表征和被动采样的应用在农药水监测

摘要

A protocol about the characterization and application of five different passive sampling devices is presented.

摘要

五种不同的水被动采样进行实验室条件下校准124遗产的测量和当前使用的农药。这项研究提供了被动采样准备，校准，提取方法和仪器分析的协议。采样率（R _S）和被动采样水分配系数（K _PW）分别计算硅橡胶，极性有机化工综合采样POCIS-A，POCIS-B，SDB-RPS和C ₁₈盘。所选化合物的摄取取决于它们的物理化学性质， 即 ，硅橡胶表现出对更疏水的化合物更好的摄取（登录辛醇-水分配系数（K _OW）> 5.3），而POCIS-A，POCIS-B和SDB- RPS盘更适合亲水性化合物（1o9 氏_OW <0.70）。

引言

农药不断引入到水生环境，并可能对水生生物¹的风险。通常由于在流或偶发输入（ 例如 ，沉淀，合并的下水道溢出污水泻湖释放^）2的波动进行在水性环境农药监测采用抓斗采样，但是，这种取样技术不能完全解释的浓度的时间变化^，3。因此，监测的方法需要与杀虫剂相关的环境风险的更好的估计加以改进。被动采样允许在一段时间以最少的基础设施和低污染物浓度^4,5-长时间连续监测。

被动采样已被证明是在地下水⁶的监测，淡水^7-10，废水¹¹和海水¹²的宝贵工具。除了监控的目的 ^{13,14，被动采样器也已用于非目标分析15，毒理学试验16,17，并且作为替代sediment-和生物监测18。被动采样水不断积聚的化学品和提供时间加权平均（TWA）的浓度14。污染物的吸收取决于采样速率（R _S）和被动采样-水分配系数（K _PW），它依赖于被动采样设计，采样器材料，污染物的物理化学性质，和环境条件（ 例如 ，水湍流，温度）13,14,19,20。}

详细的视频旨在展示如何校准和应用被动采样器在水中的农药。具体目标包括我），以使用五种不同类型的被动SAMPL的124个别农药进行准备，提取和仪器分析器，包括硅橡胶，极性有机化学综合采样（POCIS）-A，POCIS-B，SDB-RPS和C ₁₈磁盘，ⅱ）以评估R ₅和K _PW用于在实验室摄取研究的杀虫剂，以及iii）来演示如何选择感兴趣和如何计算TWA浓度对于各个被动采样的目标化合物相应的被动采样器。

参考标准和被动采样装置

目标化合物包括124遗留和目前使用的杀虫剂，包括除草剂，杀虫剂和杀真菌剂（ 表1）。内部标准混合物（IS混合物）包括fenoprop（2,4,5-TP），可尼丁-D _3，乙硫磷和特丁-D _5。其他使用的化学品包括甲醇（MeOH），乙腈（ACN），丙酮（ACE）二氯甲烷（DCM），环己烷（CH），乙酸乙酯（EA），石油等她的（PE），2-丙醇，25％氨水溶液，乙酸（醋酸）和甲酸（FA）。五种不同的被动采样装置进行了表征，包括硅橡胶，POCIS-A和POCIS-B，SDB-RPS和C ₁₈盘^1,21。

表1.被动采样器的采样率_（R'S，L天^-1），采样-水分配系数_（K'PW，L千克^-1），用于浓度的野外样品个别在计算方程（方程） ^杀虫剂 。 （从色谱A的1405，卢茨阿伦斯，Atlasi Daneshvar，安娜E.刘珍妮第六，别上五个被动采样器件表征转载于水，1-11版权所有（2015）农药监测，经许可爱思唯尔^）22 请点击此处下载此文件。

研究方案

1.被动采样设计和准备

1. 硅橡胶板
   1. 切断的硅橡胶片材英寸（600 mm×600毫米，厚0.5毫米）到使用不锈钢刀和使用不锈钢盲铆钉连接它们（3.2毫米×10毫米为2.5毫米×600毫米和2.5毫米×314毫米条纹）用铆钉枪，以获得2.5毫米×914毫米（表面积=457厘米^2，吸着剂的质量= 15.6Hz克，体积共取样的条带大小=22.9厘米^3）。
2. 放置硅橡胶在Soxhlet装置的提取室。加入50mL EA在提取室和添加250毫升EA和在500毫升圆底烧瓶三种馏程石。
   1. 提取室与瓶烧瓶和冷凝器连接。清洗由索氏提取96小时的硅酮橡胶在约80℃，并在温和的氮气随后干燥。
3. 附加硅橡胶STRI通过包装杆围绕硅橡胶条在保持器（ 图1）PE到不锈钢蜘蛛样品架。硅橡胶带的两端连接到一杆使用电缆扎带持有人。

