超聲輔助衍生-高效液相色譜法測定水中草銨膦、草甘膦及氨甲基膦酸的含量

羅火焰 ,宋 洲 ,吉義平 ,皮施施 ,周宇齊 ,譚 凱

(1.湖北華祥地質環境檢測科技有限公司,武漢 430000;2.中國地質大學(武漢),武漢 430074;3.湖北省地質實驗測試中心,武漢 430034;4.資源與生態環境地質湖北省重點實驗室(湖北省地質局),武漢 430034)

草甘膦(內吸傳導型)和草銨膦(觸殺型)均屬于廣譜滅生性除草劑,因高效、低毒而被廣泛應用。這兩種農藥是用量分居世界第1和第2位的轉基因作物耐受除草劑,在土壤[1-3]、水體[4-8]、食品[5,9-11]和血液[12]等中均已被檢出。氨甲基膦酸是草甘膦在環境中的重要降解產物,其化學性質與母體類似。草甘膦、草銨膦和氨甲基膦酸均為強極性化合物,易溶于水,既可通過土壤擴散轉移進入水體,也可隨著農業噴施經地表徑流進入水體。研究表明,草甘膦和草銨膦均可對人體健康產生危害[13-15],并且氨甲基膦酸的潛在健康風險也引起了大家的廣泛重視[16]。為控制這3種化合物的污染,降低其對人體的健康風險,有必要建立環境水體中草甘膦、草銨膦和氨甲基膦酸的檢測方法。

色譜法是檢測除草劑的常用方法,但是草甘膦、草銨膦和氨甲基膦酸具有強極性,難以在常規反相色譜柱上保留,同時這3種物質缺少發色或熒光基團,因此研究人員一般通過特殊色譜柱分離(非衍生法)[2-4]或衍生[5,7]等操作來進行檢測。非衍生法常需輔以質譜檢測器[2-4],檢測成本較高;衍生法僅需要附有熒光檢測器的常規高效液相色譜儀即可檢測,國家標準方法(HJ 1071－2019《水質 草甘膦的測定 高效液相色譜法》)也采用該方法檢測環境水體中的草甘膦。但是,這種方法所需衍生時間一般為1～16 h[7,17];衍生劑水解產物(副產物)會干擾目標物測定和縮短檢測器壽命,需要借助固相萃取小柱凈化[17]和二氯甲烷萃取[18]消除其影響,這就導致引入的有機試劑增多,前處理流程繁瑣、耗時。鑒于此,本工作在課題組前期研究的基礎上[19],通過超聲輔助手段加速衍生反應的進行,同時在衍生后的萃取液中加入氯化鈉,通過鹽析作用凈化副產物,所得凈化液用高效液相色譜法分析,并成功用于環境水樣中草銨膦、草甘膦和氨甲基膦酸的檢測。

1 試驗部分

1.1 儀器與試劑

Waters e2695型高效液相色譜儀,配2475型熒光檢測器;SCILOGEX MX-S型混勻儀;KQ-500DE型數控超聲波清洗器;3K15 型臺式高速冷凍離心機;Milli-Q Direct 8型超純水機。

草甘膦標準儲備溶液:100 mg·L－1,介質為水,于4 ℃冰箱中保存。

草銨膦標準儲備溶液:100 mg·L－1,介質為甲醇,于4 ℃冰箱中保存。

氨甲基膦酸標準儲備溶液:100 mg·L－1,介質為甲醇,于4 ℃冰箱中保存。

9-芴甲基氯甲酸酯(FMOC-Cl)溶液:1 g·L－1,稱取FMOC-Cl標準品(純度大于97.0%)100.0 mg,用乙腈溶解并稀釋至100 mL,于4 ℃冰箱中保存。

混合標準溶液系列:取適量草甘膦、草銨膦、氨甲基膦酸標準儲備溶液,用水逐級稀釋成0.400,1.00,5.00,20.0,50.0μg·L－1的混合標準溶液系列。

二氯甲烷、乙腈為色譜純;磷酸、鹽酸為優級純;十水合四硼酸鈉、氯化鈉、氫氧化鈉、二水合檸檬酸三鈉為分析純。試驗用水為超純水。

1.2 色譜條件

PAH C18色譜柱(250 mm×4.6 mm,5μm);柱溫30 ℃;流量1.0 mL·min－1;進樣量20.0μL;流動相A 為0.2%(體積分數)磷酸溶液,B 為乙腈。梯度洗脫程序:0～15.0 min 時,A 由80%降至50%;15.0～16.0 min 時,A 由50%降 至10%;16.0～19.0 min 時,A 由10% 升 至80%,保 持6.0 min。熒光檢測器:激發波長254 nm,發射波長302 nm。

