梁 艷,雷春妮,王 波,張 歡, 周小平,,王斐斐,漆珍珍,朱夢(mèng)晨
(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070;2.蘭州海關(guān)技術(shù)中心,甘肅 蘭州 730010;3.西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,甘肅蘭州 730070)
農(nóng)藥殘留是農(nóng)藥在使用后未被分解,一部分直接或間接殘留于生物體、土壤、水體及大氣中的有毒代謝物、降解物和雜質(zhì)的總稱[1]。農(nóng)藥被認(rèn)為是“綠色革命”的主要組成部分之一,農(nóng)藥殘留通常在自然界中具有持久性,對(duì)非目標(biāo)和非害蟲(chóng)生物也會(huì)造成嚴(yán)重威脅,其殘留的方式主要有2 種[2]:一是保持原有的化學(xué)結(jié)構(gòu);二是參與化學(xué)轉(zhuǎn)化或被降解后殘存。近年來(lái),通過(guò)應(yīng)用除草劑、殺真菌劑、殺蟲(chóng)劑、肥料和土壤改良劑等途徑來(lái)提高作物產(chǎn)量,包括生物積累、廣泛使用、選擇性毒性和穩(wěn)定性在內(nèi)的各種因素,使農(nóng)藥成為污染環(huán)境中最有害的化合物[3]。我國(guó)是人口大國(guó),也是農(nóng)藥使用大國(guó),伴隨著農(nóng)產(chǎn)品需求量的不斷增大,蔬菜、水果、糧食作物進(jìn)行規(guī)?;N植,應(yīng)用農(nóng)藥來(lái)預(yù)防、殺死、驅(qū)趕或減輕有害生物的入侵,已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中不可或缺的投入,因此現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)中為了縮短作物生長(zhǎng)周期及抵抗規(guī)?;N植所帶來(lái)的病蟲(chóng)害等問(wèn)題而使用農(nóng)藥的情況屢見(jiàn)不鮮,不可避免地產(chǎn)生了農(nóng)藥殘留現(xiàn)象[4]。隨著國(guó)民生活水平的顯著提高和互聯(lián)網(wǎng)的普及,人們對(duì)農(nóng)藥殘留等問(wèn)題的重視程度越來(lái)越高,國(guó)家政府部門(mén)也不斷加大對(duì)農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留的監(jiān)測(cè)力度及農(nóng)藥安全的使用管理力度。目前,國(guó)家有關(guān)部門(mén)已經(jīng)對(duì)農(nóng)藥殘留進(jìn)行了限制,并利用法律和法規(guī)來(lái)對(duì)其進(jìn)行治理,在我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品的進(jìn)出口過(guò)程中,還存在著一些發(fā)達(dá)國(guó)家的“農(nóng)殘”貿(mào)易障礙,為保證農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全、保護(hù)進(jìn)出口公司的利益,應(yīng)該定期及時(shí)地對(duì)農(nóng)藥殘留進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
農(nóng)殘的種類(lèi)繁多,通常按照其分子結(jié)構(gòu)分為以下幾類(lèi):
