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气相色谱法中杀菌剂残留分析应用

     发布日期:2017-07-21 17:56    |   作者:admin 点击:
气相色谱仪
现代农业生产,很大程度上依赖于化学农药的应用,目前已注册用于农药的化合物超过1400余种。化学农药的使用,在缓和世界人口、资源等危机的同时,也给环境及食品安全等造成一些负面影响,农药残留即是其突出问题之一。研究表明,农药使用后,仅有约0.1%的活性成分到达靶标发挥作用,其余的农药活性成分均进入其它环境介质中。本人讲的是各类杀菌剂农药残留的分析方法,具体如下:
 
一、杀菌剂介绍
1、乙撑二硫代氨基甲酸盐类杀菌剂
乙撑二硫代氨基甲酸盐类(Ethylenebisdithiocarbomates, EBDCs),即代森类杀菌剂,是一类广泛使用的保护性杀菌剂,其主要品种有代森锰(maneb)、代森锌(zineb)、代森锰锌(mancozeb)、代森钠(nanbam)、代森铵(amobam)、代森环(milneb)等。最常用的品种为代森锰锌。

该类杀菌剂主要用于防治果树、蔬菜、西瓜等作物的叶斑病、叶霉病、霜霉病、炭疽病等。从残留角度,人们关心其在蔬菜、水果及其在土壤环境中的残留。由于该类药剂几乎没有内吸作用,使用后主要残留在植物体表面,因此,残留提取比较容易。

该类杀菌剂的杂质及其在环境中的降解产物乙撑硫脲(ethylenethiourea, ETU),引起试验动物甲状腺瘤,具有致癌性、致突变性和致畸性,因此乙撑二硫代氨基甲酸盐类杀菌剂的安全问题受到高度重视。
 
2、有机硫杀菌剂
有机硫杀菌剂是指毒性基团或成型基中含有硫的有机合成杀菌剂,是最早研制的有机杀菌剂。有机硫杀菌剂具有高效、低毒、杀菌谱广、药害少、不易产生抗药性等优点。

按照已知的化学结构该类杀菌剂主要分为三种类型:
1). 氨基磺酸盐和取代苯磺酸类,如氨基磺酸钠、敌锈钠等。

2). 三氯甲硫基类:含有三氯甲硫基的多种衍生物,如酰胺、酰羟铵、酰肼、醇类、酚类、硫醇类、硫酚类、磺酰胺类、硫代磺酸类、杂环类等。其中酰胺类最重要,主要的品种有克菌丹和灭菌丹。

3). 二硫代氨基甲酸盐类衍生物:是最重要的一类有机硫杀菌剂,包括乙撑二硫代氨基甲酸盐类和二甲基二硫代氨基甲酸盐类,前者即代森类,主要有锌盐、锰盐和铵盐等,代表品种是代森锰锌等;后者即福美类,如福美铁、福美锌等;还有非盐的二分子二甲基二硫代氨基甲酸氧化物,如福美双等。
 
二、代森类杀菌剂的残留量测试方法
1、顶空气相色谱法
目前代森类杀菌剂的残留量以CS2来表示。因此,此类杀菌剂的残留测定的是CS2的含量。一般采用顶空气相色谱法进行测定。
1). 测定原理
在密闭容器内代森类杀菌剂与无机酸反应分解生成二硫化碳并全部汽化进入反应瓶上部空间的气相之中,通过测定反应瓶中液-气平衡状态下,气相中二硫化碳的量来确定代森类农药的残留量。
 
2)样品处理
称取一定量(50g)经过粉碎的蔬菜、水果、土壤、粮食样品或量取一定体积的水样于反应瓶中,反应瓶可用250mL的医用葡萄糖注射液瓶代替(密封要好)。加入一定量(3g)的氯化亚锡(还原剂)和一定量的10%的盐酸溶液,立即加塞密封。将反应瓶于70℃恒温水浴中反应2h(反应中要经常检查气密性),取出反应瓶置40℃水浴中恒温待测。用注射器吸取反应瓶上部空间气体,进行气相色谱测定。

二硫化碳标准曲线的制定:每次开机气相色谱测定时均需要制作标准曲线,并达到线性回归要求才能使用。于反应瓶中加入与样品数量相同体积或重量的蒸馏水,及一定数量的二硫化碳标准溶液,其余步骤同样品测定。

