水体氨基甲酸酯类农药总量快速检测方法

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 μmol·L^-1 CMs）和1.61%（2.4 μmol·L^-1 CMs），检出限（LOD）为0.07 μmol·L^-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

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^［5-6］，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

VM-500Pro型数显多功能混匀仪（群安实验仪器有限公司）；HWS-11型电热恒温水浴锅（上海尚道仪器制造有限公司）；S-4100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：

图1  多功能分析检测仪

Fig.1  Multifunctional analysis detector

（1）甲胺标准储备液（500 mg·L^-1）：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·L^-1）：0.025 g农药溶于乙醇并定容至25 mL。

（3）混合农药标准储备液（3.47 mmol·L^-1）：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·min^-1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6―8 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·L^-1 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·L^-1 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。

1.3　GC-MS检测条件

（1）色谱条件（Agilent 1 9091J-433： 5 430.75 677；HP-5 5% Phenyl Methyl Siloxan；30 m × 250 μm×0.25 μm）：进样口温度：250℃；载气：高纯度的氦气，流速为1.5 mL·min^-1；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 μL；升温程序：初始温度为40℃，保持2 min，然后以20℃·min^-1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^［10-12］。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·L^-1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。

2.1.2　NaClO用量

加入0.1~0.5 mL质量百分浓度为0.012 5%的NaClO溶液，测定0.3 mg·L^-1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^［13-15］，检测0.4 mg·L^-1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。

2.1.3　NaNO₂用量

加入0.1~1.0 mL质量百分浓度为30%的NaNO₂溶液，测定0.3 mg·L^-1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。

2.1.4　KI-淀粉溶液用量

加入0.05~0.50 mL KI-淀粉溶液，测定0.3 mg·L^-1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 μg·mL^-1西维因、5.9 μg·mL^-1抗蚜威、5.6 μg·mL^-1灭虫威、8.8 μg·mL^-1硫双灭多威和10 μg·mL^-1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 μL西维因、20 μL抗蚜威、0.1 mL灭虫威、20 μL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5―60 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。

图2  涡旋时间对萃取率的影响

Fig.2  Effect of vortex time on extraction rate

2.3　蒸发浓缩条件影响

5 mL CH₂Cl₂中分别加入50 μL西维因、12 μL抗蚜威、0.1 mL灭虫威、18 μL硫双灭多威和20 μL丙硫克百威标准储备液，加入0~0.5 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%。

图3  乙二醇加入量对回收率的影响

Fig.3  Effect of the amount of ethylene glycol on the recovery rate

2.4　碱解条件影响

2.4.1　NaOH用量

分别配制5 μg·mL^-1西维因、5.9 μg·mL^-1抗蚜威、5.6 μg·mL^-1灭虫威、4.4 μg·mL^-1硫双灭多威和10 μg·mL^-1丙硫克百威标准溶液，分别加入0.025~0.250 mL物质的量浓度为0.01、5、0.01、0.01和1 mol·L^-1 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。

图4  NaOH加入量影响

Fig.4  Effect of sodium hydroxide dosage

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。

图5  碱解时间影响

Fig.5  Effect of alkaline hydrolysis time

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、9.66、12.88 μmol·L^-1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

图6  标准曲线

Fig.6  Standard curve

（R²=1.00）。

用去离子水配制0.8和2.4 μmol·L^-1 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S_b为0.417 9，依据IUPAC方法，LOD为0.07 μmol·L^-1。

2.6　共存离子与物质影响

配制2.4 μmol·L^-1 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。

表1  干扰物质名单及浓度

Tab.1  List and concentration of interfering substances

干扰物质名称	质量浓度/ （mg·L-1）	干扰物质名称	质量浓度/ （mg·L-1）	干扰物质名称	质量浓度/ （mg·L-1）
Fe2+	2	K+	50	乙醇	1
Cu2+	2	F-	5	淀粉	0.5
Zn2+	2	NO3-	50	CHCl3	0.5
Al3+	1	PO43-	20	CH2Cl2	0.5
Pb2+	1	NaClO	1	石油类	5
Na+	500	乙酸钠	10	Cl-	500
SO42-	500	柠檬酸钠	10	NH4+	5
CO32-	500	尿素	5	丙烯酰胺	0.5
Ca2+	100	苯胺	2	S2-	1
Mg2+	50	阴离子表面活性剂	1	丙酮	0.5

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 μmol·L^-1，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。

表2  实际水样和加标水样CMs测定结果

Tab.2  CMs detection results of real water samples and spiked water samples

水样名称	水样/ （μmol·L-1）		加标水样/ （μmol·L-1）		回收率/ %
	分光光度法	矢量色度法	分光光度法	矢量色度法	分光光度法	矢量色度法
苏州河	未检出	未检出	1.30±0.06	1.52±0.05	52~56	62~65
太浦河	未检出	未检出	1.51±0.03	1.80±0.07	61~64	72~78
淀山湖	未检出	未检出	1.31±0.02	1.56±0.12	54~55	60~70

对太浦河单独加标，加标物质的量浓度为0.2 μmol·L^-1，利用本研究建立方法和GC-MS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，如蒸发浓缩过程，综合考虑，矢量色度法与GC-MS检测值具有较高的一致性。

表3  太浦河加标水样CMs检测结果

Tab.3  CMs detection results of spiked water samples from Taipu River

太浦河加标水样/ （μmol·L-1）			回收率/ %（与GC-MS测量值相比）
分光光度法	矢量色度法	GC-MS	分光光度法	矢量色度法
0.510±0.012	0.573±0.035	0.690	72~75	80~87

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 μmol·L^-1 CMs）和1.61%（2.4 μmol·L^-1 CMs），LOD为0.07 μmol·L^-1，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。