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正相硅胶/选择洗脱—气相色谱法、液相色谱—质谱法检测

来源:首席医学网
摘要:【摘要】以正相硅胶/选择洗脱为核心,建立了一种适用于各种复杂基质食品中甲胺磷残留分析的前处理方法。样品用无水Na2SO4配合乙酸乙酯均质研磨,超声波辅助提取,提取液经PSA粉末分散固相萃取和LCSi柱单一溶剂选择洗脱净化后,供气相色谱仪(GC)和超高效液相色谱串联质谱仪(UPLCMS/MS)分析。气相色谱采用火焰光度检......

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【摘要】 以正相硅胶/选择洗脱为核心,建立了一种适用于各种复杂基质食品中甲胺磷残留分析的前处理方法。样品用无水Na2SO4配合乙酸乙酯均质研磨,超声波辅助提取,提取液经PSA粉末分散固相萃取和LCSi柱单一溶剂选择洗脱净化后,供气相色谱仪(GC)和超高效液相色谱串联质谱仪(UPLCMS/MS)分析。气相色谱采用火焰光度检测器(FPD),液相色谱质谱联用采用电喷雾正离子方式(ESI+),T3键合技术(HSS T3)和亲水作用(HILIC)超高效液相色谱柱分离,外标法定量。方法简便、快速,通过优化前处理和上机条件,在最优条件下进行测试,气相色谱法、液相色谱质谱联用法的定量下限(S/N≥10)为0.0007~0.006 mg/kg,回收率分别为73%~90%, 81%~96%,相对标准偏差分别为2.4%~6.1%, 5.2%~10.8%。并对选择洗脱净化过程中的作用机理进行了研究。

【关键词】  气相色谱法,超高效液相色谱串联质谱法,T3键合技术色谱,残留分析,甲胺磷

            1 引 言

  甲胺磷(Methamidophos),是一种高效、广谱性有机磷杀虫剂和杀螨剂,曾是我国生产和使用量最大的农药[1],虽然国家于2007年禁止其销售和使用,但违规现象屡禁不止,甲胺磷残留超标及食物中毒事件时有发生,使得检测甲胺磷残留问题成为人们关注的焦点。但甲胺磷残留检测技术一直被认为是农药残留检测技术中的难点之一,样品基质的复杂化程度直接影响到实验结果及成败[1~6]。

  通过选择对干扰物质无响应的检测器,可以在一定程度上解决基质干扰的问题。但各种检测器都有它的弱点:FPD检测器在检测含硫基干扰物质(葱、蒜等)和加工过程中使用类似物质处理过的样品(干香菇等)时干扰严重,无法进行定性与定量分析;NPD检测器对自然界中普遍存在的含氮化合物有响应,结果易受干扰,而且响应值低、峰形拖尾严重,定性与定量分析困难;MS检测器检测甲胺磷时,由于保留时间短,所监测离子的分子量小,易受干扰,信噪比较低,分析复杂基质样品时信噪比很差,无法满足要求。而且,气相色谱检测时需要在衬管中气化,甲胺磷对衬管的洁净程度极其敏感。近年来,液相色谱质谱联用被用于检测甲胺磷,样品无需加热,不会分解,也不涉及衬管吸附,具有一定的优势。但在检测复杂基质样品[3]时,由于甲胺磷在普通反相色谱柱上基本无保留,大量共流出的杂质产生了严重的离子抑制(基质效应),甚至无响应。

  提高前处理的净化效果才是彻底解决甲胺磷问题的办法。本实验建立了一种甲胺磷残留分析的前处理新方法,选择各种复杂基质样品(黑胡椒粉、茶叶、干香菇、小麦、蒜、韭菜、姜、葱、烤鳗及黄鱼)及有代表性样品(菠菜、苹果)进行验证。由于食品中硫基干扰物质与农药性质极其相似,目前尚没有办法在前处理阶段将它们除去[7,8],必须在制样时用微波或磷酸对样品进行处理,在实际检测中难以操作。本方法实现了农药与硫基干扰物质在前处理的分离,使葱蒜类样品中的甲胺磷残留检测在GCFPD上也能得到无干扰的色谱图。另外,本方法实现了各种不同基质样品中甲胺磷残留检测方法的统一。

