Method Article
Il presente protocollo descrive l'utilizzo del formiato di ammonio per la partizionazione di fase in QuEChERS, insieme alla gascromatografia-spettrometria di massa, per determinare con successo i residui di pesticidi organoclorurati in un campione di terreno.
Attualmente, il metodo QuEChERS rappresenta il protocollo di preparazione dei campioni più utilizzato in tutto il mondo per l'analisi dei residui di pesticidi in un'ampia varietà di matrici sia nei laboratori ufficiali che non ufficiali. Il metodo QuEChERS che utilizza il formiato di ammonio si è dimostrato in precedenza vantaggioso rispetto all'originale e alle due versioni ufficiali. Da un lato, la semplice aggiunta di 0,5 g di formiato di ammonio per grammo di campione è sufficiente per indurre la separazione di fase e ottenere buone prestazioni analitiche. D'altra parte, il formiato di ammonio riduce la necessità di manutenzione nelle analisi di routine. Qui, è stato applicato un metodo QuEChERS modificato utilizzando formiato di ammonio per l'analisi simultanea dei residui di pesticidi organoclorurati (OCP) nel suolo agricolo. Nello specifico, 10 g del campione sono stati idratati con 10 ml di acqua e quindi estratti con 10 ml di acetonitrile. Successivamente, la separazione di fase è stata effettuata utilizzando 5 g di formiato di ammonio. Dopo la centrifugazione, il surnatante è stato sottoposto a una fase di pulizia dell'estrazione in fase solida dispersiva con solfato di magnesio anidro, ammina primaria-secondaria e ottadecilsilano. La gascromatografia-spettrometria di massa è stata utilizzata come tecnica analitica. Il metodo QuEChERS che utilizza il formiato di ammonio si è dimostrato un'alternativa efficace per estrarre residui di OCP da un campione di terreno.
La necessità di aumentare la produzione alimentare ha portato all'uso intensivo e diffuso di pesticidi in tutto il mondo negli ultimi decenni. I pesticidi vengono applicati alle colture per proteggerle dai parassiti e aumentare i raccolti, ma i loro residui di solito finiscono nell'ambiente del suolo, specialmente nelle aree agricole1. Inoltre, alcuni pesticidi, come i pesticidi organoclorurati (OCP), hanno una struttura molto stabile, quindi i loro residui non si decompongono facilmente e persistono nel terreno per lungo tempo2. Generalmente, il suolo ha un'elevata capacità di accumulare residui di pesticidi, soprattutto quando ha un alto contenuto di sostanza organica3. Di conseguenza, il suolo è uno dei compartimenti ambientali più contaminati dai residui di pesticidi. Ad esempio, uno degli studi completi finora condotti ha rilevato che l'83% dei 317 terreni agricoli provenienti da tutta l'Unione europea era contaminato da uno o più residui di pesticidi4.
L'inquinamento del suolo da residui di antiparassitari può influire sulle specie non bersaglio, sulla funzione del suolo e sulla salute dei consumatori lungo tutta la catena alimentare a causa dell'elevata tossicità dei residui 5,6. Di conseguenza, la valutazione dei residui di antiparassitari nel suolo è essenziale per valutare i loro potenziali effetti negativi sull'ambiente e sulla salute umana, in particolare nei paesi in via di sviluppo a causa della mancanza di norme rigorose sull'uso dei pesticidi7. Ciò rende l'analisi multiresiduo dei pesticidi sempre più importante. Tuttavia, l'analisi rapida e accurata dei residui di pesticidi nel suolo è una sfida difficile a causa del gran numero di sostanze interferenti, nonché del basso livello di concentrazione e delle diverse proprietà fisico-chimiche di questi analiti4.
Di tutti i metodi di analisi dei residui di pesticidi, il metodo QuEChERS è diventato l'opzione più rapida, più semplice, più economica, più efficace, più robusta e più sicura8. Il metodo QuEChERS prevede due passaggi. Nella prima fase, viene eseguita un'estrazione su microscala basata sulla suddivisione tramite salatura tra uno strato acquoso e uno acetonitrile. Nella seconda fase viene effettuato un processo di pulizia che utilizza un'estrazione dispersiva in fase solida (dSPE); questa tecnica utilizza piccole quantità di diverse combinazioni di assorbenti porosi per rimuovere i componenti che interferiscono con la matrice e supera gli svantaggi dellaSPE 9 convenzionale. Quindi, il QuEChERS è un approccio ecologico con pochi solventi / sostanze chimiche che vanno sprecati che fornisce risultati molto accurati e riduce al minimo le potenziali fonti di errori casuali e sistematici. Infatti, è stato applicato con successo per l'analisi di routine ad alta produttività di centinaia di pesticidi, con forte applicabilità in quasi tutti i tipi di campioni ambientali, agroalimentari e biologici 8,10. Questo lavoro mira ad applicare e convalidare una nuova modifica del metodo QuEChERS che è stato precedentemente sviluppato e accoppiato a GC-MS per analizzare gli OCP nel suolo agricolo.