图1.原理硅橡胶。被动采样原理图显示了硅橡胶条纹在不锈钢蜘蛛样品架用从顶部和B）侧视附件）硅橡胶。 请点击此处查看大图这个数字。

2. POCIS-A和POCIS-B
   1. 对于POCIS-A，将通过9.0厘米SQUAR 29.0厘米之间220毫克HLB松散的吸着（表面积= 1.78×10 ^{6 平方}厘米）的È聚醚砜（PES）膜（ 图2）。
   2. 对于POCIS-B，放置220毫克的吸附剂混合物的（ 即 ，羟基化的聚苯乙烯-二乙烯基苯树脂（80％）和分散在苯乙烯二乙烯基苯共聚物的碳质吸附剂（20％））（表面积= 2.82×10 ⁶ cm ^2）的两者之间的PES膜（ 图2）。
   3. 压缩吸附剂和手动两个不锈钢环之间有两个PES（内直径= 5.4Hz厘米）和将其固定在不锈钢样品架（ 图2）。

图2.原理被动采样磁盘。被动采样原理图POCIS A，POCIS B，SDB-RPS盘并呈现出 ）被动取样器的装配采用不锈钢戒指，聚醚砜-C ₁₈盘（PES）MEMBRANES和接收阶段，和B）在不锈钢样品架装配。 请点击此处查看该图的放大版本。

3. SDB-RPS盘和C盘₁₈
   1. 放置之间的SDB-RPS（表面积= 35 ^平方厘米，吸附剂质量= 0.34克，体积= 1.7 ^毫升 ）和C ₁₈的磁盘（表面积= 35 ^平方厘米，吸附剂质量= 0.58克，体积= 1.7 ^毫升 ）两个PE膜（ 图2）。压缩磁盘和手动两个不锈钢环之间有两个PES（内直径= 5.4Hz厘米），将其固定在不锈钢样品架（ 图2）。

2.实验室摄取实验

注:进行实验室实验摄取定量表征摄取ķinetics 124个人农药控制的条件下五种不同的被动采样装置。

1. 进行矩形玻璃容器摄取研究（各〜95 L）:坦克1）硅橡胶（N = 16），罐2）POCIS-A（N = 16），POCIS-B（N = 16），和坦克3 ）SDB-RPS盘（N = 16），C ₁₈盘（N = 16）。填写自然水变成了三辆坦克。
2. 在恒定水温度（〜20℃），并使用连接于在每一侧的壁两个电动泵湍流水条件（至10厘米秒^-1）下进行所有的实验。在黑暗中进行的实验中，以尽量减少光降解​​的效果。
3. 穗各玻璃容器与含有用玻璃注射器124杀虫剂杀虫剂标准混合物（三≈400纳克L ^-1在水箱个别农药）。从储罐手动取出被动采样，在时间间隔5中，11，20，和26ðAYS，确定杀虫剂的采样率。
4. 通过在第0天，5，11，20收集100ml水中的样品监测在每个箱中的农药的浓度，和26的水样品的分析如别处²¹所述进行。
   1. 在质量控制方面，在第0天暴露空白样品到室内空气中1小时，然后保存并把它们当作真正的样品。存储所有提取物以及在-18℃直至进一步分析从罐中收集的100ml水中的样品。

