高效液相色谱串联质谱法测定玉米及植株中胺唑草酮及其代谢物

董茂锋+白冰+唐红霞+王伟民+赵志辉+韩铮+宋卫国



摘 要 建立了同时测定玉米及玉米植株中胺唑草酮及其两个代谢物残留量的液相色谱串联质谱分析方法。样品采用乙腈提取,石墨化炭黑(GCB)和C18分散固相萃取净化,以甲醇-5 mmol/L乙酸铵溶液为流动相,液相色谱串联质谱分析测定。在1~1000 μg/L的浓度范围内,3种目标化合物的响应值与浓度呈良好的线性关系,在3个添加水平下,玉米籽粒及植株中胺唑草酮及其代谢物的平均添加回收率为85%~111%,相对标准偏差(RSD)为2.3%~11.0%。方法定量限(LOQ)为5 μg/kg。采用本方法监测15例市售玉米样品,样品中目标物均低于方法检出限。本方法简单,快速,灵敏度高,可完全满足国外胺唑草酮相关现行法规的限量要求。
关键词 胺唑草酮; 代谢物; 玉米; 液相色谱串联质谱
1 引 言
胺唑草酮(Amicarbazone, AMZ)是由美国拜耳公司研发,旨在取代高剂量除草剂防治双子叶阔叶杂草的一类三唑啉酮类除草剂,主要适用于防治玉米、甘蔗等作物中的阔叶杂草,对野苋、藜、甘薯属等杂草具有优良防治效果【1】。其触杀性和特效性决定了它具有较宽的施药适期,可以方便地选择种植前或芽前土壤使用,而作为新型低毒农药,其突出的除草效果表现为其用药量大约仅为阿特拉津的1/3~1/2【2】。胺唑草酮毒理学数据证实了其是一类低毒农药,无致畸、致癌、致突变作用与再生毒性【3】。目前全球只有美国对胺唑草酮制定了最大残留限量标准,限量标准涉及牛肉、猪肉、牛奶、羊及其相关内脏等畜产品和大豆、小麦、棉花等作物,限量范围在0.01~5.0 mg/kg,其中对于玉米的最大残留限量涉及玉米植株(饲料用途)和玉米颗粒,分别为0.8和0.05 mg/kg【4】。根据美国EPA对胺唑草酮的残留定义,胺唑草酮残留应包括胺唑草酮及其代谢物DA(N-(1,1-dimeth-ylethyl)-4,5-dihydro-3-(1-methylethyl)-5-oxo-1H-1,2,4-triazole-1-carboxamide)和ISO(N- (1,-dimethylethyl)-4,5-dihydro-3-(1-hydroxy-1-methylethyl)-5-oxo-1H-1,2,4-triazole-1-carboxamide),相关化学结构式见图1【4】。针对胺唑草酮即将在中国玉米种植中大量使用的预期,以及EPA关于胺唑草酮在玉米、玉米植株的残留限量定义,建立玉米中胺唑草酮及其代谢物的分析方法具有重要意义。但是,目前关于胺唑草酮的残留分析方法鲜有报道。2014年,Peixoto研究了不同光化学条件对胺唑草酮在水中降解的影响,结果显示DA是其在水中降解的主要产物之一,同时分析胺唑草酮及其代谢物十分必要。
目前,QuChERS(Quick, Easy, Cheap, Effective, Rugged and Safe)方法已成为农药残留分析常用的净化方法之一,其以简单、快速、准确的优势广泛应用于谷物、蔬菜、水果和环境样品中的农药残留分析【5~18】。QuChERS方法的最大优点在于可以通过分散固相萃取和提取溶液的优化实现对不同基质和不同化合物的净化。本研究对QuChERS方法进行了改进,加水湿润样品后使用乙腈提取,以石墨化炭黑(GCB)和C18代替乙二胺-N-丙基硅烷(PSA)对样品进行分散固相萃取净化。采用液相色谱串联质谱法测定玉米籽粒、鲜玉米及玉米植株中胺唑草酮及其代谢物DA和ISO的残留分析方法,为胺唑草酮的分析检测及相关市场监管提供了技术支持。
2 实验部分
2.1 仪器与试剂
LC-8030液相色谱-串联质谱仪配电喷雾离子源(日本Shimadzu公司); EC-C18色谱柱(100 mm×3.0 mm, 2.7 μm,美国Agilent公司); MX-F涡动混合器(中国Dragonlab公司); 5415D离心机(德国Eppendorf公司); GCB(Graphitized carbon black,石墨化炭黑, 40~100 μm )、C18(40~60 μm)、PSA(乙二胺-N-丙基硅烷,40~60 μm)、0.22 μm有机滤膜(天津艾杰尔公司); 乙腈和甲醇为色谱纯(美国Merck公司); NaCl、无水MgSO4、甲酸和乙酸铵均为分析纯(上海化学试剂公司); 水由Milli-Q纯水系统制得。
胺唑草酮、DA和ISO标准品(日本Arysta LifeScience公司)。准确称取标准品并用乙腈配制成质量浓度为1000 mg/L的标准储备液。玉米样品购自当地市场。
2.2 样品制备
