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由于果蔬中往往同时残留不同种类的农药,这对多残留同时检测条件提出很高要求。
由于气相色谱-质谱联用(GC-MS)具有灵敏度高、分析速度快、鉴别能力强等特点,可同时完成待测组分的分离和鉴定,特别适用于多组分混合物的定性定量分析,目前被广泛应用于农药多残留检测。
2气相色谱-质谱联用原理
2.1基本原理
气相色谱法(GasChromatography)是英国科学家1952年创立的一种经典的分析方法,是色谱技术仪器化、成套化的先驱[1]。
如图1所示,气相色谱利用样品在色谱柱中气相和固定相间分配系数的不同,经过反复多次分配从而实现分离。
气相色谱具有高效能、高选择性、高灵敏度、高分辨率、样品用量少、分析速度快等特点,主要用于沸点低、易挥发成分的定性定量分析。
由于与普通的填充柱相比,毛细管色谱柱具有更高的分离度,在传统填充柱上难分离的物质可在毛细管色谱柱上达到轻松分离目的,近年来毛细管气相色谱法在环境有机污染物、食品农药残留等的分析检测上独树一帜[2]。
此外新型检测器的产生、与其他分析技术如IR、MS的联用,使气相色谱法成为环境污染、食品质量安全等检测的有力工具。
图1气相色谱法基本原理[3]
质谱法(MassSpectrometry)是一种通过测定被测样品离子的质荷比(M/e)来进行分析的方法。
质谱法检测灵敏度高,无需标样,可通过谱库检索来定性,也可根据目标化合物质谱的特征峰来确定分子结构。
如图2所示,质谱中采用高速电子束撞击气态分子,把电离出的离子加速导入质量分析器中,然后按碎片离子质荷比大小的顺序进行收集和记录,即得到质谱图。
根据质谱峰的位置可以进行定性和结构分析,根据质谱峰的相对强度可以进行定量分析,灵敏度可达到ppb级。
世界上第一台质谱仪是由英国物理学家J.J.Thomson在1912年制成的,早期质谱仪主要用于测定原子量,直至20世纪60年代以后,它才开始应用于复杂化合物的鉴定和结构分析。
由于质谱仪无法分离混合物,目前环境监测很少单独使用质谱仪作为检测手段,更多的是与其他一些分析手段如气相色谱、液相色谱等联用,以获得相互补充的效果。
图2质谱法基本原理[3]
在气相色谱中,被逐次洗脱出来的组分在色谱图中是以峰的形式来记录。
有关组分的信息通过测量色谱图中该组分峰的峰高和峰面积来确定,这些对应着检测到的组分量以及该组分通过色谱柱的时间。
色谱图上某个组分峰最高点对应的时间(以进样作为时间起点)被定义为保留时间。
通常利用该组分的特定保留时间对其定性,但这种定性方式并不绝对准确,组分的确定经常会模糊或根本无法识别该组分。
与气相色谱形成鲜明对比的是,质谱监测器对混合物的检测毫无办法。
如果一个单独的组分进入质谱监测器,它的质谱图可以通过各种离子化检测方法而获得。
确定了该物质的质谱图通常来说就可以准确的鉴别该物质为何物并可以确定它的分子结构。
显然,如果是混合物质进入质谱检测器,所获得的质谱图就会是该混合物中所有组分谱图的总和。
物质的质谱图可能会相当的复杂以至于准确的鉴别混合物中的多种组分几乎是不可能的。
一方面气相色谱能够高效的分离混合物但并不善于鉴定各个组分;
另一方面质谱监测器善于鉴别单一的组分却难以鉴别混合物。
因此,人们致力于研究如何将两种方法联合在一起使用,组成了气相色谱-质谱联用仪。
气相色谱-质谱(GC-MS)仪包括:
GC模块、MS模块、GC-MS接口模块、仪器控制模块以及软件模块。
