Analys av organiska klorbekämpningsmedel i ett jordprov med en modifierad QuEChERS-metod med ammoniumformiat
Summary
Detta protokoll beskriver användningen av ammoniumformiat för faspartitionering i QuEChERS, tillsammans med gaskromatografi-masspektrometri, för att framgångsrikt bestämma organiska klorbekämpningsmedelsrester i ett jordprov.
Abstract
För närvarande representerar QuEChERS-metoden det mest använda provberedningsprotokollet över hela världen för att analysera bekämpningsmedelsrester i en mängd olika matriser både i officiella och icke-officiella laboratorier. QuEChERS-metoden med ammoniumformiat har tidigare visat sig vara fördelaktig jämfört med originalet och de två officiella versionerna. Å ena sidan är den enkla tillsatsen av 0,5 g ammoniumformiat per gram prov tillräcklig för att inducera fasseparation och uppnå god analytisk prestanda. Å andra sidan, ammoniumformiat minskar behovet av underhåll i rutinanalyser. Här tillämpades en modifierad QuEChERS-metod med ammoniumformiat för samtidig analys av rester av organisk klorpesticid (OCP) i jordbruksmark. Specifikt hydratiserades 10 g av provet med 10 ml vatten och extraherades sedan med 10 ml acetonitril. Därefter utfördes fasseparation med användning av 5 g ammoniumformiat. Efter centrifugering utsattes supernatanten för ett dispersivt rengöringssteg för fastfasextraktion med vattenfritt magnesiumsulfat, primär-sekundär amin och oktadecyllilan. Gaskromatografi-masspektrometri användes som analytisk teknik. QuEChERS-metoden med ammoniumformiat demonstreras som ett framgångsrikt alternativ för att extrahera OCP-rester från ett jordprov.
Introduction
Behovet av att öka livsmedelsproduktionen har lett till en intensiv och utbredd användning av bekämpningsmedel över hela världen under de senaste decennierna. Bekämpningsmedel appliceras på grödorna för att skydda dem från skadedjur och öka avkastningen, men deras rester hamnar vanligtvis i markmiljön, särskilt i jordbruksområden1. Dessutom har vissa bekämpningsmedel, såsom organiska klorbekämpningsmedel (OCP), en mycket stabil struktur, så deras rester sönderdelas inte lätt och kvarstår i jorden under lång tid2. I allmänhet har jorden en hög kapacitet att ackumulera bekämpningsmedelsrester, särskilt när den har ett högt innehåll av organiskt material3. Som ett resultat är jorden en av de delar av miljön som är mest förorenade av bekämpningsmedelsrester. Som ett exempel kan nämnas att en av de fullständiga studierna hittills har visat att 83 procent av 317 jordbruksmarker från hela EU var förorenade med en eller flera bekämpningsmedelsrester4.
Markföroreningar genom bekämpningsmedelsrester kan påverka icke-målarter, markens funktion och konsumenternas hälsa genom hela livsmedelskedjan på grund av resthalternas höga toxicitet 5,6. Följaktligen är utvärderingen av bekämpningsmedelsrester i marken avgörande för att bedöma deras potentiella negativa effekter på miljön och människors hälsa, särskilt i utvecklingsländerna på grund av bristen på strikta bestämmelser om användningen av bekämpningsmedel7. Detta gör det allt viktigare att analysera bekämpningsmedelsrester med flera restsubstanser. Den snabba och exakta analysen av bekämpningsmedelsrester i jord är dock en svår utmaning på grund av det stora antalet störande ämnen, liksom den låga koncentrationsnivån och de olika fysikalisk-kemiska egenskaperna hos dessa analyter4.
Av alla analysmetoder för bekämpningsmedelsrester har QuEChERS-metoden blivit det snabbaste, enklaste, billigaste, mest effektiva, robusta och säkraste alternativet8. QuEChERS-metoden omfattar två steg. I det första steget utförs en extraktion i mikroskala baserad på uppdelning via utsaltning mellan ett vattenhaltigt och ett acetonitrilskikt. I det andra steget utförs en rengöringsprocess med användning av en dispersiv fastfasextraktion (dSPE); denna teknik använder små mängder av flera kombinationer av porösa sorbenter för att avlägsna matrisstörande komponenter och övervinner nackdelarna med konventionell SPE9. Därför är QuEChERS ett miljövänligt tillvägagångssätt med lite lösningsmedel / kemikalier som går till spillo som ger mycket exakta resultat och minimerar potentiella källor till slumpmässiga och systematiska fel. Faktum är att det framgångsrikt har använts för rutinanalys med hög genomströmning av hundratals bekämpningsmedel, med stark tillämplighet i nästan alla typer av miljö-, jordbruks- och biologiska prover 8,10. Detta arbete syftar till att tillämpa och validera en ny modifiering av QuEChERS-metoden som tidigare utvecklats och kopplats till GC-MS för att analysera OCP i jordbruksmark.
Protocol
Representative Results
Discussion
Deursprungliga 9 och de två officiella versionerna13,14 av QuEChERS-metoden använder magnesiumsulfat tillsammans med natriumklorid-, acetat- eller citratsalter för att främja separation av acetonitril/vattenblandning under extraktion. Dessa salter tenderar emellertid att deponeras som fasta ämnen på ytorna i masspektrometrikällan (MS), vilket orsakar behovet av ökat underhåll av vätskekromatografi (LC) -MS-baserade metoder. När …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Jag vill tacka Javier Hernández-Borges och Cecilia Ortega-Zamora för deras ovärderliga stöd. Jag vill också tacka Universidad EAN och 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).
