基金項目:寧夏自然科學基金項目(2023AAC03733)
第一作者簡介:陳青(1988-),女,碩士,農業工程師。研究方向為農產品質量安全檢驗檢測。
DOI:10.20028/j.zhnydk.2024.11.021
摘" 要:毒死蜱的施用導致的環境問題引發越來越多的關注,隨著對毒死蜱采取的進一步禁限用管理和檢測技術的發展,其殘留檢測要求也越來越高。該文主要對種植環境里土壤中毒死蜱殘留量的前處理和檢測方法相關文獻進行歸納,對比評述相關方法的優缺點及適用性,同時展望土壤中毒死蜱檢測技術的發展趨勢。
關鍵詞:毒死蜱;土壤;前處理;檢測;適用性
中圖分類號:X592" " " 文獻標志碼:A" " " " " 文章編號:2096-9902(2024)11-0091-05
Abstract: The environmental concerns caused by the administration of chlorpyrifos have attracted a lot of attention. With the development of further prohibition and detection techniques for chlorpyrifos, the detection of chlorpyrifos residues has become more and more accurate. In this paper, the related literatures on the pretreatment and detection methods of chlorpyrifos residues in soil in planting environment were summarized, the advantages, disadvantages and applicability of these methods were compared and reviewed, and the development trend of soil chlorpyrifos detection technology was prospected.
Keywords: chlorpyrifos; soil; pre-treatment; detection; applicability
毒死蜱,即O,O-二乙基-O-(3,5,6-三氯-2-吡啶基)硫代磷酸酯,是一種中等毒性有機磷農藥,穩定性好,易溶于有機溶劑,非內吸性,廣泛用于糧油作物、水果等種植過程中咀嚼式、刺吸式口器等害蟲的防治。
有研究表明,農業生產噴灑的農藥除少數被農作物吸收和作用于靶向生物外,其余的80%~90%通過土壤吸附、大氣揮發、降水淋溶以及生物富集等途徑在土壤環境中積累[1]。由于毒死蜱廣泛使用及具有較好的穩定性,在很多國家和地區的環境介質中均已檢測到其殘留[2],通過環境和生物持久累積,放大進入食物鏈對人類健康造成威脅[3],還會對生態環境造成威脅[4]。毒死蜱也是近年來蔬菜、水果中檢出率較高的化學性殘留危害物之一,為此,農業部第2032號公告規定,自2016年12月31日起對毒死蜱采取進一步禁限用管理措施,毒死蜱被禁止在蔬菜上使用。
環境中農殘檢測技術是農業環境安全監管的重要手段,隨著提取和檢測技術的發展,食品中毒死蜱殘留檢測限量越來越低,毒死蜱在環境介質特別是土壤中的檢測方法也發展迅速。本文對土壤中毒死蜱檢測的相關文獻進行了歸納整理,分析了常見前處理和檢測方法要點及存在問題,展望了毒死蜱檢測技術的創新和發展前景,可為土壤環境中毒死蜱殘留的監測提供參考。
