基于磁纳米材料的土壤中多农药残留高通量分析技术研究

王娇 齐沛沛 刘真真 孙宇涵 汪志威 王祥云 徐浩 狄珊珊 王强 王新全

摘 要 建立了土壤中43种农药及代谢物残留的高通量分析方法。土壤样品经乙腈超声萃取后，采用分散固相萃取法进一步对萃取液进行净化。选择修饰N-丙基乙二胺（PSA）的Fe3O4磁纳米材料和C18为分散净化吸附剂，采用超高效液相色谱-串联质谱（UPLC-MS/MS）分析。优化实验结果表明，超声萃取时间为10 min、净化吸附剂Fe3O4-PSA用量为40 mg、C18用量为30 mg时，农药的回收率最佳。除3-羟基克百威和水胺硫磷（5～250 μg/L）外，各农药在2～250 μg/L范围内呈良好线性关系，相关系数（R）均大于0.9700，检出限为0.1～1.0 μg/L。在10、100和200 μg/kg的添加浓度下，目标分析物在土壤中的回收率在74.1%～120.0%之间，相对标准偏差≤18.1%。本方法前处理过程简单，灵敏度高，净化效果好，适用于土壤中多农药残留分析。

关键词 土壤; 磁分散固相萃取; 液相色谱-串联质谱; 多农药残留

1 引 言

目前，由于农药的过量使用和不规范使用，施用于农田中的农药约有70%进入土壤[1]。残留在土壤中的农药会随着外界环境的变化而不断释放，经各种介质进入人体和动植物组织中，危害人类健康安全[2，3]。因此，有效监控土壤中農药残留情况对环境安全以及保护人类健康具有重要意义。

土壤基质复杂，含有机酸、土壤微生物和金属离子等杂质; 此外，土壤中的残留农药种类多、浓度低，增加了测定难度，所以，在样品前处理环节中有效去除基体杂质的干扰至关重要[4]。传统的土壤中农药残留的提取方法主要有索氏提取、微波、超声等辅助萃取等，净化方法主要有固相萃取、层析法等[5～8]，但这些方法操作繁琐、耗时长。QuEChERS（Quick， easy， cheap， effective， rugged and safe）方法采用溶剂萃取-分散固相萃取相结合，具有操作快速、便捷、成本低等优势，在土壤多农药残留分析中应用广泛[9]。该方法操作过程中需两次离心，相分离过程限制了样品批处理速度。

磁纳米材料因其高吸附性、超顺磁性、易修饰和可磁分离等独特优势，得到广泛关注[10，11]。但磁性Fe3O4在酸、碱性条件下稳定性不佳，且不具有吸附选择性，对其进行功能化修饰，可提高稳定性和选择性吸附功能。在农药残留分析中，功能化修饰的磁纳米材料更多地被用于样品中靶标化合物的选择性吸附，如Gao等[12]制备了Fe3O4/SiO2/p（MAA-co-EGDMA）用于吸附牛奶中磺胺类药物。该类方法的优势是选择性强，吸附效果好，但适用目标分析物种类有限，缺乏普适性。借鉴QuEChERS方法中反相净化的思路，选择可以有效去除基体杂质的吸附剂，而保留靶标化合物在分散液体系中，更适合于多种农药残留。目前，基于磁纳米材料构建农药残留高通量样品前处理技术的研究仍处于起步阶段， Peng等[13]将ZrO2@Fe3O4用于分析鱼肉中的有机氯类农药残留，Qi等[14]利用Fe3O4-PSA NPs分析果蔬中多农药残留。但目前尚无采用磁纳米材料为分散固相萃取吸附剂分析土壤中的多农药残留的研究报道。

本研究利用磁纳米材料快速分离的优势， 根据目标农药的结构特点，选用乙腈为萃取剂，采用超声萃取，实现靶标化合物的充分提取。针对土壤基质特点，选择可去除弱极性化合物的Fe3O4-PSA与具有吸附非极性物质能力的C18作为分散固相萃取吸附剂，去除土壤基质中的干扰物质。优化了超声萃取时间和两种分散固相萃取吸附剂的用量，建立了土壤中多农残前处理方法，采用超高效液相色谱-串联质谱对土壤中的多农药残留进行高效、准确地测定。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

LC-30A超高效液相色谱仪（UPLC，日本Shimadzu公司）; AB-SCIEX 4500三重四极杆质谱联用仪（美国AB公司）; 台式离心机（美国Thermo公司）; Filter Unit滤膜（0.22 μm，Agela Technologies公司）。

Fe3O4-PSA参照文献[14]的方法制备。NaCl、无水MgSO4（分析纯）; 甲醇、乙腈（色谱纯，美国Merck 公司）; 甲酸铵（HPLC级，美国Tedia公司）; N-丙基乙二胺（PSA）和C18（Agela Technologies公司）; 实验用水为超纯水。

