气相色谱化学电离二级质谱法测定土壤中16种三嗪类除草剂的残留

　　【摘要】  建立了气相色谱化学电离二级质谱法(GCCIMS/MS)同时测定土壤中16种三嗪类除草剂多残留量的方法，测定16种三嗪类除草剂仅需12 min。样品采用乙腈与盐酸混合溶液，加入氯化钠超声波辅助提取，离心后，乙腈层经过国产石墨化炭黑(GCB)柱净化，流出液浓缩后环己烷定容，GCMS/MS测定。研究比较了在不同进样溶剂下的化合物响应和不同填料固相萃取(SPE)柱的萃取净化效果，结果表明，环己烷作为进样溶剂效果最好，国产GCB和C18SPE柱的回收率较好，同时国产GCB对色素的净化效果好，替代进口SPE柱，可以节约实验成本。16种三嗪类除草剂在0.05 (0.1)～8.0 mg/L范围内线性良好，相关系数在0.9952～0.9999之间；在0.005～0.02 μg/g添加水平范围内，平均添加回收率在91.41%～114.12%之间；相对标准偏差在1.1%～16.8%之间。本方法中16种三嗪类除草剂在土壤中的检出限均低于0.005 μg/g。

　　【关键词】  三嗪类除草剂，多残留分析,土壤，二级质谱，石墨化炭黑

　　1  引言

　　目前，三嗪类除草剂是全世界范围内广泛使用的一类除草剂。美国国家环保局（EPA）的风险评估报告[1]指出：莠去津对濒危鱼类、水生无脊椎动物以及陆生和水生植物造成危害，尤其是对蛙类有性别逆转作用；西玛津对血液循环系统有危害作用，长期暴露在有莠去津、西玛津等残留的环境里，人和动物的各项免疫系统都会受到影响，可能导致“三致”危害及再生繁殖困难；土壤中的莠去津等残留可能造成一些敏感作物产生药害，影响农业生产效益和安全。目前，国内外这方面的研究集中在莠去津及少数几种三嗪类除草剂在水[2～4]、尿液[5]、水果[6]及土壤[7]等样本中的残留测定。文献[8]进行了大豆中13种三嗪类除草剂残留测定方法的研究。但这些方法具有前处理步骤繁多、操作复杂、成本较高，同时又多采用毛细管电泳（CE）[2,6]、气相色谱（GC）[5]、高效液相色谱（HPLC）[8]、气相色谱选择离子扫描质谱（GCSISMS）[9]和毛细管电动色谱电喷雾质谱（ＭＥＫＣＥＳＩＭＳ）［４］等方法测定，存在抗干扰能力差，定性定量分析准确度不高的缺点。李晓静等［４］对农田水中８种三嗪类除草剂作了检测，但同时对土壤样本中10种以上三嗪类除草剂残留量测定的研究，未见报道。本实验采用CIMS/MS测定土壤中三嗪类除草剂残留量，方法简单可靠，准确度高，成本低，满足环境残留监控的需要。

　　2  实验部分

　　2.1  仪器与试剂

　　Varian GC CP3800/Saturn 2000气相色谱质谱仪，配备CP8410型自动进样器、1079型进样口（美国Varian公司）；KQ250E型医用超声波清洗器（江苏省昆山市超声仪器有限公司）；RE52AA旋转蒸发器（上海亚荣生化仪器厂）；SIGMA高速离心机（美国SIGMA公司）。

　　环己烷和乙腈为色谱纯（美国Fisher公司）；其余试剂均为分析纯（北京化学试剂厂）。16种三嗪类类除草剂标准品（农业部农药鉴定所）分别用乙腈配制成200 mg/L储备液，采用乙腈稀释成4 mg/L的16种混合标准溶液。国产GCB，0.086～0.154 mm粒径，STH2型（吉林吉炭集团研究所）；空SPE柱管（6 mL）和HXNSPE柱（60 mg，3 mL）（北京艾杰尔科技有限公司）；C18SPE柱（500 mg，6 mL）、FlorisilSPE柱（500 mg，6 mL）、NAl2O3SPE柱（500 mg，6 mL）、NH2SPE柱（300 mg，6 mL）均为美国SUPELCO公司产品；土壤样取自北京通县（棕褐色土壤，风干过0.45 mm孔径筛，pH=6.6，含水约10%）。

　　2.2  样品处理

　　取20.00 g过0.45 mm孔径筛的土壤至50 mL具塞离心管中，加入pH=5.0 HCl溶液10 mL, 再加入10 mL乙腈，4.0 g NaCl，涡旋2 min，40 ℃超声波振荡辅助提取10 min，4000 r/min离心5 min，取上层乙腈过自填国产GCBSPE柱(已采用5 mL乙腈预处理)，接收流出液；残渣捣散，再加入10 mL乙腈重复提取1次，上层乙腈过同一个SPE柱，接收，并用5 mL乙腈洗脱SPE柱，流速约为2 mL/min，合并接收液至50 mL鸡心瓶。接收液在34 ℃下旋蒸浓缩至干，用1 mL环己烷超声溶解准确定容，待测。

