土壤中有機(jī)氯農(nóng)藥分析測定方法的研究進(jìn)展

王 苗，張 宛，尹延震，岳 超

(1.河南省南水北調(diào)中線渠首生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，河南 南陽 473000；2.河南省南陽生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，河南 南陽 473000； 3.南水北調(diào)中線建管局渠首分局，河南 南陽 473000，4.南陽師范學(xué)院，河南 南陽 473000)

前 言

有機(jī)氯農(nóng)藥(OCPs)曾經(jīng)是世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的殺蟲劑，能夠在土壤、水體、大氣、底泥等環(huán)境介質(zhì)中長期殘留且難以降解，是典型的持久性有機(jī)污染物(POPs)，具有致癌、致畸、致突變作用。研究表明，OCPs極易在生物體內(nèi)富集和殘留，進(jìn)而通過食物鏈進(jìn)入人體，引發(fā)人體內(nèi)分泌紊亂、生殖及免疫功能失調(diào)、發(fā)育紊亂等嚴(yán)重疾病[1～4]。因此，土壤中OCPs有機(jī)氯農(nóng)藥的風(fēng)險以及危害評估已經(jīng)成為當(dāng)今環(huán)境與健康領(lǐng)域的一個重要研究方向[5,6]，而土壤中OCPs的分析和測定則是科學(xué)研究和土壤環(huán)境監(jiān)測過程中的必要手段。隨著分析儀器的不斷更新?lián)Q代和分析方法的持續(xù)優(yōu)化改進(jìn)，土壤中OCPs的分析測試更加便捷高效和精密準(zhǔn)確。本文著重從萃取方法、凈化方法和檢測方法3個方面，對近些年土壤中OCPs分析測定方法的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

1 萃取方法

由于土壤基質(zhì)較為復(fù)雜且大多數(shù)農(nóng)藥殘留與土壤耦合作用較強(qiáng)，所以土壤中農(nóng)藥殘留的萃取一直是分析過程中最為復(fù)雜的環(huán)節(jié)。當(dāng)前土壤中農(nóng)藥殘留的常用萃取方法有索氏萃取法、超聲萃取法、微波萃取法、加速溶劑萃取法等，其他萃取方法如基質(zhì)固相分散萃取法、超臨界流體萃取法、QuEChERS法、攪拌棒吸附萃取法等仍以探索為主。近些年來，國內(nèi)外學(xué)者結(jié)合自身需求和工作實(shí)際，對各種萃取方法進(jìn)行了不斷優(yōu)化，不僅提高了萃取效率、節(jié)約了試劑，而且進(jìn)一步提高了分析結(jié)果的準(zhǔn)確度和精密度。

1.1 索氏萃取

索氏萃取(Soxhlet Extraction，SE)利用溶劑回流和虹吸原理，使目標(biāo)化合物能為溶劑反復(fù)萃取，具有萃取效率較高、能耗低、操作簡單等特點(diǎn)。缺點(diǎn)在于取萃取時間長，對于易降解的P,P'-DDT和異狄氏劑影響較大，穩(wěn)定性較差，萃取溶劑用量大、易造成二次環(huán)境污染等問題。索氏萃取主要從萃取時間、萃取溫度和萃取溶劑三個方面進(jìn)行優(yōu)化。馬健生等[7]探索的索氏萃取最佳條件為：溫度為65℃，萃取時間為7h, 萃取劑為丙酮-正己烷(1∶1，v/v)混合液，優(yōu)化后方法回收率為68%～125%，精密度為2.8%～5.9%。