43种农药及6种相关农药代谢物分析标准品购于上海农药研究所或农业部环境保护科研监测所，详见电子版文后支持信息表S1。单标储备液的制备：各标准品分别溶解于甲醇中，各配制成一定浓度的单标储备液; 混合标准溶液：分别准确移取适量的单标储备液混匀，以甲醇稀释定容; 基质匹配标准溶液根据需要，现用现配，用空白样品提取液稀释成2、5、10、25、50、100和250 μg/L系列浓度的标准工作液。

土壤样品分别采自浙江省农业科学院杨渡基地（嘉兴）、浙江省农业科学院作物与核技术利用研究所（杭州）和长春。样品经干燥、筛分后使用。其中，在方法优化中采用的是浙江省农业科学院杨渡基地土样。

2.2 实验方法

称取土壤样品（5.00 ±0.05） g于50 mL离心管中，加入10 mL水，混匀，再加入10 mL乙腈，超声提取10 min。加入1.5 g NaCl和4.0 g无水MgSO4，涡旋1 min， 7000 r/min离心3 min，取上清液净化。

准确移取1.0 mL上清液加入到装有40 mg Fe3O4-PSA、30 mg C18和150 mg无水MgSO4的2 mL离心管中，涡旋1 min，置于磁力架上2～3 s进行分离。移取0.5 mL上清液至装有0.5 mL水的2 mL离心管中，混匀，过0.22 μm滤膜，待UPLC-MS/MS分析。

2.3 UPLC-MS/MS分析条件

色谱条件： Waters BEH C18色谱柱（100 mm ×2.1 mm， 1.7 μm）; 流动相为5 mmol/L甲酸铵溶液和5 mmol/L甲酸铵-甲醇溶液（1∶9， V/V），流速为0.25 mL/min，柱温30℃，进样量5 μL。

质谱条件：电喷雾正负离子源切换模式，正源喷雾电压5500 V，负源4500 V，多重反应监测模式（MRM），加热温度450℃。各化合物的母离子-子离子对及碰撞能量和去簇电压等参数见表1。

3 结果与讨论

3.1 样品前处理方法优化

本研究采用超声萃取结合磁分散固相萃取技术对土壤中多农药残留进行萃取和净化。在磁分散固相萃取中，磁性材料作为分离介质，是关键因素。磁分离过程中，磁性材料在外磁场作用下，可在几秒内实现相分离，样品前处理便捷、高效。本研究采用Fe3O4-PSA为磁分离载体和净化材料，磁性材料表面包裹的PSA层可在保持较高磁力的前提下，屏蔽纳米粒子间的磁偶极粒子相互作用，防止聚集，有效提高了稳定性和分散性。同时，PSA是弱阴离子交换吸附剂，可与基质中有机酸、糖类等分子中的羟基形成非共价键，去除土壤中此类杂质 [15]。此外，C18作为一种反相吸附剂，可有效去除土壤基质中的脂类和甾醇等非极性物质[16]。因此，本研究通过优化超声萃取时间、分散固相萃取剂Fe3O4-PSA和C18的用量，得到更佳的净化效果与稳定的目标农药回收率。优化过程中以回收率（添加浓度均为100 μg/kg）作为主要评价指标。

3.1.1 超声萃取时间的选择 超声萃取时间对农药回收率的影响。当超声时间为10 min时，除倍硫磷（76.6%）外，各样品回收率在84.8%～118.0%之间; 样品经超声处理15和20 min时，回收率下降明显，除倍硫磷（138.0%）外，10.2%～26.5%的农药回收率低于79.8%。因此，选择样品超声时间为10 min。

3.1.2 Fe3O4-PSA用量的选择 准确移取1 mL萃取上清液加入到预装0.15 g无水MgSO4和不同量Fe3O4-PSA（0、10、20、30、40和50 mg）的2 mL离心管中，经净化、磁分离后，采用UPLC-MS/MS分析。

以RSD评价Fe3O4-PSA的用量对各靶标化合物的回收率影响程度，并选择RSDs高于15%的9种农药进行分析。在不同Fe3O4-PSA用量下，除个别条件外，如甲拌磷50.6%（Fe3O4-PSA 50 mg）、甲拌磷砜130%（Fe3O4-PSA 20 mg）、喹硫磷134%（Fe3O4-PSA 30 mg），其余各目标化合物的回收率在65.7%～128.0%之间。当Fe3O4-PSA用量为40 mg时，9种化合物的回收率在73.4%～108.0%范围内。同时分析Fe3O4-PSA不同用量条件下目标分析物的回收率分布范围，可见Fe3O4-PSA的用量对大部分目标农药萃取效果影响明显，当Fe3O4-PSA用量为40 mg时， 49种农药回收率均在73.4%～113.0%范围内。但当用量增至50 mg，4种农药回收率低于68.8%，可能是Fe3O4-PSA与部分农药中的OH等通过氢键吸附 [14]，综合考虑，选择Fe3O4-PSA用量为40 mg。

