水中阿特拉津及代謝物前處理和快速檢測技術(shù)研究進展

熊 杰,楊 菊,向 松

(1.成都理工大學(xué)，成都 610059； 2.四川省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站，成都 610091； 3.四川省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，成都 610041)

引 言

阿特拉津(atrazine，ATZ)，是一種三嗪類除草劑。因其價格便宜，除草效果好，自1950年生產(chǎn)以來，廣泛應(yīng)用于于旱田、果園，是目前世界上使用最多的除草劑之一[1]。

阿特拉津施用于土壤后，20%～70%殘留物可進入環(huán)境水體。由于其在水環(huán)境中常以痕量水平存在，對水中的阿特拉津及代謝物常采用萃取富集后使用儀器分析。在已發(fā)表文獻中，多采用液液萃取、固相萃取等前處理方法對水中阿特拉津及代謝物進行富集。近年來隨著材料科學(xué)的發(fā)展，以納米顆粒修飾、改性石墨烯等新材料制成的吸附材料也逐漸得到應(yīng)用。在快速檢測技術(shù)領(lǐng)域，改性電極、免疫法是目前快速檢測技術(shù)的主要基礎(chǔ)方法。

本文查閱了近10余年來有關(guān)水中阿特拉津及代謝物的主要前處理技術(shù)和快速檢測方法的文獻報道，并將其進行了匯總比較。對比了不同前處理技術(shù)的優(yōu)缺點以及應(yīng)用現(xiàn)狀，同時對此類有機化合物的富集萃取材料的研發(fā)及萃取技術(shù)發(fā)展方向進行了展望，以期能更高效、更準(zhǔn)確地萃取水中阿特拉津及代謝物，進一步提高萃取回收率。同時還比較了現(xiàn)有快速檢測技術(shù)的優(yōu)缺點，分析了現(xiàn)有檢測技術(shù)存在的問題及局限性，為研究更為靈敏、快速、穩(wěn)定的快速檢測技術(shù)以及開展在線監(jiān)測應(yīng)用提供了科學(xué)參考。

1 阿特拉津毒理性質(zhì)及水環(huán)境中殘留現(xiàn)狀

在水環(huán)境中，阿特拉津可轉(zhuǎn)化為各種各樣的降解產(chǎn)物，主要產(chǎn)物有脫乙基阿特拉津(deethylatrazine，DEA)、脫異丙基阿特拉津(deisopropylatrazine，DIA)、羥基化阿特拉津(hydroxyatrazine，HYA)和脫乙基脫異丙基阿特拉津(didealkylatrazine 或 deethyldeisopropylatrazine，DEDIA)等[2]，其降解產(chǎn)物分子結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 阿特拉津及主要代謝產(chǎn)物Fig.1 Atrazine and its main metabolites

有研究發(fā)現(xiàn)阿特拉津?qū)ι窠?jīng)系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)及免疫功能均可造成一定毒性損傷，并具有一定的胚胎毒性[3-4]。ATZ代謝物主要分為烷基類(DEA、DIA、DEDIA)和羥基類(HYA)，前者毒性與阿特拉津母體相當(dāng)甚至超過原型，并具有更高的極性和穩(wěn)定性，能長期留存于地下水中[5]，HYA主要表現(xiàn)為腎臟毒性。目前，阿特拉津已被美國、日本等國列入內(nèi)分泌干擾物名單[6]。

阿特拉津在全世界使用已超過50年，施用于土壤后，可通過地表徑流、大氣蒸騰等方式進入環(huán)境水體，目前世界各地已有文獻報道中，地表水、飲用水及自來水中均有阿特拉津及代謝物的檢出報道。2016年有學(xué)者對我國31個省份地表水及自來水中阿特拉津及其降解產(chǎn)物(ATZS)進行調(diào)查[7]，水中ATZS范圍在0.02ng/L～3.04μg/L，自來水中ATZ和DEA檢出率分別達99.5%和98.0%。同時在海南飲用水、北京官廳水庫、太湖、上海黃浦江等[8～11]水中也有ATZS的檢出報道，任晉等報道[5]地下水中也有阿特拉津及代謝物檢出，其中DEA和DIA兩種毒性代謝物含量已超過母體ATZ。美國是阿特拉津使用量最大的國家，曾有針對美國18個水庫連續(xù)10年的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)阿特拉津檢出率達100%，且有14個水庫濃度超過3μg/L[12]，美國部分地區(qū)飲用水中也檢測到阿特拉津，濃度為88.4 μg/L, 地表水中為69.4 μg/L，愛荷華州在地下水中檢測到高達 21μg/L的阿特拉津, 地表水中為42 μg/L，農(nóng)業(yè)區(qū)附近的河流中為102μg/L，在中西部小溪中為 224 μg/L[13-14]。歐洲各國對ATZ非常重視，在90年代已開始禁用ATZ，但德國10年后仍在地表水及自來水中可檢出ATZS[15]。還有研究發(fā)現(xiàn)[16]，德國和瑞典的降雨中含有阿特拉津，推測是由于ATZ的揮發(fā)和風(fēng)蝕作用。加拿大[17]、法國[18]等國的地下水、河流、湖泊中也檢測出ATZ。

