基于全二維氣相色譜－四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜法同時(shí)檢測(cè)土壤中24種有機(jī)磷與20種有機(jī)氯農(nóng)藥殘留

余 磊，趙志燊，趙 杰，向章敏

（1.貴陽(yáng)學(xué)院 貴州生態(tài)環(huán)境中優(yōu)勢(shì)農(nóng)產(chǎn)品殘留農(nóng)藥降解關(guān)鍵技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng)550005；2.廣東省科學(xué)院測(cè)試分析研究所 廣東省化學(xué)危害應(yīng)急檢測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州510070）

近年來(lái)，我國(guó)農(nóng)藥產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，農(nóng)藥年產(chǎn)量現(xiàn)居世界第二位。我國(guó)也是農(nóng)業(yè)大國(guó)，大面積的化學(xué)農(nóng)藥使用導(dǎo)致土壤和生態(tài)受到嚴(yán)重破壞。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)化學(xué)農(nóng)藥的使用量是世界平均用量的2.5倍，高毒農(nóng)藥使用量約占我國(guó)農(nóng)藥使用量的30%，其中有機(jī)磷和有機(jī)氯農(nóng)藥產(chǎn)量約占全世界總量的1/3，占全國(guó)農(nóng)藥總量的50%以上［1］。雖然高毒高殘留的有機(jī)氯農(nóng)藥在中國(guó)已禁用了二十多年，但大量研究表明它們?cè)谕寥乐械臋z出率接近90%，且在某些地區(qū)土壤中仍有相對(duì)較高的殘留［2］。有機(jī)磷農(nóng)藥是作為取代有機(jī)氯農(nóng)藥而發(fā)展起來(lái)的新型農(nóng)藥，其比有機(jī)氯農(nóng)藥容易降解，對(duì)自然環(huán)境的污染和生態(tài)系統(tǒng)的危害不及有機(jī)氯農(nóng)藥普遍和持久。然而，有機(jī)磷農(nóng)藥并不是理想的高效、低毒、低殘留農(nóng)藥，其可在動(dòng)物體內(nèi)富集，在環(huán)境中的殘留也不容忽視［3］。因此，對(duì)土壤中殘留的有機(jī)磷和有機(jī)氯農(nóng)藥進(jìn)行檢測(cè)非常重要，可為土壤修復(fù)及環(huán)境治理提供重要參考數(shù)據(jù)。

目前有關(guān)土壤中有機(jī)磷及有機(jī)氯農(nóng)藥殘留的檢測(cè)，多數(shù)集中在氣相色譜［4］、氣相色譜－質(zhì)譜［5］以及氣相色譜－三重四極桿質(zhì)譜［6］等方面。采用全二維氣相色譜檢測(cè)也偶有報(bào)道，例如李燕群等［7］采用全二維氣相色譜－質(zhì)譜法同時(shí)分析土壤中有機(jī)氯農(nóng)藥、酞酸酯和多氯聯(lián)苯，但并未對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥進(jìn)行分析。馬健生等［8］采用氣相色譜法測(cè)定土壤中21種有機(jī)氯和4種有機(jī)磷農(nóng)藥，分別采用電子俘獲檢測(cè)器及氮磷檢測(cè)器，需分步進(jìn)行，且農(nóng)藥種類少。針對(duì)土壤中可能同時(shí)存在多種有機(jī)磷及有機(jī)氯農(nóng)藥殘留的現(xiàn)象，本文借助于全二維氣相色譜強(qiáng)大的分離能力以及高分辨質(zhì)譜精確分子量準(zhǔn)確的定量效果［9－12］，建立了一種能同時(shí)檢測(cè)土壤中24種有機(jī)磷和20種有機(jī)氯農(nóng)藥殘留的分析方法，對(duì)于我國(guó)農(nóng)業(yè)用地土壤中農(nóng)藥殘留的高通量篩查與檢測(cè)具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

