Suda Pestisitlerin İzleme Karakterizasyonu ve Pasif Numune Uygulama

Özet

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

Özet

Beş farklı su pasif numune 124 mirası ölçümü ve mevcut kullanılan pestisitler için laboratuvar koşullarında kalibre edildi. Bu çalışma, pasif örnekleyici hazırlama, kalibrasyon, ekstraksiyon yöntemi ve enstrümantal analiz için bir protokol sağlar. Örnekleme oranları (R ve _S) ve pasif örnekleyici-su bölünme katsayısı (K _PW), silikon kauçuk, polar organik kimyasal birleştirici örnekleyici POCIS-A, POCIS-B, uykuda solunum bozukluğu-RPS ve C ₁₈ disk için hesaplanmıştır. Seçilmiş bileşiklerin alımı fizikokimyasal özelliklerine bağlı, yani, silikon kauçuk POCIS-A ise POCIS-B ve SDB- (oktanol-su bölünme katsayısına (K _OW)> 5.3 log) daha fazla hidrofobik bileşikler için, daha iyi bir alımının gösterdi RPS diski hidrofilik bileşiklerin (K _ow <0.70 log) için daha uygun idi.

Giriş

Pestisitler sürekli su ortamında tanıtıldı ve Sucul organizmalar ¹ için risk teşkil edebilir. Sulu bir ortamda pestisit izlenmesi tipik olarak akış ya da epizodik girdiler (örneğin, çökeltme, kombine kanalizasyon taşmaları, kanalizasyon lagün salım) ² dalgalanmalar kapmak örnekleme, ancak bu örnekleme tekniği tamamen konsantrasyonlarda zamansal farklılıkları hesaba gelmez kullanılarak yapılır ^3. Böylece, izleme yöntemleri pestisitler ile ilgili çevresel risklerin daha iyi bir tahmini için geliştirilmiş olması gerekir. Pasif örnekleme minimum altyapı ve düşük kirletici konsantrasyonları ^4,5 ile uzun bir süre boyunca sürekli olarak izlenmesine olanak verir.

Pasif numune yeraltı ⁶ izleme, tatlı su ^7-10, atıksu ¹¹ ve deniz suları ¹² için değerli bir araç olduğu gösterilmiştir. izleme amacıyla yanında ^{13,14, pasif numune de hedef olmayan analizi 15, toksikoloji testleri 16,17 kullanılmaktadır, ve bir alternatif olarak sediment- ve 18 biyoizleme için. Pasif numune sudan sürekli kimyasallar birikir ve ağırlıklı ortalama (TWA) 14 konsantrasyonlar zamanı sağlar. Kirletici alımı pasif örnekleyici tasarım, örnekleyici malzeme, kirletici fizikokimyasal özellikleri ve çevresel koşullara (örneğin, su bağlıdır örnekleme hızı (R ve _S) ve pasif örnekleyici-su dağılım katsayısı (K _PW) bağlıdır türbülans, sıcaklık) 13,14,19,20.}

ayrıntılı video kalibre ve su pestisitlerin pasif numune nasıl uygulanacağına göstermeyi amaçlıyor. Özel hedefler i) pasif sampl beş farklı türleri kullanarak 124 farklı böcek ilacı için hazırlık, çıkarma ve enstrümantal analiz gerçekleştirmek için dahilsilikon kauçuk içeren, ERS polar organik kimyasal birleştirici örnekleyici (POCIS) -A, POCIS-B, uykuda solunum bozukluğu-RPS ve C ₁₈ diski, ii) Bir laboratuar alımının etüd pestisit _{R, S} ve K, _PW değerlendirmek ve iii) ilgi ve nasıl kendi pasif örnekleyici için TWA konsantrasyonlarının hesaplamak için hedef bileşiğin uygun pasif örnekleyici seçmek için nasıl göstermek için.

Referans standartları ve pasif örnekleyici cihazları

Hedef bileşikler, 124 mirası ve herbisit, insektisit ve fungisit (Tablo 1) de dahil olmak üzere şu anda kullanılan böcek ilaçları dahildir. Iç standart karışım (karışım IS) fenoprop (2,4,5-TP), klotiyanidin-D _3, etion ve terbutilazin-D ₅ dahil. Diğer kullanılan kimyasallar metanol (MeOH), asetonitril (ACN), aseton (ACE), diklorometan (DCM), sikloheksan (CH), etil asetat (EA) dahil, petrol veOnunla (PE), 2-propanol,% 25 amonyak çözeltisi, asetik asit (HAc) ve formik asit (FA). Beş farklı pasif örnekleme cihazlar, silikon kauçuk, POCIS-A ve POCIS-B, SDB-RPS ve _C18 diski ^1,21 da dahil olmak üzere karakterize edilmiştir.

