直接进样超高效液相色谱-三重四极杆质谱法快速测定环境水样中草甘膦、氨甲基膦酸、草铵膦及乙烯利残留

何书海, 曹小聪, 吴海军, 李腾崖, 张鸣珊, 梁 焱, 陈表娟

(1. 海南省环境科学研究院, 海南 海口 571126; 2. 海南省环境监测中心站, 海南 海口 571126; 3. SCIEX公司, 广东 广州 510000)

草甘膦(glyphosate)是目前世界上使用量最大的除草剂,广泛应用于农业和非农业领域[1];草铵膦(glufosinate)是触杀型灭生性除草剂,可防治大部分抗草甘膦药性杂草,近年来被广泛使用[2,3]。草甘膦和草铵膦经常在植物、土壤、水、甚至食物和人体尿液中检出[4],因此备受社会关注。国际癌症研究机构(IARC)研究报告显示草甘膦除草剂可能对人类致癌[5]。欧洲化学品管理局(ECHA)研究报告显示草甘膦会对眼睛造成严重损害,对水生生物产生毒性,影响持久[6],但ECHA的研究报告没有考虑草甘膦主要代谢物氨甲基膦酸(aminomethyl phosphonic acid, AMPA)的潜在风险,因此需对其潜在危害加以重视[7]。乙烯利(ethephon)是植物生长调节剂,具有促进果实成熟、调节性别转化等效应,在果蔬催熟领域中广泛使用,研究表明乙烯利具有神经毒性,长期使用会对动物免疫和生殖系统造成一定损害[8]。

由于草甘膦、氨甲基膦酸、草铵膦和乙烯利均属于强极性化合物,易溶于水,且草甘膦和草铵膦缺少发色和荧光基团[2,9-11],其分析检测难度较大。目前有关4种农药的分析方法很多,有分光光度法[12]、高效液相色谱法[13-15]、气相色谱法[16,17]、离子色谱法[7,18-20]、气相色谱-质谱法[21-23]、高效液相色谱-串联质谱法[2,3,24-27]和电感耦合等离子体质谱法[1,28]等,大多数分析方法均需进行柱前或柱后衍生。衍生化虽能提供较好的灵敏度,但操作过程繁琐,重现性差,且仅限于一种或两种分析物。基于现有方法存在的问题,需建立一种快速、高效、便捷、灵敏的检测方法。本研究利用离子交换色谱柱在常规液相色谱上与串联质谱连接,快速测定环境水样中草甘膦、氨甲基膦酸、草铵膦及乙烯利。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

LC-30AD超高效液相色谱(日本岛津公司), Triple Quad 6500+三重四极杆质谱联用仪(美国AB Sciex公司),配IonDriveTMTurbo V离子源;Milli-Q超纯水仪(美国Millipore公司);高速冷冻离心机(美国ThermoFisher Scientific公司)。氨水为分析纯(广州化学试剂厂),碳酸氢氨为优级纯(阿拉丁公司);尼龙(Nylon)、聚四氟乙烯(PTFE)、醋酸纤维(CA)、聚醚砜(PES)、聚偏氟乙烯(PVDF)滤膜均为针式过滤头(孔径0.22 μm,直径13 mm)。

草甘膦(纯度99%)、氨甲基膦酸(纯度99%)、草铵膦(纯度97.5%)及乙烯利(纯度96%)购于美国AccuStandard公司。

1.2 标准溶液

准确称取一定量的草甘膦、氨甲基膦酸、草铵膦和乙烯利于10 mL棕色容量瓶中,用纯水定容至刻度线,得到1 000 mg/L的标准贮备液。标准贮备液用纯水稀释成质量浓度为100 μg/L的中间使用液。标准曲线浓度临用现配。

1.3 采样点位

2019年4月分别采集海南省18个市县30个点位饮用水源地水样、槟榔园附近3个水样及香蕉园附近1个水样,其位置分布见图1。水样严格按照HJ 91-2002技术规定要求进行采集。采集水样装入棕色磨口玻璃瓶中,于4 ℃下冷冻箱中保存。

