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食物中农药残留分析方法的研究进展

来源:中国色谱网 作者:赵云峰综述陈建民1王绪卿审校 2007-5-18

摘要: 国外医学卫生学分册1998年第25卷第3期食物中农药残留分析方法的研究进展中国预防医学科学院营养与食品卫生研究所(北京100050)赵云峰综述陈建民1王绪卿审校摘要本文综述了近年来农药残留分析的前处理技术和测定方法的研究进展,着重介绍固相萃取法、凝胶渗透色谱法和超临界流体萃取法等前处理技术及气相色谱-质谱法、液相色......


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国外医学卫生学分册
1998年 第25卷 第3期
食物中农药残留分析方法的研究进展
中国预防医学科学院营养与食品卫生研究所 (北京 100050)
赵云峰综述 陈建民1 王绪卿审校
摘要 本文综述了近年来农药残留分析的前处理技术和测定方法的研究进展,着重介绍固相萃取法、凝胶渗透色谱法和超临界流体萃取法等前处理技术及气相色谱-质谱法、液相色谱-质谱法、超临界流体色谱法等色谱测定方法以及毛细管电泳和生物技术在农药残留分析中的应用。  
关键词 食物 农药残留 多残留分析方法

食品的农药残留分析是在复杂的基质中对目标化合物进行鉴别和定量。由于食品中农药残留水平一般在mg/kg~μg/kg之间,因此要求分析方法灵敏度高、特异性强。对于未知农药施用史的食物样品,经常采用多组分残留分析的方法。由于各类食物样品组成成分复杂,而且不同农药品种的理化性质存在差异,因而没有一种多组分残留分析方法能够覆盖所有的农药品种。
近年来,农药残留分析方法趋向于选择性强、分辨率高和检测限低以及操作简便。主要表现在由单一种类农药多残留分析向多品种农药多残留分析发展,而且对农药的代谢物、降解物以及轭合物的残留分析给予了更多的关注[1]。本文简要综述近几年来农药残留分析技术及方法学的进展。
1 食物中农药残留的特点及样品前处理技术食物样品组成复杂,基质成分与目标物含量相差悬殊,且存在农药的同系物、异构体、降解产物、代谢产物以及轭合物的影响。由于环境的迁移作用,环境中残留的各种化学污染物也可能在农作物组织中蓄积,从而增加了食品农药残留分析的难度。农药残留测定之前要有适合于各种食品和目标物理化性质的萃取、净化、浓缩等预处理步骤,这些预处理过程往往在分析中起着主要作用。食物样品中农药提取、净化等前处理方法有其特殊性,对于不同性质样品中的不同目标物需要采用不同的前处理技术。
食品农药残留分析中,食物样品的净化要尽可能的除去与目标物同时存在的杂质,以减少色谱图中的干扰峰,同时避免杂质对色谱柱和检测器的污染。食物样品的净化,尤其是含脂质较多的食物样品净化,一直是分析工作者研究的重点,除采用常规的吸附柱分离、液-液分配、共沸蒸馏等净化措施外,更多的采用现代分离分析技术。
在农药残留分析技术发展的历程中,对气相色谱(GC)和液相色谱(LC)等各种仪器的分析速度、分辨能力和自动化程度进行了大量的研究,相比之下,对样品的制备技术关注不够。在很长的时间内,一直沿用经典的索氏提取、液-液分配、Florisil、硅胶、硅藻土及氧化铝柱色谱、共沸蒸馏等技术,尽管这些技术不需要昂贵的设备和特殊仪器,但却是整个分析过程中最费时费力、最容易引起误差的环节,且大量有机溶剂的使用,造成了对环境的污染。进入90年代后,样品萃取净化技术有了较快的发展,最受普遍重视的如固相萃取法(SPE)、凝胶渗透色谱法(GPC)及超临界流体萃取法(SFE),得到不断改进和应用。为此,样品前处理技术的研究成为分析化学领域中最为活跃的前沿课题之一[2]。