Tablo 1. Pasif örnekleyici örnekleme hızı (R _'S, L gün ^-1), örnekleyici-su dağılım katsayıları (K' _PW, L ^kg-1) ve denklemler (Denklem.) Bireysel saha örneklerinde konsantrasyonlarının hesaplanması için kullanılan pestisitler ^a. (Elsevier izni ile, su, 1-11, Telif Hakkı (2015) pestisit izlenmesi için Kromatografi A Journal, 1405, Lutz Ahrens, Atlasi Daneshvar, Anna E. Lau, Jenny Kreuger, beş pasif örnekleme cihazlarının Karakterizasyonu yayımlanmaktadır .) ²² Bu dosyayı indirmek için tıklayınız.

Protokol

1. Pasif Sampler Tasarım ve Hazırlama

1. Silikon kauçuk levhalar
   1. (3.2 mm x 10 mm paslanmaz çelik kesici kullanılarak ve bir paslanmaz çelik kör perçin kullanarak bağlayın x 600 mm 2.5 mm ve 2.5 mm x 314 mm şeritler halinde silikon kauçuk levha kesti (600 mm x 600 mm, 0,5 mm kalınlığında) ) x 914 mm 2,5 mm (yüzey alanı = 457 ^cm2, emici kütle = 15.6 g, hacmi, toplam numune şerit boyutunu elde etmek için bir perçin tabancası = ile 22.9 ^cm3).
2. bir Soxhlet tertibatının bir ekstraksiyon bölmesi silikon kauçukları yerleştirin. ekstraksiyon odası içinde 50 mi EA ekleyin ve 250 ml EE ve 500 ml'lik yuvarlak şişe bir şişe üç kaynatma taşı ekleyin.
   1. Şişe bir şişeye bir kondansatör ile özütleme odası bağlayın. yaklaşık 80 ° C 'de 96 saat boyunca Soxhlet ekstre alması ile silikon kauçukları temizleyin ve yumuşak bir azot gazı altında daha sonra kurutun.
3. silikon kauçuk Şeritleri takıntutucu (Şekil 1) çubuklar etrafında silikon kauçuk şerit sararak bir paslanmaz çelik örümcek numune sahibine pe. kablo bağları kullanarak tutucu bir çubuğa silikon kauçuk şerit her bir ucunu takın.

Silikon kauçuk Şekil 1. şematik. Üst ve B) yan görünümden bir paslanmaz çelik örümcek numune tutucu A silikon kauçuk şerit eki) gösteren silikon kauçuk için pasif örnekleyici şematik. Büyük halini görmek için tıklayınız bu figür.

2. POCIS-A ve POCIS-B
   1. POCIS-A için, 9.0 cm squar iki 9.0 cm arasında HLB dökme sorbent (yüzey alanı = 1.78 x 10 ^{6 cm2)} 220 mg koyune polyethersulfone (PES) membranlar (Şekil 2).
   2. POCIS-B, bir sorbent karışımının 220 mg yer (örneğin, hidroksillenmiş polistiren-divinilbenzen reçine (% 80) ve bir stiren divinilbenzen kopolimer dağılmış bir karbonlu adsorban (% 20)) (yüzey alanı = 2.82 x 10 ^{6 cm2)} iki arasındaki PES membranlar (Şekil 2).
   3. Sorbent ve elle iki paslanmaz çelik halkalar arasında iki PES (iç Ø = 5.4 cm) sıkıştırmak ve paslanmaz çelik numune tutucu (Şekil 2) üzerine sabitleyin.

Pasif örnekleyici disklerin Şekil 2. şematik. POCIS A Pasif örnekleyici şematik, B, SDB-RPS disk ve paslanmaz çelik yüzük, polyethersulfone kullanarak) pasif örnekleyici montajını A gösteren _C18 Disk (PES) zarı POCISes ve alıcı aşaması, ve B) paslanmaz çelik numune tutucu montaj. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

3. SDB-RPS diski ve C ₁₈ Disk
   1. SDB-RPS (yüzey alanı = 35 ^cm2, emici kütle = 0.34 g, hacim = ³ 1.7 cm) _C18 diskler (yüzey alanı = 35 ^cm2, emici kütle = 0.58 g, hacim = 1.7 ^cm3) arasında meydana iki PES membranlar (Şekil 2). Diskler ve elle iki paslanmaz çelik halkalar arasında iki PES (iç Ø = 5.4 cm) sıkıştırmak ve paslanmaz çelik numune tutucu (Şekil 2) üzerine sabitleyin.