1" 土壤樣品前處理方法與技術
土壤中的毒死蜱往往都是痕量,樣品檢測前,通常要對樣品進行必要的提取和凈化處理,設法最大程度消除干擾,樣品在濃縮后才能超過檢測限被測定。
1.1" 液相萃取(Liquid-PhaseExtraction,LPE)
土壤中毒死蜱的提取是液相萃取的方法,利用毒死蜱與其他干擾組分在溶劑中的溶解度不同而達到提取的目的。常使用的提取劑有乙腈、丙酮、乙酸乙酯,烷烴類如重蒸石油醚,復合萃取劑如乙酸乙酯-乙酸、正己烷-丙酮等。常壓下使用分液漏斗、索氏提取器、旋轉蒸發器、三角瓶和雞心瓶等進行萃取。張苑苓等[5]分別用乙腈、正己烷-丙酮(1∶1,V∶V)、乙腈-水(4∶1,V∶V)、丙酮和乙酸乙酯提取土壤樣品中的毒死蜱,發現幾種提取劑的回收率都大于80%。馬琳等[6]在待測稻田土壤樣品中使用乙腈提取毒死蜱,該法添加回收率82.25%~89.1%,相對標準偏差(RSD)0.63%~6.38%。為提高提取效率可選取不同萃取劑疊加萃取[7]、反向萃取或同一萃取劑重復萃取[8],利用設備設施對萃取環境加熱、加壓、超生、震蕩或減壓等也是常用的輔助手段。謝慧等[9]選用索氏提取法提取土壤中毒死蜱,水浴鍋回流4 h,分液漏斗中石油醚提取2次,此法平均回收率94.86%~102.59%,RSD小于4.05%。
可以看出,用LPE提取土壤樣品中的毒死蜱,回收率高且重現性好,方法靈敏、準確。但傳統方法分配時間長,操作繁瑣,消耗量大,乙腈、乙酸乙酯、丙酮等溶劑有一定毒性,對環境、實驗人員的影響較大。
1.2" 固相萃取(Solid-Phase Extraction,SPE)
SPE是土壤中毒死蜱的凈化有效手段,SPE法萃取劑為固體,固相填料包含腈基、氨基、C18或C8等基團,因毒死蜱與干擾組分在固相萃取劑上的作用力不同,使其能夠從基質中分離出來。馮妍等[10]用自制復合硅土固相萃取小柱萃取土壤中殘留毒死蜱,發現對高添加量的毒死蜱回收率都超過80%。譚松林等[11]用弗羅里硅土固相萃取柱對土壤樣品進行凈化,樣品回收率為77%~118%,RSD為5%~14%。施玉格等[12]采用加壓流體萃取儀對土壤樣品進行提取,以石墨化炭黑固相萃取小柱凈化樣品,發現平均回收率60.0%~104%,回收率與添加濃度正相關,RSD小于19.1%,與添加濃度負相關。多壁碳納米管是一種特殊管狀物,由碳環微結構單組成的一維量子材料,張苑苓等[5]以多壁碳納米管為固相萃取材料提取土壤中的毒死蜱,條件優化后樣品回收率在85.9%~103.8%,RSD小于5.4%。
可以看出,SPE所需溶劑少,幾乎不引入雜質,除雜效果較好,萃取操作簡便、省時,材料具有可回收、成本低廉等優點,比較適用于土壤樣品的凈化。但SPE凈化效率受土壤中毒死蜱含量影響明顯,與添加濃度正相關,目標物含量較低時檢測穩定性不高,萃取效果受材質影響較大,萃取柱存在易穿透、吸附容量低、適應范圍窄等問題。
1.3" 分散固相萃取(Dispersive solid-phase extraction,DSPE)
DSPE利用含MgSO4、PSA(乙二胺基-N-丙基)、硅膠、高分子材料和弗羅里硅土等吸附成分的分散固相吸附待測溶液中的雜質從而達到除雜凈化的目的。
1.3.1" QuEChERS
