水中阿特拉津及代谢物前处理和快速检测技术研究进展

熊 杰,杨 菊,向 松

(1.成都理工大学，成都 610059； 2.四川省生态环境监测总站，成都 610091； 3.四川省生态环境科学研究院，成都 610041)

引 言

阿特拉津(atrazine，ATZ)，是一种三嗪类除草剂。因其价格便宜，除草效果好，自1950年生产以来，广泛应用于于旱田、果园，是目前世界上使用最多的除草剂之一[1]。

阿特拉津施用于土壤后，20%～70%残留物可进入环境水体。由于其在水环境中常以痕量水平存在，对水中的阿特拉津及代谢物常采用萃取富集后使用仪器分析。在已发表文献中，多采用液液萃取、固相萃取等前处理方法对水中阿特拉津及代谢物进行富集。近年来随着材料科学的发展，以纳米颗粒修饰、改性石墨烯等新材料制成的吸附材料也逐渐得到应用。在快速检测技术领域，改性电极、免疫法是目前快速检测技术的主要基础方法。

本文查阅了近10余年来有关水中阿特拉津及代谢物的主要前处理技术和快速检测方法的文献报道，并将其进行了汇总比较。对比了不同前处理技术的优缺点以及应用现状，同时对此类有机化合物的富集萃取材料的研发及萃取技术发展方向进行了展望，以期能更高效、更准确地萃取水中阿特拉津及代谢物，进一步提高萃取回收率。同时还比较了现有快速检测技术的优缺点，分析了现有检测技术存在的问题及局限性，为研究更为灵敏、快速、稳定的快速检测技术以及开展在线监测应用提供了科学参考。

1 阿特拉津毒理性质及水环境中残留现状

在水环境中，阿特拉津可转化为各种各样的降解产物，主要产物有脱乙基阿特拉津(deethylatrazine，DEA)、脱异丙基阿特拉津(deisopropylatrazine，DIA)、羟基化阿特拉津(hydroxyatrazine，HYA)和脱乙基脱异丙基阿特拉津(didealkylatrazine 或 deethyldeisopropylatrazine，DEDIA)等[2]，其降解产物分子结构见图1。

图1 阿特拉津及主要代谢产物Fig.1 Atrazine and its main metabolites

有研究发现阿特拉津对神经系统、生殖系统、内分泌系统及免疫功能均可造成一定毒性损伤，并具有一定的胚胎毒性[3-4]。ATZ代谢物主要分为烷基类(DEA、DIA、DEDIA)和羟基类(HYA)，前者毒性与阿特拉津母体相当甚至超过原型，并具有更高的极性和稳定性，能长期留存于地下水中[5]，HYA主要表现为肾脏毒性。目前，阿特拉津已被美国、日本等国列入内分泌干扰物名单[6]。

阿特拉津在全世界使用已超过50年，施用于土壤后，可通过地表径流、大气蒸腾等方式进入环境水体，目前世界各地已有文献报道中，地表水、饮用水及自来水中均有阿特拉津及代谢物的检出报道。2016年有学者对我国31个省份地表水及自来水中阿特拉津及其降解产物(ATZS)进行调查[7]，水中ATZS范围在0.02ng/L～3.04μg/L，自来水中ATZ和DEA检出率分别达99.5%和98.0%。同时在海南饮用水、北京官厅水库、太湖、上海黄浦江等[8～11]水中也有ATZS的检出报道，任晋等报道[5]地下水中也有阿特拉津及代谢物检出，其中DEA和DIA两种毒性代谢物含量已超过母体ATZ。美国是阿特拉津使用量最大的国家，曾有针对美国18个水库连续10年的监测，发现阿特拉津检出率达100%，且有14个水库浓度超过3μg/L[12]，美国部分地区饮用水中也检测到阿特拉津，浓度为88.4 μg/L, 地表水中为69.4 μg/L，爱荷华州在地下水中检测到高达 21μg/L的阿特拉津, 地表水中为42 μg/L，农业区附近的河流中为102μg/L，在中西部小溪中为 224 μg/L[13-14]。欧洲各国对ATZ非常重视，在90年代已开始禁用ATZ，但德国10年后仍在地表水及自来水中可检出ATZS[15]。还有研究发现[16]，德国和瑞典的降雨中含有阿特拉津，推测是由于ATZ的挥发和风蚀作用。加拿大[17]、法国[18]等国的地下水、河流、湖泊中也检测出ATZ。

2 前处理技术

2.1 液液萃取(LLE)

