Пестициди: хроматографічні методи визначення та готові рішення від Thermo Fisher Scientific

Пестициди – отрутохімікати, які широко використовуються в боротьбі зі шкідниками та хворобами рослин. Порушення сільськогосподарських та гігієнічних регламентів використання пестицидів призводять до їх накопичення у навколишньому середовищі. Пестициди, що потрапили в землю та воду, розпадаються дуже повільно і завдають великої шкоди здоров’ю живих організмів.

У всьому світі приймаються дедалі суворіші нормативи щодо вмісту залишкових кількостей пестицидів у харчових продуктах. Саме тому лабораторії з аналізу пестицидів повинні постійно розширювати список цільових пестицидів та виявляти аналіти на більш низьких рівнях з високою точністю.

Законодавство у сфері регулювання вмісту пестицидів

На сьогодні в Україні нормування вмісту пестицидів у сільськогосподарській сировині, харчових продуктах та об’єктах навколишнього середовища відбувається згідно з ДСанПіН 8.8.1.2.3.4-000-2001 та відповідно до нормативної документації (ДСТУ, ТУ) на конкретний продукт. 

Підходи до аналізу вмісту пестицидів

Головну роль у моніторингу пестицидів відіграють хроматографічні методи, суть яких полягає у розділенні речовин досліджуваної суміші між рідиною і твердим сорбентом.

Хімічні та фізичні властивості пестицидів сильно відрізняються. Існує кілька кислотних пестицидів, інші нейтральні або основні. Деякі сполуки дуже леткі, інші взагалі не випаровуються. Таке різноманіття характеристик обумовлює відсутність єдиного «універсального» методу аналізу. 

Тому, залежно від фізико-хімічних властивостей молекули пестициду (див. Мал. 1), аналіз його вмісту у харчових продуктах та об’єктах навколишнього середовища проводиться за допомогою:

• газової хроматографії (ГХ) – так визначаються леткі неполярні пестициди;
• рідинної хроматографії (ВЕРХ) – визначаються пестициди середньої полярності;
• іонної хроматографії (ІХ) – визначаються високополярні аніонні пестициди.

Є сполуки, які одночасно аналізуються двома суміжними методами.

Мал. 1 Підхід до аналізу пестицидів залежно від властивостей молекули.
Площа кіл відповідає співвідношенню кількості пестицидів, що визначається даним методом

Для визначення залишкових кількостей пестицидів компанія Thermo Fisher Scientific пропонує різноманітні рішення залежно від кількості визначуваних сполук та межі детектування, а отже, і з диференціацією по вартості пропонованого обладнання. Нижче будуть розглянуті найпопулярніші рішення.

Методи пробопідготовки

Перш ніж виміряти концентрацію пестицидів, необхідно підготувати зразок, придатний для аналізу. Як правило, підготовка зразка включає два етапи: 

• екстрагування пестицидів в розчиннику;
• очищення зразка.

Пробопідготовка в першу чергу залежить від об’єкта досліджень. Так, для визначення хлорорганічних пестицидів у питній воді за ДСТУ ISO 6468-2002 передбачена екстракція сполук н-гексаном та концентрування екстракту. У той же час інші матриці, такі як харчові продукти та зернові містять багато суміжних компонентів, тож вилучення цільових сполук в такому разі є більш складною задачею.

На сьогодні в Україні діє ДСТУ EN 12393-1,2,3:2003, у якому описані етапи пробопідготовки харчових продуктів із низьким вмістом жиру. Алгоритм підготовки зернових див. на Мал. 2. Попри очевидні переваги такого методу, зокрема високу селективність, вибірковість, достатню межу виявлення, процедура є досить трудомісткою та витратною. А у зв’язку із постійними змінами в законодавстві ЄС, зараз також стає зрозумілим, що даний метод не може забезпечити зростаючий попит на швидкий та якісний контроль, особливо продукції АПК, що орієнтується на експорт.

У 2003 році для вилучення залишкових кількостей пестицидів із продуктів харчування був запропонований метод QuEChERS з подальшим очищенням дисперсною твердофазною екстракцією (dSPE). Базуючись на його основі, ISO EN 15662:2018 описує модульний метод пробопідготовки та аналізу продуктів харчування рослинного походження методом ГХ, ГХ-МС або ВЕРХ-МС. Порівняння класичного методу пробопідготовки та одного із варіантів методу QuEChERS наведено на Мал. 2.

