Analytical methods for the determination of phenylurea herbicides in environment and foods Li Fangshi, Zhang Juan Abstract The main physical-chemical,
toxicological, and environmental properties of phenylurea herbicide were summarized.
Analytical methods of residues of phenylurea herbicides in environment and foods, employed
after 1996 were reviewed. Provided the information about liquid-liquid and solid-phase
extraction of the samples and clean-up steps. The application of gas chromatography,
liquid chromatography, capillary electrophoresis in the analysis of these compounds was
exposed in tabular form and commented on. Methods of thin-layer chromatography,
spectrophotometry, enzyme linked immunosorbent assay, photochemistry, electrochemistry and
so on were summarized simultaneously. The advantages and drawbacks of the analytical
methods developed recently were discussed. 李方实,张娟 2005年2月4日收稿;国家自然科学基金资助项目(批准号:20447003) 摘要 文章概述了苯脲类除草剂的主要物理化学性质、毒性以及在环境中残留的一些特性。综述了自1996年以来在环境和食品中残留苯脲类除草剂的分析方法,同时总结了样品的提取及净化的前处理方法。以表格的形式列出并评价了气相色谱、液相色谱、毛细管电泳等主要分析方法,还总结了其它的薄层色谱、分光光度、光化学、电化学和酶免疫等分析方法。最后讨论了各种分析方法的优缺点。 脲类除草剂作为一类重要的除草剂,广泛应用于不同农作物的芽前和苗后的一年生杂草,特别是一年生宽叶杂草地处理。脲类除草剂的化学结构核心是脲,在脲分子中氨基上的取代基不同,从而形成脲类除草剂的不同品种,如苯基脲类、氢化芳香脲类以及杂环脲类等,其中,最重要的是苯基脲类,如敌草隆、伏草隆、利谷隆等。苯脲类除草剂对植物的主要作用是抑制光合作用中的希尔反应,即通过NH基或羰基氧与叶绿体活性中心形成氢键而对光合作用发生抑制[1]。 环境中多种残留组分分析与单一组分分析所包含的分析步骤是一样的,但对多种残留组分分析我们要求用一种简单的分析方法能同时检测多种残留组分,这样可以减少时间和成本。欧盟规定:单种除草剂在水中的含量<0.1mg/l,所有除草剂的总量<0.5mg/l。这也就给除草剂的残留分析提高了要求。本文综述了自1996年来在环境和食品中残留苯脲类除草剂的分析方法进展,以及样品中苯脲类除草剂的提取与净化的前处理方法。 2 提取与净化 苯脲类除草剂的水溶解度低,化学性质稳定,所以残留苯脲类除草剂能持久稳固于环境中。这不仅污染了土壤和地表水,污染的水被用来灌溉农田又污染了农作物。在分析土壤,农作物和水中残留苯脲类除草剂时,样品的提取与净化是两个非常重要的预处理过程。分析水中苯脲类除草剂时,用反相色谱柱的液相色谱分析的一个主要优点是由于水样的洗脱强度低可以通过大体积进样进行分析[2]。气相色谱分析也可以直接大体积进样 [3]。 尽管传统的液液萃取需要消耗大量的溶剂,但在分析样品中的残留除草剂时仍常用液液萃取,常用的萃取剂有二氯甲烷[3-7],乙酸乙酯[8-10],乙氰[11]或丙酮[12-13]等,还有用超声波震动辅助溶剂萃取[14](MASE)。从农作物中萃取后的试样可以通过凝胶渗透层析来进行净化[9,12,13]。 固相萃取(SPE)是目前常用的农药残留的浓缩和提纯的手段,使用的是含有吸附剂的C18柱[15]、圆盘[16,17]或小柱技术[18,19]。常用的吸附剂有硅酸镁[12] ,氧化铝和硅胶[7]等,又发展了具有选择性的免疫柱作吸附柱[20]。固相萃取后的样品可以通过硅胶柱[4,9]、含丙氨基或氧化铝的小柱[21]、或是阳离子交换固相萃取来进行净化[22]。 考虑到溶剂的消耗可以采用微萃取技术。