环境样中有机磷农药残留检测前处理技术研究进展

2021-10-23朱霞萍张传峰王泽鹏

中国测试 2021年9期

朱霞萍，王勇，安艳，张传峰，王泽鹏

(1.成都理工大学材料与化学化工学院，四川成都 610059;2.贵州省地质矿产勘查开发局一0 五地质大队，贵州贵阳 550018)

0 引言

随着农业的发展，农药的使用越来越普遍，2009～2018 十年间我国农药产量均在200×104t 以上（见图1）[1]。农药按化学结构分，主要有有机氯、有机磷、有机氮、有机硫、氨基甲酸酯等。有机磷农药是含磷元素的有机化合物农药，多为油状液体，有大蒜味，挥发性强，微溶于水。在我国农业生产使用的农药中有机磷农药占有较高比例，比如，种植业中最常使用的6种有机磷农药（敌百虫、氧乐果、辛硫磷、乙酰甲胺磷、毒死蜱、敌敌畏）在近十年虽然每年的使用量呈现下降趋势，但其折百用量都在2000 t 以上，特别是敌敌畏，其使用量远高于其余5种农药，年折百用量均在14000 t 以上，如图2 所示[2]。

图1 2009～2018 年我国农药年生产量[1]

图2 2009～2018 年我国种植业常用6种有机磷农药有效含量变化趋势[2]

农药在使用中只有一部分附着在农作物上，大部分挥发进入大气或是喷洒过程中落入土壤和地表水，而降水也会将附着在农作物上的农药淋入土壤及地表水中，土壤中因吸附存在的部分农药也会通过交换、渗透作用进入地下水或地表水，如图3 所示。

图3 农药在环境中的迁移

有机磷农药在环境中的残留给人体带来很大的危害，过多摄入会增加人体患再生障碍性贫血的机率[2]，损伤人体中枢神经以及内脏，甚至可能致畸、致癌、致突变[3-4]。近年来国家加大环境保护力度，环境中农药的残留检测成为研究重点。一方面，农药毒性强，往往在痕量、超痕量水平即发生作用，国家对环境样品中农残的限值很低，比如国标（GB 5749—2006）对饮用水中敌敌畏允许值仅为0.001 mg/L。另一方面，环境样品基体复杂，基本无法直接测定。因此，农残在准确测定前，对其进行有效地分离富集是影响检测结果的关键环节。本文综述了近20年环境样品中有机磷农药残留检测的前处理方法研究进展，以期对农药残留研究有所帮助。

1 环境样品中有机磷农药的前处理方法

农药残留的环境样品主要是土壤和水体等，水样前处理相对简单，土壤样品成分复杂，且农药残留量相对较小，富集和分离前需先进行浸取，目前土壤和水体中有机磷农药前处理采取的方法有固相萃取，液相萃取，新型搅拌棒吸附萃取、超声辅助萃取、微波辅助萃取、加速溶剂萃取及超临界流体萃取、分子印迹聚合物法、免疫亲和层析法和QuEChERS（Quick、Easy、Cheap、Effective、Rugged、Safty）法等[5]。

1.1 固相萃取

固相萃取（Solid phase extraction，SPE）是近几十年发展起来的一种样品前处理技术，固相萃取具有实验条件不苛刻、操作简易、溶剂用量少等优势，因而在实际研究中应用较多。现有的商品化固相萃取柱包括：HLB（聚苯乙烯-二乙烯基苯）萃取柱[6-10]、石墨化碳/氨基复合型柱[11]、MCX 混合阳离子交换柱[12]及C18（十八烷基键合硅胶）小柱[13-17]等，研究工作主要侧重于优选洗脱溶剂。基于固相萃取的原理，很多新型固相萃取方式应运而生，以进一步提高方法的灵敏度、简洁性，如固相微萃取、磁性固相萃取、分散固相萃取、全自动固相萃取、圆盘固相萃取和搅拌棒吸附萃取等，如表1 所示。

表1 固相萃取有机磷农药的方法及其参数

1.1.1 固相微萃取

固相微萃取（Solid phase microextraction，SPME）[18-21]主要是以聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚甲基苯基乙烯基硅氧烷/羟基硅油（PMPVS/OHTOS）、二乙烯苯基（DVB）及聚丙烯酸酯（PA）等涂覆在石英纤维上进行萃取，特别适合挥发性强的有机磷农药的萃取，但现有的涂层材料在部分有机溶剂中稳定性欠佳，对洗脱剂的选择有一定的限制，未来制备对目标分子吸附性能好且化学性质稳定的材料是发展趋势。

