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水果和蔬菜中农药分析解决方案

——标准QuEChERS法和改良QuEChERS法对比

2016/11/18 9:38:38

农产品的农药残留会对人类健康造成巨大威胁,因而被广泛关注。2003年,QuEChERS法被推荐为农残测定的方法。QuEChERSQuick, Easy, Cheap, Effective, RuggedSafe的首字母缩写,用于多农药分析,比以往的方法更快更容易操作。

典型的操作过程为:将农产品磨碎并均质,取10-15g样品放入50ml离心管,加入提取试剂,如乙腈、无水硫酸镁、乙酸钠或氯化钠。将离心管帽盖紧并手摇1分钟使农药进入提取试剂。下面样品清洗,浓缩并用液质或气质联用进行分析。

现在我们将Geno/Grinder引入均质步骤,以及加入试剂后的提取步骤。我们的实验目的是确定Geno/Grinder加入提取步骤能否比传统手动QuEChERS法获得更高的农药的收率。

 

实验过程:

 

选取三种不同密度和韧性的果蔬:1)草莓(软);2)苹果;3)芹菜(纤维)。草莓非常软,初步实验证实用Geno/Grinder非常容易研成液体糊状(研磨方法下面介绍)

苹果的密度和韧性更高,因而需要更长的研磨时间才能达到均质水平。芹菜虽没苹果密度大,但纤维和韧性使得很难高效研磨。

取新鲜的草莓、苹果和芹菜切成1/4-1/2英寸小块(约0.6-1.2cm),称取15.1g置于50ml圆底LDPE离心管内。每个样品中加入250ul浓度40ug/ul13种农药混合物的溶液。注意农药混合物是用注射器加入的,小心控制注入时的速度。将离心管帽盖上,手摇15秒使得农药溶液均匀分布到整个样品。将样品置于4oC冰箱过夜。

 

传统QuEChERS法:

 

收集4个离心管(每管15.1g)样品转移到单杯式粉碎机中进行匀浆操作。再称取15.1g转移回原来的离心管中。转移时注意液体固体都要转移。苹果和芹菜样品同样方式操作。

在每个管中加入6.0g无水硫酸镁,1.5g无水乙酸钠和15ml1%冰醋酸的乙腈溶液。将每管盖好,并手摇1分钟。草莓管中液体为粉色,苹果管中为淡黄色,芹菜管中为深绿色。

下面将所有的离心管在3500rpm下离心3分钟。移出上层液测量,并均分为两份(这一步后每个样品最多含5ppm农药)并转移到15ml离心管中。

每个管中加入PSA(加入量为25mgx上清液ml数)和GCB(加入量为5mgx上清液ml数)。每个样品管盖好手摇30秒,然后3200rpm离心1分钟。

 

使用Geno/Grinder改良QuEChERS

在加入农药的样品中加入3个陶瓷研磨柱和含1%冰醋酸的乙腈5ml。将各管放入管架,并通过夹具固定在Geno/Grinder1500rpm条件下进行研磨匀浆。2分钟后,草莓样品已经有很好的均质效果。苹果和芹菜的硬度更高,需要在1500rpm下运行6分钟,即可获得不错的均质效果。

我们注意到,在这个前处理中我们加入了少量(5ml)溶剂来帮助研磨过程。如果不加溶剂,较硬的水果蔬菜会在管中沉底,这会降低研磨效率。不过如果将15ml溶剂都在这时候加入也不行,因为溶剂过多会使研磨珠柱与样品的接触不够充分,同样降低研磨效率。我们通过实验发现5ml溶剂对于15g样品来说是最优的量。

在每管中加入6g无水硫酸镁,1.5g无水乙酸钠和剩下的10ml乙腈(1%冰醋酸)。将管帽改进,在Geno/Grinder1500rpm下运行1分钟。同样的,草莓管中液体为粉色,苹果管中为淡黄色,芹菜管中为深绿色。

下面将每管样品在3500rpm下离心3分钟。和传统方法一样将每管上清液移出平分成两份移到15ml离心管中。加PSAGCB的量也和上面一样。将每管盖紧,在Geno/Grinder1500rpm下运行30秒,然后在3200rpm下离心1分钟。

 

使用Geno/Grinder改良QuEChERS——一步法

 

由于草莓很软,我们尝试另一种方式进行处理,看看对于软质水果是否可以省略预匀浆的步骤。直接在含15.1g块状草莓的管中加入6g无水硫酸镁,1.5g无水乙酸钠,15ml乙腈(含1%冰醋酸)。将管帽盖紧放入Geno/Grinder1500rpm下运行2分钟,草莓研磨效果不错,但是很是能看到有成块的样品。下面再多研磨2分钟(总共4分钟),这样草莓获得了很好的均质效果,并且与溶液充分混合了。将每个样品进行离心,取上清液等等步骤与改良法一样。

