環(huán)境水樣中農(nóng)藥污染分析技術研究進展

郭婕， 張燕， 胡振國， 劉菲*

(1.中國地質大學(北京)水資源與環(huán)境學院， 水資源與環(huán)境工程北京市重點實驗室， 北京 100083；2.中石化石油工程地球物理有限公司， 北京 100029)

農(nóng)藥的使用有助于提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質量，但隨著其廣泛使用、濫用，農(nóng)藥殘留問題已引起國內(nèi)外廣泛關注。我國《農(nóng)藥中文通用名稱》(GB 4839—2009)中列出1274種農(nóng)藥，其中常用農(nóng)藥超過300種，登記的農(nóng)藥產(chǎn)品近30000個，但我國《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2006)中的農(nóng)藥僅有19種。美國《國家飲用水水質標準》(EPA 822-F-18-001)也只對23種農(nóng)藥規(guī)定了限值，《WHO飲用水水質準則》(第四版)對25種農(nóng)藥及其代謝物設定準則值，對農(nóng)藥的相關管理均不足。盡管隨著科學技術的發(fā)展，出現(xiàn)了農(nóng)藥多殘留的痕量分析，農(nóng)藥殘留限量標準不斷被更新，但在過去的幾年中，在環(huán)境中檢測到的新興的和不受管制的污染物的數(shù)量和類型一直在增加，包括藥物、破壞內(nèi)分泌的化合物、表面活性劑、農(nóng)藥和通過生物或非生物作用產(chǎn)生的轉化產(chǎn)物等，農(nóng)藥殘留限量標準修訂的速度遠遠不及新興污染物的檢出速度，對環(huán)境污染監(jiān)測和生態(tài)風險評估工作帶來新的挑戰(zhàn)[1-2]。

據(jù)報道，大多農(nóng)藥殘留研究均是對確定數(shù)量的目標物進行靶向分析，其中氣相色譜-質譜(GC-MS)、液相色譜-質譜(LC-MS)分析技術的應用廣泛[3-5]。然而，靶向分析需要購買標準物質建立明確的分析方法，對于那些沒有標準物質市售或價格昂貴的目標物，往往不在篩查清單中，且無法檢測環(huán)境中的未知污染物。因此，高靈敏度、高選擇性、高抗干擾能力、篩查快速的多農(nóng)殘高通量篩查確證分析方法應運而生。高分辨率質譜(HRMS)與氣相色譜或液相色譜聯(lián)用技術，如氣相色譜串聯(lián)四極桿飛行時間質譜(GC-Q-TOF/MS)[1]、液相色譜串聯(lián)四極桿飛行時間質譜(LC-Q-TOF/MS)[6]、液相色譜串聯(lián)離子淌度飛行時間質譜(LC-IM-TOF/MS)[7]、超高效液相色譜-四極桿/靜電場軌道阱高分辨質譜(UHPLC-Q/Orbitrap MS)[8]等，是當前非靶向篩查的主要分析技術，具有靈敏度高、選擇性強、篩查結果可靠性高等優(yōu)勢。Shao等[9]詳細闡述了當前食品基質中非靶向檢測方法的研究現(xiàn)狀和趨勢，指出樣品制備和分析技術是提高食品質量和安全研究的關鍵，數(shù)據(jù)分析和未知物識別是食品基質非靶向篩查分析的“瓶頸”，可通過開發(fā)先進的數(shù)據(jù)處理工具和建立綜合質譜(MS)或質譜-質譜(MS/MS)數(shù)據(jù)庫加以改進。隨著人們對食品基質中有機污染物非靶向篩查技術研究的不斷深入，環(huán)境水樣中農(nóng)藥的非靶向篩查方法的開發(fā)也成為目前檢測工作者的研究熱點。國外已有學者基于高分辨質譜將靶向篩查與非靶向篩查方法結合，表征海洋[1,10-11]、河流[12]、地下水[13]以及工業(yè)廢水[7]等水環(huán)境中的新興污染物，利用質譜數(shù)據(jù)庫和多種數(shù)據(jù)分析軟件鑒定出農(nóng)藥、藥品及個人護理品、阻燃劑等多種新型污染物。再如，Meng等[2]對我國淀山湖潛在污染物進行了目標和非目標分析，并識別出農(nóng)藥、藥物、表面活性劑、塑料添加劑等潛在污染物。許惠等[14]利用超高效液相色譜-四極桿/靜電場軌道阱高分辨質譜技術，對長江和烏江涪陵段的表層水、土壤及沉積物樣品進行非靶向篩查，經(jīng)全掃描非靶向篩查和Compound Discoverer 3.0軟件定性分析，初步共發(fā)現(xiàn)137種有機污染物，包括農(nóng)藥、藥物及個人護理產(chǎn)品(PPCPs)、塑料添加劑三類。但相比于食品領域，非靶向篩查在環(huán)境領域的關注度仍然較低。

本文概述了國內(nèi)外食品與水質中農(nóng)藥殘留限量標準法規(guī)的變遷，評述了近年來水質中農(nóng)藥篩查方法的研究進展。同時，系統(tǒng)總結了近五年來水質樣品中農(nóng)藥非靶向篩查方法的樣品前處理和檢測技術、質譜數(shù)據(jù)篩查確證技術現(xiàn)狀，并對相關技術特點進行了比較和展望。

