水体氨基甲酸酯类农药总量快速检测方法.pdf

第 51 卷第 10 期2023 年 10 月同济 大 学 学报（自然科学版）JOURNAL OF TONGJI UNIVERSITY（NATURAL SCIENCE）Vol.51 No.10Oct.2023论文拓展介绍水体氨基甲酸酯类农药总量快速检测方法郜洪文，肖春红（同济大学 环境科学与工程学院，上海 200092）摘要：设计、开发了氨基甲酸酯类农药（CMs）长效检测剂，借助混匀仪、消解仪对水中CMs进行提取、碱解，再利用长效检测剂、便携式水质检测仪实现CMs的现场快速检测。该方法相对标准偏差（RSD）为 2.86%（0.8 molL-1 CMs）和1.61%（2.4 molL-1 CMs），检出限（LOD）为0.07 molL-1，检测周期仅40 min，实际水样加标回收率为60%78%，太浦河水样加标分析结果表明该快检法和GC-MS检测结果具有较好的一致性。关键词：快速检测；矢量色度法；长效检测剂；氨基甲酸酯类农药中图分类号：X839.2文献标志码：ARapid Detection Method of Total Amount of Carbamate Pesticides in WaterGAO Hongwen，XIAO Chunhong（College of Environmental Science and Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China）Abstract：A long-acting detection agent for carbamate pesticides（CMs）was designed and developed.The CMs in water were extracted and alkalized by mixter and digester，and then the long-acting detection agent and portable water quality detector were used to realize the rapid detection of CMs on site.The relative standard deviations（RSDs）of this method are 2.86%（0.8 mol L-1 CMs）and 1.61%（2.4 mol L-1 CMs），the limit of detection（LOD）is 0.07 mol L-1，the detection period is only 40 min，and the spiked recovery of real water samples is 60%78%.The analysis results of the spiked water samples from the Taipu River show that the detection results of rapid detection method and GC-MS have good consistency.Key words：rapid detection；vector colorimetric method；long-acting detection agent；carbamate pesticides CMs通常被用作杀虫剂、杀菌剂和除草剂等，因其特殊的性质，如较低的生物富集潜力和短期毒性1，使用量逐年增加，在水体中出现的频率也不断上升2。CMs可以通过多种途径侵入人体，分布在人体的肌肉组织、肝、脂肪和肾中3，据报告，每年有25万37万人受到农药残留的危害4。目前常用的CMs残留检测方法包括色谱法和快速检测方法，色谱法包括气相色谱、气相色谱质谱联用、高效液相色谱等，灵敏度高，但前处理复杂、检测成本高、耗时长，对技术人员要求高，难以应用于实时和现场检测56，特别是在缺乏专业人员和设备的农产品市场或基层单位；快速检测方法主要包括酶抑制法7、免疫分析法8、传感器法和光谱分析法9，大多停留在实验室研究阶段，难以投入到实际的生产和使用中。通过对5种CMs（西维因、抗蚜威、灭虫威、硫双灭多威和丙硫克百威）快检方法的研究，本文提出了一种简单、准确的水体中CMs残留总量快速检测技术，开发了长效快速检测试剂，配合便携式水质检测仪，便于基层和现场农残快速检测工作的开展。1 实验部分 1.1仪器与试剂VM500Pro型数显多功能混匀仪（群安实验仪器有限公司）；HWS11型电热恒温水浴锅（上海尚道仪器制造有限公司）；S4100型紫外可见分光光度计（韩国Scinco公司）；GE Lab01型多功能分析检测仪（上海绿帝环保科技有限公司，见图 1）；Agilent 7 890/5 975C GC/MSD（安捷伦科技有限公司）。