土壤中双氰胺残留量的检测方法
盛立彦*, 李美华, 吕靖, 孙雯, 潘洁
上海化工研究院,上海 200062
*通讯作者:同第一作者。

作者简介:盛立彦,男,助理工程师,主要从事各类大型仪器分析研究。E-mail:slysuper@126.com

摘要

为检测双氰胺的残留量,在土壤样品加入自制的双氰胺-15N4内标,经超声萃取及冷冻离心处理,采用电喷雾(ESI+)正离子扫描模式,在选择离子监控模式(SRM)下,建立高效液相色谱-串联质谱法定量分析双氰胺的方法。结果表明,该方法在10~50 μg· L-1的浓度范围内线性良好,标准曲线回归方程为 y =0.9698 x + 0.0039, r2 =0.9994。方法的检出限与定量限分别为5 μg· L-1和16 μg· L-1,回收率为97%~104%,RSD<1.2%(n=6)。采用该方法检测3类不同的土壤样品,其结果均与理论预期相符。综上,该方法简便、灵敏、准确,为科学施用含双氰胺氮肥的研究提供了一种表征手段。

关键词: 高效液相色谱-串联质谱法; 双氰胺; 同位素内标; 土壤
文章编号:1000-8551(2017)01-0163-06 DOI:10.11869/j.issn.100-8551.2017.01.0163
A Determination Method of Dicyandiamide Residues in Soil
SHENG Liyan*, LI Meihua, LYU Jing, SUN Wen, PAN Jie
Shanghai Research Institute of Chemical Industry, Shanghai 200062
Abstract

A high performance liquid chromatography-mass spectrometry (HPLC-MS/MS) method was established for the determination of dicyandiamide in soils with self - prepared dicyandiamide-15N4 as internal standard. Soil samples were prepared by ultrasonic solvent extraction and refrigerated centrifugation. The mass spectrometer was operated in the positive mode using SRM. The linear range of the dicyandiamide concentration was obtained from 10 to 50μg· L-1 with correlation coefficients ( r2) more than 0.999. The limit of detection (LOD) and the limit of quantitation (LOQ) were 5 μg·L-1 and 16μg·L-1, respectively. The recoveries were between 97% to 104%, and RSD value less than 1.2% (n=6). The testing results of three kinds of soil samples by this method agreed to their expectation. The method was simple, sensitive and accurate, filling in the gaps in the analytical technics of soil research.

Keyword: HPLC-MS/MS; dicyandiamide; isotopic labeled internal standard; soil

双氰胺是重要的化工原料以及医药和染料的中间体。在牧场草地上喷洒含双氰胺的氮肥, 可以使其牧养的牛羊减少二氧化氮的排放, 也能减少硝酸盐从土壤中渗漏至河水和溪流中, 以免滋生绿藻、破坏生态[1, 2, 3, 4, 5, 6]。此外, 有研究表明, 双氰胺对于施用铵肥所带来的土壤酸化有明显的抑制作用[7, 8]

自新西兰毒奶粉事件发生后, 双氰胺受到了广泛关注。新西兰政府与国内部分学者指出, 乳品中检出的双氰胺可能并非人为添加, 而是来源于施了含双氰胺氮肥的土壤[9, 10]。同时, 有研究表明, 双氰胺会在土壤中自然降解, 其降解速率与土壤温度有关[11]。罗涛等[12]研究发现, 添加外源真菌能加快双氰胺在土壤中降解的速度。由此可见, 若能保证土壤中残留的双氰胺已被降解, 则今后可在氮肥适当掺杂些许双氰胺, 这样既能发挥其在抑制土壤酸化等方面的有利作用, 又不会对农产品产生影响。因此建立一个能准确检测土壤中双氰胺残留量的分析方法至关重要。

虽然目前采用高效液相色谱法以及高效液相色谱-串联质谱法对牛奶[13, 14]、西药[15, 16, 17]、食品[18, 19, 20]、化肥[21]甚至空气[22]中双氰胺进行分析检测的研究已很多, 但对于土壤样品中双氰胺残留量的准确测定鲜有涉及。因此亟需建立一种检测土壤中双氰胺含量的分析方法。

本研究采用高效液相色谱-串联质谱(liquid chromatography-tandem mass spectrometry, HPLC-MS/MS)技术, 以上海化工研究院自行研制的双氰胺-15N4作为同位素内标, 有效避免样品前处理中回收率低及复杂基质对质谱响应的影响, 建立一种前处理简便、分析周期短、结果准确可靠的分析方法, 旨在为土壤中双氰胺残留量的检测提供支撑。

1 材料与方法
1.1 试剂与仪器

双氰胺(AR, 德国Dr. Ehrenstorfer公司), 双氰胺-15N4(上海化工研究院自制, 纯度> 99%, 15N atom%> 97%), 乙腈(HPLC, 德国Merck公司), 试验用水为超纯水。