1 國內(nèi)外農(nóng)藥殘留限量相關法規(guī)

環(huán)境中農(nóng)藥殘留一直是國際社會關注和研究的熱點，國內(nèi)外對其使用及殘留量已有嚴格的規(guī)定。許多國家和世界組織規(guī)定了食品和水質中農(nóng)藥的最大殘留限量(MRLs)，如國際食品法典委員會、歐盟(EU)、美國、日本、中國、韓國、加拿大等都制定了嚴格的規(guī)定。歐盟是世界上較早制定農(nóng)藥最大殘留限量標準的地區(qū)，20世紀70年代歐盟開始對食品中農(nóng)藥殘留立法管理，經(jīng)過不斷地修改和調整，許多農(nóng)藥最大殘留限量越來越低，同時一些新的農(nóng)藥被添加到法令中。1976年歐盟發(fā)布76/395/EEC《部分水果和蔬菜中的農(nóng)藥殘留最大限量》指令，該指令確定了43種農(nóng)藥活性物質在部分水果和蔬菜上的MRLs標準。隨后又相繼發(fā)布86/362/EEC《谷物中農(nóng)藥最大殘留限量》、86/363/EEC《動物源性食品中農(nóng)藥最大殘留限量》以及90/642/EEC《植物源性食品中農(nóng)藥最大殘留限量》法令，明確規(guī)定谷物及谷物加工品、水果和蔬菜等農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥的MRLs。1997年歐盟理事會發(fā)布97/41/EEC指令，將制定MRLs的范疇由蔬菜水果等初級植物源農(nóng)產(chǎn)品擴大到加工食品、合成食品和動物源食品[15]。2002年歐盟委員會又發(fā)布2002/66/EC《動植物產(chǎn)品農(nóng)藥殘留最高限量》，該指令修訂了林丹、五氯硝基苯、氯菊酯和對硫磷4種農(nóng)藥在水果、蔬菜及谷物中的限值，要求最大殘留限量應低于分析檢出限。

截至2003年，歐盟共發(fā)布37個有關農(nóng)藥MRLs的指令，制定出194種農(nóng)藥活性物質在190種食品中共28689項農(nóng)藥的MRLs標準，其中有3/4以上的MRLs標準設定在檢測限之上[16]。2008年9月歐盟實施了新的農(nóng)藥殘留法規(guī)(EC)396/2005，涉及315種食品和農(nóng)產(chǎn)品中471種農(nóng)藥，條例中農(nóng)藥殘留限量數(shù)量增加到118000多個，對于沒有設立殘留限量的農(nóng)藥要求其含量小于0.01mg/kg。2015年歐盟對1998年頒布實施的飲用水水質指令98/83/EC進行修訂,其中農(nóng)藥指標通過單一農(nóng)藥和農(nóng)藥總量兩項指標進行限定，限值分別為0.1μg/L和0.5μg/L，規(guī)定艾氏劑、狄氏劑、七氯和環(huán)氧七氯的濃度不能超過0.03μg/L，所有檢出農(nóng)藥的總濃度不能超過0.5μg/L。

1975年美國環(huán)境保護署(EPA)首次發(fā)布具有強制性的《飲用水一級規(guī)程》，并于1979年發(fā)布《飲用水二級規(guī)程》，隨后的幾年內(nèi)該標準進行了多次修訂。2009年5月美國EPA頒布《國家飲用水水質標準》(EPA 816-F-09-004)，該標準將指標分為兩大類：一級飲用水規(guī)程，為強制實施標準；二級飲用水規(guī)程，為非強制性標準，該國各州可以根據(jù)實際情況采納部分指標作為強制指標。其中一級飲用水規(guī)程共包含88項指標，含有農(nóng)藥21項，該規(guī)程中MRLs值最低的農(nóng)藥為林丹及環(huán)氧七氯，殘留限量僅為0.0002mg/L；MRLs值最高的農(nóng)藥為草甘膦，其殘留限量為0.7mg/L。2012年美國EPA頒布《國家飲用水水質標準》(EPA 822-S-12-001)，共有112項指標，與2009年的標準相比，增加了3項涕滅威類農(nóng)藥指標(涕滅威、得滅克、涕滅威亞砜)，由于類似的作用方式，三種化學物質中的兩種或多種的任何組合的MRLs值不應超過0.007mg/L。2018年3月美國EPA發(fā)布《國家飲用水水質標準》(EPA 822-F-18-001)并一直沿用至今，該標準修訂了2012年飲用水標準中健康建議(DWSHA)表內(nèi)相關指標限值。