1.2 超聲波萃取

超聲波萃取(Ultrasonic Extraction，UE)原理是利用超聲波輻射產(chǎn)生的機(jī)械振動、空化和擾動效應(yīng)增加物質(zhì)分子運(yùn)動的頻率和速度，以此來破壞有機(jī)物在土壤表面的吸附、提高溶劑的穿透力，從而加速有機(jī)物在有機(jī)相中的溶解；具有操作簡單、萃取速度快等特點(diǎn)，缺點(diǎn)是受萃取時間、萃取溫度影響較大且回收率較低，但經(jīng)過優(yōu)化也可取得滿意結(jié)果。如陳蓓蓓等[8]比較了索氏萃取和超聲波萃取對土壤和沉積物中的20種OCPs的萃取效率，結(jié)果表明：索氏萃取的平均回收率和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為46.24%～102.7%和9.1%～18%，超聲萃取為62.62%～95.40%和6.6%～12%；同時她們在優(yōu)化過程中發(fā)現(xiàn)，用40mL二氯甲烷超聲萃取3min，重復(fù)4次，前3次萃取出的目標(biāo)化合物占總量的98.05%，考慮到減少試劑用量，進(jìn)行3次超聲萃取共用120mL二氯甲烷即可滿足回收率要求。

1.3 微波萃取

微波萃取(Microwave-Assisted Extraction，MAE)原理是利用某些區(qū)域或萃取體系中的基體物質(zhì)在微波場中吸收微波能力的差異，從而某些組分被選擇性加熱后進(jìn)入到介電常數(shù)較小、微波吸收能力相對差的萃取劑中。微波萃取具有簡便快捷、試劑用量少、回收率高及批樣處理和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)在于僅適用于熱穩(wěn)定性物質(zhì)的提取，對于熱敏性物質(zhì)，微波加熱可能使其變性或失活。微波萃取主要從萃取溶劑、溶劑體積、微波輻射溫度、微波輻射時間4個方面進(jìn)行優(yōu)化。李慶霞等[9]為了優(yōu)化最佳萃取條件，設(shè)計了三因素(溶劑體積、微波輻射時間和溫度)三水平的正交實(shí)驗(yàn)，得出的最佳條件為：萃取溶劑體積30mL，從室溫開始5min升溫至120℃，保持15min，升溫至120℃后萃取功率隨萃取溫度的變化范圍在300～320 W。

1.4 加速溶劑萃取

加速溶劑萃取(Accelerated Solvent Extraction，ASE)是將處理后的土壤或沉積物樣品加入密閉容器中，在加壓、加熱條件下，處于液態(tài)的有機(jī)溶劑與土壤或沉積物樣品充分接觸，將土壤或沉積物中的有機(jī)物提取到有機(jī)溶劑中。加壓的主要目的是阻止有機(jī)溶劑因高溫沸騰，使其一直處于液態(tài)并和樣品充分接觸。加熱可以減少溶劑的粘性和表面張力，從而破壞溶劑和基質(zhì)之間范德華力、氫鍵等引起的強(qiáng)吸引力，使溶劑能夠更好地擴(kuò)散到基質(zhì)里，提高目標(biāo)物萃取效率。與傳統(tǒng)萃取方法相比，加速溶劑萃取具溶劑用量少、提取時間短、回收率高等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是對于一些雜質(zhì)的提取效率也同樣得到增強(qiáng)，使得提取液中含有大量雜質(zhì)，從而增加了凈化的難度。劉彬等[10]考察了不同萃取溶劑、萃取溫度和萃取次數(shù)對土壤中有OCPs和PAHs的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：二氯甲烷-正己烷(1∶1，v/v)萃取液較為干凈、呈透明淺黃色，由于受色素共萃物的影響含有丙酮的萃取液顏色偏深；萃取2次時，90℃(62%～112%)和100℃(65%～105%)下化合物回收率略高于80℃(58%～95%)；萃取1～3次時，回收率差別不大。

1.5 其他萃取方法

基質(zhì)固相分散萃取(Matrix Solid-Phase Dispersion Extraction，MSPD)原理是將涂漬有C18 等多種聚合物的材料與樣品一起研磨成半干狀態(tài)的混合物作為填料裝柱，然后用不同的溶劑淋洗柱子，將各種待測物洗脫下來。其他前處理技術(shù)相比，基質(zhì)固相分散萃取技術(shù)樣品和有機(jī)溶劑用量少，并避免了對樣品均化、沉淀、離心、轉(zhuǎn)溶、乳化、濃縮等環(huán)節(jié)可能造成的待測物的損失，特別適合于固體、半固體和粘性樣品的處理。影響基質(zhì)固相分散萃取效果的因素主要有分散劑的尺寸、分散劑種類和修飾效果、有機(jī)物-分散劑表層的鍵合特征、分散劑的衍生化等[11]。

