Method Article
Le présent protocole décrit l’utilisation du formate d’ammonium pour la répartition en phase dans QuEChERS, ainsi que la chromatographie en phase gazeuse-spectrométrie de masse, pour déterminer avec succès les résidus de pesticides organochlorés dans un échantillon de sol.
Actuellement, la méthode QuEChERS représente le protocole de préparation d’échantillons le plus largement utilisé dans le monde pour analyser les résidus de pesticides dans une grande variété de matrices dans les laboratoires officiels et non officiels. La méthode QuEChERS utilisant le formate d’ammonium s’est déjà révélée avantageuse par rapport à l’original et aux deux versions officielles. D’une part, la simple addition de 0,5 g de formate d’ammonium par gramme d’échantillon suffit pour induire la séparation des phases et obtenir de bonnes performances analytiques. D’autre part, le formate d’ammonium réduit le besoin de maintenance dans les analyses de routine. Ici, une méthode QuEChERS modifiée utilisant le formate d’ammonium a été appliquée pour l’analyse simultanée des résidus de pesticides organochlorés (PCO) dans les sols agricoles. Plus précisément, 10 g de l’échantillon ont été hydratés avec 10 mL d’eau, puis extraits avec 10 mL d’acétonitrile. Ensuite, la séparation de phase a été réalisée à l’aide de 5 g de formiate d’ammonium. Après centrifugation, le surnageant a été soumis à une étape de nettoyage d’extraction dispersive en phase solide avec du sulfate de magnésium anhydre, de l’amine primaire-secondaire et de l’octadécylsilane. La chromatographie en phase gazeuse-spectrométrie de masse a été utilisée comme technique analytique. La méthode QuEChERS utilisant le formate d’ammonium est démontrée comme une alternative efficace pour extraire les résidus OCP d’un échantillon de sol.
La nécessité d’augmenter la production alimentaire a conduit à l’utilisation intensive et généralisée de pesticides dans le monde entier au cours des dernières décennies. Des pesticides sont appliqués sur les cultures pour les protéger des ravageurs et augmenter les rendements des cultures, mais leurs résidus se retrouvent généralement dans l’environnement du sol, en particulier dans les zones agricoles1. De plus, certains pesticides, tels que les pesticides organochlorés (OCP), ont une structure très stable, de sorte que leurs résidus ne se décomposent pas facilement et persistent longtemps dans le sol2. Généralement, le sol a une grande capacité à accumuler des résidus de pesticides, surtout lorsqu’il a une teneur élevée en matière organique3. En conséquence, le sol est l’un des compartiments environnementaux les plus contaminés par les résidus de pesticides. À titre d’exemple, l’une des études complètes réalisées à ce jour a révélé que 83 % des 317 sols agricoles de l’Union européenne étaient contaminés par un ou plusieurs résidus de pesticides4.
La pollution des sols par les résidus de pesticides peut affecter les espèces non ciblées, la fonction du sol et la santé des consommateurs tout au long de la chaîne alimentaire en raison de la toxicité élevée des résidus 5,6. Par conséquent, l’évaluation des résidus de pesticides dans les sols est essentielle pour évaluer leurs effets négatifs potentiels sur l’environnement et la santé humaine, en particulier dans les pays en développement en raison de l’absence de réglementation stricte sur l’utilisation des pesticides7. Cela rend l’analyse multi-résidus de pesticides de plus en plus importante. Cependant, l’analyse rapide et précise des résidus de pesticides dans les sols est un défi difficile en raison du grand nombre de substances interférentes, ainsi que du faible niveau de concentration et des diverses propriétés physico-chimiques de ces analytes4.
De toutes les méthodes d’analyse des résidus de pesticides, la méthode QuEChERS est devenue l’option la plus rapide, la plus facile, la moins chère, la plus efficace, la plus robuste et la plus sûre8. La méthode QuEChERS comporte deux étapes. Dans un premier temps, une extraction à l’échelle microscopique basée sur la séparation par salage entre une couche aqueuse et une couche d’acétonitrile est effectuée. Dans la deuxième étape, un processus de nettoyage est effectué à l’aide d’une extraction dispersive en phase solide (dSPE); cette technique utilise de petites quantités de plusieurs combinaisons de sorbants poreux pour éliminer les composants interférents avec la matrice et surmonte les inconvénients de la SPE9 conventionnelle. Par conséquent, le QuEChERS est une approche respectueuse de l’environnement avec peu de solvants / produits chimiques gaspillés qui fournit des résultats très précis et minimise les sources potentielles d’erreurs aléatoires et systématiques. En fait, il a été appliqué avec succès pour l’analyse de routine à haut débit de centaines de pesticides, avec une forte applicabilité dans presque tous les types d’échantillons environnementaux, agroalimentaires et biologiques 8,10. Ce travail vise à appliquer et valider une nouvelle modification de la méthode QuEChERS qui a été précédemment développée et couplée à GC-MS pour analyser les OCP dans les sols agricoles.