我國《地表水環(huán)境質量標準》(GB 5749-85)發(fā)布于1985年，該標準并未包含農(nóng)藥。2001年6月，衛(wèi)生部頒布《生活飲用水衛(wèi)生規(guī)范》(GB/T 5750—2001)，該規(guī)范中共包含水質指標96項，分別為34項常規(guī)檢測項目及62項非常規(guī)檢測項目。與《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—85)相比，加強了對有機污染的監(jiān)測，增加了甲草胺、滅草松、林丹等18種農(nóng)藥，相關限值范圍為0.001～0.5mg/L。2006年，GB 5749—85修訂為《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2006)，與《生活飲用水衛(wèi)生規(guī)范》(GB/T 5750—2001)相比，該標準刪去了甲草胺、葉枯唑、內(nèi)吸磷等農(nóng)藥指標，添加了莠去津(0.002mg/L)、呋喃丹(0.007mg/L)、毒死蜱(0.03mg/L)等農(nóng)藥。1993年，我國發(fā)布《地下水質量標準》(GB/T 14848—1993)，該標準將地下水劃分為五類，并對不同類別地下水檢測指標規(guī)定了相應限值。該標準僅含六六六及滴滴涕兩種農(nóng)藥指標，Ⅱ類水標準下限值分別為≤0.05μg/L及≤0.005μg/L。2017年，我國發(fā)布《地下水質量標準》(GB/T 14848—2017)，替代GB/T 14848—1993，水質指標增加至93項，其中六六六及滴滴涕分別用六六六(總量)及滴滴涕(總量)替代，并調整Ⅱ類水標準限值為≤0.5μg/L及≤0.1μg/L，同時該標準中增添了克百威、敵敵畏、樂果等多種農(nóng)藥指標。這些法律法規(guī)的實施，加強了對農(nóng)藥的監(jiān)管，確保了農(nóng)藥的規(guī)范使用，從而保護人體健康。但是，如此眾多的最大殘留限量法律法規(guī)對農(nóng)藥殘留的篩查分析提出了新的挑戰(zhàn)性問題。

2 水環(huán)境中農(nóng)藥篩查進展

水資源污染是環(huán)境保護和可持續(xù)性面臨的主要問題之一，隨著農(nóng)藥的廣泛使用，農(nóng)藥濫用等情況導致農(nóng)藥殘留進入水環(huán)境中，對環(huán)境和人類健康構成潛在威脅。因此，調查水質中微量農(nóng)藥的存在情況對評估水環(huán)境污染十分重要。據(jù)報道，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用了1300種農(nóng)藥和化學藥品[17]，農(nóng)藥殘留在不同領域已有許多研究報道[18-19]，這些研究僅針對某些靶向化合物，不足以明確評估環(huán)境的質量，必須考慮同時存在的潛在有害的未知污染物。因此，針對水質中農(nóng)藥殘留建立一套全面的篩查方法十分必要。

樣品前處理是農(nóng)藥殘留篩查過程中的重要步驟之一，是篩查結果的可靠性、準確性和重現(xiàn)性的基礎與保障，可分為樣品的提取和凈化過程。因此，開發(fā)簡便、快速、準確的前處理方法對于農(nóng)藥殘留篩分析工作尤為重要。傳統(tǒng)的樣品前處理技術如液液萃取，由于萃取劑用量多、操作復雜和回收率低等問題，逐步被新興的樣品前處理方法所取代。現(xiàn)有水質中農(nóng)藥殘留的前處理方法主要包括液相微萃取技術[20-21]、固相萃取技術[22]、固相微萃取技術[23]、分散固相萃取技術[24]等。新興的樣品前處理方法有效降低了基質干擾，提高了分析的重現(xiàn)性和準確度，同時一次可提取化合物的種類顯著提升，為水質中農(nóng)藥的非靶向篩查分析提供支撐。

氣相色譜(GC)與高效液相色譜(HPLC)是傳統(tǒng)的農(nóng)藥檢測技術，通過使用不同的檢測器可實現(xiàn)對多種物質的檢測。但這些檢測器大多只適合某一類農(nóng)藥檢測，很難實現(xiàn)多殘留分析。氣相色譜-電子俘獲檢測器廣泛應用于有機氯、擬除蟲菊酯、氨基甲酸酯類農(nóng)藥檢測；氣相色譜-火焰光度檢測器僅用于檢測含硫、磷的農(nóng)藥殘留；高效液相色譜-紫外吸收檢測器只能檢測對紫外有吸收的農(nóng)藥；大部分農(nóng)藥本身并不發(fā)射熒光，限制了高效液相色譜-熒光檢測器在農(nóng)藥分析中的應用。隨著分析方法逐漸向高通量方向發(fā)展，單一氣相色譜法應用范圍越來越少，色譜與質譜聯(lián)用技術結合了色譜的高分離性能和質譜的結構準確鑒定特點，逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)檢測器，成為農(nóng)藥殘留檢測方面最有效的檢測手段。

基于高分辨率質譜(HRMS)的出現(xiàn)，農(nóng)藥殘留的靶向篩查可擴展至未知物的非靶向篩查。目前，幾種基于高分辨率質譜的分析策略已被報道用于環(huán)境樣品的分析[1,25-26]：①靶向篩查。其目的是檢測和定量特定物質；②可疑篩查。用于從可疑靶標列表中鑒定已知化合物；③非靶向篩查。指在沒有有關化合物任何信息的情況下對未知化合物進行篩查鑒定。高分辨率質譜可使用包含化學式和質譜信息的數(shù)據(jù)庫進行未知化合物的非目標篩查，為快速鑒定水環(huán)境中沒有參考標準物質的化合物提供了有效和實用的方法[27-28]。近些年來，已經(jīng)發(fā)表了越來越多的相關分析方法研究成果(表1)。隨著農(nóng)藥殘留標準的日益嚴格及農(nóng)藥殘留檢測項目的不斷增多，研發(fā)簡便、高效、高通量的農(nóng)藥多殘留全面篩查確證分析技術迫在眉睫。