1.1 固相萃取法自美国Waters公司的Sep-pak投放市场后,固相萃取法(SPE)技术取得很大进步,各种C8、C18、腈基、氨基和其它特殊填料的微柱相继得到应用。Schenck[4]用Florisil微柱净化,测定食物中有机氯农药(OCs)残留;Wan[5]简化了植物油中OCs残留分析时硅胶柱的净化方法,减少了有机溶剂的使用;Armishaw[6]比较了动物脂肪OCs残留测定时,GPC、吹扫共馏、Florisil柱色谱的净化;Bentabol[7]用半制备C18柱分离食用油中的OCs和有机磷农药(OPs)。Gillespie[8]用多柱SPE净化植物油和牛脂中的OCs及OPs,油或脂质样品用己烷溶解后,首先经Diatoma-ceousearth(extrelutQE)柱和C18键合硅胶(ODS)微柱处理,洗脱液分为两部分,一份浓缩后,丙酮溶解,用GC-火焰光度检测器(FPD)测定OPs,另一份经氧化铝微柱处理,进一步除去脂质,用GC-电子捕获检测器(ECD)测定OCs。
1.2 凝胶渗透色谱法凝胶渗透色谱法(GPC)是一种快速的净化技术,应用于农药残留分析中脂类提取物与农药的分离,是含脂类食物样品农药残留分析的主要净化手段。Stienwandter[9]总结了凝胶色谱在农药残留分析中的应用;李洪波[10]用交联聚苯乙烯凝胶(NGX-01)净化食物样品中OPs;李怡[11]用Bio-BeadsS-X3净化乳品中氨基甲酸酯类农药(NMCs)。Chamberlain[12]采用10%乙酸乙酯和石油醚洗脱,以Bio-BeadsS-X3解决了脂肪和油样的分离。Hong[13]用溶剂提取,Bio-BeadsS-X3净化,GC-ECD-氮磷检测器(NPD)测定大豆和大米样品25种农药,并用GC-MS-选择离子监测(SIM)确证。Florisil、氧化铝及硅胶柱主要用于非脂质食品净化处理,采用常规的净化方法,不能保证极性农药OPs在脂质性食品中的定量回收。Sannino[14]用Bio-BeadsS-X3的GPC净化方法,分析了7个脂质性食品中39种OPs及其代谢产物,并进一步进行GC-MS-SIM确证和定量。Hop-per[15]用GPC净化,GC测定了谷物中OPs、OCs及拟除虫菊酯;Holstege[16]采用凝胶渗透色谱法净化,进行了43种OPs、17种OCs及11种NMCs多残留分析。
1.3 超临界流体萃取法继超临界流体色谱(SFC)之后,90年代出现了超临界流体萃取技术(SFE)。常规分析时,需要用有机溶剂提取样品,提取的样品量为50~100g,在进行溶剂浓缩的过程中,可能使易挥发的农药损失或使某些农药降解。SFE的样品用量少,样品提取在低温下进行,避免了农药的损失及降解,大大提高了分析方法的可靠性,并使得分析时间缩短,排除了有机溶剂的污染。Lehotay[17]建立了食品中农药多残留分析的SFE方法;Snyder[18]在OCs和OPs测定中,比较了用3%甲醇为改性剂的CO2净化与索氏提取法的效率。对于含水量高的样品,SFE的使用受到限制,为了提高SFE的使用效率,采用冻干样品和混合样品,以吸收水分。Valverde-Garcia[19]用硫酸镁为干燥剂吸收样品中的水分,以SFE提取甲胺磷;用无水硫酸镁制备蔬菜样品(硫酸镁∶样品=5∶7),用SFE提取辣椒和西红柿中非极性和中极性农药。SFE是食品农药多残留分析中具有发展前景的新技术,可以替代溶剂提取方法,但在常规分析中还未得到广泛应用。
2 测定方法色谱法仍是农药残留分析的常用方法。对于挥发性农药常用GC测定;对于挥发性差、极性和热不稳定性的农药则采用LC测定。目前,在农药残留分析中使用的方法有GC、高效液相色谱法(HPLC)、气相色谱-质谱法(GC-MS)、液相色谱-质谱法(LC-MS)、SFC及毛细管电泳法(CE)和酶联免疫吸附测定法(ELISA)等。Fodor-Csorba[20]综述了食物中农药分析的色谱方法,概括了薄层色谱法(TLC)、GC、SFC及HPLC在食物样品分析中的应用;Leim[21]总结了脂类食物中有机农药的分析方法;Sharp[22]总结了谷物中OPs、拟除虫菊酯和NMCs的提取、净化及测定方法;Torres[23]总结了水果、蔬菜中农药残留的测定方法;宫田晶弘[24]用GC、GC-MS-电子轰击源(EI)及GC-离子阱质谱(ITMS)-化学电离源(CI)测定苹果、香蕉、小麦及大米中的41种OPs、23种NMCs,并对三种方法进行了比较。色谱法在农药残留分析中发挥了重要的作用。