图 1 采样点位分布示意图Fig. 1 Map illustrating sampling locations

1.4 样品预处理

环境水样过0.22 μm滤膜后,待超高效液相色谱-三重四极杆质谱仪测定;若样品含有杂质较多或样品较为浑浊,需对样品进行离心,于4 ℃以12 000 r/min离心5 min后测定。

1.5 超高效液相色谱分析条件

离子交换柱为Metrosep A Supp 5 (150 mm×4.0 mm, 5 μm);流动相为碳酸氢铵-氨水溶液(B)和纯水(A),采用梯度洗脱程序,5%B(0～0.5 min), 5%B升至80%B(0.5～2.0 min), 80%B(2.0～6.5 min), 80%B降至5%B(6.5～6.51 min), 5%B(6.51～10.0 min);柱箱温度为40 ℃;柱流速为0.4 mL/min;进样体积为20.0 μL。

1.6 串联质谱分析条件

电喷雾负离子模式(ESI-);喷雾电压(IS)-4 500 V;离子源温度(TEM)600 ℃;气帘气(CUR)压力207 kPa(30 psi);喷雾气(GS1)压力379 kPa(55 psi);辅助加热气(GS2)压力379 kPa(55 psi);驻留时间(dwell time)50 ms。4种农药的质谱参数见表1。

表 1 4种农药检测的质谱条件Table 1 MS/MS conditions for the detection of the four pesticides

AMPA: aminomethyl phosphonic acid. *Quantitative ion.

2 结果与讨论

2.1 色谱柱条件的优化

由于草甘膦类农药均为极性物质,在常规C18色谱柱上保留较差,并且存在严重的基质干扰,通常需要使用芴甲氧羰酰氯(Fmoc-Cl)试剂衍生化才能保留;在亲水性HILIC色谱柱上,该类化合物可很好地保留,但是峰形拖尾严重,影响定量。本文对比了欧盟EURL-SRM推荐的色谱柱Hypercarb (50 mm×2.1 mm, 5 μm)、美国FDA推荐的色谱柱Acclaim Trinity Q1(100 mm×3.0 mm, 5 μm)以及离子交换柱Metrosep A Supp 5(50 mm×2.1 mm, 5 μm)在各自的优化条件下,利用常规的液相色谱-串联质谱对这几种目标物的分离效果。结果表明:Hypercarb色谱柱上草甘膦拖尾严重,其他几种物质峰形较宽;在Acclaim Trinity Q1色谱柱上所有目标物的峰形较好,但是与离子交换柱Metrosep A Supp 5相比,具有重复性差、灵敏度低等缺点。因此,本实验最终选择Metrosep A Supp 5作为分析色谱柱,在该色谱柱上的典型色谱图见图2。

图 2 4种农药(50.0 μg/L)在MRM模式下的提取离子色谱图Fig. 2 Extracted ion chromatogram of the four pesticides (50.0 μg/L) separated on Metrosep A Supp 5 column Peaks: 1. AMPA; 2. glufosinate; 3. glyphosate; 4. ethephon.

2.2 串联质谱条件的优化

实验首先采用负离子全扫描模式扫描4种化合物,分别确定其母离子,并对其已确认的母离子进行二级质谱Product Ion扫描,得到子离子。根据响应强度高、基线噪声低、抗干扰能力强的原则,最终选择一个母子和两个子离子。并在MRM模式下对每种目标化合物离子对的碰撞能量、去簇电压等质谱参数进行了优化,见表1。

2.3 样品前处理条件的优化

样品中的细微杂质等易造成超高效液相色谱系统堵塞,因此在上机分析前需对样品进行前处理。本研究比较了不同材质的0.22 μm滤膜对4种农药回收率的影响,分别选择Nylon、PES、PVDF、PTFE、CA等5种针式过滤膜对4种农药含量均为5.00 μg/L的水样进行过滤。实验结果见图3, Nylon对草甘膦和乙烯利均有一定的吸附,草甘膦和乙烯利损失率分别为19%和16%; PES对草甘膦也有一定的吸附,损失率为12%;乙烯利经过PTFE过滤处理后回收率达到117%,表明过膜后乙烯利有明显的增值效应。水样经过PVDF和CA过滤后,4种农药均获得较好的回收效果,满足分析要求,考虑价格因素,最终选择CA过滤处理样品。