表1 基于高分辨率質譜(HRMS)不同分析方法的應用

(續(xù)表1)

(續(xù)表1)

3 樣品前處理方法

篩查確證分析是在滿足一定分析靈敏度基礎上的定性分析，而當進行痕量水平分析時，樣品的提取和凈化是極其重要的步驟。優(yōu)化樣品前處理過程，旨在減少基質干擾并提高準確度、靈敏度、回收率和低檢測限水平，這對于儀器分析至關重要[44]。水環(huán)境中的農(nóng)藥殘留具有種類多、濃度低等特點，需要采集較大體積的水樣進行富集與濃縮，這決定了水環(huán)境中農(nóng)藥的前處理方法不同于食品樣品而種類繁多。傳統(tǒng)的前處理方法如液液萃取[45]、固相萃取廣泛應用于水環(huán)境中的農(nóng)藥殘留的靶向分析中[46-47]。隨著技術的發(fā)展，基于傳統(tǒng)的前處理方法衍生出液相微萃取[48-49]、固相微萃取[50]、分散固相萃取[51-52]、磁分散固相微萃取[53]、加速溶劑萃取[54]、攪拌棒吸附萃取[55]等技術，這些萃取技術在近幾年水體中農(nóng)藥殘留檢測方面的應用逐漸增多。

3.1 液液萃取

液液萃取(LLE)，是一種利用物質在兩相的溶解性差異實現(xiàn)分離和富集的前處理技術。目前常用的萃取劑有二氯甲烷、正己烷、苯、鹵代烴等。該方法具有分離效果好、處理量大、操作簡單等優(yōu)點。陳峰等[56]采用液液萃取分析地表水中25種有機氯農(nóng)藥(OCPs)，使用正己烷萃取，25種OCPs方法檢出限范圍為0.32～1.34ng/L，樣品加標回收率為74.0%～103%，滿足地表水中有機氯的檢測要求。Murrell等[57]對比了傳統(tǒng)的液液萃取和攪拌棒吸附萃取(SBSE)兩種技術在廢水和地表水樣品中的應用。對于分析的14種目標化合物，以二氯甲烷為萃取劑的液液萃取能夠提取所有目標化合物，回收率為19%～159%；SBSE的回收率在19%～117%，但其只能提取8種化合物，此提取方法的極性偏差。同時這項研究將全面的提取方法與GCGC-TOFMS結合進行可疑篩查分析，在實際水樣中篩查出殺蟲劑和除草劑的降解產(chǎn)物。相較于SBSE，液液萃取可以提取的化合物類別范圍更大，但其溶劑消耗大、選擇性差、耗時且不夠自動化。

3.2 固相萃取

固相萃取技術基于液-固相色譜理論，采用選擇性吸附、選擇性洗脫的方式對樣品進行富集、分離和純化，包括固相柱萃取及固相膜萃取。常見的固相萃取材料有HLB柱、C18柱和SDB-XC柱、C18萃取膜、HLB萃取膜等。白雪媛[58]利用C18固相萃取膜結合全自動固相萃取儀建立了82種農(nóng)藥檢測方法，萃取劑為乙酸乙酯-丙酮(3∶1，體積比)，農(nóng)藥回收率為50%～130%，所有農(nóng)藥的相對標準偏差(RSD)均小于30%(n=8)，方法檢出限低于200ng/L。同時該研究與傳統(tǒng)液液萃取的前處理方法進行了對比分析，固相萃取方法可自動化、受人為操作影響小、富集倍數(shù)高、萃取劑消耗小且毒性小。近幾年，新型吸附材料逐漸受到關注，固相萃取材料的開發(fā)成為研究熱點，如功能化的石墨烯材料等。Amini等[59]將石墨化炭黑(GCB-4)顆粒嵌入聚四氟乙烯(PTFE)網(wǎng)絡中制成圓盤，將固相萃取(SPE)和表面輔助激光解吸電離質譜結合，應用于農(nóng)業(yè)排水中的農(nóng)藥分析。

3.3 其他前處理方法

Akbarzade等[53]制備了零價鐵還原氧化石墨烯量子點，作為一種新型高效的吸附劑，利用磁性分散固相萃取對真實水樣中的五種有機磷農(nóng)藥進行預濃縮和測定，該方法檢出限低至0.07ng/L，所有真實樣品的相對回收率為82.9%～113.2%，RSD平均值小于5.8%。該方法采用磁性粒子材料作為萃取劑，可與分析物充分接觸，從而提高回收率，且可利用磁鐵回收吸附材料，操作快速簡單；張洋陽等[60]采用頂空固相微萃取方法，以二甲基硅氧烷/二乙烯基苯(PDMS/DVB)萃取纖維頭檢測水中34種有機氯農(nóng)藥和氯苯類化合物。方法檢出限為3.5～8.5ng/L，樣品加標回收率為70.2%～108%，RSD為0.98%～15.8%。該方法利用萃取頭(纖維)吸附樣品中的揮發(fā)性或半揮發(fā)性有機污染物，將萃取頭置于儀器進樣口，進行熱解吸或溶解。提取、凈化一步完成，減少了萃取過程中目標物質的損失，方法的選擇性強。