1.1.2 磁性固相萃取

磁性固相萃取（magnetic solid phase extraction，MSPE）[22]的材料往往是在固相萃取材料制备时加入Fe3O4使其具有磁性，分离富集有机磷农药后，可利用磁力使材料与目标物实现快速分离，此种方式便于材料回收重复利用，是一种较为理想的前处理方式，该方法已被应用到伏杀硫磷、毒死蜱、二嗪磷、甲基对硫磷、甲基毒死蜱、甲基嘧啶磷、马拉硫磷、对硫磷等常用有机磷农药的分析[23-24]。但磁性材料制备过程相对复杂且萃取过程操作趋于繁琐，因此应用较少。

1.1.3 分散固相萃取

分散固相萃取（dispersive solid-phase extraction，DSPE）[25-27]是把吸附材料如多壁碳纳米管[25]、碳片负载磁铁矿[26]、ZnO 包覆氧化石墨烯[27]直接等加入所需处理的水样中进行搅拌或者振荡，吸附剂在分散的状态下极大地增加了与样品中目标物的接触面积，萃取效率显著提高，缺点是分散于水样中的吸附材料回收过程复杂甚至难以回收。

1.1.4 全自动固相萃取

全自动固相萃取（Automatic solid-phase extraction，ASPE）[28-29]使用自动固相萃取仪，其所有的程序均由电脑设计操作，极大地解放了分析者，目前全自动固相萃取技术在检测行业应用较多。但其全自动系统仍有待进一步完善，在未来分析领域，全自动固相萃取将会逐步处于主要地位。

1.1.5 圆盘固相萃取

圆盘固相萃取（Disk solid phase extraction，DSPE）[30]的特点是拥有较大的萃取界面，因此萃取路径很短，不易堵塞，相比于普通固相萃取速度更快，样品处理量更大，广泛用于大体积水样中的有机磷农药的萃取。另一方面，由于其萃取面积较大，需要填装的吸附材料更多，有机洗脱剂消耗过大，这与目前的萃取操作微型化趋势相背，不符合绿色化学的理念。但该技术适合水样的在线检测，未来与在线检测系统联用是其的一个应用方向。

1.1.6 搅拌棒吸附萃取

搅拌棒吸附萃取[31]（Stir Bar Sorptive Extraction，SBSE）是将吸附材料负载在于搅拌棒，将搅拌棒置于溶液中进行萃取、解吸，实现对目标物的分析。此方法富集、分离步骤操作连贯，耗时少，但是吸附材料在搅拌棒负载难度大，且易脱落，这是这项技术面临的最大挑战。

环境样品有机磷农药经固相萃取后，检测方法主要有气相色谱法（GC）[8,9,10,13,15,16,18,19,25,31]、高效液相色谱法（HPLC）[7,17,22]、气相色谱-质谱联用法（GC-MS）[11,12,20,23,27,29,30]、液相色谱-质谱联用法（LC-MS）[6,12,14,28]、气相色谱-离子迁移率谱联用法（GC-IMS）[26]等。普通气相色谱法是根据不同目标农药特点选择合适检测器，如火焰光度检测器、氮磷检测器、电子捕获检测器和氢火焰离子检测器等，如氮磷检测器对乙拌磷亚砜的检出限可低至0.00116 µg/L[25]。HPLC 直接应用于有机磷农药的测定灵敏度不高，往往要与MS 联用才能降低检出限。由于有机磷农药挥发性强，而GC-MS 综合了两种仪器的优点，特别适合有机磷农药的检测，绝大多数有机磷农药的检出限都低于5 µg/L。也有研究者采用离子迁移率谱法（IMS）[21]检测水体中敌敌畏的残留，检出限低至0.16 µg/L。

1.2 液-液萃取

液-液萃取（Liquid-Liquid Extraction，LLE）[32]是利用混合物中各组分在溶剂中溶解度不同而达到分离或萃取的目的，多选用苯、异丙醚、二氯甲烷和乙腈等有机溶剂作为萃取剂[33-34]。按照萃取方式的不同，液-液萃取分为索氏提取、分散液-液微萃取、浊点萃取及旋涡辅助液-液微萃取等。

1.2.1 索氏提取

索氏提取（Soxhlet extractor method，SEM）是最传统的液液萃取，优点是操作简单，稳定，不需要特殊设备，缺点是有机溶剂消耗大，耗时长。陈蓓蓓等[35]以土壤和沉积物中12种有机磷农药为研究对象，比较了超声波萃取、加速溶剂萃取和索氏提取农药的效率，其中索氏提取法较好，12种农药的回收率在73.9%～104%之间。王建伟等[36]利用LLEGC-NPD 法研究了江汉平原地下水中有机磷农药的分布特征，水样用二氯甲烷萃取三次，萃取液转入旋转蒸发仪后再加入异辛烷进行浓缩，过层析柱净化，以乙酸乙酯和正己烷（4∶1 V/V）混合物作洗脱液，最后将洗脱液旋蒸、氮吹至0.2 mL 待测，结果表明采样点11种农药含量范围在31.5～264.5 ng/L之间，符合我国GB 5749—2006《生活饮用水卫生标准》标准。2.4.2 分散液-液微萃取