　　2.3  色谱/质谱条件

　　Varian VF5 MS毛细管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm，美国Varian公司）；进样口温度：250 ℃；不分流进样，3 min后分流阀打开；进样体积：1 μL；载气（He）流速：1 mL/min；柱温程序：80 ℃40 ℃/min175 ℃5 ℃/min215 ℃40 ℃/min280 ℃(4.45 min)。

　　离子阱温度：190 ℃；传输线温度：260 ℃；真空室温度：80 ℃；电子倍增器电压：1900 V；化学电离（CI）反应气：CH4；二级母离子解离窗口大小：3.0 m/z；共振模式；基质标准外标法定量。16种三嗪类除草剂的二级质谱条件列于表1。

　　表1  16种三嗪类除草剂的GCMS/MS条件（略）

　　2.4  土壤空白加标实验

　　称取经测定不含16种三嗪类除草剂的土壤空白样品，分别添加0.005和0.02 μg/g三嗪类除草剂标准，混匀放置1 h以上，然后按照2.2样品处理加入溶剂进行处理，每个浓度水平重复4次；同时移取适量三嗪类除草剂标准溶液至GC进样瓶中，将按照2.2样品处理提取净化后的空白土壤样品溶液，旋蒸浓缩至约0.5 mL，完全转移到此GC进样瓶中，氮气缓缓吹干溶剂，加入1 mL环己烷定容，作为基质标准溶液进行测定，计算添加回收率、相对标准偏差及检出限。

　　3  结果与讨论

　　3.1  色谱进样溶剂的选择

　　莠去津等化合物的GCMS进样溶剂多选择正己烷[4,8]、丙酮[9]。本实验考察了乙腈、环己烷、乙酸乙酯、正己烷、丙酮、二氯甲烷、甲苯、二甲苯、甲酸乙酯、二氯乙烷、乙酸正丁酯、2丁酮及吡啶等13种溶剂作为进样溶剂，对0.4 mg/L的16种三嗪类除草剂混合标准溶液进样，在EI模式下，选择特征离子分析。实验结果（见附表1 http://www.analchem.cn/table/N070723.pdf）表明：丙酮、正己烷、二氯甲烷、甲酸乙酯等由于沸点低、饱和蒸气压过高的原因，造成化合物响应低；沸点高的吡啶由于不易气化或在进样口气化时间过长，而影响响应；采用乙腈进样时，虽然可以减少溶剂转换、浓缩过程，但响应明显低于环己烷进样时产生的响应，要实现整个过程采用单一溶剂，必然损失响应；采用酯类化合物作为进样溶剂时，可能存在某些未知反应，发现共流出柱流失严重，影响质谱谱图的准确性，从而影响定性定量分析的准确度，严重的柱流失还会降低色谱柱的使用寿命。因此，最终采用环己烷作为进样溶剂。

　　3.2  提取方式与溶剂的选择

　　土壤中残留农药采用微波[6]或超声波[9,10]辅助溶剂提取，可以节省处理时间。本实验采用超声波辅助振荡提取10 min，相对于实验室以前常用的方法[11]，可以缩短提取时间。

　　提取土壤中的莠去津等，文献报道采用甲醇[12]、甲醇+水[11,13]、水+甲醇(丙酮)(100∶1, V/V)[6]及丙酮+正己烷(2∶1, V/V)[10]。本实验进行了对比，同时增加了不同pH值的HCl和HCl+乙腈溶液进行提取。结果表明，纯有机溶剂浸润能力不够，很难达到对土壤中16种三嗪类除草剂完全提取的目的，而甲醇与水混合提取造成后处理步骤多。采用不同pH值的HCl进行提取，可以减少有机溶剂的使用，但16种三嗪类除草剂的整体回收率都不高，介于14.9%～72.8%之间。采用HCl+乙腈混合溶液提取，加入NaCl，实现乙腈和水的分层，减少液液萃取的步骤，达到很好的提取效果，且操作简单。图1列出了0.005 μg/g添加水平下不同pH值的HCl+乙腈(1∶1, V/V)时的提取效率，结果表明，采用不同pH值的HCl+乙腈混合溶液提取时，同一化合物最高最低响应值之差与最高响应的比值介于9.8%～42.4%之间，其中影响最小的两种化合物为扑灭通和西玛津，影响最大的两种化合物为嗪草酮和扑灭津。可见，pH值对不同化合物的提取效率有较大影响；结果表明，pH=5.0为最佳值。改变pH=5.0的HCl溶液和乙腈之间的比例，结果表明，提取效率随乙腈比例增大而升高，但杂质提取也增多；达到1∶1 时可获得最佳结果，既能完全提取，又没有太多共提干扰物。选择V(HCl, pH=5)∶V(乙腈)=1∶1混合液为提取溶剂。20 g样本仅用20 mL乙腈，两次提取时间仅30 min，收到完全提取的效果，减少有机溶剂的用量，缩短了处理时间。