大部分前處理方法只能提取分離單個或某類性質相似的農(nóng)藥，多種新興前處理方法還在發(fā)展之中，存在較大的局限性，客觀制約了農(nóng)藥多殘留分析的開展。QuEChERS前處理技術是目前水果、蔬菜等食品基質中農(nóng)藥殘留篩查最常見的前處理方法，該方法采用乙腈進行提取分離，加入無水硫酸鎂等鹽類除水，再加入吸附劑去除雜質，最后吸取上清液進行檢測，具有溶劑用量少、操作簡便、分析速度快等優(yōu)點，是一種發(fā)展?jié)摿艽蟮那疤幚矸椒ā６滔噍腿∫蚱渚哂袡C溶劑的低消耗、高濃縮系數(shù)、多種吸附劑的可選擇性以及應用的多樣性等特點，成為水質中非靶向篩查最常用的前處理方法[36,43,59,61]。常見的固相萃取小柱有HLB柱、C18柱和SDB-XC柱等，其中HLB小柱是水質檢測中農(nóng)藥殘留非靶向篩查最常用的凈化材料之一[10,34,39,62]。Moschet等[38]以HLB小柱為凈化材料，使用固相萃取-液相色譜和氣相色譜—飛行時間質譜法篩查加利福尼亞北部薩克拉曼多—圣華金河三角洲的5000多種目標化合物和可疑化合物。Tian等[1]使用HLB固相萃取柱結合高分辨率質譜儀進行可疑物和非目標物篩查來表征普吉特海灣(美國華盛頓州)近海海洋環(huán)境中新出現(xiàn)的污染物，識別出兩種新型的農(nóng)藥轉化產(chǎn)物。

在非靶向篩查中，高選擇性的固相萃取(SPE)凈化過程中可能會發(fā)生分析物損失，且化合物的極性和化學性質不同，僅通過一種SPE萃取無法多種化合物，因此基于吸附材料的樣品前處理優(yōu)化成為非靶向篩查的優(yōu)勢，這是未來非靶向檢測研究的熱點方向。Chau等[40]分別對五種萃取材料(C18、PS2、HLB、AC2、PLS-3)進行探究，C18以十八烷基二氧化硅為吸附劑，PS2、HLB和PLS-3主要以苯乙烯-二乙烯基苯為吸附劑，而AC2以活性炭為吸附劑。使用128種農(nóng)藥及190種模型化合物進行方法優(yōu)化表征，最終以采用苯乙烯-二乙烯基苯聚合物和活性炭固相萃取柱串聯(lián)可萃取具有廣泛理化特性(logPow值為-2.2～8.53)的有機化合物。所開發(fā)的方法在添加水平為0.05μg/L的條件下提取190種模型化合物，平均回收率為87.1%，RSD平均值為10.8%。Gao等[63]使用具有不同吸附劑(HLB、MAX和MCX)的平行SPE來萃取和純化多類多殘留農(nóng)藥和藥物，并選擇了25種性質不同的農(nóng)藥和藥物評估該方法的可行性，萃取效果良好。此外，金屬有機骨架(MOF)因其可調節(jié)的孔徑和較大的表面積成為一種新型吸附材料，引起了人們廣泛的關注[64-66]。但是，某些MOF的水穩(wěn)定性較差，其結構易于在溶液中坍塌。因MOF中結構缺陷的存在限制了MOF吸附劑在水質檢測中的應用[67]，對其結構缺陷的控制尚需進一步改進。

4 儀器分析技術

4.1 氣相色譜-質譜聯(lián)用技術

氣相色譜-質譜聯(lián)用技術適用于揮發(fā)性或半揮發(fā)性物質的痕量分析，既具有氣相色譜的高分離效能，又利用了質譜準確鑒定化合物結構的特點，是農(nóng)藥殘留靶向分析的常規(guī)檢測手段，采用氣相色譜-串聯(lián)質譜(GC-MS)技術可分析食品、水體、土壤等多種基質中的農(nóng)藥殘留，在國內(nèi)外農(nóng)藥殘留檢測領域的應用十分廣泛[68-70]。羅曉飛等[46]建立了同時測定飲用水中 67 種農(nóng)藥殘留的固相膜萃取-氣相色譜串聯(lián)質譜法。除敵敵畏、速滅威等部分農(nóng)藥外，該方法線性范圍為0.05～5μg/L，大多數(shù)農(nóng)藥的檢出限小于0.2μg/L，方法回收率為81.0%～125.0%(n=3)，RSD平均值為1.5%～21.4%(n=6)。該方法準確靈敏、操作簡便且環(huán)保，適用于生活飲用水中多種農(nóng)藥殘留的同時快速分析。Cacho等[71]使用原位離子分散微萃取技術結合氣相色譜-質譜聯(lián)用法(GC-MS)測定了不同來源的環(huán)境水中定9種有機磷農(nóng)藥。該方法使用熱脫附注射器作為樣品引入系統(tǒng)，優(yōu)化了影響微萃取和樣品進樣步驟的參數(shù)，所提出的方法顯示出良好的精密度，RSD值在4.1%～9.7%之間，回收率為97%～113%。