1. Préparation des solutions mères
REMARQUE: Il est recommandé de porter des gants en nitrile, une blouse de laboratoire et des lunettes de sécurité pendant toute la durée du protocole.
2. Prélèvement d’échantillons
3. Préparation des échantillons par la méthode QuEChERS modifiée utilisant le formate d’ammonium
Remarque : La figure 1 montre une représentation schématique de la méthode QuEChERS modifiée.
4. Analyse instrumentale par GC-MS
5. Acquisition des données
La validation complète de la méthode analytique a été effectuée en termes de linéarité, d’effets de matrice, de récupération et de répétabilité.
Des courbes d’étalonnage appariées par matrice avec des échantillons blancs enrichis à six niveaux de concentration (5 μg/kg, 10 μg/kg, 50 μg/kg, 100 μg/kg, 200 μg/kg et 400 μg/kg) ont été utilisées pour l’évaluation de la linéarité. Les coefficients de détermination (R2) étaient supérieurs ou égaux à 0,99 pour tous les OCP. Le niveau d’étalonnage le plus bas (LCL) a été fixé à 5 μg/kg, ce qui correspond à la limite maximale admissible établie à 10 μg/kg à des fins de surveillance dans les applications alimentaires11.
L’évaluation de l’effet de la matrice a été réalisée en comparant les pentes des courbes d’étalonnage OCP dans les courbes d’étalonnage du solvant pur et les courbes d’étalonnage appariées à la matrice. L’effet de matrice a été calculé à l’aide de l’équation12 suivante :
Effet de matrice (%) = (pente de la courbe d’étalonnage appariée à la matrice − pente de la courbe d’étalonnage à base de solvant pur)/(pente de la courbe d’étalonnage à base de solvant pur) × 100.
La figure 2 montre les distributions d’effet de matrice pour les OCP étudiés en appliquant une méthode QuEChERS modifiée utilisant un formiate d’ammonium à des échantillons de sol. Les pourcentages d’effet de matrice positive correspondent à une amélioration du signal, tandis que les pourcentages négatifs signifient qu’il y a suppression du signal. Plus précisément, (1) des valeurs comprises entre −20 % et 20 % correspondent à un effet de matrice molle; (2) des valeurs comprises entre −20 % et -50 % ou entre 20 % et 50 % correspondent à un effet de matrice moyenne; (3) et des valeurs supérieures à 50 % ou inférieures à −50 % signifient qu’il existe un fort effet de matrice. Comme on l’a observé, un plus grand nombre de PCO ont subi des effets de matrice mous ou moyens, tandis que moins d’OCP ont subi de forts effets de matrice.
La récupération et la répétabilité ont été évaluées en prélevant des échantillons blancs avec des pesticides à trois niveaux de concentration (10 μg/kg, 50 μg/kg et 200 μg/kg). La figure 3 montre les valeurs de récupération globales et les valeurs de l’écart-type relatif (DSR) pour tous les pesticides et les niveaux de pointe (n = 9). Comme on peut l’observer, la grande majorité des PCO étudiés présentaient des pourcentages de récupération moyens compris entre 70 % et 120 %, avec des DSR inférieurs à 20 %, à l’exception de l’heptachlore, de l’endrine et du β-endosulfan, qui ont donné des taux de récupération moyens légèrement plus élevés.
