由中国农药信息网(http://www.Chinapesticide.gov.cn)和文献[1]可知, 草甘膦(glyphosate, GLY)和草铵膦(glufosinate, GLUF)是我国登记的允许茶树使用的除草剂, 茶叶中草甘膦和草铵膦的最高残留限量(RML)较低, 与日本和欧盟等国家和地区的RML基本相近(中国为1.0 mg/kg和0.5 mg/kg, 日本为1.0 mg/kg和0.3 mg/kg, 欧盟为2.0 mg/kg和0.1 mg/kg)。茶多酚、氨基酸、咖啡碱、茶多糖等700余种内源性成分赋予茶叶独特的健康保健功能的同时[2], 极大地增加了茶叶中草甘膦和草铵膦检测前处理和仪器分析的难度, 进而影响样品检测的灵敏度(检出限和定量限)、精密度(重复性)和准确度(回收率)。
草甘膦和草铵膦的检测方法主要包括离子色谱法(IC)、高效液相色谱-荧光法(HPLC-FD)、气相色谱-质谱法(GC-MS)和液相色谱-质谱法(LC-MS)[3-5]。草甘膦和草铵膦及其主要代谢物氨甲基磷酸(minomethylphosphonic acid, AMPA)的分子质量小、极性大、不溶于有机溶剂、水溶性强, 与有机物有很强的结合能力, 直接分析难度较大[6]。黄嘉乐等[7]采用离子色谱法直接检测茶叶中草甘膦和草铵膦, 由于其定量限较高, 依据GB 2763-2016《食品安全国家标准食品中农药最大残留限量》中该除草剂的RML, 该检测方法无法满足日常检验要求, 因此植物源样品主要采用衍生法间接检测。茶叶中氨基酸种类繁多且含量高, 草甘膦和草铵膦属氨基酸类除草剂, 该衍生产物与氨基酸衍生产物结构相似, 荧光检测器分辨能力低, 假阳性高, 不利于茶叶样品的准确分析。气相色谱-质谱法(GB/T 23750-2009)衍生试剂七氟丁醇(HFB)价格昂贵, 衍生剂三氟乙酸酐(TFAA)易挥发, 衍生条件苛刻, 日常检验应用较少。9-芴甲基氯甲酸酯(FMOC-Cl)作为氨基酸的保护基团, 用于固相多肽合成和有机物合成, 也作为衍生试剂常用于氨基酸的定性定量分析[8-11]。Ibáñez等[12]、曹赵云等[13]和吴晓刚等[14]将该衍生剂引入氨基酸类除草剂的检测, Ibáñez等报道了草甘膦、草铵膦和氨甲基磷酸衍生产物(FMOC-GLY、FMOC-GLUF和FMOC-AMPA)的质谱图, 曹赵云等和吴晓刚等阐明该衍生产物在质谱中的裂解途径。由于FMOC-Cl易溶于有机溶剂, 不溶于水, 而形成的衍生产物FMOC-GLY、FMOC-AMPA和FMOC-GLUF溶于水, 基于这一特殊的理化特性, 以FMOC-Cl为衍生试剂的柱前衍生-高效液相色谱-质谱法广泛应用于茶叶中草甘膦、草铵膦和氨甲基膦酸的检测[14-21]。
基于FMOC-GLY、FMOC-GLUF和FMOC-AMPA的超高效液相色谱-串联质谱(UPLC-MS/MS)检测技术成熟, 实验条件简单, 茶叶样品的检测难点主要集中在提取和净化等前处理过程, 该过程直接决定茶叶样品中内源性物质的组成, 并影响草甘膦、草铵膦和氨甲基膦酸的衍生反应转化率, 进而影响样品检测的灵敏度、精密度和准确度。本实验选取水和0.2%(v/v)甲酸水溶液作为提取剂, 超声、振荡和旋涡作为提取方式, 草甘膦专用柱(Special SPE)、碳十八柱(C18柱)和阳离子交换柱(PCX)作为固相萃取(SPE)的净化小柱, 利用正交试验设计方法, 优化提取剂、提取方式和固相萃取净化小柱, 系统研究提取和净化等前处理过程对茶叶中草甘膦、草铵膦和氨甲基膦酸检测的影响。本文采用UPLC-MS/MS内标法对茶叶中草甘膦、草铵膦和氨甲基膦酸定性定量分析, 以灵敏度、精密度和准确度评价方法的适用性。