2. Laboratuar emilme deneyleri

NOT: Laboratuvar alımı deneyleri kantitatif alım k karakterize etmek için yapılmıştırkontrollü şartlar altında beş farklı pasif örnekleyici cihazlar için 124 farklı böcek ilacı için inetics.

1. (N = 16) (N = 16), POCIS-B Tankı 1) silikon kauçuk (n = 16), tank 2) POCIS-A, ve tank 3: dikdörtgen cam kaplarda alımının etüd edilmesi (her ~ 95 L) Davranış ) SDB-RPS diski (n = 16), _C18 diski (n = 16). Üç tanklarına doğal su doldurun.
2. Sabit su sıcaklığı (~ 20 ° C) ve her iki tarafta duvara iliştirilmiş iki elektrikli pompalarla çalkantılı su koşullarında (~ 10 cm sn ^-1) altındaki tüm deneyler. fotodegredasyona etkisini en aza indirmek için karanlıkta deneyleri.
3. Bir cam şırınga kullanarak 124 pestisit içeren bir pestisit standart karışımı ile her bir cam kabı Spike (c 400 ng L ≈ ^-1 su tankında bireysel pestisitler için). , Zaman aralıklarında 5 de, tanklar elle 11, 20, ve 26 d pasif örnekleyicilerinin çıkarıpays, pestisitlerin örnekleme oranlarını belirlemek için.
4. Başka bir ^{yerde, 21} tarif edilen şekilde su örneklerinin analizi 0, 5, 11, 20, 100 mi su örnekleri toplayarak her tankta pestisitler Monitör ve 26 gerçekleştirilir.
   1. kalite kontrolü için, 0. günde 1 saat oda havasına boş örnekleri ortaya çıkarmak ve daha sonra depolamak ve gerçek örneklerin gibi davranarak. Tüm özler yanı sıra analiz zamanına kadar -18 ° C 'de tank toplanan 100 mi su örnekleri saklayın.