有機(jī)氯類(lèi)農(nóng)藥是組成成分中含有有機(jī)氯元素的有機(jī)化合物,屬于氯化碳?xì)浠衔镅苌铮且环N在世界各地廣泛使用的合成殺蟲(chóng)劑,作用是殺滅植物害蟲(chóng)和預(yù)防植物病害。有機(jī)氯類(lèi)農(nóng)藥以其高毒性、緩慢的降解和生物累積性聞名,在環(huán)境中會(huì)長(zhǎng)期殘留且難以降解,使其在動(dòng)物體內(nèi)累積,并經(jīng)食物鏈傳遞給人類(lèi),對(duì)人類(lèi)的身體造成嚴(yán)重威脅,具體表現(xiàn)為急性中毒引起中樞神經(jīng)系統(tǒng)癥狀,長(zhǎng)期蓄積可引起慢性中毒、損害機(jī)體肝腎功能[5]。盡管許多有機(jī)氯化合物在發(fā)達(dá)國(guó)家被禁止使用,但這些制劑的使用量卻一直在持續(xù)不斷地上升[6],存在的安全隱患仍不可忽視。
有機(jī)磷類(lèi)農(nóng)藥指含有有機(jī)磷元素的有機(jī)化合物,是我國(guó)應(yīng)用最廣泛的殺蟲(chóng)劑,也是世界上重要的農(nóng)用化學(xué)品[7]。近50 年來(lái),有機(jī)磷農(nóng)藥作為農(nóng)業(yè)和家庭害蟲(chóng)防控劑被廣泛使用,并作為有害健康和生態(tài)環(huán)境的化合物持續(xù)存在于水資源、水果、蔬菜和加工食品中[8],因其具有價(jià)格低廉、種類(lèi)繁多、殺蟲(chóng)效率高、范圍廣及易于降解等特點(diǎn),逐漸替代有機(jī)氯類(lèi)農(nóng)藥成為市場(chǎng)首要農(nóng)藥。對(duì)人體的危害主要以急性毒性為主,在大劑量或反復(fù)接觸之后會(huì)出現(xiàn)一系列神經(jīng)中毒現(xiàn)象,有些會(huì)產(chǎn)生精神沮喪、抑郁傾向,嚴(yán)重者出現(xiàn)呼吸麻痹癥狀,甚至死亡。
氨基甲酸酯類(lèi)農(nóng)藥是一類(lèi)相對(duì)新型的廣譜農(nóng)藥,無(wú)特殊氣味,遇酸穩(wěn)定,遇堿易分解。此類(lèi)型農(nóng)藥具有種類(lèi)繁多、原料易得、選擇性強(qiáng)、對(duì)高等動(dòng)物毒性低及易分解等特點(diǎn),并且兼具殺蟲(chóng)、殺螨、殺菌和除草等功能,近年來(lái)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)和牧業(yè)領(lǐng)域。雖然氨基甲酸酯農(nóng)藥相比有機(jī)氯類(lèi)農(nóng)藥、有機(jī)磷類(lèi)農(nóng)藥毒性低,半衰期短,但仍舊存在著殘留和污染的問(wèn)題[9],對(duì)人類(lèi)自身健康構(gòu)成潛在的威脅,已有研究發(fā)現(xiàn)氨基甲酸酯類(lèi)農(nóng)藥暴露對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)及免疫系統(tǒng)等都有影響[10-11]。
合成擬除蟲(chóng)菊酯類(lèi)農(nóng)藥存在于許多商業(yè)殺蟲(chóng)劑配方中,在全世界范圍內(nèi)有廣泛的應(yīng)用,包括農(nóng)業(yè)、公共、住宅和獸醫(yī)用途的害蟲(chóng)控制[12]。擬除蟲(chóng)菊酯類(lèi)農(nóng)藥是通過(guò)模擬天然除蟲(chóng)菊酯結(jié)構(gòu)并采用化學(xué)方法人工合成的有機(jī)殺蟲(chóng)劑[13],難溶于水,易溶于有機(jī)溶劑,對(duì)光、熱、酸性環(huán)境穩(wěn)定,堿性環(huán)境易分解,具有高效、廣譜、低毒、生物降解等重要特質(zhì)。擬除蟲(chóng)菊酯類(lèi)農(nóng)藥能長(zhǎng)期保留于農(nóng)產(chǎn)品和環(huán)境基質(zhì)中,人類(lèi)如果長(zhǎng)期處于這種環(huán)境下,會(huì)逐漸出現(xiàn)慢性病癥狀,影響人體免疫、神經(jīng)、遺傳系統(tǒng)[14]。
