QuEChERS前处理方法在农药残留检测中的应用

QuEChERS前处理方法在农药残留检测中的应用王婧【摘要】近年来,农产品质量安全问题备受社会关注,随着检测前处理方法和仪器的不断改进更新,农产品中农药残留检测技术日趋成熟.2003年美国科研工作者针对水果蔬菜中的农药残留检测开发了QuEChERS前处理方法,该方法具有快速、简便低廉、高效、稳定、安全的特点•介绍了传统的前处理方法和QuEChERS前处理方法的原理，并对比得出QuEChERS前处理方法的优势,总结了近年来QuEChERS前处理方法在提取溶剂的pH、净化剂、样品加水量、操作方法4个方面的改进措施;同时综述了近年来QuEChERS前处理方法在农产品及其他领域的应用情况,并对该方法的前景进行了展望・％Inrecentyears,thequalityandsafetyofagriculturalproductshasbeenpaidmuchattentiontobythesociety.Withtheimprovementofpretreatmentmethodsandinstruments,thepesticideresiduedetectiontechnologyisbecomingmoreandmoremature.In2003,AmericanscientistsdevelopedQuEChERSasapretreatmentmethodforthedetectionofpesticideresiduesinfruitsandvegetables.Thismethodisquick,easy,cheap,effective,ruggedandsafe.ThispaperintroducedthetheoryofthetraditionalpretreatmentmethodandQuEChERSpretreatmentmethod,andpointedouttheadvantagesoftheQuEChERSpretreatmentmethod,andsummarizedtheimprovementmeasuresofQuEChERSpretreatmentmethodinthefouraspectsofpH,purificant,wateradditionamountandoperationmethod.Inthispaper,theapplicationofQuEChERSpretreatmentmethodinagriculturalproductsandotherfieldsinrecentyearswassummarized,andtheprospectofthismethodwasalsoprospected.期刊名称】《山西农业科学》年(卷),期】2017(045)012【总页数】5页(P2051-2055)【关键词】QuEChERS；前处理;农药;残留【作者】王婧【作者单位】山西省农业科学院农产品质量安全与检测研究所,农业部农产品质量安全风险评估实验室(太原),山西太原030031【正文语种】中文【中图分类】O652.1当今，随着人们生活水平的提高，人们的饮食安全意识逐渐增强，食品的质量安全问题得到了广泛的关注。我国已登记的化学农药数量在逐年增加，每年都有大量新的农药进入农田。当前农药残留超标情况普遍存在，农药的滥用不仅会危害消费者的健康，还会影响我国农产品的出口贸易，损害进出口企业的利益。当今世界各国农作物使用的农药有差异，禁止、限用的农药也有很大的不同，导致进出口农产品的农药残留限量标准也存在差异，农药残留已成为农产品国际贸易的技术壁垒。为了确保农产品质量安全，尽快协调和统一国际农药残留标准，有必要对农药残留进行及时有效的监测，不断地提高检测技术，开发快速、便捷、高效的农药残留检测方法。目前，国际上大多采用色谱-质谱联用技术进行农药残留检测，如气相色谱-质谱、气相色谱-质谱/质谱、气相色谱-三重四级杆质谱、液相色谱-质谱、液相色谱-质谱/质谱等。我国许多科研院所已购置国际先进的检测设备，检测的技术水平主要差别在于样品的前处理过程，不断探索开发快速、易操作、回收率高的前处理方法，是样品检测的关键环节。2003年，美国农业部的ANASTASSIADES等［1］开发出一种新的样品前处理方法，该方法的优点是快速（quick）、简便（easy）、低廉（cheap）、高效（effective）、稳定（rugged）和安全（safe），将6个优点的英文单词缩合，称之为QuEChERS前处理方法，简称QuEChERS法。该方法自问世以来，引起全世界学者的关注，经过十几年的时间，科研工作者对QuEChERS方法不断改进，并拓宽其应用范围，使其成为农药残留检测的首选前处理方法。