超臨界流體萃取(Supercritical Fluid Extraction，SFE)是指在超臨界狀態(tài)下，將超臨界流體與待分離的物質(zhì)接觸，通過控制體系的壓力和溫度使其選擇性地萃取其中某組分，然后通過溫度或壓力的變化，降低超臨界流體的密度，進(jìn)而改變萃取物在超臨界流體中的溶解度，實(shí)現(xiàn)萃取物質(zhì)的分離。與傳統(tǒng)萃取技術(shù)相比，超臨界流體萃取可在低溫下提取分離，從而減少和防止熱敏成分的氧化和逸散，并能同時完成萃取和分離兩步操作，具有分離效率高、節(jié)省溶劑、高效快速、選擇性好、易于自動化和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)在于裝置較復(fù)雜、成本較高、對于較強(qiáng)極性物質(zhì)萃取不甚理想[12]。

QuEChERS萃取(Quick,Easy,Cheap,Effective, Rugged, and Safe Extraction)原理是利用基質(zhì)吸附劑填料中雜質(zhì)從而達(dá)到除雜凈化的目的，具有操作簡單、快速、試劑用量小、費(fèi)用低等特點(diǎn)。如蔡灝兢等[13]建立QuEChERS -氣相色譜法同時檢測土壤中8 種有機(jī)氯農(nóng)藥的方法，方法操作簡單、結(jié)果準(zhǔn)確、有機(jī)試劑用量少、分析成本低，適用于土壤中有機(jī)氯農(nóng)藥的殘留檢測與分析。

攪拌棒吸附萃取(Stir Bar Sorptive Extraction，SBSE)原理是在磁力攪拌棒的外層上涂覆聚二甲基硅氧烷吸附劑后將其放置在樣品中吸附有機(jī)化合物，然后進(jìn)行解吸。攪拌棒吸附萃取過程中攪動速率、溫度影響、樣品體積等因素均會影響萃取效率，所以在實(shí)驗(yàn)中必須優(yōu)化適合的萃取條件。同時，聚二甲基硅氧烷是非極性材料，不適用于萃取極性化合物，因此近些年新型攪拌棒涂層研發(fā)和制備是其研究方向[14]。

2 凈化方法

凈化是指用化學(xué)或物理的方法除去萃取物中對測定有干擾的雜質(zhì)的過程。由于土壤樣品基質(zhì)復(fù)雜，影響定性定量結(jié)果甚至是減低氣相色譜柱效、沾污檢測器的共萃物較多，因此萃取液必須經(jīng)過凈化處理。凈化的原則是盡量完全除去干擾物，而使待測物盡量少損失。

2.1 銅粉除硫

土壤組成復(fù)雜，經(jīng)萃取處理后萃取液中常有硫化物存在，對后續(xù)的色譜分析形成干擾，因此在萃取液凈化時加入一定量的銅粉進(jìn)行脫硫處理可有效降低色譜分析時硫峰的干擾。但必須使用光亮未被氧化的銅粉，外觀暗澤的銅粉因是被氧化成氧化銅失去活性而脫硫效果差[15-16]。

2.2 硫酸磺化法

硫酸磺化法原理是濃硫酸與脂肪、色素中碳-碳雙鍵產(chǎn)生加成反應(yīng)，所得的磺化產(chǎn)物溶于硫酸，從而使雜質(zhì)與待測組分分離。劉芃巖等[17]用4mL硫酸對土壤樣品中16種OCPs的萃取液進(jìn)行2次凈化，效果良好，所得樣本譜圖與標(biāo)準(zhǔn)樣本譜圖基本一致。但需注意的是，有些組分因在酸化放熱的情況下會轉(zhuǎn)化或分解而不能用濃硫酸凈化，如艾氏劑、狄氏劑、異狄氏劑等。

