時磊,孫艷艷,沈小明,呂愛娟,蔡小虎,劉嬌,沈加林

(中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心，江蘇 南京 210016)

有機氯農(nóng)藥(OCPs)是一種持久性有機污染物(POPs)，由于其強烈的“三致”作用和持久穩(wěn)定性，對人類健康和環(huán)境的危害極大[1-5]。在20世紀70年代，西方發(fā)達國家已經(jīng)開始禁用 OCPs，我國也于1983年禁止其生產(chǎn)和使用[6-8]，但由于使用量大，在環(huán)境中降解緩慢、滯留時間長，使得OCPs仍然是在環(huán)境中檢出率最高的一類POPs[9]。擬除蟲菊酯類農(nóng)藥是我國代替有機氯農(nóng)藥和其他劇毒長殘留殺蟲劑的主要農(nóng)藥類型之一，其品種數(shù)和使用量僅次于有機磷農(nóng)藥，占殺蟲劑市場的第二位[10-16]。它的開發(fā)被稱作殺蟲劑農(nóng)藥的一個新的突破，被認為是殺蟲劑歷史上的第三個里程碑[17]。但菊酯類農(nóng)藥與OCPs存在相似的神經(jīng)系統(tǒng)作用機制，都有一定蓄積性，以及致癌、致畸、致突變作用[18-23]。

全二維氣相色譜是20世紀90年代發(fā)展起來的一種分析方法，是利用兩根色譜柱間的極性差異，實現(xiàn)待測物質(zhì)的正交分離，能夠較好地解決復(fù)雜樣品的分離和定性問題[24-26]。該方法憑借其高峰容量、高分辨率、高靈敏度等特點，近幾年被廣泛應(yīng)用于各類復(fù)雜樣品的分析。張兵等[27]建立了全二維氣相色譜-電子捕獲檢測器(GC×GC-μECD)檢測土壤中23種毒殺芬同類物的方法，檢測靈敏度明顯高于全二維氣相色譜飛行時間質(zhì)譜(GC×GC-TOFMS)。時秋娜等[28]應(yīng)用全二維氣相色譜結(jié)合質(zhì)譜對動植物油中的37種脂肪酸甲酯進行了測定，該法與普通氣相色譜-質(zhì)譜法相比，分離效果更好。Silva等[29]應(yīng)用GC×GC-TOFMS在巴西凝析油中不僅鑒定出單金剛烷和雙金剛烷，還對三金剛烷和四金剛烷類化合物作了定性和定量研究。由于μECD對OCPs和擬除蟲菊酯具有很高的靈敏度[30-31]，將其與全二維色譜結(jié)合使用，既可以保證較高的靈敏度，又能解決單一色譜柱峰容量有限的問題，從而適用于復(fù)雜基質(zhì)樣品的檢測。

本方法在EPA8081a和《土壤和沉積物 有機氯農(nóng)藥的測定 氣相色譜-質(zhì)譜法》(HJ 835—2017)基礎(chǔ)上，以污染區(qū)農(nóng)田土壤為研究對象，將含干擾物多且難以凈化去除的土壤定義為“復(fù)雜基質(zhì)土壤”，優(yōu)化了全二維分析參數(shù)，通過雙色譜柱串聯(lián)擴大了峰容量，有效分離了干擾物，建立了應(yīng)用GC×GC-μECD分析20種OCPs和4種擬除蟲菊酯類農(nóng)藥的測定方法。

1 實驗部分

1.1 儀器和主要試劑

Agilent 6890N型氣相色譜儀，配有電子捕獲檢測器(μECD)；全二維氣相色譜固態(tài)熱調(diào)制器(Canvas SSM1800)；索氏抽提器250mL；HH-1-6型恒溫水浴鍋；KL512J 數(shù)控氮吹濃縮儀；DLSB-10/20型低溫冷卻液循環(huán)泵；WH-3型漩渦振蕩儀。