典型的GC-MS系统的如图3所示,待分析样品通过载气(氢气或氦气)经过GC色谱柱得到初步分离,从色谱柱流出的各组分经过GC-MS接口模块传输进入MS模块的离子源单元,在这里各组分被离子化形成离子,进而被MS模块中的质量分析分析,分析获得的数据由GC-MS平台的数据处理模块进行处理、显示,并进行数据库搜索和比对。
整个分析过程所涉及到的流程处理顺序均由GC-MS平台的仪器控制模块进行控制和协调。
图3GM-MS系统示意图[4]
气相色谱作为进样系统,充分发挥其高效的分离能力和高的灵敏度,对样品进行有效分离。
同时满足质谱分析对样品单一性的要求,避免了样品受污染,有效控制质谱进样量,减少对质谱仪器的污染,极大的提高了对混合物的分离,定性,定量分析效率。
质谱作为检测器,检测的是离子质量,获得化合物的质谱图,解决了气相色谱定性的局限性,而且质谱的多种扫描方式和质量分析技术,可以有选择的只检测所需要的目标化合物的特征离子(SIM,选择离子模式),具有专一的选择性,不仅能排除基质和杂质峰的干扰,还极大的提高检测灵敏度。
气相色谱-质谱联用法结合了气相色谱和质谱的优点,弥补了各自的缺陷,因而具有灵敏度高、分析速度快、鉴别能力强等特点,可同时完成待测组分的分离和鉴定,特别适用于多组分混合物中未知组分的定性定量分析、化合物的分子结构判别、化合物分子量测定。
气相色谱-质谱联用仪能将一切可气化的混合物有效的分离并准确的定性、定量其组分。
气质联用仪在现在生活和研究中的许多领域都得到了广泛的应用,大到行星间的探测,小到环境中二氧化氮的检测,是目前能够为pg级试样提供结构信息的最主要分析工具。
2.2常见GM-MS前处理方法
农药残留检测是一种对复杂化合物组分的痕量检测方法。
在测定之前,必须找到适合待测样品和目标化合物理化性质的萃取、净化、浓缩等处理步骤。
建立多种农药的前处理方法要充分考虑其理化性质、基质干扰等因素,否则往往会使得待测物的分离、定性及定量变得困难,甚至产生错误的结论。
样品前处理技术的发展就是要求提高待测物的提取效率,达到较好的回收率和精密度;
实现更好的净化效果,消除基质干扰;
简化前处理步骤,实现快速、有效、简单的样品制备过程[5]。
2.2.1液-液萃取(LLE)技术
液-液萃取(Liquid-LiquidExtraction,LLE)技术,又称溶剂萃取,是样品净化中的经典净化方法,是利用目标化合物与样品基质在互不相容的两相溶液中溶解度的差异,将目标化合物从一种溶剂相(被萃取相)转移到另一种溶剂相(萃取相)以达到净化的目的。
影响LLE萃取效果的因素有萃取溶剂,溶液pH值、离子对试剂、盐析等。
2.2.2固相萃取(SPE)技术
固相萃取(SolidPhaseExtraction,SPE)技术是20世纪70年代发展起来的一种样品前处理技术,由液固萃取和液相色谱技术结合发展而来。
其原理是固体吸附剂将液体样品中的目标化合物吸附,从而与样品基质及干扰化合物分离开,再利用洗脱液洗脱或加热解吸附,以达到分离、净化和富集的目的,被广泛应用于环境、制药、临床医学、食品等领域。
上世纪80年代,SPE技术开始应用于农药残留分析的样品前处理过程中。
SPE对样品的净化,一般包括4步:
(l)SPE活化:
有机溶剂活化后,再用水或适当的缓冲液活化;
(2)转移样品于SPE;
(3)淋洗:
选择适当量的溶剂,淋洗SPE,去除杂质;
(4)洗脱:
选择适当的溶剂作为洗脱液,将保留在固定相中的样品洗脱下来,同时,尽可能减少在固定相中比样品保留更强的杂质流出。