UPLC/TSQ Quantum Access MAX超高效液相色谱-三重四极杆质谱联用仪(美国Thermo Fisher Scientific公司); 分析天平(感量0.000 1 g, 瑞士Mettler Toledo公司); SC-3610低速离心机(安徽中科中佳科学仪器有限公司); FJ-12A固相萃取装置(上海京孚仪器有限公司); 超纯水系统(成都康宁实验专用纯水设备厂); 漩涡混合器(海门其林贝尔仪器制造有限公司)。
甲醇(色谱纯, 美国Tedia公司); 乙酸铵(色谱纯, 美国Fluka公司); 甲酸、37%盐酸(色谱纯, 德国Merck公司); 十水四硼酸钠(分析纯, 天津市风船化学试剂科技有限公司); 磷酸二氢钾(分析纯, 华东医药股份有限公司); FMOC-Cl(衍生级, 纯度≥ 99.9%, 上海安谱科学仪器有限公司); 草甘膦水溶液(100 μg/mL, AccuStandard, Inc); 草铵膦(纯度99.0%, AccuStandard, Inc); 氨甲基膦酸(纯度99.0%, Chem Service); 1, 2-14C15N草甘膦(GLY-15N, 纯度96%, TRC); FMOC-GLY和FMOC-AMPA水溶液(10 μg/mL, Dr. Ehrenstorfer); FMOC-GLUF(纯度96.2%, Dr. Ehrenstorfer); 100 mg/3 mL草甘膦专用柱(Special SPE, 福建昊阳生物科技有限公司); 200 mg/3 mL C18小柱(C18, 岛津技迩商贸有限公司); 60 mg/3 mL阳离子交换柱(PCX, 博纳艾杰尔科技公司); 茶粉(茶叶磨碎样品, 按照GB/T 8303-2013制备)。
标准溶液配制:准确称取10.0 mg(精确至0.1 mg)固体标准物质, 分别用超纯水溶解并配制成质量浓度为100 mg/L的标准储备液, 于4 ℃冰箱中避光保存。将上述标准储备液和液体标准品逐级稀释, 配成单标准溶液或混合标准溶液。
50.0 g/L硼酸钠溶液:称取9.46 g Na2B4O7·10H2O, 采用超纯水溶解并定容至100 mL。
250 g/L氢氧化钠溶液:称取25.00 g NaOH, 采用超纯水溶解并定容至100 mL。
1.00 g/L FMOC-Cl丙酮溶液:称取0.10 g FMOC-Cl, 采用丙酮溶解并定容至100 mL。
酸度调节剂:称取16.00 g磷酸二氢钾溶于160 mL水, 加入13.4 mL盐酸和40 mL甲醇, 超声混合均匀。
色谱柱:Thermo Hypersil GOLD C18(150 mm×2.1 mm, 1.9 μm); 流动相A为5 mmol/L乙酸铵水溶液(含0.1%(v/v)甲酸), 流动相B为甲醇, 梯度洗脱条件见表 1; 柱温:40 ℃; 进样量:2.0 μL。
质谱电离模式:电喷雾离子化(ESI); 电离源极性:正离子模式; 雾化气:氮气; 离子喷雾电压:3 500 V; 雾化室温度:120 ℃; 离子传输管温度:350 ℃; 碰撞气:氩气, 0.2 Pa; 扫描模式:选择反应监测扫描(SRM)。
提取:称取茶粉2.5 g(精确至0.001 g)置于50 mL具塞聚乙烯离心管中, 加入10 μg/mL草甘膦同位素内标100 μL, 再加入20 mL超纯水, 旋涡提取30 min, 以2 500 r/min转速离心5 min, 取上清液待净化。
净化:分别移取2.0 mL甲醇和2.0 mL 0.5%(v/v)甲酸水溶液依次活化小柱, 准确移取1.0 mL提取上清液和100 μL酸度调节剂于10 mL离心管中混合后移取至小柱, 再加入1.0 mL 0.5%(v/v)甲酸水溶液洗脱, 采用250 g/L NaOH调节流出液至中性并加水定容至3 mL, 待衍生。
衍生:取0.6 mL净化液, 分别依次加入0.2 mL 50.0 g/L硼酸钠溶液, 0.2 mL 1.0 g/L FMOC-Cl丙酮溶液, 混匀后于25 ℃下衍生2 h, 0.2 μm有机微孔滤膜过滤, UPLC-MS/MS测定。
