毛细管电泳和毛细管电色谱技术在农药残留检测中的应用

刘培培，杨继远，郭全海

（商丘职业技术学院，河南 商丘 476000）

为了提高农作物产量和加强对病虫害的防治，农药已经被广泛使用在农业生产过程中。但是农药在短时间内很难被完全分解，所以在农作物中乃至土壤中都会有农药残留。过多农药残留会影响人体健康，破坏生态环境，因此必须控制农药残留量，加强对农药使用的监督。文章将针对使用毛细管电泳（Capillary Electrophoresis，CE）和毛细管点色谱技术（Capillary Electrochromatography，CEC）进行农药残留检测的应用展开研究，并且结合样品富集技术、检测方法对CE 和CEC在农残检测过程中的应用。

1 毛细管电泳和毛细管电色谱检测方法

农药化学成分复杂，含有多种化学物质，对于监测方法要求较高，需要能同时监测多种化学物种，并保证检测结果的科学性。目前常用的检测方法有高效液相色谱法（High Performance Liquid Chromatography，HPLC）、气相色谱法（Gas Chromatography，GC）、薄层色谱法（Thin Layer Chromatography，TLC）和免疫分析法等[1-2]。这些方法都能科学检测药物残留情况，但是监测时间过长。为解决这一问题，CE 逐渐走进人们的视线。

CE 是根据带电粒子在电场中受到力的作用并且不同带电成分在电场中的速度不同的原理，把不同的成分进行分离[3-4]。CEC 结合了HPLC 和CE 的优点，具有选择性高、分离效率快和选择性好等突出优点。这2项技术一经问世就得到了广泛的应用，大大降低对样品剂量的依赖，减少经济成本并且最大限度地提高检测速度。

2 样品富集技术

为了满足检测的要求，在检测前需要富集样品，目前常用的预富集技术主要有离线富集和在线富集2种。

2.1 离线富集

目前在CE 和CEC 检测中离线富集技术种类多样，最常用的3 种技术是液-液萃取（Liquid-Liquid Extraction，LLE）、固相萃取（Solid Phase Extraction，SPE）和固相微萃取（Solid Phase Microextraction，SPME）技术。

LLE 是使用最早的离线富集法，该方法可以利用有机溶剂对不易溶于水的物质进行提取，但是存在耗时长、工序复杂和有机溶剂容易造成污染等问题。

SPE技术可以同时进行萃取和浓缩，并且操作装置简化，萃取时所需的溶剂量较LIE 技术明显减少，但是操作复杂等问题仍然没有解决。SPME 是在SPE 基础上改进得来，既具有SPE 的传统优点又克服了SPE操作复杂等问题，重现性得到了改进。

2.2 在线富集

在线富集技术也是富集技术的一种，常用的在线富集技术有常规样品堆积（Normal Sample Stacking，NSS）、场放大样品堆积（Field Amplifies Sample Stacking，FASS）和大体积样品堆积（Ligasure Vessel Sealing System，LVSS）。

NSS是通过堆积形式实现检待检测物质的富集。根据离子在不同性质的电导介质中电泳速度会发生突变的原理从而实现富集。

LVSS 是在外部压力作用下对大量的样品进行压力作用或者电渗流的方法实现富集。该方法的富集效果是非常显著的，富集因子可以提高到100以上，并检出限大幅度降低。

FASS是在LVSS模式基础上发展而来的。该方法采取电动进样的方式，与压力进样相比该进样方式打破了注入体积的限制，富集效果显著并且使检测灵敏度得到大幅度提升。

3 不同的检测方法及其应用

CE 和CEC 可以与多件不同的检测器联合使用，根据不同的需求应用于不同的检测场景，常见的检测器如下。

3.1 紫外检测

UV 检测器在CE 和CEC 中使用非常普遍。UV 检测分为紫外检测、间接紫外检测和二极管阵列检测等不同检测方法，其中应用最广泛的是直接紫外检测方法。现阶段在农药残留时采用的检测器多为UV 检测器，该方法被广泛使用主要是因为其具有操作简单和可靠性高等特点。但是受到紫外波长的限制，其检测的灵敏度有限，需要通过结合富集技术的使用才能提高检测灵敏度。

3.2 荧光检测

不同于UV 检测，荧光检测打破紫外检测受到光学限制的弊端，检测灵敏度也随之提高。由于药物种类的不同，有些药物自身无荧光或难以实现荧光化，对此类药物可以通过间接荧光法进行检测。目前掌握的技术手段无法实现直接检测地下水中的草甘膦，仍然需要借助预处理手段进行预处理后才能完成后续的检测。

3.3 质谱检测

质谱检测与CE 和CEC 相结合，可以提高分离速度和降低样品使用量，同时可以获取精确的相对分子质量和分子结构信息。该方法已经成为非常稳定和可靠的农药残留检测手段，近年来被广泛应用。

3.4 电化学检测

常见的检测方法除上述3种外还有电化学检测法。电化学检测法还可以细化，例如安培法、电导法和电致化学发光法（Electrochemiluminescence，ECL）等。安培法可以与CE 结合应用，提高检测的灵敏度。安培检测法限制条件少，可以检测具有电活性的物质。

电导检测法是通过检测电导率变化而形成的电泳分离谱图进行农药残留检测，在进行无机物成分的检测时该方法使用较多，在农药残留的检测方面相对应用较少。

ECL 利用能量转换的原理实现检测，在检测过程中将电能转化为辐射能。该方法具有仪器简便、灵敏度高和易于集成等特点。现阶段已经将电化学法作为CEC 检测应用于鱼累兽药残留检测，但是还没有关于在农药残留方面的应用。

