地下水中91种农药多残留气相色谱-质谱分析方法研究及应用

高冉， 饶竹， 郭晓辰

(1.中国冶金地质总局山东局测试中心， 山东 济南 250014；2.国家地质实验测试中心， 北京 100037；3.自然资源部生态地球化学重点实验室， 北京 100037)

农药广泛用于农业生产，对保证农业产量和农产品质量提升发挥了重要作用。中国《农药中文通用名称》(GB 4839—2009)中登记在册农药1274种，其中常用农药超过300种，每年农药使用量在50～60万吨[1-2]。但农药有效利用率低，大部分残留在土壤或漂浮于大气中，再通过干湿沉降、地表径流等途径进入地表和地下，从而造成地下水多种农药污染[3-6]。地下水作为重要的饮用水源，为保证地下水用水安全，需要对其进行调查、监测和评价。中国《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)和《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)分别明确规定了21种和17种农药限值。按照传统分析方法，水中农药残留分析需要按不同类别分别前处理和测定，不仅耗时长、效率低、分析成本高，且难以保证样品分析的时效性。

近年来，农药多残留分析技术以其快速、简便、多种类同时检测等优点成为农药残留分析发展的热点和方向。但目前农药多残留分析主要集中在果蔬[7]、中药材[8]、谷物[9]、水产品[10]、土壤[11-12]等基质，地下水中农药多残留分析文献报道较少。检测方法主要有气相色谱法(GC)[13-14]、高效液相色谱法(HPLC)[15-16]、气相色谱-质谱法(GC-MS)[17-18]及高效液相色谱-串联质谱法(HPLC-MS/MS)[19-20]等。常规色谱法采用专用检测器检测，干扰因素多，准确定性难，目前应用范围有限。色谱-质谱法是以质谱为检测器，能够保证检测结果准确定性，已成为当前农药残留分析的主要手段。Nasiri等[18]对环境水样中有机磷农药采用磁性固相萃取，GC-MS分析，检出限为20～80ng/L。赖国银等[20]对地表水26种农药采用超高液相色谱-四极杆-飞行时间质谱测定，检出限为0.03μg/L，分析时间短，灵敏度高。其中，GC-MS仪器使用和维护相对较为方便，在实验室多有使用和推广。在水样前处理方法上，目前常用大体积水样前处理方法主要有液液萃取法[21]和固相萃取法[22-23]。仇秀梅等[21]采用液液萃取法对地下水中16种含氯农药进行萃取浓缩，气相色谱法测定，其检出限在0.6～1.5ng/L，回收率为80.1%～109.0%，该方法操作简便。张莉等[23]采用苯乙烯/二乙烯苯膜对地下水中6种有机磷农药进行前处理，气相色谱法测定，方法检出限均小于0.01μg/L。固相萃取法因有机溶剂使用少，易于商品化，在实验室多有使用，但其应用受限于膜或小柱填料，选择性小；相比于固相萃取法，液液萃取法更为经典、广谱，操作简便，应用较广。

本文结合文献、国家和行业标准、国际公约等，选取对人体和环境风险较高、检出率较高的91种农药作为研究目标物，分别对水样前处理方法和GC-MS分析参数进行选择和优化，建立了地下水中多种类农药残留GC-MS分析方法，提高了现阶段地下水中农药分析检测效率，从而保证了样品分析的时效性，便于在实验室推广使用。

1 实验部分

1.1 仪器和主要试剂

Trace GC UltraTM-DSQTMⅡ气相色谱-质谱仪(美国ThermoFisher公司)，配有AS3000自动进样器；Zebron Multiresidue-2 弹性石英毛细管柱(30m×0.25mm×0.20μm)；6位圆盘固相萃取装置(美国3M公司)；LABOROTA-4003型旋转蒸发仪(德国Heidolph公司)；Milli-Q超纯水系统(美国Millipore公司)；不同规格的气密性微量注射器(美国Hamilton公司)。

