低浓度的有机磷农残中主要成分含量分析检测方案(蒸发光检测器)

应用文档25390206 关键字 5380 型 有机磷 农残 PFPD PFPDView 脉冲式火焰光度检测器 硫 USEPA 方法1618 USEPA 方法8141B 在2006年匹兹堡分析化学和应用实验室光谱会议上展出，奥兰多市，佛罗里达州，2006年3月12-17日 采用脉冲式火焰光度检测器(PFPD)分析低浓度的有机磷农残 简介 有机磷(OP)杀虫剂是世界上最广泛应用的商用杀虫剂。这些毒性杀虫剂的残留已经显现在很多农产品中，浓度经常是很低的 ppb 级。食品、水、植物和土壤是分析低浓度有机磷农药残留的最常见的基体。 分析有机磷农残的两个最常用的方法是USEPA 方法8141B和方法1618。两种方法都指定采用火焰光度检测器(FPD) 操作于磷模式以选择性地检测有机磷农残。OI分析仪器公司的5380 型脉冲式火焰光度检测器(PFPD)(显示于图1)已经被证明是执行痕量有机磷农残分析的磷选择性检测器。PFPD 采用脉冲式的火焰，代替了传统 FPD 的连续的或者静态的火焰。脉冲式的火焰引入了一种取决于时间变量的分析。这样一来， PFPD 在检测器灵敏度方面、磷相对于碳氢化合物的选择性方面都远远超越了 FPD，而且，气体消耗更少，更便于操作，长期稳定性更佳，还具有同时双元素检测功能。 这篇应用文章探讨了配置 PFPD 用于低浓度有机磷农残分析的一些问题。改变门的设置可以扩展校准范围，采用双门相减功能可以消除残留的硫的干扰。PFPDView 软件可以作为-j一个强大的数据后处理工具。 图10I分析仪器公司的5380型脉冲式火焰光度检测器(PFPD) 实验 在方法8141B和1618中列出的含有磷的有机磷农残是杂环原子，或者在很多情况下，既含有磷又含有硫。PFPD 能够很容易对于两种元素进行高选择性的配置，只需要改变几个简单的参数。当配置为只分析磷的模式时， PFPD 的灵敏度大约是硫模式的十分之一(好10倍)。检测器可以采用双门相减的功能同时检测磷和硫，能够得到相互选择性的磷和硫的色谱。 为了这些实验，选择一个标准测试混标包括一个或两个 USEPA 方法要求的9个农残物质。每个有机磷农残含有至少一个硫和一个磷原子，以便在两种配置情况下进行比较。所有分析都采用 Agilent6890N气相色谱仪(GC)配置分流/不分流注入口和一台OI分析仪器公司的5380 型PFPD 检测器检测得到。Agilent ChemStation@工作站用于获取和处理数据。表1显示了仪器的操作条件。 表1仪器操作条件 参数 指标 气相色谱仪 Agilent 6890N 注入口 分流/不分流注入口，不分流模式，4-mm鹅颈衬管，220°C， 1-L注入 柱子 Rtx@-5 30m x 0.32-mm内径 x 0.5-m膜厚 载气 氦气，1.1mL/分钟，恒流模式 炉温程序 50°C(保持2分钟)，8°C/分钟至300°C(保持5分钟) 检测器 5380 型 PFPD 板参数 PMT 电压=550 点火器电流=2.8 触发等级=500 范围=10 磷模式 3-mm燃烧管 黄色 RG-495光学滤光片 氢气/空气燃烧气大约为等比 磷门为4-10毫秒(参考其它门的设置) 硫模式 3-mm燃管管(采用2-燃烧管会改进硫的灵敏度，但是将牺牲磷的灵敏度)蓝色 BG-12光学滤光片 氢气/空气燃烧气，富氢 硫门为6-25毫秒，开平方为 ON P+S双元素模式 3-mm 燃烧管 透明 UV-34光学滤光片 氢气/空气燃烧气比例同磷模式双门相减(参考讨论内容) 结果和讨论 磷模式 制备的校准标样含有所有9个物质，浓度范围从 1-2，000ppb。