2 前處理技術(shù)

2.1 液液萃取(LLE)

液液萃取是一種傳統(tǒng)的萃取方式，它利用目標(biāo)物組分在溶劑中分配系數(shù)的不同來實現(xiàn)提取。液液萃取技術(shù)發(fā)展成熟，易于操作，常作為水中有機污染物提取的前處理方式。針對水中阿特拉津及代謝物的提取，常采用二氯甲烷[19～21]作為萃取劑，也有采用乙酸乙酯[22-23]、石油醚[24]、正己烷[25]等進行提取的報道。目前，我國水中阿特拉津分析方法標(biāo)準(zhǔn)[26]采用20mL二氯甲烷作為萃取劑，對100mL水中阿特拉津進行萃取。使用液液萃取，對于儀器設(shè)備要求不高，操作簡單，對于水樣的要求不高，基質(zhì)復(fù)雜的水樣也可以得到良好萃取效果，但是同時也存在消耗有機試劑量大，操作時間長的缺點。

2.2 分散液液微萃取(DLLME)

分散液液微萃取是基于液液萃取的一種新型萃取技術(shù)，相當(dāng)于微型化的液液萃取[27]。分散液液微萃取常以離子液體或有機溶劑為萃取劑和分散劑，水樣體積一般為幾毫升，需要富集的水樣體積小，使用有機溶劑量少，萃取富集可同時完成。自2006年由Rezaee[28]首次提出后近年來發(fā)展迅速，目前在環(huán)境、食品等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注，多項研究報道也顯示出其對水中痕量阿特拉津有良好的萃取富集效果[29～32]。分散液液微萃取基本過程見圖2。

圖2 分散液液微萃取Fig.2 Dispersive Liquid-Liquid Microextraction

2.3 固相萃取技術(shù)(Solid-Phase Extraction，SPE)

固相萃取由液固萃取和柱液相色譜技術(shù)相結(jié)合發(fā)展而來，與傳統(tǒng)的液液萃取法相比，能夠更有效的將分析物與干擾組分分離，減少有機溶劑的使用和接觸，是一種更為綠色環(huán)保的萃取技術(shù)，同時污水廢水等組分復(fù)雜、顏色較深的水樣，經(jīng)固相萃取后還可以達到凈化的效果。固相萃取效率主要取決于吸附劑填料與洗脫液的選擇。常見的吸附劑有是C18、C8等硅膠基質(zhì)填料、非極性的苯乙烯-二乙烯基苯共聚物為代表的有機聚合物型填料、功能修飾的有機聚合物填料及碳基吸附劑填料等[33]。目前已有報道中，多種類型的填料均可滿足水中阿特拉津及代謝物的萃取吸附，如BondElut Plexa聚合物型固相萃取小柱[34]，石墨化碳黑固相萃取小柱[35]，Oasis HLB小柱[36]，QASIS MCX離子交換柱[37]等；有文獻[38]比較了采用MCX和C18小柱分別對阿特拉津及兩種代謝物(DEA和DIA)的萃取效率，DEA和DIA使用C18小柱回收率較低，但ATZ使用C18小柱回收率更好。