将鲜玉米的籽粒剥下,将玉米植株切成小段,分别用食品加工器粉碎混匀,取约500 g作为待测样品;将玉米籽粒用研磨器粉碎并过20目筛,混匀后取约500 g作为待测样品。
2.2.1 鲜玉米及玉米籽粒处理 称取经过匀质的鲜玉米或玉米籽粒样品5.0 g(精确至0.01 g)至25 mL聚丙烯离心管中,依次加入5 mL水、10 mL乙腈、1 g NaCl和3 g无水MgSO4,涡旋提取3 min。以3000 r/min离心5 min,取1 mL上清液至装有50 mg GCB、50 mg C18和150 mg无水MgSO4的2 mL离心管内,涡旋1 min。以8000 r/min 离心5 min,取上清液,经0.22 μm有机滤膜过滤后待测。
2.2.2 玉米植株处理 称取经过匀质的玉米植株样品2.5 g(精确至0.01 g)至 25 mL聚丙烯离心管中,依次加入10 mL水、10 mL乙腈、1 g NaCl和3 g 无水MgSO4,提取和净化步骤同2.2.1节。
2.3 高效液相色谱串联质谱检测条件
流动相A为5 mmol/L乙酸铵溶液,B为甲醇;流速0.3 mL/min;梯度洗脱程序:0~1.5 min,10% B;1.5~2.0 min,10%~90% B; 2.0~6.0 min, 90% B。 柱温40 ℃;进样量5 μL。
电喷雾电离源(ESI)正离子模式检测;加热模块温度400℃;雾化气流量1.5 L/min (N2,99.99%);干燥气流量15.0 L/min (N2,99.99%);离子源电压3.5 kV;去溶剂化(Desolvation line,DL)温度250 ℃; 碰撞诱导解离(Collision induced dissociation,CID)气压230 kPa (Ar,99.999%)。3种化合物的质谱测定参数见表1。
3 结果与讨论
3.1 色谱及质谱条件的优化
比较了正、负离子扫描模式对3种化合物的响应。结果表明,正离子模式下,3种化合物的响应值明显高于负离子扫描模式。
在流动相中添加乙酸铵或甲酸是改善色谱峰形、提高仪器响应值和离子化效率的常用有效手段。通常采用酸性流动相有利于质谱正离子模式检测,而甲酸是在正离子模式下最为常用的试剂之一【6,8,12】。以AMZ和DA的浓度为100 μg/L、ISO的浓度为200 μg/L为实验条件,
图2 流动相对目标化合物色谱峰面积的影响(A: 甲醇-水; B: 甲醇-0.5%甲酸; C: 甲醇-5 mmol/L乙酸铵)
Fig.2 Effect of mobile phase on target compounds (A: Methanol-water; B: methanol-water consisted of 0.5% formic acid; C: methanol-water consisted of 5 mmol/L ammonium acetate)首先比较了甲醇-水(A)和甲醇-0.5%甲酸溶液(B)两种流动相对3种化合物响应的影响。结果表明,3种化合物在甲醇-水流动相中比在甲醇-0.5%甲酸流动相中获得了更高的峰面积(图2)。其次比较了甲醇-水(A)和甲醇-5 mmol/L乙酸铵溶液(C)两种流动相对3种化合物响应的影响。ISO在两种流动相条件下峰面积无明显变化,但AMZ和DA在甲醇-5 mmol/L乙酸铵流动相中,峰面积更大。故最终确定甲醇-5 mmol/L乙酸铵溶液作为分离3种化合物的流动相。
3.2 前处理方法优化
通过加水使样品膨胀湿润是QuEChERS方法萃取低含水量样本的常用手段,如谷物【10,17】、茶叶【11】、土壤【8】。玉米籽粒和玉米植株含水量较少,为验证样品提取时加水的提取效果,分别称取鲜玉米和玉米籽粒5 g、玉米植株2.5 g(玉米植株含较多纤维,密度小,故称取2.5 g),加5 mL水润湿后,使用10 mL乙腈涡旋提取,按2.2和2.3节所述步骤进行样品净化和测定。结果显示,鲜玉米和玉米籽粒中,3种化合物的回收率均在89%~109%之间,符合农药残留分析方法要求。玉米植株中,AMZ、DA和ISO的回收率分别介于89%~105%, 75%~81%和62%~78%之间,DA和ISO的回收率明显偏低(表2)。为避免由于提取溶剂增加导致方法检出限提高,考虑通过增加加水量而不改变提取溶剂乙腈的体积,改善玉米植株中化合物的回收率。实验结果表明,当称取2.5 g玉米植株,植株样品加水10 mL润湿10 mL乙腈涡旋提取时,DA和ISO的回收率均有明显改善,3种化合物的平均回收率和相对标准偏差分别为90.9%~111.0%和3.2%~6.3%(表4)。综上所述,通过样品中加水润湿样本,且根据不同基质调整合适的加水量,对3种目标化合物的准确测定具有明显的提高,因此确定采用5 mL水润湿鲜玉米和玉米籽粒样本后(玉米植株样本称取2.5 g,加水10 mL),加入10 mL乙腈提取作为提取方法。