Мал. 2 Порівняння етапів пробопідготовки зернових для аналізу на вміст пестицидів

Так, метод QuEChERS позбавлений таких недоліків, як тривалість процедури, використання небезпечних розчинників і радикально спрощує аналіз залишкових кількостей пестицидів у харчових продуктах. Однак, він не є універсальним. Метод не забезпечує достатньої чистоти кінцевого екстракту, тому здебільшого придатний для подальшого визначення аналітів тільки за допомогою мас-спектрометричних детекторів. На початкових етапах розробки також були проблеми із пробопідготовкою зразків із високим вмістом жиру або пігментованих зразків. Зараз існує багато рекомендацій і модифікацій методу залежно від об’єкта аналізу. Наприклад, LipiFiltr ефективно видаляє жири з матриці та ідеально підходить для зразків горіхів, олії та продуктів тваринного походження. Компанія АЛТ Україна пропонує ці та інші готові суміші для екстракції QuEChERS та дисперсійної ТФЕ для різноманітних матриць від провідних світових виробників.

Тож, ключові слова, що лежать в абревіатурі QuEChERS – швидкість, легкість, дешевизна, ефективність, надійність та безпечність – роблять даний метод широко розповсюдженим для аналізу не лише пестицидів, а й інших небезпечних сполук, зокрема мікотоксинів, ветеринарних препаратів, поліциклічних ароматичних вуглеводнів у різноманітних матрицях, включаючи ґрунти, продукти харчування рослинного і тваринного походження, біоматеріалах тощо.

Газова хроматографія (ГХ)

Суть методу хроматографії полягає в розділенні екстракту на спеціальній колонці і подальшому вимірюванні інтенсивності сигналу розділених компонентів на детекторі. Єдиним параметром, за яким ви визначаєте, що та речовина, яку ви детектували, є саме тією речовиною, що ви шукали – це час, за який цей компонент досягає детектора. Ви порівнюєте час утримання стандарту вашої речовини з часом утримування речовини у вашому зразку.

Першим і найбільш економним рішенням є газова хроматографія з селективними детекторами. Селективними є детектори, які «бачать» лише певні хімічні елементи. Традиційно використовуються наступні типи:

• азотнофосфорний (NPD) – для пестицидів, що містять у складі молекули Нітроген чи Фосфор;
• електронозахоплювальний (ECD) – для хлорорганічних пестицидів;
• полуменево-фотометричний (FPD) – для пестицидів, що містять Фосфор та Сульфур.

Газовий хроматограф Trace 1610

Компанія Thermo Fisher Scientific пропонує доступне за ціною рішення для визначення пестицидів на базі газового хроматографа Trace 1610. Можливість комбінації двох детекторів на одному приладі дає змогу значно розширити коло визначуваних сполук. 

Так, дане рішення цілком відповідає нормативним документам по визначенню у харчових продуктах та об’єктах навколишнього середовища хлорорганічних пестицидів: гептахлору, ліндану, ДДТ та похідних; фосфорорганічних: метафосу, карбофосу, фозалону, фосфаміду, етафосу, хлорпірифосу тощо. Селективність детектора є великою перевагою, оскільки при визначенні не будуть заважати ті сполуки матриці, які фізично не може «побачити» детектор. Однак, пестициди, що не містять в будові молекули атом Хлору чи Нітроген не підлягають аналізу на такому обладнанні.

Однак, це є оптимальним рішенням для лабораторії, перед якою стоїть задача контролю вмісту невеликої кількості популярних пестицидів, наприклад, хлорпірифосу та хлорпірифос-метилу у зерні.

Газова хроматографія з мас-спектрометричним детектуванням (ГХ-МС)

Другим варіантом є газова хроматографія з мас-спектрометричним детектуванням (ГХ-МС). Мас-спектрометр – універсальний детектор, що дозволяє більш точно визначати компоненти. Крім вже відомого часу утримання компонента, додається інформація про співвідношення маси до заряду сполуки, тобто її мас-спектр. Порівняння бібліотечних та експериментальних мас-спектрів забезпечує додаткове підтвердження ідентичності пестициду. 

Універсальність цього детектора дає можливість легко налаштовувати його для широкого переліку інших завдань. Тому, ГХ-МС чудово підходить для лабораторій, що прагнуть визначати не лише декілька компонентів, а хочуть бути готовим до можливих майбутніх змін.

Хроматографія з тандемною мас-спектрометрією (ГХ-МС-МС, ВЕРХ-МС-МС, ІХ-МС-МС)

Третім методом аналізу залишків пестицидів в харчовій продукції та об’єктах довкілля є тандемна квадрупольна мас-спектрометрія. Саме таке обладнання використовують провідні державні науково-дослідні інститути та контрактні лабораторії.