液液萃取是一种传统的萃取方式，它利用目标物组分在溶剂中分配系数的不同来实现提取。液液萃取技术发展成熟，易于操作，常作为水中有机污染物提取的前处理方式。针对水中阿特拉津及代谢物的提取，常采用二氯甲烷[19～21]作为萃取剂，也有采用乙酸乙酯[22-23]、石油醚[24]、正己烷[25]等进行提取的报道。目前，我国水中阿特拉津分析方法标准[26]采用20mL二氯甲烷作为萃取剂，对100mL水中阿特拉津进行萃取。使用液液萃取，对于仪器设备要求不高，操作简单，对于水样的要求不高，基质复杂的水样也可以得到良好萃取效果，但是同时也存在消耗有机试剂量大，操作时间长的缺点。

2.2 分散液液微萃取(DLLME)

分散液液微萃取是基于液液萃取的一种新型萃取技术，相当于微型化的液液萃取[27]。分散液液微萃取常以离子液体或有机溶剂为萃取剂和分散剂，水样体积一般为几毫升，需要富集的水样体积小，使用有机溶剂量少，萃取富集可同时完成。自2006年由Rezaee[28]首次提出后近年来发展迅速，目前在环境、食品等领域受到广泛关注，多项研究报道也显示出其对水中痕量阿特拉津有良好的萃取富集效果[29～32]。分散液液微萃取基本过程见图2。

图2 分散液液微萃取Fig.2 Dispersive Liquid-Liquid Microextraction

2.3 固相萃取技术(Solid-Phase Extraction，SPE)

固相萃取由液固萃取和柱液相色谱技术相结合发展而来，与传统的液液萃取法相比，能够更有效的将分析物与干扰组分分离，减少有机溶剂的使用和接触，是一种更为绿色环保的萃取技术，同时污水废水等组分复杂、颜色较深的水样，经固相萃取后还可以达到净化的效果。固相萃取效率主要取决于吸附剂填料与洗脱液的选择。常见的吸附剂有是C18、C8等硅胶基质填料、非极性的苯乙烯-二乙烯基苯共聚物为代表的有机聚合物型填料、功能修饰的有机聚合物填料及碳基吸附剂填料等[33]。目前已有报道中，多种类型的填料均可满足水中阿特拉津及代谢物的萃取吸附，如BondElut Plexa聚合物型固相萃取小柱[34]，石墨化碳黑固相萃取小柱[35]，Oasis HLB小柱[36]，QASIS MCX离子交换柱[37]等；有文献[38]比较了采用MCX和C18小柱分别对阿特拉津及两种代谢物(DEA和DIA)的萃取效率，DEA和DIA使用C18小柱回收率较低，但ATZ使用C18小柱回收率更好。

随着材料科学的飞速发展，许多新型填料也相继被开发应用，以纳米颗粒修饰、改性石墨烯制成等新材料制成的吸附剂也开始用于水中阿特拉津等极性大物质的提取。Weixin Cao等[39]比较了三种以聚丙烯腈纳米纤维膜(PANNFs)为基底膜的纤维膜对水中阿特拉津及其两种有毒代谢物的动态、静态吸附效率，发现以羟基修饰的PANNFs(COOHPANNFs)吸附容量等参数明显优于其余两种，可作为阿特拉津及两种代谢物的吸附介质。影响固相萃取效率的另一个重要因素还包括洗脱剂的种类，贺小敏等[40]比较了甲醇、二氯甲烷、丙酮和正己烷四种洗脱液，发现除正己烷洗脱效果不理想(回收率6.6%)外，其余三种溶剂回收率均在80%以上。

在传统固相萃取技术的基础上，通过优化萃取材料、改变萃取模式等方式，发展了分子印迹固相萃取(MISPE)、分散固相萃取(DSPE)、磁固相萃取(MSPE)以及在线固相萃取(On-line SPE)等前处理技术。

2.3.1 分子印迹固相萃取(MISPE)

分子印迹固相萃取是基于分子印迹技术的一种固相萃取法。分子印迹技术是指制备对某一特定目标分子具有特异选择性的聚合物，即分子印迹聚合物molecular imprinted polymer(MIP)[41]，用分子印迹聚合物作为填料的固相萃取柱称之为分子印迹固相萃取柱。由于分子印迹吸附材料具有高度选择性，可以更有效地去除基质效应，富集效率更高，还可多次重复使用，目前常用于环境[42]、食品[43]等不同介质样品中痕量有机物的萃取。高会云等[44]合成了莠去津分子印迹聚合物，最佳条件下阿特拉津富集倍数可达82倍。尹俊发[45]团队研发了一种能够从环境水样中选择性识别和富集阿特拉津的功能材料-分子印迹聚合物(MIP)，灵敏度满足管控要求，可用于地表水中阿特拉津的快速分析。