标样采用 PFPD 配置为磷模式进行分析并绘制校准曲线。分析100-ppb标样的色谱图显示于图2。表2列出了这些物质的名称、化学式、分子重量以及磷和硫的质量百分比。 图2含有 USEPA 方法 8141B和1618中9个有机磷农残物质的100-ppb校准标样的色谱图。PFPD 配置为磷选择性的检测模式，3-mm燃烧管、RG-495 光学滤光片和4-10毫秒门。见表2中的物质标识符和磷的 百分比质量。 表2有机磷物质 序号 名称 CAS编号 分子式 分子量 磷质量百分比 硫质量百分比 8141B分析物 1618分析物 1 o， o， o-Trimethylphosphorothioate 152-20-5 C3H903PS 156.1 19.8 20.5 2 硫磷嗪 297-97-2 CH13N203PS 248.2 12.5 12.9 √ 3 硫特普 3689-24-5 C8H1303P2S2 322.3 19.2 19.9 √ √ 4 甲拌磷 298-02-2 C7H170 PS： 260.4 11.9 36.9 √ √ 5 乐果 60-51-5 C5H12NOPS2 229.3 13.5 27.9 √ √ 6 乙拌磷 298-04-4 CsH1902PS： 274.4 11.3 35.1 √ 7 甲基对硫磷 298-00-0 CH10NOsPS 263.2 11.8 12.2 √ 8 对硫磷 56-38-2 C10H14N0sPS 291.3 10.6 11.0 √ 9 氨磺磷 52-85-7 C10H16N0sPS2 325.3 9.5 19.7 √ √ PFPD 是高选择性的检测器，当配置进行磷的检测时，其响应只是对于物质中的磷。而且且还具备另外一个优势，就是磷的等摩尔响应，对于等量的磷将会产生同样总的响应，而不需要考虑其物质是什么。这种效果可以通过比较图2中色谱的峰面积和每个物质的磷的质量百分比而得到。计算得到每个物质的磷的响应因子显示于表3。所有9个物质的响应因子达到了很低的6.1%，证明了磷的等摩尔响应。这个结论还可以通过 1-ppb 标样的色谱图再次得到确认(图3)，这里只显示了两个具有最高磷质量百分比的物质，0，o， o-Trimethylphosphorothioate 和硫特普。这两个峰的磷浓度大约为0.2ppb(柱上的磷浓度为 0.2pg)。注意：峰高度不能够用于这个测试，因为在整个色谱图中，每个农残物质的峰宽度是变化的。 表3显示于表2中的9个有机磷农残的PFPD 峰面积，计算得到的响应因子证明了 PFPD 的等摩尔响应。混标中每个物质的浓度为100ppb。 序号 名称 磷的质量百分比% 峰面积 响应因子 1 0，o，o-Trimethylphosp horothioate 19.8 46，573 2，352 2 硫磷嗪 12.5 25，967 2，077 3 硫特普 19.2 43，507 2，266 4 甲拌磷 11.9 25，798 2，168 5 乐果 13.5 31，832 2，358 6 乙拌磷 11.3 24，336 2，154 7 甲基对硫磷 11.8 25，318 2，146 8 对硫磷 10.6 23，227 2，191 9 氨磺磷 9.5 18，385 1，935 响应因子平均值 2，183 响应因子%RSD 6.1 图3 1-ppb校准标样的PFPD色谱图(磷模式)显示了两个具有最高磷质量百分比的物质的峰。这两个峰都代表大约在柱上有0.2pg 的磷。 