  本方法将1.8 μm填料的T3键合技术HSS T3、1.7 μm填料的亲水作用Hilic超高效液相色谱柱配合电喷雾串联质谱用于有机磷农药检测,解决了普通反相色谱柱死时间问题,关于有机磷农药在这两种新型液相色谱柱上的色谱行为尚未见文献报道。实验发现甲胺磷在LCSi固相萃取小柱上能够实现单一溶剂选择洗脱的现象,本实验对净化过程的作用机理进行了研究。

  2 实验部分

  2.1 仪器与试剂

  7890A气相色谱仪,FPD检测器,HP5毛细管柱(30 m×0.32 mm, 0.25 μm, 美国Agilent公司);Waters Quattro Premier超高效液相色谱串联四极杆质谱仪,ACQUITY UPLC HSS T3(2.1 mm×50 mm, 1.8 μm), ACQUITY UPLC Hilic(50 mm×2.1 mm, 1.7 μm)超高效液相色谱柱(美国Waters公司);T18basic均质器(德国IKA公司);低速离心机(德国Sigma公司);旋转蒸发仪(德国Heidolph公司);DC12氮吹仪(上海安谱公司);标准品(德国DR公司);PSA粉末、LCSi固相萃取小柱500 mg/6 mL(美国Supelco公司);所用试剂均为分析纯或色谱纯;实验用水为三重过滤去离子水。

  2.2 实验方法

  2.2.1 样品提取 (1)新鲜样品 称取匀浆样品2 g至50 mL离心管中,加入乙酸乙酯20 mL,无水Na2SO4 8 g,用均质机15000 r/min均质1 min,10 mL乙酸乙酯清洗均质头,合并溶剂,4000 r/min离心5 min,上清液过无水Na2SO4(约20 g)层滤入150 mL鸡心瓶,残渣中再加入乙酸乙酯20 mL,捣碎,涡旋振荡1 min,超声波提取10 min,期间取出振摇2次,4000 r/min离心5 min,合并提取液至鸡心瓶中,40 ℃减压旋转蒸发至近干,待净化。(2)干制品 称取粉碎样品0.5 g至50 mL离心管中,加入2~3 mL水,涡旋润湿,静置2 h以上,以下步骤同新鲜样品。

  分 析 化 学第37卷第10期苏建峰等:正相硅胶/选择洗脱气相色谱法、液相色谱质谱法检测食品中甲胺磷残留及其作用机理研究 2.2.2 样品净化 PSA分散固相萃取净化:在鸡心瓶中加入3 mL V(丙酮)∶V(正己烷)=1∶1溶剂,超声波清洗10 s,再加入0.5 g 活化过的PSA粉末,涡旋振荡30 s,静置15 s,倾斜鸡心瓶,用吸管小心吸取上清液(只吸出约2 mL,注意不能将粉末吸入)至10 mL0玻璃管中,再用2 mL V(丙酮)∶V(正己烷)=1∶1溶剂洗粉末2次,合并提取液(约6 mL),在40 ℃用氮气吹干,待过柱净化(基质较为简单的样品可省略本步骤,直接进入下一步)。

  LCSi柱选择洗脱净化:将LCSi柱置于15 mL玻璃管上,在柱上装入1 cm高无水Na2SO4,用5 mL乙酸乙酯活化,再用3×1 mL乙酸乙酯涡旋洗玻璃管,过柱,液面到达无水Na2SO4顶端后继续用乙酸乙酯淋洗,自然流速,弃去前9 mL洗脱液,再收集14 mL洗脱液,在40 ℃用氮气吹干,以V(丙酮)∶V(正己烷)=1∶1溶剂定容至1 mL供GC测试;以10%甲醇水溶液定容至5 mL供UPLCMS/MS测试。

  2.2.3 色谱质谱条件 气相色谱条件:载气为氮气(99.999%),流速2.0 mL/min,尾吹流量60 mL/min; 氢气(99.999%)流量75 mL/min;空气流量100 mL/min。进样口温度220 ℃,进样量2 μL,不分流进样,检测器温度250 ℃。柱温程序:60 ℃(2 min) 15 ℃/min160 ℃ 30 ℃/min280 ℃(3 min)。

