Анализ хлорорганических пестицидов в образце почвы модифицированным подходом QuEChERS с использованием формиата аммония
Summary
Настоящий протокол описывает использование формиата аммония для фазового разделения в QuEChERS вместе с газовой хроматографией-масс-спектрометрией для успешного определения остатков хлорорганических пестицидов в образце почвы.
Abstract
В настоящее время метод QuEChERS представляет собой наиболее широко используемый протокол пробоподготовки во всем мире для анализа остатков пестицидов в широком спектре матриц как в официальных, так и в неофициальных лабораториях. Метод QuEChERS с использованием формиата аммония ранее оказался выгодным по сравнению с оригинальной и двумя официальными версиями. С одной стороны, простого добавления 0,5 г формиата аммония на грамм образца достаточно для индуцирования разделения фаз и достижения хороших аналитических показателей. С другой стороны, формиат аммония снижает потребность в техническом обслуживании в рутинных анализах. Здесь был применен модифицированный метод QuEChERS с использованием формиата аммония для одновременного анализа остатков хлорорганических пестицидов (OCP) в сельскохозяйственных почвах. В частности, 10 г образца гидратировали 10 мл воды, а затем экстрагировали 10 мл ацетонитрила. Далее фазовое разделение проводили с использованием 5 г формиата аммония. После центрифугирования супернатант подвергали дисперсионной твердофазной стадии очистки экстракции безводным сульфатом магния, первичным вторичным амином и октадецилсилананом. В качестве аналитического метода использовалась газовая хроматография-масс-спектрометрия. Метод QuEChERS с использованием формиата аммония демонстрируется в качестве успешной альтернативы для извлечения остатков OCP из образца почвы.
Introduction
Необходимость увеличения производства продуктов питания привела к интенсивному и широкому использованию пестицидов во всем мире в течение последних нескольких десятилетий. Пестициды применяются к сельскохозяйственным культурам для защиты их от вредителей и повышения урожайности, но их остатки обычно попадают в почвенную среду, особенно в сельскохозяйственных районах1. Кроме того, некоторые пестициды, такие как хлорорганические пестициды (OCP), имеют очень стабильную структуру, поэтому их остатки не разлагаются легко и сохраняются в почве в течение длительного времени2. Как правило, почва обладает высокой способностью накапливать остатки пестицидов, особенно когда она имеет высокое содержание органического вещества3. В результате почва является одним из экологических отсеков, наиболее загрязненных остатками пестицидов. Например, одно из полных исследований на сегодняшний день показало, что 83% из 317 сельскохозяйственных почв со всего Европейского Союза были загрязнены одним или несколькими остатками пестицидов4.
Загрязнение почвы остатками пестицидов может повлиять на нецелевые виды, функцию почвы и здоровье потребителей через пищевую цепь из-за высокой токсичности остатков 5,6. Следовательно, оценка остатков пестицидов в почвах имеет важное значение для оценки их потенциального негативного воздействия на окружающую среду и здоровье человека, особенно в развивающихся странах из-за отсутствия строгих правил использования пестицидов7. Это делает анализ пестицидов с несколькими остатками все более важным. Однако быстрый и точный анализ остатков пестицидов в почвах является сложной задачей из-за большого количества мешающих веществ, а также низкого уровня концентрации и разнообразных физико-химических свойств этих аналитов4.