隨著材料科學(xué)的飛速發(fā)展，許多新型填料也相繼被開發(fā)應(yīng)用，以納米顆粒修飾、改性石墨烯制成等新材料制成的吸附劑也開始用于水中阿特拉津等極性大物質(zhì)的提取。Weixin Cao等[39]比較了三種以聚丙烯腈納米纖維膜(PANNFs)為基底膜的纖維膜對水中阿特拉津及其兩種有毒代謝物的動態(tài)、靜態(tài)吸附效率，發(fā)現(xiàn)以羥基修飾的PANNFs(COOHPANNFs)吸附容量等參數(shù)明顯優(yōu)于其余兩種，可作為阿特拉津及兩種代謝物的吸附介質(zhì)。影響固相萃取效率的另一個重要因素還包括洗脫劑的種類，賀小敏等[40]比較了甲醇、二氯甲烷、丙酮和正己烷四種洗脫液，發(fā)現(xiàn)除正己烷洗脫效果不理想(回收率6.6%)外，其余三種溶劑回收率均在80%以上。

在傳統(tǒng)固相萃取技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化萃取材料、改變萃取模式等方式，發(fā)展了分子印跡固相萃取(MISPE)、分散固相萃取(DSPE)、磁固相萃取(MSPE)以及在線固相萃取(On-line SPE)等前處理技術(shù)。

2.3.1 分子印跡固相萃取(MISPE)

分子印跡固相萃取是基于分子印跡技術(shù)的一種固相萃取法。分子印跡技術(shù)是指制備對某一特定目標(biāo)分子具有特異選擇性的聚合物，即分子印跡聚合物molecular imprinted polymer(MIP)[41]，用分子印跡聚合物作為填料的固相萃取柱稱之為分子印跡固相萃取柱。由于分子印跡吸附材料具有高度選擇性，可以更有效地去除基質(zhì)效應(yīng)，富集效率更高，還可多次重復(fù)使用，目前常用于環(huán)境[42]、食品[43]等不同介質(zhì)樣品中痕量有機物的萃取。高會云等[44]合成了莠去津分子印跡聚合物，最佳條件下阿特拉津富集倍數(shù)可達82倍。尹俊發(fā)[45]團隊研發(fā)了一種能夠從環(huán)境水樣中選擇性識別和富集阿特拉津的功能材料-分子印跡聚合物(MIP)，靈敏度滿足管控要求，可用于地表水中阿特拉津的快速分析。

在分子印跡固相萃取技術(shù)基礎(chǔ)上，Mashaalah Z等[46]制備了一種將分子印跡聚合物(MIP)顆粒嵌入硅膠網(wǎng)絡(luò)中，開發(fā)了一種混合床固相萃取技術(shù)(混合床MISPE)，與傳統(tǒng)MISPE相比，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為1.8%～6.3%，優(yōu)于傳統(tǒng)的3.5%～12.1%。此外，混合床MISPE的柱間重現(xiàn)性顯著提高到16.1%，同時有機溶劑的消耗量減少至0.4mL以下，萃取時間縮短至10min以下。

2.3.2 分散固相萃取(DSPE)

分散固相萃取，主要包括(Matrix solid-phase dispersion extraction，MSPD)和QuEChERS技術(shù)(Quick、Easy、Cheap、Effective、Rugged、Safe)。它是1989年由美國Staren 教授提出[47]，是一種基于傳統(tǒng)的固相萃取技術(shù)發(fā)展起來的樣品前處理方法。基質(zhì)固相分散萃取(MSPD)與傳統(tǒng)固相萃取相似，但是作用機理相差較大，MSPD通過萃取填料與樣品組分充分接觸，大大增加了萃取表面積。同時由于加入的萃取材料可以根據(jù)實際水樣濃度調(diào)整，萃取效率更高。QuEChERS是由美國農(nóng)業(yè)部Anastassiades 教授等于2003年開發(fā)[48]。QuEChERS方法消耗時間短，處理效率高，有機溶劑使用量小，特別適合蔬菜、水果、土壤等固體物質(zhì)的前處理，目前在食品、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，但是在環(huán)境水樣中的應(yīng)用報道還不多見。Renata P. Gabardo等[49]采用QuEChERS-LC-DAD對天然水中阿特拉津及代謝物進行檢測，方法顯示出良好的線性 (r2> 0.99)、精密度 (RSD < 11%) 和準(zhǔn)確度 (83%～105%)，定量下限接近0.2μg /L。

2.3.3 磁固相萃取(Magnetic solid phase extraction，MSPE)

