吳志鵬 ,桑柳波 ,彭詩琪,3 ,趙嘉輝,3 ,唐 毅

(1.中科檢測技術服務(廣州)股份有限公司,廣州 510650;2.中科廣化(重慶)新材料研究院有限公司,重慶 400000;3.中國科學院廣州化學研究所,廣州 510650)

由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要,除草劑類農(nóng)藥的使用量巨大,而該類農(nóng)藥具有一定毒性且化學性質(zhì)穩(wěn)定,不易降解,具有致癌、致突變以及干擾生物體內(nèi)分泌系統(tǒng)等作用[1-4]。2,4-滴是一種生長素類似物,可作用于小麥、玉米、高粱等單子葉植物,使雜草的莖葉扭曲,莖基增厚、脹裂等,但對眼睛、皮膚具有刺激作用,長期接觸會對中樞神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生影響,導致腿部僵硬、運動系統(tǒng)失衡、疲勞、厭食和昏迷等癥狀,嚴重時還會損害肝臟、腎臟和其他器官。滅草松是一種雜環(huán)接觸型、微系統(tǒng)除草劑,對大多數(shù)雙子葉植物和莎草科雜草均有殺滅作用,并且滅草松在水稻和小麥等植物中會被還原代謝成對人體有毒性的6-羥基滅草松和8-羥基滅草松[5]。雖然2,4-滴和滅草松均是高效除草劑[6],但這兩種農(nóng)藥均會在環(huán)境和生物體內(nèi)富集,對周邊水體造成污染。因此,檢測水體中的2,4-滴和滅草松具有重要意義。

目前檢測水體中2,4-滴和滅草松的國家標準主要涉及生活飲用水。GB 5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標準》規(guī)定2,4-滴和滅草松的限量分別為0.03,0.30 mg·L—1,GB/T 5750.9—2006《生活飲用水標準檢驗方法 農(nóng)藥指標》中2,4-滴和滅草松的檢出限分別為0.05,0.2μg·L—1,而針對地表水、城鎮(zhèn)污水和海水則尚無相關標準出臺。除草劑的檢測方法主要有氣相色譜法[7-10]、液相色譜法[11-12]、液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法[13-17]、氣相色譜-質(zhì)譜法[18-19]和離子色譜法[20-22]等。GB/T 5750.9—2006推薦的方法是先將水樣在酸性條件下經(jīng)乙酸乙酯萃取,然后在堿性條件下用碘甲烷溶液酯化,生成較易揮發(fā)的甲基化衍生物,再用氣相色譜法進行測定。然而該方法中所用的試劑碘甲烷為禁售品,且衍生過程繁雜,不易控制溫度。因此,本工作提出了固相萃取-氣相色譜法測定水體中2,4-滴和滅草松含量的方法,以適用于生活飲用水、地表水、城鎮(zhèn)污水和海水等不同類型水體中2,4-滴和滅草松的快速、靈敏檢測。

1 試驗部分

1.1 儀器與試劑

Nexis GC-2030 型氣相色譜儀,配電子捕獲檢測器;ATX124型電子天平(感量0.000 1 g);MTN-5800型氮吹濃縮裝置;Milli Q 型純水機;HLB pro固相萃取柱(500 mg/6 mL)。

2,4-滴、滅草松、滅草松甲酯單標準溶液:1 000 mg·L—1。

2,4-滴甲酯標準溶液:100 mg·L—1。

2,4-滴、滅草松混合標準儲備溶液:10 mg·L—1,取適量的2,4-滴、滅草松單標準溶液,用正己烷逐級稀釋,配制成2,4-滴、滅草松質(zhì)量濃度均為10 mg·L—1的混合標準儲備溶液。使用時,用正己烷稀釋至所需質(zhì)量濃度。

乙酸乙酯、正己烷、丙酮、甲醇均為色譜純;N,N-二甲基甲酰胺二甲縮醛、氯化鈉、無水硫酸鈉均為分析純;硝酸為優(yōu)級純;試驗用水為超純水(電阻率18.25 MΩ·cm)。

1.2 色譜條件

SH-Rtx-1701 色譜柱(30 m ×0.25 mm,0.25μm);進樣口溫度250℃,檢測器溫度280 ℃;載氣為氮氣,流量1.2 mL·min—1;進樣量1μL,分流比1∶10。柱升溫程序:初始溫度為150℃,保持2 min;以10℃·min—1速率升溫至260℃,保持5 min。