2.3 固相萃取法

固相萃取原理是樣品通過填充吸附劑的一次性萃取柱時分析物和雜質(zhì)被保留在柱上，然后分別用選擇性溶劑去除雜質(zhì)、洗脫出分析物，從而達(dá)到分離的目的。固相萃取法凈化具有簡單、快速、選擇性好、回收率高等優(yōu)點(diǎn)，萃取過程中不出現(xiàn)乳化現(xiàn)象 、提高了分離效率。在土壤有機(jī)氯分析領(lǐng)域，近年以來常見諸報道的固相萃取柱有硅膠柱、硅膠/氧化鋁復(fù)合柱、弗羅里硅土柱，石墨化碳黑/氨基復(fù)合柱(CARB/NH2)、石墨化炭黑/弗羅里硅土復(fù)合柱、N-丙基乙二胺(PSA)/弗羅里硅土復(fù)合柱等應(yīng)用較少。

硅膠柱呈弱酸性且極性較強(qiáng)，主要用于從非極性溶劑如烴類、鹵代烴中吸附分析物。由于氧化鋁填充柱洗脫時間長，重現(xiàn)性較差，因此，在實(shí)驗(yàn)時一般不會單獨(dú)使用氧化鋁填充柱，而是采用一定比例混合的硅膠和氧化鋁柱。如鄧力等[18]用凝膠滲透色譜先去除大分子物質(zhì)，再用硅膠-氧化鋁柱進(jìn)一步對土壤和沉積物中27種OCPs萃取液進(jìn)行凈化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果加標(biāo)回收率在65.1%～102% 之間，測定值的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差不大于7.0%。弗羅里硅土柱填充材料是硅膠鍵合氧化鎂的吸附劑，具有強(qiáng)極性、高活性和弱堿性，是一種效果良好、成本經(jīng)濟(jì)的常用固相萃取柱。如劉玲玲等[19]用在10 mL 二氯甲烷∶正己烷(體積比1 ∶9) + 10mL 丙酮∶正己烷(體積比1∶9)洗脫弗羅里固相萃取柱中23種有OCPs，用氣相-質(zhì)譜色譜法檢測，23種OCPs的平均回收率為47.3%～127%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍分別為0.68%～15%。

石墨化碳黑/氨基復(fù)合柱由等量的石墨化碳(CARB)和氨基(NH2)裝填而成，主要用于農(nóng)藥殘留凈化[20]。石墨化炭黑/弗羅里硅土復(fù)合柱是在固相萃取空管中裝填一定質(zhì)量比的石墨化炭黑和弗羅里硅土形成固相萃取柱，具有迅速便捷、吸附容量大、溶劑用量少等特點(diǎn)，適合于基質(zhì)較為復(fù)雜的農(nóng)藥殘留的凈化[21]。N-丙基乙二胺(PSA)有兩個氨基(伯胺和仲胺)，交換能力、吸附容量大，可有效去除脂肪酸、有機(jī)酸和極性色譜以及糖類，與弗羅里硅土柱配合使用進(jìn)一步提升了凈化效果[22]。

2.4 凝膠滲透色譜法

凝膠滲透色譜(GPC)技術(shù)是以多孔凝膠為固定相，利用凝膠孔的空間尺寸效應(yīng)，使不同大小的分子按照由大到小的洗脫順序進(jìn)行分離，從而達(dá)到凈化的目的。陳啓榮等[23]優(yōu)化了凝膠色譜凈化的條件，比較了凝膠色譜凈化及濃硫酸凈化法對15種有機(jī)氯回收率的影響。結(jié)果表明，采用GPC凈化可有效避免濃硫酸凈化對氯丹、異狄氏劑、硫丹、甲氧滴滴涕等農(nóng)藥回收率的影響。顏慧[24]等用加速溶劑萃取、凝膠滲透色譜凈化、三重四級桿氣相色譜串聯(lián)質(zhì)譜法(多反應(yīng)監(jiān)測模式，MRM)同時測定土壤中20種OCPs，實(shí)際土壤樣品的加標(biāo)回收率在73.7% ～l18% 之間，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差在2.7%～13%之間。