本文综述了QuEChERS方法的发展及改进过程，并综述了近年来该方法在国内外各个领域的应用进展。1.1传统前处理方法介绍早期的农药残留检测前处理方法有液固萃取、液液萃取等，这些方法由于操作步骤复杂、耗时耗力、有机试剂消耗大、成本高、提取效率低等已经被淘汰。20世纪末，更快、更便捷的样品前处理方法［2］被引入到农药残留检测中，并得到广泛应用。目前普遍使用的农药残留检测前处理方法主要有固相萃取（SPE）、固相微萃取（SPME）、基质固相分散萃取（MSPD）、凝胶渗透色谱（GPC）、超零界流体萃取（SFE）、高效萃取吸管（DPX）等。固相萃取是在液相萃取和液固萃取原理的基础上，根据基质干扰物和目标化合物吸附、解吸能力的差异，选择适当的填料，对样品进行选择性的吸附和洗脱，从而达到分离、纯化目标化合物的目的。目前，常用的固相萃取柱有极性柱、非极性柱、阴阳离子交换柱、共价型柱等，固相萃取柱不可重复使用，价格比较高，大多数在几十元左右。固相萃取是农药残留检测最常使用的前处理方法，具有稳定、精确、样品容量大、分离度高的优点，但对于复杂基质和手性化合物的分离效果不理想［3］。固相微萃取相对于固相萃取实现了前处理过程一体化，更加快捷，净化程度高，对仪器污染小，但是该方法受环境影响干扰大，进样耗时长。基质固相分散萃取的操作简单，可以有效避免乳化现象，但该方法对样品的含水量有一定要求。凝胶渗透色谱的应用范围比较广泛，对含色素和脂类的样品净化效果好，而且净化柱可回收重复使用，节约成本，但此方法溶剂消耗大，净化时间长，对分子量相近的分析物选择性弱。超零界流体萃取的净化速度快，试剂用量少，但成本较高［4］。高效萃取吸管是将样品和固定相及吸附剂充分混合，并快速地从样品中提取化合物的一次性装置，净化速度快，溶剂用量少，但成本较高。我国对该提取法的研究还处于起步阶段，研究领域主要用于蔬菜［5］。国外使用高效萃取吸管法相对较多，GUAN等［6-8］就使用高效萃取吸管法做了许多相关性的农药残留检测试验，结果表明，该方法适用于大多数水果、蔬菜中农药残留的分离，净化效果好，回收率高。1.2QuEChERS前处理方法的介绍早在1989年，美国的路易斯安那州的大学教授BARKER等［9］提出基质固相分散萃取技术，将样品与C18为主的多种固体研磨、混匀后填柱，常用于微量药物样品的分离检测。随着基质固相分散萃取技术和固相萃取技术的进一步发展，2003年美国的ANASTASSIADES等经过不断试验探索，最终针对含水量高、基质简单的蔬菜水果样品开发出一种新的简单、高效的前处理方法，命名QuEChERS法。QuEChERS法具体步骤是：称取10g样品于聚四氟乙烯离心管中，加入10mL乙腈匀浆1min后，再加入4g无水硫酸镁和1g醋酸钠，将离心管密封、振荡、离心，取上层清液1mL于小型聚四氟乙烯离心管中，加入150mg无水硫酸镁和25mgPSA（N-丙基乙二胺）振荡、离心，用一次性注射器取上层清液过有机滤膜后，注入进样小瓶待检。实验室常用的提取溶剂有丙酮、乙腈、乙酸乙酯等。用丙酮作为提取溶剂时，大量色素、脂质会溶入丙酮，不易分离提纯，而且丙酮作为水溶性溶剂，需加入二氯甲烷或石油醚才能和水相分层，二氯甲烷毒性极大，不利于实验操作者的健康。乙酸乙酯微溶于水，极性强的农药在乙酸乙酯中的萃取效果不理想。用乙腈提取水果蔬菜中的农药时，提取的农药种类多、速度快、杂质少、有机相与水相分层时间短［10］，且乙腈毒性低，对实验人员危害较小，所以，经对比后，QuEChERS方法选用乙腈作为提取剂。在净化步骤中，QuEChERS方法选用无水硫酸镁作为脱水剂，PSA作为净化剂。实验室最常使用中性的无水硫酸钠来脱水，但由于无水硫酸镁脱水能力大约为无水硫酸钠的4倍［11］，脱水速度也快于无水硫酸钠，符合QuEChERS方法快速脱水的要求，因此，选用无水硫酸镁作为脱水剂。净化剂PSA的化学结构式中有2个胺基，所以，相对于只含有1个胺基的氨基粉，具有更强的离子交换能力。PSA中的2个胺基能够跟羟基形成共价键氢键，吸附样品基质中的脂肪酸、糖类、甾醇等杂质，从而达到净化目的，而且与净化剂氧化铝相比，PSA对许多农药吸附能力弱，净化效果好［12］。QuEChERS前处理方法结合色谱-质谱联用技术在农药残留检测中有着多方面的优势：简化了前处理过程，平均每个样品只需2~3min;提高了实验的可操作性，即使条件差的实验室也可使用该方法提取净化；适用于大部分农药残留的检测，也适用于几百种农药的多残留检测，而且回收率较高；减少溶剂使用量，降低实验成本，降低试剂对实验者的健康危害。目前，许多实验室在检测蔬菜水果中农药残留时都参考了QuEChERS前处理方法，许多仪器公司也根据QuEChERS方法，为用户制备了装有定量净化剂的净化管和前处理净化包，更加节省了前处理时间，提高了实验效率。