3. Numune Çıkarma

1. Silikon lastik
   1. ekstraksiyon öncesinde, yüksek saflıkta bir azot gazı akımı altında silikon kauçuk şerit kurutun.
   2. Gaz kromatografisi-kütle spektrometrisi (GC-MS) analizi için, Soxhlet ekstraksiyonu ²² kullanılarak katı-sıvı özütleme gerçekleştirmek.
      1. Soxhlet özütleme cihazına silikon kauçuk yerleştirin. 250 ml PE / ACE ekleme (50/50; h / h) ve 3 boiyuvarlak şişe şişe içine ling taşları.
      2. Bir 100 ul silikon kauçuk başak bir cam şırınga kullanılarak karışımı (c = 5 ng mi ^-1) 'dir. Soxhlet özütleme cihazına 50 ml PE / ACE (50/50; h / h) ekleyin. ısıtıcı açın ve 19 saat Soxhlet ekstraksiyon çalıştırın ve sonra ısıtıcıyı kapatın.
      3. 1 ml yumuşak azot istim boşaltma, ardından döner buharlaştırma ile ekstreler konsantre. 1 ml azot istim boşaltma üç kere 1 mi CH / ACE (90/10, hacim / hacim) ilave edilerek / ACE (90/10, v / v) CH solvent alış veriş.
   3. Sıvı kromatografisi-tandem kütle spektrometresi (LC-MS / MS) analizi için, Soxhlet ekstraksiyonu ²² kullanarak bir özütleme gerçekleştirmek.
      1. Soxhlet özütleme cihazına silikon kauçuk yerleştirin. Soxhlet çıkarıcı içine 250 ml MeOH ve yuvarlak şişe balona 3 kaynama taşları ve 50 ml MeOH ekleyin. Karışım (c = 5 ng ^mi-1), bir cam Syr kullanarak bir 100 ul silikon kauçuk başakinge.
      2. ısıtıcı açın ve 19 saat Soxhlet ekstraksiyon çalıştırın ve sonra ısıtıcıyı kapatın. 1 ml yumuşak azot istim boşaltma, ardından döner buharlaştırma ile ekstreler konsantre. 1 ml azot darbe aşağı sırasında 1 ml ACN ekleyerek ACN çözücü alışverişi.
2. POCIS-A ve POCIS-B
   1. dikkatle POCIS Örnekleyici açınız ve iki polietilen (PE) cam hamuru içeren bir ön temizleme boş polipropilen, katı faz ekstraksiyonu (SPE), kartuşun (6 mi) bir huni kullanılarak ultra saf su ile sorbent aktarın. suyu çıkarmak için vakum ile sorbent kurulayın. Sorbent malzemenin ağırlığını kontrol etmek için boş ve dolu SPE kartuşu ağırlığını kaydedin. Farklı kartuşlar GC-MS ve LC-MS / MS analizi için kullanılan unutmayın.
   2. Elüsyondan önce, bir cam şırınga kullanılarak bir 100 ul ile sorbent karışımı (c = 5 ng ^mi-1) sivri uç. 5 kullanarak Zehir POCIS-A ve POCIS-B sorbentGC-MS ²² ml EA.
      1. yumuşak azot darbe-down 1 ml özleri konsantre. 1 ml azot istim boşaltma üç kere 1 mi CH / ACE (90/10, hacim / hacim) ilave edilerek / ACE (90/10, v / v) CH solvent alış veriş.
   3. 8 mi DCM / MeOH, ardından, 1.5 ml MeOH kullanılarak Elute POCIS-A ve POCIS-B kartuşlar (80/20, v / v), LC-MS / MS analizi için ^22. yumuşak azot darbe-down 1 ml özleri konsantre. 1 ml azot darbe aşağı sırasında 1 ml ACN ekleyerek ACN çözücü alışverişi.
3. SDB-RPS ve C ₁₈ Disk
   1. Bir cam behere SDB-RPS ve C ₁₈ diskin tek tek diskler aktarın ve azot gazı altında kurutun. 3 ml, daha sonra 10 dakika boyunca EA 5 ml ilk karışım (c = 5 ng ^mi-1), bir cam şırınga kullanılarak ve oda sıcaklığında, bir cam beher iki kez sonikasyon IS bir 100 ul diskleri başak ve 10 dakika süre ile EA.
   2. aktarım boBir cam tüp içine inci ekstreler aşağı yumuşak azot darbe 2 ml bunları konsantre ve (GC-MS ve LC-MS / MS analizi için sırasıyla) iki adet 1 ml'lik kısımlar içine bölündü.
   3. Yumuşak bir azot istim boşaltma 0.5 ml özler konsantre edilir ve CH / ACE solvent alış veriş (90/10, v / v) GC-MS analizi için ^22. Yumuşak bir azot istim boşaltma 0.5 ml özler konsantre edilir ve LC-MS / MS analizi için ²² ACN çözücü değişimi.

4. Su Örnekleri

1. Karışım, bir cam şırınga kullanılarak (c = 5 ng mi ^-1) 'nin bir 100 ul ile 20 mi su örneği başak 3 dakika boyunca DCM 3 ml, girdap ekleyin ve GC-MS analizi ²² için bir faz ayırıcı içine aktarın.
   1. İki faz ayrıldıktan sonra, bir cam tüp içine DCM fazı percolate. 3 ml DCM kullanılarak ekstre tekrarlayın ve 2 mi DCM ile tüp yıkayın. Son olarak, yumuşak azot darbe aşağı ve Exchan 0.5 ml özler konsantrege CH çözücü / ACE (90/10; hac / hac).
2. LC-MS / MS ²¹ başka yerlerde tarif edilen yönteme benzer şekilde, büyük hacimli enjeksiyon, kullanma suyu örnekleri analiz edin.

5. Enstrümental Analiz

1. GC-MS analizi
   1. Elektron iyonizasyon (EI) ve negatif kimyasal iyonizasyon (NCI) modunda, sırasıyla ²² GC-MS sistemleri kullanılarak CH / ACE özleri enstrümantal analiz gerçekleştirin.
   2. EI kullanarak GC-MS yöntemi için bir HP-5MS UI kolonunda Splitless enjeksiyon yöntemi ile 1 ul (30 m, 0,25 mm iç çapı, 0.25 mikron film) hacimde enjekte edilir.
   3. GC-MS metodu kullanılarak CI için, HP-5MS UI kolonunda 3 ul (30 m, 0,25 mm iç çapı, 0.25 mikron film) hacimde enjekte edilir.
2. HPLC-MS / MS analizi
   1. (-) ESI () ve pozitif iyon m ACN enstrümantal analiz gerçekleştirin kullanarak ekstrelerinden HPLC-MS / MS bir elektro negatif iyonlaşma kaynağı ile arabirimode ((+) ESI) ^22.
   2. ACN FA ile pH 5'e ayarlanmış 900 ul ultra-saf su ile özleri (+) ESI, 100 ul seyreltilmiş.
   3. (-) ESI, ACN 100 ul ultra-saf su içinde% 1 FA 900 ul çözeltisi ile özleri seyreltin.
   4. (+) ESI için, 0.3 ml ^dak-1 olan bir akış oranında 2-propanol / metanol / 10 mM amonyum format (6/2/92, hacim / hacim / hacim) ve MeOH içeren bir ikili gradyan kullanın.
   5. (-) ESI, 0.3 mi ^dak-1 bir akış oranında ACN / ultra saf su,% 0.1 HAC ACN +% 0.1 HAc oluşan bir ikili gradyan kullanın.
   6. İki çevrimiçi SPE sütunu (20 x 2 mm ID 20-25 um parçacık boyutu) ve bir analitik sütun _(C18, 100 x 3 mm, 3.5 um) ²¹ ile 500 ul bir büyük hacimli enjeksiyon kullanarak tüm numune enjekte edilir.