氣相色譜串聯(lián)二級質譜(GC-MS/MS)在氣相色譜串聯(lián)一級質譜(GC-MS)的基礎上增加了子離子的質譜信息，增強了結構解析和定性能力[72]。GC-MS/MS法較GC-MS法具有更強的抗干擾能力，能有效排除基質干擾，具有高選擇性、高靈敏度高和定量準確等優(yōu)點，在農(nóng)藥多殘留靶向分析中被廣泛應用[73-74]。王乙震等[73]采用固相萃取-氣相色譜串聯(lián)二級質譜(SPE-GC-MS/MS)對地表水中18種有機磷殘留物進行分析測定，結合Bond ElutC18和Oasis HLB兩種固相萃取柱，有效富集其中的16種有機磷農(nóng)藥(OPPs)。結果表明，16種OPPs的回收率為46.1%～117.2%，RSD為1.1%～15.8%，方法檢出限為0.09～0.82ng/L，該方法滿足地表水水質檢測需求。

4.2 液相色譜-質譜聯(lián)用技術

液相色譜-質譜聯(lián)用技術相比于氣相色譜-質譜聯(lián)用技術的應用范圍更廣泛，因為它適用于極性強、不穩(wěn)定、不易衍生化、不易揮發(fā)和分子量較大的化合物，幾乎能檢測所有的化合物[75]。氣相色譜-質譜聯(lián)用技術可分為單級的 LC-MS 和多級的 LC-MS/MS。相對于 LC-MS，LC-MS/MS 技術可產(chǎn)生更多的質譜信息，提供更多的結構信息，為復雜體系中痕量組分的定性、定量分析提供了可能性。因此，液相色譜-質譜聯(lián)用技術被廣泛地應用于復雜樣品基質中農(nóng)藥多殘留檢測，成為目前最常用的分析工具之一。楊敏娜等[76]采用超高效液相色譜-串聯(lián)質譜法(UPLC-MS/MS)測定地表水中21種氨基甲酸酯和有機磷農(nóng)藥，在8min內(nèi)實現(xiàn)21種化合物的分離檢測，對空白水樣做3個質量濃度水平的加標回收試驗，5次測定結果的RSD值為0.3%～9.5%，回收率為82.0%～113.0%。

Hernandez等[77]基于在線固相萃取(SPE)與液相色譜(LC)電噴霧(ESI)串聯(lián)質譜(MS-MS)相結合，分析環(huán)境地下水和地表水中29種殺蟲劑和6種代謝物，所有化合物在0.5mg/L和0.1mg/L濃度下可準確定量。液相色譜-質譜聯(lián)用技術的使用已從檢測優(yōu)先污染物轉變?yōu)閷D化產(chǎn)物的識別和檢測[78]。Richardson[79]在對環(huán)境質譜的綜述中也指出這種趨勢，提出降解產(chǎn)物(通常為水解產(chǎn)物)在環(huán)境中的含量可能比母體農(nóng)藥本身更高。但液相色譜-質譜聯(lián)用技術具有一定的局限性，難以對未知轉化產(chǎn)物進行識別與定量。

4.3 高分辨質譜快速篩查定性分析技術

環(huán)境中農(nóng)藥種類繁多、極性差異較大，常規(guī)的分析方法如GC-MS、GC-MS/MS、LC-MS/MS等，具有一定的局限性，需要通過對定量離子、定性離子及保留時間確認待測化合物，且難以產(chǎn)生信息豐富的二級質譜圖，常用于目標物分析，并且需要參考標準物質對照，忽略了潛在的未知化合物。雖然也可以設定全掃描模式，但該類方法在此掃描模式下靈敏度有限，分辨率差，難以準確定性，達不到農(nóng)殘檢測的要求。因此，快速、高分辨率的高分辨率質譜(HRMS)非靶向分析手段應運而生。HRMS具有高分辨率、精確的質量測定和全掃描模式下的高靈敏度等優(yōu)點，將高分辨質譜與LC或者與GC聯(lián)用，高速掃描功能可以打破檢測過程中分析物數(shù)量的限制，從而達到同時篩查多種農(nóng)藥殘留的目的。此外，全掃描模式具有非目標物質篩選和數(shù)據(jù)跟蹤的功能。因此，它被廣泛應用于土壤、水和食物中農(nóng)藥殘留的篩查和確認[80-82]。氣相色譜-四極桿飛行時間質譜法(GC-Q-TOF/MS)、液相色譜-四極桿飛行時間質譜法(LC-Q-TOF/MS)、超高效液相色譜-四極桿/靜電場軌道阱高分辨質譜(UPLC-Q-orbitrap/MS)以及液相色譜-三重四極桿/線性離子阱質譜法(LC-Q-TRAP/MS)等高分辨率質譜(HRMS)分析技術，已成為近年來非靶向篩查分析的發(fā)展趨勢。

