基于全二維氣相色譜－四極桿飛行時間質譜法同時檢測土壤中24種有機磷與20種有機氯農藥殘留

余 磊，趙志燊，趙 杰，向章敏

（1.貴陽學院 貴州生態環境中優勢農產品殘留農藥降解關鍵技術研究重點實驗室，貴州 貴陽550005；2.廣東省科學院測試分析研究所 廣東省化學危害應急檢測技術重點實驗室，廣東 廣州510070）

近年來，我國農藥產業迅速發展，農藥年產量現居世界第二位。我國也是農業大國，大面積的化學農藥使用導致土壤和生態受到嚴重破壞。據統計，我國化學農藥的使用量是世界平均用量的2.5倍，高毒農藥使用量約占我國農藥使用量的30%，其中有機磷和有機氯農藥產量約占全世界總量的1/3，占全國農藥總量的50%以上［1］。雖然高毒高殘留的有機氯農藥在中國已禁用了二十多年，但大量研究表明它們在土壤中的檢出率接近90%，且在某些地區土壤中仍有相對較高的殘留［2］。有機磷農藥是作為取代有機氯農藥而發展起來的新型農藥，其比有機氯農藥容易降解，對自然環境的污染和生態系統的危害不及有機氯農藥普遍和持久。然而，有機磷農藥并不是理想的高效、低毒、低殘留農藥，其可在動物體內富集，在環境中的殘留也不容忽視［3］。因此，對土壤中殘留的有機磷和有機氯農藥進行檢測非常重要，可為土壤修復及環境治理提供重要參考數據。

目前有關土壤中有機磷及有機氯農藥殘留的檢測，多數集中在氣相色譜［4］、氣相色譜－質譜［5］以及氣相色譜－三重四極桿質譜［6］等方面。采用全二維氣相色譜檢測也偶有報道，例如李燕群等［7］采用全二維氣相色譜－質譜法同時分析土壤中有機氯農藥、酞酸酯和多氯聯苯，但并未對有機磷農藥進行分析。馬健生等［8］采用氣相色譜法測定土壤中21種有機氯和4種有機磷農藥，分別采用電子俘獲檢測器及氮磷檢測器，需分步進行，且農藥種類少。針對土壤中可能同時存在多種有機磷及有機氯農藥殘留的現象，本文借助于全二維氣相色譜強大的分離能力以及高分辨質譜精確分子量準確的定量效果［9－12］，建立了一種能同時檢測土壤中24種有機磷和20種有機氯農藥殘留的分析方法，對于我國農業用地土壤中農藥殘留的高通量篩查與檢測具有重要意義。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

氣相色譜-四極桿飛行時間質譜聯用儀（7890B－7250，美國Agilent公司），配置固態熱調制器（SSM1800，上海雪景電子科技有限公司）和三合一自動進樣器（PAL RSI120，瑞士CTC公司）；旋轉蒸發儀（RE－52AA，上海亞榮生化儀器廠）；離心機（TG16－W，湖南湘儀實驗室儀器開發有限公司）；超聲萃取儀（DTD－6R，湖北鼎泰恒勝科技設備有限公司）；電子天平（AL－104，美國Mettler－Toledo公司）及其他常用玻璃儀器。

正己烷、丙酮（色譜級，美國Merck公司）；無水硫酸鈉（分析純，廣州化學試劑廠）；24種有機磷和20種有機氯標準品（純度＞99.5%，美國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；進樣口溫度：260℃；分流模式：不分流；調制周期：5 s。

質譜條件：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］報道的方法，采用索氏提取法進行樣品前處理。稱取5.000 0 g樣品和等量的無水硫酸鈉至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旋轉蒸發儀濃縮至1 mL左右，待檢測。

1.4 定量方法

實驗數據分析與處理采用Canvas全二維數據處理系統，選擇帶有高分辨精確質量的特征離子進行外標法定量，并設置其質荷比的質量偏差在±0.002 0范圍內。

2 結果與討論

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，可依據沸點和極性兩個性質實現對樣品的分離。通常在全二維譜圖中，同系物（具有類似化學性質但碳鏈長度有差異）物質由于沸點范圍分布較廣，會沿著一維時間（按沸點分離）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的族類物質，從而形成結構化的全二維色譜圖，更加適合族類的分離分析［13］。因此，本研究選擇較為常見的色譜柱組合（弱極性+中等極性），對索氏提取后的樣品直接進行色譜分離，其色譜分離結果如圖1所示。