  超高效液相色谱串联质谱条件:流动相A为水,流动相B为甲醇。梯度洗脱:0~1.8 min,90%A;1.8~2.0 min,90%~10%A,保持0.5 min;2.5~3.0 min,10%~90% A,保持0.5 min。流速0.2 mL/min, 柱温30 ℃, 进样量5 μL。 离子源: 电喷雾(ESI+), 毛细管电压:1 kV,锥孔电压:25 V,碰撞电压: 15 V,二级锥孔电压:3 V,透镜电压:0.3 V,源温度:110 ℃,脱溶剂气温度:350 ℃,脱溶剂气流量:800 L/h,锥孔气流量:50 L/h,光电倍增管电压: 650 V。定量离子对m/z 142/94,定性离子对m/z 142/125。驻留时间:100 ms。

  3 结果与讨论

  3.1 样品前处理条件的选择

  3.1.1 提取 乙酸乙酯极性较强,能有效地将食品中的甲胺磷提取出来,且样品基质中的共提取杂质相对较少;使用乙腈[9]提取时共提取杂质稍多。使用无水Na2SO4一方面配合均质器研磨,增加分散的均匀度,加强溶剂与样品的接触,提高提取效率,另一方面可以将样品中的水分以结晶水的方式除去,既不对甲胺磷产生吸附,又避免甲胺磷溶于水导致回收率的损失。配合超声波辅助提取,进一步提高提取效率。实验时需先加乙酸乙酯后加无水Na2SO4,以免无水Na2SO4结块导致均质困难。由于本实验对水分的残留较为敏感,提取时要尽可能将水分除干净,否则影响到PSA填料的吸附性能,净化效果变差;影响到LCSi柱的吸附性能,可能改变柱上的洗脱规律,甚至导致实验的失败。可将无水Na2SO4在650 ℃焙烧约4 h后备用,必要时增加用量。

  3.1.2 净化 PSA材料的硅胶表面键合有极性官能团,能从样品中吸附极性化合物,对于样品中的一些强极性杂质、有机酸、色素、金属离子及糖等具有良好的净化效果[10]。本实验中,分散固相萃取净化不是必需的步骤,常规蔬菜、水果、新鲜动物性产品等均可省略此步骤,具体步骤为:提取液浓缩近干后加入3×1 mL乙酸乙酯涡旋洗鸡心瓶,直接过柱即可,回收率提高约10%。但某些基质样品如葱蒜、干香菇、茶叶等必须采用此步骤先除去大部分的强极性杂质,以免LCSi柱吸附饱和影响实验效果,弱极性杂质则无影响,这主要是因为使用乙酸乙酯淋洗时弱极性杂质基本无保留地通过了柱子。

  LCSi柱的硅胶表面含有大量的硅羟基,能够吸附极性化合物,通过调变适当的淋洗液和洗脱液,可以达到吸附特定化合物或杂质的目的。甲胺磷在乙酸乙酯介质中与硅羟基反复发生吸附与解吸附过程(详见作用机理分析),3 mL提取液过柱时,当液面到达无水Na2SO4顶端后才能继续加入乙酸乙酯,以免形成涡流影响整体洗脱效果,过程中需保持溶剂浸润柱填料,不能干涸,以免柱中产生气泡或强吸附点使洗脱规律发生变化。在本实验条件下,绝大部分甲胺磷在第10~22 mL流出,实验收集第9~23 mL流出液,很好地实现了甲胺磷和杂质的分离,包括葱蒜类样品中的挥发性硫化物。其中:弱极性杂质如油脂等大部分在2 mL左右就流出柱子,随后大量色素、酚类杂质开始流出,接着一些中强极性的杂质也被乙酸乙酯洗脱出来,大部分中强极性及偏弱极性的杂质都在7 mL以前流出,而强极性杂质则被吸附在柱填料上,能与甲胺磷共流出的杂质量非常少,除茶叶样品有时会略带淡黄色外,其余均为无色透明液体。