当绘制硫特普的 PFPD 的响应对于整个校准范围(1-2，000ppb) 的浓度曲线时，校准曲线清晰地表明：采用这些条件，检测器的线性范围已经远远超过了(图4)。放大 PFPDView 软件的独立的磷发射谱图，使原因清晰显现。图5显示了 PFPDView 软件屏幕显示的硫特普的50和2，000ppb叠加的磷发射图形，门的设置为4-10毫秒。只要磷的发射图形在定义的门域值之内，并保持在量程之内不会饱和，信号就将保持线性。在这个例子中，当门设置为4-10毫秒时， 50-ppb硫特普的发射图形在量程之内，因此处于线性范围之内。一旦发射图形达到量程的顶端，曲线就不再是线性的了。对于硫特普，磷的发射在100ppb 浓度、处于 4-10毫秒门域值时饱和了(大约19.2ppb的磷)，高达 100ppb的线性校准曲线的R值为0.9971(图6)。 图4硫特普在整个校准范围(1-2，000ppb)的校准曲线，采用4-10毫秒的磷门 图5 PFPDView 软件屏幕显示的硫特普的 50和 2， 000ppb 叠加的磷的发射图形，门的设置为4-10毫秒。注意 2，000ppb 的磷的发射图形在4-10毫秒门时是饱和的，导致非线性的响应。 图6硫特普在1和100ppb 的范围的线性校准曲线，采用4-10毫秒的磷门 根据需要， PFPD 的线性范围很以很容易地通过简单地修改门的设置进行延伸。对于硫特普，当门的设置改为6-10毫秒时，磷的发射不在饱和，即使在2，000ppb。采用较短的、靠后的门设置，硫特普的校准范围可以延长到2，000ppb，线性拟合的R值为0.9936，二次拟合的R为0.9997(图7和图8)。 图7 PFPDView软件屏幕显示的硫特普的50和2，000ppb 叠加的磷的发射图形，门的设置为6-10毫秒。注意：采用6-10毫秒门时其不再饱和，即使浓度高达2，000ppb， 导致线性校准范围高达2，000ppb。 图8硫特普在整个校准范围(1-2，000ppb)的校准曲线，采用6-10毫秒的磷门。线性R为0.9936，二次R为0.9997. 采用靠后的6-10毫秒门的个缺点是校准曲线的低点将稍微损失一些灵敏度。要改善灵敏度损失的一项技术就是为磷配置两个独立的门域值。因为 PFPD 的控制器采用一个数字式的处理器，能够同时输出两个同时的信号和两个同时色谱图，只需要简单地定义两个不同的磷门。对于硫特普，第一个信号可以配置为4-10毫秒，用于低浓度(高达大约100ppb)，而第二个信号可以配置为靠后的6-10毫秒，用于定量浓度范围的高端。采用这项技术，校准范围能够延长整整冬--个数量级，而不会牺牲低端的灵敏度。 硫模式 重新配置 PFPD 以选择性地检测硫，更换为 BG-12 光学滤光片，改变门为6-25毫秒以捕获硫的发射图形，开启开平方根功能以线性化原始的二次方程的硫信号。硫选择性分析物的结果类似于磷的结果；主要的差别是，在硫模式下，其 PFPD 的灵敏度大约低10倍。图9、10和11表明了硫的结果。 在 PFPDView 上(图10)，甲拌磷在 50ppb 浓度的硫发射是不饱和的，于6-25毫秒内处于线性范围。第二个发射图形，在500ppb 浓度的甲拌磷刚刚在饱和点之下，代表了线性范围的顶点。在2，000ppb浓度的甲拌磷在6-25毫秒之内完全饱和了，超出了线性范围之外。在这个例子中，甲拌磷的线性校准范围为10-500ppb(图11)。500-ppb 校准标准代表大约柱上浓度为185pg的硫，是硫发射图形的饱和点。 如果需要的话，也可以通过定义第二个硫门，取硫发射图形的一部分，使在更高的浓度时不会饱和，以延长硫的校准范围。