1.3 試驗方法

隨機采集1.0 L水樣,除去肉眼可見雜質(zhì)后,將其置于玻璃瓶中,加入適量硝酸調(diào)節(jié)酸度至pH 小于2,抽濾,取濾液待用。依次用10.0 mL 甲醇和10.0 mL水活化HLB pro固相萃取柱,然后將處理后的水樣以6.0 mL· min—1流量過柱,用10.0 mL水淋洗,再用真空泵抽干柱子,最后用10.0 mL乙酸乙酯洗脫。收集洗脫液,于40 ℃用氮氣吹至近干,加入500μLN,N-二甲基甲酰胺二甲縮醛和1.0 mL正己烷,渦旋1 min,混勻,于160 ℃衍生50 min。衍生結束后,取出,冷卻至室溫,加入2.0 mL飽和氯化鈉溶液,待分層后,取0.8 mL上層有機相過0.22μm 有機相濾膜,濾液按照儀器工作條件進行測定。

2 結果與討論

2.1 衍生產(chǎn)物和色譜行為

2,4-滴和滅草松不能直接用氣相色譜儀進行分析,需對其進行甲酯衍生化。N,N-二甲基甲酰胺二甲縮醛在有機合成中的應用非常廣泛,主要用途是酯化作用,特點是反應溫和、效率高[23]。利用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀分別對2,4-滴、滅草松與N,N-二甲基甲酰胺二甲縮醛的衍生產(chǎn)物進行檢測,通過標準譜庫對待測物質(zhì)質(zhì)譜圖的分子離子峰和主要碎片的質(zhì)荷比(m/z)進行檢索,根據(jù)匹配度進行定性。結果顯示,2,4-滴和滅草松的甲酯衍生產(chǎn)物分別為2,4-滴甲酯、滅草松甲酯。

按照試驗方法對2,4-滴、滅草松混合標準溶液進行衍生和測定,色譜圖見圖1。

由圖1可知:衍生產(chǎn)物滅草松甲酯、2,4-滴甲酯在SH-Rtx-1701 色譜柱上的保留時間分別為9.503 min和12.943 min,兩種物質(zhì)可完全分離,峰形較好,且沒有雜質(zhì)峰干擾。

2.2 衍生條件的選擇

以0.50 mg·L—12,4-滴、滅草松混合標準溶液為研究對象,通過單因素試驗優(yōu)化衍生條件。

2.2.1 衍生溫度

固定衍生時間為60 min,考察了衍生溫度為80～180 ℃(每10 ℃為一個梯度)時對衍生產(chǎn)物2,4-滴甲酯、滅草松甲酯響應強度的影響。結果表明:2,4-滴甲酯響應強度隨著衍生溫度的升高逐漸增大,100 ℃時達到最高,繼續(xù)升高衍生溫度,響應強度變化不明顯;滅草松甲酯響應強度先在90 ℃時達到第一個拐點,然后在160℃時達到最高,隨著衍生溫度的繼續(xù)升高,響應強度變化不明顯。綜合考慮,試驗選擇的衍生溫度為160 ℃。

2.2.2 衍生時間

固定衍生溫度為160 ℃,考察了衍生時間為30～70 min(每10 min為一個梯度)時對衍生產(chǎn)物2,4-滴甲酯、滅草松甲酯響應強度的影響。結果表明,2,4-滴甲酯、滅草松甲酯響應強度均隨著衍生時間的延長逐漸增大,50 min時達到最高,繼續(xù)延長衍生時間,響應響度趨于穩(wěn)定且變化不大。因此,試驗選擇的衍生時間為50 min。

2.2.3 衍生試劑用量

固定衍生溫度為160 ℃,衍生時間為50 min,考察了衍生試劑N,N-二甲基甲酰胺二甲縮醛用量為100～800μL(每100μL 為一個梯度)時對衍生產(chǎn)物2,4-滴甲酯、滅草松甲酯響應強度的影響。結果表明:在100～800μL 內(nèi),2,4-滴甲酯、滅草松甲酯響應強度變化不大?？紤]到實際樣品中2,4-滴、滅草松的含量可能會較高,同時可能受其他雜質(zhì)的影響,為保證衍生反應完全,試驗選擇的衍生試劑用量為500μL。

2.3 固相萃取柱的選擇

選擇合適的固相萃取柱對于富集水體中微量2,4-滴和滅草松極為重要。取生活飲用水、地表水、城鎮(zhèn)污水和海水各1.0 L,分別加入10 μL 10 mg·L—12,4-滴和滅草松混合標準儲備溶液,按照1.3節(jié)試驗方法進行固相萃取、衍生和測定,考察了佛羅里硅土、C18、HLB 和HLB pro等固相萃取柱對4種水樣中2,4-滴和滅草松回收率的影響,結果見圖2。

圖2 固相萃取柱對2,4-滴和滅草松回收率的影響Fig.2 Effect of solid phase extraction cartridge on the recoveries of 2,4-D and benazone