  3.2 仪器条件的优化

  3.2.1 气相色谱条件优化 气相色谱检测甲胺磷,衬管和色谱柱前端的维护比较关键,甲胺磷对衬管的洁净程度极其敏感,新衬管内壁存在活性点,气化时会吸附甲胺磷。测试加标样品时,由于样品中的基质可能优先占据活性点,吸附减少,表现出基质增强效应;如果衬管或样品中的杂质太多,基质中的活性点也会对甲胺磷形成吸附,表现出吸附减弱效应;如杂质含量过多,甚至无信号检出。原有的前处理方法在处理复杂基质样品时无法将样品净化干净,影响上机测试,结果不稳定,再加上谱图干扰,无法进行定性与定量分析。色谱柱前端的污染也有类似现象。本实验在实际测试前先注射适量实际样品溶液和高浓度的甲胺磷标液(约1 mg/L),使衬管先行饱和[11],以减少衬管对后续样品的吸附,取得了良好的效果。各种食品基质加标样品的GCFPD色谱图见图1。图1中蒜头样品有一些杂质峰,这些杂质峰是挥发性硫化物所产生的信号。虽然葱、韭菜样品也含有挥发性硫化物,但其色谱图中却没有杂质峰。这可能是由于大蒜具有极刺鼻的辛辣味,挥发性硫化物含量很高,在过柱时,虽然绝大部分硫化物在前期随乙酸乙酯洗出弃去,但管路、筛板、填料表面等还有极少量未能及时洗出,产生了一些杂质峰。由于其保留时间与甲胺磷不同,对其无干扰,不影响甲胺磷的定量分析,其它样品基本无杂质峰,信噪比很高。

  A.苹果(Apple); B.菠菜(Spinach); C.黄鱼(Yellow croaker); D.葱(Green onion); E.韭菜(Leeks); F.蒜(Garlic); G.干香菇(Dried mushroom); H.茶叶(Tea)。加标水平(Spiked level): A~F. 0.01 mg/kg; G,H. 0.04 mg/kg。3.2.2 液相色谱质谱联用条件优化 甲胺磷是小分子、强极性化合物,在普通反相色谱柱难以产生有效的保留,大量共流出的杂质产生了严重的离子抑制,无法准确进行定性与定量分析。近年来受到普遍关注的亲水作用Hilic液相色谱柱是采用极性固定相、高含量极性有机溶剂水相缓冲液为流动相的一种分离技术,对强极性化合物有良好的保留值[12,13],可用于该类化合物分析。本实验发现,即使以95%乙腈(或甲醇)5%水(或缓冲盐)为流动相,对甲胺磷的保留值亦无明显改善,流速0.2 mL/min时,在2.1 mm×50 mm短柱上的保留值均不超过1 min,可能是由于甲胺磷极性还不够强,在以极性有机溶剂水相为流动相时无法产生良好保留,所以Hilic色谱柱也不宜用于甲胺磷分析。T3键合技术HSS T3超高效液相色谱柱基于反相作用+氢键/离子交换作用双重保留机理,实现了甲胺磷在液相色谱柱上的良好保留,使其与抑制电离的基质分离,可减少电喷雾离子化时基质在雾滴表面产生的竞争抑制,降低了基质效应的影响。

  除色谱柱填料外,流动相及定容液配比对甲胺磷保留值有较大影响。在HSS T3柱上,甲醇的洗脱能力比乙腈弱,使用甲醇水为流动相可增大保留值。加入缓冲液对本实验不利,在普通反相色谱中,加入缓冲液或少量酸[14],以抑制待测物与固定相中残留硅羟基之间的“二次作用”,可改善峰型,提高分离效果,对质谱离子化效率的提高亦有帮助。而HSS T3柱利用双重作用保留机理,其一是碳骨架部分与C18键合相发生反相作用,其二是极性官能团部分与硅胶表面的硅羟基间发生氢键/离子交换作用,加入缓冲盐则削弱了后者,而对于质谱信号的提高效果不明显,所以本实验不加缓冲液。定容液配比是一个极容易被忽视而又对本实验有重大影响的因素,应采用初始流动相的配比,即10%甲醇水溶液,若用高比例有机相定容,则由于样液中有机相的强洗脱能力,保留机理失效,甲胺磷在死时间附近流出(约0.8 min),直接导致实验失败。