在分子印迹固相萃取技术基础上，Mashaalah Z等[46]制备了一种将分子印迹聚合物(MIP)颗粒嵌入硅胶网络中，开发了一种混合床固相萃取技术(混合床MISPE)，与传统MISPE相比，相对标准偏差(RSD)为1.8%～6.3%，优于传统的3.5%～12.1%。此外，混合床MISPE的柱间重现性显着提高到16.1%，同时有机溶剂的消耗量减少至0.4mL以下，萃取时间缩短至10min以下。

2.3.2 分散固相萃取(DSPE)

分散固相萃取，主要包括(Matrix solid-phase dispersion extraction，MSPD)和QuEChERS技术(Quick、Easy、Cheap、Effective、Rugged、Safe)。它是1989年由美国Staren 教授提出[47]，是一种基于传统的固相萃取技术发展起来的样品前处理方法。基质固相分散萃取(MSPD)与传统固相萃取相似，但是作用机理相差较大，MSPD通过萃取填料与样品组分充分接触，大大增加了萃取表面积。同时由于加入的萃取材料可以根据实际水样浓度调整，萃取效率更高。QuEChERS是由美国农业部Anastassiades 教授等于2003年开发[48]。QuEChERS方法消耗时间短，处理效率高，有机溶剂使用量小，特别适合蔬菜、水果、土壤等固体物质的前处理，目前在食品、农业、医药等领域应用非常广泛，但是在环境水样中的应用报道还不多见。Renata P. Gabardo等[49]采用QuEChERS-LC-DAD对天然水中阿特拉津及代谢物进行检测，方法显示出良好的线性 (r2> 0.99)、精密度 (RSD < 11%) 和准确度 (83%～105%)，定量下限接近0.2μg /L。

2.3.3 磁固相萃取(Magnetic solid phase extraction，MSPE)

磁性固相萃取是近年新出现的萃取技术[50]，MSPE的技术核心在于高效的功能化磁性吸附剂。磁性固相萃取不需要固相萃取柱，直接将磁吸附材料加入提取液中，吸附完成后，通过外加磁场使固液分离，再利用洗脱液将目标物洗出用于后续分析。磁固相萃取操作过程简便，对于大体积环境水样的萃取富集有较大的优势，但因单纯的磁性材料吸附效果较差，常将其与其他新型材料结合应用于水中阿特拉津的萃取[51-52]。在新近的报道中，国外学者[53]采用氨基功能化的介孔结构多孔泡沫 (AF-MCF) 提取水中阿特拉津，吸附容量为270.27 mg/g，至少可以循环使用6次，用于测定阿特拉津时检出限可以达到0.5μg/ L。(见图3)

图3 磁固相萃取Fig.3 Magnetic solid-phase extraction

2.3.4 在线固相萃取(On-line SPE)

在线固相萃取是基于固相萃取技术的一种实时在线萃取方法，可实现萃取-洗脱-检测连续在线分析，具有操作连续的优点。安永生[54]利用在线固相萃取联合高效液相色谱测定水中甲萘威和阿特拉津，进样量为2.5mL时，阿特拉津检出限为0.008μg/L，实际水样加标回收率为91.6%～101%；沈裴等[55]将水样经HLB-Direct Connect HP在线固相萃取小柱富集纯化，甲醇洗脱后进行分析，阿特拉津回收率科在83.0%～105.1%之间，相对标准偏差为1.6%～5.3%之间，可满足痕量分析测试要求。林炎平[56]采用全自动固相萃取仪对水中的阿特拉津进行提取，方法检出限为0.072μg/L，精密度3.6%，回收率110%。

2.4 固相微萃取(solid-phase microextraction，SPME)

固相微萃取技术由加拿大Pawliszyn教授研究小组于1989年发明[57]，是20世纪90年代兴起的一项样品前处理与富集技术，属于及采样、萃取、浓缩和进样为一体的非溶剂型选择性萃取法。与固相萃取技术相比，克服了固相萃取吸附剂孔道易堵塞的缺点，但固相微萃取萃取纤维价格一般较贵，使用寿命较短。固相微萃取通常指纤维固相微萃取技术，可与气相色谱、液相色谱联合应用于样品检测[58]。王艳丽等[59]对萃取纤维进行了比较优化，选择采用PA萃取纤维吸附水中阿特拉津及6种有机磷农药，并在气相色谱-质谱仪进口处热解析后进行检测，方法经优化后适用于多类型水体中阿特拉津的分析。