Figure 1 : Représentation de la méthode QuEChERS modifiée utilisant le formate d’ammonium pour extraire les résidus de pesticides de l’échantillon de sol. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : Distribution des effets de matrice en fonction des temps de rétention (min) pour les 17 OCP. Un effet de matrice molle correspond à des valeurs comprises entre −20 % et 20 % ; un effet de matrice moyen correspond à des valeurs comprises entre −20 % et −50 % ou entre 20 % et 50 %; Un effet de matrice fort correspond à des valeurs supérieures à 50 % ou inférieures à −50 %. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 3 : Récupération moyenne des 17 PCO après avoir atteint 10 μg/kg, 50 μg/kg et 200 μg/kg (n = 9) dans l’échantillon de sol. Le nombre d’analytes dans la plage de récupération acceptable (70 % à 120 %) et de DSR (<20 %) est fourni, ainsi que ceux étiquetés en dehors de cette plage. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Analyte | Temps de rétention (min) | Ion quantificateur | Qualificatif ion 1 | Qualificatif ion 2 |
α-BHC | 11.35 | 181 | 219 | 111 |
β-BHC | 11.90 | 181 | 219 | 109 |
Lindane | 12.01 | 181 | 183 | 219 |
δ-BHC | 12.39 | 181 | 219 | 111 |
Heptachlore | 13.24 | 272 | 100 | 274 |
Aldrine | 13.94 | 263 | 66 | 265 |
Héptachlore époxyde | 14.86 | 353 | 355 | 81 |
α-endosulfan | 15.71 | 241 | 239 | 195 |
4,4'-DDE-d8 (IS) | 16.09 | 254 | 184 | 326 |
4,4'-DDE | 16.12 | 246 | 318 | 248 |
Dieldrine | 16.18 | 79 | 263 | 81 |
Endrine | 16.57 | 263 | 317 | 345 |
β-Endosulfan | 16.73 | 195 | 241 | 159 |
4,4'-DDD | 16.89 | 235 | 237 | 165 |
Sulfate d’endosulfan | 17.61 | 387 | 227 | 272 |
4,4'-DDT | 17.65 | 235 | 237 | 165 |
Endrine cétone | 18.64 | 317 | 67 | 315 |
Méthoxychlore | 18.86 | 227 | 228 | 212 |
Tableau 1 : Temps de rétention (min) et paramètres de quantification pour l’analyse GC-SM des PCO. Hexachlorure d’alpha-benzène (α-BHC); hexachlorure de bêta-benzène (β-BHC); lindane; hexachlorure de delta-benzène (δ-BHC); Heptachlore; aldrine; époxyde d’heptachlore; α-endosulfan; 4,4'-dichlorodiphényldichloroéthylène-d8 (4,4'-DDE-d8) (IS); 4,4'-dichlorodiphényldichloroéthylène (4,4'-DDE); dieldrine; endrine; β-endosulfan; 4,4'-dichlorodiphényldichloroéthane (4,4'-DDD); sulfate d’endosulfan; 4,4'-dichlorodiphényltrichloroéthane (4,4'-DDT); endrine cétone; méthoxychlore.
L’original9 et les deux versions officielles13,14 de la méthode QuEChERS utilisent du sulfate de magnésium avec du chlorure de sodium, de l’acétate ou des sels de citrate pour favoriser la séparation du mélange acétonitrile/eau pendant l’extraction. Cependant, ces sels ont tendance à se déposer sous forme de solides sur les surfaces de la source de spectrométrie de masse (SM), ce qui nécessite une maintenance accrue des méthodes basées sur la chromatographie liquide (LC) et la SM. Pour ce qui est de surmonter ces inconvénients, González-Curbelo et al.15 ont rapporté que le formate d’ammonium plus volatil fonctionnait bien pour induire la séparation des phases et l’extraction des résidus de pesticides pour la spectrométrie de masse en tandem LC- et GC (MS/MS). Des études ultérieures ont également utilisé 0,5 g de formate d’ammonium par gramme d’échantillon pour extraire les résidus de pesticides de diverses matrices complexes16,17,18,19. En outre, il a été démontré que l’utilisation du formate d’ammonium fournit des quantités plus faibles de matière co-extraite20, ce qui justifie son utilisation pour les méthodes basées sur la GC-MS. La présente étude, pour la première fois, rapporte cette version pour analyser les résidus de pesticides dans les sols21.
L’analyse GC des résidus de pesticides dans des matrices complexes telles que les sols présente certaines limites en raison de l’action des composants de la matrice co-extraits sur la réponse instrumentale des pesticides, ce qui entraîne une détermination inexacte et une sensibilité plus faible22,23. Par conséquent, plusieurs améliorations ont été apportées pour minimiser l’effet de matrice, y compris l’optimisation des étapesde nettoyage 21. Néanmoins, l’effet de matrice a toujours lieu et doit être corrigé autant que possible. En ce sens, l’étalonnage par correspondance matricielle a été la principale approche utilisée car elle est très pratique pour compenser l’amélioration du signal chromatographique par rapport à celui des solvants purs24. Ainsi, dans cette étude, la linéarité a été évaluée en construisant les courbes d’étalonnage dans l’acétonitrile pur et en utilisant des extraits de sol, et des valeursR2 supérieures ou égales à 0,99 pour tous les OCP ont été obtenues en utilisant les deux approches. Cependant, lorsque les deux courbes d’étalonnage ont été comparées, des effets de matrice appréciables ont été trouvés dans la gamme de –49% à 191% (Figure 2). Bien que le nombre de pesticides ayant subi un fort effet de matrice n’ait été que de 3 sur 17 (endrine, endrine cétone et méthoxychlore), des études ultérieures ont été menées en utilisant les courbes d’étalonnage appariées par matrice pour compenser davantage les effets de la matrice.