在農(nóng)藥殘留分析及檢測(cè)過(guò)程中,為了保證數(shù)據(jù)的可靠性及準(zhǔn)確性,避免其他影響因素的干擾,需要在檢測(cè)之前對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理。樣品中農(nóng)藥殘留分析常用的預(yù)處理技術(shù)如下。
固相萃取法(SPE)是利用分析物在不同介質(zhì)中被吸附能力的不同,用固體吸附劑將液體樣品中的目標(biāo)化合物吸附,樣品基體和干擾物互相分離,再采用洗脫、加熱、解離等以達(dá)到分離和富集目標(biāo)化合物的目的[15](見(jiàn)圖1)。該技術(shù)可同時(shí)對(duì)樣品進(jìn)行富集與凈化,易于與其他檢驗(yàn)方法結(jié)合,具有處理速度快、節(jié)省物料等優(yōu)勢(shì),但其成本較高,需要專業(yè)人員從旁協(xié)助。張?jiān)螺x[16]采用SPE 法對(duì)牛奶樣品進(jìn)行處理,結(jié)果表明,該方法能有效除去脂肪,操作簡(jiǎn)便高效、結(jié)果準(zhǔn)確、靈敏度高,適用于測(cè)定牛奶中的多種農(nóng)藥殘留。
圖1 固相萃取操作示意圖
固相萃取操作示意圖見(jiàn)圖1。
液液萃取法(LLE)是在液體混合物中加入互不相溶的溶劑,利用其各組分在外加溶劑中溶解度的不同而達(dá)到分離或提取的操作[17]。LLE 操作簡(jiǎn)單、較為實(shí)用,但存在試劑消耗量大、準(zhǔn)確度和精密度差等問(wèn)題。Bayat Mitra 等人[18]利用LLE 結(jié)合GC-MS 測(cè)定了鱒魚(yú)體內(nèi)的有機(jī)氯農(nóng)藥(OCPs)和多氯聯(lián)苯(PCBs),研究表明鱒魚(yú)體內(nèi)存有OCPs、PCBs 兩類(lèi)持久性有機(jī)污染物,OCPs 和PCBs 的平均回收率為73%~112%,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為1.4%~17.9%,檢出限(LODs)和定量限(LOQs)分別在0.6~8.3 μg/kg 和2~25 μg/kg,該方法定量分析因素均在歐盟委員會(huì)規(guī)定的可接受范圍內(nèi)。
分散液-液微萃取法(DLLME)是由Sana Breijani 等人[19]提出的一種新型樣品前處理技術(shù),是LLE的簡(jiǎn)易化操作,具有較高的富集倍數(shù)、操作簡(jiǎn)單、試劑消耗少、重現(xiàn)性好等優(yōu)勢(shì)。該方法是將萃取劑及分散劑快速注入樣品中產(chǎn)生湍流,隨后形成細(xì)小的液滴,從而使樣品與萃取劑接觸面積增大,形成乳濁液,經(jīng)離心后獲得沉積相,收集萃取物并進(jìn)入儀器分析,使得目標(biāo)化合物在有機(jī)萃取劑和樣品溶液之間實(shí)現(xiàn)了快速轉(zhuǎn)移[20],其原理示意圖見(jiàn)圖2。萃取劑、分散劑的類(lèi)型及用量、鹽析過(guò)程中的加鹽量等因素影響DLLME 的提取效率,為了從樣品中盡可能提取目標(biāo)分析物,優(yōu)化試驗(yàn)參數(shù)至關(guān)重要。由Szarka A 等人[21]采用DLLME 結(jié)合GC-MS 法測(cè)定保健品滴劑中的40 種農(nóng)藥,其農(nóng)藥的回收率為70%~120%,RSD<20%,LODs 為0.001~0.910 μg/L,LOQs為0.004~3.003 μg/L。
圖2 分散液-液微萃取操作示意圖
分散液-液微萃取操作示意圖見(jiàn)圖2。
