高效液相色谱法测定地表水中磺酰脲类除草剂的前处理方法比较

王筱洁,孙龙,金晓霞,褚琳琳*

(1.山东省威海生态环境监测中心,山东 威海 264200;2.迪嘉药业集团股份有限公司,山东 威海 264200)

磺酰脲类除草剂(Sulfonylurea herbicides,SUs)是一类对作物安全、对杂草高效,选择性良好的除草剂[1-2],广泛应用于农业领域。SUs具有淋溶性强、挥发性低、光解性慢等特点,极易随降水渗透至地表及地下,对周边土壤及水体造成污染[3]。由于环境中SUs残留可能对某些动植物有害,因此有必要建立一种检测环境中SUs残留的可靠方法。现行测定SUs的方法主要有高效液相色谱(High-performance liquid chromatography,HPLC)[2,4-7]、气相色谱(Gas chromatography,GC)[8]、高效液相色谱-质谱联用(High performance liquid chromatography-mass spectrometry,HPLC-MS)[9-11]、气相色谱-质谱联用法(Gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS)[12]等。由于大多数SUs在高温下不稳定,使用GC和GC-MS分析时要将样品衍生化或水解[1],这一过程耗时较长,限制了GC和GC-MS在SUs测定中的应用。HPLC-MS和HPLC均可实现快速、高效和高灵敏度地分析SUs样品,但与HPLC-MS仪器相比,HPLC仪器的重现性好[13],普及度更高,是一种更易于推广应用的方法,因此本文选取HPLC完成样品的检测。

由于环境样品中SUs的含量是微量的,分析前需要对样品进行提取和富集等预处理,在众多前处理技术中,液液萃取法(Liquid-liquid extraction,LLE)是最为广泛使用的方法,具有重现性好、经济实用的优点。但是LLE法存在回收率欠佳、萃取剂耗量大、容易发生乳化、繁琐费时等缺点[14]。而固相萃取法(Solid-phase extraction,SPE)具有回收率高、萃取时间短、富集系数高、有机溶剂消耗低、易于自动化等优点[15-16],但不同批次间重复性难以保证。本文拟使用LLE、SPE两种法进行样品预处理,比较两种前处理法的优劣,并提供最佳前处理条件和最佳HPLC仪器条件,为监测环境样品中的SUs含量提供高效、快捷的检测方法。

1 实验部分

1.1 材料与试剂

甲醇(CH3OH,百灵威科技J&K,纯度≥99.9%);乙腈(CH3CN,美国TEDIA天地试剂公司,色谱纯,纯度≥99.9%);二氯甲烷(CH2Cl2,德国默克(MERCK)有限公司,色谱纯,纯度≥99.9%);氯化钠(NaCl,科密欧化学试剂有限公司,优级纯,含量≥99.8%);高纯氮气(N2,威海市新月化玻仪器有限公司,纯度≥99.999%);磷酸(H3PO4,国药集团化学试剂有限公司,分析纯);10种SUs标准溶液(北京北方伟业计量技术研究院,有证标准物质编号:BWN5502-2016,烟嘧磺隆、噻吩磺隆、甲磺隆、甲嘧磺隆、醚苯磺隆、氯磺隆、胺苯磺隆、苄嘧磺隆、吡嘧磺隆、氯嘧磺隆浓度皆为100 mg/L,相对扩展不确定度Urel=4%(k=2));实验用水皆为超纯水。

1.2 仪器与设备

LC-20A型HPLC仪(日本岛津公司),配SPD-20A型紫外可见双波长检测器、SIL-20A型自动进样器、LC-20AT型液相系统泵、日本GL Sciences公司C18液相色谱柱(产品编号:5020-02746,柱尺寸:4.6 mm×250 mm,填料粒径:5 μm);pHS-3C型精密pH计;EYELA型旋转蒸发仪;OA-SYS型氮吹仪;C18固相萃取柱(天津博纳艾杰尔科技有限公司,萃取柱体积为6 mL,填料质量为1 000 mg);Q-POD型Milli-Q纯水机(美国Millipore公司)。

