粮食中农药残留检测的主要前处理方法的介绍及应用

孔亚南,曹 慧,徐 斐,袁 敏,叶 泰,于劲松,郝丽玲

(上海理工大学 医疗器械与食品学院,上海食品快速检测工程技术研究中心,上海 200093)

农药是指在农业生产中,为保障农作物的健康成长,所施用的杀灭病、虫、有害动物(或杂草)的一类药物的统称。我国是农业大国,拥有丰富的农业资源,因而是各种农药的主要生产国和消费国。合理喷洒农药有效提高了我国粮食产量和质量,对现代农业的发展起到了巨大的推动作用[1-2]。但由于长期、过量或不合理地使用农药,粮食中农药残留问题越来越严重。这些残留的农药会通过食物链进入人体[3],进而产生各种潜在的危害,如迟发神经毒性[4]、肝脏功能损伤[5-6]、骨髓抑制及生殖毒性[7]等。因此对粮食中农药残留的检测至关重要。

目前粮食中痕量农药残留的检测技术主要有光谱法[8]、免疫分析法[9]、色谱法[10]和色谱-质谱法[11-12]等。但粮食种类繁多,且具有基质复杂、含水量少及使用农药历史未知等特点[13],因而在采用这些方法对其中残留农药进行定量分析前,需要建立合理的前处理方法对目标分析物进行提取、净化和高效浓缩,从而达到快速简便、准确定性定量分析的目的。索氏提取[14]、溶剂萃取及柱层析[15]等方法是传统的农药残留前处理方法。然而,这些方法存在样品需求量大、提取时间长、有机溶剂消耗量大和净化效率低等缺点。

样品前处理方法是整个检测过程的瓶颈,也是保证样品检测结果准确度的重要因素。为了解决传统技术中存在的问题,近年来,Qu ECh ERS、固相萃取法、磁性固相萃取法(MSPE)、分散液液微萃取法(DLLME)等新型前处理方法被不断地开发出来,并应用于粮食中有害物质的分离和富集。这些样品前处理方法各有优劣,且适用的范围也有所不同,所以在实际应用中需要根据样品基质、仪器种类及检测要求来选择相应的方法。基于此,本工作重点讨论了粮食农残检测中常用的前处理方法,并介绍了它们的特点、工作原理、适用条件和未来的发展方向,旨在为粮食中农药残留检测技术的深入研究和发展提供借鉴。

1 固相萃取法

固相萃取法最早出现于20世纪70年代,由液固萃取和柱液相色谱技术相结合发展而来,主要应用于样品中极性差距较大的目标物的分离、纯化和浓缩。操作步骤包括固相萃取柱的预处理、上样、淋洗除杂、洗脱及收集目标物等。固相萃取法主要利用固体吸附剂吸附样品基质中的目标物,再通过加热解吸或洗脱液洗脱等方式实现目标物的分离、净化及富集[16-17],因此萃取柱吸附剂(填料)是决定其富集浓缩效果的关键因素。根据萃取柱填料的不同,固相萃取主要分为正相固相萃取(吸附剂极性大于洗脱剂,如硅胶、氧化铝和硅镁吸附剂等)、反相固相萃取(吸附剂极性小于洗脱剂,主要为非极性或者弱极性的C8、C18和苯基吸附剂等)、离子交换型固相萃取(主要为离子交换树脂,如苯乙烯系树脂和丙烯酸系树脂吸附剂等)以及亲和固相萃取(主要利用抗原抗体反应或配体受体结合的原理进行吸附)[18]。

固相萃取法由于具有适用性广、有机试剂消耗少、净化和富集可同时进行及操作方便等优点,已被广泛应用于粮食中各类农残的富集、纯化和分离。JI等[19]利用Co(II)离子的调节作用,通过微波消解法制备了微米级的单分散金属有机配位聚合物珠(MOCBs),以其为固相萃取吸附剂,结合QuECh ERS对谷物中的氯苯氧基除草醚进行固相萃取及富集,结果发现氯苯氧基除草醚的回收率为90.3%～102.3%,且重复使用40次后MOCBs仍保持较高的提取效率。MICHEL 等[20]利用硅胶为基质的二羟基萃取柱(Diol柱),对小麦籽粒中残留的苯并咪唑类杀菌剂进行提取,结果发现,苯并咪唑类杀菌剂的回收率为82.2%～83.2%,显著高于液液萃取法的(71.2%～76.5%)。

固相萃取法主要应用于色谱分析中的样品前处理。与传统的液液萃取法相比,固相萃取法能够有效分离目标物与干扰物,但固相萃取柱在使用一段时间后,柱子内孔道容易发生堵塞,从而导致出现柱压升高、批次间重复性变差等问题。因此,在使用过程中,建议将固相萃取法与其他萃取方法联用,以进一步提高农药分离净化效果[21]。