TSQ Quantum Access高效液相色谱-质谱联用仪(美国Thermo公司), CP225D型电子天平(精确至0.1mg, 德国Sartorius公司), KQ-300 VDE型超声波清洗机(昆山市超声波仪器有限公司), Micro-Q超纯水系统(上海宝尔水处理有限公司), CT14RDⅡ 型台式高速冷冻离心机(上海天美生化仪器设备工程有限公司), QL-901型涡旋振荡器(海门市其拉贝尔仪器制造有限公司)

1.2 仪器条件

1.2.1 色谱条件 Venusil-HILIC色谱柱(2.1 mm× 150 mm, 5 μ m); 流动相为乙腈:乙酸铵(1mmol· L-1, pH 值4.0)=9:1(v/v), 流速为300 μ L· min-1; 进样量为10 μ L。

1.2.2 质谱条件 ESI源正离子模式, 电喷雾电压:5 000 V, 鞘气压力:15 psi, 辅助气压力:15 psi, 毛细管温度:325 ℃; 扫描模式:SRM, 质谱分析参数见表1, 双氰胺与双氰胺-15N4的子离子扫描图见图1。

表1 双氰胺和双氰胺-15N4的定性定量离子对及碰撞能量 Table 1 Qualitative and quantitative ion pairs, collision energy of dicyandiamide and dicyandiamide-15N4

图1 待测化合物质谱图
注:a:双氰胺子离子扫描图; b:双氰胺-15N4子离子扫描图。
Fig.1 Mass spectrum of the analytes
Note:a: Product scan of dicyandiamide. b: Product scan of dicyandiamide-15N4.

1.3 标准溶液的配制

分别称取双氰胺和双氰胺-15N4各10 mg(精确到0.01 mg), 用乙腈水溶液(1:1, v/v)定容至100 mL, 得到浓度为100 mg· L-1的标准贮备液; 再用乙腈水溶液(1:1, v/v)稀释配制成双氰胺浓度依次为10、15、20、25、30、35、40、45、50 mg· L-1, 双氰胺-15N4浓度都为30 mg· L-1的标准溶液。

1.4 样品前处理

准确称取0.5 g经过烘干、研碎、过筛后的土样于50 mL烧杯中, 加入双氰胺-15N4内标。以10 mL 50%的乙腈水溶液, 在25℃下超声萃取30 min, 移出上清液。萃取3次, 合并液相部分于40 mL具塞离心管中, 以6 000 r· min-1转速于4℃冷冻离心30 min, 取上清液1.0 mL过0.22 μ m有机相滤膜, 备用。

1.5 样品测定

将处理后的样品在1.2仪器条件下测定, 待测样品中双氰胺与双氰胺-15N4定量离子对的响应值应在标准曲线线性范围内, 采用内标法定量; 色谱峰保留时间和定性离子对的相对丰度应与标准物质一致, 用于定性分析。

2 结果与分析
2.1 质谱参数的优化

在试验中固定其他参数不变, 改变其中一种参数, 研究喷雾电压、毛细管温度、鞘气压及辅助气压4种质谱参数对双氰胺电离后离子流强度的影响。其中进样浓度为20 mg· L-1, 以双氰胺峰面积为考量标准。

由图2可知, 双氰胺峰面积随电压升高而增大; 随毛细管温度升高而增大, 但达到325℃后, 温度带来的影响甚微; 随鞘气压力升高而增大, 但当达到较高鞘气压值时, 上升趋于平缓; 随辅助气压力升高而显著增大。由于鞘气压与辅助气压的提升对响应均有正向的影响, 且两者气源均为高纯氮气, 故两者都取15psi, 以相对最低的成本获得相对最高的响应。综合考虑, 最终选择的最佳质谱参数条件为:喷雾电压5 000 V、鞘气压15 psi、辅助气压15 psi、毛细管温度 350 ℃。

图2 质谱参数取不同值时双氰胺的响应Fig.2 Response of dicyandiamide at different mass parameters

2.2 线性关系与检出限

将双氰胺标准品与自制内标双氰胺-15N4按1.3配成一系列不同浓度的标准溶液, 采用SRM选择离子监控扫描模式采集信号, 对其进行分析。以目标化合物与内标化合物的质量浓度之比( X )及其峰面积之比( Y )绘制标准曲线, 采用内标法定量。双氰胺含量在10~50 mg· L-1, 目标化合物与内标化合物的浓度比在0.5~2.0范围内线性关系良好, 回归方程为 y=0.9698 x + 0.0039, n=9, R2 =0.9994。检出限(limit of determmation, LOD)(S/N=3)为5 μ g· L-1, 定量限(limit of quantification, LOQ)(S/N=10)为16 μ g· L-1