1.3 样品前处理

本工作样品前处理参照HJ 1018—2019《水质 磺酰脲农药的测定 高效液相色谱法》,在此基础上进行了部分改进。(1)改进样品pH值。国标方法规定pH值调节为3～6,范围较广。本工作经过大量实验得出pH值为2.8时出峰效果最好,因此将pH值定为2.8;(2)LLE法将萃取体积从50 mL增加至90 mL,保证水样中的SUs被萃取完全;(3)SPE法在洗脱步骤之前增加CH3OH浸泡步骤,使目标物洗脱更完全;(4)浓缩温度由60 ℃降低为30 ℃,减少目标物的挥发。

1.3.1 LLE法

在250 mL威海市崮山水库地表水样中加入2.5 g NaCl、并加入一定量的磷酸将pH值调至2.8,震荡使其充分溶解。倒入分液漏斗中分三次加入90 mL CH2Cl2,震荡放气,放气后分别震摇2 min,静置15 min,将萃取后的有机相合并于200 mL锥形瓶中,加入10 g无水Na2SO4除水后转移至100 mL圆底烧瓶中,常温旋蒸浓缩至5 mL左右,转移至K-D浓缩瓶,在30 ℃下氮吹,吹干后用乙腈水(体积比1∶4)定容至1 mL进行测定。空白实验用超纯水代替。

1.3.2 SPE法

活化SPE柱,分别用5 mL CH3OH、5 mL超纯水预洗C18的SPE柱,活化过程中保持SPE柱湿润;量取250 mL威海市崮山水库地表水样,用磷酸调节pH值至2.8,以2 mL/min的流速上样;富集完毕后,以7 mL/min的流速继续抽吸10 min,空气干燥SPE柱;用5 mL CH3OH浸泡SPE柱5 min,再加入10 mL CH3OH,以2 mL/min的速度分2次洗脱,收集洗脱液至K-D浓缩瓶;使用氮吹仪在30 ℃低流速下将洗脱液N2吹至近干,加入CH3CN复溶,定容至1 mL待测。空白实验,以超纯水代替试样重复上述步骤。

1.4 标准溶液配制

用移液器分别移取500,200,100 μL的SUs标准溶液于3只10 mL容量瓶中,CH3CN定容,得到质量浓度为5.0,2.0,1.0 mg/L SUs标准溶液1～3;用移液器分别移取1 mL标准溶液1,3于2只10 mL容量瓶中,用CH3CN定容至刻度线,得到质量浓度为0.5,0.1 mg/L的标准溶液4,5,同理可配制质量浓度为0.01,0.02,0.05 mg/L的标准溶液。本工作测试检出限使用质量浓度为0.01～0.5 mg/L的标准系列1;测试精密度及准确度使用0.1～5.0 mg/L的标准系列2。

1.5 样品检测

使用超声后的乙腈-磷酸水溶液作为流动相,其中CH3CN与H2O体积比见表1,洗脱方式为梯度洗脱,流速设置为0.8 mL/min;SPD-20A检测器波长为230 nm;柱温设定为30 ℃;进样体积设为20.0 μL。依次检测空白实验、混合标准溶液、样品。

表1 梯度洗脱程序

2 结果与讨论

2.1 校准曲线的建立

标准系列1SUs标准溶液质量浓度为0.01,0.02,0.05,0.1,0.5 mg/L,标准系列2SUs标准溶液质量浓度为0.1,0.5,1.0,2.0,5.0 mg/L。由低浓度到高浓度依次进样,以标准系列溶液中目标化合物的质量浓度为横坐标,对应峰面积为纵坐标,建立校准曲线。不同目标化合物的回归方程及相关系数见表2。由测试数据可知,所有目标化合物相关系数r>0.999,线性良好。

表2 10种SUs回归方程及相关系数

2.2 前处理方法比较

2.2.1 检出限

在超纯水样品中加入SUs标准溶液,使其质量浓度为0.1 μg/L,制备成7份空白加标溶液用于方法检出限的测定。具体前处理步骤参照1.3。计算公式如下:MDL=t(n-1,0.99)×s,当n=7时,t(6,0.99)=3.143。式中,MDL代表方法检出限;n为样品的平行测定次数;t表示自由度为n-1,置信度为99%时的单侧t分布值;s为平行测定标准偏差。LLE法和SPE法的检出限结果如表3所示。

表3 LLE法和SPE法测定水质SUs的检出限

结果表明,以LLE法为前处理方法,使用HPLC测定7份空白加标试样,计算出SUs的方法检出限(MDL)为0.03～0.05 μg/L。以SPE法为前处理方法,测试同样的加标浓度,SUs方法检出限为0.02～0.04 μg/L。由检测结果可知,SPE法比LLE法检出限稍低,在测试低浓度样品时具有优势。