  各种食品基质加标样品的UPLCMS/MS提取离子流色谱图的峰形尖锐、对称,保留时间1.74 min,所有基质样品的谱图均无干扰峰,信噪比相对气相色谱法高3~8倍。

  3.3 方法定量下限、回收率和精密度

  目前,各国对甲胺磷限量最低值为0.01 mg/kg。用本方法对12种样品进行加标回收实验,并计算信噪比,其中新鲜样品加标水平为0.0025, 0.01和0.05 mg/kg,干制品加标水平0.01, 0.04和0.2 mg/kg。气相色谱法对新鲜样品的定量下限(S/N≥10)为0.002 mg/kg,干制品为0.006 mg/kg,回收率为73%~90%,相对标准偏差为2.4%~6.1%;液相色谱质谱联用法对新鲜样品的定量下限(S/N≥10)为0.0007 mg/kg,干制品为0.003 mg/kg,回收率(采用基质匹配标准溶液定量)为81%~96%,相对标准偏差为5.2%~10.8%。

  3.4 基质效应

  液相色谱质谱联用测试中,基质效应对测定结果准确性的影响不容忽视[15,16],较强的基质效应有可能使实验结果产生数量级上的偏差。文献[16]提出了表征基质效应的公式:ME(%)=B/A×100,其中:ME为基质效应,B为基质匹配标准溶液响应值,A为流动相配制的标准溶液响应值。若ME=100,表明不存在基质效应的影响;若ME>100,表明存在离子增强作用;若ME<100,表明存在离子抑制作用。以此计算本实验中各种样品的ME值,苹果:94、菠菜:89、黄鱼:91、烤鳗:88、葱:93、姜:85、韭菜:89、蒜:83、小麦:70、干香菇:66、茶叶:77、黑胡椒粉:73。所有样品ME均小于100,但偏离不大,说明存在离子抑制但抑制作用较小,这主要得益于:前处理的良好净化效果、HSS T3柱双重作用保留机理的有效保留、UPLC对目标化合物与抑制电离基质的高分离度[17,18]及在仪器灵敏度允许范围内上机液的高稀释倍数。

  3.5 作用机理研究

  LCSi柱/乙酸乙酯选择洗脱净化是本前处理方法的核心步骤。LCSi柱是经典的正相固相萃取柱,基于正相原理使杂质吸附于柱上,目标化合物随溶剂洗出,一般使用中等偏弱极性的溶剂洗脱。乙酸乙酯是极性较强的溶剂,在这种介质中,大量中强极性及弱极性杂质均难以保留而与目标化合物一起洗出,导致净化步骤失效。本实验正利用了在乙酸乙酯介质中大量杂质均难以保留的特点,使其先于甲胺磷流出LCSi柱,然后甲胺磷在特定阶段流出再与仍然吸附于柱上的强极性杂质分离,达到了良好的净化效果。值得注意的是:这个过程是在使用单一溶剂洗脱条件下实现的(目前的保留型固相萃取技术在洗脱步骤需要更换更强的溶剂)。在色谱柱洗脱过程中,经常还需要梯度洗脱来实现目标物的分离,而LCSi固相萃取小柱以其极低的理论塔板数即可实现单一溶剂的选择洗脱。它必须同时满足两个条件: 目标化合物的停留时间足够长以至于能够与绝大多数干扰基质明显分离; 在不更换溶剂的情况下,目标化合物又能够被定量洗脱。考察了其它固相萃取柱(Florisil, PSA, Al2O3, NH2),结果表明:或是无法洗脱,或是几乎同时洗脱,或是无规律持续洗脱,尚未见文献报道在固相萃取小柱上实现单一溶剂的选择洗脱。为了了解净化过程中的吸附与解吸附作用机理,对60多种相关有机磷农药在LCSi柱/乙酸乙酯选择洗脱体系中的洗脱规律进行了研究,发现仅有4种与本规律相关,而这4种有机磷正好具备相似的结构特征(2个特定的官能团), 图2 相关有机磷农药在LCSi柱上的洗脱曲线(乙酸乙酯为溶剂)