氣相色譜-四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜聯(lián)用儀（7890B－7250，美國(guó)Agilent公司），配置固態(tài)熱調(diào)制器（SSM1800，上海雪景電子科技有限公司）和三合一自動(dòng)進(jìn)樣器（PAL RSI120，瑞士CTC公司）；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（RE－52AA，上海亞榮生化儀器廠）；離心機(jī)（TG16－W，湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開(kāi)發(fā)有限公司）；超聲萃取儀（DTD－6R，湖北鼎泰恒勝科技設(shè)備有限公司）；電子天平（AL－104，美國(guó)Mettler－Toledo公司）及其他常用玻璃儀器。

正己烷、丙酮（色譜級(jí)，美國(guó)Merck公司）；無(wú)水硫酸鈉（分析純，廣州化學(xué)試劑廠）；24種有機(jī)磷和20種有機(jī)氯標(biāo)準(zhǔn)品（純度＞99.5%，美國(guó)Accustandard）。

1.2 儀器分析條件

全二維氣相色譜條件：柱1：HP－5MS（30 m×0.25 mm，0.25 μm）；柱2：D－17（1.0 m×0.18 mm，0.18 μm）；升溫程序：50℃保持1 min，以6℃/min升至150℃并保持2 min，再以3℃/min升至250℃并保持2 min；恒流模式，流速為1.0 mL/min；進(jìn)樣口溫度：260℃；分流模式：不分流；調(diào)制周期：5 s。

質(zhì)譜條件：離子源：EI，70 eV；離子源溫度：230℃；四極桿溫度：150℃；傳輸線溫度：280℃；質(zhì)量范圍：50～450 m/z；采集速率：12 500 amu/s。

1.3 前處理方法

本文主要借鑒馬健生等［8］報(bào)道的方法，采用索氏提取法進(jìn)行樣品前處理。稱取5.000 0 g樣品和等量的無(wú)水硫酸鈉至50 mL紙筒中，包裹后放入索氏提取器中，加入正己烷和丙酮（體積比1∶1）混合液100 mL，在65℃水浴加熱提取7 h，將提取后的樣品溶液經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮至1 mL左右，待檢測(cè)。

1.4 定量方法

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與處理采用Canvas全二維數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，選擇帶有高分辨精確質(zhì)量的特征離子進(jìn)行外標(biāo)法定量，并設(shè)置其質(zhì)荷比的質(zhì)量偏差在±0.002 0范圍內(nèi)。