Aucune limite maximale de résidus (LMR) n’a été établie pour les résidus de pesticides dans les sols, mais une LCL de 5 μg/kg a été fixée pour tous les PCO, ce qui est inférieur à la LMR standard très exigeante fixée à 10 μg/kg par la législation internationale pour l’analyse des résidus de pesticides dans les produits agroalimentaires (règlement 396/2005)11. En outre, le LCL de 5 μg/kg a fourni un rapport signal/bruit (S/N) d’environ 10 pour tous les OCP. La sensibilité élevée de cette méthode est similaire ou même meilleure que celle obtenue dans d’autres études qui ont également analysé les OCP dans les sols en utilisant la méthode QuEChERS suivie de GC-MS. Par exemple, dans une étude, 34 OCP ont été analysés à l’aide de la version officielle de la méthode QuEChERS qui utilise un tampon de citrate, et les limites de quantification (LQ) étaient égales ou supérieures à 7 μg/kg25. En particulier, les valeurs de LQ du α-BHC, du β-BHC, du lindane et du δ-BHC se situaient entre 206 μg/kg et 384 μg/kg. Dans un autre travail, le lindane et la dieldrine ont été analysés en utilisant la même version de la méthode QuEChERS, et des valeurs de LQ de 42 μg/kg et 292 μg/kg ont été obtenues, respectivement26. De même, un autre travail de recherche a également déterminé l’aldrine et l’heptachlore en utilisant QuEChERS et GC-MS, avec des valeurs LOQ de 13 et 23 μg / kg, respectivement27.
L’évaluation de la récupération et de la reproductibilité a été élaborée à trois niveaux de concentration (faible, moyen et élevé) en triple exemplaire (n = 9). À cette fin, les valeurs de récupération globales ont été déterminées en comparant les rapports surface de pic de pesticide/surface de pointe IS (4,4'-DDE-d8) obtenus à partir des échantillons de sol enrichis au début de l’application de la méthode QuEChERS utilisant le formate d’ammonium avec ceux de l’étalonnage apparié par matrice. Dans tous les cas, chaque réplique a été injectée deux fois dans la même séquence. Il est à noter que l’utilisation d’un IS, un étalon marqué isotopiquement, permet de compenser les pertes éventuelles des pesticides qui ont lieu pendant toute la procédure, ainsi que l’effet de matrice et/ou la variabilité éventuelle de l’instrument. Selon les résultats, la plupart des pesticides répondaient aux critères d’acceptabilité de valeurs de récupération de 70 % à 120 % avec une DSR ≤20 % à chaque niveau de pointe28, ce qui a démontré l’efficacité et la répétabilité de la méthode. Néanmoins, les valeurs de récupération globales (n = 9) étaient légèrement supérieures à 120 % pour l’heptachlore (122 %), l’endrine (121 %) et le β-endosulfan (130 %), bien qu’elles soient constantes (DSR <13 %). En ce sens, compte tenu des valeurs globales de récupération à trois niveaux de pointe, un critère d’acceptabilité de 30% à 140% avec des valeurs RSD ≤20% a été établi28.
En conclusion, la méthode QuEChERS utilisant le formate d’ammonium couplé à la GC-MS peut déterminer avec succès les OCP dans les échantillons de sol agricole. Il a été démontré dans cette étude que la simple addition de 5 g de formiate d’ammonium pour induire une séparation de phase entre les couches d’eau et d’acétonitrile assurait une extraction appropriée avec des récupérations élevées des pesticides sélectionnés. Cependant, l’effet de matrice a continué à se produire, de sorte que d’autres approches, telles que l’ajout de protecteurs d’analytes, devraient être étudiées dans des travaux ultérieurs. Dans tous les cas, cette alternative aux versions officielles de QuEChERS peut être utilisée pour éviter les solides indésirables déposés dans le système analytique en raison de l’utilisation de sels de magnésium et de sodium, en particulier dans les analyses de routine basées sur la LC-MS. Dans ce dernier cas, ce serait encore plus intéressant puisque le formate d’ammonium est une aide à l’ionisation dans l’ionisation électropulvérisée positive et peut améliorer la formation d’adduits d’ammonium au lieu d’adduits de sodium.
Je n’ai aucun conflit d’intérêts à divulguer.
Je tiens à remercier Javier Hernández-Borges et Cecilia Ortega-Zamora pour leur soutien inestimable. Je tiens également à remercier l’Universidad EAN et l’Universidad de La Laguna.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
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 |
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