由圖1可知，經全二維氣相色譜分離后，有機磷和有機氯農藥的目標峰與雜質干擾峰可實現有效的族分離。經過質譜鑒定，主要的雜峰來自于苯系物和烷烴干擾，但經全二維氣相色譜分離后，這些雜質并未對目標峰形成干擾，所以本方法無需過固相萃取柱分離雜質，即可對44種目標峰進行定量分析，簡化了分析步驟，在節省分析費用的同時提升了分析效率。其次，一維氣相色譜進行多目標物高通量分析時，往往存在相互干擾，即一維保留時間相同的物質，無法在一根色譜柱上進行有效分離。如在本方法中，部分有機磷化合物的保留時間基本一致（見表1），例如：甲基毒死蜱和甲基對硫磷均為31.12 min，毒死蜱和對硫磷均為33.96 min，這4種農藥在一維色譜上僅出現2個峰，難以進行有效的定量分析。此外，除同類物質干擾外，部分有機氯也會對有機磷產生干擾，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相互干擾的問題，雖然一維的保留時間一致，但第二維的保留時間有一定差異，能實現有效分離。因此，全二維氣相色譜優勢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進行二次分離［14－15］，排除雜質及目標物相互之間的干擾，從而實現準確的定量分析。此外，本文優化了不同調制周期對樣品的色譜分離效果，結果表明5 s的調制周期效果最好，所有峰在全二維氣相色譜圖上呈現較好的族分離效果，各族分布均勻，互不干擾，且無峰迂回現象。

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］對有機磷及有機氯農藥的索氏提取方法，本文對提取溫度（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）及提取時間（5、7、12 h）進行了前處理條件驗證，結果與文獻［8］報道一致，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為最優條件。

2.3 定性與定量分析

根據《質譜分析方法通則》（GB/T－6041－2020）［16］，一般是通過標準品或對照品的保留時間及譜庫匹配度確定物質結構，同時也可根據高分辨質譜的精確質量，直接獲得元素組成來推斷物質結構。本文定性分析除了根據標準品的保留時間外，同時選擇對應精確質量的分子離子或特征離子作為輔助定性離子，詳見表1中的定性離子對。

其次，在定量分析方面，采用空白土壤提取后的基質分別將24種有機磷和20種有機氯農藥混合標準儲備溶液逐級稀釋配成10 mg/L的混合標準溶液，再稀釋配制成20、50、100、500、1 000、3 000 μg/L的混合標準溶液。按“1.2”色譜條件對混合標準溶液系列進行檢測，選擇高分辨精確質量基峰離子的峰面積繪制標準曲線，其定量離子、線性關系和檢出限（S/N=3，LOD）見表1。結果顯示，44種農藥的線性范圍為20～3 000 μg/L，相關系數（r2）為0.990 3～0.999 9，LOD為0.3～7.9 μg/L。可見，本方法呈現出較好的線性關系和較高的靈敏度。

表1 44種農藥的保留時間、定量定性離子、線性關系及檢出限Table 1 Retention times，quantitative and qualitative ions，linear relations and detection limits of 44 pesticides

2.4 回收率與相對標準偏差

向不含有機氯和有機磷的空白土壤樣品中，分別添加50、1 000 μg/kg兩個不同濃度的40種農藥混合標準品，按相同的實驗方法平行測定5次，計算其回收率和相對標準偏差（RSD），結果見表2。結果顯示，加標濃度為50 μg/kg時，44種農藥的回收率為80.3%～102%，平均回收率為90.4%，RSD為2.8%～9.6%，平均RSD為6.7%；加標濃度為1 000 μg/kg時，44種農藥的回收率為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%，具有良好的準確度及精密度。

表2 44種農藥的回收率及相對標準偏差（n=5）Table 2 Recoveries and relative standard deviations of 44 pesticides（n=5）

2.5 實際樣品應用

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行分析（見表3）。結果表明，上述3種土壤中有機磷及有機氯農藥的殘留量均較低，分別檢出8種、3種和5種待測農藥。由此可見，草莓園中的農藥殘留種類高于小麥和蔬菜，原因可能在于草莓大棚內接受陽光和雨水的能力受限，導致農藥不易降解。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，均比其他農藥的殘留含量高，這可能與防治對象所施用的農藥不同有關。

表3 實際樣品檢測結果（n=3）Table 3 Results of test for real samples（n=3）

3 結論

為了更高效地檢測土壤樣品中殘留的多種有機磷及有機氯農藥，本文基于全二維氣相色譜-四極桿飛行時間質譜建立了土壤中24種有機磷和20種有機氯農藥殘留的高通量檢測方法，并對實際樣品進行了應用分析。在現有方法的基礎上，將索氏抽提后的樣品直接進行全二維氣相色譜分離，可獲得較好的分離效果，在無需過固相萃取柱的情況下，即可排除雜質與目標物之間的干擾，簡化了分析步驟和提高了分析效率。方法驗證結果顯示，本文采用的高分辨特征離子定量方法，線性相關性較好，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磷和有機氯農藥殘留的高通量快速篩查提供了方法保證。