3.样品提取

1. 硅橡胶
   1. 之前提取，干燥下高纯氮气流的硅橡胶条。
   2. 气相色谱-质谱（GC-MS）分析，进行使用索氏提取²²的固-液萃取。
      1. 放置硅橡胶入索氏提取器中。添加250毫升PE / ACE（50/50，体积/体积）和3博伊凌石成圆底烧瓶中。
      2. 用100μl的尖峰的硅橡胶是用玻璃注射器混合物（C = 5纳克毫升^-1）。加入50mL的PE / ACE（50/50，体积/体积）到索氏提取器中。交换机上的加热器和运行索氏提取19小时，然后关闭加热器。
      3. 通过旋转蒸发然后温和氮气放空到1ml浓缩提取物。通过氮放空到1ml过程中加入三次1毫升CH / ACE（90/10，体积/体积）交换到CH / ACE（90/10，体积/体积）的溶剂。
   3. 用于液相色谱-串联质谱（LC-MS / MS）分析，进行使用索氏提取²²的提取。
      1. 放置硅橡胶入索氏提取器中。加入250毫升甲醇和3沸腾的石头放入圆底烧瓶和50毫升甲醇成索氏提取器。穗硅橡胶用100μl的IS混合物（C = 5纳克毫升^-1）使用玻璃SYR英格。
      2. 交换机上的加热器和运行索氏提取19小时，然后关闭加热器。通过旋转蒸发然后温和氮气放空到1ml浓缩提取物。通过氮放空至1ml中加入1ml乙腈交换溶剂，乙腈。
2. POCIS-A和POCIS-B
   1. 小心地打开POCIS采样，并使用漏斗用超纯水的吸附剂转移到含有两个聚乙烯（PE）玻璃料一个预清洁空聚丙烯固相萃取（SPE）柱（6毫升）中。通过真空干燥吸附剂以除去水。记录空和填充SPE柱的重量来控制吸附剂材料的重量。请注意，不同的墨盒被用于GC-MS和LC-MS / MS分析。
   2. 之前洗脱，使用玻璃注射器尖峰用100μl的吸附剂IS混合物（C = 5纳克毫升^-1）。用5洗脱POCIS-A和POCIS-B吸附剂毫升EA为GC-MS ^22。
      1. 通过温和氮气放空浓缩萃取液至1ml。通过氮放空到1ml过程中加入三次1毫升CH / ACE（90/10，体积/体积）交换到CH / ACE（90/10，体积/体积）的溶剂。
   3. 用1.5ml的MeOH中，随后用8ml DCM / MeOH中洗脱POCIS-A和POCIS-B柱（80/20，体积/体积）用于LC-MS / MS分析^22。通过温和氮气放空浓缩萃取液至1ml。通过氮放空至1ml中加入1ml乙腈交换溶剂，乙腈。
3. SDB-RPS和C ₁₈盘
   1. 转移SDB-RPS和C ₁₈盘的各个磁盘到一个玻璃烧杯中，并在氮气干燥。用5毫升的EA尖峰用100μl的磁盘IS混合物（C = 5纳克毫升^-1）用玻璃注射器和超声处理他们两次在室温下的玻璃烧杯中，首先进行10分钟，然后用3毫升的EA 10分钟。
   2. 传输博次萃取到一个玻璃管中，将它们集中至2ml通过温和氮气吹下来，然后将它们分成两个1毫升级分（用于GC-MS和LC-MS / MS分析，分别）。
   3. 通过温和氮气放空浓缩萃取液至0.5 ml和交换溶剂，CH / ACE（90/10，体积/体积）用于GC-MS分析^22。通过温和氮气放空浓缩萃取液至0.5 ml和交换溶剂，乙腈用于LC-MS / MS分析^22。

4.水样

1. 穗用100μl的20毫升水样品IS混合物用玻璃注射器（C = 5纳克毫升^-1），加入3毫升DCM中，涡旋3分钟，倾倒到一个相分离器用于GC-MS分析^22。
   1. 两相分离后，过滤DCM相到玻璃试管中。重复使用3-毫升DCM中的提取，和冲洗用2ml DCM中的管中。最后，通过温和氮气吹下来EXCHAN浓缩萃取液至0.5毫升戈到CH溶剂/ ACE（90/10，体积/体积）。
2. 分析使用大容量注射剂，类似于通过LC-MS / MS ²¹别处描述的方法中的水样。

5.仪器分析

1. GC-MS分析
   1. 执行使用GC-MS系统，电子电离（EI）和负化学电离（NCI）模式，分别为²²的CH / ACE提取物的仪器分析。
   2. 对于使用EI由GC-MS法，注入1微升用不分流进样方法上的HP-5MS UI柱（30m，0.25内径，0.25微米的膜）等分试样。
   3. 对于由GC-MS，用方法CI，注入的上一个的HP-5MS UI塔3微升（30米，0.25内径，0.25微米的膜）等分试样。
2. HPLC-MS / MS分析
   1. 执行乙腈的仪器分析提取物用HPLC-MS / MS接口与在负电喷雾电离源（（ - ）。ESI）和正离子米颂^{（（+）ESI）22。}
   2. 为（+）。ESI，稀释100微升的乙腈用FA调节至pH 5 900微升超纯水提取。
   3. 对于（ - ）ESI，稀释100微升乙腈的用1％FA的超纯水900微升解提取。
   4. 为（+）。ESI，使用由2-丙醇/甲醇/ 10mM的甲酸铵（92年6月2日，体积/体积/体积）和MeOH的二元梯度以0.3ml分钟^-1的流速。
   5. 为（ - ）。ESI，使用由乙腈/超纯水0.1％醋酸和ACN + 0.1％醋酸的二元梯度以0.3ml分钟^-1的流速。
   6. 使用的使用两个在线固相萃取柱（均为20×2毫米内径和20至25微米的粒度），以及一个分析柱（C _18，100×3毫米，3.5微米^）21 500微升大体积注射注入所有样本。