Из всех методов анализа остатков пестицидов метод QuEChERS стал самым быстрым, простым, дешевым, эффективным, надежным и безопасным вариантом8. Метод QuEChERS состоит из двух этапов. На первом этапе выполняется микромасштабная экстракция, основанная на разделении путем засолки между водным и ацетонитрильным слоем. На втором этапе осуществляется процесс очистки с использованием дисперсионной твердофазной экстракции (dSPE); этот метод использует небольшие количества нескольких комбинаций пористых сорбентов для удаления матричных мешающих компонентов и преодолевает недостатки обычного SPE9. Следовательно, QuEChERS является экологически чистым подходом с небольшим количеством растворителей / химических веществ, поступающих в отходы, который обеспечивает очень точные результаты и сводит к минимуму потенциальные источники случайных и систематических ошибок. Фактически, он был успешно применен для высокопроизводительного рутинного анализа сотен пестицидов, с сильным применением почти во всех типах экологических, агропищевых и биологических образцов 8,10. Эта работа направлена на применение и проверку новой модификации метода QuEChERS, который был ранее разработан и связан с GC-MS для анализа OCP в сельскохозяйственных почвах.
Protocol
Representative Results
Discussion
Оригинальнаяверсия 9 и две официальные версии13,14 метода QuEChERS используют сульфат магния вместе с солями хлорида натрия, ацетата или цитрата для содействия разделению смеси ацетонитрила и воды во время экстракции. Однако эти соли, как правило,…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Я хотел бы поблагодарить Хавьера Эрнандеса-Борхеса и Сесилию Ортегу-Самору за их неоценимую поддержку. Я также хочу поблагодарить Universidad EAN и Universidad de La Laguna.
Materials
| 15 mL disposable glass conical centrifuge tubes | PYREX | 99502-15 | |
| 2 mL centrifuge tubes | Eppendorf | 30120094 | |
| 50 mL centrifuge tubes with screw caps | VWR | 21008-169 | |
| 5977B mass-selective detector | Agilent Technologies | 1617R019 | |
| 7820A gas chromatography system | Agilent Technologies | 16162016 | |
| Acetone | Supelco | 1006582500 | |
| Acetonitrile | VWR | 83642320 | |
| Ammonium formate | VWR | 21254260 | |
| Automatic shaker KS 3000 i control | IKA | 3940000 | |
| Balance | Sartorius Lab Instruments Gmbh & Co | ENTRIS224I-1S | |
| Bondesil-C18, 40 µm | Agilent Technologies | 12213012 | |
| Bondesil-PSA, 40 µm | Agilent Technologies | 12213024 | |
| Cyclohexane | VWR | 85385320 | |
| EPA TCL pesticides mix | Sigma Aldrich | 48913 | |
| Ethyl acetate | Supelco | 1036492500 | |
| G4567A automatic sampler | Agilent Technologies | 19490057 | |
| HP-5ms Ultra Inert (5%-phenyl)-methylpolysiloxane 30 m x 250 µm x 0.25 µm column | Agilent Technologies | 19091S-433UI | |
| Magnesium sulfate monohydrate | Sigma Aldrich | 434183-1KG | |
| Mega Star 3.R centrifuge | VWR | 521-1752 | |
| Milli-Q gradient A10 | Millipore | RR400Q101 | |
| p,p'-DDE-d8 | Dr Ehrenstorfer | DRE-XA12041100AC | |
| Pipette tips 2 – 200 µL | BRAND | 732008 | |
| Pipette tips 5 mL | BRAND | 702595 | |
| Pipette tips 50 – 1000 uL | BRAND | 732012 | |
| Pippette Transferpette S variabel 10 – 100 µL | BRAND | 704774 | |
| Pippette Transferpette S variabel 100 – 1000 µL | BRAND | 704780 | |
| Pippette Transferpette S variabel 20 – 200 µL | BRAND | 704778 | |
| Pippette Transferpette S variabel 500 – 5000 µL | BRAND | 704782 | |
| Vials with fused-in insert | Sigma Aldrich | 29398-U | |
| OCPs | CAS registry number | ||
| α-BHC | 319-84-6 | ||
| β-BHC | 319-85-7 | ||
| Lindane | 58-89-9 | ||
| δ-BHC | 319-86-8 | ||
| Heptachlor | 76-44-8 | ||
| Aldrin | 309-00-2 | ||
| Heptachlor epoxide | 1024-57-3 | ||
| α-Endosulfan | 959-98-8 | ||
| 4,4'-DDE-d8 (IS) | 93952-19-3 | ||
| 4,4'-DDE | 72-55-9 | ||
| Dieldrin | 60-57-1 | ||
| Endrin | 72-20-8 | ||
| β-Endosulfan | 33213-65-9 | ||
| 4,4'-DDD | 72-54-8 | ||
| Endosulfan sulfate | 1031-07-8 | ||
| 4,4'-DDT | 50-29-3 | ||
| Endrin ketone | 53494-70-5 | ||
| Methoxychlor | 72-43-5 |
References
- Sabzevari, S., Hofman, J. A worldwide review of currently used pesticides’ monitoring in agricultural soils. Science of The Total Environment. 812, 152344 (2022).