  1.甲胺磷(Methamidophos); 2. 乙酰甲胺磷(Acephate); 3. 久效磷(Monocrotophos); 4. 氧化乐果(Omethoate); 5. 乐果(Dimethoate); 6. 速灭磷(Mevinphos); 7. 其它有机磷农药(Other Ops)。特别是2种过度态结构有机磷(分别具备其中1个特定的官能团)的发现,为作用机理的研究提供了重要信息,图2给出了上述6种具有典型结构特征有机磷的洗脱曲线。

  硅胶粒子内部孔隙的表面结构与形成的骨架内部结构不同,表面的硅原子与胶体所含的结构水形成硅羟基,这种结构的不平衡性使硅胶的表面产生自由力场,硅羟基上的氢原子易与电负性大的元素形成氢键,从而吸附极性化合物。在这个过程中,特定的官能团是影响吸附性能的关键因素。根据鲍林标度(Pauling scale),几个相关原子的电负性标度值为P:2.19,H:2.20,C:2.55,S:2.58,N:3.04,O:3.44,电负性相差较大的原子组成的多原子基团具有较强的电负性,氧磷基团中的氧和氨基基团中的氮是强电负性中心,易与硅羟基形成氢键吸附。实验发现(见图2):只有甲胺磷、乙酰甲胺磷、久效磷、氧化乐果(分子结构中同时含氧磷基团和氨基基团)能够在LCSi柱/乙酸乙酯洗脱体系中得到良好的保留,其它50多种相关有机磷在本条件下均无明显保留,说明这两个官能团与硅羟基形成氢键吸附是其产生良好保留的主要原因。同时发现速灭磷 (只含氧磷基团)、乐果(只含氨基基团)只能产生很有限的保留,其吸附效果的加和远小于这两个官能团在同一化合物中时的吸附效果,所以甲胺磷分子结构中的氧磷基团和氨基基团在与硅羟基形成氢键吸附过程中应具有协同作用,即2个基团分别与不同硅羟基形成氢键产生的环状结构(见图3)稳定性较强,不易被解吸附。

  环状结构的解吸附成为实现单一溶剂选择洗脱的关键,需要有一种极性较强的溶剂,对该环状结构能够解吸附但解吸附速度较慢。实验发现,在LCSi柱/乙酸乙酯洗脱体系中,由于乙酸乙酯极性较强,无键合吸附和单一氢键吸附的物质很快就被洗脱,环状结构稳定性较强,开环过程需要一定的时间(图3中的步骤④),表现为停留时间较长,而环状结构一旦被打开,就变成单一氢键解吸附,其解吸附是很快的,经标准溶液回收率测试说明95%左右的该环状结构可以被乙酸乙酯洗脱出来,满足了在极低的理论塔板数时实现单一溶剂选择洗脱的条件。

  由于乐果比速灭磷难洗脱出来,说明在本实验条件下氨基基团的吸附作用强于氧磷基团,在解吸附过程中,氧磷基团的吸附先于氨基基团被破坏,随后发生下一轮的吸附与解吸附过程,周而复始,直至完全洗脱。如此特殊的吸附与解吸附过程对目标化合物的要求非常苛刻,能满足此条件从而与甲胺磷共流出的杂质量非常少,所以可以达到极佳的净化效果。LCSi柱/乙酸乙酯选择洗脱过程中的作用机理如图3所示。

  基于机理推测,可以对相关农药的测定作出预测:如乙酰甲胺磷在LCSi柱的吸附行为与甲胺磷基本一致,则可直接采用此方法;氧化乐果与久效磷,只要略改变溶剂的极性及收集流出液的时段,也可采用本方法。实验结果证实了以上预测:测乙酰甲胺磷直接套用;测久效磷改为收集第12~28 mL流出液即可;测氧化乐果将乙酸乙酯改为V(丙酮)∶V(乙酸乙酯)=1∶19混合溶剂,收集第9~20 mL流出液即可套用。进一步的推理是只要分子结构中同时含有氧磷基团和氨基基团的相似化合物都可以通过对某些步骤的微调实现本方法的套用,这对于未来一些新药分析方法的开发也具有一定的借鉴意义。

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作者: 2010-10-4
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