有机氯、有机磷、氨基甲酸酯、菊酯类、三唑类、酰胺类、三嗪类等七类91种农药标准品(具体名称见表1)均来自有证标准物质供应商，分别由Dr.Ehrensorfer公司(德国)、O2Si公司(美国)、农业部环境保护科研监测所(天津)和上海市农药研究所提供，其纯度均大于95%。所有标准品均在-18℃以下的冰箱中保存备用。

氯化钠(分析纯)；无水硫酸钠(分析纯)：分别于650℃马弗炉中烘4h，冷却后放入干燥器备用；正己烷(色谱纯，北京J&K百灵威科技公司)；丙酮(色谱纯，美国Fisher Scientific公司)；二氯甲烷(农残级，韩国Duksan公司)； ENVI-C18固相萃取膜(47mm，美国Supulco公司)； Empore-C18固相萃取膜(47mm，美国3M公司)；1L分液漏斗，带聚四氟乙烯活塞；高纯氮气和氦气(纯度均为99.999%)。

1.2 气相色谱-质谱分析条件

气相色谱条件：ZB-Multiresidue 2(30m×0.25mm×0.20μm)毛细管色谱柱；柱升温程序：起始温度50℃，保留1min；以20℃/min升温至160℃，继续以3℃/min升温至190℃，保留2min，再以3℃/min升温至210℃，保留2min，最后以8℃/min升温至300℃，保留5min；载气流速1.2mL/min；进样口温度250℃；脉冲不分流进样，脉冲压力250kPa，时间1min；进样量1μL。

质谱条件：电子轰击源(EI)，电离电压70eV；离子源温度230℃；接口温度280℃；溶剂延迟时间4.5min；全扫描定性，扫描质量范围m/z50～500，选择离子监测(SIM)定量。

1.3 实验方法

取1000mL水样于2L分液漏斗中，加入10.0g氯化钠摇匀至完全溶解，加入50μL替代物混合标准使用液(浓度2.0μg/mL)，混匀后，加入50mL萃取溶剂二氯甲烷，放气后于振荡器上振摇萃取10min，静置分层，将下层有机相转移至250mL平底烧瓶中；再加入30mL二氯甲烷，重复萃取，步骤同上，合并两次有机相经无水硫酸钠脱水、旋转蒸发浓缩至2～3mL；浓缩液转移至25mL K·D浓缩瓶，于氮吹仪上浓缩，加入50μL内标物混合标准使用液(浓度2.0μg/mL)，二氯甲烷定容至1.0mL，上机测定。

2 结果与讨论

2.1 检测组分的筛选

综合高毒、高残留、广泛使用以及部分有毒理学意义的农药及其代谢产物且适合气相色谱-质谱检测等因素最终选择了91种农药作为检测目标物，具体组分和检测结果见表1。

2.2 萃取方法的选择和优化

2.2.1圆盘萃取法

本方法覆盖了有机氯、有机磷、氨基甲酸酯、菊酯类、三唑类、酰胺类、三嗪类等物理化学性质差异较大的多类别农药，目前很难有一种前处理方法适用于上述农药分析。因圆盘萃取法具有萃取时间短、有机试剂使用少，可适用于大体积水样分析等优点，所以实验优先考察了圆盘萃取法对91种农药萃取富集效果。取水样1000mL，加入5mL甲醇，采用ENVI-C18和Empore-C18两种萃取膜，上样前分别用10mL丙酮、10mL甲醇、10mL水活化，之后水样以100mL/min的流速流经萃取膜，二氯甲烷和丙酮-乙酸乙酯(1∶3,V∶V)两种溶剂分别洗脱，收集洗脱液，于氮吹仪上浓缩，加入内标定容至1.0mL，上机测定。采用正交法试验，对比ENVI-C18和Empore-C18两种膜和两种洗脱溶剂对各农药萃取富集效果，以加标回收率衡量。研究发现，采用 Empore-C18膜、15mL丙酮-乙酸乙酯(1∶3，V∶V)作洗脱溶剂时，萃取富集效果较佳，91种目标物中有76种平均回收率在60.7%～130%之间，结果见表2。但是圆盘萃取法不能实现91种农药完全萃取富集；且六氯苯、艾氏剂、七氯等目标物平均回收率远低于30%，很难满足《地下水污染地质调查评价规范》中水样调查必测和选测测试指标要求。