由于苹果和芹菜硬度大,这种方式处理基本不会成功。因为块状的样品很多,研磨介质的移动受限,不会获得良好的均质效果。

 

样品制备

 

下面样品清洗离心,取上清液移到15ml管中,通过氮吹对样品进行浓缩到半干(约100ul)。将每管中加入甲苯到1ml。很多情况下,加入甲苯后会有粘性液体沉入离心管底部。它们溶于水,但是不溶于非极性溶剂,从而拥有糖浆状粘度。

用注射器吸取甲苯溶液并注入GC样品管中,残渣将会遗留在试管中。对于草莓来说,用Geno/Grinder的样品残渣是红色的,不用Geno/Grinder的残渣是黄色的;对于苹果来说,分别是金色的和棕色的;对于芹菜来说,分别是黄色和淡黄色。

 

样品分析

 

HP5890-GC分析,用的是CV-5填充柱和5972-MSD检测器。扫描范围是35-450m/z,信噪比是3:1。注入样品为1ul

 

结果与讨论

 

在实验之初,每个样品都加入了250ul13种农药混合液,每个成分浓度均为40ppm/ml。于是每个样品中都加入了10ppm的各种农药。在提取离心后,取上清液并等分两份进行后续实验。因此,每个样品中每种农药的量最多是5ppm

3种样品的回收效果在表一中呈现,数据为3种样品的各种农药浓度(单位ppm)。图一中呈现了草莓的结果。蓝色柱代表手动匀浆的结果。红色柱代表加入溶剂前用Geno/Grinder匀浆的结果。绿色柱代表一步法的结果(省略预先匀浆过程)。

农药的检测结果体现出,凡是用Geno/Grinder的样品回收率都比手摇的样品要高。有趣的是,一步法所获得的回收率和改良法一样好,有时候还更好。这说明这种方法对于软质的样品是可行的。

回收最差的是氯硝铵(Dichloran)和百菌清(Chorothalonil),对于各种样品都是如此。实际上,对于芹菜来说,百菌清就没检测到,即使使用Geno/Grinder也不行。这是因为在我们的这个试验中并没有根据农药类型进行优化,所以在实验条件下有些农药稳定性差也就不足为奇了。

ND=Not Detected

 

 

 

2显示了苹果的回收数据。使用Geno/Grinder的方法再次比标准手动方法结果更好。使用Geno/Grinder用于苹果研磨和与溶剂进行混合的步骤,都获得了更高的回收率。唯一例外的是谷硫磷(Azinphos-Methyl),二者回收率相同。对大部分农药来说,回收率都和草莓样品的数据近似。然而,二苯胺(Diphenlyamine)用Geno/Grinder处理后居然得到了6.2ppm的回收数据,这个数据比加入样品的5ppm还要大。手动方法得出的数据是3.8ppm,比其他农药含量都大。二苯胺是常用的农药用来保护苹果,这个数据偏高意味着我们在加入农药之前,水果样品上就有这个农药成分。即使如此,用Geno/Grinder处理的样品数据比标准QuEChERS法的仍然更高。

 

 

芹菜的数据在图3中显示。和草莓和苹果相比,Geno/Grinder的使用与否对回收率的影响大了很多。对于所有的3种样品,用Geno/Grinder能提取出用手动方法提取不到的一些农药。尤其值得注意的是,使用Geno/Grinder的情况下,农利灵(Vinclozolin)获得了与甲霜灵(Metalxyl)和腈菌唑(Systhane)相同的回收量,但如果用手动方法,农利灵根本检测不到。

 

 

前面的数据图表非常清楚的证明了,使用Geno/Grinder能有效的增加农药的回收率。这主要是因为Geno/Grinder振动样品比手动更快,更有效,当然提取就更有效。在1分钟里,机器运行速度是1500rpm,每个管被上下振动了1500次;如果用手摇,1分钟估计能摇200次。而且,管中还加了3个研磨柱,这能帮助样品和溶剂的充分混合,而且促进研磨效果,保证农药的提取效果。因此,对于软样品而言,省略预匀浆步骤成为可能,进一步简化样品准备时间。

不仅如此,使用Geno/Grinder能大幅度增加样品通量,能够一次实验对大量样品进行匀浆和提取。在本试验中,1250ml罐同时实验,如果手动实验,一次最多同时做4个。

 

结论

 

1. 对于各种不同密度硬度的样品,使用Geno/Grinder能比手动获得更高的农药回收率。

2. 而且,既然运行时间和运行速度都能在机器上自动控制,那么所有样品在运行中和两次运行的间隔都保持了完全一致的状态,消除了任何不均匀因素。

3. Geno/Grinder能一次运行处理1650ml离心管,从而增加了样品通量。这不仅减少了样品准备的时间,也将实验人员从繁重工作中解放。

4. 最后,使用Geno/Grinder还能省略某些预匀浆实验程序。软样品,如草莓,能在提取溶剂中进行研磨,对农药提取没有任何负面影响。

 

 

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