QuEChERS是目前使用普遍的一種分散固相萃取前處理技術[13]。張祥喜等[14]在研究毒死蜱在大豆和土壤中的消解動態時用QuEChERS法進行樣品前處理,發現在0.01~0.1 mg·kg-1添加水平下,毒死蜱在土壤中的平均回收率為70.6%~76.8%,RSD 4.3%~7.9%。楊敬坡等[15]用QuEChERS提取大棚種植土壤毒死蜱,平均回收率83.2%~92.1%,RSD為2.65%~4.23%。王旋[16]建立了QuEChERS提取土壤中毒死蜱并采用氣相色譜-串聯質譜法進行測定的方法,4.00~150 μg·L-1濃度范圍內線性關系良好,檢出限為2.0 μg·kg-1,加標回收率為 93.5%~103.5%,RSD為1.78%。
QuEChERS法對土壤中的毒死蜱進行前處理,萃取效率穩定,重現性好,相對于傳統LPE和SPE等具有分析速度快、檢測周期短、操作簡便、裝置簡單和有機試劑消耗少等特點,選擇合適的檢測設備完全可以滿足土壤樣品中毒死蜱的檢測要求。
1.3.2" 分子印跡基質固相分散萃取(MolecularlyImprinted Solid-phase Extraction,MISPE)
分子印跡技術(Molecular Imprinting Technique,MIT)是模擬酶與底物或抗原與抗體的特異性結合,制備出在功能位點和空間構型上與目標物相匹配的納米材料,以此作為分散固定相選擇性富集土壤中的毒死蜱。周夢春等[17]采用懸浮沉淀聚合技術,利用毒死蜱模版分子制備出毒死蜱分子印跡聚合物,以此作為MISPE固相分散萃取劑對土壤中的毒死蜱進行前處理,此法平均回收率82.0%~106.8%,RSD為1.16%~7.37%,最低檢測限達到0.571 μg·kg-1。
MISPE具有提取簡單高效、快速穩定、反應靈敏和檢出限低等特點,能進行復雜基質樣品中痕量毒死蜱的前處理和分析,但此法印跡聚合物制作技術成本大、技術要求較高。
2" 毒死蜱檢測方法
我國針對土壤中農藥殘留量的檢測發布了諸多相關檢測標準,常用的儀器多為氣相色譜儀、液相色譜儀等,隨著檢測精度要求的提升,檢測分析主要向色譜及其質譜聯用、色譜-多級質譜或高分辨質譜聯用技術快速發展,實現了土壤毒死蜱準確定量的分析要求。
2.1" 氣相色譜法(Gas Chromatography,GC)
GC是色譜法的一種,以氣體作為流動相,常用作有機磷農藥、有機氯農藥及擬除蟲菊酯殺蟲劑類的化學殘留檢測,也是土壤中毒死蜱檢測最普遍的一種方法。詹紅林等[18]運用氣相色譜-電子俘獲器(GC-ECD)測定稻田土壤中的毒死蜱,回收率為95.26%,RSD為4.83%。彭思雅等[19]建立了氣相色譜-火焰光度檢測器(GC-FPD)檢測甘蔗土壤中的毒死蜱殘留分析方法,平均回收率86.2%~107.6%,RSD為3.1%~5.9%,檢出限和定量限均為10 μg·kg-1。周丹輝[20]用QuEChERS-GC測定土壤中毒死蜱殘留量,平均添加回收率為89.5%。左珍光等[21]用CG-FPD測定甘藍土壤中的毒死蜱殘留量,添加回收率85.37%~118.27%,RSD為2.88%~10.81%,檢出限10 μg·kg-1,最小檢出量為1.0×10-11 g。吳愛美[22]研究分析毒死蜱在薏苡仁及其土壤中的殘留時,用CG-ECD檢測器檢測毒死蜱,平均回收率為86.88%~97.43%,RSD低于5%,該法最低檢測濃度0.1 μg·kg-1,最小檢出量為1.0×10-12 g。黃素芳等[23]采用氣相色譜研究毒死蜱在蕹菜及土壤中的殘留,平均回收率分別為95.33%~110.39%,RSD為1.76%~5.83%。
可以看出,GC選擇合適的前處理方法和檢測器,能有效消除干擾、檢測靈敏度高、樣品用量少、分析速度快、操作簡單,是土壤中毒死蜱測定的理想方法。但檢測器提供的信息有限,只反應分析柱上的保留時間和檢測器的響應情況,不能對樣品直接定性。