根据SPE柱中填料的不同,SPE可分三种类型:
反相萃取、正相萃取和离子交换萃取。
(1)正相SPE的填料是极性的,如氧化招、娃镁吸附剂等,通常用来萃取极性物质。
(2)反相SPE所用的填料通常是非极性的或是弱极性物质,如Ci8.Q、苯基柱等,通常用来萃取中等极性到非极性的化合物。
(3)离子交换型SPE使用的填料为带电荷的离子交换树脂,萃取的物质多为带电荷的化合物。
对液体样品,在选择了合适的萃取填料和洗脱液并优化其他条件后,可以使萃取、富集和净化一步完成,然后可以直接进行气相色谱法或高效液相色谱法分析。
与经典的液-液萃取相比,SPE具有无可比拟的优势:
(1)萃取更快,节省溶剂;
(2)回收率高,重现性好;
(3)同时完成样品富集与净化,提高检测灵敏度;
(4)样品用量少,有一定的选择性,无乳化现象。
2.2.3基质固相分散(MSPD)技术
基质固相分散(MatrixSolid-PhaseDispersion,MSPD)萃取是在SPE的基础上,由美国Louisiana州立大学的Bark教授于1989年首次提出并给予理论解释的一种快速样品处理技术。
MSPD不同于经典的SPE技术,SPE的分析对象需要是无粘性、无颗粒、均勻的液态,MSPD的样品则可以是固态、粘性液体样品;
SPE仍需要有液化、离心、过滤等步骤,MSPD集萃取、净化于一步。
其基本操作是将试样直接与适量反相键合桂胶混合和研磨,制成半固态装柱,然后用不同的溶剂淋洗柱子,将各种目标组分洗脱下来。
MSPDE浓缩了传统的样品前处理中所需的样品均质化、组织细胞裂解、提取、净化等过程,是简单高效的提取净化方法,适用于各种分子结构和极性农药残留的提取净化,在蔬菜、水果的农药残留检测中得到了广泛的应用。
2.2.4凝胶渗透色谱(GPC)技术
凝胶渗透色谱(GelPermeationChromatography,GPC)技术主要是根据被分离物质的分子大小不同,通过具有分子蹄性质的固定相,从而使物质达到分离。
固定相为凝胶颗粒,随着流动相的移动,大分子的物质由于其直径较人,不易进入凝胶颗粒的微孔,只能分布在颗粒之间,于是洗脱时向下的移动速度较快,迁移路径较短,先流出色谱柱。
而小分子的物质除了在凝胶间隙中扩散外,还可以进入凝胶颗粒的微孔中,在向下移动过程中,从一个凝胶内扩散到颗粒间隙后进入另一凝胶颗粒,如此不断的进入和扩散,迁移路径较长,后流出凝胶色谱柱。
农药一般为小分子,因此可以把样品基质中的大分子杂质分离出去,例如GPC可将目标组分与蛋白质、脂类、色素等内源性物质分离。
但是GPC只能作为一种净化技术,无法直接从蔬菜水果中将农药分子提取出来,而且无法分离样品基质中的小分子杂质。
2.2.5加速溶剂萃取(ASE)技术
加速溶剂萃取(AcceleratedSolventExtraction,ASE)技术是一种在较高温度和较大压力下的溶剂萃取固体或半固体样品的前处理方法。
其操作是将固体样品密封于一个装满萃取溶剂的样品池中。
在50-20℃、300Psi的压力条件下,只需要5-10分钟就可以完成样品萃取,然后由压缩气体将萃取液从样品池吹入收集器。
加速溶剂萃取利用升高温度和加大压力来增加物质溶解度和溶剂的扩散速率,从而提高萃取效率。
该技术有机试剂用量少、速度快、基体影响小、萃取效率高。
常见的使用溶剂萃取的方法都可以用加速溶剂萃取技术代替,而使用方便、安全性好、自动化程度高。
该技术已在环境、药物、食品和聚合物工业等领域的残留检测中广泛应用。