对于浑浊的废水样品可通过离心方式去除颗粒物。在基体复杂的废水中加入4种农药,于4 ℃以12 000 r/min离心5 min后进行测定。结果显示,4种农药的回收率均可达到91%以上,达到分析要求。

图 3 不同滤膜处理水样对4种农药回收率的影响Fig. 3 Effect of different filter membranes on the recovery of the four pesticides in environmental water samplesNylon: polyamide; PES: polyethersulfone; PVDF: polyvinylidene fluoride; CA: cellulose acetate; PTFE: polytetrafluoroethylene.

2.4 线性范围及检出限

分别配制0.50、1.00、5.00、10.0、20.0和50.0 μg/L的4种农药混合标准溶液。按照最终优化后的仪器条件,从低浓度到高浓度依次进样分析,得到不同浓度目标物的质谱图,在0.50～50.0 μg/L范围内4种农药的相关系数(r)均大于0.999,线性关系良好。

按照HJ 168-2010要求,并考虑仪器灵敏度,本实验配制4种农药含量均为0.50 μg/L的7份纯水样进行检出限试验,结果见表2。当进样体积为20.0 μL时,4种农药的方法检出限为0.05～0.09 μg/L,方法定量限分别为0.20～0.36 μg/L。与Lajin等[1]、Hao等[29]和Demonte等[30]报道的方法相比较,本研究的检出限远低于其报道结果。

表 2 4种农药的回归方程、相关系数、检出限和定量限Table 2 Linear regression equations, correlation coefficients (r), LODs, and LOQs of the four pesticides

y: peak area;x: mass concentration, μg/L.

表 3 4种农药在两个环境水样中的加标回收率及RSD(n=6) Table 3 Recoveries and RSDs of the four pesticides spiked in two environmental water samples (n=6)

图 4 MRM模式下两个样品及其加标样品的色谱图Fig. 4 Extracted ion chromatograms of two samples and their spiked samples in MRM mode Spiked level: 10.0 μg/L. Peak Nos. are the same as in Fig. 2.

2.5 实际样品测定、方法准确度和精密度

采用优化后的实验条件对海南省18个市县30个点位饮用水源地水样、槟榔园附近3个水样及香蕉园附近1个水样及部分加标样品进行分析。结果显示海南省18个市县30个(1#～30#)饮用水源地水样中均未检出草甘膦、氨甲基膦酸、草铵膦及乙烯利,槟榔园附近3个(31#～33#)水样中均检出草甘膦和氨甲基膦酸,其水样中草甘膦的质量浓度为0.67～0.91 μg/L,氨甲基膦酸的质量浓度为1.43～1.67 μg/L;香蕉园附近水样中检出草铵膦和氨甲基膦酸,草铵膦的质量浓度为0.63 μg/L,氨甲基膦酸的质量浓度为0.21 μg/L。

同时对31#和34#样品进行3个不同浓度水平的加标试验,结果见表3,相关谱图见图4。结果表明,回收率分别为76.3%～108%、83.0%～107%和87.0%～105%,相对标准偏差(RSD)分别为2.0%～12.3%、2.4%～5.6%和2.7%～6.8%,说明该法准确度高,重现性好,对不同水质样品适用性均良好。

3 结论

本研究建立了一种无需衍生化直接快速检测环境水样中草甘膦、氨甲基膦酸、草铵膦及乙烯利的分析方法,方法将离子交换色谱柱用于常规液相色谱分离,具有良好的稳定性。与传统的衍生化方法比较,具有操作简便、节省时间、灵敏度高、准确性好、重现性好等优点,可在10 min内完成环境水样中草甘膦、氨甲基膦酸、草铵膦及乙烯利的检测。