2.2.2液液萃取法

目前，水体中农药残留液液萃取常用的溶剂有正己烷、二氯甲烷、丙酮、乙酸乙酯等单一或混合溶剂萃取体系。本文实验以农药加标回收率为指示，考察了正己烷、二氯甲烷、二氯甲烷-正己烷(1∶1，V∶V)三种溶剂体系对各农药萃取效率，每种萃取溶剂分别进行3次平行实验，结果见表2。从表中可以看出采用二氯甲烷作萃取溶剂时，萃取效果较好，所有组分平均回收率在54.3%～129%之间；二氯甲烷-正己烷(1∶1，V∶V)体系次之；正己烷萃取效果最差。综上，实验选用液液萃取法，二氯甲烷作萃取溶剂，实现对91种农药的萃取浓缩。

表2 91种农药及替代物圆盘萃取法和液液萃取法平均加标回收率对比(加标浓度100ng/L，n=3)Table 2 Average recoveries of 91 pesticides and substitutes by disc extraction and liquid-liquid extraction at the spiked concentration of 100ng/L (n=3)

(续表2)

(续表2)

2.2.3液液萃取盐浓度的影响

在1L水样中加入不同浓度的氯化钠(0%～5%，g/L)考察盐浓度对萃取效率的影响。结果表明，随着氯化钠含量的增加，多数目标物回收率没有明显的变化，少数有减小的趋势。原因可能在于随着离子强度的增加，有机相在水相中的溶解度降低，相应的萃取效率也下降；但若不加入氯化钠，容易产生乳化现象。综合考量，实验选择加入1%的氯化钠，即1L水样中加入10.0g氯化钠。

2.3 气相色谱-质谱条件的优化

2.3.1色谱柱的优选

对于多组分分析，为了获得近百种农药在一根色谱柱有较理想的分离效果，提高定性定量的准确度，色谱柱的优选则非常关键。实验对比研究了DB-5MS(30m×0.25mm，0.25μm)、DB-XLB(30m×0.25mm，0.25μm)和ZB-Multiresidue 2(30m×0.25mm，0.20μm)三种不同类型的毛细管柱对91种农药的分离效果。实验结果表明，ZB-Multiresidue 2色谱柱对各分析农药均有较好的分离效果，峰形对称，分离度高，灵敏度高且基线低，柱流失小；而DB-5MS色谱柱对相同特征离子的o,p’-DDT和p,p’-DDT等分离度差、且整体灵敏度较低；DB-XLB色谱柱基线高，柱流失大，噪音高。故实验选用ZB-Multiresidue 2作为本方法的分析柱。总离子流色谱图见图1，各组分出峰顺序见表1。

图1 91种农药全扫描总离子流色谱图(ZB—Multiresidue 2)Fig.1 Total ions chromatogram of 91 pesticides in fullscan mode (ZB—Multiresidue 2)

2.3.2进样方式的选择

溶剂在衬管内有很大的膨胀体积，普通压力下进样有体积限制，在痕量分析中需要加大进样量来保证灵敏度[24]，结合气相进样口参数配置，实验对比了常用不分流和脉冲不分流两种进样方式对各目标物的响应。研究发现，采用脉冲不分流进样方式，即在进样期间进样口维持较高压力(250kPa，维持1.0min)，快速将样品吹入色谱柱，之后压力恢复至初始柱流量对应的压力，各目标物响应明显增强。以脉冲不分流进样和不分流进样峰面积响应比值制图，结果见图2。可以看出，采用脉冲不分流进样方式与不分流进样，峰面积响应比值为1.2～2.4，各农药检测灵敏度大大提升。因此，实验采用脉冲不分流进样方式进样。