国外科研工作者已经对QuEChERS方法进行了验证和改进［13］,目前改进后的QuEChERS方法分别在2007,2008年成为美国农业化学家协会(AOAC)和欧洲标准化委员会(CEN)的标准方法，我国也参考QuEChERS方法制定了一些标准。QuEChERS方法公布以来，全世界的科研工作者对该方法进行确证后，随即开始对QuEChERS方法进行改进研究，以便使其适用于更多领域。2.1对提取溶剂pH的控制科研工作者在使用QuEChERS方法中发现，部分农药在酸性或碱性基质中不稳定，容易降解，回收率偏低。SCHULZE等［14］在提取溶剂中加入柠檬酸盐，形成pH约为5.2的缓冲体系；LEHOTAY等［15］在提取溶剂中加入乙酸和乙酸钠，形成pH约为4.8的缓冲体系，缓冲盐的加入大大降低了酸碱敏感性农药的降解程度。净化剂的选择传统的QuEChERS方法使用的净化剂是PSA，面对复杂基质样品的检测，单一的净化剂已不能满足前处理的需求。GCB（石墨化碳黑）由于其特殊的化学结构，能有效吸附色素、甾醇等非极性干扰物，GCB对色素的吸附效果能达到90%，对色素含量较高的样品如韭菜、菠菜等有很好的净化效果。C18主要通过硅胶基质吸附剂来吸附脂肪等非极性干扰物，对脂肪含量较高的动物源农产品有很好的净化效果。此外，还有二氧化锆、氧化铝、EMR-Lipid等多种净化剂。根据不同的样品，选择合适搭配的净化剂组合，有利于提高净化效率。样品加水量的确定QuEChERS方法主要针对含水量较高的蔬菜水果进行农药提取；对于含水量较低的样品如鸡肉、奶粉、大米等农产品，需要适当加入适量的水（使样品含水量高于80%）来保障提取效率。不同的加水量对试验结果也有一定影响，如PAREJA等［16］在10g稻米中分别加入5,7.5,10g的水进行对比试验，结果表明，加入7.5g水的样品回收率较高。因此，对于含水量低的样品，如何达到最佳的提取效果，需要对加水量进行对比摸索试验。操作方法改进在用QuEChERS前处理方法处理样品时，需要加入无水硫酸镁，无水硫酸镁遇水放热并结块，样品温度升高会使一些热不稳定的农药如氧乐果、甲胺磷、甲拌磷、克菌丹等发生降解，降低回收率。因此，可以在样品匀浆前加入干冰，或将样品提前放入冰箱降温到4工后再匀浆［17］。为了防止无水硫酸镁遇水结块，加入无水硫酸镁后立即猛烈振荡离心管，或者用匀浆仪打散块状硫酸镁和样品。另外，对于高脂肪含量的动植物样品需放入冰箱冷冻过夜，对于含有硫化物的样品如枸杞，需要微预热后再进行提取［18］。用经典QuEChERS方法处理含水量较高的蔬菜水果时步骤简单，样品处理时间短，成本低，因此，许多实验室将其作为批量检测和多残留检测的前处理方法。张爱之等［19］根据QuEChERS前处理方法，选取几种典型蔬菜，用乙腈溶液（含体积比为1%的乙酸）作为提取剂，经无水硫酸镁脱水，PSA，GCB，C18净化，利用色谱-质谱串联技术完成了样品中250种农药的多残留测定，添加回收率为60%~120%，相对标准偏差为3.5%~19.5%。同时，该试验还对比了不同用量的无水硫酸镁和净化剂PSA,GCB,C18的净化效果，结果表明，对2mL样品进行净化时，无水硫酸镁，PSA,GCB,C18的使用量分别为0.3,0.2,0.01,0.1g时净化效果最好。NGUYEN等［20］进一步简化了QuEChERS方法，在使用色谱-质谱串联技术测定卷心菜和胡萝卜中107种农药时，由于样品中糖类、色素等干扰物较少，所以，简化了净化步骤，在样品中直接加入乙腈溶液（含体积比为1%的乙酸）提取，再加入无水硫酸镁和醋酸铵，振荡离心后，无需二次离心，取上层清液直接上机检测。该方法简单、快速，但仅适用于无脂肪、色素、糖类含量少的蔬菜样品，检测范围有局限性。除了常规农药的检测，作为监管机构，常常需要掌握农业种植过程中禁限用农药的使用情况，林涛等［21］采用QuEChERS方法，建立了蔬菜中常见的41种植物生长调节剂（莠去津、2,4-D等）和隐性、禁用性、限用性农药（多菌灵、灭幼脲、腈菌唑等）的测定方法。该方法用乙腈溶液（含体积比为1%的乙酸）提取样品，再经无水硫酸镁、PSA净化后直接进样分析，简化了样品预处理的操作步骤。试验还分别比较了不同提取溶剂（甲醇、乙腈、1%甲酸-甲醇、1%乙酸-甲醇、1%甲酸-乙腈、1%乙酸-乙腈）和不同量的无水硫酸镁(0.2,0.4,0.6,0.8,1.0g),PSA(0.04,0.06,0.08,0.1g)对于目标农药的提取情况，结果表明，当提取溶剂为1%乙酸-乙腈溶液，无水硫酸镁用量为0.6g,PSA用量为0.08g时，具有最佳的提取效果。研究还发现，由于基质效应，PSA的用量对氨基甲酸酯类农药的回收率影响较大。