微濾膜吸附效應(yīng)對液相色譜—三重四極桿質(zhì)譜直接進樣檢測水樣中農(nóng)藥殘留的影響

李偉　劉玉燦　段晉明

摘 要 以8種具有不同物化性質(zhì)的農(nóng)藥作為研究對象，探討了樣品預(yù)處理過程中微濾膜吸附效應(yīng)對液相色譜-三重四極桿質(zhì)譜直接進樣（DI-LC-MS/MS）檢測方法的影響。研究表明：使用膜材質(zhì)為尼龍（NYL）、聚醚砜（PES）和親水性聚丙烯（GHP）的微濾膜過濾濃度為2.5 μg/L的農(nóng)藥混合標準溶液，當過濾體積為1 mL時，3種濾膜對農(nóng)藥的吸附效應(yīng)分別達到8%～92%， 0～81%和2%～59%，且正辛醇/水分配系數(shù)（lgKow）較高的農(nóng)藥更易受到濾膜吸附效應(yīng)的影響；當累積過濾體積逐漸增加至10 mL，濾膜吸附效應(yīng)的影響也隨之減弱， 直至消除，但PES濾膜對Profenofos的吸附效應(yīng)依然較為強烈（9%）；使用PES濾膜過濾初始濃度為0.25， 2.5和25 μg/L的農(nóng)藥標準溶液，在相同過濾體積條件下初始濃度越小， 受濾膜吸附的影響越大。研究表明，向水樣中加入40%（V/V）甲醇能夠消除濾膜的吸附效應(yīng)，從而提高了DI-LC-MS/MS檢測方法的準確度。

關(guān)鍵詞 吸附效應(yīng)；液相色譜-三重四級桿質(zhì)譜聯(lián)用；直接進樣；微濾膜

1 引 言

液相色譜-三重四極桿質(zhì)譜直接進樣（DI-LC-MS/MS）檢測技術(shù)是指樣品僅經(jīng)過微濾膜過濾，即注入LC-MS/MS中進行定性或定量分析痕量有機物的方法[1，2]。該方法具有省時、高效及價廉等諸多優(yōu)點，已經(jīng)成為環(huán)境、醫(yī)藥和生物領(lǐng)域的常用檢測方法之一[2～5]。但是，這種檢測技術(shù)會受到多種因素的干擾，在一定程度上限制了其應(yīng)用范圍。目前，多數(shù)研究者認為，樣品基質(zhì)是影響LC-MS/MS檢測方法準確度的主要原因，并針對基質(zhì)效應(yīng)提出了諸如內(nèi)標法、標準添加法、樣品稀釋法等解決方案，且取得了良好的效果[6～8]。已有研究表明，在使用膜過濾技術(shù)去除水中顆粒物時，部分有機物會通過膜吸附的方式予以去除[9，10]。由于水樣中目標分析物的親/疏水性、溶解度以及賦存濃度等具有較大差別，并且不同材質(zhì)微濾膜對分析物的吸附能力也存在較大差異，這可能會在樣品預(yù)處理（微濾膜過濾）過程中不同程度地降低分析物濃度，從而影響DI-LC-MS/MS檢測方法的準確度。本研究選擇8種具有不同物化性質(zhì)的農(nóng)藥，研究了3種材質(zhì)濾膜對不同濃度農(nóng)藥的吸附影響，并提出了一種簡單易行且能有效降低或消除濾膜吸附效應(yīng)的處理方法。

2 實驗部分

2.1 儀器與材料

超高效液相色譜-電噴霧-三重四級桿質(zhì)譜聯(lián)用儀（UPLC-ESI-MS/MS，美國Waters公司）；ACQUITYTM UPLC BEH C8色譜柱（100 mm×2.1 mm×1.7 μm，美國Waters公司）；Purelab Ultra Analytic超純水制備系統(tǒng)（英國ELGA公司）。