有機氯農(nóng)藥20種混標(Supelco，47426-U)：α-六六六、γ-六六六、β-六六六、七氯、δ-六六六、艾氏劑、環(huán)氧七氯、γ-氯丹、α-氯丹、硫丹Ⅰ、滴滴伊、狄氏劑、異狄氏劑、滴滴滴、硫丹Ⅱ、p,p’-滴滴涕、異狄氏劑醛、硫酸硫丹、甲氧滴滴涕、異狄氏劑酮，質(zhì)量濃度2000μg/mL；胺菊酯、聯(lián)苯菊酯、甲氰菊酯、氟氯氰菊酯，質(zhì)量濃度100μg/mL；替代物2,4,5,6-四氯間二甲苯(Supelco)，質(zhì)量濃度為500μg/L；無水硫酸鈉(分析純，400℃烘烤4h)；正己烷、丙酮均為色譜純；銅片(經(jīng)稀硝酸活化)；弗羅里硅土凈化柱(1000mg/6mL)；高純氮氣(>99.999%)。

1.2 儀器工作條件

1.2.1全二維氣相色譜條件

一維色譜柱(TG-35MS，30m×0.25mm×0.25μm)，二維色譜柱(DB-1，0.8m×0.18mm×0.18μm)。進樣口溫度250℃，ECD檢測器溫度315℃。載氣為氮氣(純度99.999%)，載氣流量1.0mL/min，不分流進樣，進樣量1.0μL。升溫程序：初始溫度150℃，以3℃/min升溫至240℃，以4℃/min升溫至300℃，后運行溫度310℃，保持3min。以保留時間定性和峰面積外標法定量。

1.2.2GC-MS驗證實驗條件

氣相色譜條件：TG-5SILMS石英毛細管柱，進樣口溫度 280℃，高純氦氣載氣(>99.999%)，恒流方式，流速1.2mL/min，不分流進樣，進樣量 1μL。升溫程序：初始溫度120℃，保持2min，以12℃/min升溫至180℃，保持5min，以5℃/min升溫至280℃，保持5min。質(zhì)譜條件：電子轟擊電離(EI)模式，電離能量70eV，離子源溫度280℃，傳輸線溫度300℃，全掃描Scan或選擇離子模式(SIM)。

1.3 實驗方法

1.3.1樣品制備

土壤樣品為2018年全國農(nóng)用地詳查樣品，主要采自江蘇揚州、宿遷等地，樣品運送至實驗室后放置于零下10℃冰柜保存，室溫下解凍后置于搪瓷盤中，除去石子、枝片等異物，充分混合均勻。稱取10.0g樣品，加入適量無水硫酸鈉，摻拌均勻，研磨成細粒狀。同時另取土壤樣品一份，用于含水率測定。

1.3.2提取與凈化

將研磨均勻的樣品全部裝入濾紙?zhí)淄仓?，放入索氏提取器中，加入正己?丙酮(1∶1，V/V)混合溶劑200mL，提取10h，回流速率控制在6次/h左右，冷卻后收集所有提取液待凈化。

將活化后的銅片加入提取液放置4～6h以除去硫化物，如銅片全部變黑需補加，直至銅片不變色為止。將玻璃漏斗上墊一層玻璃棉，加入約 5g 無水硫酸鈉，將提取液過濾至濃縮器皿中。再用少量正己烷-丙酮混合溶劑洗滌提取容器3次，洗滌液并入漏斗中過濾，最后再用少量正己烷-丙酮混合溶劑沖洗漏斗，全部收集至濃縮器皿中，氮吹濃縮至約0.5mL后經(jīng)弗羅里硅土固相萃取小柱凈化，凈化柱上端加入1～2g無水硫酸鈉，凈化前需對固相萃取柱進行活化：依次使用正己烷-丙酮(9∶1，V/V)和正己烷各10mL對固相萃取柱進行洗脫?；罨戤吅笊蠘?，用正己烷-丙酮(9∶1，V/V)混合液15mL進行洗脫、40℃下氮吹濃縮、正己烷定容至1mL，按儀器工作條件進行測定。