1.2.2 分散液-液微萃取

分散液-液微萃取（Dispersive liquid-liquid microextraction，DLLME）是使用分散剂把少量有机溶剂分散成无数的小液滴，通过增加有机溶剂和样品溶液的接触面积，提高了目标物的萃取率，常用的分散剂有四氯乙烯、丙酮等。Farajzadeh M A[37]以环己烷作萃取剂，丙酮作分散剂萃取水样中二嗪磷、杀螟硫磷和乙硫磷，分别结合GC-MS 和GCFID 进行分析，两种检测方法的相关系数均大于0.996。另一种萃取剂丙酮辅以四氯乙烯做分散剂，DLLME-GC 快速测定水中23种有机磷农药，方法检出限为0.002～0.016 µg/L，加标回收率在75%～109%之间[38]。Soisungnoen P[39]使用分散液-液微萃取法提取水样中对硫磷、谷硫磷、马拉硫磷、杀螟硫磷和二嗪磷，加标回收率在69.5%～103.0%之间。分散液-液微萃取应用范围广泛，不仅对水样，在检测土壤样品中有机磷农药残留中也有应用[40]。

1.2.3 浊点萃取

浊点萃取（cloud point extraction，CPA）是在待测样品中加入表面活性剂，利用其溶解性和浊点现象，使样品溶液中疏水性有机物与表面活性剂的疏水基结合而被萃取出来，经过离心或静置后，形成两个透明相以达到分离目的。Sanz C P[41]采用浊点萃取法结合LC 分析了水样中乐果和甲硫磷等8种有机磷农药。

1.2.4 旋涡辅助液-液微萃取

旋涡辅助液-液微萃取（vortex-assisted liquidliquid microextraction，VALLM）是指将水样置于锥形离心管中，再加入少量密度比水大且无毒的有机物作萃取剂[42]，然后将混合物在旋涡搅拌器中高速旋转产生涡流，使混合液全部混匀，大大增加了有机溶剂与样品的接触面积，从而减少了萃取时间。Peng G[43]使用旋涡辅助液-液萃取法提取土壤中水胺硫磷、甲基对硫磷、三唑磷、辛硫磷和甲基毒死蜱，并结合HPLC-UV 进行分析，实际土样中5种农药的加标回收率在84.63%～101.20%之间。

1.3 微波辅助萃取

微波辅助萃取法（Microwave-assisted extraction，MAE）是利用微波技术加快样品中目标物的解吸速率和目标物在两相之间的分配速率，具有快速，简便，溶剂消耗少以及萃取率高等优点[44-45]，但由于该方法对实验条件要求较高，在实际应用中相对较少。Fuentes E 等[46]利用微波辅助萃取法研究了农田土壤中包括二嗪磷、对硫磷、甲基吡虫啉、甲基对硫磷、丙线磷和杀螟硫磷在内6种有机磷农药的残留，使用水-甲醇混合液提取，并加入KH2PO4使所有目标农药的回收率均高于73%。Merdassa Y 等[47]以丙酮-正己烷作为提取液，联合GC/MS 分析了土壤中马拉硫磷、毒死蜱两种有机磷农药和甲霜灵、醚菌酯两种杀菌剂。Zhang W 等[48]利用MAEGC/MS 法研究了云南省农田土壤中包含毒死蜱、乙基氮磷等有机磷在内的70种农药，研究结果表明只有16种农药的回收率小于70%。赵欣等[49]用聚丙烯膜包裹多壁碳纳米管制作µ-SPE 片，放进装有水样的聚四氟乙烯罐中进行微波萃取，以乙酸乙酯作洗脱剂进行超声解吸，联合GC-MS 分析了河水中5种有机磷农药，加标回收率在94.3%～99.3%之间。

1.4 超声辅助萃取法

超声辅助萃取[50]（Ultrasonic-assisted extraction，UAE）是用超声作为辅助手段的萃取技术，将高频率的声波转化为机械能以增加有机溶剂的穿透力，增大样品中目标物的溶出速率，缩短萃取时间，加快前处理过程。目前UAE 多用于固体样品的前处理，一般以乙腈、乙酸、丙酮等有机溶剂作为提取剂[51-52]。例如用丙酮超声提取，联立GC 测定土壤中15种农药残留量，平均回收率在80.0%～108.9%之间[53]。García-Valcárcel A I 等[54]以乙腈和1%醋酸混合液作提取剂，超声提取污泥中的毒死蜱和甲胺磷等12种农药，并结合LC-MS/MS 进行分析，12种农药的回收率在83.2%～106.4%之间，RSD 为1.8%～8.7%。