1. Preparazione delle soluzioni madre
NOTA: Si consiglia di indossare guanti in nitrile, camice da laboratorio e occhiali di sicurezza durante l'intero protocollo.
2. Raccolta dei campioni
3. Preparazione del campione tramite il metodo QuEChERS modificato utilizzando formiato di ammonio
Nota : la Figura 1 mostra una rappresentazione schematica del metodo QuEChERS modificato.
4. Analisi strumentale da parte di GC-MS
5. Acquisizione dei dati
La validazione completa del metodo analitico è stata eseguita in termini di linearità, effetti matriciali, recupero e ripetibilità.
Per la valutazione della linearità sono state utilizzate curve di calibrazione abbinate alla matrice con campioni bianchi a spillo a sei livelli di concentrazione (5 μg/kg, 10 μg/kg, 50 μg/kg, 100 μg/kg, 200 μg/kg e 400 μg/kg). I coefficienti di determinazione (R2) erano superiori o uguali a 0,99 per tutti gli OCP. Il livello minimo di taratura (LCL) è stato fissato a 5 μg/kg, che soddisfa il limite massimo consentito fissato a 10 μg/kg a fini di monitoraggio nelle applicazioni alimentari11.
La valutazione dell'effetto della matrice è stata effettuata confrontando le pendenze delle curve di calibrazione OCP in solvente puro e le curve di calibrazione abbinate alla matrice. L'effetto della matrice è stato calcolato utilizzando la seguente equazione12:
Effetto matrice (%) = (pendenza della curva di taratura abbinata alla matrice − pendenza della curva di taratura a base di solvente puro)/(pendenza della curva di taratura a base di solvente puro) × 100.
La figura 2 mostra le distribuzioni dell'effetto matrice per gli OCP studiati applicando un metodo QuEChERS modificato utilizzando formiato di ammonio ai campioni di terreno. Le percentuali positive dell'effetto della matrice corrispondono a un miglioramento del segnale, mentre le percentuali negative significano che c'è soppressione del segnale. In particolare, (1) valori compresi tra -20% e 20% corrispondono a un effetto matrice morbida; (2) valori compresi tra -20% e -50% o tra il 20% e il 50% corrispondono a un effetto matrice medio; (3) e valori superiori al 50% o inferiori a -50% significano che c'è un forte effetto matrice. Come osservato, un maggior numero di OCP ha subito effetti di matrice morbida o media, mentre un minor numero di OCP ha subito forti effetti di matrice.
Il recupero e la ripetibilità sono stati valutati mediante campioni in bianco con pesticidi a tre livelli di concentrazione (10 μg/kg, 50 μg/kg e 200 μg/kg). La figura 3 mostra i valori complessivi di recupero e i valori di deviazione standard relativa (RSD) per tutti i pesticidi e i livelli di picchiata (n = 9). Come si può osservare, la grande maggioranza degli OCP studiati presentava percentuali medie di recupero comprese tra il 70% e il 120%, con RSD inferiori al 20%, ad eccezione di eptacloro, endrin e β-endosulfan, che hanno dato recuperi medi leggermente più alti.