- Tzanetou, E. N., Karasali, H. A. Comprehensive review of organochlorine pesticide monitoring in agricultural soils: The silent threat of a conventional agricultural past. Agriculture. 12 (5), 728 (2022).
- Farenhorst, A. Importance of soil organic matter fractions in soil-landscape and regional assessments of pesticide sorption and leaching in soil. Soil Science Society of America Journal. 70 (3), 1005-1012 (2006).
- Silva, V., et al. Pesticide residues in European agricultural soils – A hidden reality unfolded. Science of The Total Environment. 653, 1532-1545 (2019).
- Vischetti, C., et al. Sub-lethal effects of pesticides on the DNA of soil organisms as early ecotoxicological biomarkers. Frontiers in Microbiology. 11, 1892 (2020).
- Alengebawy, A., Abdelkhalek, S. T., Qureshi, S. R., Wang, M. -. Q. Heavy metals and pesticides toxicity in agricultural soil and plants: Ecological risks and human health implications. Toxics. 9 (3), 42 (2021).
- Zikankuba, V. L., Mwanyika, G., Ntwenya, J. E., James, A. Pesticide regulations and their malpractice implications on food and environment safety. Cogent Food & Agriculture. 5 (1), 1601544 (2019).
- Varela-Martínez, D. A., González-Sálamo, J., González-Curbelo, M. &. #. 1. 9. 3. ;., Hernández-Borges, J. Quick, Easy, Cheap, Effective, Rugged and Safe (QuEChERS) extraction. Handbooks in Separation Science. , 399-437 (2020).
- Anastassiades, M., Lehotay, S. J., Štajnbaher, D., Schenck, F. J. Fast and easy multiresidue method employing acetonitrile extraction/partitioning and "dispersive solid-phase extraction" for the determination of pesticide residues in produce. Journal of AOAC International. 86 (2), 412-431 (2003).
- González-Curbelo, M. &. #. 1. 9. 3. ;., et al. Evolution and applications of the QuEChERS method. Trends in Analytical Chemistry. 71, 169-185 (2015).
- European Union. European Regulation (EC) NO 396/2005 of the European Parliament and of the Council of 23 February 2005 on maximum residue levels of pesticides in or on food and feed of plant and animal origin and amending Council Directive 91/414/EEC. Official Journal of the European Union. 70, 1-16 (2005).
- Kwon, H., Lehotay, S. J., Geis-Asteggiante, L. Variability of matrix effects in liquid and gas chromatography-mass spectrometry analysis of pesticide residues after QuEChERS sample preparation of different food crops. Journal of Chromatography A. 1270, 235-245 (2012).
- Lehotay, S. J., et al. Determination of pesticide residues in foods by acetonitrile extraction and partitioning with magnesium sulfate: Collaborative study. Journal of AOAC International. 90 (2), 485-520 (2007).
- European Committee for Standardization (CEN). Standard Method EN 15662. Food of plant origin-Determination of pesticide residues using GC-MS and/or LC-MS/MS following acetonitrile extraction/partitioning and clean-up by dispersive SPE-QuEChERS method. European Committee for Standardization. , (2008).
