气相色谱-质谱法测定粮食种植土壤中6种农药的残留量

梁玉俊,田红莲,张建聪

(1.衡水科技工程学校,衡水 053000;2.河北省沧州生态环境监测中心,沧州 061000)

粮食在种植过程中常受到病菌、害虫、杂草等的影响,导致粮食大面积减产甚至颗粒无收,给人民生活带来巨大影响。因此,为防止病、虫、草害,常施用杀菌剂、杀虫剂、除草剂等农药,常用农药包含粉锈宁、速保利、氟菌唑、霜霉威、萎锈灵和丙环唑等。其中,粉锈宁可以有效防治水稻和小麦的白粉病、锈病,速保利可以有效防治叶枯病、丝黑穗等病虫害。但是,在喷洒农药时,实际发挥药效的农药仅占总使用量的15%左右,其余农药会飘散在空气和土壤中,而前者会随着雨水也沉降到土壤中,造成土壤生态环境的破坏,如微生物、蚯蚓等动物的死亡,进而导致粮食减产[1-6]。为指导合理施用农药,保障生态环境安全、粮食丰收等,加强对粮食种植土壤中常用农药粉锈宁、速保利等残留量的监测,具有重大的现实意义。

在测定土壤中农药残留量时,常采用索氏提取法、超声提取法为提取方法,固相萃取法、凝胶色谱法为净化方法,但这些方法存在耗时长、有机试剂消耗量大、成本高、效率低或环境及健康危害大等问题[7-11]。同时,相关研究涉及的农药种类较少[12-13],不能较好地反映土壤中常用农药的残留水平。鉴于此,本工作以加速溶剂萃取法为提取方法,QuECh-ERS为净化方法,采用气相色谱-质谱法测定种植粮食土壤中粉锈宁、速保利、氟菌唑、霜霉威、萎锈灵和丙环唑等6种农药的残留量,该方法检测快速、净化效果好、灵敏度高,适用于粮食种植土壤中极微量农药残留的监测。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

2010 Plus型气相色谱仪;TQ8040型三重四极杆质谱仪;内含1 g 硫酸镁、500 mgN-丙基乙二胺(PSA)和500 mg C18的净化管(25 mL);MSE225S型电子天平;H2100R 型高速冷冻离心机;MV5 型水浴式氮气吹干仪;SP-600 QSE 型加速溶剂萃取仪;Milli-Q Elenent型纯水系统。

单标准溶液:100 mg·L－1,粉锈宁、速保利、氟菌唑、霜霉威、萎锈灵和丙环唑的质量浓度均为100 mg·L－1。

混合标准储备溶液:10 mg·L－1,分别移取单标准溶液各1 mL 置于10 mL 容量瓶中,用乙酸乙酯稀释至刻度,配制成10 mg·L－1的混合标准储备溶液。

混合标准溶液系列:取适量混合标准储备溶液,用乙酸乙酯逐级稀释,配制成质量浓度分别为0.05,0.2,0.5,2.0,5.0 mg·L－1的混合标准溶液系列。

正己烷、丙酮、乙酸乙酯均为色谱纯;试验用水为超纯水。

1.2 仪器工作条件

1.2.1 加速溶剂萃取条件

加热温度90 ℃,加热时间10 min,萃取压力10 MPa,萃取时间5 min,冲洗体积23.8 mL,循环次数3次。

1.2.2 色谱条件

Rtx-5MS 石英毛细管色谱柱(30 m ×0.25 mm,0.25μm);进样口温度200 ℃;不分流进样;进样量1μL;载气为氦气,纯度99.999%;载气流量1.8 mL·min－1;柱升温程序:初始温度为50℃,保持1min;以速率25℃·min－1升温至120℃;以速率15 ℃·min－1升温至300 ℃,保持20 min。

1.2.3 质谱条件

电子轰击离子(EI)源;轰击能量70 e V;离子源温度250 ℃;接口温度240 ℃;碰撞气为氩气,纯度大于99.999 9%;溶剂延迟时间3.6 min;扫描方式为多反应监测(MRM)模式。其他质谱参数见表1。

表1 质谱参数Tab.1 MS parameters

1.3 试验方法

随机采集约1 000 g土壤样品,去除石块,植物根、茎等杂物,经自然风干后,将土壤样品碾碎过孔径为0.18 mm 的筛网(80目)。取10.0g(精确至0.01 g)预处理好的样品置于加速溶剂萃取池中。加入约10 g硅藻土和体积比1∶1的乙酸乙酯-正己烷混合溶液33 mL,按照加速溶剂萃取条件进行处理。收集提取液并全部转移至净化管中,涡旋2 min后,以转速8 000 r·min－1冷冻离心5 min。上清液于45 ℃氮吹至近干,用1.0 mL 乙酸乙酯溶解残渣,涡旋1 min后,用0.22μm 滤膜过滤,所得滤液按照仪器工作条件测定。