2.1 GC法和GC-MS法以非极性或弱极性为固定相的毛细管柱GC得到广泛使用,取代了传统的填充柱GC。GC-MS和GC-MS-MS联用技术日臻成熟,质谱法已成为农药残留分析的常用方法。由于串联质谱(MS-MS)可以减少干扰物的影响,提高仪器的灵敏度,所以MS-MS是化合物结构分析及确证的有效手段。由于GC-离子阱的串联质谱用于农药残留分析时,可得到fg水平的灵敏度,所以离子阱技术将是农药残留分析发展的趋势。Lehotay[25]用SFE提取,GC-ITMS分析了水果、蔬菜中OCs、OPs、氨基甲酸酯类农药(MCs)、拟除虫菊酯及其它农药,共46个品种。Py-lypiw[26]用GC-单离子检测(MSD)分析了18种OCs,最低检出量为10μg/kg;Valaerd-Garcia[27]用GC-MSD检测了蔬菜中噻嗪酮的残留;Fillion[28]用乙腈提取水果、蔬菜样品,盐析分层,活性炭柱净化,用GC-MSD分析了189种农药残留,并用HPLC的荧光检测法测定了10种氨基甲酸酯农药残留。Hogendoorn[29]用改良方法分析了2000个水果、蔬菜样品中125种农药。Miyahara[30]用SFE净化,GC-ITMS测定了蔬菜中五氯硝基苯(PCNB)及代谢物的残留;采用SFE与GC-ITMS联用检测蔬菜中六氯苯(HCB)的残留。但是,GC-ITMS用于常规的定量测定还有待进一步发展。
2.2 HPLC法及LC-MS法对于受热易分解或失去活性的物质,不能直接或不适合用GC分析。正是由于许多有机化合物的强极性、热不稳定性、高分子量和低挥发性等原因,从而推动了液相色谱技术的进步。
农药残留分析中,通常使用C8及C18反相高效液相色谱法,而以硅胶、腈基、氨基为极性键合相的色谱柱则用于特定的分析;短柱或小口径柱可提高分析速度。除采用固定波长或可变波长的紫外检测器外,二极管矩列紫外检测器和质谱检测器可用于结构鉴定。
HPLC与SFE联用可以提高分析方法的选择性,并使净化与分析过程结合,减少中间步骤造成被分析组分的丢失。HPLC与MS联用研究起步于70年代,与GC-MS相比,LC-MS的衔接更为复杂,目前LC-MS联用已出现多种接口方式,如电喷雾接口(ES)、热喷雾接口(TS)、离子喷雾接口(IS)、大气压化学电离接口(APCI)以及粒子束接口(PB)。LC与快原子轰击质谱(FAB-MS)以及傅立叶变换红外光谱联用技术(FTIR)在农药残留分析中也得到应用。
HPLC和LC-MS广泛应用于不易挥发及热不稳定化合物的分析,是农药残留定性、定量分析的有效手段,尤其是氨基甲酸酯农药(MCs)的检测。Yang[31]总结了NMCs残留分析的进展;Krause[32]建立了氨基甲酸酯的荧光测定法,食物样品用甲醇提取,乙腈-二氯甲烷液液分配,活性炭-celite柱净化,反相LC分离,邻苯二醛衍生,检测限为5~50μg/kg,结果用MS确证。Seiber[33]采用perfluorracyl衍生,分析了谷物中的氨基甲酸酯;Lau[34]用trifluoroacetyl衍生分析了谷物中的混杀威;Bakowski[35]用heptafluo-robutyryl衍生,用GC-EIMS测定了肝组织中10种苯基-N-甲基氨基甲酸酯;Ali[36]对牛肉、猪肉和家禽组织的氨基甲酸酯进行分析。Liu[37]等用LC-MS对水果、蔬菜中的涕灭威、增效砜等19种农药进行检测,检测限为0.025~1mg/kg。Newsome[38]比较了LC-APCI-MS和LC-柱后衍生荧光法测定食品中NMCs,在10~100μg/kg范围内,两种检测器的检测结果良好,但由于两种均为非特异性检测器,都存在基质干扰,为了准确测定含量,应使用高分辨的MS进行确证。