周纯洁等［22］将QuEChERS方法应用于蔬菜中植物生长延缓剂(矮壮素、缩节胺、丁酰肼)的检测，并对比了不同提取剂、净化剂对蔬菜中这3种植物生长延缓剂的提取净化效果。QuEChERS方法不仅被广泛应用于蔬菜水果中农药残留的测定，还适用于谷物、水产品、肉类等农产品及其他样品［23］中农药残留的检测。陈京都等［24］在5g稻谷中加入10mL水，再用QuEChERS方法提取净化，用液相色谱-质谱法测定样品中12种农药残留量，加标回收率符合农残分析要求。SAPOZHNIKOVA等［25］用QuEChERS方法建立了鲶鱼肌肉中18种农药以及PCB，PAHs，PBDE等多残留分析方法。范广宇等［26］用QuEChERS方法提取净化，测定了鱼(黄鳝、鲤鱼)、虾等高蛋白样品中的硫丹及其代谢物硫丹硫酸盐含量，试验结果能达到进出口水产品中硫丹的检测要求。魏月等［27］采用QuEChERS方法测定了蜂花粉中16种多环芳烃，为蜂花粉中有机污染物监测及风险评估提供了方法，该分析方法回收率符合分析检测要求。对于系统性的试验如农药残留登记试验，检测对象不仅是农产品，还有土壤、植株等，用统一的前处理方法处理不同种类的样品，能减少实验时间，提高工作效率。葛谦等［28-29］对QuEChERs前处理方法进行摸索改进，结合液相色谱-质谱检测法，建立了小麦籽粒、植株和土壤中氯啶菌酯及吡蚜酮的检测方法。曾凯等［30］也采用QuEChERS法测定了土壤中16种农药残留。QuEChERs方法的适用范围从蔬菜水果扩展到多种农产品及环境样品，为实验室多方面多需求的工作提供了便利。经过13a的发展，QuEChERS前处理方法作为一种简便、快速的残留前处理技术，被科研工作者不断改进并拓宽其应用范围。应用对象已从开始的含水量高的蔬菜水果，扩展到农副产品肉、奶、谷物、油料等，再到环境中的土壤、水、污染物等，今后还将更广泛地应用于各个领域。目前，QuEChERS前处理方法提取剂和净化剂比较单一，针对复杂基质的样品，提取和净化效果并不理想。而且由于部分农药的不稳定性，用QuEChERS方法处理多残留实验的技术还不够成熟。在今后的研究中，新的提取剂和净化剂将会不断被开发[31]，不同样品中提取剂、净化剂、加水量的比例将会不断完善，高灵敏度、高通量的检测设备在不断被研发，QuEChERS前处理方法与各种检测设备联用技术将日趋成熟，更好地为农药残留分析提供技术支持。【相关文献】ANASTASSIADESM，LEHOTAYSJ，STAJNBAHERD，etal.Fastandeasymulti-residuemethodemployingacetonitrileextraction/partitioningandquot;dispersivesolid-phaseextractionquot;forthedeterminationofpesticideresiduesinproduce[J].AOACInternational，2003，86(2)：412-431.[2]曾祥斌•农药残留检测前处理方法初探[J].农业科技与装备，2011(2):47-49.[3]李竺，郜洪文，陈玲，等•固相萃取技术在环境中农药残留分析的研究进展[J].世界科技研究与发展，2005，27(5):64-71.[4]梅婷，吴荣顺，魏波.QuEChERS方法在食品农残检测中的应用研究[J].中国果菜，2014,34:62-65.[5]林静佳•应用DPX方法快速测定蔬菜中有机磷残留量[J].广州医药，2012,43(4):58-61.GUANHX，BREWERAWE，MORGANSL.Newapproachtomultiresiduepesticidedeterminationinfoodswithhighfatcontentusingdisposablepipetteextraction(DPX)andgaschromatography-massspectrometry(GC-MS)[J].AgriculturalandFoodChemistry,2009,57(22):10531-10538.GUANHX,BREWERAWE,GARRISBST,etal.Multiresidueanalysisofpesticidesinfruitsandvegetablesusingdisposablepipetteextraction(DPX)andMicro-lukemethod[J].AgriculturalandFoodChemistry,2010,58(10):5973-5981.GUANHX,BREWERAWE,GARRISBST,etal.Disposablepipetteextractionfortheanalysisofpesticidesinfruitandvegetablesusinggaschromatography/massspectrometry[J].JournalofChromatographyA,2010(12):1867-1874.BARKERSA,LONGAR,SHORTCR.Isolationofdrugresiduesfromtissuesbysolidphasedispersion[J].Chromatography，1989，475：353-361．