8種農(nóng)藥標準品（名稱及純度見表1， 美國AccuStandard公司）；甲醇（HPLC級，德國Merck公司）。膜片材質(zhì)為尼龍（NYL）、親水性聚丙烯（GHP）、聚醚砜（PES）的針頭式微濾膜過濾器（0.2 μm，美國Pall公司）。

2.2 色譜及質(zhì)譜條件

色譜條件： 流動相由甲醇（A）和超純水（B）組成，流速為0.2 mL/min，梯度洗脫條件為：0～2 min， 10% A； 2～10 min， 10%～100% A； 10～12 min， 100% A； 12～15 min， 10% A。進樣量10 μL。

質(zhì)譜條件：采用電噴霧離子源且在正離子模式（ESI+）下運行，毛細管電壓3.3 kV；離子源溫度110℃；脫溶劑氣（氮氣）流量500 L/h；錐孔氣（氮氣）流量30 L/h；碰撞氣（氬氣）流量0.12 mL/min。8種農(nóng)藥在檢測時的錐孔電壓、定量/定性離子以及對應(yīng)的碰撞能量見表1。

2.3 實驗方法

甲醇配制10 mg/L的農(nóng)藥混合標準儲備液，然后用超純水逐級稀釋獲得濃度為0.25， 1.0， 2.5， 10， 25和50 μg/L的標準溶液，直接注入進樣瓶中，用以建立標準曲線。使用濃度為0.25， 2.5和25 μg/L的標準溶液進行濾膜吸附效應(yīng)的研究，具體方法如下：使用注射器吸取上述標準溶液，以1 mL為單位連續(xù)通過一個新的濾膜，并將濾液收集到進樣瓶中，測得的濃度記為C，并計算出濾膜對農(nóng)藥的吸附效應(yīng)（AE，%）， AE=（C/C0）×100%，其中，C0為標準溶液濃度。

3 結(jié)果與討論

3.1 濾膜材質(zhì)的影響

使用材質(zhì)為NYL、PES和GHP的微濾膜過濾濃度為2.5 μg/L的8種農(nóng)藥標準溶液，根據(jù)過濾前后農(nóng)藥濃度計算出相應(yīng)的吸附效應(yīng)。由圖1可知，濾膜對不同種類農(nóng)藥的吸附能力存在較大差異，且隨過濾體積的增加膜吸附效應(yīng)逐漸減弱。以NYL濾膜為例（圖1a），除Fenobucarb外，其余7種農(nóng)藥的膜吸附量均隨lgKow值增大而增加，這表明濾膜吸附能力與物質(zhì)的疏水性正相關(guān)。Comerton等[12]使用微濾膜去除地表水中內(nèi)分泌干擾物時也發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象，他認為有機物和濾膜之間形成的氫鍵是吸附作用產(chǎn)生的主要原因，并且物質(zhì)lgKow值越大，與濾膜之間的結(jié)合力（范德華力）越強[12]。盡管Fenobucarb和Triadimefon具有相近的lgKow值（表1），但由圖1a可知，當樣品過濾體積為1 mL時，約有92%的Fenobucarb（水中溶解度：420 mg/L）能夠通過尼龍膜，而在相同條件下，Triadimefon（水中溶解度：64 mg/L）通過濾膜的量僅為59%，微濾膜對這兩種農(nóng)藥的吸附能力相差較大，可能與兩種物質(zhì)在水中的溶解度差異有關(guān)[9，10，12]。

由圖1可知，不同膜材料對特定農(nóng)藥的吸附能力也具有較大差異。以Profenofos為例，當過濾體積為10 mL時，NYL濾膜和GHP濾膜達到了吸附平衡狀態(tài)（100%），而PES濾膜依然對Profenofos具有強烈的吸附作用，過膜率僅為7.4%；在相同過濾體積條件下，3種濾膜對農(nóng)藥的吸附能力依次為PES > GHP > NYL。Han等[13]使用不同材質(zhì)微濾膜去除水中雌酮時也得到了類似結(jié)果，其原因可能是具有多孔結(jié)構(gòu)的濾膜對雌酮能夠產(chǎn)生物理性吸附作用，以及濾膜表面特定基團可能與雌酮發(fā)生結(jié)合反應(yīng)所致。endprint