在图10中，第二个硫门，3-5毫秒直到大约1， 500pg柱上硫才会饱和，几乎将线性校准范围延长了一个数量级。这与上面谈到的磷的例子是类似的。 图9 10-ppb校准标样的 PFPD 色谱图(硫模式)，显示了这些物质中的四个具有最高质量百分比物质的峰形。这里显示的峰表示大约2-4pg柱上硫。参考表2中物质的名称和硫的质量百分比。 图10 PFPDView 软件屏幕显示的甲拌磷的50ppb、500ppb 和 2， 000ppb 的叠加的硫的发射图形，门的设置为6-25毫秒。第二个可选的硫门为3-5毫秒，能够扩展线性校准范围达整整一个数量级。 图11 10-500ppb 的甲拌磷的线性校准曲线，采用6-25毫秒的硫门 PFPDView 软件和双门相减功能，去除硫的干扰 某些类型的样品，尤其是农产品，例如洋葱、大蒜、辣椒，在样品萃取液中天然地含有高浓度的硫物质，当 PFPD 配置为选择性地检测磷时将产生潜在的干扰。这些硫物质具有弱的光谱发射线处于用于磷分析的 RG-495 光学滤光片的透射曲线范围之内，在一般情况下通常不会观察到。虽然如此，当存在的硫物质的浓度格外高时，在一些食品样品中就是如此，会导致在磷的色谱中检测到一些错误的峰。 PFPDView 可以用于优化 PFPD 的参数，有效地从色谱中去除硫的干扰，使得只有磷被检测到。在色谱运行的各个独立的发射(脉冲)可以在 WinPluse 软件中保存为一个数据文件(*.dat)。然后可以用PFPDView 软件导入这些数据文件，使操作者能够观察色谱中的各个峰的独立的发射图形，识别这个杂环原子是硫还是磷。操作者还可以使用 PFPDView 软件修改 PFPD 的门参数，然后重新处理原始数据，以观察新的门设置参数对于色谱的影响，而不需要重新运行分析。这是一个强大的方法开发工具，能够在大约几分钟之内预期 PFPD 的获取变量改变后的效果，而不需要花费几个小时来运行几种变量来观察它们的效果。 为了说明 PFPDView 和双门相减功能， PFPD 配置为磷选择模式， RG-495 滤光片、3-mm燃烧管和4-10毫秒磷门。在PFPD 上分析-一个含有高浓度硫的大蒜萃取液，加标四个浓度不同的有机磷农残。原始的PFPD分析结果显示在 PFPDView的屏幕上(图12)。图12A中垂直的黑色光标线定位于色谱峰大约在脉冲201位置；相应的发射图形是在屏幕的顶部清楚地表明这是一个含有硫的物质，而在磷的色谱中被被误地被当作了磷。移动光标线到峰的脉冲520位置(图12B)显示了它是磷的发射，确认这个峰是加标到基体中的有机磷农残之-_一。由于只加标了四个含磷的物质，色谱中的大多数峰都明显是硫的干扰。 图 12 PFPDView 屏幕显示了原始的 PFPD 磷模式的色谱图，来自于加标了四个有机磷农残的大蒜萃取液的分析结果。在脉冲201位置的峰(图12A)，请注意屏幕顶部相应的硫发射图形，被识别为来自硫物质。在脉冲520位置的峰(图12B)，由于其相应的磷发射的典型图形，被识别为加标的有机磷农残之 对于这个例子，整个色谱中的干扰的硫响应可以采用双门相减技术彻底消除掉。简单来说，双门相减消除了两个种类之间的干扰，通过指定相关两个门的附值(一个用于磷，一个用于硫)，和一个缩放因子，称为 Alpha 值，从磷门中减去叠加的硫发射部分(关于双门相减技术的详细的谈论，参考OI分析仪器公司的应用文章1127)。 采用 PFPDView， 定义相关的磷和硫门，对于Alpha 值做出小的调整，直到得到的色谱不存在硫的干扰。图13显示了这个例子中所有使用的磷门和硫门以及 Alpha 值。