選擇離子監(jiān)測(cè)(SIM)定量。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

取1000mL水樣于2L分液漏斗中，加入10.0g氯化鈉搖勻至完全溶解，加入50μL替代物混合標(biāo)準(zhǔn)使用液(濃度2.0μg/mL)，混勻后，加入50mL萃取溶劑二氯甲烷，放氣后于振蕩器上振搖萃取10min，靜置分層，將下層有機(jī)相轉(zhuǎn)移至250mL平底燒瓶中；再加入30mL二氯甲烷，重復(fù)萃取，步驟同上，合并兩次有機(jī)相經(jīng)無(wú)水硫酸鈉脫水、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮至2～3mL；濃縮液轉(zhuǎn)移至25mL K·D濃縮瓶，于氮吹儀上濃縮，加入50μL內(nèi)標(biāo)物混合標(biāo)準(zhǔn)使用液(濃度2.0μg/mL)，二氯甲烷定容至1.0mL，上機(jī)測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 檢測(cè)組分的篩選

綜合高毒、高殘留、廣泛使用以及部分有毒理學(xué)意義的農(nóng)藥及其代謝產(chǎn)物且適合氣相色譜-質(zhì)譜檢測(cè)等因素最終選擇了91種農(nóng)藥作為檢測(cè)目標(biāo)物，具體組分和檢測(cè)結(jié)果見表1。

2.2 萃取方法的選擇和優(yōu)化

2.2.1圓盤萃取法

本方法覆蓋了有機(jī)氯、有機(jī)磷、氨基甲酸酯、菊酯類、三唑類、酰胺類、三嗪類等物理化學(xué)性質(zhì)差異較大的多類別農(nóng)藥，目前很難有一種前處理方法適用于上述農(nóng)藥分析。因圓盤萃取法具有萃取時(shí)間短、有機(jī)試劑使用少，可適用于大體積水樣分析等優(yōu)點(diǎn)，所以實(shí)驗(yàn)優(yōu)先考察了圓盤萃取法對(duì)91種農(nóng)藥萃取富集效果。取水樣1000mL，加入5mL甲醇，采用ENVI-C18和Empore-C18兩種萃取膜，上樣前分別用10mL丙酮、10mL甲醇、10mL水活化，之后水樣以100mL/min的流速流經(jīng)萃取膜，二氯甲烷和丙酮-乙酸乙酯(1∶3,V∶V)兩種溶劑分別洗脫，收集洗脫液，于氮吹儀上濃縮，加入內(nèi)標(biāo)定容至1.0mL，上機(jī)測(cè)定。采用正交法試驗(yàn)，對(duì)比ENVI-C18和Empore-C18兩種膜和兩種洗脫溶劑對(duì)各農(nóng)藥萃取富集效果，以加標(biāo)回收率衡量。研究發(fā)現(xiàn)，采用 Empore-C18膜、15mL丙酮-乙酸乙酯(1∶3，V∶V)作洗脫溶劑時(shí)，萃取富集效果較佳，91種目標(biāo)物中有76種平均回收率在60.7%～130%之間，結(jié)果見表2。但是圓盤萃取法不能實(shí)現(xiàn)91種農(nóng)藥完全萃取富集；且六氯苯、艾氏劑、七氯等目標(biāo)物平均回收率遠(yuǎn)低于30%，很難滿足《地下水污染地質(zhì)調(diào)查評(píng)價(jià)規(guī)范》中水樣調(diào)查必測(cè)和選測(cè)測(cè)試指標(biāo)要求。

2.2.2液液萃取法

目前，水體中農(nóng)藥殘留液液萃取常用的溶劑有正己烷、二氯甲烷、丙酮、乙酸乙酯等單一或混合溶劑萃取體系。本文實(shí)驗(yàn)以農(nóng)藥加標(biāo)回收率為指示，考察了正己烷、二氯甲烷、二氯甲烷-正己烷(1∶1，V∶V)三種溶劑體系對(duì)各農(nóng)藥萃取效率，每種萃取溶劑分別進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表2。從表中可以看出采用二氯甲烷作萃取溶劑時(shí)，萃取效果較好，所有組分平均回收率在54.3%～129%之間；二氯甲烷-正己烷(1∶1，V∶V)體系次之；正己烷萃取效果最差。綜上，實(shí)驗(yàn)選用液液萃取法，二氯甲烷作萃取溶劑，實(shí)現(xiàn)對(duì)91種農(nóng)藥的萃取濃縮。

表2 91種農(nóng)藥及替代物圓盤萃取法和液液萃取法平均加標(biāo)回收率對(duì)比(加標(biāo)濃度100ng/L，n=3)Table 2 Average recoveries of 91 pesticides and substitutes by disc extraction and liquid-liquid extraction at the spiked concentration of 100ng/L (n=3)