2.2.6微波辅助萃取(MAE)技术
微波辅助萃取(MicrowaveAssistedExtraction,MAE)技术是对样品进行微波加热,利用极性分子可迅速吸收微波能量的特点来加热极性溶剂,以达到萃取样品中目标化合物、分离杂质的目的。
其主要特点是快速、节能、节省溶剂、选择性好,萃取效率高,还可避免长时间高温造成的物质分解,有利于萃取热不稳定物质。
微波辅助萃取是很有前景的样品前处理方法,但因其是对极性物质选择性加热,所以对非极性农药的萃取效果并不好,具有一定的局限性。
2.2.7浊点萃取(CPE)技术[6]
浊点萃取技术是近几年发展起来的一种新型绿色、环保、安全的分离技术,主要利用表面活性剂水溶液的增溶和分相作用实现溶质的富集和分离。
最早Watanabe教授在1978年首次将此技术应用在对金属离子的分析检测中(Watanabeetal.,1978)。
近年来此项技术已广泛应用于金属离子、临床药物检测、生物大分子、有毒污染物、食品中农兽药残留及中药成分分离分析中。
浊点萃取技术的基本操作原理:
萃取溶液中表面活性剂的浓度一般高于临界胶束浓度,此时表面活性剂溶液形成各种各样的胶束。
胶束的亲水基团向外张开成簇的胶束、疏水部分向内聚集成核。
这些胶束能与水相中的溶质发生作用使目标物增溶于表面活性剂相之中,当改变温度和平衡时间等条件时,原本均一、透明的表面活性剂水溶液会变的浑浊,随后即可发生分相,得到目标物富集相和表面活性剂单体水溶液。
浊点萃取技术采用表面活性剂的水溶液代替传统萃取方法中的有机试剂,利用其增溶性和浊点现象一步实现溶质的分离和富集,大大缩短了前处理的时间,并减少了前处理过程中有机试剂对人体和环境的危害。
2.2.8顶空处理(HS)技术
顶空处理技术非常适合于测定固体或液体样品中挥发性有机物。
早在20世纪60年代这种简单、灵敏的直接测定挥发性有机物的方法就引起人们极大关注[13]。
顶空萃取技术主要取决于被分析物在气相和液或固相间的分配系数,平衡向气相部分迁移越多,分析物可检测灵敏度越高。
分配系数主要取决于分析物的蒸汽压和其在水中的活度系数。
增加平衡温度或降低活度系数可增加气相中有机物的量,从而提高分析灵敏度,将被分析物转化为更易挥发,溶解度更低的物质进行分析,也可提高分析灵敏度[14]。
顶空气态取样的主要优点是避免了在直接的液体或固体取样时使复杂的样品基体成分一起被带入分析仪器系统的可能性,从而消除了由基体成分的带入而对样品中可挥发性成分的分析所造成的影响和干扰[15]。
顶空萃取技术主要分为两种类型,即静态顶空和动态顶空。
(1)静态顶空法(SHS)
从实验角度看,静态顶空采样技术是非常简单的,它主要用于分析沸点在200℃以下的组分。
静态顶空法是在一定的温度条件下,样品置于密闭样品瓶中,样品中挥发性物质在气-液或气-固两相间分配,达到平衡时,取顶部空间气态或蒸气相进行分析的方法。
与传统溶剂萃取法相比,静态顶空快速、简便、可靠,减少了化学溶剂和基体成分对待测组分的干扰和污染,是检测油漆等化工品中苯及同系物含量时有效的前处理方法。
静态顶空分析法的主要缺点是有时必须进行大体积的气体进样,这样挥发性物质的色谱峰的初始展宽较大会影响色谱的分离效能[17];
特别是对于组成比较复杂的样品,这种进样方式将会限制高效毛细管色谱柱的使用,蒸汽中存在大量水分也往往对一些非极性色谱柱的寿命有所损害。
如果样品中待分析组分的含量较高,较少的气体进样量就可以满足分析的需要且而水分又不是很高时,静态顶空分析法仍是一种非常简便而有效的分析方法。