2.5 凝膠滲透色譜聯(lián)合固相萃取法

基質(zhì)比較復(fù)雜或者含有雜質(zhì)較多的樣本經(jīng)過凝膠色譜凈化雖然可以除去大部分大分子雜質(zhì)，但是與農(nóng)藥分子大小相近的雜質(zhì)卻無法去除，因此需要進(jìn)一步凈化，較為常用的是凝膠色譜-固相萃取聯(lián)用技術(shù)。樣品經(jīng)凝膠色譜凈化，收集所需組分并濃縮，再根據(jù)化合物和剩余雜質(zhì)的類型和性質(zhì)，采用固相萃取技術(shù)，使用不同性質(zhì)的固相萃取吸附劑進(jìn)一步凈化。張烴等[25]的凈化試驗(yàn)表明，約95%的土壤樣品OCPs經(jīng)弗羅里硅土凈化柱可以達(dá)到GC/MS測定的靈敏度要求，但還有5%左右的樣品含有較多有機(jī)質(zhì)，經(jīng)弗羅里硅土凈化后GC/MS背景值仍然很高，經(jīng)GPC凈化后背景顯著降低，滿足測定要求。

3 檢測方法

3.1 氣相色譜法

傳統(tǒng)的氣相色譜儀(Gas Chromatography，GC)對于各種介質(zhì)中OCPs的分析測定具有靈敏度高、分離能力強(qiáng)、定量準(zhǔn)確、儀器穩(wěn)定、重現(xiàn)性好、操作簡便、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，但由于土壤基質(zhì)中存在大量干擾物，如果僅依靠保留時間對OCPs進(jìn)行定性，則結(jié)果容易出現(xiàn)假陽性。因此，還需要依靠其他方法對檢測結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步確認(rèn)。全二維氣相色譜(GC×GC)能夠利用色譜柱間的極性差異實(shí)現(xiàn)待測物質(zhì)的正交分離，從而改善結(jié)構(gòu)相似化合物的分離度。與傳統(tǒng)一維色譜相比，GC× GC峰容量大、定性可靠性高，特別適用于復(fù)雜樣品的分析，如Alina M.Muscalu等[26]在用全二維氣相色譜對沉積物、土壤和污泥中PCBs、OCPs、氯苯的測定后指出，與GC-ECD法相比，全二維氣相色譜可節(jié)省大量分析時間和成本，測定結(jié)果準(zhǔn)確可靠，尤為重要的是全二維氣相色譜可分析質(zhì)譜檢測器無法區(qū)分的同分異構(gòu)體或同系物。時磊等[27]用全二維氣相色譜-電子捕獲檢測器測定復(fù)雜基質(zhì)土壤中24 種有機(jī)氯和擬除蟲菊酯類農(nóng)藥，測得回收率為80.7%～103.5%，測定值的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(n = 6) 為1.84%～10.12%。

3.2 氣相色譜質(zhì)譜法

與氣相色譜法相比，氣相色譜和質(zhì)譜(Gas Chromatography-MassSpectrometry，GC-MS)聯(lián)用儀克服了定性的局限性，兼具氣相色譜高分離效能和質(zhì)譜準(zhǔn)確鑒定化合物結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)；同時質(zhì)譜可選擇性地對目標(biāo)化合物的特征離子進(jìn)行檢測，具有選擇性高、干擾少等優(yōu)點(diǎn)，但GC-MS對于基體復(fù)雜的環(huán)境樣品難以進(jìn)行準(zhǔn)確的定性和定量。隨著同位素技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用同位素稀釋(ID)技術(shù)進(jìn)行質(zhì)譜確認(rèn)，能夠準(zhǔn)確地定性和定量，彌補(bǔ)了GC-MS的不足，提高了方法的可靠性。房麗萍等[28]用索氏萃取結(jié)合凝膠滲透色譜及弗羅里硅土凈化技術(shù)，以同位素稀釋氣相色譜-質(zhì)譜法(ID-GC-MS)測定土壤/底泥中23 種OCPs，方法回收率為60%～110%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.5%～18%，方法的檢出限為0.20～10.3μg/kg。