将FMOC-GLY、FMOC-GLUF和FMOC-AMPA的单标准溶液进质谱仪器直接分析, 调节碰撞能量, 以获得稳定性好、信号强度高的碎片离子, 优化得到的参数见表 2。
在25 ℃下, GLY、AMPA和GLUF单标准溶液分别与FMOC-Cl溶液反应2 h, 将该衍生反应溶液进质谱分析, 谱图显示该衍生反应溶液的离子碎片与FMOC-GLY、FMOC-GLUF和FMOC-AMPA的单标准溶液离子碎片一致。设置液相色谱条件和质谱参数, 经UPLC-MS/MS分析, FMOC-GLY、FMOC-GLU和FMOC-AMPA单标准溶液与该衍生反应溶液的液相色谱保留时间一致。由此可见, 根据1.5节衍生条件和方法, GLY、GLUF和AMPA与FMOC-Cl反应的产物为FMOC-GLY、FMOC-GLUF和FMOC-AMPA。
选取Special SPE、C18和PCX作为茶叶中GLY、GLUF和AMPA检测的净化小柱, 以此考察不同固相萃取柱的净化效果。为了确保目标物完全洗脱, 首先进行流出液实验, 优化各种固相萃取柱的洗脱液用量。以2 mL甲醇和2 mL 0.5%(v/v)甲酸水溶液活化小柱, 移取1 mL 100 μg/L的混合标准溶液和100 μL酸度调节剂混合后移取至固相萃取柱, 采用0.5%(v/v)甲酸水溶液为洗脱液, 每次分别加入0.5 mL洗脱液, 洗脱液用量见表 3。
根据表 3数据显示, 以0.5%(v/v)甲酸水溶液为洗脱剂, 3种固相萃取柱的洗脱液用量相似, 均为1 mL, 试样流出液中已存在草甘膦和氨甲基膦酸, 前段流出液必须收集。
以水和0.2%(v/v)甲酸水溶液作为提取剂, 超声、振荡和旋涡作为提取方式, Special SPE、C18和PCX为固相萃取净化小柱, 采用正交试验设计研究前处理方法对茶叶中草甘膦、草铵膦和氨甲基膦酸检测的影响, 样品添加水平为0.400 mg/kg, 实验过程如1.5节所示, 正交试验设计见表 4, 实验结果见表 5, 色谱图见图 1。由图 1可知, 在相同的色谱条件下, FMOC-GLY、FMOC-GLUF和FMOC-AMPA的保留时间分别约为:FMOC-GLY 4.62 min, FMOC-GLUF 4.91 min, FMOC-AMPA 4.79 min, 经Special SPE和C18柱净化, FMOC-GLY和FMOC-GLUF与杂质峰尚未完全分离, 且杂质峰响应相对FMOC-GLY和FMOC-GLUF响应较大; 经PCX柱净化, FMOC-GLY与杂质峰完全分离, FMOC-GLY和FMOC-GLUF响应相对杂质峰响应较大。
根据表 5可知, No. 2、No. 4和No. 7的回收率为70%~120%, 回收率数据尚无显著差异性和规律性, 相对标准偏差小于10%, 满足检测要求。根据目标物的峰面积(见图 2)可知, 采用PCX柱的No. 4和Special柱的No. 7, FMOC-GLY和FMOC-GLUF的响应较大, 采用C18柱的No. 2, FMOC-AMPA响应较大。
设计低水平添加实验(在检出限附近), 通过信噪比(S/N)进一步确认最优实验方案。将添加水平为0.100 mg/kg的茶叶样品按照No. 2、No. 4和No. 7试验方案和1.5节的前处理过程进行处理, 目标物的信噪比见图 3。根据图 3可知, 在0.100 mg/kg添加水平下, 采用PCX净化柱的No. 4试验和Special SPE净化的No. 7试验, 草甘膦和草铵膦的信噪比较大, 氨甲基膦酸在3支净化柱上的信噪比相似。
综合回收率、色谱分离度、目标物响应、杂质干扰和低浓度溶液的信噪比等因素, 本实验的最优前处理方法即采用水为提取剂, 旋涡为提取方式, PCX柱为净化小柱。