1.3.3質(zhì)量控制

每批樣品(不超過 20 個樣品)需做1個空白樣、1個平行樣、1個空白加標和1個基質(zhì)加標樣?？瞻讟悠返臏y定結(jié)果中目標物濃度不應(yīng)超過方法檢出限；平行樣測定結(jié)果相對偏差應(yīng)小于35%；空白加標和基質(zhì)加標樣品回收率控制范圍為60%～140%；替代物為2,4,5,6-四氯間二甲苯，回收率控制范圍為60%～140%；進樣口惰性檢查：滴滴涕到滴滴伊和滴滴滴的降解率應(yīng)不超過15%。如果滴滴涕衰減過多或出現(xiàn)較差的色譜峰，則需要清洗或更換進樣口，同時還要截取毛細管前端的5cm，重新校準。

2 結(jié)果與討論

2.1 提取方法的優(yōu)化

選擇蘇北地區(qū)農(nóng)田土壤作為實驗對象，由于含水量較大，提取前需加入大量無水硫酸鈉混合均勻，采用超聲或振蕩方式提取，基體容易結(jié)塊，嚴重影響提取效率。實驗比較了索氏提取、加速溶劑提取和超聲波提取3種方式的提取效率。選擇空白樣品分成兩組，每組3份進行回收實驗，一組添加濃度為1.0μg/kg，另一組添加濃度為20.0μg/kg。以正己烷-丙酮(1∶1，V/V)為提取溶劑，按上述3種方法進行提取，結(jié)果表明：索氏提取不論是高濃度還是低濃度都表現(xiàn)出較高的回收率，分別為80.7%～94.4%和82.7%～103.5%(表1)。加速溶劑萃取效率總體與索氏提取相當(dāng)，但由于個別高濃度樣品含水率大，帶來的管路殘留難以消除，需要多次清洗才能滿足后續(xù)實驗。所以，最終選擇索氏提取為實驗的提取方法，通過實驗比較索氏提取時間和提取效率的關(guān)系，按每小時回流6次左右的提取速率，提取10h，效率基本達到飽和。另外，索氏提取主要為過夜提取，節(jié)省了大量工作時間，尤其是承擔(dān)大批量樣品時，能大大提高工作效率。

表1 方法精密度和回收率實驗Table 1 Precision and recovery tests of the method

2.2 凈化條件的優(yōu)化

工業(yè)區(qū)農(nóng)業(yè)土壤中不僅有機質(zhì)含量多，而且常含有硫化物，硫化物的存在不僅會污染進樣口和色譜柱，還會使ECD過載，將目標物的色譜峰掩蓋，嚴重影響定性定量分析。實驗時先將活化后的銅片加入提取液靜置3～4h以除去硫化物(如銅片變黑，需補加至不變色為止)；濃縮后用商品弗羅里硅土固相萃取小柱(填料6cm)凈化，由于部分樣品含水率較高，濃縮后明顯含有水分，需在凈化柱上端補加1～2g無水硫酸鈉除去剩余的水分，最后用正己烷-丙酮(9∶1，V/V)混合液15mL進行洗脫。

2.3 調(diào)制周期的選擇

全二維氣相色譜的調(diào)制器主要起濃縮、聚焦、再進樣的作用，合適的調(diào)制周期有利于化合物更好地分離，降低目標物的檢出限。如果調(diào)制周期過短，會使第一維流出的組分未能在同一周期內(nèi)完成調(diào)制就進入下一周期，影響目標物的定性和定量；如果調(diào)制周期過長，減少了一維峰的切割次數(shù)，易出現(xiàn)共流出現(xiàn)象，從而導(dǎo)致一維色譜分辨率下降。所以在滿足分離度的條件下，應(yīng)選擇盡可能短的調(diào)制周期。本實驗考察了調(diào)制周期分別為1s、2s、3s、4s時的分離效果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)調(diào)制周期為4s時，全部目標物均能在同一周期流出且分離度最好，故選擇調(diào)制周期為4s(圖1d)。

