氣相色譜-質譜法測定水-沉積物系統中39 種農藥殘留

紀丙鑫, 郝雨陽, 徐彥軍, 林永鋒, 李 季,田光明,4, 魏雨泉, 丁國春, 許 艇*,

(1. 中國農業大學 資源與環境學院，生物多樣性與有機農業北京市重點實驗室，北京 100193；2. 中國農業大學 理學院應用化學系 農藥創新研究中心，北京 100193；3. 中國農業大學 有機循環研究院，江蘇 蘇州 215000；4. 浙江大學 環境與資源學院，杭州 310058)

農藥應用在農業生產中，可以有效防治病蟲害，保護作物，提高產量[1]，但隨著農藥的大量使用，殘留的農藥可通過地表徑流、工業廢水排放、大氣干濕沉降或遠距離傳輸等途徑進入河流、湖泊等水體中并最終富集到沉積物中，對水生環境造成危害[2-3]，因此多種農藥在水-沉積物系統中殘留檢測方面的研究顯得愈來愈重要。

目前，水體中農藥殘留檢測常用的前處理方法有液-液萃取[4]、固相萃取[5]等。其中，固相萃取成本較高，而液-液萃取操作簡單、萃取效率高、成本低。因此本研究采用液-液萃取水體中的農藥殘留。沉積物中殘留檢測常用的前處理方法有振蕩提取、索氏提取[6]、加速溶劑萃取[7]等。這些方法或存在提取時間長、過程復雜、有機試劑用量大等缺點，或需要昂貴的前處理設備，同時檢測農藥殘留種類數量少，無法同時對多種類型農藥殘留進行檢測。QuEChERS(Quick、Easy、Cheap、Effective、Rugged、Safe)，是一種用于農產品檢測的樣品前處理方法，利用吸附劑填料與基質中的雜質相互作用吸附雜質從而達到除雜凈化的目的，操作簡便、快速[8]。近年開始應用在環境介質(土壤、沉積物)中農藥的殘留檢測[9]。

環境中農藥殘留的檢測方法主要有氣相色譜(GC)法[10]、高效液相色譜(HPLC)法[11]、氣相色譜-質譜 (GC-MS)法[12]、液相色譜-質譜 (LC-MS)法[13]等。其中，GC 和HPLC 方法靈敏度相對較低，易受到雜質干擾，僅依靠保留時間定性依據不充分，而GC-MS 和LC-MS 靈敏度提高，抗干擾能力更強，能對農藥殘留進行準確定量和定性分析，在食品農藥的多殘留分析中得到廣泛應用[14]。

本研究重點針對在環境中難降解的有機氯、農業生產中常使用的有機磷和擬除蟲菊酯類農藥以及在我國水域中廣泛被檢出的三嗪類農藥[15]，采用GC-MS 對水體和沉積物樣品中39 種農藥進行檢測，以期為水環境中農藥的測定提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 儀器、藥劑與試劑

ISQ7000 Trace1300 GC-MS (美國Thermo 公司)；5424R 高速冷凍離心機 (德國Eppendorf 公司)；KQ3200DE 超聲波清洗器 (昆山市超聲儀器有限公司)；Field-X-2-15UV 實驗室超純水儀 (費爾德北京科學儀器有限公司)；MM400 冷凍混合球磨儀 (上海一韋科技有限責任公司)；QF-3800B氮氣吹干儀 (天津市旗美科技有限公司；SJIA-10N-50A 真空冷凍干燥機 (寧波市雙嘉儀器有限公司) 。

乙腈、正己烷和乙酸乙酯均為色譜純，購自上海安譜實驗科技股份有限公司；39 種農藥混合標準溶液 (100 mg/L) 、乙二胺-N-丙基硅烷(PSA)、石墨化碳黑(GCB)和QuEChERS 萃取鹽包(6 g 無水硫酸鎂、1.5 g 無水乙酸鈉)均購自上海安譜實驗科技股份有限公司；氯化鈉購于國藥集團化學試劑公司；無水硫酸鈉小柱(6 g/12 mL)購于上海靳瀾儀器制造有限公司。