(2)动态顶空法(DHS)
动态顶空又称吹扫捕集,源于采用多孔高聚物对样品顶部空气中的挥发性物质进行捕集和分析。
连续用氮气、氦气或其他惰性气体吹扫液态或固体样品,挥发性待测物质随气体转入到装有固定相的捕集器中。
加热捕集管的同时用气体反吹捕集管,挥发性物质解吸进入后续仪器进行分析。
该方法是一种将样品基质中所有挥发性组分都进行完全的“气体提取”的方法,适合复杂基质中挥发性较高的组分和浓度较低的组分分析[16]。
动态顶空中,由于气体的不断吹扫,破坏了密闭容器中气-液或气-固两相的平衡,使挥发性组分不断地从液相或固相进入气相而被抽提出来,也就是说,在液相或固相顶部的所有组分分压都为零,从而可以使更多的挥发性组分逸出到气相,所以与静态顶空相比它能测量更低的痕量组分,分析灵敏度大大提高。
然而一些极易挥发的物质在吹扫-脱附过程中可能部分损失,而一些低挥发性物质不可能100%都吹出且富集到捕集管中。
因此定量分析时需合理控制吹扫温度[14]。
3气相色谱-质谱联用技术的应用
3.1GM-MS法测定蔬菜水果中常见农药残留[9]
3.1.1样品前处理
将新鲜果蔬样品搅碎混匀,称取20.0g于匀浆机的玻璃瓶中,加入40mL乙腈,10000r/min匀浆3min,过滤,放入装有5g氯化钠的100mL具塞量筒内,盖上塞子,剧烈振荡2min,在室温下静置10min,让乙睛和水相分层,吸取10mL乙腈相溶液(上层)于小烧杯中,置于水浴内30~40℃,溶液上方加氮气吹扫,蒸发至近干,加入5mL丙酮,研洗残渣,混匀后供气相色谱-质谱联用仪分析用。
3.1.2气相色谱-质谱联用仪分析条件
色谱条件:
载气He(纯度99.99%);
流速1.0mL/min;
进样量1.0μL;
不分流进样;
进样口温度230℃;
HP-5MS(30m×
0.32mm×
0.25μm)熔融石英毛细管柱;
柱温升温程序:
初温50℃,以30℃/min升至150℃,再以10℃/min升至290℃保持5min。
质谱条件:
接口温度280℃,电子轰击(EI)离子源,离子源温度230℃,四极杆温度150℃,离子化方式为电子电离,电子能量70eV,倍增器电压在自动调谐后加400V,同步扫描选择离子监测/全扫描(SIM/SCAN)模式。
全扫描方式(SCAN)分析10种农药单标溶液,确定各农药组分的相对保留时间、定性离子和定量离子,在选择离子监测方式(SIM)测定10种农药混标溶液。
3.1.3样品前处理条件的选择
匀浆后果蔬样品分别以乙腈和甲醇为溶剂进行提取,发现用乙腈提取时,剧烈振荡后分层明显,而用甲醇提取时,分层效果不明显,上清液较混浊,即乙腈的盐析效果好于甲醇,有利于下一步的处理,故选择乙腈为提取溶剂。
3.1.4色谱检测
在设定条件下,10种农药的保留时间、定性离子和定量离子见表1,图4为10种农药混标采用SIM测定方式得到总离子色谱图。
表110种农药的保留时间和特征离子
由图4可以看到,在本实验条件下,包括乙酰甲胺磷、氧化乐果、久效磷、甲胺磷等5种有机磷农药和氨基甲酸酷类农药丁硫克百威、菊酷类农药高效氯氰菊酯以及常用农药乙草胺、噁唑菌酮得到了很好的分离,没有相互干扰,符合农药多残留检测的方法要求。
图410种农药的总离子流图
3.1.5标准曲线、线性范围和检出限
将混合农药标准储备液配制成相应质量浓度的系列标准工作液,以峰面积(Y)对质量浓度(X,mg/kg)做标准曲线。
10种农药线性关系列于表2。