3.3 氣相色譜串聯(lián)三重四級桿質(zhì)譜法

氣相色譜串聯(lián)三重四級桿質(zhì)譜(GC-MS/MS)是目前有機(jī)物測試分析的先進(jìn)技術(shù)，與單級質(zhì)譜相比，它的多重反應(yīng)監(jiān)測模式可進(jìn)一步確認(rèn)和區(qū)分一級質(zhì)譜無法區(qū)分的化合物和同分異構(gòu)體，同時有效消除背景干擾、基質(zhì)干擾、降低儀器的檢出限，尤其是在低濃度水平的定性和定量方面具有較大優(yōu)勢。王海棠等[29]建立了氣相色譜-三重四級桿串聯(lián)質(zhì)譜同時檢測土壤中的痕量OCPs和PAHs的方法，土壤樣品先經(jīng)快速溶劑提取和Florisil柱凈化后經(jīng)GC-MS/MS在多級反應(yīng)監(jiān)測模式下(MRM)進(jìn)行檢測與分析。該方法有效排除了干擾，穩(wěn)定性和精密性可靠，靈敏度高，檢出限低于國標(biāo)規(guī)定的OCPs及PAHs的方法檢出限。

3.4 離子阱質(zhì)譜儀法

三重四級桿質(zhì)譜屬“空間上”串聯(lián)，即將兩個質(zhì)量分析器串聯(lián)而成，這種串聯(lián)方式受離子傳輸效率的限制很難往多級發(fā)展。離子阱質(zhì)譜儀(Ion Trap Tandem Mass Spectrometry，IT-MS/MS)在四級桿的基礎(chǔ)上增加兩個端蓋電極，對帶電粒子進(jìn)行篩選捕獲，進(jìn)而待測離子進(jìn)行分離。離子阱質(zhì)譜儀屬“時間上”串聯(lián)質(zhì)譜，由于沒有離子空間傳輸?shù)膿p失，最多可實(shí)現(xiàn)10級質(zhì)譜，且具有構(gòu)造簡單、易于小型化、價格低廉和儀器調(diào)諧、維護(hù)都更加容易等優(yōu)點(diǎn)。如楊佳佳等[30]分別用GC-MS、GC-IT-MS/MS同時測定土壤和沉積物樣品中25種OCPs，結(jié)果表明，與單質(zhì)譜相比，GC-IT-MS/MS檢出限可降低3～10倍，且離子阱串聯(lián)質(zhì)譜的排除干擾能力強(qiáng)，排除了一級質(zhì)譜測定樣品時出現(xiàn)假陰性和假陽性結(jié)果的可能性，克服了由于樣品基質(zhì)干擾嚴(yán)重時用一級質(zhì)譜無法定量的困難。

4 結(jié) 語

土壤中OCPs分布廣、含量低、危害大，是全國土壤污染狀況調(diào)查、土壤質(zhì)量例行監(jiān)測、污染與健康風(fēng)險評估研究領(lǐng)域的必測項(xiàng)目。隨著以人為本發(fā)展理念的深入實(shí)施，這些工作正在甚至有的已經(jīng)成為常態(tài)化。如何在短時間內(nèi)高質(zhì)量完成批量化土壤樣品的分析測試，發(fā)展快速高效、準(zhǔn)確可靠且自動化程度高的檢驗(yàn)檢測技術(shù)勢在必行。

展望未來，由于多級質(zhì)譜儀在痕量、微量和同分異構(gòu)體分析等方面具有較大優(yōu)勢，應(yīng)著重開發(fā)和建立以氣相色譜串聯(lián)多級質(zhì)譜技術(shù)為主的新技術(shù)新方法。同時，研發(fā)更為先進(jìn)的前處理技術(shù)，如無害無毒溶劑萃取、溶劑萃取液無需凈化、前處理各環(huán)節(jié)全部自動化技術(shù)等?？紤]到某些情況下需現(xiàn)場快速判斷土壤的污染程度和對企業(yè)的監(jiān)管要求，發(fā)展現(xiàn)場檢測和在線檢測技術(shù)也是未來重要的研究方向。