1.3 試驗方法

參照HJ 1071－2019進行水樣的采集與保存。取水樣2 mL 于10 mL 聚乙烯離心管中,依次加入6 mg二水合檸檬酸三鈉、1 mL 0.05 mol·L－1四硼酸鈉溶液和2 mL 1 g·L－1FMOC-Cl溶液,充分混勻后置于超聲波清洗器中,常溫超聲10 min(超聲功率為250 W)。衍生完成后,加入0.40 g氯化鈉,渦旋2 min,靜置1 min,取下層水相過0.45μm 濾膜,濾液按照色譜條件測定。若靜置分層過程中出現乳化現象,則需先進行離心破乳操作(以8 000 r·min－1轉速離心1 min)。

2 結果與討論

2.1 超聲衍生條件的選擇

試驗比較了常溫衍生和常溫超聲輔助衍生兩種方式下目標物的衍生效果,結果如圖1所示。

圖1 超聲輔助衍生對目標物衍生產物峰面積的影響Fig.1 Effect of ultrasound assisted derivatization on the peak area of derivatization products of targets

由圖1可知,常溫衍生時的草銨膦、草甘膦和氨甲基膦酸衍生產物的峰面積為常溫超聲輔助衍生時的81%,78%和73%,說明超聲可以促進目標物衍生反應的進行,提高了衍生效率。

試驗進一步比較了在常溫條件下以不同功率超聲不同時間時目標物的衍生效率,結果如圖2所示。

圖2 超聲功率和時間對目標物衍生產物峰面積的影響Fig.2 Effect of ultrasonic power and time on the peak area of derivatization products of targets

由圖2可知,隨著超聲時間的延長,目標物衍生產物的峰面積逐漸增加,在超聲時間不小于10 min時趨于穩定,且不同超聲功率下峰面積變化并不明顯。從節能角度考慮,試驗選擇的超聲功率為250 W,超聲時間為10 min。

2.2 副產物凈化方法的選擇

衍生過程中過量的衍生劑FMOC-Cl會發生水解,生成副產物FMOC-OH,該副產物具有較強的熒光響應,不凈化處理會影響熒光檢測器的使用壽命。試驗比較了未凈化以及分別采用二氯甲烷萃取、C18吸附、鹽析分層等方法凈化時副產物峰面積的變化,結果如圖3所示。

圖3 凈化方法對副產物峰面積的影響Fig.3 Effect of purification method on the peak area of by-product

由圖3可知:未凈化時,副產物熒光響應很強;以3種方法凈化后,副產物峰面積均顯著降低,鹽析分層所得副產物的去除率為96.1%,與二氯甲烷萃取(98.0%)和C18吸附的(97.2%)相當,說明鹽析分層能達到較好的凈化效果。這是由于加入氯化鈉可使溶液達到飽和狀態,促使乙腈相和水相分層,FMOC-OH 溶于乙腈相,目標物溶于水相,從而達到分離凈化目的。其中,未凈化和經鹽析分層凈化后草銨膦、草甘膦和氨甲基膦酸色譜圖如圖4所示。

圖4 未凈化和經鹽析作用凈化所得的混合標準溶液的色譜圖Fig.4 Chromatograms of the mixed standard solution after unpurifing and purifing by slating out

將本方法和HJ 1071－2019 以及其他相關文 獻處理水樣的衍生條件進行比對,結果見表1。

表1 不同方法處理水樣的衍生條件比對Tab.1 Comparison of derivazation conditions for treating water samples with different methods

由表1可知,相較其他方法,本工作所用衍生時間較短,且凈化方法氯化鈉鹽析法更綠色環保。

2.3 標準曲線、檢出限和測定下限

按照試驗方法測定混合標準溶液系列,以各目標物的質量濃度為橫坐標,以其衍生產物的峰面積為縱坐標繪制標準曲線,所得各目標物標準曲線的線性范圍均為0.400～50.0μg·L－1,其他線性參數見表2。

表2 線性參數、檢出限及測定下限Tab.2 Linearity parameters,detection limits and lower limits of determination

參考HJ 168－2020《環境監測分析方法標準制訂技術導則》,按照試驗方法連續測定7個低質量濃度的混合標準溶液,計算各目標物測定值的標準偏差(s),以3.143s計算方法檢出限,以4倍檢出限計算測定下限,各目標物檢出限及測定下限結果如表2所示。

2.4 精密度和回收試驗

選擇空白地下水樣進行加標回收試驗,加標濃度水平分別為0.500,10.0,20.0μg·L－1,每個濃度水平平行測定6次,計算回收率和測定值的相對標準偏差(RSD),結果如表3所示。

表3 精密度和回收試驗結果(n＝6)Tab.1 Results of tests for precision and recovery(n＝6)

由表3可知,3種目標物的回收率為87.6%～100%,測定值的RSD 為5.7%～12%。

2.5 樣品分析

采用此方法對6份實際水樣進行分析,其中草甘膦、草銨膦和氨甲基膦酸均未檢出。

本工作采用超聲輔助衍生,鹽析作用凈化,高效液相色譜法測定水中草銨膦、草甘膦及氨甲基膦酸的含量,該方法前處理快速、簡單、準確,可用于實際水體中草銨膦、草甘膦及氨甲基膦酸的快速測定。