固相分散(MSPD)方法可以减少样品的用量和溶剂的消耗。固相微萃取技术(SPME),需要的萃取溶剂少,简单易行,已成为气相色谱和液相色谱样品浓缩处理的常用方法[23]。超临界流体萃取[24]、微波萃取和加压溶剂萃取[25]。等新样品处理技术也逐渐在分析中使用起来。这几年SPE-LC的在线样品预处理自技术已开始发展,这种方法更适合水样中多种农药残留的分析[26,27]。通过在线浓缩与萃取或微萃取的LC方法测定环境水样中的除草剂时可以获得更好的回收率[28]。 表1总结了在测定样品中苯脲类除草剂时的液液萃取和固相萃取及净化的前处理方法。一般,以GC为检测的分析过程不需要很纯的萃取剂,净化过程也可以忽略,二氯甲烷是最常用的萃取溶剂,净化过程最基本的是液液分离。在固相萃取中,十八硅烷是很好的吸附剂。 表1
苯脲类除草剂的液液萃取和固相萃取以及净化处理
检测和测定环境和食品中苯脲类除草剂的分析方法有很多种,目前常用的主要有气相色谱(GC)、液相色谱(LC)、薄层色谱(TLC)、分光光度(UV),毛细管电泳色谱(CE)法等。除此以外还有化学诱导荧光法(PIF)、电化学、酶免疫等方法。 3.1气相色谱法(GC) 用LC还是GC柱来分析苯脲类化合物的关键是分离方法的选择。由于大多数苯脲类化合物热不稳定,一般不能直接用GC分析。可以用GC直接来测定苯脲类除草剂的降解产物,或者经过柱前衍生后间接测定。 针对苯脲类样品特殊的结构和元素组成,气相色谱可以广泛选用不同的检测器,常用的有电子捕获检测器(ECD)、火焰电离检测器(FID)、热离子检测器(FTD或NPD)、质谱(MS)、双质谱(MS-MS)检测器等。GC-MS是最常用的检测易挥发和半挥发性有机物的方法,具有很高灵敏度,可同时进行定性和定量分析,能满足痕量有机物分析要求。GC-MS联机系统不仅具有毛细管柱气相色谱的高分离效能,而且从质谱图中可以获得有关化学结构等丰富信息。采用这种联用技术不仅可分离痕量、复杂、多组分的有机物,而且进一步增强了质谱的鉴定能力[37]。发展较快的是四极杆质谱(QR-MS)、离子阱质谱(IT-MS)和双质谱(MS-MS)检测器。表2中列出了环境和食品中苯脲类除草剂残留的GC分析方法。 表2 气相色谱测定苯脲类除草剂 Table 2 Gas Chromatographic Methods for Determining phenylurea herbicides
3.2 液相色谱法(LC)
分析环境和食品中残留苯脲类除草剂时,提取过程常使用有机溶剂萃取,固相萃取和固相分散(MSPD)技术也因其独特的优点近来发展的较为快。 气相色谱由于它的高灵敏性和具有选择性的检测器在测定苯脲类化合物仍具有一定的优势,对于热不稳定的苯脲类化合物可以通过衍生化后间接测定。多种苯脲类残留物包括热不稳定化合物的分析可以通过LC、TLC或CE来测定。LC的检测器有一半用UV和DAD,另一半是用MS来检测的。LC-MS比LC-UV的选择性和灵敏度都要好,但是后者比前者的可行性好。LC-MS的定性检测潜力优于LC-DAD,其质谱可提供更多的分子信息,通过质谱分析够准确的对样品进行定性。在CE技术中电喷雾电离(ESI)和大气压化学电离(APCI)的离子化技术仍是应用的较多的接口技术。TLC可以选择的不同的显色剂用以补充Rf值的信息,但是薄层板的均匀程度和点样器的重复性影响了它的检测精度,使得薄层色谱法检测限较低,精确度也不高。 CE和LC都是液相分离技术,但分离的机理不同,因此在很大程度上CE与LC可以互为补充。但是无论从效率、速度、样品的用量和成本来说,CE都显示了一定的优势。CE的主要局限是系统的负荷能力低,但在许多研究领域里包括环境中的脲类除草剂的分析中,CE仍具有一定的发展潜力。 光度法测定苯脲类除草剂,因对设备要求不高,操作简单,仍是研究的主要方面,但在测定脲类除草剂时灵敏度仍不高。 在农药分析中的酶免疫分析,光化学分析和电化学分析仍具有一定的发展潜力。 REFERENCES [1] Su S Q. 除草剂概论(Chu Cao Ji Gai Lun). Beijing: Science Press, 1989. [2] Sancho J V, Hidalgo C, Hernndez F. J. Chromatogr. A, 1997, 761:322-326. [3] Zhou M, Bramble F Q, Devine T J et al. J. AOAC. Int., 1996, 79:791-796. [4] Lennartz B, Louchart X, Voltz M. J. Environ. Qual., 1997,26:1493-1502. [5] Charrteur C, Colin R, Morin D et al. 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