试剂如下：（1）甲胺标准储备液（500 mg L1）：27.2 mg甲胺盐酸盐溶于去离子水并定容至25 mL。（2）CMs标准储备液（1 g L1）：0.025 g农药溶文章编号：0253374X（2023）10-1496-06DOIDOI：10.11908/j.issn.0253-374x.23262收稿日期：2023-08-08第一作者：郜洪文（1964），男，研究员，博士生导师，主要研究方向为环境化学、环境监测方法与技术和环境功能材料。E-mail：第 10 期郜洪文，等：水体氨基甲酸酯类农药总量快速检测方法于乙醇并定容至25 mL。（3）混合农药标准储备液（3.47 mmol L1）：分别取2.53 mL西维因、2.94 mL抗蚜威、2.75 mL灭虫威、4.38 mL硫双灭多威和5 mL丙硫克百威标准储备液，混合均匀。（4）（甲胺、CMs、混合农药）标准使用液：用去离子水将标准储备液稀释100倍。（5）CMs检测剂A：30 g碳酸氢钠和0.5 g次氯酸钠混合，烘干制成胶囊；检测剂B：亚硝酸钠烘干制成胶囊；检测剂C：称取0.4 g可溶性淀粉和0.2 g硼酸，加去离子水调成糊状，加100 mL煮沸的热水溶解，冷却后加入1 g KI，继续煮沸5 min，冷却澄清，取上清液。二氯甲烷（农残级）、乙醇（ACS）、乙二醇（GC）、甲胺盐酸盐（98%）、碳酸氢钠（GR）、碘化钾（分析纯）、氢氧化钠（分析纯）和西维因（97%）购于上海阿拉丁生化科技股份有限公司；亚硝酸钠、可溶性淀粉和硫酸购于国药集团化学试剂有限公司，均为分析纯；次氯酸钠（90%河南省蓝天化工有限责任公司）。所有溶液和检测剂均储存于冷藏箱（4）。1.2实验方法取 25 mL 水样，加入 5 mL 二氯甲烷，3 000 r min1条件下涡旋萃取30 s，静置5 min，取出4 mL下层萃取液于消解管中，滴加4滴乙二醇，连接导气管，另一端置于盛有去离子水的消解管中，100条件下，利用智能消解仪蒸发浓缩68 min，直至导气管口无气泡冒出，随后加入2 mL去离子水和8滴2 mol L1 NaOH，拧紧管盖，100条件下加热 10 min，待反应液冷却后，将其倒入显色瓶中，滴加8滴1 mol L1 H2SO4，用去离子水定容至5 mL，依次加入CMs检测剂A（反应5 min）、B（反应5 min）和C（反应5 min，10 min内完成测定），显色完成后，利用便携式水质检测仪测定显色结果。1.3GC-MS检测条件（1）色谱条件（Agilent 1 9091J433：5 430.75 677；HP5 5%Phenyl Methyl Siloxan；30 m 250 m0.25 m）：进样口温度：250；载气：高纯度的氦气，流速为1.5 mL min1；压力：11.962 psi；采用手动进样，进样模式为脉冲不分流；进样量：1 L；升温程序：初始温度为40，保持2 min，然后以20 min1升温至270，保持7 min；运行时间：20.5 min。（2）质谱条件：溶剂延迟时间：5 min；质谱接口温度：270；离子源温度：230；四级杆温度：150；EMV模式为相对的；采集模式：Scan/SIM，全扫描（低质量数：50.0；高质量数：450.0；阈值：150）。1.4矢量色度法简介矢量色度法依据色空间概念，将由RGB颜色空间表示的显色体系转换为Lab色彩空间表示的测量值，从而依据矢量色度模型计算测量液的矢量色度值1012。基于矢量色度法所研发的便携式水质检测仪无分光系统，不需要设置波长，具有便携和易于操作等优点。2 结果与讨论 2.1显色反应条件影响2.1.1吸收光谱配制0.3 mg L1甲胺标准溶液，依次加入检测剂A、B和C，显色完成后，测定显色体系吸光度值，结果表明，显色溶液在585 nm左右有最大吸收峰，故本研究测定显色体系在585 nm处的吸光度值。2.1.2NaClO用量加入 0.10.5 mL 质量百分浓度为 0.012 5%的NaClO溶液，测定0.3 mg L1甲胺标准溶液显色后的吸光度值，结果表明：当NaClO溶液加入量为0.25 mL时，显色体系吸光度值达到最大。NaClO溶液不稳定，易变质，结合现有研究结果1315，检测0.4 mg L1甲胺和相同物质的量浓度的二甲胺和三甲胺，分别需加入0.23、0.08和0.25 mL质量百分浓度为0.5%的NaClO溶液，为保证CMs碱解产物反应完全，本实验选择加入0.25 mL 0.5%NaClO溶液。