(續(xù)表2)

(續(xù)表2)

2.2.3液液萃取鹽濃度的影響

在1L水樣中加入不同濃度的氯化鈉(0%～5%，g/L)考察鹽濃度對(duì)萃取效率的影響。結(jié)果表明，隨著氯化鈉含量的增加，多數(shù)目標(biāo)物回收率沒有明顯的變化，少數(shù)有減小的趨勢(shì)。原因可能在于隨著離子強(qiáng)度的增加，有機(jī)相在水相中的溶解度降低，相應(yīng)的萃取效率也下降；但若不加入氯化鈉，容易產(chǎn)生乳化現(xiàn)象。綜合考量，實(shí)驗(yàn)選擇加入1%的氯化鈉，即1L水樣中加入10.0g氯化鈉。

2.3 氣相色譜-質(zhì)譜條件的優(yōu)化

2.3.1色譜柱的優(yōu)選

對(duì)于多組分分析，為了獲得近百種農(nóng)藥在一根色譜柱有較理想的分離效果，提高定性定量的準(zhǔn)確度，色譜柱的優(yōu)選則非常關(guān)鍵。實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究了DB-5MS(30m×0.25mm，0.25μm)、DB-XLB(30m×0.25mm，0.25μm)和ZB-Multiresidue 2(30m×0.25mm，0.20μm)三種不同類型的毛細(xì)管柱對(duì)91種農(nóng)藥的分離效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，ZB-Multiresidue 2色譜柱對(duì)各分析農(nóng)藥均有較好的分離效果，峰形對(duì)稱，分離度高，靈敏度高且基線低，柱流失小；而DB-5MS色譜柱對(duì)相同特征離子的o,p’-DDT和p,p’-DDT等分離度差、且整體靈敏度較低；DB-XLB色譜柱基線高，柱流失大，噪音高。故實(shí)驗(yàn)選用ZB-Multiresidue 2作為本方法的分析柱?？傠x子流色譜圖見圖1，各組分出峰順序見表1。

圖1 91種農(nóng)藥全掃描總離子流色譜圖(ZB—Multiresidue 2)Fig.1 Total ions chromatogram of 91 pesticides in fullscan mode (ZB—Multiresidue 2)

2.3.2進(jìn)樣方式的選擇

溶劑在襯管內(nèi)有很大的膨脹體積，普通壓力下進(jìn)樣有體積限制，在痕量分析中需要加大進(jìn)樣量來(lái)保證靈敏度[24]，結(jié)合氣相進(jìn)樣口參數(shù)配置，實(shí)驗(yàn)對(duì)比了常用不分流和脈沖不分流兩種進(jìn)樣方式對(duì)各目標(biāo)物的響應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，采用脈沖不分流進(jìn)樣方式，即在進(jìn)樣期間進(jìn)樣口維持較高壓力(250kPa，維持1.0min)，快速將樣品吹入色譜柱，之后壓力恢復(fù)至初始柱流量對(duì)應(yīng)的壓力，各目標(biāo)物響應(yīng)明顯增強(qiáng)。以脈沖不分流進(jìn)樣和不分流進(jìn)樣峰面積響應(yīng)比值制圖，結(jié)果見圖2?？梢钥闯?，采用脈沖不分流進(jìn)樣方式與不分流進(jìn)樣，峰面積響應(yīng)比值為1.2～2.4，各農(nóng)藥檢測(cè)靈敏度大大提升。因此，實(shí)驗(yàn)采用脈沖不分流進(jìn)樣方式進(jìn)樣。

圖2 91種農(nóng)藥脈沖不分流進(jìn)樣和不分流進(jìn)樣峰面積響應(yīng)比值柱狀圖Fig.2 Response ratio in splitless with surge and splitless of 91 pesticides

2.3.3特征離子和分段掃描的選擇

由于本實(shí)驗(yàn)涉及農(nóng)藥種類多、組分?jǐn)?shù)量多，為保證每個(gè)組分的靈敏度和更好地分離，需要按照組分的出峰順序，進(jìn)行分段(segment)分別監(jiān)測(cè)；同時(shí)控制每個(gè)時(shí)間段內(nèi)監(jiān)測(cè)的離子數(shù)目和駐留時(shí)間(dwell time)，以保證每個(gè)目標(biāo)物都有足夠的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)。優(yōu)化后的特征離子、保留時(shí)間等參數(shù)見表1，分段掃描離子數(shù)、駐留時(shí)間見表3。