結果表明:佛羅里硅土和C18固相萃取柱對2,4-滴和滅草松的回收率均低于80.0%,而HLB和HLB pro固相萃取柱對2,4-滴和滅草松的回收率為90.0%～100%?？紤]到HLB pro固相萃取柱的填料配方優(yōu)于HLB 固相萃取柱的,試驗選擇以HLB pro固相萃取柱富集水樣中的2,4-滴和滅草松。

2.4 洗脫條件的選擇

天然水和生活飲用水的酸度一般為pH 7.0～8.0,呈弱堿性;受當?shù)丨h(huán)境、生產(chǎn)和處理工藝的影響,地表水、城鎮(zhèn)污水的酸度一般為pH 6.0～9.0;海水的酸度一般為pH 8.0～8.5。2,4-滴和滅草松的pKa值分別為3.7和3.3,為保證目標物在有機相中充分溶解,需增大水樣酸度使其在有機溶劑中的分配效率提高。試驗采取直接加入硝酸的方式調(diào)節(jié)水樣酸度至pH 小于2,并對比了調(diào)節(jié)酸度前后空白加標水樣(加標量為0.10μg·L—1)中2,4-滴和滅草松的回收率。結果顯示:調(diào)節(jié)酸度前,2,4-滴和滅草松的回收率為54.9%～63.8%;調(diào)節(jié)酸度后,回收率為82.4%～91.5%。可見調(diào)節(jié)酸度后目標物的回收率有很大提升。

根據(jù)相似相溶原理,洗脫溶劑的極性會影響目標物的提取效率。取生活飲用水、地表水、城鎮(zhèn)污水和海水樣品各1.0 L,分別加入10μL 10 mg·L—12,4-滴和滅草松混合標準儲備溶液,考察了丙酮、乙酸乙酯、正己烷、甲醇等4種常用的洗脫溶劑對2,4-滴和滅草松回收率的影響。結果表明:正己烷的洗脫效果最差(回收率大部分小于60.0%),乙酸乙酯、丙酮和甲醇對兩種目標物的洗脫效果均較好(回收率均大于80.0%)?？紤]到丙酮和甲醇的毒性大于乙酸乙酯的,試驗選擇乙酸乙酯作為洗脫溶劑。

2.5 基質(zhì)效應

移取10 mg·L—12,4-滴和滅草松混合標準儲備溶液0.2 mL 于衍生管中,按照試驗方法進行衍生,經(jīng)0.22μm 有機相濾膜過濾后,用正己烷定容至5.0 mL,所得溶液作為衍生物儲備溶液;選取桶裝的生活飲用水、封開縣古靖的地表水、水質(zhì)凈化廠的城鎮(zhèn)污水和廣東獅子洋的海水等4種空白水樣,按照試驗方法進行固相萃取,所得洗脫液用衍生管收集并氮吹至近干,分別加入0.8 mL 上述衍生物儲備溶液,渦旋1 min,按照儀器工作條件進行測定。以衍生產(chǎn)物在空白基質(zhì)和溶劑中的響應強度比來計算基質(zhì)效應(ME)值;若ME 值為0.90～1.10,則認為基質(zhì)效應可以忽略。結果顯示:4種基質(zhì)中2,4-滴甲酯的ME 值為0.96～1.08,滅草松甲酯的ME值為0.92～1.05,說明基質(zhì)對目標物干擾較小,可以忽略。

2.6 衍生轉化率

取適量的2,4-滴甲酯和滅草松甲酯單標準溶液,配制成質(zhì)量濃度為0.1,0.2,0.4,0.8,1.0 mg·L—1的衍生產(chǎn)物混合標準溶液系列,按照儀器工作條件進行測定并繪制標準曲線。按照試驗方法對0.20 mg·L—1和0.50 mg·L—1的2,4-滴和滅草松混合標準溶液進行衍生和測定,以2,4-滴甲酯和滅草松甲酯的測定值(衍生產(chǎn)物標準曲線計算的結果)與理論轉化值的比值計算衍生轉化率。根據(jù)理論計算,當2,4-滴和滅草松混合標準溶液質(zhì)量濃度為0.20 mg·L—1和0.50 mg·L—1時,衍生后形成的2,4-滴甲酯和滅草松甲酯混合溶液質(zhì)量濃度應約為0.21 mg·L—1和0.53 mg·L—1。結果顯示:0.20 mg·L—1混合標準溶液中,2,4-滴和滅草松的衍生轉化率分別為93.6%和97.2%;0.50 mg·L—1混合標準溶液中,衍生轉化率分別為98.3%和94.0%,說明該方法衍生轉化率高,可直接用2,4-滴和滅草松混合標準溶液繪制標準曲線。