确认Alpha 值为1.3，消除了观察到的硫的干扰，从而得到了一张“干净的”净色谱图(图14)。然后这个参数输入到 WinPluse 软件的门参数，保存入内存用于未来的分析。 图13来自PFPDView 软件中的门参数屏幕中关于5个不同的 Alpha 值。对于这个例子，Alpha 数值为1.3，将得到一张只有磷而没有硫干扰的色谱图 图 14 PFPDView 屏幕显示了采用双门相减功能，相关的磷和硫门以及1.3的Alpha 值，而得到只有磷的色谱图。放大的小插图显示了基线，清楚地表明所有硫的千扰已经被彻底消除了。 磷+硫双元素模式 因为很多有机磷农残也含有含， PFPD 可以配置为采用一个透明的、UV-34光学滤光片以同时收集硫和磷的色谱图。在这个模式下，既含有硫又含有磷的农残呈现了一条发射图形，显示于图15. 图15 PFPDView 屏幕显示了一个既含有含又含有磷的中等浓度农残的发射图形。PFPD配置了一个透明的滤光片，能够同时检测两种元素。注意：在硫和磷发射之间存在明显的叠加，在4-10毫秒磷门之内缺少“纯的”磷发射。 如图15中所见，磷和硫发射在6-12毫秒之间出现了相当大的叠加。采用12-25毫秒门，可以得到只有硫的色谱，不存在磷的干扰。而由于在4-10毫秒的磷门之内存在磷的发射，适当地配置磷门就显得复杂的多。必须使用双门相减从总的发射中去除硫的贡献，最后得到纯的磷的色谱。因为磷的响应天然是线性的，而硫的响应天然是二次方程的，硫的发射在更高的浓度时得到不成比例的更高响应。但是因为整个硫的发射在所有的浓度处保持相应的比例，单独一个 Alpha 值就能够在整个磷的线性范围内正常工作。对于同时磷和硫检测而定义一个 Alpha 值的迭代过程，与上面的描述是一样的。当分析标样或者样品时，这个 Alpha 值产生了共有的、具有选择性的磷和硫的色谱。 在某些情况下，不需要采用双门相减功能就能够得到独立的和同时的硫和磷的选择性性色谱，例如在化学武器(CWA)监测或者当能够用于分析的样品量有限时。这时候可以使用双头的 PFPD (图16)。在双头 PFPD上， 一个 PFPD 主体包括一个燃烧管和一个燃烧过程。两个光学滤光片/光电倍增管分别放置在检测器主体的两侧，每个部分独立地、选择性地检测单独一个元素。采用这种配置，，一个 GC检测器端口能够在一次分析中，同时收集、并且共同选择性地检测磷和硫的色谱，而不需要采用双门相减功能。 图16双头 PFPD 用于在一次分析中，同时生成和共同选择性地得到磷和硫的色谱。这个配置对于化学武器监测或者当能够用于分析的样品量有限时，是格外有用的。 结论 OI分析仪器公司的5380 型 PFPD检测器能够配置以选择性地检测和定量个位数 ppb 浓度的有机磷农残。采用两个磷门，可以延长线性校准范围到 2，000ppb， 采用 PFPDView 软件和双门相减功能，可以从复杂的食品基体中消除掉硫的干扰。同时，可以采用双头 PFPD， 在一次分析中同时得到共同具有选择性的磷和硫的色谱。 参考 1. 0I分析仪器公司的应用文章1127，采用脉冲式火焰光度检测器 (PFPD)的双门相减功能，提高分析的选择性。 2. 0I分析仪器公司的应用文章1166，5380型PFPD的光电倍增管和光学滤光片的配置。 Aviv Amirav 博士，是以色列特拉维夫大学的化学教授，开发和拥有 PFPD 的专利， 授权给OI公司。 Agilent 和 ChemStation 是 Agilent 科技公司的注册商标 Rtx 是 Restek 公司的注册商标 P.O. Box 9010 College Station， TX77842-9010