2.1.3NaNO2用量加入 0.11.0 mL 质量百分浓度为 30%的NaNO2溶液，测定0.3 mg L1甲胺标准溶液显色后的吸光度值。结果表明：当NaNO2溶液加入量小于0.5 mL时，显色体系吸光度保持稳定，继续增大加图1多功能分析检测仪Fig.1Multifunctional analysis detector1497同 济 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 51 卷入量，吸光度出现小幅度下降，亚硝酸钠能与甲胺的氯代衍生物发生反应。本研究选择加入 0.5 mL 30%NaNO2溶液，排除水中氧化性物质的干扰。2.1.4KI-淀粉溶液用量加入 0.050.50 mL KI淀粉溶液，测定 0.3 mg L1甲胺标准溶液显色后的吸光度值。结果表明：当KI淀粉溶液加入量为0.20 mL时，吸光度值达到最大，I 加入过多会导致显色体系颜色偏紫，最大吸收峰的位置发生偏移。本实验选择加入0.20 mL KI淀粉溶液。2.1.5显色反应时间分别配制5 g mL1西维因、5.9 g mL1抗蚜威、5.6 g mL1灭虫威、8.8 g mL1硫双灭多威和10 g mL1丙硫克百威标准溶液，测定不同显色时间得到的显色溶液的吸光度，结果表明5种CMs碱解产物最佳显色时间分别为9、3、5、5和5 min，故实验选取显色反应时间为5 min，且需在10 min内完成测定。2.2萃取条件影响分别将50 L西维因、20 L抗蚜威、0.1 mL灭虫威、20 L硫双灭多威和0.2 mL丙硫克百威标准储备液加入25 mL去离子水，加入5 mL二氯甲烷，涡旋提取560 s，分别测定萃取液在282、250、267、280、231 nm处的吸光度值，计算萃取率，得图2。结果表明：涡旋时间为30 s时，5种农药的萃取率均大于90%，因此本研究选取涡旋时间为30 s。2.3蒸发浓缩条件影响5 mL CH2Cl2中分别加入50 L西维因、12 L抗蚜威、0.1 mL灭虫威、18 L硫双灭多威和20 L丙硫克百威标准储备液，加入00.5 mL乙二醇，蒸发浓缩完成后（丙硫克百威回收率需通过显色反应表征），分别测定样品溶液在280、245、262、236和585 nm处的吸光度，计算回收率，得图3。结果表明：一定范围内，乙二醇的加入能够提高抗蚜威和灭虫威的回收率，加入量过多会降低显色反应灵敏度，故本实验选取添加0.1 mL乙二醇，5种CMs的回收率均高于80%。2.4碱解条件影响2.4.1NaOH用量分别配制5 g mL1西维因、5.9 g mL1抗蚜威、5.6 g mL1灭虫威、4.4 g mL1硫双灭多威和10 g mL1丙硫克百威标准溶液，分别加入0.0250.250 mL物质的量浓度为0.01、5、0.01、0.01和1 mol L1 NaOH溶液，灭虫威在室温（20）条件下碱解，其余4种农药在100水浴加热条件下碱解，分别测定西维因、抗蚜威和丙硫克百威碱解产物在333、290和290 nm处的吸光度，通过显色反应间接表征灭虫威和硫双灭多威碱解情况。结果如图4所示，加入0.2 mL 2 M NaOH，5种CMs均能实现完全碱解。2.4.2碱解时间控制2 M NaOH加入量为0.2 mL，CMs标准溶液物质的量浓度设置同NaOH用量实验，100水浴加热条件下碱解，测定碱解不同时间得到的样品溶液的吸光度，结果如图5所示。结果表明：100水浴加热条件下碱解 10 min，5 种 CMs 均能完全碱解。本实验选取碱解时间为10 min。2.5标准曲线与检出限配制物质的量浓度梯度为0、1.61、3.22、6.44、图2涡旋时间对萃取率的影响Fig.2Effect of vortex time on extraction rate图3乙二醇加入量对回收率的影响Fig.3Effect of the amount of ethylene glycol on the recovery rate1498第 10 期郜洪文，等：水体氨基甲酸酯类农药总量快速检测方法图4NaOH加入量影响Fig.4Effect of sodium hydroxide dosage图5碱解时间影响Fig.5Effect of alkaline hydrolysis time1499同 济 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 51 卷9.66、12.88 mol L1混合农药标准使用液，进行碱解和显色反应，测定显色体系矢量色度值，将物质的量浓度换算为25 mL水中对应的物质的量浓度，以其为横坐标，矢量色度值为纵坐标，绘制标准曲线，得图6，利用二次多项式对数据进行拟合，得到标准曲 线 方 程 为 y=0.233x2+17.6x 0.012 5（R2=1.00）。