图2 91种农药脉冲不分流进样和不分流进样峰面积响应比值柱状图Fig.2 Response ratio in splitless with surge and splitless of 91 pesticides

2.3.3特征离子和分段扫描的选择

由于本实验涉及农药种类多、组分数量多，为保证每个组分的灵敏度和更好地分离，需要按照组分的出峰顺序，进行分段(segment)分别监测；同时控制每个时间段内监测的离子数目和驻留时间(dwell time)，以保证每个目标物都有足够的数据采集点。优化后的特征离子、保留时间等参数见表1，分段扫描离子数、驻留时间见表3。

表3 化合物分段扫描离子和驻留时间Table 3 Scanning ions in segments and dwell time of each compound

2.4 方法有效性评价

分别配制0.20、1.00、5.00、10.0、50.0、100、500和1000μg/L 8个浓度的91种混合农药标准系列，采用优化后的分析条件测定，内标法定量，建立标准曲线。大部分农药在1.00～1000μg/L浓度范围内具有良好的线性，相关系数(r)在0.9901～0.9997之间。

参考EPA方法检出限MDLs=t(n-1,0.99)×s定义，进行了7个低浓度(20ng/L)水平地下水基体加标平行样，经液液萃取后，气相色谱-质谱法测定，计算组分MDLs，结果见表1。1L水样经前处理上机测定后，91种农药方法检出限在3.1～12.5ng/L之间，对比国际标准《饮用水中有机物的测定》(US EPA 525.2)中农药方法检出限和《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)中Ⅰ类水农药限值，本方法灵敏度明显提高，且涵盖农药种类较为齐全。

为验证方法的准确性和稳定性，分别进行了20ng/L、100ng/L和1000ng/L低、中、高三个浓度水平的地下水基体加标实验，用优化后的前处理和仪器分析条件测定，平行测定5次。各目标物平均加标回收率和相对标准偏差结果见表1。各农药平均回收率均在50.6%～134%之间，RSD均小于等于20%。以《饮用水中有机物的测定》(US EPA 525.2)中的要求判定，本方法的准确度和精密度均在允许范围内。

2.5 实际样品测定

采用本文建立的液液萃取，气相色谱-质谱测定方法分析了来自中国7个省市231个地下水调查样品。231个地下水样品中共检出15种农药：敌敌畏、速灭磷、莠去津、脱乙基莠去津、α-六六六、六氯苯、γ-六六六、β-六六六、δ-六六六、乙草胺、甲基异柳磷、顺式氯菊酯、o,p’-DDT、p,p’-DDT、p,p’-DDD(表4)。其中，杀虫剂检出种类最多(8种有机氯、3种有机磷和1种菊酯类农药)，除草剂中莠去津、脱乙基莠去津和乙草胺有检出。因此，有必要加强对全国地下水中农药残留调查和监测。

表4 中国7个省市231个地下水样品农药检出汇总Table 4 Pesticides detected in 231 groundwater samples of 7 provinces in China

3 结论

本研究以中国常用农药为研究目标物，以地下水为研究对象，通过对气相色谱-质谱仪分析参数进行优化，并对水样液液萃取和圆盘固相萃取两种前处理方法进行选择和优化，研究建立了地下水中91种农药液液萃取,气相色谱-质谱定性和定量分析方法。水样经液液萃取后，各农药方法检出限为3.1～12.5ng/L，平均加标回收率在54.3%～129%间，RSD≤20%，方法检出限明显低于《饮用水中有机物的测定》(US EPA 525.2)方法检出限和《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)中Ⅰ类水农药限值，且准确度和精密度均满足《饮用水中有机物的测定》(US EPA 525.2)规范要求。

本研究采用气相色谱-质谱法分析地下水中91种农药多残留，不仅能够在短时间内完成91种农药的有效分离，有较好的灵敏度、准确度和精密度，且方法适用性较广，更适合大体积水样分析，具有较高的应用价值。另外，方法的建立可为地下水中农药残留快速筛查和准确定量提供可靠的技术支持。