- González-Curbelo, M. &. #. 1. 9. 3. ;., Lehotay, S. J., Hernández-Borges, J., Rodríguez-Delgado, M. &. #. 1. 9. 3. ;. Use of ammonium formate in QuEChERS for high-throughput analysis of pesticides in food by fast, low-pressure gas chromatography and liquid chromatography tandem mass spectrometry. Journal of Chromatography A. 1358, 75-84 (2014).
- Han, L., Sapozhnikova, Y., Lehotay, S. J. Method validation for 243 pesticides and environmental contaminants in meats and poultry by tandem mass spectrometry coupled to low-pressure gas chromatography and ultrahigh-performance liquid chromatography. Food Control. 66, 270-282 (2016).
- Lehotay, S. J., Han, L., Sapozhnikova, Y. Automated mini-column solid-phase extraction clean-up for high-throughput analysis of chemical contaminants in foods by low-pressure gas chromatography-tandem mass spectrometry. Chromatographia. 79 (17), 1113-1130 (2016).
- Lehotay, S. J. Possibilities and limitations of isocratic fast liquid chromatography-tandem mass spectrometry analysis of pesticide residues in fruits and vegetables. Chromatographia. 82 (1), 235-250 (2019).
- Han, L., Matarrita, J., Sapozhnikova, Y., Lehotay, S. J. Evaluation of a recent product to remove lipids and other matrix co-extractives in the analysis of pesticide residues and environmental contaminants in foods. Journal of Chromatography A. 1449, 17-29 (2016).
- Varela-Martínez, D. A., González-Curbelo, M. &. #. 1. 9. 3. ;., González-Sálamo, J., Hernández-Borges, J. Analysis of pesticides in cherimoya and gulupa minor tropical fruits using AOAC 2007.1 and ammonium formate QuEChERS versions: A comparative study. Microchemical Journal. 157, 104950 (2020).
- González-Curbelo, M. &. #. 1. 9. 3. ;., Varela-Martínez, D. A., Riaño-Herrera, D. A. Pesticide-residue analysis in soils by the QuEChERS method: A review. Molecules. 27 (13), 4323 (2022).
- Anastassiades, M., Maštovská, K., Lehotay, S. Evaluation of analyte protectants to improve gas chromatographic analysis of pesticides. Journal of Chromatography A. 1015 (1-2), 163-184 (2003).
- Maštovská, K., Lehotay, S., Anastassiades, M. Combination of analyte protectants to overcome matrix effects in routine GC analysis of pesticide residues in food matrixes. Analytical Chemistry. 77 (24), 8129-8137 (2005).
- Rahman, M., Abd El-Aty, A., Shim, J. Matrix enhancement effect: A blessing or a curse for gas chromatography? – A review. Analytica Chimica Acta. 801, 14-21 (2013).
- Rouvire, F., Buleté, A., Cren-Olivé, C., Arnaudguilhem, C. Multiresidue analysis of aromatic organochlorines in soil by gas chromatography-mass spectrometry and QuEChERS extraction based on water/dichloromethane partitioning. Comparison with accelerated solvent extraction. Talanta. 93, 336-344 (2012).
- Lesueur, C., Gartner, M., Mentler, A., Fuerhacker, M. Comparison of four extraction methods for the analysis of 24 pesticides in soil samples with gas chromatography-mass spectrometry and liquid chromatography-ion trap-mass spectrometry. Talanta. 75 (1), 284-293 (2008).
- Ðurović-Pejčev, R. D., Bursić, V. P., Zeremski, T. M. Comparison of QuEChERS with traditional sample preparation methods in the determination of multiclass pesticides in soil. Journal of AOAC International. 102 (1), 46-51 (2019).
- European Commission. SANTE/11312/2021. Guidance document on analytical quality control and method validation procedures for pesticide residues analysis in food and feed. European Commission. , (2021).