　　图1  不同pH值的盐酸+乙腈(1∶1, V/V)溶液提取土壤中16种三嗪类除草剂的GCMS/MS响应（略）

　　3.3  净化方法的选择

　　土壤中含有色素、腐殖质等杂质，如果不净化，会干扰待测化合物出峰，污染系统，影响回收率和样品测定结果。可采用C18SPE 柱[9]、液液萃取（LLC）[11,13]以及结合凝胶渗透色谱(GPC)[11]等进行净化。文献[14]比较了国产GCB和进口GCB在农药残留分析上应用的效果，发现国产与进口GCB实验数据一致，可以替代进口GCB在农药残留分析上的应用。实验中采用1 mL 0.20 mg/L的混合标准溶液，20 mL乙腈为上样溶剂，5 mL乙腈溶液进行洗脱时，分别研究了不同填料SPE柱上16种三嗪类除草剂的回收率(图2)。结果表明，Florisil 和NAl2O3对部分待测化合物吸附严重，回收率低；C18和国产GCB有较好的回收率，且GCB能去除色素干扰。实验最终采用0.5 g国产GCB对土壤的乙腈提取液进行净化，获得了很好的结果，降低了实验成本。

　　图2  16种三嗪类除草剂在不同填料固相萃取柱上的洗脱回收率比较（略）

　　3.4  质谱条件的选择

　　文献报道测定三嗪类化合物多采用电子轰击电离（EI）下的全扫描（TIC）[4] 或选择离子监测（SIM或SIS）[6,8] 模式。本研究发现，在采用EITIC或SIM（SIS）模式时，对不能完全分离的三嗪类化合物，碎片离子容易产生相互干扰，影响化合物的定性定量分析。而一般认为CI是比EI弱的软电离模式，背景信号低，化合物主要生成[M+H]+，一级质谱碎片较少，定性准确度不高，因此在气质联用（GCMS）中应用较少；结合二级质谱（MS/MS）的定性高准确度，选择[M+H]+作为二级母离子，进行MS/MS裂解，CI体现出比EI能降低背景干扰，且不降低检测灵敏度的优势。因此本研究初步选择了CIMS/MS模式，对16种化合物进行测定，不能完全分离的两组化合物如西玛津、莠去津、扑灭津和特丁通，敌草净、莠灭净和扑草净采用多通道监测（MRM）模式进行分析，在12 min内完成了16种化合物的分析测定。

　　从16种三嗪类化合物的CITIC谱图中可见，[M+H]+、[M+29]+（经推断为[M+CH2CH3]+）、[M+41]+系列峰，且[M+H]+峰为基峰（氰草津除外）。氰草津在CI模式下亦能裂解成多个碎片，而且基峰不是[M+H]+峰，而是m/z 214(见图3A1)，若选择m/z 214进行MS/MS裂解(见图3A2)，子离子碎片较多，丰度小，不利于选择出最佳的定量离子而获得低的检出限；而在离子阱质谱中，EI模式下，氰草津的碎片m/z 225([M－CH3]+)峰强度很高，其它碎片响应相对较小(见图3B1)，这与NIST标准谱图存在差别，以m/z 225作为母离子进行MS/MS分析(见图3B2)，子离子丰度相对集中，既能满足定性需要又能提取出最佳的定量离子。因此实验最终确定氰草津的电离模式为EI，母离子为m/z 225，其余化合物的电离模式为CI，16种三嗪类化合物MS/MS条件见表1。

　　图3  氰草津EI、CIMS谱图及对应母离子在最佳条件下的MS/MS谱图（略）

　　3.5  线性范围、回收率、精密度和检出限

　　在最优化的色谱质谱条件下，对用环己烷配制的系列浓度(0.05、0.10、0.25、0.50、1.00、2.00、4.00和8.00 mg/L)混合标准溶液进行测定，以MS/MS定量离子色谱峰面积(Y)对浓度(X, mg/L)绘制标准曲线。结果表明，16种三嗪类除草剂在0.05(0.1)～8.0 mg/L范围内线性良好，相关系数均在0.9952～0.9999之间(见表2)，可以满足农药残留定量分析的要求。

　　图4  土壤空白(a)、土壤基质标准0.10 mg/L (b)和土壤样品添加0.005 μg/g (c)的GCMS/MS总离子流色谱图（略）

　　在土壤空白样本中，分别添加0.005和0.02 μg/g两个浓度水平，每个浓度水平重复4次，计算添加回收率和相对标准偏差。结果表明：采用GCMS/MS，16种三嗪类除草剂的平均添加回收率为91.41%～114.12%（见表2）； 4次测定的相对标准偏差为1.1%～16.8%。方法中16种三嗪类除草剂的检出限均低于0.005 μg/g，方法的准确度和精密度均符合农药残留分析的要求。

　　表2  16种三嗪类除草剂的线性方程、相关系数、回收率、相对标准偏差和检出限（略）

　　4  结论

　　本研究很好地实现了对土壤中多种三嗪类除草剂的残留量测定，为环境普查做出了相应准备。方法采用二级质谱具有可靠性高，定性定量分析准确，检出限低的特点；一份样本从开始前处理到结果分析完毕所需时间短，快速简便，所需有机溶剂量少，减少了环境污染，采用自填国产GCBSPE柱净化，实验成本低，且可同时进行批量化处理，有利于推广普及。

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