用去离子水配制0.8和2.4 mol L1 CMs混合标准溶液，经萃取、蒸发浓缩、碱解和显色后，测定显色结果，每个加标浓度平行测定6次，计算得到RSD分别为2.86%和1.61%。取25 mL去离子水，重复上述步骤，平行测定21次，计算得到标准偏差Sb为0.417 9，依据IUPAC方法，LOD为0.07 mol L1。2.6共存离子与物质影响配制2.4 mol L1 CMs混合标准溶液，加入干扰物质（具体如表1所示），经过萃取、蒸发浓缩、碱解和显色，测定显色体系吸光度值，测定误差在 10%以内，表明表中所列物质不影响CMs的显色测定。2.7实际水样分析取苏州河、太浦河和淀山湖水样进行实际水样CMs残留量分析和加标处理，加标物质的量浓度为2.4 mol L1，检测所得结果如表2所示。结果表明：矢量色度法测定结果更加接近加标值。对太浦河单独加标，加标物质的量浓度为0.2 mol L1，利用本研究建立方法和GCMS方法进行测定，所得结果如表3所示。结果表明：矢量色度法测量值偏小，源于检测分析过程中CMs的损失，图6标准曲线Fig.6Standard curve表1干扰物质名单及浓度Tab.1List and concentration of interfering substances干扰物质名称Fe2+Cu2+Zn2+Al3+Pb2+Na+SO42-CO32-Ca2+Mg2+质量浓度/（mgL-1）2221150050050010050干扰物质名称K+F-NO3-PO43-NaClO乙酸钠柠檬酸钠尿素苯胺阴离子表面活性剂质量浓度/（mgL-1）505502011010521干扰物质名称乙醇淀粉CHCl3CH2Cl2石油类Cl-NH4+丙烯酰胺S2-丙酮质量浓度/（mgL-1）10.50.50.5550050.510.5表2 实际水样和加标水样CMs测定结果Tab.2CMs detection results of real water samples and spiked water samples水样名称苏州河太浦河淀山湖水样/（molL-1）分光光度法未检出未检出未检出矢量色度法未检出未检出未检出加标水样/（molL-1）分光光度法1.300.061.510.031.310.02矢量色度法1.520.051.800.071.560.12回收率/%分光光度法525661645455矢量色度法626572786070表3太浦河加标水样CMs检测结果Tab.3CMs detection results of spiked water samples from Taipu River太浦河加标水样/（molL-1）分光光度法0.5100.012矢量色度法0.5730.035GC-MS0.690回收率/%（与GC-MS测量值相比）分光光度法7275矢量色度法80871500第 10 期郜洪文，等：水体氨基甲酸酯类农药总量快速检测方法如蒸发浓缩过程，综合考虑，矢量色度法与GCMS检测值具有较高的一致性。3 结论 在分光光度法的基础上，利用矢量色度法，配合本实验室研发的多功能分析检测仪，建立了水体中CMs残留总量的快速检测方法，RSD为2.86%（0.8 mol L1 CMs）和 1.61%（2.4 mol L1 CMs），LOD为0.07 mol L1，检测一个水样仅需40 min，具有高效、成本低、易于操作等优点，便于基层单位和现场农残检测的开展，对操作人员的要求较低，仪器小巧轻便，无需复杂的日常维护工作。作者贡献声明：郜洪文：研究设计与开展，论文撰写与修改；肖春红：研究开展，论文撰写，资料收集。参考文献：1OLIVEIRA T，RIBEIRO F，SOUSA C，et al.Current overview and perspectives on carbon-based（bio）sensors for carbamate pesticides electroanalysis J.Trends in Analytical Chemistry，2020，124：115779.2周一明，赵鸿云，刘珊，等.水体的农药污染及降解途径研究进展 J.中国农学通报，2018，34（9）：141.ZHOU Yiming，ZHAO Hongyun，LIU Shan，et al.Research progress of pesticide pollution and 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