2 结果与讨论

2.1 色谱行为

以10 mg·L－1混合标准溶液为待测对象,先以全扫描(SCAN)模式确定各农药的母离子,然后设定产物离子,以选择离子扫描模式,根据各农药的保留时间分组扫描,选择2组响应较高的离子对,最高的一对作为定量离子对,另外1组作为定性离子对。运行MRM Optimization Tool软件,输入碰撞能量范围(3～45 e V)和能量间隔(3 e V)后,系统自动优化碰撞能量后得到最佳碰撞能量,在此碰撞能量下各离子对的灵敏度达到最佳。优化后的质谱参数见表1,10 mg·L－1混合标准溶液的色谱图见图1。

图1 混合标准溶液的色谱图Fig.1 Chromatogram of the mixed standard solution

2.2 提取方法的选择

目前,用于土壤样品中农药残留提取的前处理方法有索氏抽提法、QuECh ERS提取法、固液提取法等方法。索氏抽提法由于具有操作时间过长,溶剂使用量大,且操作过程危险性大等缺点,已很少被采用。Qu ECh ERS提取法试剂用量少,环境友好度高,但是净化效果较差;加速溶剂萃取法是在固液萃取法的基础上衍生的自动化程度高的萃取方法,该方法自动化程度高,操作简单。试验以6种农药加标量均为0.1 mg·L－1的土壤样品为对象,考察了QuEChERS和加速溶剂萃取两种前处理方式的回收率,结果发现加速溶剂萃取回收率效果优于Qu ECh ERS提取法。因此,试验采用加速溶剂萃取法提取样品。

2.3 提取剂的选择

加速溶剂萃取中常用的提取剂为正己烷、丙酮、乙酸乙酯等,因此试验以玉米种植土壤为待测对象,考察了提取剂分别为乙酸乙酯、正己烷、体积比1∶1的乙酸乙酯-正己烷混合溶液时对6种农药回收率的影响,结果见表2。

表2 不同提取剂提取时所得回收率Tab.2 Recovery obtained with different extrants

由表2可知,3种提取剂的提取效果均较好,其中混合提取剂所得回收率接近100%,优于单一提取剂,因此试验选择的提取剂为体积比1∶1的乙酸乙酯-正己烷混合溶液。

2.4 标准曲线和检出限

按照仪器工作条件测定混合标准溶液系列,以6种农药的质量浓度为横坐标,其对应的峰面积为纵坐标绘制标准曲线。结果显示:6种农药标准曲线的线性范围均为0.05～5.0 mg·L－1,其他线性参数见表3。

以3倍信噪比(S/N)计算检出限(3S/N),所得结果见表3。

表3 线性参数和检出限Tab.3 Linearity parameters and detection limits

2.5 精密度试验

按照试验方法对空白加标样品(加标量2.0 mg·kg－1)平行测定6次,计算测定值的相对标准偏差(RSD),粉锈宁、速保利、氟菌唑、霜霉威、萎锈灵和丙环唑测定值的RSD 依次为2.8%,3.2%,3.4%,2.3%,4.3%,4.0%,表明方法的精密度良好。

2.6 回收试验

按照试验方法对空白土壤样品进行低(0.5 mg·kg－1)、中(2.0 mg·kg－1)、高(5.0 mg·kg－1)等3个浓度水平的加标回收试验,每个浓度水平平行测定3次,所得回收率结果见表4。

表4 回收试验结果Tab.4 Result of test for recovery

由表4 可知,6 种农药的回收率为89.5%～101%,说明方法的准确度良好。

2.7 样品分析

随机取玉米、小麦、大豆等3种不同作物种植土壤,按建立的方法对样品进行前处理,再按1.2节仪器工作条件进行测定,计算样品中粉锈宁、速保利、氟菌唑、霜霉威、萎锈灵和丙环唑的残留量,具体结果见表5。

表5 土壤样品测定结果Tab.5 Determination results of soil samples

本工作以体积比1∶1的乙酸乙酯-正己烷混合溶液提取土壤样品,以含1 g硫酸镁、500 mg PSA和500 mg C18的净化管净化土壤中的水、有机酸和无机盐,采用气相色谱-质谱法测定其中粉锈宁、速保利、氟菌唑、霜霉威、萎锈灵和丙环唑等6种农药的残留量。该方法自动化程度高,有机溶剂消耗量少,操作简便、省时,适用于土壤中农药残留的检测。