1.2 標準溶液配制

39 種農藥混合標準溶液經乙酸乙酯稀釋50 倍得中間儲備溶液.再依次用乙酸乙酯配制成各質量濃度分別為 10、20、50、100、200、500、1 000、2 000 μg/L 混合標準工作溶液，備用。

1.3 試驗方法

1.3.1 儀器檢測條件

色譜條件：TG-5SILMS 色譜柱(30 m × 0.25 mm，0.25 μm)。色譜柱溫度程序：60 ℃保持2 min，然后以25 ℃/min 升溫至180 ℃，再以5 ℃/min 升溫至280 ℃，最后以10 ℃/min 升溫至300 ℃，保持5 min。載氣為氦氣，純度≥99.999%；氦氣流速1 mL/min；進樣口溫度，250 ℃；不分流進樣，進樣量1 μL。

質譜條件：電子轟擊離子源 (EI 源) ；電離能量70 eV；離子源溫度300 ℃；傳輸線溫度280 ℃；選擇離子監測(SIM)模式。

1.3.2 樣品前處理

水體樣品：取1 L 水樣，在負壓條件下通過0.45 μm 玻璃纖維濾膜后，置于高密度聚乙烯瓶中，于4 ℃避光保存。量取200 mL水樣于500 mL分液漏斗中，加入20 g 氯化鈉，振蕩至完全溶解后，加入20 mL 乙酸乙酯振搖30 min；靜置分層，收集上層萃取液，重復萃取兩次；合并萃取液，經無水硫酸鈉小柱(6 g/12 mL)脫水后氮吹濃縮至近干，用乙酸乙酯定容至1 mL，過0.22 μm濾膜后進行GC-MS 測定。

沉積物樣品：將采集自河流、湖泊的沉積物冷凍干燥后，用球磨儀研磨成粉末；稱取5 g (精確至0.01 g) 樣品于50 mL 離心管中，加入10 mL純水和10 mL 乙腈，渦旋混勻1 min，超聲30 min后置于4 ℃冰箱10 min；加入6 g 無水硫酸鎂和1.5 g 無水乙酸鈉，渦旋1 min，于8 000 r/min 下離心5 min；取6 mL 上清液至10 mL 離心管中，加入150 mg PSA 和20 mg GCB，渦旋1 min，于4 500 r/min 下離心5 min；取4 mL 上清液至10 mL 刻度試管中，于45 ℃水浴下氮氣緩緩吹干，加入1 mL 乙酸乙酯溶解殘渣，渦旋1 min，過0.22 μm 濾膜后進行GC-MS 測定。

1.3.3 添加回收試驗 向空白水樣和沉積物中分別加入低、中、高3 個水平的39 種農藥混合標準溶液，使水樣中添加水平分別為0.25、0.5 和5.0 μg/L，沉積物中添加水平分別為5.0、20 和100 μg/kg，每個水平重復5 次，按上述條件測定，計算回收率和相對標準偏差。

2 結果與分析

2.1 質譜條件的優化

取1.2 節中1 000 μg/L 的39 種農藥混合標準溶液進行GC-MS 測定。首先采用全掃描(Full Scan)模式對39 種農藥混合標準工作溶液進行全掃描，全掃描范圍為m/z50～500。通過控制升溫程序，將39 種農藥分離，得到39 種農藥的保留時間。根據全掃描結果，通過美國國家標準技術研究院 (NIST) 標準譜庫檢索匹配，每種農藥選擇3～4 個特征離子，選擇響應最高、豐度最大的離子作為定量離子。最后根據保留時間和定量定性離子等參數構建選擇離子監測模式(SIM)。39 種農藥的保留時間和定性、定量離子見表1，其總離子流圖見圖1。

圖1 39 種農藥混合標準工作溶液 (1.0 mg/L) 在SIM 模式下的總離子流色譜圖Fig. 1 Total ion current chromatogram of 39 pesticides (1.0 mg/L) in SIM mode

表1 39 種農藥GC-MS 檢測的SIM 條件Table 1 SIM conditions by GC-MS

續表1Table 1 (Continued)