2.5 直接进样技术

近年来，随着质谱技术的发展与应用，仪器检测灵敏度的不断提高，直接进样联合质谱检测技术得到广泛的应用。直接进样技术主要针对基质较简单、清洁的环境水样，对于基质较复杂，悬浮物较多的水样，不太适用。由于操作便捷、快速，水样经滤膜过滤后即可直接上机分析，常应用于水中各类农药、抗生素的检测。近年来采取直接进样分析水中阿特拉津的相关报道也逐渐增多[60～67]。在此类研究中，多采用0.22μm或0.45μm的针式滤头或滤膜对水样进行过滤，除去颗粒性杂质后直接采用液相色谱质谱或气相色谱质谱进行分析。直接进样技术主要关注滤膜的材质、孔径，其中聚四氟乙烯滤膜是最常见材料。(见下表)

表 常见前处理技术主要技术参数及指标Tab. Main technical parameters and indexes of common pretreatment technologies

3 快速检测技术

快速检测手段可以在现场进行快速测试，从取样到得到定量结果仅需10余分钟，速度快，大部分现有检测技术的灵敏度亦可达到实验室分析的要求，能够有效指示环境水体中阿特拉津类农药的赋存情况，可达到对水中有机污染快速监控的目的。目前基于光吸收[68]、电化学发光生物[69]、免疫学[70]、免疫层析法[71]及新型材料结合的电化学技术的现场快速检测水中阿特拉津的相关研究也成为国内外学者关注的重点。最新报道显示，上述检测技术已在饮用水、地表水等环境水体中得到良好的应用。

李晓丽等[70]对间接竞争ELISA进行条件优化，建立了高灵敏度的阿特拉津酶联免疫吸附检测法，与高效液相色谱法比较，发现当添加样品浓度在0～6μg/L时，检测灵敏度高于HPLC。同时还有研究采用纳米颗粒、石墨烯等新材料修饰电极制成新型电化学传感器，对水中阿特拉津进行检测[72～74]，这些改性电极可用于复杂基质样品，由于仪器设备小，易于携带，是现场快速检测的有效手段。有报道[68]将金纳米颗粒(Mel-AUNP)改性三聚氰胺加入水样中，根据颜色改变，从而实现对水中阿特拉津的定性或定量检测。国外学者报道了一种基于白光反射光谱的光学免疫传感器[75]，用于同时测定饮用水样品中的除草剂阿特拉津和百草枯，百草枯和阿特拉津的检出限分别为40和50ng/L，测定时间为12min，加标水样回收率范围为90.0%～110%，传感器重复使用次数可达20次以上。胶体晶体是在20世纪90年代提出的一种新型材料，具有光传播控制特性。夏缓等[76]将“亲水-疏水”系统引入胶体晶体，研发了一种新型光学检测材料-富集胶体晶体用于测定饮用水中痕量阿特拉津，利用胶体晶体的“亲水-疏水”作用，对水中阿特拉津进行富集后进行测试，最低检测浓度为2μg/L，实际水样中阿特拉津加标回收率在89.0%～105.5%之间，与高效液相色谱法测定的结果基本一致，能够满足现有国家地表水环境质量标准限值的要求。(见图4)

图4 富集胶体晶体检测过程Fig.4 The progress of enrichment colloidal crystals for determination of Atrazine

4 展 望

4.1 前处理技术

在综述的前处理方法中，仍存在对部分极性较大的化合物，如DEA和DIA等代谢物，回收率效率不高的问题。因此，提高其萃取回收效率将是研究的重点，可针对极性较大的两种化合物，充分采用分子印迹技术，开发针对性更强的新型吸附材料，优化萃取条件，以改善其萃取效率。同时可考虑研发多层固相萃取小柱，将极性与非极性填料分层填充至同根小柱，可实现同时萃取不同极性化合物。

4.2 快速检测技术

在快速检测领域，大多数快速检测设备还存在稳定性、重现性及灵敏度较差的问题，因此开发更灵敏、重现性更好的现场快速检测设备或试剂是目前研究的重点内容。特别是化学修饰电极的应用，目前在环境分析领域也得到广泛关注，可重点考虑将纳米技术与传感技术有机结合，优化现有修饰电极结构，对于改善水中痕量有机物的检测灵敏度稳定性势必有质的飞跃。

4.3 在线自动监测技术

由于使用量大、残留期长、检出率高，同时还具有内分泌干扰等危害，因而对水体阿特拉津污染进行长期、 连续的监测十分必要。目前已有报道利用阿特拉津对藻类光合抑制作用，来实现水中阿特拉津预警。因此可考虑结合生物检测、试纸指示等技术，开发水中阿特拉津等有机农药在线自动监测设备，从而实现水中有机污染的实时监控预警。