3)气相色谱测定条件
色谱条件一:GC-ECD,1.8m×3mm玻璃柱,20% OV–101/Gas Chrom Q 100~120目。色谱柱温度50℃、检测器200℃,进样口100℃。氮气(>99.999%)11.6mL/min,tR:1min45s(CS2)。最小检测量:2×10-11g。

色谱条件二:GC-NPD,2m×3mm玻璃柱,2%QF-1+1.5% OV-17/Gas Chrom Q 80~100目。色谱柱温度80℃、检测器145℃,进样口120℃。氮气(>99.999%)20mL/min,空气15mL/min,氢气 10mL/min 。tR:29s(CS2)。最小检测量:1.125×10-10g。

色谱条件三:GC-FPD-S,2m×3mm不锈钢柱,5%SE-30/101白色酸洗担体,177~149μm (80~100目)。色谱柱温度65℃、检测器150℃,进样口120℃。氮气(>99.999%)25mL/min,氢气85mL/min,空气90mL/min。tR:1min(CS2)。最小检测量:5×10-10g。

色谱条件四:GC- FPD-S,2.1m×3mm不锈钢柱,5%SE-30/GCS 880 AW DMCS,80~100目。色谱柱温度65℃、检测器150℃,进样口150℃。氮气(>99.999%)25mL/min,氢气88.3kPa,空气127.5kPa。tR:0.95min(CS2)。最小检测量:2×10-10g。

色谱条件五:GC- FPD-S,2m×3mm不锈钢柱,15%OV-101/Gas Chromsorb W AW DMCS(80~100目)。色谱柱温度60℃、检测器150℃,进样口120℃。氮气(>99.99%)15mL/min,氢气160mL/min,空气140mL/min及70 mL/min。tR:1min(CS2)。最小检测量:1.8×10-10g。

三、乙撑硫脲残留测定方法
乙撑硫脲(ETU)的残留分析方法有许多,主要有GC、HPLC、TLC测定,其中以GC测定为主。由于乙撑硫脲(ETU)的极性非常强,蒸气压极低,难以用气相色谱法直接进行测定,主要是由于色谱峰严重拖尾和检测灵敏度达不到残留分析的要求。目前主要采用衍生后气相色谱测定或用高效液相色谱法,一般HPLC的灵敏度往往不如GC高,所以采用衍生后GC测定的比较多。

1、气相色谱法
1)乙撑硫脲的衍生方法
乙撑硫脲的气相色谱测定需要进行衍生化,衍生方法主要有以下几种:
①. 采用苄氯(benzyl chloride)和三氟乙酸酐(thifuoroacetic anhydride)进行衍生。
首先使ETU与苄氯回流反应,反应液经提取和重结晶得熔点为60~70℃的S-苄基ETU(S-benzyl ETU),以S-苄基ETU做为标准物质进行定性和定量。在分析残留样品时,用甲醇提取ETU。使提取液与苄氯回流反应为S-苄基ETU,并净化和浓缩,然后使S-苄基ETU与三氯氟乙酸酐反应,反应物以GC-ECD测定,衍生过程见图10-1所示。
图10-1 苄氯衍生ETU反应
此方法将F原子引入,在ECD检测时灵敏度较高。用该方法测定苹果中ETU残留,添加浓度为0.0103~1.03mg/kg 时,ETU的平均回收率为94.7±5.9%,样品的最小检测浓度达到0.005mg/kg。

②. 采用1-溴丁烷对ETU进行衍生。
在衍生时加入二甲基酰胺(dimethyformamide,DMF)和氢硼化钠(sodium borohydride)以促进衍生反应的进行。衍生后得S-丁基ETU,用GC-FPD-S进行测定。衍生反应式见图10-2。
图10-2  1-溴丁烷衍生ETU反应
用此方法对苹果、香蕉、马铃薯和西红柿中的残留量进行测定,添加0.01~1.0 mg/kg ETU的回收率为61±13%~85±1%,样品中ETU最小检出浓度小于0.01 mg/kg。

③. 采用苄氯(benzyl chloride)和五氟苯酰氯(pentalfluorobezoyl chloride)衍生。
有人认为在第一种衍生方法中,存在回收率不稳定,而且对照样品中有干扰峰出现。所以提出用五氟苯酰氯(pentalfluorobezoyl chloride)代替第一种方法中的三氟乙酸酐。该方法的反应过程见图10-3所示。
图10-3  S-苄基ETU五氟苯酰化反应
用此方法对大豆、苹果、菠菜中的ETU残留分析进行了研究,添加0.01~1.28mg/kg ETU的回收率为93%~114%,样品最小检出浓度为0.005 mg/kg。