2.2 水體中39 種農藥的提取

水體中的農藥采用液-液萃取進行提取，在200 mL 空白水樣中加入39 種農藥混合標準溶液，配制成各目標農藥質量濃度為 0.5 μg/L 的模擬水樣，分別比較了正己烷、二氯甲烷以及乙酸乙酯對39 種農藥的萃取效率。由圖2 可知，乙酸乙酯對絕大多數目標物的萃取效率均達70% 以上。正己烷萃取撲草凈、撲滅通、西瑪津、莠去津等三嗪類除草劑的回收率均低于50%，這是由于正己烷屬于非極性溶劑，對極性強的農藥萃取效果一般。使用二氯甲烷進行液-液萃取時，雖然所有農藥的回收率均在70%以上，但由于二氯甲烷本身就是一種環境污染物，對環境有深度危害性[16]；同時二氯甲烷還是一種中等毒性的物質，對人類具有潛在的致癌性[17]。綜合考慮，最終選擇乙酸乙酯作為萃取溶劑。

圖2 不同萃取溶劑對水體中39 種農藥回收率的影響Fig. 2 The recoveries of 39 pesticides in water using different extraction solvents

2.3 沉積物中39 種農藥的提取與凈化

乙腈、丙酮、正己烷和二氯甲烷等均為常用萃取溶劑。其中，乙腈極性較強，對農藥的回收效果好[18]，且與丙酮相比，對色素和雜質的提取率低，可有效地降低基質干擾[19]，正己烷和二氯甲烷萃取一些極性強的農藥回收率較低，因此選擇乙腈為提取溶劑。C18、PSA 和GCB 等均為常用凈化劑，其中，PSA 能夠去除有機酸、部分色素和糖類等[20]，C18主要用于去除基質中油脂、維生素和甾醇等非極性物質的干擾[21]，GCB 能有效除去甾醇和色素，可吸附90%以上的色素成分[22]。本研究中考察了上述3 種凈化劑不同組合對39 種農藥的凈化效果。稱取5 g 空白沉積物樣品，添加一定量的39 種農藥混合標準溶液，添加水平為0.05 mg/kg，分別對比了6 組不同吸附材料組合：(Ⅰ) 100 mg PSA；(Ⅱ) 100 mg PSA + 100 mg C18；(Ⅲ) 100 mg PSA + 20 mg GCB；(Ⅳ) 100 mg PSA +40 mg GCB；(Ⅴ) 150 mg PSA；(Ⅵ) 200 mg PSA。結果 (圖3) 表明：組合(Ⅰ) 和組合(Ⅱ)回收率相差較小，表明是否添加C18對回收率影響不大。由組合(Ⅰ)、 (Ⅴ)和 (Ⅵ)可知，隨著PSA 添加量的增加，回收率逐漸增加，在其添加量為150 mg 時回收率達到最高。由組合(Ⅰ) 、(Ⅲ) 和(Ⅳ)可知，未添加GCB 的提取液呈淡黃色，隨著GCB 用量的增加，色素逐漸被吸收，提取液逐漸呈現無色透明狀，基質干擾降低，回收率逐漸增加，其中在其添加量為20 mg 時部分農藥的回收率優于40 mg 的，因此GCB 添加量確定為20 mg。從減少對儀器的污染、節約成本、提高回收率等方面綜合考慮，最終選擇150 mg PSA + 20 mg GCB 作為凈化劑組合。

圖3 不同凈化劑組合對沉積物中39 種農藥回收率的影響Fig. 3 The recoveries of 39 pesticides in sediments using different cleaned-up sorbents

2.4 方法評價

2.4.1 標準曲線、檢出限和定量限 取質量濃度分別為 10、20、50、100、200、500 和1 000 μg/L的系列混合標準工作溶液，按1.3.1 節的條件測定，采用SIM 模式，以峰面積為縱坐標，濃度為橫坐標，平行測定3 次，得到39 種農藥的線性方程。參照文獻方法[23]在空白樣品中加入極少量各目標農藥，按照樣品分析的全部步驟，對樣品進行7 次平行測定，計算出各目標農藥的標準偏差(SD)，以3.143 倍標準偏差(3.143SD)計算方法的檢出限(LOD)，以3 倍方法檢出限計算定量限(LOQ) 。結果 (表2) 表明：39 種農藥線性關系良好，決定系數(R2)在0.995 6～0.999 9 之間，水體中39 種農藥的LOD 為0.02～0.06 μg/L，LOQ 為0.04～0.18 μg/L；沉積物中39 種農藥的LOD 為0.7～1.5 μg/kg，LOQ 為2.1～4.3 μg/kg。