Figura 1: Rappresentazione del metodo QuEChERS modificato utilizzando formiato di ammonio per estrarre residui di pesticidi dal campione di terreno. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 2: Distribuzione degli effetti della matrice rispetto ai tempi di ritenzione (min) per i 17 OCP. Un effetto matrice morbida corrisponde a valori compresi tra -20% e 20%; un effetto matrice medio corrisponde a valori compresi tra -20% e -50% o tra il 20% e il 50%; Un effetto matrice forte corrisponde a valori superiori al 50% o inferiori a -50%. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 3: Recuperi medi per i 17 OCP dopo aver picchiato 10 μg/kg, 50 μg/kg e 200 μg/kg (n = 9) nel campione di terreno. Viene fornito il numero di analiti all'interno dell'intervallo di recupero accettabile (70%-120%) e RSD (<20%), insieme a quelli etichettati al di fuori di tale intervallo. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Analita | Tempo di ritenzione (min) | Ione quantificatore | Qualificatore ione 1 | Qualificatore ione 2 |
α-BHC | 11.35 | 181 | 219 | 111 |
β-BHC | 11.90 | 181 | 219 | 109 |
Lindano | 12.01 | 181 | 183 | 219 |
δ-BHC | 12.39 | 181 | 219 | 111 |
Eptacloro | 13.24 | 272 | 100 | 274 |
Aldrin | 13.94 | 263 | 66 | 265 |
Eptacloro epossido | 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 |
Dieldrin | 16.18 | 79 | 263 | 81 |
Endrin | 16.57 | 263 | 317 | 345 |
β-endosulfan | 16.73 | 195 | 241 | 159 |
4,4'-DDD | 16.89 | 235 | 237 | 165 |
Endosulfan solfato | 17.61 | 387 | 227 | 272 |
4,4'-DDT | 17.65 | 235 | 237 | 165 |
Endrin chetone | 18.64 | 317 | 67 | 315 |
Metossicloro | 18.86 | 227 | 228 | 212 |
Tabella 1: Tempi di ritenzione (min) e parametri di quantificazione per l'analisi GC-MS degli OCP. alfa-benzeneesacloruro (α-BHC); beta-benzeneesacloruro (β-BHC); lindano; delta-benzeneesacloruro (δ-BHC); eptacloro; aldrin; eptacloro epossido; α-endosulfan; 4,4'-diclorodifenildicloroetilene-d8 (4,4'-DDE-d8) (IS); 4,4'-diclorodifenildicloroetilene (4,4'-DDE); dieldrin; endrin; β-endosulfan; 4,4'-diclorodifenildicloroetano (4,4'-DDD); endosulfan solfato; 4,4'-diclorodifeniltricloroetano (4,4'-DDT); endrin chetone; metossicloro.
La9 originale e le due versioni ufficiali13,14 del metodo QuEChERS utilizzano solfato di magnesio insieme a cloruro di sodio, acetato o sali di citrato per promuovere la separazione della miscela acetonitrile/acqua durante l'estrazione. Tuttavia, questi sali tendono ad essere depositati come solidi sulle superfici nella sorgente di spettrometria di massa (MS), il che causa la necessità di una maggiore manutenzione dei metodi basati sulla cromatografia liquida (LC)-MS. In termini di superamento di questi svantaggi, González-Curbelo et al.15 hanno riferito che il formiato di ammonio più volatile ha funzionato bene per indurre la separazione di fase e l'estrazione di residui di pesticidi per la spettrometria di massa sia LC che GC-tandem (MS / MS). Studi successivi hanno anche utilizzato 0,5 g di formiato di ammonio per grammo di campione per estrarre residui di pesticidi da varie matrici complesse16,17,18,19. Inoltre, è stato dimostrato che l'uso del formiato di ammonio fornisce quantità inferiori di materiale co-estratto20, il che giustifica il suo uso per i metodi basati su GC-MS. Il presente studio, per la prima volta, riporta questa versione per analizzare i residui di pesticidi nei suoli21.
L'analisi GC dei residui di pesticidi in matrici complesse come i suoli presenta alcune limitazioni a causa dell'azione dei componenti della matrice co-estratti sulla risposta strumentale dei pesticidi, che causa determinazione imprecisa e minore sensibilità22,23. Pertanto, sono stati apportati diversi miglioramenti per ridurre al minimo l'effetto matrice, inclusi i passaggi di pulizia ottimizzati21. Tuttavia, l'effetto matrice è ancora in atto e dovrebbe essere corretto il più possibile. In questo senso, la calibrazione a matrice è stata l'approccio principale utilizzato perché è molto pratica nel compensare il potenziamento del segnale cromatografico rispetto a quello dei solventi puri24. Pertanto, in questo studio, la linearità è stata valutata costruendo le curve di calibrazione in acetonitrile puro e utilizzando estratti del suolo, e valori di R2 superiori o uguali a 0,99 per tutti gli OCP sono stati ottenuti utilizzando entrambi gli approcci. Tuttavia, quando sono state confrontate entrambe le curve di calibrazione, sono stati riscontrati effetti di matrice apprezzabili nell'intervallo compreso tra -49% e 191% (Figura 2). Sebbene il numero di pesticidi che hanno subito un forte effetto della matrice fosse solo 3 su 17 (endrin, endrin chetone e metossicloro), sono stati condotti studi successivi utilizzando le curve di calibrazione abbinate alla matrice per compensare gli effetti della matrice in misura maggiore.