2 QuEChERS

QuEChERS是由美国农业部ANASTASSIADES教授等[22]于2003年开发的一种用于农产品检测的快速样品前处理方法,综合了液液萃取法和固相萃取法的特点。操作步骤包括样品粉碎、有机溶剂提取、MgSO4等盐类化合物除水、N-丙基乙二胺(PSA)等吸附剂净化除杂、离心收集上清液等[23],其中吸附剂的选择尤为关键[24]。

目前应用于Qu ECh ERS 的吸附剂主要有PSA、C18及石墨化碳黑(GCB)[25]等。PSA 是最常用的吸附剂,主要通过弱阴离子交换作用有效吸附有机酸、脂肪酸及糖等极性杂质,从而达到净化除杂的目的[26]。C18是十八烷基硅烷键合硅胶填料,因其长链烷基具有较高的碳含量和较强的疏水性而对脂肪和蜡等非极性物质具有较好的吸附效率。GCB是由炭黑经高温煅烧生成的具有均匀石墨化表面的规则多面体,对平面分子或具有平面芳香环的分子有强烈的吸附作用,一般用来分离极性化合物,其典型应用为分离农产品中叶绿素等色素干扰物。

QuECh ERS是目前应用最广泛的粮食中农药残留检测的前处理方法[27-28],但应根据样品基质中干扰物的分子结构和特点选择相应类型的净化吸附剂,以提高农药的回收率和降低基质干扰[29]。LEE等[30]采用QuECh ERS提取稻谷中的磺酰脲类除草剂,并比较了不同提取剂(水、乙酸盐缓冲溶液和柠檬酸盐缓冲溶液)和不同净化剂(PSA 和C18)对农药提取效果的影响。结果表明,采用柠檬酸盐缓冲溶液提取和C18净化时,磺酰脲类除草剂的回收率可达78.0%～114.5%,而PSA 容易与含有酰胺键的磺酰脲类农药结合,从而使农药的回收率降低[31]。LU 等[32]采用水和乙腈提取谷物中的甲氧基丙烯酸酯类杀菌剂,并采用超高效液相色谱-串联质谱法(UHPLC-MS/MS)验证了含有不同吸附剂[PSA、PSA 和C18、PSA 和氧化锆改性硅胶(ZSep)]的一次性移液器萃取针头对样品溶液的净化效果。结果表明,以PSA 和Z-Sep混合的吸附剂不仅能最大程度降低样品溶液中共萃取物的含量,还能去除大米和小麦中的一些中极性和弱极性的共萃取物,并能在1 min内完成样品的净化,农药的平均回收率为84.8%～100.3%,测定下限为0.01 mg·kg－1。

Qu ECh ERS虽然具有目标物回收率高(极性及挥发性农药的回收率一般大于85%)、精密度和准确度高、可分析的农药范围广(极性、非极性的农药均可)及装置简单等优点,但富集因子较低,且操作步骤较为繁琐。

3 分散液液微萃取法

DLLME是ASSADI团队[33]提出的一种液相微萃取方法。该方法自2006年发现以来,就被认为是一种符合现代分析化学发展趋势的样品前处理方法。DLLME的原理为萃取剂通过分散剂的作用在水分散成均匀分散的微小有机液滴,形成水、分散剂和萃取剂组成的乳浊液体系,可使目标物不断地被萃取到有机相,从而实现高效萃取的目的[34]。当体系达到分配平衡时,有机溶剂中萃取得到的目标物的量可由公式(1)得出。

式中:n为有机相中萃取得到的目标物的物质的量;C0是目标物的初始浓度;Kodw为分析物在有机相和水相中的分配系数;Vd、Vs分别为有机相和水相的体积[35]。

DLLME主要适用于亲脂性目标物(分配系数大于500)的萃取,而不适合于高度亲水的目标物的萃取。对于具有酸碱性的目标物,改变样品溶液的酸度可使目标物以非离子形态存在,进而提高其萃取效率。DLLME 的操作步骤:先向样品溶液中加入10～100μL萃取剂和一定体积分散剂,三者混合迅速形成乳浊液,当目标物在水相和萃取剂相中达到分配平衡时,离心收集沉淀相供色谱分析。

DLLME具有富集因子高、有机试剂消耗少、操作简便快捷等优点,目前已被广泛应用于农药检测的前处理过程[36]。CUNHA 等[37]先采用QuECh-ERS萃取玉米样品中的农药,再以乙腈作为分散溶剂、四氯化碳作为萃取溶剂对玉米中拟除虫菊酯类农药和新烟碱类农药进行了提取,该方法能有效清除样品中大部分极性基质成分,检出限为0.019 mg·kg－1,回收率为70%～120%,相对标准偏差(RSD)小于17%。ZHANG[38]等采用离子液体作为萃取剂和分散剂建立了离子液体DLLME-高效液相色谱法(HPLC)测定糙米中乙酰苯胺类除草剂含量的方法,除草剂的检出限为3.6～7.4μg·kg－1,测定下限为12.0～24.6μg·kg－1,回收率为90.9%～106.4%,且该法能较好地去除样品中的蛋白质、脂质等杂质和有效减少对环境和操作人员的不利影响[39]。