6.理论的被动采样

注:该化学品到被动采样器mediu摄取轮廓米（PSM）被分为三个部分:线性的，曲线的和平衡（ 图3）。

图3.被动采样的吸收曲线。 A）和C）以ng绝对分别脒和乐果，累计量摄取曲线，在被动采样（N _t）和B）和D）的脒与乐果，分别以ng升水罐浓度^{- 1。} 请点击此处查看该图的放大版本。

1. 通过将目标化合物的累积量在被动采样后曝光的吨天（N' ^吨计算被动采样器的等效水体积（V _当量 L）的（C _W，纳克^L-1）P>，纳克）。
   （1）
2. 派生从摄取轮廓的线性吸收阶段的采样速率（R _S，L天^-1），通过取V _当量与部署时的斜率。
3. 计算在K _PW使用公式个别农药^（-1大号公斤）。 2。
   （2）
   其中_m，p是每采样吸附剂质量（NG）。
4. 线性吸收阶段，计算在由被动采样衍生水分析物的TWA浓度（ 三_TWA，纳克^L-1），使用式3。
   （3）
   其中R _S是SAmpling率（L天^-1），t是部署时间（天）。
5. 在曲线阶段，用公式计算_ÇTWA。 4。
   （4）
6. 在平衡期，用公式计算_ÇTWA。 5。
   （5）

7.统计数据分析

1. 测试使用夏皮罗-威尔克测试²³数据的非正态分布。使用在K _PW和R _S非参数Spearman秩相关VS测试农药的理化性质（斯皮尔曼的Rho范围从-1到^1）24。

结果

五种不同的被动采样技术124遗产的摄取和当前使用的农药，包括硅橡胶（ 图1），POCIS A，POCIS B，SDB-RPS和C ₁₈盘（ 图2）进行比较。提取方法和仪器分析的性能得到了优化。实验室摄取实验的结果可用于计算_R'S和登录_K'PW的值的基础上为各个杀虫剂（ 图3）的摄取信息（ 见表1）。?...

讨论

在质量控制方面，作为标准程序，实验室空白，检测（LOD），回收率和重复性的限制进行了检查^23。在低浓度水平空白样本中检测到一些农药。检测限被设置为最低点的符合的信号的标准来3.信噪比平均检测限为8.0皮克绝对注入对硅橡胶，1.7皮克绝对为POCIS-A，1.6柱校正曲线上的值皮克绝对的POCIS-B，3.0皮克绝对的SDB-RPS磁盘和1.6皮克绝对对C盘_18。所有浓度通过加标校正IS混合物。基于...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Methanol	Merck Millipore	1.06035.2500
Acetonitrile	Merck Millipore	1.00029.2500
Acetone	Merck Millipore	1.00012.2500
2-propanol	Merck Millipore	1.00272.2500
Dichloromethane	Merck Millipore	1.06054.2500
Ammoniak	Merck Millipore	1.05428.1000	Purity 25%
Formic acid	Sigma-Aldrich	94318-50ML-F	Purity ~98%
Ethyl acetate	Sigma-Aldrich	31063-2.5L	for pesticide residue analysis
Petroleum ether	Sigma-Aldrich	34491-4X2.5L	for pesticide residue analysis
Acetic acid	Sigma-Aldrich	320099-500ML	Purity ≥99.7%
Cyclohexane	Fisher Chemicals	C/8933/17	for residue analysis
Empty polypropylene SPE Tube with PE frits, 20 μm porosity, volume 6 ml	Supelco	57026
Empore SPE Disks, C18, diam. 47 mm	Supelco	66883-U	Passive sampler
Empore SPE Disks, SDB-RPS (Reversed-Phase Sulfonate), diam. 47 mm	Supelco	66886-U	Passive sampler
POCIS-A	EST	POCIS-HLB	Passive sampler
POCIS-B	EST	POCIS-Pesticide	Passive sampler
Polyethersulfone (PES) membranes	EST	PES
Silicone rubber sheet	Altec	03-65-4516	Passive sampler
Agilent 5975C	Agilent Technologies	5975C	GC-MS
HP-5MS UI	J&W Scientific	HP-5MS	Analytical column for GC-MS
Agilent 6460	Agilent Technologies	6460	HPLC-MS/MS
Strata C18–E, 20 x 2 mm id and 20–25 μm particle size	Phenomenex	Strata C18–E	Online SPE column for LC-MS/MS
Strata X, 20 x 2 mm id and 20–25 μm particle size	Phenomenex	Strata X	Online SPE column for LC-MS/MS
Zorbax Eclipse Plus C18	Agilent Technologies	Zorbax Eclipse Plus C18	Analytical column for LC-MS/MS
Isolute phase separator, 25 ml	Biotage	120-1907-E
Stainless steel blind rivet, 3.2x10 mm	Ejot & Avdel	951222