4 手性农药的分离与检测

研究结果显示，现使用的农药具有普遍的光学异构体，即使是同种农药不同的对映体也会造成药效有很大的差异。因此，会造成一个异构体在目标生物和非目标生物之间表现出来的毒性差异很大，并且不同生物对其降解能力不同，但是现阶段农药的主要使用形式仍然是外消旋体形式，针对此需要手性拆分检测农药。由于CE 和CEC 技术在手性拆分检测方面表现出突出的优势，从而在农药检测方面备受关注。

Jarman 和Garrrison 等通过在土壤的沉淀物中加入手性农药从而实现对其转化规律的有效研究。在该研究过程中以CZE模式为基础，选取γ-CD作为手性检测剂，最终手性分离检测了甲霜灵。以毛细管电动色谱（Micellar Electrokinetic Capillary Chromatography，MEKC）模式为基础利用γ-CD 和二甲基β-CD 手性选择剂，手性分离测定地虫硫磷和灭草喹的同分异构体。研究结果表明，甲霜灵的分离效果与环境因素关联较大，但是地虫硫磷和灭草唾的分离则几乎不受环境因素影响。除此以外，Klein 和Aga 等同样通过CZE 模式为基础，以γ-CD 手性选择剂和光电二极管阵列检测器（Photo Diode Array，PDA），手性分离检测了异丙甲草胺及其代谢产物。

目前，国内CE拆分对手性药物残留的研究越来越多，CE在农药手性拆分上表现出的优势被越来越多的学者发现并通过试验证明。游静和欧庆瑜等通过采用带电的磺丁基-β-CD 对杀鼠灵和水胺硫磷进行了对映体拆分。Yi 和Lin 等通过研究掌握了快速有效的分离办法，实现了对土壤中的灭草喹及其分解物质所形成的同分异构体检测。试验过程中主要研究了酸碱度、缓冲液浓度和手性选择剂的种类和浓度，以及分离电压和温度等因素对于分离结果的影响。据研究结果分析，土壤pH 值对试验结果产生的影响最为显著。除此以外，针对土壤中2 种烯菌灵对映体进行了类似方法的分解情况检测。本课题研究组还从非水相以及水与有机溶剂混合相等2 个方面对含有有机磷成分的农药进行对映体分析，结果表明所选取的4 种不同有机磷农药吡唑硫磷、丙溴磷、丙硫磷和甲丙硫磷在非水溶剂中分离结果更加理想，分离地更为彻底。因此，可以通过以上方法对土壤中的农药残留进行测定。

CEC 在农药残留方面的手性分离应用虽然较少，但随着生物科技技术的不断进步，人们对于农药残留认知的不断提高，推动了其在农药残留手性分析方面的应用。Messina 等利用CEC 方法对土壤中的2，4-滴丙酸（DCPP）进行测定,并且利用原位共聚的方法实现了对多空手性柱的整体合成。在此基础上键接上（1）-1-（4-氨基丁基）-（5R，8S，10R）-特麦角脲作为手性选择剂。研究结果表明，经过23 d 分解后，土壤中的DCPP 会有20%被分解，并且不同类型表现出的分解速度明显不同，S 型相较于R 型在分解速度上具有明显优势。在该试验方法的基础上对2-芳氧基丙酸除草剂的对映体也进行了分解和残留情况的测定，试验结果表明，手性对映体在较短的时间内就可以实现很好的分解，通常5 min 即可达到理想的分解。Andre 和Guillaume 等将一种源于LRNA的核酸适配体进行手性固定，在多孔玻璃小球上进行分解，从而实现对一系列的除草剂分子的检测，该固定相在试验中表现出稳定性优势明显。

5 结语

现阶段农药残留的检测方法仍然是利用紫外检测法和荧光检测法与CE 和CEC 技术的联合应用，尤其是CEC 在农药残留方面的联合应用仍然非常的少见。紫外检测法主要受限于自身的检测灵敏度低，无法单独使用进行农药残留的检测。通常紫外检测法需要和富集技术结合使用，先对待检测物品中进行富集处理，然后再检测。这样尽管可以达到检测农药残留的目的，但是也会伴随着富集技术的使用，从而产生耗材和试剂费用，同时也使检测时间延长。因此，需要不断研究，提高检测的灵敏度，比如化学发光检测法和电致化学发光检测法等可以与CE 和CEC 的联用，并将其应用在农残的分离检测中；或者可以通过检测器之间的联合使用，实现检测方法的优势互补，提高检测结果的灵敏度。

手性农药在农药的使用中占比可达25%，但是对其有关的研究仍然较少，尤其是应用CEC 对手性农药进行分离检测的研究和实践经验仍较少，需要更多的学者进行相关方面的深入研究。

随着研究的不断深入，CE 和CEC 已经被广泛应用在农药残留检测领域。该技术的主要优点表现为分离速度快、效率高、成本低以及操作简单。随着样品浓缩技术的推广CE和CEC 在监测灵敏度方面的缺陷已经得到较好地解决，使用样品浓缩技术以及更加灵敏的检测方法使CE 和CEC 技术的检测灵敏度不够的问题已经逐渐得到解决。相信通过广大学者的不断努力和芯片相关领域的发展，CE 和CEC 检测农残技术就可以成为常规的检测方法。