DLLME主要依据物质在不同溶剂中的分配系数进行萃取,一般需要密度比水大、毒性较强的有机试剂,不利于操作者的身体健康[40],且该法主要适用于简单的液体环境,在复杂基质中的适用性较差。因此,在粮食农药残留的检测中,常将DLLME 与Qu ECh ERS[37]、微波萃取[41]等方法联用,以保证检测结果的准确度。

4 新型纳米材料在粮食农药残留测定前处理中的应用

4.1 磁性纳米材料

MSPE被称为21世纪分离富集领域的革命性技术,这种方法在固相萃取法的基础上,引入外加磁场,并利用外加磁场代替过滤或高速离心将吸附了目标物的复合纳米粒子从样品溶液中分离出来,再用合适的溶剂洗脱,从而实现目标物的同时分离和富集[42-43]。吸附剂是MSPE核心材料,是以磁性纳米粒子为核,并由一种或多种无机及有机材料如二氧化硅、碳纳米管、有机小分子、有机高分子等经单层或多层包覆而成的复合纳米粒子[44]。与常规的固相萃取吸附剂相比,磁性吸附剂具有比表面积大、扩散距离短、只需少量的吸附材料、吸附时间短、无需进行离心分离、吸附剂和目标物的接触面积大、可对痕量目标物进行萃取与富集等特点,在粮食中残留农药的提取和富集方面具有广泛的应用前景[45-46]。

目前,基于改性磁性纳米粒子的MSPE 对粮食中多种残留农药进行测定的研究较多。LI等[45]利用静电作用使聚乙烯亚胺磁性纳米粒子(Fe3O4＠PEI)与氧化石墨烯(GO)片进行自组装,再对组装后GO 进行还原,制备了新型磁性聚乙烯亚胺改性还原氧化石墨烯(Fe3O4＠PEI＠RGO),该磁性吸附剂有效结合了聚乙烯亚胺和石墨烯的吸附优势[47],能通过较强的静电作用和π-π作用实现大米中麦草畏等极性酸性农药的高效提取,回收率为87.41%～102.52%,检出限为0.67～2 ng·g－1。MOHD 等[48]以将非离子型有机硅表面活性剂(OFX 0309)和活性炭(AC)制备了非离子型有机硅表面活性剂包覆的磁纳米粒子(AC＠OFX＠MNPs),通过对AC＠OFX＠MNPs材料的表征及萃取机理分析,发现OFX 0309与三嗪类除草剂之间存在强烈的疏水作用,从而增强了该磁性吸附剂从大米中提取三嗪类除草剂的能力(回收率为81%～111%)。

MSPE具有分离快速、富集效率高、可重复利用及操作简便等优点,但磁性纳米材料仍存在制备过程繁琐、解吸过程耗时长、选择性差、改性后磁性减弱、条件优化过程繁琐、前处理成本高等缺点。因此,开发高选择性、高吸附量的新型吸附剂为MSPE的主要研究目标。

4.2 分子印迹聚合物

分子印迹聚合物(MIPs)是一种对某一种(类)目标物具有特异性识别和选择性吸附的高分子聚合物材料,于1973年首次被德国WULFF等[49]合成。MIPs的合成步骤一般为先将模板分子与功能单体分散在致孔剂当中,并通过氢键等弱相互作用形成可逆复合物;加入交联剂和引发剂,将可逆复合物在特定的空间固定下来,形成三维刚性聚合物;利用化学试剂或者物理解吸的方式将模板分子从聚合物中洗脱出来,从而形成与模板分子相匹配的三维空腔[50],得到的聚合物即为MIPs。MIPs的空腔在空间形状及官能团上可与目标分子完全匹配,从而能够选择性地从复杂混合物中萃取、分离、净化和富集目标物或具有类似结构的物质。