表3 化合物分段掃描離子和駐留時(shí)間Table 3 Scanning ions in segments and dwell time of each compound

2.4 方法有效性評(píng)價(jià)

分別配制0.20、1.00、5.00、10.0、50.0、100、500和1000μg/L 8個(gè)濃度的91種混合農(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)系列，采用優(yōu)化后的分析條件測(cè)定，內(nèi)標(biāo)法定量，建立標(biāo)準(zhǔn)曲線。大部分農(nóng)藥在1.00～1000μg/L濃度范圍內(nèi)具有良好的線性，相關(guān)系數(shù)(r)在0.9901～0.9997之間。

參考EPA方法檢出限MDLs=t(n-1,0.99)×s定義，進(jìn)行了7個(gè)低濃度(20ng/L)水平地下水基體加標(biāo)平行樣，經(jīng)液液萃取后，氣相色譜-質(zhì)譜法測(cè)定，計(jì)算組分MDLs，結(jié)果見表1。1L水樣經(jīng)前處理上機(jī)測(cè)定后，91種農(nóng)藥方法檢出限在3.1～12.5ng/L之間，對(duì)比國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)《飲用水中有機(jī)物的測(cè)定》(US EPA 525.2)中農(nóng)藥方法檢出限和《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)中Ⅰ類水農(nóng)藥限值，本方法靈敏度明顯提高，且涵蓋農(nóng)藥種類較為齊全。

為驗(yàn)證方法的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，分別進(jìn)行了20ng/L、100ng/L和1000ng/L低、中、高三個(gè)濃度水平的地下水基體加標(biāo)實(shí)驗(yàn)，用優(yōu)化后的前處理和儀器分析條件測(cè)定，平行測(cè)定5次。各目標(biāo)物平均加標(biāo)回收率和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差結(jié)果見表1。各農(nóng)藥平均回收率均在50.6%～134%之間，RSD均小于等于20%。以《飲用水中有機(jī)物的測(cè)定》(US EPA 525.2)中的要求判定，本方法的準(zhǔn)確度和精密度均在允許范圍內(nèi)。

2.5 實(shí)際樣品測(cè)定

采用本文建立的液液萃取，氣相色譜-質(zhì)譜測(cè)定方法分析了來(lái)自中國(guó)7個(gè)省市231個(gè)地下水調(diào)查樣品。231個(gè)地下水樣品中共檢出15種農(nóng)藥：敵敵畏、速滅磷、莠去津、脫乙基莠去津、α-六六六、六氯苯、γ-六六六、β-六六六、δ-六六六、乙草胺、甲基異柳磷、順式氯菊酯、o,p’-DDT、p,p’-DDT、p,p’-DDD(表4)。其中，殺蟲劑檢出種類最多(8種有機(jī)氯、3種有機(jī)磷和1種菊酯類農(nóng)藥)，除草劑中莠去津、脫乙基莠去津和乙草胺有檢出。因此，有必要加強(qiáng)對(duì)全國(guó)地下水中農(nóng)藥殘留調(diào)查和監(jiān)測(cè)。

表4 中國(guó)7個(gè)省市231個(gè)地下水樣品農(nóng)藥檢出匯總Table 4 Pesticides detected in 231 groundwater samples of 7 provinces in China

3 結(jié)論

本研究以中國(guó)常用農(nóng)藥為研究目標(biāo)物，以地下水為研究對(duì)象，通過對(duì)氣相色譜-質(zhì)譜儀分析參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)水樣液液萃取和圓盤固相萃取兩種前處理方法進(jìn)行選擇和優(yōu)化，研究建立了地下水中91種農(nóng)藥液液萃取,氣相色譜-質(zhì)譜定性和定量分析方法。水樣經(jīng)液液萃取后，各農(nóng)藥方法檢出限為3.1～12.5ng/L，平均加標(biāo)回收率在54.3%～129%間，RSD≤20%，方法檢出限明顯低于《飲用水中有機(jī)物的測(cè)定》(US EPA 525.2)方法檢出限和《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)中Ⅰ類水農(nóng)藥限值，且準(zhǔn)確度和精密度均滿足《飲用水中有機(jī)物的測(cè)定》(US EPA 525.2)規(guī)范要求。

本研究采用氣相色譜-質(zhì)譜法分析地下水中91種農(nóng)藥多殘留，不僅能夠在短時(shí)間內(nèi)完成91種農(nóng)藥的有效分離，有較好的靈敏度、準(zhǔn)確度和精密度，且方法適用性較廣，更適合大體積水樣分析，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。另外，方法的建立可為地下水中農(nóng)藥殘留快速篩查和準(zhǔn)確定量提供可靠的技術(shù)支持。