Non sono stati fissati limiti massimi di residui (LMR) per i residui di antiparassitari nel suolo, ma è stato fissato un LCL di 5 μg/kg per tutti gli OCP, che è inferiore all'LMR standard molto esigente fissato a 10 μg/kg dalla legislazione internazionale per l'analisi dei residui di antiparassitari nei prodotti agroalimentari (regolamento (CE) n. 396/2005)11. Inoltre, il LCL di 5 μg/kg ha fornito un rapporto segnale/rumore (S/N) di circa 10 per tutti gli OCP. L'elevata sensibilità di questo metodo è simile o addirittura migliore di quella ottenuta in altri studi che hanno analizzato anche gli OCP nei terreni utilizzando il metodo QuEChERS seguito da GC-MS. Ad esempio, in uno studio, 34 OCP sono stati analizzati utilizzando la versione ufficiale del metodo QuEChERS che utilizza un tampone citrato e i limiti di quantificazione (LOQ) erano uguali o superiori a 7 μg / kg25. In particolare, i valori LOQ di α-BHC, β-BHC, lindano e δ-BHC erano compresi tra 206 μg/kg e 384 μg/kg. In un altro lavoro, il lindano e il dieldrin sono stati analizzati utilizzando la stessa versione del metodo QuEChERS e sono stati ottenuti valori LOQ di 42 μg / kg e 292 μg / kg, rispettivamente26. Allo stesso modo, un altro lavoro di ricerca ha anche determinato aldrin ed eptacloro utilizzando QuEChERS e GC-MS, con valori LOQ di 13 e 23 μg / kg, rispettivamente27.
La valutazione del recupero e della riproducibilità è stata sviluppata a tre livelli di concentrazione (basso, medio e alto) in triplice copia (n = 9). A tal fine, i valori complessivi di recupero sono stati determinati confrontando i rapporti area di picco del pesticida/IS (4,4'-DDE-d8) ottenuti dai campioni di terreno picchiati all'inizio dell'applicazione del metodo QuEChERS utilizzando formiato di ammonio con quelli di calibrazione abbinata alla matrice. In tutti i casi, ogni replica è stata iniettata due volte nella stessa sequenza. Va notato che l'utilizzo di un IS, uno standard etichettato isotopicamente, consente di compensare le possibili perdite dei pesticidi che si verificano durante l'intera procedura, nonché l'effetto matrice e / o la possibile variabilità nello strumento. Secondo i risultati, la maggior parte dei pesticidi ha soddisfatto i criteri di accettabilità del 70% -120% dei valori di recupero con RSD ≤20% ad ogni livello di spiking28, che ha dimostrato l'efficacia e la ripetibilità del metodo. Tuttavia, i valori di recupero complessivi (n = 9) erano leggermente superiori al 120% per eptacloro (122%), endrin (121%) e β-endosulfan (130%), sebbene fossero coerenti (RSD <13%). In questo senso, considerando i valori di recupero complessivi a tre livelli di picchiata, è stato stabilito un criterio di accettabilità del 30%-140% con valori RSD ≤20%28.
In conclusione, il metodo QuEChERS che utilizza formiato di ammonio accoppiato con GC-MS può determinare con successo OCP in campioni di terreno agricolo. In questo studio è stato dimostrato che la semplice aggiunta di 5 g di formiato di ammonio per indurre la separazione di fase tra gli strati di acqua e acetonitrile ha garantito un'estrazione adeguata con elevati recuperi dei pesticidi selezionati. Tuttavia, l'effetto matrice ha continuato a verificarsi, quindi altri approcci, come l'aggiunta di protettori dell'analita, dovrebbero essere studiati nei lavori successivi. In ogni caso, questa alternativa alle versioni ufficiali di QuEChERS può essere utilizzata per evitare i solidi indesiderati depositati nel sistema analitico a causa dell'uso di sali di magnesio e sodio, specialmente nelle analisi di routine basate su LC-MS. In quest'ultimo caso, sarebbe ancora più interessante poiché il formiato di ammonio è un aiuto per la ionizzazione nella ionizzazione elettrospray positiva e può migliorare la formazione di addotti di ammonio invece di addotti di sodio.
Non ho conflitti di interesse da rivelare.
Vorrei ringraziare Javier Hernández-Borges e Cecilia Ortega-Zamora per il loro inestimabile sostegno. Voglio anche ringraziare l'Universidad EAN e 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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