圖1 微濾膜對初始濃度為2.5 μg/L 8種農(nóng)藥的吸附效應(yīng)：（a）尼龍， （b）聚醚砜， （c）親水性聚丙烯

Fig.1 Influence of microfiltration membrane on adsorption of eight pesticides at initial individual concentration of 2.5 μg/L： （a） Nylon （NYL）； （b） Polyethersulfone （PES）； （c） Hydrophilic polypropylene （GHP）

圖2 農(nóng)藥初始濃度對聚醚砜微濾膜吸附效應(yīng)的影響（累計過濾2 mL）

Fig.2 Influence of initial pesticide concentration on polyethersulfone membrane adsorption （accumulated volume 2 mL）

3.2 農(nóng)藥初始濃度的影響

在累積過濾體積為2 mL的條件下，農(nóng)藥初始濃度對濾膜吸附效應(yīng)的影響見圖2。對于受濾膜吸附影響較小的物質(zhì)（如Cyanazine和Atrazine），農(nóng)藥初始濃度對其濾后濃度的影響相對較?。欢鴮τ谑転V膜吸附影響較大的物質(zhì)（如Diazinon， Profenofos），農(nóng)藥初始濃度對其影響也較大。以Profenofos為例，農(nóng)藥初始濃度為0.25和2.5 μg/L時， 濾后樣品中未檢出目標物，即水樣中的Profenofos全部被吸附到濾膜上；而對于25 μg/L樣品，濾后樣品中Profenofos檢出濃度占初始濃度的18.2%。出現(xiàn)上述結(jié)果可能與微濾膜的吸附容量有關(guān)，膜在達到吸附飽和狀態(tài)之前均會對農(nóng)藥有不同程度的吸附作用；當溶液中農(nóng)藥濃度較大時達到吸附飽和所需的水樣體積較小，反之所需水樣體積較大。Li等[4]使用UPLC-MS/MS直接檢測地表水中鄰苯二甲酸酯類物質(zhì)時發(fā)現(xiàn)低濃度區(qū)間的標準曲線線性較差，而高濃度區(qū)間的線性基本不受影響。本研究結(jié)果表明，濾膜對不同濃度農(nóng)藥的吸附差異是導(dǎo)致上述結(jié)果的主要原因。因此，濾膜吸附效應(yīng)對檢測方法建立的影響不容忽視。

3.3 甲醇添加比例的影響及選擇

Duncan等發(fā)現(xiàn)向樣品中加入一定比例的表面活性劑能夠有效地消除接觸表面對目標物的吸附作用[14]，但是此方法并不適用于MS檢測器[3，5]。經(jīng)多次嘗試發(fā)現(xiàn)，向水樣中加入一定比例的有機溶劑也能有效地降低或消除濾膜吸附效應(yīng)。本研究選擇的有機溶劑包括液相色譜分析中常用的甲醇、乙腈和丙酮，當向水樣中添加相同體積比例的上述3種有機溶劑時，所得各農(nóng)藥的峰面積大小相差較小，這可能與它們具有相似的Snyder溶劑極性指數(shù)有關(guān)[3]。在制備液相色譜樣品時，待測物一般溶解于初始流動相或含有較高比例有機溶劑的流動相中[15]，因此，本研究探討了甲醇作為水樣添加劑對濾膜吸附效應(yīng)的影響。具體的操作步驟如下：

首先，使用甲醇-超純水溶液（甲醇比例為5%， 10%， 20%， 30%， 40%， 50%和60%）配制一系列濃度為0.25 μg/L農(nóng)藥標準溶液； 使用PES濾膜過濾上述標樣，棄去最初的1 mL樣品，將第2 mL樣品注入進樣瓶中進行測定。

圖3 甲醇添加比例對聚醚砜膜吸附農(nóng)藥（0.25 μg/L）的影響（累計過濾2 mL）

Fig.3 Influence of methanol addition on pesticides （0.25 μg/L） adsorption onto polyethersulfone membrane （accumulated volume 2 mL）