3.3 吸附材料的选择
QuEChERS方法的原理是通过乙腈萃取,结合分散固相萃取净化,实现样品中化合物的提取及杂质的去除。其中吸附材料是影响分散固相萃取净化效果和保证方法准确度和精密度的最主要因素。鉴于C18,GCB和PSA是应用最为广泛的分散固相萃取吸附材料【5,6,8~13】,本实验考察了这3种吸附材料(用量均为50 mg)对3种目标物标准溶液的吸附情况(标准溶液浓度均为100 μg/L)。结果表明,虽然PSA对AMZ和DA无明显吸附作用(回收率分别为96%和80%),但其对ISO具有明显吸附作用(回收率为41%),而C18和GCB对3种化合物均无明显吸附作用(回收率为102%~119%)。为了保证方法的准确度,最终确定了50 mg GCB、50 mg C18和150 mg无水MgSO4作为方法的净化材料。
3.4 线性相关、检出限和基质效应
配制1~1000 μg/L系列基质匹配标准工作液,以化合物的峰面积(y)对化合物的浓度(x,μg/L)绘制基质标准曲线。由表2可知,3种化合物在1~1000 μg/L浓度范围内具有良好的线性关系(R2=0.9929~0.9995)。按3倍信噪比(S/N)计算玉米籽粒、鲜玉米和植株中AMZ、DA和ISO的检出限(LOD)为0.1~1.0 μg/kg。
国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)定义基质效应是指样品中除分析物以外的其它成分对待测物测定值的综合影响【19】。影响基质效应的因素主要由分析仪器、样品基质、前处理手段等组成【12】。本实验通过绘制溶剂标准溶液线性曲线和基质匹配标准溶液线性曲线,计算和评价方法基质效应。基质效应系数以η表示: η=(基质匹配标准曲线的斜率-溶剂标准曲线的斜率)/溶剂标准曲线的斜率,若|η|<10%,说明无明显基质效应;反之则说明具有明显基质增强或减弱效应【13】。由表3可知,η在-65%~-12%之间,3种化合物均具有明显的基质减弱效应,说明在对3种化合物定量时需选用基质匹配标准曲线定量消除基质效应影响。通过比较基质标准曲线和未净化的基质标准曲线,以基质效应系数对方法的净化效果进行了评价。结果表明,通过净化后,3种基质的基质效应系数的绝对值下降了
表3 3种化合物的溶剂线性方程,未净化和净化后的基质线性方程,相关系数,基质效应系数和检出限
0.8“a”表示基质标准曲线由未经过分散固相萃取净化的基质配制,“b”表示基质标准曲线由经过分散固相萃取净化的基质配制。
“a” means the matrix-matched calibration curves without purification by dispersive solid phase extraction, “b” means the matrix-matched calibration curves with purification by d-SPE.
4.7%~22.4%,表明方法确定的前处理净化方式具有明显的净化效果,适用于玉米籽粒、鲜玉米和玉米植株3种基质。
3.5 方法准确度和精密度
对玉米籽粒、鲜玉米和玉米植株样品中添加一定浓度的AMZ、DA和ISO标准溶液并静置30 min后,按2.2和2.3节所述步骤进行样品净化和测定,表4为3个不同添加水平的平均回收率和相对标准偏差。3种化合物的平均回收率为85%~111%,日内相对标准偏差(RSDr)为2.3%~9.1%,日间相对标准偏差(RSDR)为3.1%~11.0%,以上结果均满足欧盟关于农药残留分析方法和我国关于农药残留分析方法的要求【20】。以最小添加水平表示方法的定量限,本方法中胺唑草酮、DA和ISO的定量限为5 μg/kg,远均低于EPA关于玉米中胺唑草酮的限量要求。表4 AMZ,DA和ISO在玉米和玉米植株中的添加回收率(n=10,%),日内相对标准偏差(RSDr,%)和日间相对标准偏差(RSDR,%)
3.6 方法应用
为验证本方法的适用性和实用性,应用本方法对本地市售15份玉米籽粒样本进行监测,检测结果表明,样本中胺唑草酮及其代谢物的含量均低于方法检出限。实验结果表明, 本方法具有准确、简单、灵敏、快速等优点,能有效满足玉米样本中胺唑草酮的残留测定要求,为胺唑草酮的残留分析及市场监测提供一种可靠的分析方法。
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