Pasif Örnekleme 6. Teorisi

NOT: Pasif örnekleyici Mediu'nun için kimyasal alımı profiliDoğrusal, eğrisel ve denge (Şekil 3): m (PSM) üç bölüme ayrılmıştır.

3. Pasif örnekleyici alımı eğrisi Şekil. A) ve C) alımı mutlak ng pasif örnekleyicilerin (N _t) sırasıyla asetamiprid ve dimethoate'nin, birikmiş miktarı için eğri, ve B) ve D) ng L sırasıyla asetamiprid ve dimethoate'nin, su deposu konsantrasyonu ^{- 1.} Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

1. (Maruziyet t gün sonra pasif Örnekleyicideki N ^'t hedef bileşiklerin birikmiş miktarda bölerek pasif örnekleyici için eşdeğer su hacmi (V _eq L) hesaplayın -1, _w c kepçe ve zaman entegre aktif örnekleme yöntemiyle su fazında konsantrasyonu p> ng).
   (1)
2. Dağıtım zamana karşı V _eq eğimini alarak, alım profilin lineer alımı aşamasından örnekleme hızı (R _S, L gün ^-1) türevi.
3. K _PW denklem kullanılarak farklı böcek ilacı için ^(-1 L kg) hesaplayın. 2.
   (2)
   m _p örnekleyici başına sorbent kütlesi olduğu (ng).
4. Lineer alım aşamasında, _(TWA, ng L ^-1 c) nolu denklem kullanılarak pasif örnekleyici tarafından türetilen suda analitin TWA konsantrasyonunu hesaplamak. 3..
   (3)
   burada R, _S sampling oranı (L gün ^-1) ve t dağıtım süresi (gün).
5. Eğrisel aşamada, eşitlik kullanılarak _TWA c hesaplayın. 4.
   (4)
6. Denge aşamasında, eşitlik kullanılarak _TWA c hesaplayın. 5.
   (5)

7. İstatistiksel Veri Analizi

1. Bir Shapiro-Wilk testi ²³ kullanarak veri olmayan normal dağılım test edin. Test pestisitlerin fizikokimyasal özellikleri ²⁴ (-1 1 arasında değişen Spearman rho) vs K _PW ve R _S parametrik olmayan Spearman sıra korelasyonu kullanın.

Sonuçlar

Beş farklı pasif örnekleyici teknikleri 124 mirasının alımı ve silikon kauçuk (Şekil 1) ve POCIS A, POCIS B, SDB-RPS ve C ₁₈ diskte (Şekil 2) dahil olmak üzere mevcut kullanılan pestisitlerin için karşılaştırıldı. ekstraksiyon yöntemi ve enstrümantal analiz performansı optimize edildi. Laboratuar alım deneylerinin sonuçları _PW değerleri farklı böcek ilacı (Şekil 3) için alım ...

Tartışmalar

Kalite kontrolü için, standart prosedür, laboratuvar boşlukları olarak, algılama (LOD), kurtarma ve tekrarlanabilirlik sınırları ²³ incelenmiştir. Birkaç böcek ilaçları, düşük konsantrasyon seviyelerinde boş örneklerde tespit edildi. LODs ortalama LODs silikon kauçuk, POCIS-A için 1.7 pg mutlak 1.6 sütun üzerine enjekte 8.0 pg mutlak 3. Bu gürültü oranına bir sinyal kriterlerini karşılayan kalibrasyon eğrisine en alçak noktası değeri olarak belirlendi pg POCIS-B, SDB-RPS disk ...

Malzemeler

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