采用2.3節(jié)方法計算甲醇添加比例對濾膜吸附效應(yīng)（圖3）。由圖3可知，對于濾膜吸附影響較小的物質(zhì)（Cyanazine和Atrazine），向樣品中添加甲醇對其檢測強度基本無影響；而對于膜吸附影響較大的物質(zhì)（如Diazinon， Profenofos），隨添加甲醇比例的增加膜吸附效應(yīng)逐漸降低直至消除。加入甲醇緩解或消除膜吸附影響的原因尚不清楚，可能與增加目標物溶解度和減小目標物與膜表面之間范德華力有關(guān)。

由圖3可知，向水樣中添加40%甲醇時，基本消除了所選8種農(nóng)藥的濾膜吸附效應(yīng)，繼續(xù)增加甲醇添加比例，不會明顯改善濾膜吸附效應(yīng)。需要注意的是，向水樣中加入甲醇會對目標物產(chǎn)生稀釋作用，從而影響檢測方法的靈敏度[5]。綜合考慮上述兩個因素，本研究最終確定最優(yōu)的甲醇添加比例為40%。

4 結(jié) 論

實驗結(jié)果表明，通過向水樣中加入一定比例的甲醇，能夠完全消除微濾膜對8種農(nóng)藥的吸附效應(yīng)。本方法具有簡單、快速及價廉等優(yōu)點，能夠有效消除微濾膜對水樣中疏水性農(nóng)藥的吸附效應(yīng)，可用于DI-LC-MS/MS檢測水樣中不同種類的農(nóng)藥。

References

1 Ingelse B A， van Dam R C， Vreeken R J， Mol H G， Steijger O M. J. Chromatogr. A， 2001， 918： 67-78

2 Reemtsma T， Alder L， Banasiak U. J. Chromatogr. A， 2013， 1271： 95-104

3 vanMidwoud P M， Rieux L， Bischoff R， Verpoorte E， Niederlnder H A. J. Proteome Res.， 2007， 6： 781-791

4 Li W，Duan J. Anal. Methods， 2011， 3： 314-321

5 Li W， Liu Y， Duan J， Christopher P S， Mulcahy D. J. Chromatogr. A， 2015， 1389： 76-84endprint

6 WANG Li-Qi， ZENG Zhen-Ling， SHU Jian-Hua， WANG Xu-Feng， HE Li-Min， LIU Min， ZHANG Gao-Kui. Chinese J. Anal. Chem.， 2012， 40（9）： 1445-1449

王立琦， 曾振靈， 束建花， 王旭峰， 賀利民， 劉 敏， 張高奎. 分析化學， 2012， 40（9）： 1445-1449

7 Ferrer C， Lozano A， Agüera A， Girón A J， Fernández-Alba A. J. Chromatogr. A， 2011， 1218： 7634-7639

8 Stahnke H， Kittlaus S， Kempe G， Alder L. Anal. Chem.， 2012， 84： 1474-1482

9 Drazevic E， Bason S， Kosutic K， Freger V. Environ. Sci. Technol.， 2012， 46 （6）： 3377-3383

10 Hu Z， Si X， Zhang Z， Wen X. Desalination， 2014， 336： 18-23

11 Mackay D， Shiu W Y， Ma K C， Lee S C. Handbook of Physical-Chemical Properties and Environmental Fate for Organic Chemicals， 2nd ed.， CRC Press aylor& Francis Group， Boca Raton， FL， USA， 2006

12 Comerton A M， Andrews R C， Bagley D M， Yang P. J. Membrane Sci.， 2007， 303： 267-277

13 Han J，Qiu W， Gao W. Chem. Eng. J.， 2010， 165： 819-826

14 Duncan M R， Lee J M， Warchol M P. Int. J. Pharm.， 1995， 120： 179-188

15 McMaster M C. LC/MS： A Practical User′s Guide， John Wiley & Sons， New Jersey， 2005： 44endprint