磁性固相萃取是近年新出現(xiàn)的萃取技術(shù)[50]，MSPE的技術(shù)核心在于高效的功能化磁性吸附劑。磁性固相萃取不需要固相萃取柱，直接將磁吸附材料加入提取液中，吸附完成后，通過外加磁場使固液分離，再利用洗脫液將目標(biāo)物洗出用于后續(xù)分析。磁固相萃取操作過程簡便，對于大體積環(huán)境水樣的萃取富集有較大的優(yōu)勢，但因單純的磁性材料吸附效果較差，常將其與其他新型材料結(jié)合應(yīng)用于水中阿特拉津的萃取[51-52]。在新近的報道中，國外學(xué)者[53]采用氨基功能化的介孔結(jié)構(gòu)多孔泡沫 (AF-MCF) 提取水中阿特拉津，吸附容量為270.27 mg/g，至少可以循環(huán)使用6次，用于測定阿特拉津時檢出限可以達到0.5μg/ L。(見圖3)

圖3 磁固相萃取Fig.3 Magnetic solid-phase extraction

2.3.4 在線固相萃取(On-line SPE)

在線固相萃取是基于固相萃取技術(shù)的一種實時在線萃取方法，可實現(xiàn)萃取-洗脫-檢測連續(xù)在線分析，具有操作連續(xù)的優(yōu)點。安永生[54]利用在線固相萃取聯(lián)合高效液相色譜測定水中甲萘威和阿特拉津，進樣量為2.5mL時，阿特拉津檢出限為0.008μg/L，實際水樣加標(biāo)回收率為91.6%～101%；沈裴等[55]將水樣經(jīng)HLB-Direct Connect HP在線固相萃取小柱富集純化，甲醇洗脫后進行分析，阿特拉津回收率科在83.0%～105.1%之間，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.6%～5.3%之間，可滿足痕量分析測試要求。林炎平[56]采用全自動固相萃取儀對水中的阿特拉津進行提取，方法檢出限為0.072μg/L，精密度3.6%，回收率110%。

2.4 固相微萃取(solid-phase microextraction，SPME)

固相微萃取技術(shù)由加拿大Pawliszyn教授研究小組于1989年發(fā)明[57]，是20世紀(jì)90年代興起的一項樣品前處理與富集技術(shù)，屬于及采樣、萃取、濃縮和進樣為一體的非溶劑型選擇性萃取法。與固相萃取技術(shù)相比，克服了固相萃取吸附劑孔道易堵塞的缺點，但固相微萃取萃取纖維價格一般較貴，使用壽命較短。固相微萃取通常指纖維固相微萃取技術(shù)，可與氣相色譜、液相色譜聯(lián)合應(yīng)用于樣品檢測[58]。王艷麗等[59]對萃取纖維進行了比較優(yōu)化，選擇采用PA萃取纖維吸附水中阿特拉津及6種有機磷農(nóng)藥，并在氣相色譜-質(zhì)譜儀進口處熱解析后進行檢測，方法經(jīng)優(yōu)化后適用于多類型水體中阿特拉津的分析。

2.5 直接進樣技術(shù)

近年來，隨著質(zhì)譜技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，儀器檢測靈敏度的不斷提高，直接進樣聯(lián)合質(zhì)譜檢測技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。直接進樣技術(shù)主要針對基質(zhì)較簡單、清潔的環(huán)境水樣，對于基質(zhì)較復(fù)雜，懸浮物較多的水樣，不太適用。由于操作便捷、快速，水樣經(jīng)濾膜過濾后即可直接上機分析，常應(yīng)用于水中各類農(nóng)藥、抗生素的檢測。近年來采取直接進樣分析水中阿特拉津的相關(guān)報道也逐漸增多[60～67]。在此類研究中，多采用0.22μm或0.45μm的針式濾頭或濾膜對水樣進行過濾，除去顆粒性雜質(zhì)后直接采用液相色譜質(zhì)譜或氣相色譜質(zhì)譜進行分析。直接進樣技術(shù)主要關(guān)注濾膜的材質(zhì)、孔徑，其中聚四氟乙烯濾膜是最常見材料。(見下表)

表 常見前處理技術(shù)主要技術(shù)參數(shù)及指標(biāo)Tab. Main technical parameters and indexes of common pretreatment technologies

3 快速檢測技術(shù)

快速檢測手段可以在現(xiàn)場進行快速測試，從取樣到得到定量結(jié)果僅需10余分鐘，速度快，大部分現(xiàn)有檢測技術(shù)的靈敏度亦可達到實驗室分析的要求，能夠有效指示環(huán)境水體中阿特拉津類農(nóng)藥的賦存情況，可達到對水中有機污染快速監(jiān)控的目的。目前基于光吸收[68]、電化學(xué)發(fā)光生物[69]、免疫學(xué)[70]、免疫層析法[71]及新型材料結(jié)合的電化學(xué)技術(shù)的現(xiàn)場快速檢測水中阿特拉津的相關(guān)研究也成為國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的重點。最新報道顯示，上述檢測技術(shù)已在飲用水、地表水等環(huán)境水體中得到良好的應(yīng)用。