2.2" 高效液相色譜法(High Performance Liquid Chromatography,HPLC)
HPLC是色譜法的重要分支,采用高壓輸液系統,將單一溶劑或混合溶劑、緩沖液等流動相泵入色譜柱,在固定相中分離后進入檢測器進行檢測。韓智廣等[24]研究毒死蜱在玉米等作物田土壤中的降解及環境風險時,采用HPLC測定毒死蜱含量。Zhang等[25]建立了蘋果和土壤樣品中毒死蜱殘留的HPLC分析方法,平均添加回收率為92.9%~100.3%。劉寒冰等[26]采用HPLC研究土壤中毒死蜱的降解與生態風險,加標回收率80.38%~103.28%,RSD為2.52%~9.28%,檢出限為40 μg·kg-1。
HPLC操作簡單、設備成本相對低廉,但流動相在柱子以外,如進樣器、柱接頭、連接管和檢測池等若流型發生變化,目標物質發生擴散或滯留,都會顯著導致色譜峰變寬,降低柱效率,從檢出限量值可以看出,HPLC檢測器靈敏度不及GC。
2.3" 酶聯免疫吸附法(Enzyme Linked Immunosorbent Assay,ELISA)
ELISA是將抗原或抗體固定在固定相上,以抗原和抗體的特異性結合引發的酶催化反應,實現目標物定量檢測。魏茂瓊等[27]優化了可快速檢測環境中毒死蜱的間接競爭ELISA試驗條件,抗體與抗原決定簇結構相近的甲基毒死蜱交叉反應率為62.58%,回收率在70%~110%之間,RSD在11%以內,檢出限5.1 μg·L-1。
ELISA可測至皮摩爾(pmol)級別,特異性強、靈敏度高,操作簡單,對檢測專業性及反應環境要求不高,反應迅速,是實現快速毒死蜱殘留檢測的有效方法,更適合大批量樣品篩查,實現對基質中毒死蜱殘留的現場監測。但反應體系中抗體濃度、反應時間、提取溶劑和酶的影響等都對結果影響較大,需要優化反應條件來達到檢測要求。
2.4" 氣相色譜-質譜法(Gas chromatographymass spectrometry,GC-MS)
GC-MS由氣相色譜儀和質譜儀串聯組成,樣品混合物經GC氣化、分離后由載氣按保留時間順序依次輸送進入質譜儀,經離子源電離后,在加速電場作用下形成不同質荷比的帶電離子束,再由質量分析器按質荷比進行分離,最終形成用于定性和定量分析的色譜圖。余磊等[28]建立了基于全二維氣相色譜-四極桿飛行時間質譜法檢測土壤中毒死蜱的方法,實現了雜質與目標物的有效分離,該法回收率為93.0%,RSD為6.9%,檢出限0.3 μg·L-1。
GC-MS兼具了GC分離效率高和MS定性能力強的優勢,GC作為進樣系統,能有效控制質譜進樣量,避免質譜儀受污染。GC-MS分析快速、性能穩定、易于操作、檢出限低,是最通用的、靈敏度極高的色譜檢測方法,能夠準確分析土壤中毒死蜱農藥殘留,可以實現土壤中農藥殘留的高通量快速篩查。缺點是定量分析是在定性分析的基礎上進行,定量前要建立好準確的定性離子,選好保留時間段,提取離子色譜峰進行積分,易受線性范圍、基質效應導致的保留時間漂移等影響。
2.5" 液相色譜-質譜法(High Performance Liquid Chromatography-Mass Spectrometry,HPLC-MS)
HPLC-MS以液相色譜作為分離系統,質譜為檢測系統,同時具備了液相色譜優異的分離能力與質譜高靈敏度、高選擇性的檢測能力。張皓然等[29]采用液相色譜質譜聯用儀檢測土壤樣品中的毒死蜱,檢出限26.9 μg·kg-1,證明此方法可用于土壤中毒死蜱的定性、定量檢測。