2.7 標準曲線和檢出限

取適量的2,4-滴、滅草松混合標準儲備溶液,用正己烷逐級稀釋,配制成質(zhì)量濃度為0.01,0.02,0.05,0.10,0.20,0.50 mg·L—1的混合標準溶液系列,按照儀器工作條件進行測定。以2,4-滴、滅草松的質(zhì)量濃度為橫坐標,對應的2,4-滴甲酯、滅草松甲酯峰面積為縱坐標繪制標準曲線。結果顯示:2,4-滴、滅草松標準曲線的線性范圍均為0.01～0.50 mg·L—1,線性回歸方程分別為y＝1.546×107x—4.836×103和y＝8.948×106x—3.736×103,相關系數(shù)分別為0.999 8和0.999 0。

選取桶裝的生活飲用水、封開縣古靖的地表水、水質(zhì)凈化廠的城鎮(zhèn)污水和廣東獅子洋的海水等4種空白水樣,每種水樣平行配制7份2,4-滴和滅草松質(zhì)量濃度均為0.015μg·L—1的空白加標樣品,按照試驗方法進行測定。根據(jù)HJ 168—2020《環(huán)境監(jiān)測分析方法標準制修訂技術導則》中的要求,計算測定值的標準偏差(s),以t(n—1,0.99)×s計算檢出限(3.143s)。結果顯示:生活飲用水、地表水、城鎮(zhèn)污水、海水中2,4-滴的檢出限分別為0.003,0.003,0.008,0.007 μg·L—1,滅草松的檢出限分別為0.004,0.003,0.006,0.010μg·L—1。

2.8 穩(wěn)定性試驗

按照試驗方法對實際樣品A 進行測定,并將樣品衍生液分裝為A1、A2兩份,每份約400μL。將A1置于8 ℃的陰涼柜中保存,A2置于—20 ℃的冷凍冰柜中保存,分別每隔24 h測定一次,連續(xù)測定10 d。記2,4-滴甲酯和滅草松甲酯21組響應強度的平均值為X(即中心線),標準偏差為s,上輔助線為X＋s,上警告限為X＋2s,上控制限為X＋3s,下輔助線為X—s,下警告限為X—2s,下控制限為X—3s,根據(jù)響應強度繪制質(zhì)量控制圖,結果見圖3。

圖3 質(zhì)量控制圖Fig.3 Quality control charts

結果顯示:所有響應強度沒有超出X±3s,其中95%的響應強度處于X±2s內(nèi),并且平均值X兩側的數(shù)據(jù)分布均勻,表明樣品處于受控狀態(tài);2,4-滴甲酯和滅草松甲酯在10 d內(nèi)的響應強度的相對標準偏差(RSD,n＝21)分別為2.3%和3.5%,表明8 ℃和—20 ℃兩種保存條件的測定結果基本一致,衍生產(chǎn)物2,4-滴甲酯和滅草松甲酯的穩(wěn)定性良好。

2.9 精密度試驗

2.9.1 重復性試驗

選取生活飲用水、地表水、城鎮(zhèn)污水和海水樣品各6份,加入適量的2,4-滴和滅草松混合標準儲備溶液,使2,4-滴和滅草松質(zhì)量濃度均為0.10μg·L—1,按照試驗方法測定。結果顯示:2,4-滴和滅草松測定值的RSD 為4.3%～6.6%,說明方法重復性較好。

2.9.2 儀器精密度試驗

每種樣品各取一份加標溶液,按照儀器工作條件連續(xù)測定6次。結果顯示:2,4-滴和滅草松測定值的RSD 為2.3%～6.2%,說明儀器精密度較好。

2.10 回收試驗

選取生活飲用水、地表水、城鎮(zhèn)污水和海水樣品各3份,加入適量的2,4-滴和滅草松混合標準儲備溶液,配制成低、中、高等3個濃度水平的加標樣品溶液,按照試驗方法進行測定,計算回收率,結果見表1。

表1 回收試驗結果Tab.1 Results of test for recovery

結果表明:4種水樣中均未檢出目標物,2,4-滴和滅草松在0.02,0.10,0.40μg·L—1等3個濃度水平下的回收率為81.3%～95.4%,表明該方法具有較高的準確度。

本工作提出了固相萃取-氣相色譜法測定不同類型水體中2,4-滴和滅草松含量的方法,該方法前處理操作簡便,衍生試劑毒性小,反應條件易控,并且檢出限低、回收率高、精密度好,適用于生活飲用水、地表水、城鎮(zhèn)污水和海水中2,4-滴和滅草松的檢測。