李曉麗等[70]對間接競爭ELISA進行條件優(yōu)化，建立了高靈敏度的阿特拉津酶聯(lián)免疫吸附檢測法，與高效液相色譜法比較，發(fā)現(xiàn)當(dāng)添加樣品濃度在0～6μg/L時，檢測靈敏度高于HPLC。同時還有研究采用納米顆粒、石墨烯等新材料修飾電極制成新型電化學(xué)傳感器，對水中阿特拉津進行檢測[72～74]，這些改性電極可用于復(fù)雜基質(zhì)樣品，由于儀器設(shè)備小，易于攜帶，是現(xiàn)場快速檢測的有效手段。有報道[68]將金納米顆粒(Mel-AUNP)改性三聚氰胺加入水樣中，根據(jù)顏色改變，從而實現(xiàn)對水中阿特拉津的定性或定量檢測。國外學(xué)者報道了一種基于白光反射光譜的光學(xué)免疫傳感器[75]，用于同時測定飲用水樣品中的除草劑阿特拉津和百草枯，百草枯和阿特拉津的檢出限分別為40和50ng/L，測定時間為12min，加標(biāo)水樣回收率范圍為90.0%～110%，傳感器重復(fù)使用次數(shù)可達20次以上。膠體晶體是在20世紀(jì)90年代提出的一種新型材料，具有光傳播控制特性。夏緩等[76]將“親水-疏水”系統(tǒng)引入膠體晶體，研發(fā)了一種新型光學(xué)檢測材料-富集膠體晶體用于測定飲用水中痕量阿特拉津，利用膠體晶體的“親水-疏水”作用，對水中阿特拉津進行富集后進行測試，最低檢測濃度為2μg/L，實際水樣中阿特拉津加標(biāo)回收率在89.0%～105.5%之間，與高效液相色譜法測定的結(jié)果基本一致，能夠滿足現(xiàn)有國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)限值的要求。(見圖4)

圖4 富集膠體晶體檢測過程Fig.4 The progress of enrichment colloidal crystals for determination of Atrazine

4 展 望

4.1 前處理技術(shù)

在綜述的前處理方法中，仍存在對部分極性較大的化合物，如DEA和DIA等代謝物，回收率效率不高的問題。因此，提高其萃取回收效率將是研究的重點，可針對極性較大的兩種化合物，充分采用分子印跡技術(shù)，開發(fā)針對性更強的新型吸附材料，優(yōu)化萃取條件，以改善其萃取效率。同時可考慮研發(fā)多層固相萃取小柱，將極性與非極性填料分層填充至同根小柱，可實現(xiàn)同時萃取不同極性化合物。

4.2 快速檢測技術(shù)

在快速檢測領(lǐng)域，大多數(shù)快速檢測設(shè)備還存在穩(wěn)定性、重現(xiàn)性及靈敏度較差的問題，因此開發(fā)更靈敏、重現(xiàn)性更好的現(xiàn)場快速檢測設(shè)備或試劑是目前研究的重點內(nèi)容。特別是化學(xué)修飾電極的應(yīng)用，目前在環(huán)境分析領(lǐng)域也得到廣泛關(guān)注，可重點考慮將納米技術(shù)與傳感技術(shù)有機結(jié)合，優(yōu)化現(xiàn)有修飾電極結(jié)構(gòu)，對于改善水中痕量有機物的檢測靈敏度穩(wěn)定性勢必有質(zhì)的飛躍。

4.3 在線自動監(jiān)測技術(shù)

由于使用量大、殘留期長、檢出率高，同時還具有內(nèi)分泌干擾等危害，因而對水體阿特拉津污染進行長期、 連續(xù)的監(jiān)測十分必要。目前已有報道利用阿特拉津?qū)υ孱惞夂弦种谱饔?，來實現(xiàn)水中阿特拉津預(yù)警。因此可考慮結(jié)合生物檢測、試紙指示等技術(shù)，開發(fā)水中阿特拉津等有機農(nóng)藥在線自動監(jiān)測設(shè)備，從而實現(xiàn)水中有機污染的實時監(jiān)控預(yù)警。