2 結(jié)果與討論

2.1 全二維氣相色譜分離

全二維氣相色譜由于組合了兩根不同極性固定相的色譜柱，可依據(jù)沸點(diǎn)和極性兩個(gè)性質(zhì)實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的分離。通常在全二維譜圖中，同系物（具有類似化學(xué)性質(zhì)但碳鏈長(zhǎng)度有差異）物質(zhì)由于沸點(diǎn)范圍分布較廣，會(huì)沿著一維時(shí)間（按沸點(diǎn)分離）排列成具有一定二維寬度（按極性分離）的條帶。不同條帶代表不同性質(zhì)的族類物質(zhì)，從而形成結(jié)構(gòu)化的全二維色譜圖，更加適合族類的分離分析［13］。因此，本研究選擇較為常見(jiàn)的色譜柱組合（弱極性+中等極性），對(duì)索氏提取后的樣品直接進(jìn)行色譜分離，其色譜分離結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，經(jīng)全二維氣相色譜分離后，有機(jī)磷和有機(jī)氯農(nóng)藥的目標(biāo)峰與雜質(zhì)干擾峰可實(shí)現(xiàn)有效的族分離。經(jīng)過(guò)質(zhì)譜鑒定，主要的雜峰來(lái)自于苯系物和烷烴干擾，但經(jīng)全二維氣相色譜分離后，這些雜質(zhì)并未對(duì)目標(biāo)峰形成干擾，所以本方法無(wú)需過(guò)固相萃取柱分離雜質(zhì)，即可對(duì)44種目標(biāo)峰進(jìn)行定量分析，簡(jiǎn)化了分析步驟，在節(jié)省分析費(fèi)用的同時(shí)提升了分析效率。其次，一維氣相色譜進(jìn)行多目標(biāo)物高通量分析時(shí)，往往存在相互干擾，即一維保留時(shí)間相同的物質(zhì)，無(wú)法在一根色譜柱上進(jìn)行有效分離。如在本方法中，部分有機(jī)磷化合物的保留時(shí)間基本一致（見(jiàn)表1），例如：甲基毒死蜱和甲基對(duì)硫磷均為31.12 min，毒死蜱和對(duì)硫磷均為33.96 min，這4種農(nóng)藥在一維色譜上僅出現(xiàn)2個(gè)峰，難以進(jìn)行有效的定量分析。此外，除同類物質(zhì)干擾外，部分有機(jī)氯也會(huì)對(duì)有機(jī)磷產(chǎn)生干擾，如：甲基立枯磷和七氯均為31.37 min，異狄氏劑醛和乙硫磷均為42.21 min，也很難進(jìn)行有效的定量分析。然而，本文利用全二維氣相色譜可有效解決上述物質(zhì)相互干擾的問(wèn)題，雖然一維的保留時(shí)間一致，但第二維的保留時(shí)間有一定差異，能實(shí)現(xiàn)有效分離。因此，全二維氣相色譜優(yōu)勢(shì)在于使一維色譜柱上難分離的化合物，可在第二維色譜柱上繼續(xù)進(jìn)行二次分離［14－15］，排除雜質(zhì)及目標(biāo)物相互之間的干擾，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的定量分析。此外，本文優(yōu)化了不同調(diào)制周期對(duì)樣品的色譜分離效果，結(jié)果表明5 s的調(diào)制周期效果最好，所有峰在全二維氣相色譜圖上呈現(xiàn)較好的族分離效果，各族分布均勻，互不干擾，且無(wú)峰迂回現(xiàn)象。

圖1 全二維氣相色譜的族類分離色譜圖Fig.1 GC×GC contour plot of group separation

2.2 方法前處理

參照馬健生等［8］對(duì)有機(jī)磷及有機(jī)氯農(nóng)藥的索氏提取方法，本文對(duì)提取溫度（60、65、70℃）、提取溶劑（丙酮∶甲醇=1∶1、丙酮∶正己烷=1∶1、正己烷∶甲醇=1∶1）及提取時(shí)間（5、7、12 h）進(jìn)行了前處理?xiàng)l件驗(yàn)證，結(jié)果與文獻(xiàn)［8］報(bào)道一致，即采用100 mL正己烷和丙酮（1∶1）混合溶劑在65℃下索氏提取7 h為最優(yōu)條件。

2.3 定性與定量分析

根據(jù)《質(zhì)譜分析方法通則》（GB/T－6041－2020）［16］，一般是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)品或?qū)φ掌返谋Ａ魰r(shí)間及譜庫(kù)匹配度確定物質(zhì)結(jié)構(gòu)，同時(shí)也可根據(jù)高分辨質(zhì)譜的精確質(zhì)量，直接獲得元素組成來(lái)推斷物質(zhì)結(jié)構(gòu)。本文定性分析除了根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)品的保留時(shí)間外，同時(shí)選擇對(duì)應(yīng)精確質(zhì)量的分子離子或特征離子作為輔助定性離子，詳見(jiàn)表1中的定性離子對(duì)。

其次，在定量分析方面，采用空白土壤提取后的基質(zhì)分別將24種有機(jī)磷和20種有機(jī)氯農(nóng)藥混合標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液逐級(jí)稀釋配成10 mg/L的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，再稀釋配制成20、50、100、500、1 000、3 000 μg/L的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液。按“1.2”色譜條件對(duì)混合標(biāo)準(zhǔn)溶液系列進(jìn)行檢測(cè)，選擇高分辨精確質(zhì)量基峰離子的峰面積繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，其定量離子、線性關(guān)系和檢出限（S/N=3，LOD）見(jiàn)表1。結(jié)果顯示，44種農(nóng)藥的線性范圍為20～3 000 μg/L，相關(guān)系數(shù)（r2）為0.990 3～0.999 9，LOD為0.3～7.9 μg/L?？梢?jiàn)，本方法呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系和較高的靈敏度。