凝膠滲透色譜法(GPC)又稱分子排阻色譜法,是一種快速而簡(jiǎn)單的分離技術(shù),也可以作為凈化方法使用[22]。GPC 基于體積排阻的分離機(jī)制,通過(guò)具有分子篩功能的固定相來(lái)分離和測(cè)定小分子物質(zhì),并可以分析具有相同化學(xué)物質(zhì)但分子體積不同的高分子同系物[23],其操作時(shí)間短、自動(dòng)化程度高、凈化效率好、回收率高,同時(shí)根據(jù)選用的填料不同,可以分離水溶性和脂溶性物質(zhì),但只能分離相對(duì)分子質(zhì)量在10%以上而化學(xué)結(jié)構(gòu)不同的物質(zhì)。Bingqi Zhu 等人[24]建立了在線凝膠滲透色譜-氣相色譜串聯(lián)質(zhì)譜(Online GPC-GC-MS/MS)測(cè)定茶葉中131 種農(nóng)藥殘留的方法,其回收率為78.2%~113.9%,RSD 低于15.8%,LODs 在0.5~5.0 μg/kg,該方法簡(jiǎn)單快速、靈敏度較高,可達(dá)到農(nóng)藥殘留分析的要求。
QuEChERS(Quick,Easy,Cheap,Effective,Rugged and Safe)法是由Anastassiades Michelangelo 等人[25]于2003 年首次提出,其原理與SPE 十分相似(見(jiàn)圖3)。該技術(shù)分析速率快、使用溶劑量少、污染小、操作簡(jiǎn)單,已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)藥殘留分析。?zün G?rel Manav 等人[26]采用優(yōu)化后的QuEChERS 法結(jié)合GC-MS 測(cè)定牛奶和乳制品中的農(nóng)藥殘留,該方法測(cè)定25 種農(nóng)藥的回收率在72.5%~120.0%,RSD為0.95%~14.62%,表明該方法可以應(yīng)用于牛奶和乳制品樣品分析,適用于常規(guī)的多殘留農(nóng)藥分析,具有較高的效率和精確性。
圖3 QuEChERS 操作示意圖
QuEChERS 操作示意圖見(jiàn)圖3。
目前,農(nóng)藥殘留分析常用技術(shù)有GC,GC-MS,GC-MS/MS,LC,LC-MS/MS 等,色譜與質(zhì)譜聯(lián)用具有極大優(yōu)勢(shì),既發(fā)揮了高分離能力,又充分發(fā)揮了質(zhì)譜的高鑒別能力,提供了快速、微量的組分分析和結(jié)構(gòu)鑒定能力[27]。然而,常用方法只適用于分析單一或幾種的農(nóng)藥殘留,無(wú)法滿足大批量樣品的高通量、非靶向的農(nóng)藥多殘留篩查要求。GC-TOF-MS 具有高質(zhì)量分辨率、高掃描速率等特點(diǎn),能產(chǎn)生高質(zhì)量信息[28],理論上可以分析無(wú)限數(shù)量的化合物,而不需要預(yù)先選擇分析物,甚至不需要參考標(biāo)準(zhǔn)品,從而會(huì)提高化合物的鑒定和篩查水平。與常用技術(shù)相比,GC-TOF-MS 在全掃描模式下具有更高的靈敏度,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易、檢測(cè)速率高、可測(cè)范圍寬,是一種非常理想的色譜檢測(cè)器,其中一次試驗(yàn)所獲得的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行重復(fù)分析,不用再對(duì)樣品重新測(cè)定,極大地提高了工作效率。近年來(lái),GC-TOF-MS 得到了非??焖俚陌l(fā)展,已廣泛應(yīng)用于食品、煙草、環(huán)境衛(wèi)生等領(lǐng)域中多農(nóng)藥殘留的分析。