1.5 加速溶剂萃取

加速溶剂萃取（Accelerated solvent extraction，ASE）[55]是上世纪末Richer 等介绍的一种全新萃取方法，在较高的温度和压力下，通过增大有机溶剂的沸点提高目标物的萃取效率，多用于萃取固体或者半固体，该方法有机溶剂用量少、快速、回收率高、重现性好，已被美国环保局定为测定土壤、黏土、淤泥和废物固体中不溶于水或微溶于水半挥发性有机物的标准方法（Method 3545）。Wu S 等[56]使用索氏提取法、加速溶剂萃取法和液-液萃取法对固体废物进行处理，研究结果表明加速溶剂萃取法中甲拌磷、二嗪磷和乙拌磷等12种农药的回收率在74.8%～112.3%之间，优于液-液萃取法（68.0%～109.1%）和索氏提取法（64.5%～123.0%）。

1.6 超临界流体萃取法

气体在压力和温度均高于临界点时，其密度会接近液体，而扩散系数和黏度却接近于气体，这一性质被称为气液两重性。超临界流体萃取法（supercritical fluid extraction，SFE）原理就是利用超临界流体作为溶剂，从液体或固体样品中萃取出目标组分，此方法耗时短且不需要有机溶剂，在环境分析领域得到广泛应用[57]。超临界流体法常用的气体有CO2、N2O 和SF6等[58]，Naeeni M H 等[59]使用超临界流体CO2提取了土壤和海洋沉积物中虫线磷、硫特普、乙拌磷等7种有机磷农药，加标回收率在80.0%～100.0%之间，RSD 为3.6%～11.9%。

1.7 QuEChERS 法

QuEChERS 法是美国林业部的Anastassiades等[60]在2003 年开发的一种快速样品前处理技术。先以乙腈进行萃取，萃取液经硫酸镁或者硫酸钠等盐类除水，而后在萃取液中加入乙二胺-N-丙基硅烷（SPA）等除去杂质，取上清液进行检测。蔡霖等[61]用乙腈为萃取液，采用QuEChERS 方法联合HPLCMS/MS 和GC-MS 测定了土壤中110种农药残留，在实际土样中共检出了包括有机磷农药在内的68种农药。

1.8 分子印迹聚合物法

分子印迹聚合物法[62-64]（Molecular-imprinted polymer，MIP）是以待检测的有机分子为模板，聚合反应后形成聚合物，再通过分解反应移除模板获得印迹聚合物，一旦印迹聚合物再次与模板相遇，就会有特异性识别。用分子印迹聚合物作萃取剂吸附能力极强，富集效率高，可用于检测环境样品中含量极低的有机磷农药残留。Zhu X 等[65]合成了久效磷分子印迹聚合物用于提取水样和土壤中久效磷、速灭磷、甲拌磷和氧化乐果4种极性有机磷农药，其中久效磷的回收率明显高于其他三种农药，具有很强的选择性。苗珊珊[66]以毒氟磷为模板合成了分子印迹聚合物，其对毒氟磷的结合量分别是马拉硫磷、二嗪磷和异丙隆的2.18 倍、2.50 倍和7.36 倍，运用该方法测定水样、土壤、小麦植株中毒氟磷的加标回收率在85%～103%之间，RSD 均小于7%。分子印迹聚合物法是针对待测样品中某一个组分可进行高效富集，目前在食品检测和环境分析等领域的分析中应用较多[67-68]。但环境样品中残留的有机磷农药种类较多，分子印迹聚合物法有一定的局限性，并且分子印迹聚合物制备过程复杂，对实验环境要求高。

1.9 免疫亲和层析法

免疫亲和层析法（Immunoaffinity chromatography，IAC）是基于抗原和抗体之间高度的选择性亲和能力（结合常数K 通常大于108）对目标分子进行分离和纯化。此方法最初应用于生物大分子研究，随着方法的成熟，也有研究将其应用于环境样品中有机磷农药残留的检测[69]。吴芸茹[70]制备了对甲基对硫磷、杀螟硫磷和甲基毒死蜱3种有机磷农药有特异性识别的单克隆抗体，在0.5、1、2 和5 µg/L 添加水平下，土壤、自来水和青菜中甲基对硫磷的回收率在80.8%～112.2%之间，杀螟硫磷和甲基毒死蜱的回收率分别为81.0%～105.2%和82.2%～110.2%。