四極桿飛行時間質譜(Q-TOF/MS)具有質量范圍寬、分辨率高、分析速度快等特點，Q-TOF/MS儀器極高的數(shù)據(jù)采集速率可與超高效液相色譜完全兼容，一次運行即可高通量檢測所有預期和未預期的分析物，無需預先調整某些預測物種的檢測數(shù)量，并且無需進行各種采集后數(shù)據(jù)過濾和處理選項，就可以直接對未知物進行篩查識別。因此，GC-Q-TOF/MS及LC-Q-TOF/MS在水中非靶向農(nóng)藥殘留分析領域中具有突出優(yōu)勢[10,36]。Campos-Maas等[36]利用LC-Q-TOF/MS檢測技術，結合固相萃取前處理方法，對農(nóng)業(yè)食品廢水中的未知農(nóng)藥及其可能的轉化產(chǎn)物進行鑒定。將質量誤差小于5ppm和至少含有兩個特征子離子，用作陽性鑒定標準。此外，與自制的保留時間(RT)預測模型相比，保留時間的±2min的差異對于陽性鑒定也很有幫助[83]。Wang等[33]使用GC-Q-TOF/MS結合大型數(shù)據(jù)庫PCDL及NIST14全面分析了廢水處理過程中的微量污染物，在處理過程中鑒定出117種化合物，包括農(nóng)藥、抗氧化劑和多環(huán)芳烴等，這些化合物可能通過污水處理廠的廢水處理而對水環(huán)境和人類造成威脅。

靜電場軌道阱高分辨質譜(Orbitrap/MS)通過測定離子的運動頻率，可計算分子離子的質荷比，具有分辨率高、與強度無關的高質量準確度、質量范圍廣、不需要內(nèi)部校準等優(yōu)點。此外，在靜電場軌道阱前面串聯(lián)四極桿，將四極桿特有高選擇性與高分辨、高準確度的軌道阱檢測技術相結合，提供了高質量的全掃描和 MS/MS 數(shù)據(jù)，通過單次分析可對成百上千種痕量組分進行識別、定量和確認[84-85]。與Q-TOF/MS相比，線性離子阱靜電場軌道阱高分辨質譜(LTQ-Orbitrap/MS)的優(yōu)勢在于更高的分辨能力，這使其具有更好的質量準確性。該技術自面世以來，被廣泛應用于未知物分析[86]。Cotton等[87]開發(fā)了一種新型的全自動污染物篩查方法，該方法將樣品凈化、預濃縮和超高效液相色譜-靜電場軌道阱高分辨質譜(UHPLC-Orbitrap/MS)線上結合，通過優(yōu)化在線固相萃取、色譜和質譜參數(shù)，獲得目標分析物的最佳分離和最低檢測限。該方法可以同時對539種化合物(農(nóng)藥和藥物)進行半定量分析，發(fā)現(xiàn)了法國巴黎及其周邊地區(qū)收集的20個自來水樣品中有34種不同化合物存在檢出，濃度均低于0.1mg/L，符合歐盟對飲用水的限量要求。此外，Cotton等還評價了該方法的重復性、選擇性、線性和基質效應等以實現(xiàn)方法驗證。

5 數(shù)據(jù)篩查確證技術

嚴格來說，非靶向篩查可分為廣義和狹義兩類。廣義的非靶向篩查主要是指根據(jù)組學方法(例如代謝組學、蛋白質組學和食品組學)篩查污染物并識別樣品基質中化學成分的差異，而狹義的非靶向篩查則主要利用已建立的數(shù)據(jù)庫篩查污染物。所以，狹義的非靶向篩查技術的實用性取決于數(shù)據(jù)庫的大小，并且需要使用其他篩查確證方法如化學計量統(tǒng)計學工具來實現(xiàn)廣義的非靶向篩查。

數(shù)據(jù)篩查確證分析的流程通常包括：①提取質譜峰，獲得準確質量數(shù)；②對照空白樣品排除無關雜峰；③利用相關軟件，使用如去卷積等功能分離共流出組分，使用軟件設置相應參數(shù)(如精確質量差、峰面積、保留時間差等)篩查未知峰；④檢索數(shù)據(jù)庫初步鑒定未知物；⑤使用其他篩查確證方法再次鑒定未知物。

5.1 篩查確證相關指導標準

不同類型和模式的質譜檢測器具有不同的選擇性，這關系到鑒別的可靠性。目前，國內(nèi)外相關組織尚未發(fā)布針對未知物篩查確證的鑒定標準，但是有部分指南可以被視為鑒定的指導標準，而不是證明存在或不存在分析物的絕對標準。

歐盟發(fā)布的《食品和飼料中農(nóng)藥殘留和分析的分析質量控制和方法驗證程序指南》(SANTE/11813/2017)，根據(jù)不同質譜分析技術提出不同的識別要求：①四極桿、離子阱、TOF等一級質譜技術的最少定量離子數(shù)為3，而三重四極桿、離子阱、Q-TOF、Q-Orbitrap等二級質譜技術在識別標準中要求最少含有2個產(chǎn)物離子數(shù)。②高分辨率質譜技術如(Q-)TOF、(Q-)Orbitrap、FT-ICR-MS等要求最少含有2個離子且質量精度≤5ppm。此外，所有質譜技術均要求信噪比(S/N)≥3，且在提取的離子色譜圖中，兩個產(chǎn)物離子的分析峰必須完全重疊；美國FDA《在美國食品和獸藥管理局辦公室使用精確質量數(shù)據(jù)確認化學殘留物的驗收標準》文件中也提出相似的標準，詳細要求列于表2。另外，根據(jù)歐盟方法學標準2002/657/EC，質譜方法定性確證必須達到4個定性點，定性點越多定性越準確，反之則容易出現(xiàn)假陽性結果。近年來，這些指導標準被廣泛應用于食品及水質中非靶標篩查研究[1,88-89]。