结果表明,在相应的质量浓度范围内各农药的响应值与其质量浓度均呈良好的线性关系,10种化合物的相关系数均高于0.989,检出限为1.6~18.5μg/kg。
表2线性范围、线性回归方程、相关系数和检出限
3.1.6回收率和精密度
在三种果蔬中添加0.2、0.4mg/kg两个水平的10种农药混合标准溶液,按上述前处理、测定步骤进行加标回收实验,每个水平重复测定3次,同时做空白对照,采用空白提取液配制的基质标样进行定量,结果如表3所示。
由表3可知,部分样品的甲胺磷、乙酰甲胺磷的添加回收率较低,10种农药的相对标准偏差小于16%,本方法的回收率和重现性均能够满足农药残留分析的要求。
表3方法精密度和加标回收率(100%)
3.1.7结论
利用气相色谱质谱联用的高灵敏度、抗干扰强等特点,在选择离子扫描模式下,建立了同时测定果蔬中10个不同种类的农药残留的分析方法。
结果表明,10种农药在0.05~0.5mg/kg范围内线性条件良好,检出限为1.6~18.5μg/kg。
在空白基质中进行0.2、0.4mg/kg两个水平的加样回收实验时,平均回收率为70%~125%,相对标准偏差为1.1%~15.5%。
为了达到快速检测的目的,使用简化了的前处理方法,对仪器的维护提出一定要求,如定时更换玻璃棉,清洗进样口衬管、离子源等,以保证整个方法操作简便,结果准确,回收率良好。
方法前处理步骤简单,保留时间重现性好,具有良好的灵敏度、精密度和准确度,可以满足果蔬中农药多残留限量国家标准的检测要求[7,8],对其它样品中农药残留分析有参考价值。
3.2GM-MS测定土壤中农药的残留[10]
3.2.1仪器分析条件
HP-5MSPhenylMethylSiloxane5%二苯基-95%二甲基硅氧烷;
毛细管柱(30.0m×
0.25mmi.d.×
0.25µ
m);
载气:
He(99.999%);
流速:
1.0mL/min;
进样口温度:
250℃;
进样方式:
脉冲不分流进样,20psi,1.0min;
柱温:
70℃(hold1.0min)25℃/min128℃(hold4.1min),Total:
13.50min;
进样量:
2µ
L
离子源:
EI(70eV);
温度:
230℃;
四极杆温度:
150℃;
接口温度:
285℃;
EM电压:
1518V;
溶剂延迟:
3.5min;
采集方式:
SIM;
调谐方式:
自动调谐。
3.2.2分析步骤
样品预处理:
根据采样所的缩分后的样品,阴干后研细过425µ
m的金属分子筛,在电子天平准确称取25.00g~50.00g样品做如下提取处理。
(1)加入50.0mL乙睛,在震荡器巨均质震荡过夜。
(2)在100mL具塞量筒中放入约59氯化钠,过滤均质液,盖塞剧烈震荡后静置约10mni,让乙睛和水相分离。
(3)另取适量乙睛充分溶解样品,按照
(2)的步骤操作。
(4)取乙睛相过无水硫酸钠柱,准确获得10mL-20mL乙睛相于烧杯中,在80℃水浴上用蒸汽加热,氮气吹干,加入2mL正己烷,过Florisil柱。
(5)收集洗脱液继续吹氮,水浴温度55℃,蒸发近干,用正己烷准确定容至2.0mL。
(6)过0.45µ
m滤膜,进GC一Ms测定。
3.2.3定性与定量离子的选择
采用SIM(选择离子模式)方式,仅对待测化合物的定性及定量离子进行扫描,因而提高方法的灵敏度,
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