表2 39 種農藥在溶劑中的線性方程、決定系數、檢出限及定量限 (線性范圍：10～1 000 μg/L)Table 2 The linear equation, R2, LOD and LOQ of 39 pesticides in solvent (Linear range: 10-1 000 μg/L)

續表2Table 2 (Continued)

2.4.2 正確度、精密度和靈敏度 將2 000 μg/L的39 種農藥混合標準工作溶液用1.3.2 節的方法處理后的空白水體或沉積物提取溶液稀釋，以空白基質匹配標準溶液外標法定量，配制成質量濃度范圍在10～1 000 μg/L 的系列基質匹配標準溶液，按照1.3.3 節方法進行添加回收試驗。結果(表3) 表明：39 種農藥在水體中的平均回收率為72%～111%，相對標準偏差(RSD,n= 5)為1.1%～10%；在沉積物中的平均回收率為65%～119%，RSD (n= 5)為2.1%～12%之間。表明其正確度、精密度和靈敏度均較好。

表3 39 種農藥在水體和沉積物基質中的線性方程、添加回收率及相對標準偏差(n=5)Table 3 The linear equations, recoveries and RSDs of 39 pesticides in water and sediment matrix (n=5)

續表3Table 3 (Continued)

續表3Table 3 (Continued)

續表3Table 3 (Continued)

2.5 實際樣品檢測

從江蘇省蘇州市太湖流域采集河水、湖水樣品88 份，采集湖泊、河流沉積物樣品81 份。采用1.2 節的方法進行樣品前處理，對39 種目標農藥殘留進行檢測。定性依據參考相關標準[24-27]，樣品中目標農藥的相對保留時間與標準系列溶液中該農藥的相對保留時間的差值在 ±0.03 以內；樣品中目標農藥的輔助定性離子與定量離子豐度比與標準溶液中輔助定性離子與定量離子豐度比相對偏差應在 ±30% 以內。檢測結果 (表4) 表明：水體中共檢出撲草凈和特丁津兩種農藥，其中撲草凈檢出濃度最高為0.75 μg/L；沉積物中共檢出p,p′-DDE、p,p′-DDD、噻嗪酮、聯苯菊酯、高效氯氟氰菊酯、氯菊酯和撲草凈7 種農藥，其中噻嗪酮檢出濃度最高，為51.42 μg/kg；檢出率較高的有p,p′-DDE (84%)、噻嗪酮 (47%)、聯苯菊酯(38%)，其他農藥檢出率均較低。

表4 實際樣品檢測結果Table 4 Detected concentration of pesticides in samples

3 結論

本研究建立了水體和沉積物中包括有機氯、有機磷、三嗪類和擬除蟲菊酯類農藥在內的39 種農藥的提取和GC-MS 測定方法。采用選擇離子監測(SIM)模式檢測，外標法定量。通過比較不同萃取溶劑確定了水體中農藥的前處理方法，方法對水體中39 種農藥的LOD 為0.02～0.06 μg/L。同時通過比較不同凈化劑配比對沉積物提取液的凈化效果，選擇了成本低、回收率高的凈化條件，方法對沉積物中39 種農藥的LOD 為0.7～1.5 μg/kg。39 種農藥在水體和沉積物中的添加回收率絕大部分在70%～110%之間，相對標準偏差(n= 5)＜20%。本方法前處理操作簡便，提取效率高，檢測時間短，一般實驗室的配置均能滿足操作要求，并且方法的正確度和精密度均能滿足檢測要求，可用于湖泊、河流中水體和沉積物中農藥殘留的測定，對于探明農藥在水體和沉積物中的污染狀況，防控農藥污染，保護水生生態環境的健康可持續發展具有重要意義。