由于農(nóng)藥對(duì)人體健康的潛在毒性風(fēng)險(xiǎn)及持久性和生物積累等特性,使農(nóng)藥在農(nóng)產(chǎn)品中的殘留測(cè)定備受重視,尤其是人們?cè)谌粘I钪胁豢杀苊獾匦枰佑|的蔬菜和水果中的農(nóng)藥殘留量,已成為生產(chǎn)者、貿(mào)易商和消費(fèi)者日益關(guān)注的重要健康問(wèn)題[29]。GC-TOF-MS 在食品農(nóng)藥殘留篩查分析中具有顯著優(yōu)勢(shì),如Li Jian-Xun 等人[30]在利用TOF 精確質(zhì)量數(shù)據(jù)庫(kù)和TOF 質(zhì)譜庫(kù)的基礎(chǔ)上,同時(shí)快速篩查和鑒定水果和蔬菜中的439 種農(nóng)藥殘留,優(yōu)化其分析條件以提高篩選的準(zhǔn)確性,并且對(duì)篩選檢測(cè)限、回收率和精確度進(jìn)行了方法學(xué)驗(yàn)證,該方法在2013—2015 年期間被用于9 817 種農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥殘留的篩查,結(jié)果較好,進(jìn)一步驗(yàn)證該技術(shù)是監(jiān)測(cè)水果和蔬菜中農(nóng)藥殘留的可靠分析技術(shù)。Wei Jia 等人[31]將二維氣相色譜-飛行時(shí)間質(zhì)譜法(GC×GC-TOF-MS)用于分析以綠茶提取物為原料而制備的營(yíng)養(yǎng)保健品中的423 種農(nóng)藥殘留,該方法可以分離和檢測(cè)所有目標(biāo)物,已成功應(yīng)用于商業(yè)保健品中124 種農(nóng)藥殘留的篩查,其篩查出甲胺磷、甲氰菊酯、丙溴磷、三唑酮、乙硫磷、異丙甲草胺、氟樂(lè)靈、聯(lián)苯菊酯和芬必得9 種農(nóng)藥殘留。以下對(duì)GC-TOF-MS 技術(shù)分析食品中農(nóng)藥殘留的應(yīng)用做了匯總。
GC-TOF-MS 在食品農(nóng)藥殘留分析中的應(yīng)用見(jiàn)表1。
表1 GC-TOF-MS 在食品農(nóng)藥殘留分析中的應(yīng)用
煙草的生產(chǎn)嚴(yán)重依賴于農(nóng)藥的使用。煙葉中的殘留物水平在收獲前、干燥過(guò)程和煙葉進(jìn)一步加工時(shí)下降,人體是在吸入香煙煙霧時(shí)接觸到了煙草上的農(nóng)藥殘留,其主動(dòng)吸煙者和被動(dòng)吸煙者都會(huì)吸收到熱解的農(nóng)藥殘留[39]。煙草中農(nóng)藥殘留的檢測(cè)和清除是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn),多個(gè)國(guó)家和國(guó)際組織都對(duì)煙草中農(nóng)藥殘留物制定了最大殘留限量。GC-TOF-MS 是定量和高通量篩選復(fù)雜基質(zhì)樣品中目標(biāo)和非目標(biāo)痕量化合物的有效工具,如Bie Rui 等人[40]篩查煙草中的多種農(nóng)藥殘留,其中192 種農(nóng)藥在加標(biāo)水平上表現(xiàn)出令人滿意的回收率和精確度,結(jié)果表明,該方法適用于煙草中多種農(nóng)藥殘留的定量分析、快速篩查及真實(shí)樣品的檢測(cè)。Chen Xiuping 等人[41]同樣分析煙葉中的多種農(nóng)藥殘留,95%被測(cè)農(nóng)藥的LOD小于10 ng/mL,LOQ 在1~20 ng/mL,所測(cè)農(nóng)藥相關(guān)系數(shù)均大于0.990 0,在3 個(gè)質(zhì)量濃度(10,50,100 ng/mL)下,呈現(xiàn)出令人滿意的回收率(70%~120%),RSD<20%。研究對(duì)當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)收集的3 個(gè)煙葉樣品進(jìn)行分析,總計(jì)發(fā)現(xiàn)了二甲沙隆、三唑醇及氟苯尼考3 種農(nóng)藥。因此,基于GC-TOF-MS 方法的靈敏度、準(zhǔn)確度和精密度,可滿足分析復(fù)雜基質(zhì)中多種農(nóng)藥殘留的高通量、非靶向性要求。
GC-TOF-MS 在煙草農(nóng)藥殘留分析中的應(yīng)用見(jiàn)表2。
表2 GC-TOF-MS 在煙草農(nóng)藥殘留分析中的應(yīng)用