MIPs由于具有预定性、专一性及实用性等特点,在固相萃取、异构体的分离及膜分离技术等领域展现了良好的应用前景[51-52]。DOWLATSHAH等[53]以苯醚甲环唑为模板分子,采用溶胶-凝胶法在介孔二氧化硅中合成了MIPs,并将其应用于小麦中苯醚甲环唑的分离,结果MIPs不仅具有大量的苯醚甲环唑识别位点,在有机试剂中也具有优异的稳定性,对苯醚甲环唑的富集因子高达2 636,选择性因子达到6.04,回收率大于73%,测定下限低至0.005 ng·g－1。HUANG 等[54]以喹硫磷为模板分子,丙烯酰胺和β-环糊精为功能单体,制备了一种对喹硫磷及其类似物具有高选择性的固相微萃取印迹探针,并结合高效液相色谱-紫外检测器(HPLC-UV)建立了大麦中喹硫磷及其类似物残留的定量检测方法,结果表明,该固相微萃取探针对喹硫磷的最大吸附容量为70μg·mg－1,选择性因子为1.9,喹硫磷的回收率为98%,检出限为0.03～0.1μg·L－1,说明采用MIPs对农药残留进行前处理时,不仅可以获得较高的富集因子,还可以有效消除基质干扰,证明MIPs是一种良好的前处理材料。WANG 等[55]采用双模板印迹法合成了可以选择性萃取17种三嗪类除草剂及其代谢物的MIPs,该MIPs能同时特异性识别氯、硫代甲基和甲氧基三嗪等多种基团,具有较强的类别选择性,对莠去津、扑草净的吸附容量分别为2.2,2.7μmol·g－1,经过5次吸附-解吸后,回收率仍为77.8%～112.1%,结合液相色谱-串联质谱法(LC-MS/MS)用于玉米、小麦和棉籽样品中微量三嗪类除草剂及其代谢物含量的测定,农药的回收率为61.3%～105.9%,检出限为0.5～8.8μg·kg－1,说明了多/双模板印迹技术在粮食中多种农药的高通量分析中具有良好应用前景。

近年来,分子印迹技术已经得到了大力的发展,但由于MIPs的制作步骤及优化条件过程繁琐,故将其应用于实际样品前处理中仍存在一定的局限性。

4.3 碳纳米管基复合材料

碳纳米管(CNTs)是由石墨烯片围绕同一中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米管状结构物质,最早由IIJIMA 等[56]发现。按照石墨烯片层数可将CNTs分为单壁碳纳米管(SWCNTs)和多壁碳纳米管(MWCNTs)。CNTs外表面具有高度离域化的大π键,因而可通过π-π堆积作用对疏水性分子表现出较强的亲和力。CNTs的管状结构也赋予了其较大的比表面积,从而有助于弱极性小分子农药在其上的高效吸附[57]。

利用CNTs极大的比表面积及易于被修饰的特点,QIN 等[58]使用聚偏二氟乙烯(PVDF)作为偶联剂,将MIL-101(Cr)和羧化MWCNTs负载在三聚氰胺海绵(MeS)骨架上,制备了高效的新型萃取材料MIL-101(Cr)＠MWCNTs＠MeS。该萃取材料不仅具有高的比表面积,还含有大量的羟基、羰基和苯环,能通过氢键、静电和π-π作用与三嗪类除草剂形成强烈的相互作用。将制备的MIL-101(Cr)＠MWCNTs＠MeS应用于玉米中三嗪类除草剂的富集,结果发现,三嗪类除草剂的回收率为92.38%～116.24%,检出限为0.01～0.04 ng·g－1,测定下限为0.05～0.14 ng·g－1。

CNTs基复合材料具有高的吸附能力、良好的热稳定性和宽广的pH 应用范围等优点,已经成为一种优秀的吸附材料[59],但是它在普通有机试剂和水中溶解度很差,且易于聚集[60],因此在实际应用中,常将MWCNTs分散或附着在其他载体上。LI等[61]应用物理包埋法将空心碳纳米球(HCSs)修饰到磁性羧基 MWCNTs(Fe3O4＠ MWCNTs-COOH)上合成了一种新型萃取材料(HCSs＠Fe3O4＠ MWCNTs-COOH)。与 MWCNTs-COOH 相比,该萃取材料的羧基和结构间隔明显增加,亲水性和分散性也显著增强。基于氢键和π-π电子供体-受体(EDA)相互作用,该萃取材料对小麦中甲羧除草醚、敌草腈等具有苯环和吸电子基团结构的目标物具有良好的吸附性能,其吸附容量可达到2.9～3.9μg·mg－1,回收率为88.8%～96.6%,检出限为0.24 ng·g－1。

5 结语和展望

公众对食品安全监管的高度关注及急切需求,推动了粮食中农药残留检测技术的不断创新与发展。随着检测技术的发展,粮食中农药检测前处理方法的研究也有了长足的进步,但由于存在粮食中农药残留量低、粮食种类繁多及其基质复杂等问题,在对粮食中残留农药进行实际检测时,应根据基质类型、仪器种类和检测要求选择合适的前处理方法;此外,目前应用于粮食中农药检测的前处理方法各有优劣,因此可联合运用不同的前处理方法,以有效提高前处理效率、增加农药残留分析的种类和拓宽应用范围。随着科学检测技术的不断发展,继续开发绿色、新型的萃取剂,研发自动化的萃取装置及扩大不同萃取方法的适用范围,将是未来前处理技术研究发展的主要方向。