④. 用间-三氟甲基苄氯与ETU反应得S-间-三氟甲基苄基ETU(产物Ⅰ),产物(Ⅰ)可进一步与三氟乙酸酐反应得产物(Ⅱ),两种产物均可用GLC-ECD进行测定,反应过程见图10-4所示。
图10-4  间-三氟甲基苄氯与ETU衍生反应示意图
产物(Ⅱ)比产物(Ⅰ)的灵敏度有所提高。此方法对大豆、苹果、马铃薯和西红柿中添加0.01~1.0 mg/kg ETU的回收率为92.5±4.6%,最小检出浓度为0.002 mg/kg。
目前,在众多衍生方法中以用苄氯或苄溴衍生的最多,从化学结构上看苄溴更容易与ETU进行衍生。

2)乙撑硫脲的残留分析:
衍生气相色谱法
国内分析乙撑硫脲残留的常用衍生气相色谱法有以下几种:
方法一:
该方法采用溴化苄衍生后GLC-FPD-S测定,方法原理如下:
①. 硫苄基乙撑硫脲(S-ETU)的制备:取0.5gETU,加入溴化苄1.0mL,加入无水乙醇,回流反应30min,用50mL 二氯甲烷转入分液漏斗,加入1M的盐酸20mL及50mL水,振荡分层,弃去下层。上层加入20mL10%的NaOH溶液,振荡后加入50mL苯,充分振荡后静置分层,弃去下层。上层转入另外分液漏斗中,用50mL苯再提取1次;上层经无水硫酸钠脱水后注入烧瓶中,浓缩结晶。此结晶再重结晶2次得熔点为68~69℃的S-ETU结晶。

②. 样品处理:取50g样品,于碘量瓶中,加入50mL水及100mL无水乙醇,振荡提取30min,减压过滤,准确量取100.0mL滤液于250mL烧瓶中,加入浓度为10-4g/mL的溴化苄溶液2mL,回流反应30min,冷却后用100mL水转入分液漏斗中,加入1M HCI 5mL,振荡后加入50mL二氯甲烷,充分振荡后静置分层,弃去下层,上层再用二氯甲烷提取1次,方法同上。加入10%的NaOH 5mL于上层溶液中,振荡后分别用50mL二氯甲烷提取3次,二氯甲烷经过无水硫酸钠脱水后注入烧瓶,浓缩后GC-FPD-S测定。

③. 气相色谱测定:GC-FPD-S,2m×3mm玻璃柱,7% OV-17/Gas Chrom Q 80~100目。检测温度,柱温230℃,检测器230℃,进样口250℃。载气:氮气 160 mL/min,空气150 mL/min及70 mL/min,氢气160mL/min。保留时间:1 min55s。
此方法的最小检出量:1.25×10-10g,添加0.05、0.1和1.0 mg/kg 3个浓度ETU的回收率在96.86±5.71%~98.68±3.26%。

方法二:
①. 样品处理:称取50g植物样品(蔬菜或水果,经捣碎)、土壤(粉碎)样品,置于250mL三角瓶中,加50mL水,100mL乙醇,振荡30min,减压抽滤。取100mL滤液置250mL烧瓶中,加2mL 1.443×10-4g/mL 溴化苄乙醇溶液,回流反应30min。冷却后用100mL水转入分液漏斗中,加5mL1mol/L盐酸,振荡后用2×50mL二氯甲烷提取,收集二氯甲烷提取液。再加入5mL 10% 氢氧化钠溶液于上层中,振荡后用3×50mL二氯甲烷萃取,合并提取液经无水硫酸钠脱水,浓缩,定容后待测。

②. 气相色谱法测定:GC-NPD,2m×3mm玻璃柱,2%QF-1+1.5% OV-17/Gas Chrom Q 80~100目。检测温度  柱温245℃,检测器245℃,进样口260℃。载气:氮气 20 mL/min,空气15 mL/min,氢气8mL/min。保留时间:1 min24s。
该方法测定香蕉和土壤中乙撑硫脲,添加0.05~1mg/kg,回收率为89.2%~98.2%,最小检出量:6.82×10-10g,最小检出浓度:0.014mg/kg。