表2 質譜數(shù)據(jù)確認化學殘留物的驗收標準

5.2 高分辨質譜數(shù)據(jù)庫

高分辨質譜數(shù)據(jù)庫是非靶向分析技術的基礎，數(shù)據(jù)庫為化合物建立的電子識別標準，以電子識別標準取代利用參考標準物質的靶向分析方法，實現(xiàn)了農(nóng)藥殘留由靶向篩查向非靶向篩查的發(fā)展。常用的高分辨質譜數(shù)據(jù)庫主要有Chembook、ChemSpider、PubChem、DAIOS database和NIST等商業(yè)數(shù)據(jù)庫以及內(nèi)部開發(fā)數(shù)據(jù)庫。

非靶向篩查的確證范圍受限于數(shù)據(jù)庫的大小，通過結合化學計量統(tǒng)計學工具等可實現(xiàn)廣義的非靶向篩查。Konstantina等[12]使用內(nèi)部開發(fā)的2273種污染物數(shù)據(jù)庫及軟件TASQ Client 2.1和DataAnalysis 5.1，基于特定的篩選參數(shù)(質量準確度小于2mDa，保留時間偏移±0.2min，同位素譜圖擬合度小于100mSigma)，在地表水樣品中總共檢測出44種農(nóng)藥及其相關轉化物。Feng等[32]同時使用GC-MS/MS和UHPLC-Q-Orbitrap/MS檢測技術，系統(tǒng)、快速并高通量分析食品基質中多種農(nóng)藥殘留。利用儀器內(nèi)部數(shù)據(jù)庫的自動數(shù)據(jù)挖掘軟件(TraceFinderv4.1)，使用正負兩種電離模式分別檢測出800種和140種化合物。基于Compound Discoverer軟件和多個在線數(shù)據(jù)庫(ChemSpider、Massbank和mzCloud等)提取、篩選并初步鑒定了未知農(nóng)藥及其相關轉化產(chǎn)品。

5.3 其他篩查確證方法

除了上述篩選流程外，已有研究者提出了其他的篩選策略。云莉芬[90]通過氯元素同位素比例篩查氯代有機物，并利用XCalibur軟件，計算出化學組成，再通過氮規(guī)則以及氯原子的數(shù)量進行排除，得到未知物可能的化學組成。當存在大量鹵代化合物時，同位素模式識別在確定農(nóng)藥的化學式中起著至關重要的作用[91]。Marina等[36]使用自制的保留時間預測模型與實際值相比，通過保留時間±2min的誤差篩選未知峰，且該預測模型先前已在實驗室中使用。除了高分辨質譜數(shù)據(jù)庫外，在沒有結構信息的情況下預測和注釋化合物片段的計算機預測軟件能夠提供快速、準確和高效的數(shù)據(jù)挖掘，幫助鑒定未知物。Feng等[32]因內(nèi)部數(shù)據(jù)庫中保留時間及碎片信息的不可用，使用非靶標篩查方法篩選了紅甘藍中的美托芬酮的特征，將其作為可疑結果。然后使用兩個計算機內(nèi)片段預測系統(tǒng)對美托芬酮的碎片信息進行暫定注釋，其中片段預測系統(tǒng)的擬合度為69.7，成功注釋了四個美托芬酮的碎片信息。針對非靶標篩查，網(wǎng)絡上有許多免費的資源和商業(yè)軟件，包括MZmine、XCMS、EnviMass和Agilent MassHunter等。在某些情況下，可以購買分析標準品對陽性結果進行最終確認。

6 結論與展望

水質中農(nóng)藥非靶向篩查研究還處于發(fā)展階段，面臨著一系列的問題。本文通過調研近五年水質中農(nóng)藥非靶標篩查技術研究情況，分別從農(nóng)藥殘留限量法規(guī)與標準、水質中農(nóng)藥非靶向篩查樣品前處理方法、儀器分析技術等方面進行闡述，進一步展示了該研究的現(xiàn)狀：①非靶向農(nóng)藥篩查水質分析樣品前處理技術種類單一，主要集中在固相萃取材料的開發(fā)，對于水質樣品中種類繁多、性質差異較大的農(nóng)藥組分，一種前處理技術或單一的萃取材料很難實現(xiàn)多種農(nóng)藥的高效提取和凈化。②高分辨質譜能同時得到樣品中所有化合物的母離子和子離子的精確質量數(shù)，可同時檢測大量化合物，但是對于所得數(shù)據(jù)進一步的篩查確證一方面受限于數(shù)據(jù)庫的大小，另一方面只能通過部分質譜相關指導標準以及化合物特征信息(如碎片信息、同位素比例、氮規(guī)則等)進行驗證，缺乏標準化的評價指標。

綜上所述，高分辨質譜是非靶向農(nóng)藥篩查的有力工具，但該技術在以下方面還需要進一步開展研究：①高分辨質譜分析技術對樣品前處理凈化過程提出挑戰(zhàn)，在水樣前處理過程中考慮多種技術聯(lián)用是將來的發(fā)展趨勢；②高分辨質譜非靶向農(nóng)藥組分篩查研究在食品檢測領域比較廣泛，而在環(huán)境領域的關注度低，國內(nèi)外相關組織尚未發(fā)布針對未知物篩查確證的相關標準，當前的未知物篩查確證主要通過人工進行數(shù)據(jù)分析，還需要提高提高其自動化水平。