2.2.2 精密度及准确度

分别取三组威海市崮山水库水样各6份,用磷酸将水样pH值调节为2.8,加入SUs标准溶液,使其在水样中浓度分别为0.80,8.00,32.0 μg/L,加入2.5 g NaCl,震荡使其充分溶解。参照1.3的前处理步骤进行液液萃取和固相萃取,按照1.5检测方法进行测定,分别计算低、中、高三种浓度加标样品的相对标准偏差和加标回收率。测定结果见表4～5。

表4 LLE法测定地表水中SUs的精密度和准确度

结果表明,使用LLE法作为前处理时,10种SUs低、中、高三组浓度平均加标回收率范围分别为:80.8%～96.3%,89.0%～99.0%,79.6%～90.7%;相对标准偏差(RSD)分别为4.9%～12%,5.8%～8.0%,3.2%～9.7%。使用SPE法作为前处理时,10种SUs三组浓度平均加标回收率分别为:80.0%～104%,82.3%～97.1%,81.7%～92.5%;RSD分别为2.4%～8.5%,4.0%～7.8%,2.8%～11%。根据生态环境部标准《地表水和污水监测技术规范(HJ/T 91—2002)》规定,在例行地表水监测中,对痕量有机污染物加标回收率应控制在60%～140%之间,本工作LLE法平均回收率介于80.8%～99.0%,SPE法为80.0%～104%,符合标准要求,准确度高。与检测SUs的其他相关文献相比,姜莲华等[17]使用SPE-HPLC法检测地表水中的10种SUs,加标量为0.2、10、30 μg/L时,得到RSD范围为1.91%～14.7%,加标回收率介于90.2%～107.1%。RSD优于文献报道,说明实验过程具有更高的精密度,但是平均加标回收率较低,原因可能是本工作选用的旋蒸温度为30 ℃,高于文献的20 ℃,使得部分样品挥发损失,下一步工作将降低旋蒸温度验证此结论,进一步优化萃取条件。

2.2.3 差异性检验

为了验证LLE法和SPE法测定地表水中SUs的含量是否有显著性差异,采用F检验法和t检验法对表4、表5中6次加标测定值进行检验。

表5 SPE法测定地表水中SUs的精密度和准确度

表6 LLE法和SPE法测定地表水中SUs的差异性检验

分析两种前处理方法的3组加标回收数据差异性得知,F检验法结果显示,用LLE法和SPE法对10种SUs进行萃取,得出精密度的差别不明显,而t检验法表明,在进行低浓度的测试时,有4种目标化合物具有显著性差异。从检测数据可知,低浓度区域,LLE法相对标准偏差大多在5%以上,6个目标化合物加标回收率低于85%;而SPE法加标回收率低于85%的目标化合物只有3个。原因可能是LLE法步骤复杂,引入的不确定因素较多。其相比SPE多出的操作步骤有:(1)分三次添加萃取剂,从分液漏斗弃去水相时可能损失部分目标物;(2)收集萃取液后需加无水Na2SO4进行除水操作,部分目标物可能被干燥剂吸附;(3)萃取液需转移多次,每转移一次可能损失部分样品;(4)旋转蒸发步骤蒸发过程中增加样品损失的可能性。因此,LLE法操作较为复杂,对于实验人员要求较高,提高检测人员技术水平能够减小不确定度的引入,提高分析结果的准确性。

3 结语

本工作运用LLE法及SPE法两种前处理方法对地表水中10种SUs进行了测定。使用CH2Cl2为萃取剂,液-液萃取后上机检测,10种SUs的检出限介于0.03～0.05 μg/L,平均回收率在80.8%～99.0%之间,RSD介于3.2%～12%;使用C18柱为SPE柱,CH3OH为洗脱剂进行前处理,测得10种SUs检出限范围为0.02～0.04 μg/L,平均回收率为80.8%～104%,RSD在2.4%～11%之间。两种前处理方法准确度均能达到生态环境质量控制一般要求(加标回收率60%～140%)。此外,文中合理分析了检测结果的差异性,解释了差异性的来源,为HPLC法测定地表水中SUs含量提供了方法参考。