2.3 SFC方法SFC是以超临界流体为流动相的色谱方法。超临界流体既具有液体的强溶解性能,适合于分离挥发性差和热不稳定的物质;又具有气体的低粘度和高扩散性能,传质速度快,使得分析速度提高;同时,SFC可以使用GC或HPLC的检测器以及与MS、傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)联用。毛细管超临界流体色谱(CSFC)的进展,促进了SFC技术的进步。CSFC-MS是近年来发展的联用技术,由于CSFC克服了GC和LC的不足且具有二者的优点,所以CSFC-MS联用较GC-MS和LC-MS联用有更多的优越性。CSFC-MS主要用于大分子量、热不稳定的复杂混合物分析,尤其对热不稳定的物质,不能用GC直接分析,而LC的选择性和灵敏度又不够,如采用CSFC-MS,可较方便地分离检测。农药中含有S、P等杂原子时,极性较强,用GC和LC难于分析,痕量分析尤为困难。采用CS-FC结合选择性强的检测器,如FPD、NPD、ECD等,是农药痕量分析的理想方法。在CO2中添加1%甲醇作为改性剂,使极性农药得到很好地分离,消除了色谱峰的拖尾。但是农药残留分析中,SFC主要用于非极性或弱极性的物质,如何分析极性物质,将是今后的研究方向[39]。
2.4 TLC方法TLC无需特殊设备,简便易行,可同时分析多个样品,多用于复杂混合物的分离和筛选。TLC除用特殊的显色剂观察斑点颜色和用Rf值定性外,与其它技术的联用不仅可以定性,而且可对样品中被分离的一种或多种成分进行定量分析。80年代发展起来的高效薄层色谱法(HPTLC)与扫描技术结合,是一种易于建立和掌握的半定量技术。欧盟国家采用自动化多通道展开技术,用HPTLC定量筛选了饮水中256种农药残留。
2.5 CE方法由于CE具有分离效率高、快速、样品用量少等特点,近年来得到了迅速发展,各种分离模式相继建立,高性能的商品仪器不断推向市场。对于无电荷的分子,开发了胶束电动色谱法(MEKC),拓宽了CE的应用范围。毛细管电泳与质谱联用(CE-MS)可用于谷物和其它基质中带电荷基团的农药及其代谢物残留检测。CE可与原子分光光度法联用[2],如与原子吸收分光光度计(AAS)、电感耦合等离子体-原子发射光谱仪(ICP-AES)和ICP-MS联用。Cancalon[40]综述了CE和CE-MS在农药残留分析中的应用。
2.6 生物技术生物技术在农药残留分析中的应用不断增加,尤其是乳制品工业[41]。生物技术包括免疫测定法、生物测定法和生物传感器技术及免疫亲和色谱法。免疫测定法取决于抗体与底物的相互作用,目标物与抗体结合后,酶促反应产生颜色变化,用比色法测定目标物浓度。Kramer[42]总结了生物传感器和免疫传感器的构件、技术特点及其应用。
抗体与抗原的特异结合为农药残留分析提供了技术保证,许多市售试剂盒的应用,使免疫测定成为各类农药残留检测的有效手段,使农药残留分析时间缩短,操作人员劳动负荷量减少。免疫方法常与其它技术联用[43],如ELISA与传统的提取和净化方法、SFE、HPLC及GC-MS联用;免疫亲和色谱法与MS联用以及在机器人辅助下自动的免疫化学方法都有应用报道。有报道[41]用SFE-ELISA分析了大麦中杀螟硫磷、甲基毒死蜱及甲基嘧啶磷;用HPLC-ELISA测定水果、蔬菜中噻菌灵。由于免疫分析成本低、快速、可靠,且传感器灵敏度高,并有自动化装置,因而广泛用于农药残留的监测及人与环境接触等研究。
3 结 语
随着各种新技术的应用,农药残留分析方法日趋系统化、规范化,并向小型化、自动化方向发展。同时,由于在线联用技术可避免样品转移的损失,减少各种人为的偶然误差,因此将是农药残留分析方法研究的重点。
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