2、高效液相色谱法
方法一 :
①. 样品处理:
番茄提取:取50.0g番茄样本于组织捣碎机内,加75mL水,捣碎后迅速用氨水调整匀浆液pH11~12,同时加入5g氯化钠、5g Celite545和100mL乙醇,再混合匀浆2min以上,用布氏漏斗过滤,甲醇少量分多次冲洗样品缸和布氏漏斗,必要时调整过滤液pH7~9,定容250mL。取定容溶液25mL于100mL蒸发瓶中加入2滴1%癸醇丙酮溶液,在30℃条件,减压浓缩至约8mL,取下往蒸发瓶中加入10g 102白色酸洗担体,迅速剧烈的震荡,直到全部团块散开。向蒸发瓶内加75mL淋洗液乙醇/三氯甲烷(4/96, v/v),摇匀。

土壤提取:称取50.0g土壤样品于碘量瓶内,所加溶液同番茄,在电动振荡机上振荡提取2h,其余步骤同番茄。

柱层析净化:将担体悬浮液倒入氧化铝层析柱中,层析柱内装5g已活化的氧化铝,柱下500mL蒸发瓶内装10mL水和6滴25%癸醇丙酮溶液。待75mL淋洗液的液面接近102白色担体时,再用200mL淋洗液分4次冲洗蒸发瓶和层析柱。待淋洗液自然滴干后按上述减压蒸馏条件浓缩淋出液约2~3mL,停止浓缩加水定容5mL,待测。

②. 高效液相色谱法测定:HPLC,紫外检测器(UV,波长233nm)。色谱柱:25cm×4.6mm)不锈钢柱,内装Spherisorb 5μ-C18。流动相:甲醇/水 (95/5,V/V)。柱温:40℃。流速:0.5mL/min。保留时间:约8min。该方法最小检出量:1×10-9g,番茄和土壤中添加乙撑硫脲0.04~0.10mg/kg,回收率为88.9%~89.2% ,土壤中添加0.05~0.10mg/kg ,回收率为85.0%~91.3%。

方法二:
①. 样品处理:
提取:称取20g样品置于250mL具塞三角瓶中,加入80mL甲醇,振荡提取30min。提取液用布氏漏斗经玻纤滤膜抽滤,并用30mL甲醇分多次洗涤三角瓶及滤渣,合并滤液。将合并后的提取液倒入250mL分液漏斗中,用80mL,60mL,60mL石油醚振摇洗涤三次,每次1min,静置分层后,弃去石油醚相。将甲醇提取液在旋转蒸发器上(≤40℃)浓缩至约10mL。

液-液分配净化:将上述浓缩提取液转移至250mL分液漏斗中,用15mL水分数次清洗浓缩瓶,并转移至分液漏斗中。加入20gKF·2H2O和0.6g氯化铵,振摇使完全溶解。用100mL×2二氯甲烷/甲醇(9:1,V/V)提取两次,每次1min,合并萃取液并经无水硫酸钠过滤入250mL圆底烧瓶中,在旋转蒸发器上(≤40℃)浓缩至1~2mL。土壤样品可省去提取步骤,只将石油醚洗涤后的提取液经浓缩至干,并用少量淋洗液溶解后直接进行柱净化。

柱层析净化:在30cm(长)×1.8cm(内径)玻璃层析柱中,依次装入4cm厚无水硫酸钠,4g弗罗里硅土,4g混合净化剂及3~4cm厚无水硫酸钠,在混合净化剂与下层的弗罗里硅土和上层的无水硫酸钠之间可用少量脱脂棉分隔开。用25mL淋洗液预淋净化柱,然后将上述浓缩液转移到柱中,用少量淋洗液多次洗涤圆底烧瓶并转入柱中,再用淋洗液淋洗,弃去前10mL,收集后50mL淋出液。将所收集的淋出液转移到100mL圆底烧瓶中,并用旋转蒸发(≤40℃)浓缩至干,用流动相甲醇/水(30:70,V/V)定容至4mL,并用Millipore专用滤膜滤器过滤后待测定。

②. 高效液相色谱测定:HPLC-UV,色谱柱:Kromsil 25cm×4.6mm C18柱;温度:室温;流动相:甲醇/水(30:70,V/V);流速:0.4mL/min。波长:254nm,保留时间:7.5min。该方法最低检出浓度:0.02mg/kg;回收率:添加乙撑硫脲0.05~10.00mg/kg的回收率在83.2%~90.7%。

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