液質聯用同樣體現了色譜和質譜的優勢互補,但HPLC-MS用于土壤中農藥殘留的檢測,抗干擾能力相對較差,操作過程相對繁瑣,且儀器成本較高。
2.6" 氣相色譜-串聯質譜(GC-MS/MS)
GC-MS/MS將GC與MS聯合使用,依據各組分相對分子量和分子結構的差異進行檢測的方法。經一級質譜掃描后形成的子離子進入二級質譜,使目標離子進入檢測器進行檢測。張文童等[30]通過GC-MS/MS同時分析白蟻預防工程土壤中毒死蜱殘留,平均添加回收率為81.8%~89.9%,RSD為6.85%~10.54%,檢出限2 μg·kg-1。姚杰等[31]運用GC-MS/MS分析了土壤中19種農藥殘留,毒死蜱平均回收率分別為103%,RSD為3.3%,方法定量限5 μg·kg-1。
運用兩級或多級的串聯質譜系統,操作簡單,快捷方便,是目前最具有選擇性、有最高靈敏度的色譜檢測方式之一,所以應用時優于其他色譜檢測,在土壤中毒死蜱的定性、定量方面更有優勢。GC-MS/MS可建立高通量農藥殘留檢測方法,有助于開展農藥殘留快速檢測[32]。
2.7" 液相色譜-串聯質譜法(LC-MS/MS)
LC-MS/MS利用液相色譜系統將待測物質分離后接入質譜體系。秦信先等[33]研究毒死脾在小麥土壤中的消解動態時,采用LC-MS/MS同時測定毒死脾及其代謝物在土壤中的殘留量,該方法回收率73.7%~80.5%,RSD為2.3%~3.8%,定量限和檢出量分別為10 μg·kg-1, 3.3 μg·kg-1。
LC-MS/MS可以有效地消除內源性物質、同分異構體、其他代謝物的干擾,具有靈敏度高、選擇性強、準確性好等特點,更適合樣品種小分子物質的定量檢測。
2.8" 超高壓液相色譜-靜電場軌道阱高分辨質譜法(UHPLC-Orbitrapa MS)
UHPLC在HPLC的基礎上對擴散體積、耐受壓力、色譜柱等進行了優化,使之能夠匹配2.5~3.5 μm顆粒度色譜柱,結合Orbitrapa MS使檢測分辨率更好、穩定性更強、靈敏度更高,能滿足痕量檢測需求。師榮光等[34]研究毒死蜱施藥前后,土壤中毒死蜱等11種常見農藥的殘留變化趨勢,采用超高壓液相色譜-靜電場軌道阱高分辨質譜進行分析,毒死蜱添加回收率68.4%~102.4%,RSD小于10.5%,方法定量限范圍為0.6~4 μg·kg-1。
UHPLC-Orbitrapa MS儀器穩定性好,采用顆粒更小的固相色譜柱不僅可以實現更高的分辨率,還能縮短分析耗時,具有較寬的動態定量范圍,能夠完成低濃度和高濃度含量樣品的精確定量。
3" 結論
目前,對毒死蜱等農藥的準確定量分析只能依賴大型儀器在實驗室內進行,但色譜法檢測成本高、檢測速度慢、不適合快速初篩,隨著對毒死蜱等農藥殘留的檢測要求的不斷提高,綠色、高效、簡便、高通量以及微型化將是檢測手段的努力方向。
富集效果更好的前處理技術的開發和選擇,對復雜的環境樣品中痕量農藥的準確定性和定量至關重要。通過選取安全、高效、特異性強的萃取方法,優化反應環境,集成設備設施,更有利于實現樣品的快速處理,更適合進行現場監測,環境樣品前處理方法還有很廣闊的發展空間。
現有的毒死蜱等農藥殘留的檢測方法穩定性好,檢測靈敏度高,樣品用量少,在精度上能夠滿足農產品質量安全監測需求,但檢測技術要逐漸向現場規模化監測靠近,要實現食品安全中污染物的快速和現場高通量監測,首先需要在設備設施上有更大的突破,能夠滿足現場檢測的環境條件,要有更高的檢測效能,縮短分析耗時,還要能達到更寬的動態定量范圍,為農業高質量發展服務。
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