3.1.3 C18用量的选择 C18作为常用净化材料，在有效去除基质中非极性杂质的同时，也会吸附非极性农药，造成目标农药回收率偏低 [17]。固定Fe3O4-PSA用量为40 mg，考察不同C18用量（10、20、30和40 mg）對目标分析物回收率的影响，RSD>15%的5种目标农药的实验结果见电子版文后支持信息图S2中，C18用量为10、20和40 mg时，各分析物回收率较高，当C18的含量为30 mg时，5种目标分析物的回收率在83.4%～111.0%之间。不同C18用量下目标分析物回收率分布范围也呈现同样的结果，C18加入量为10 mg时，目标农药回收率分布分散，14.3%的分析物回收率分布在72.6%～79.1%之间，6.1%的分析物回收率大于126%，随着C18添加量增加，分析物回收率趋于稳定。C18加入量为20、30和40 mg时，土壤中各目标分析物回收率分别在74.5%～127.0%，80.5%～111.0%和79.9%～137.0%范围内。因此，选择C18的用量为 30 mg。

综上，选择样品超声时间为10 min，分散固相萃取吸附剂用量的组合为40 mg Fe3O4-PSA和30 mg C18。

3.2 方法的线性范围和灵敏度

配制系列浓度标准溶液，经UPLC-MS/MS分析，以农药浓度（x）为横坐标，色谱峰面积（y）为纵坐标，进行线性拟合。除3-羟基克百威和水胺硫磷（5～250 μg/L）外，各农药在2～250 μg/L范围内线性关系良好，相关系数（R）在0.9700～0.9998之间（表2）。以3倍信噪比计算，各农药检出限（LOD）为0.1～1.0 μg/L。根据欧盟规定[18]，定量限（LOQ）为回收率满足实验工作要求下的最低添加浓度，本实验除3-羟基克百威和水胺硫磷的最低添加浓度为20 μg/kg外， 其它目标农药在最低添加浓度水平为10 μg/kg时，回收率均在74.1%～120.0%之间，故本方法中3-羟基克百威和水胺硫磷的LOQ为25 μg/kg，其余41种农药及6种相关代谢物的LOQ为10 μg/kg。

3.3 基质效应

基质效应的评价以基质匹配标准曲线与溶剂标准曲线的斜率比表示[19]。当斜率比<1时，为基质抑制效应; 斜率比=1时，无基质效应; 若斜率比>1，呈基质增强效应。由表2可知，嘧菌酯（2.55）、 马拉硫磷（1.55），3-羟基克百威（1.70）呈现基质增强效应; 氯吡脲（0.18）、吡虫啉（0.23）、克百威（0.26）等8种农药存在明显的基质抑制效应，目标分析物中40种农药的斜率比在0.72～1.30范围内，说明基质效应对这些化合物的定量分析影响相对较低。为提高目标化合物定量分析的准确度，均采用基质匹配标准曲线进行定量分析。

3.4 添加回收率和精密度

使用空白土壤样品进行添加回收实验，添加水平为10、100和200 μg/kg，其中3-羟基克百威和水胺硫磷由于灵敏度限制，添加浓度为25、100和200 μg/kg， 结果见电子版文后信息表S1，各目标物回收率在71.0%～120.0%之间，RSD为0.5%～18.1% （n=5），本方法的添加回收率与精密度均满足残留分析要求。有机磷和氨基甲酸酯农药中各两种代表性农药提取离子流色谱图。混配不同浓度农药（分别为10、100与200 μg/kg）的提取离子流色谱图中各化合物的峰形清晰可辨，即使是LOQ级（10 μg/kg）对应的添加回收样品的峰形也无杂质干扰，说明方法的灵敏度可以满足分析要求。

3.5 实际样品分析

选取杭州、长春两地的土壤样品进行残留分析（理化性质与有机物含量详见电子版文后支持信息表S2[20]），均未检测出农药残留。添加回收实验（添加水平分别为10、100与200 μg/kg，电子版文后支持信息表S3和表S4）结果表明，各目标分析物在不同理化性质土壤的添加回收率在70.0%～128.0%之间，表明此方法可适用于不同性质的土壤样品中的农药残留分析。

4 结 论

结合分散固相萃取技术绿色、便捷和磁纳米材料快速分离的优势，建立了土壤中多农药残留的分析方法。考察了样品提取和净化过程中各参数的影响，结果表明，两种吸附剂Fe3O4-PSA和C18对目标农药影响不同，超声萃取时间对目标化合物的回收率有显著影响。实验结果表明，各目标分析物在各自线性范围内的线性良好，灵敏度高，3个添加浓度水平下的回收率及精密度均满足农药残留的测定要求。同时，不同理化性质土壤基质中的添加回收率及精密度也满足测定要求。本方法前处理快速，与传统的QuEChERS法相比更方便、省时，分析通量也更高，适用于土壤中多农药残留分析。

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