分别以PCX柱净化的茶提取液和纯水配制基质标准溶液和溶剂标准溶液, 以FMOC-Cl溶液进行衍生, 以目标物与草甘膦同位素内标物的峰面积比值作为纵坐标, 目标物浓度与草甘膦同位素内标物浓度的比值为横坐标, 绘制基质匹配标准曲线和溶剂标准曲线。基质效应以η表示:η=(基质匹配标准曲线的斜率-溶剂标准曲线的斜率)/溶剂标准曲线的斜率[22]。结果表明, 在1~100 μg/L范围内线性关系良好, 基质匹配标准曲线、相关系数(R2)和基质效应参数见表 6。由表 6可知, η < 10%, 说明无明显基质效应, 由此可见, 草甘膦同位素内标可以大幅度降低基质效应。在空白茶叶样品中添加草甘膦、草铵膦和氨甲基磷酸, 并经1.5节样品前处理方法处理, 根据3倍信噪比(S/N=3)确定方法的检出限(LOD), 根据0.050 0 mg/kg添加水平的回收率和RSD数据确认方法的定量限(LOQ)(见表 6)。
分别称取2.50 g茶叶空白样品, 然后加入适量混合标准溶液, 配制成低、中、高3个添加水平(0.050 0、0.400和1.20 mg/kg), 按照1.5节样品前处理方法进行提取、净化和衍生, 然后采用UPLC-MS/MS检测, 每一个加标水平测定6次, 结果见表 7。
由表 7可知, 草甘膦、草铵膦和氨甲基磷酸在低、中、高3个水平均有着较好的准确度与精密度, 符合实验室日常检测要求。
目前国内现行标准GB/T 23750-2009《植物性产品中草甘膦残留量的测定气相色谱-质谱法》、SN/T 1923-2007《进出口食品中草甘膦残留量的检测方法液相色谱-质谱/质谱法》和SN/T 3983-2014《出口食品中氨基酸类有机磷除草剂残留量的测定液相色谱-质谱/质谱法》等前处理均采用美国Bio-Rad CAX阳离子交换树脂小柱, 按照上述标准方法对茶叶中草甘膦和草铵膦进行检测, 经过长期检测发现诸多问题:Bio-Rad CAX为湿柱, 柱体积大, 吸附容量小, 必须采用常压过柱方式, 洗脱液用量大且水占比高, 不易浓缩蒸干, 实际工作中需要耗费大量的时间和精力, 而且Bio-Rad CAX阳离子交换树脂小柱价格昂贵。本实验采用PCX干柱, 柱体积小, 可采用减压过柱方式, 采用0.5%(v/v)甲酸水溶液作为洗脱液, 洗脱液用量小, 在UPLC-MS/MS灵敏度范围内, 无需浓缩已达到定量限要求, 价格低廉, 可弥补Bio-Rad CAX柱的缺点。
采用上述方法检测837份绿茶、红茶、青茶、黑茶、白茶、黄茶、代用茶和速溶茶等茶叶样品, 其中草甘膦阳性样品29份, 残留量在0.140~2.36 mg/kg之间, 草铵膦阳性样品2份, 残留量分别为0.110 mg/kg和0.130 mg/kg, 氨甲基磷酸阳性样品37份, 残留量在0.120~2.15 mg/kg之间。草甘膦、草铵膦和氨甲基磷酸的检出率分别为3.46%、0.24%和4.42%。按照GB 2763-2016的草甘膦和草铵膦的MRL判定, 茶叶样品草甘膦超标2份, 超标率为0.24%, 茶叶样品草铵膦未超标。目前GB 2763-2016尚未制订氨甲基磷酸的MRL。
本文采用正交试验设计筛选出最优前处理方法, 以水为提取剂, 旋涡提取, PCX强阳离子交换固相萃取干柱净化, 建立了柱前衍生-超高效液相色谱-串联质谱测定茶叶中草甘膦、草铵膦及其主要代谢物氨甲基膦酸残留量的实验方法。该分析方法高效、便捷, 价格低廉, 可操作性强, 方法的灵敏度、精密度和准确度满足茶叶的日常检测要求。根据本实验现象可知, 茶叶丰富的内源性物质对草甘膦、草铵膦和氨甲基磷酸检测影响较大, 茶叶基质的有效去除是排除假阳性样品的关键。基于这一实验结果, 进一步深入探讨茶叶内源性成分对草甘膦等除草剂衍生反应的影响, 发现其中的内在规律, 可为提取溶剂和提取方式的选择、净化材料的开发和衍生试剂的选取等提供理论和现实依据。