2.4 全二維氣相色譜分離柱的選擇

由于目標化合物較多，土壤樣品基質(zhì)復(fù)雜，各物質(zhì)完全分離的難度很大，因此選擇極性柱與非極性柱搭配的方式。待測物在極性的一維柱上，按沸點規(guī)律分離，而流出物經(jīng)調(diào)制器聚焦后迅速升溫送入二維柱，并在二維色譜柱上按物質(zhì)極性的差異分離。實驗選擇3根不同極性的一維色譜柱(TG-35MS，30m×0.25mm×0.25μm；HP-1701，30m×0.25mm×0.25μm；HP-5，30m×0.25mm×0.25μm)分別與非極性二維色譜柱(DB-1，0.8m×0.18mm×0.18μm)進行組合。結(jié)果表明，TG-35MS柱和DB-1柱組合分離效果最好，每個待測目標物都有獨立的一維和二維的保留時間，另兩種組合分離效果相對較差，容易出現(xiàn)多個峰的重疊。因此，確定采用TG-35MS柱和DB-1柱組合的方式建立分析方法。

2.5 分析技術(shù)評價

2.5.1標準曲線和檢出限

按儀器工作條件測定20種有機氯農(nóng)藥和4種擬除蟲菊酯混合標準溶液，濃度為50.0μg/L，采用外標法定量，在優(yōu)化的條件下獲得的全二維氣相色譜圖分離效果好(圖1d)。按色譜條件對1.0、5.0、10.0、20.0、50.0、100.0、200.0、500μg/L的混合標準溶液進行測定，以各化合物的質(zhì)量濃度為橫坐標，對應(yīng)的峰面積為縱坐標繪制標準曲線，其中氟氯氰菊酯存在多個異構(gòu)體，本實驗以其質(zhì)量濃度對應(yīng)的多個異構(gòu)體的總峰面積來計算總量。結(jié)果表明：各物質(zhì)的質(zhì)量濃度均在1.0～500.0μg/L范圍內(nèi)呈線性，相關(guān)系數(shù)(r)為0.995～0.998。在10.0g石英砂樣品中加入低濃度20種有機氯農(nóng)藥和4種擬除蟲菊酯混合標準溶液，平行7份，按實驗方法進行測定，計算標準偏差s，按照檢出限為3.14s計算，各物質(zhì)檢出限為 0.02～0.17μg/kg(結(jié)果見表2)，遠低于HJ 835—2017標準中各物質(zhì)的檢出限20.0～90.0μg/kg。馬玲等[32]采用超聲波提取-硫酸凈化-氣相色譜/質(zhì)譜法同時測定土壤樣品中23種有機氯農(nóng)藥，方法檢出限為0.10～4.0μg/kg；李俊等[13]使用加速溶劑萃取-氣相色譜/質(zhì)譜法(選擇離子監(jiān)測模式)同時測定土壤中擬除蟲菊酯類農(nóng)藥，檢出限為0.11～3.4μg/kg。本方法檢出限較低的原因主要是由于索氏提取效率高并且穩(wěn)定性好，另一方面全二維氣相色譜與電子捕獲檢測器結(jié)合具有良好的靈敏度。Senar等[33]使用超聲波提取結(jié)合氣相色譜電子捕獲檢測器測定土壤中的有機氯類農(nóng)藥，檢出限能達到0.02～1.34μg/kg，這一結(jié)果與本方法較為接近。