SCHENCKFJ，CALLERYP，GANNETTPM，etal.Comparisonofmagnesiumsulfateandsodiumsulfateforremovalofwaterfrompesticideextractsoffoods[J].JournalofAOACInternational，2002，85（5）：1177-1180.FRANKJ，OULKARDP，LEBOTAYSJ，etal.Comparisonofsolid-phaseextractionsorbentforcleanupinpesticideresidueanaly-sisoffreshfruitsandvegetables[J].JournalofSeparationScience，2002（25）：883-890.DIEZC，TRAGW.Comparisonofallacetonitrileextraction/partitioningandquot;dispersivesolid-phaseextractionquot;methodwithclassicalmultiresiduemethodsfortheextractionofherbicideresiduesinbarleysamples[J].ChromatographyA，2006（1/2）：11-23.SEHENCKF，HOBBSJ.Evaluationofthequick，easy，cheap，effective，ruggedandsafe（QuEChERS）approachtopesticideresidueanalysis[J].BullEnvironContainToxicol，2004，73：24-30.SCHULZEH，SCHERBAUME，ANASTASSIADESM．Development，validation，andapplicationofanacetylcholinesterase-biosensortestforthedirectdetectionofinsecticideresiduesininfantfood[J].BiosensBioelectron，2002，17（11/12）：1095-1105.LEHOTAYSJ，DEKOKA.Validationofafastandeasymethodforthedeterminationofresiduesfrom229pesticidesinfruitsandvegetablesusinggasandliquidchromatographyandmassspectro-metricdetection[J].JAOACInt，2005，88（2）：595-614.PAREJAL，CESIOV，HEINZENH，etal.EvaluationofvariousQuEChERSbasedmethodsfortheanalysisofherbicidesandothercommonlyusedpesticidesinpolishedricebyLC-MS/MS[J].Talanta，2011，83（5）：1613-1622．[17]倪建秀，陈涛，陈桂芳.QuEChERS方法在食用农产品农兽药残留检测中的应用进展J].现代农药，2016，15（5）：5-8.[18]刘满满，康澍，姚成.QuEChERS方法在农药多残留检测中的应用研究进展J].农药学学报，2013，15（1）：8-12.[19]张爱之，王全林，曹丽丽.QuEChERS-超高效液相色谱-串联质谱法测定蔬菜中250种农药[J].色谱，2016,34（2）:158-164.NGUYENTD，YUJE，LEEDM，etal.Amultiresiduemethodforthedeterminationof107pesticidesincabbgeandradishusingQuEChERSsamplepreparationmethodandgaschromatographymassspectrometry[J].FoodChemistry，2008，110（1）:207-213.林涛，邵金良，刘兴勇.QuEC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