2.3 回收率与精密度

在3个不同加标水平下, 对空白土壤样品进行加标回收试验, 计算加标平行样(n=6)的回收率和相对标准偏差。由表2可知, 双氰胺回收率在97.1%~103.7%之间, 相对标准偏差为1.0%~1.2%。

表2 土壤样品中的双氰胺加标回收率及相对标准偏差(n=6) Table 2 Recoveries and relative standard deviation of dicyandiamide in soil samples(n=6)/%
2.4 不同土壤中双氰胺残留量的检测结果

土壤样本A采集自上海北横通道施工现场, 为未施用过氮肥的空白土壤; 土壤样本B采集自上海化工研究院普陀院本部花圃, 为施用过不含双氰胺氮肥的对照土壤; 土壤样本C采集自上海化工研究院崇明高效生态农业示范基地, 为施用过人为掺混双氰胺氮肥的试验土壤, 掺入双氰胺量约为800mg· kg-1土壤。每一种土壤样本均在不同点采集6个样品, 按1.4的方法对样品进行前处理后, 按1.5的方法测定并计算双氰胺残留量。

表3可知, 空白样本A与对照样本B的检测结果均小于检出限, 与理论相符; 土壤样本C中双氰胺检出量比在氮肥中人为掺杂的双氰胺含量略低, 考虑到浇灌等过程中的损失及其自身部分降解, 试验结果也与理论预期相吻合。同时, 6次平行测定的RSD为4.0%, 表明测定的重复性也能达到要求。

表3 不同土壤中双氰胺残留量的检测结果(n=6) Table 3 Determination results of various soil samples(n=6)
3 讨论

由于双氰胺在水中的溶解性优于乙腈, 因此在前处理方法中, 应采用较低比例的乙腈水溶液对土样进行萃取。但对于HILIC分离而言, 当样品溶液中含有过多的水时, 溶质在固定相的分配就会减弱, 从而使保留变弱, 柱效下降。此外, 由于水相对较高的沸点, 过多的水相也不利于样品溶液在质谱离子源的离子化, 从而降低质谱响应。因此, 本研究在萃取时使用1:1的乙腈水溶液, 避免了吹干后再溶解的操作步骤, 节省了样品制备所需要的时间。超声时间和萃取次数的增加能提高萃取的效果, 虽然采用的同位素内标法并不需要待测组分与内标物被完全提取, 但更高的提取效率能增加质谱响应, 从而减小误差。权衡时间成本和方法的灵敏度、准确度表现后, 本试验最终确定采用萃取3次、每次超声30 min的提取方法。超声萃取后静置分层并不能保证固、液两相完全分离, 为保证萃取效果, 应确保液体完全转移, 由于3次萃取后的液相部分会残留少量固体, 因此合并液需经过冷冻离心进行进一步固液分离, 最后经0.22 μ m的滤膜过滤后进样分析。

本试验的研究对象是组成较为复杂的土壤样品, 虽然目前鲜有关于测定土壤中双氰胺含量方法的报道, 但相比于乳制品、药物、肥料等其它样品基质, 本研究对双氰胺的检出限和回收率指标依然达到了很高的水平。这是因为同位素内标的物理和化学性质与待测物几乎相同, 无需考虑待测物与内标物在前处理中提取效率的差异; 同位素内标的色谱、质谱行为也与待测物更接近, 且采用同位素内标可以避开液质联用法中常见的基质效应干扰。因此, 在液相色谱-质谱联用检测技术中, 采用同位素内标法优势非常明显。有研究表明, 检测乳制品中的双氰胺时, 在与本研究类似的前处理条件下, 采用双氰胺-15N4作为内标物能获得较低的检出限及较高的回收率[23, 24, 25, 26], 本试验结果也印证了这一点。

目前, 稳定同位素技术在农业领域中的应用日益受到重视。在施肥途径及肥效研究中, 同位素示踪技术已经起到了举足轻重的作用[27]; 同位素内标法在定量分析方面的优势也使稳定同位素标记物有很广阔的市场前景, 但关于其制备技术的研究在国内尚处于起步阶段, 而当前市售的同位素内标试剂仍多为进口商品, 价格昂贵[28]。本研究采用的双氰胺-15N4为上海化工研究院自主研发研制, 成本相对低廉, 且前处理简单高效, 方法的灵敏度与准确性优异, 有望发展成为一种通用的土壤中双氰胺的检测方法。同时, 本试验结果也为研究双氰胺降解规律、科学施用含双氰胺氮肥以及双氰胺在其他农业领域中应用的学者提供了表征手段的支撑。

4 结论

本研究采用双氰胺-15N4为内标, 通过高效液相色谱-质谱串联技术建立了土壤样品中双氰胺含量的测定方法, 结果证明, 该方法在测定范围内线性良好, 具有较高的准确性及良好的可重复性, 填补了土壤中双氰胺残留量分析方法的技术空白。

The authors have declared that no competing interests exist.

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