表2 標準曲線線性方程、相關(guān)系數(shù)、檢出限及線性范圍Table 2 Linear regression equations,correlation coefficients,detection limits and linear ranges

a—調(diào)制周期為1s；b—調(diào)制周期為2s；c—調(diào)制周期為3s；d—調(diào)制周期為4s(峰號所對應(yīng)的化合物名稱見表2)。圖1 24種混合標準溶液4種調(diào)制周期色譜圖Fig.1 Gas chromatograms (GC×GC-μECD) of 24 mixed standard solution in 4 cycles

2.5.2方法精密度和回收率

選用實際空白土壤樣品作為基質(zhì)，分別添加1.0μg/kg和20.0μg/kg兩個濃度水平混合標準溶液，按實驗方法進行前處理，平行測定6次，計算回收率及測定值的相對標準偏差(RSD)。由表1中的數(shù)據(jù)可知，2個濃度水平的加標回收實驗中，索氏提取法對各物質(zhì)的回收率在80.7%～103.5%之間，ASE與索氏提取基本相當(dāng)，僅個別物質(zhì)回收率略低，超聲波提取的回收率和精密度明顯低于前兩種方法。主要考慮以下兩個因素：第一，本地區(qū)農(nóng)田土壤含水率較大，盡管提取前加入足量無水硫酸鈉混合分散，但超聲時還是極易結(jié)塊，從而影響回收率和精密度。第二，索氏提取使用了250mL索氏套筒，空間較大，一方面可添加足量無水硫酸鈉混合分散，另一方面較大的套筒空間使得回流頻率降低，增加了樣品在溶劑中的浸泡時間，這使得索氏提取法的優(yōu)勢更加明顯。這也可能是本方法回收率和精密度均優(yōu)于馬玲等[32]采用的超聲波提取法的原因。

a—樣品5全二維氣相色譜圖；b—樣品5一維氣相色譜圖。圖2 樣品5的全二維色譜圖與一維色譜圖比較Fig.2 Comparison of GC×GC-μECD chromatragram and GC-μECD chromatragram of Sample No.5

2.6 實際樣品測定

應(yīng)用該方法測定2018年全國土壤詳查江蘇地區(qū)土壤樣品56份，其中21份樣品檢出有機氯農(nóng)藥，檢出物主要為滴滴伊、α-六六六、β-六六六和p,p’-滴滴涕，少量樣品檢出六氯苯，擬除蟲菊酯類農(nóng)藥檢出率較低，僅1份樣品檢出少量聯(lián)苯菊酯。對比樣品5的一維氣相色譜圖(圖2b)，可見全二維色譜法在二維圖譜上成功分離了干擾物，保證了定量準確度(圖2a)，平行樣的相對偏差低于25%，能夠滿足2018年全國土壤詳查樣品檢測的質(zhì)控要求，檢測結(jié)果用GC-MS法進行驗證(表3)，同一樣品檢出物均一致，檢出值的相對偏差在3.55%～23.08%之間，56份樣品未出現(xiàn)1例假陽性結(jié)果。

表3 樣品驗證結(jié)果比對Table 3 Comparison of analytical results by GC×GC-μECD and GC-MS

3 結(jié)論

本工作建立了復(fù)雜基質(zhì)土壤中24種有機氯和擬除蟲菊酯類農(nóng)藥的全二維氣相色譜檢測方法，經(jīng)實際樣品的驗證，證實該方法可有效改善基質(zhì)干擾物和目標物的分離效果，準確度和靈敏度均較高，對于干擾物較多的樣品具有一定實用性。

目前本方法只使用了一根二維色譜柱與三種一維柱進行優(yōu)化，從色譜峰的分離效果來看仍有較大改進空間，后期將購買不同類型二維柱進行比較試驗，針對高污染、多干擾的樣品提供有效的解決方案。值得注意的是，盡管全二維氣相色譜在一定程度上增加了峰容量，提高了分離度，但前期的凈化仍至關(guān)重要，否則過多的干擾物會污染儀器，同時影響檢測準確性。