研究表明,噴灑的80%農(nóng)藥直接污染了環(huán)境,這種狀況對(duì)生物多樣性和物種都構(gòu)成了巨大的威脅。在過(guò)去的幾十年里,歐洲國(guó)家的昆蟲(chóng)生物量下降了70%,農(nóng)田鳥(niǎo)類(lèi)下降了50%,同樣在歐洲、澳大利亞和北美,物種豐富度也減少了42%。通過(guò)食物鏈的污染,對(duì)人類(lèi)生活也產(chǎn)生了不利影響,這些攝入物導(dǎo)致了嚴(yán)重內(nèi)分泌、神經(jīng)系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)等疾病的發(fā)生,甚至由于接觸有毒殺蟲(chóng)劑,已經(jīng)出現(xiàn)許多傷亡的報(bào)道[44]。GC-TOF-MS 已用于環(huán)境衛(wèi)生等領(lǐng)域中高通量、非靶向農(nóng)藥殘留的分析(見(jiàn)表3)。Meghesan-Breja 等 人[45]將GC-TOF-MS用于土壤中88種農(nóng)藥和代謝物的鑒定和定量,分析了除草劑、殺蟲(chóng)劑、殺真菌劑等各類(lèi)農(nóng)藥中最廣泛使用的農(nóng)藥,對(duì)該方法的線性范圍、準(zhǔn)確度、精密度、檢測(cè)限和定量限進(jìn)行了驗(yàn)證,獲得了良好的線性關(guān)系,并對(duì)5 個(gè)實(shí)際土壤樣品進(jìn)行了分析,得出了很好的結(jié)果。Ruo Jing Fan 等人[46]開(kāi)發(fā)了一種篩選方法用于測(cè)定母體和臍帶血清中的多種農(nóng)藥殘留,LOD 為0.01 ng/mL,RSD<10%,將該方法應(yīng)用于一對(duì)母體和臍帶血清,一共成功篩選出6 種農(nóng)藥殘留。由此可得,GC-TOF-MS 在分析農(nóng)藥殘留方面表現(xiàn)出色,為確定樣品中是否存在農(nóng)藥殘留提供了定量定性信息。
表3 GC-TOF-MS 在環(huán)境和衛(wèi)生等領(lǐng)域農(nóng)藥殘留分析中的應(yīng)用
GC-TOF-MS 在環(huán)境和衛(wèi)生等領(lǐng)域農(nóng)藥殘留分析中的應(yīng)用見(jiàn)表3。
農(nóng)藥殘留問(wèn)題是國(guó)內(nèi)外十分關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題,現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)在使用農(nóng)藥的過(guò)程中不可避免地產(chǎn)生農(nóng)藥殘留現(xiàn)象,對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境和人體健康十分不利,亟須高通量的農(nóng)藥殘留檢測(cè)技術(shù)。GCTOF-MS 法已成功應(yīng)用于目標(biāo)化合物與未知目標(biāo)化合物的鑒定,主要適用于農(nóng)藥及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的靶向及非靶向的篩查分析?;贕C-TOF-MS 的高通量檢測(cè)特點(diǎn),被認(rèn)為是一種十分具有潛力的色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù),將逐漸成為分析人員的得力檢測(cè)技術(shù),在農(nóng)藥殘留的非靶向篩查和定量篩查方面具有極其廣闊的應(yīng)用前景,勢(shì)必會(huì)在今后農(nóng)藥殘留檢測(cè)領(lǐng)域有更加廣泛的應(yīng)用。在未來(lái)發(fā)展中,GC-TOF-MS 用于復(fù)雜體系的分離分析伴隨著高通量篩查、色譜質(zhì)譜聯(lián)用、非靶標(biāo)篩查等技術(shù)特點(diǎn)將成為研究和應(yīng)用新的熱點(diǎn)。