表1 44種農(nóng)藥的保留時(shí)間、定量定性離子、線性關(guān)系及檢出限Table 1 Retention times，quantitative and qualitative ions，linear relations and detection limits of 44 pesticides

2.4 回收率與相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差

向不含有機(jī)氯和有機(jī)磷的空白土壤樣品中，分別添加50、1 000 μg/kg兩個(gè)不同濃度的40種農(nóng)藥混合標(biāo)準(zhǔn)品，按相同的實(shí)驗(yàn)方法平行測(cè)定5次，計(jì)算其回收率和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD），結(jié)果見(jiàn)表2。結(jié)果顯示，加標(biāo)濃度為50 μg/kg時(shí)，44種農(nóng)藥的回收率為80.3%～102%，平均回收率為90.4%，RSD為2.8%～9.6%，平均RSD為6.7%；加標(biāo)濃度為1 000 μg/kg時(shí)，44種農(nóng)藥的回收率為82.3%～103%，平均回收率為95.5%，RSD為1.3%～9.7%，平均RSD為7.3%。綜上，該方法的平均回收率為93.0%，平均RSD為6.9%，具有良好的準(zhǔn)確度及精密度。

表2 44種農(nóng)藥的回收率及相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（n=5）Table 2 Recoveries and relative standard deviations of 44 pesticides（n=5）

2.5 實(shí)際樣品應(yīng)用

采集草莓種植園、小麥種植園、蔬菜基地等不同類型土壤樣品，采用本文所建立的方法進(jìn)行分析（見(jiàn)表3）。結(jié)果表明，上述3種土壤中有機(jī)磷及有機(jī)氯農(nóng)藥的殘留量均較低，分別檢出8種、3種和5種待測(cè)農(nóng)藥。由此可見(jiàn)，草莓園中的農(nóng)藥殘留種類高于小麥和蔬菜，原因可能在于草莓大棚內(nèi)接受陽(yáng)光和雨水的能力受限，導(dǎo)致農(nóng)藥不易降解。此外，草莓園中的甲拌磷，小麥種植土壤中的狄氏劑以及蔬菜土壤中的甲基立枯磷，均比其他農(nóng)藥的殘留含量高，這可能與防治對(duì)象所施用的農(nóng)藥不同有關(guān)。

表3 實(shí)際樣品檢測(cè)結(jié)果（n=3）Table 3 Results of test for real samples（n=3）

3 結(jié)論

為了更高效地檢測(cè)土壤樣品中殘留的多種有機(jī)磷及有機(jī)氯農(nóng)藥，本文基于全二維氣相色譜-四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜建立了土壤中24種有機(jī)磷和20種有機(jī)氯農(nóng)藥殘留的高通量檢測(cè)方法，并對(duì)實(shí)際樣品進(jìn)行了應(yīng)用分析。在現(xiàn)有方法的基礎(chǔ)上，將索氏抽提后的樣品直接進(jìn)行全二維氣相色譜分離，可獲得較好的分離效果，在無(wú)需過(guò)固相萃取柱的情況下，即可排除雜質(zhì)與目標(biāo)物之間的干擾，簡(jiǎn)化了分析步驟和提高了分析效率。方法驗(yàn)證結(jié)果顯示，本文采用的高分辨特征離子定量方法，線性相關(guān)性較好，靈敏度較高，回收率和精密度均能滿足分析要求。本研究為土壤中有機(jī)磷和有機(jī)氯農(nóng)藥殘留的高通量快速篩查提供了方法保證。