Завдяки наявності двох квадруполей, метод має надзвичайну перевагу: вибірково контролює кожен пестицид, коли він потрапляє в мас-спектрометр, одночасно відфільтровуючи речовини, які можуть заважати вимірюванню. Це особливо важливо, коли маєте справу зі складною матрицею. Результатом є відмінне виявлення залишків пестицидів на низьких рівнях. Окрім відмінної чутливості, перевагами таких приладів є також надзвичайна мультизадачність (приклад хроматограми на див. Мал.3), коротка тривалість аналізу і набагато простіші вимоги до підготовки зразків.

Отже, завдяки використанню більш дорогого обладнання ви отримуєте дешевший та швидкий аналіз. При цьому витрати на його утримання не дуже відрізняються від витрат на утримання звичайного хроматографа.

Мал. 3 Визначення 200 пестицидів за 7 хв за допомогою ВЕРХ-МС-МС

Thermo Fisher Scientific пропонує пакетне рішення Pesticide Explorer для визначення залишкових кількостей пестицидів, щоб допомогти лабораторіям з моніторингу харчових продуктів і контрактним лабораторіям скоротити час і витрати на запуск обладнання та відповідати вимогам, таким як рекомендації Європейського Союзу SANTE для залишків пестицидів у продуктах харчування. 

Залежно від фізико-хімічних властивостей пестицидів, компанія пропонує три готових рішення (див. Табл.1), що вже включають обладнання, програмне забезпечення, стандарти, набори для пробопідготовки QuEChERS, а також методичні матеріали.

Табл. 1. Пакетні рішення Thermo Scientific для визначення залишків пестицидів

Так, пакети GC та LC Pesticides Explorer забезпечують надійне визначення декількох сотень пестицидів різних класів у найкоротші терміни. Anionic Pesticides Explorer дає можливість визначати полярні пестициди, такі як гліфосат, глюфосинат, фосетил та їх метаболіти. Вони, зазвичай, є складними аналітами: сполуки мають дуже низьке вилучення з матриці при використанні методів QuEChERS та погано утримуються в рідинній хроматографії.

Тому пакет також включає модифіковану пробопідготовку QuPPe, що дозволяє підвищити ступінь вилучення сполук із матриці. Межі визначення полярних пестицидів відповідають вимогам європейських регламентів, а методика Anionic Pesticides Explorer, як і методики інших пакетів, повністю узгоджена з настановам EU SANTE/11813/2017 з валідації методик для визначення залишкових кількостей пестицидів.

Високороздільна хроматографія тандемна мас-спектрометрія (HRAM LC-MS, HRAM GC-MS)

Мас-спектрометри високої роздільної здатності (HRAM) Thermo Scientific є ефективним інструментом для скринінгу сотень пестицидів за один аналіз, навіть при концентраціях, нижче 10 мкг/кг, що особливо актуально в аналізі вмісту пестицидів у дитячому харчуванні. Інструменти HRAM, забезпечують високі рівні чутливості та селективності, широкий лінійний динамічний діапазон, відтворюваний аналіз та інформацію про фрагменти іонів, достатню для відповідності вимогам Європейського Союзу (ЄС) щодо ідентифікації пестицидів.

Система Orbitrap Exploris™ 480

Дізнатися більше про мас-спектрометр Orbitrap Exploris™ 480 LC-MS можна на нашому сайті.

Завдяки технології Orbitrap, точність встановлення співвідношення маси до заряду становить зазвичай нижче 5 ppm і мінімізує перешкоди від спільно елюйованих аналітів і матричних речовин, і таким чином зменшує ймовірність хибнопозитивних і негативних результатів. Порівняння хроматограм, отриманих за допомогою приладів низької і високої роздільної здатності зображено нижче.

Компанія Thermo Fisher Scientific пропонує готові пакетні рішення на базі мас-спектрометрів Orbitrap Exploris для визначення залишків пестицидів у продуктах харчування газовою та рідинною хроматографією. Ці рішення характеризуються надзвичайною точністю встановлення мас та перевершують потреби аналітичних випробувальних та дослідницьких лабораторій у галузі безпеки харчових продуктів.

Підсумок

Порівняння хроматографічних методів визначення пестицидів у продуктах харчування та об’єктах навколишнього середовища наведено нижче. У свою чергу наші фахівці готові запропонувати рішення, оптимальне саме для вашого бізнесу. Підбираючи методи та відповідне обладнання для кожного клієнта індивідуально, ми враховуємо особливості виробництва, робочих процесів та орієнтуємось винятково на потреби підприємства.

Тетяна Скарвінко

Cпеціаліст департаменту хроматографії та спектроскопії

Спеціалізація: аналітичне обладнання, хроматографія, мас-спектрометрія.