Пестициды: хроматографические методы определения и готовые решения от Thermo Fisher Scientific

Пестициды – ядохимикаты, широко используемые в борьбе с вредителями и болезнями растений. Нарушения сельскохозяйственных и гигиенических регламентов использования пестицидов приводят к их скоплению в окружающей среде. Пестициды, попавшие в землю и воду, распадаются очень медленно и наносят большой вред здоровью живых организмов.

Во всем мире принимаются все более строгие нормативы содержания остаточных количеств пестицидов в пищевых продуктах. Именно поэтому лаборатории анализа пестицидов должны постоянно расширять список целевых пестицидов и выявлять аналиты на более низких уровнях с высокой точностью.

Законодательство в сфере регулирования пестицидов

На сегодняшний день в Украине нормирование содержания пестицидов в сельскохозяйственном сырье, пищевых продуктах и ​​объектах окружающей среды происходит согласно ГСанПиН  8.8.1.2.3.4-000-2001 и в соответствии с нормативной документацией (ГОСТ, ТУ) на конкретный продукт.

Подходы к анализу содержания пестицидов

Главную роль в мониторинге пестицидов играют хроматографические методы, суть которых состоит в разделении веществ изучаемой смеси между жидкостью и твердым сорбентом.

Химические и физические свойства пестицидов сильно разнятся. Есть несколько кислотных пестицидов, другие нейтральные или основные. Некоторые соединения летучие, другие вообще не улетучиваются. Такое обилие черт обуславливает отсутствие единого «универсального» способа анализа.

Поэтому в зависимости от физико-химических свойств молекулы пестицида (см. Рис. 1) анализ его содержания в пищевых продуктах и ​​объектах окружающей среды проводится с помощью:

• газовой хроматографии (ГХ) – так определяются летучие неполярные пестициды;
• жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) – определяются пестициды средней полярности;
• ионной хроматографии (ИХ) -определяются высокополярные анионные пестициды.

Есть  соединения, которые одновременно анализируются двумя смежными методами.

Рис. 1 Подход к анализу пестицидов в зависимости от свойств молекул. Площадь кругов соответствует соотношению количества пестицидов, которые определяются данным методом.

Для определения остаточных количеств пестицидов компания Thermo Fisher Scientific предлагает разнообразные решения в зависимости от количества определяемых соединений и пределов детектирования, а следовательно, и с дифференциацией по стоимости предлагаемого оборудования. Ниже будут рассмотрены самые популярные решения.

Методы пробоподготовки

Прежде чем измерить концентрацию пестицидов, необходимо подготовить образец, подходящий для анализа. Как правило, подготовка образца включает два этапа:

• экстрагирование пестицидов в растворителе;
• очищение образца.

Пробоподготовка в первую очередь зависит от объекта исследований. Так, для определения хлорорганических пестицидов в питьевой воде по ГОСТ ISO 6468-2002 предусмотрена экстракция соединений н-гексаном и концентрирование экстракта. В то же время другие матрицы, такие как пищевые продукты и зерновые, содержат много смежных компонентов, поэтому извлечение целевых соединений в таком случае является более сложной задачей.

На сегодняшний день в Украине действует ГОСТ EN 12393-1,2,3:2003, в котором описаны этапы пробоподготовки пищевых продуктов с низким содержанием жира. Алгоритм подготовки зерновых см. на Рис. 2. Несмотря на очевидные преимущества такого метода, в частности высокую селективность, избирательность, достаточный предел обнаружения, процедура достаточно трудоемка и затратна. А в связи с постоянными изменениями в законодательстве ЕС сейчас также становится понятным, что данный метод не может обеспечить растущий спрос на быстрый и качественный контроль, особенно продукции АПК, ориентирующейся на экспорт.

В 2003 году для извлечения остаточных количеств пестицидов из продуктов питания был предложен метод QuEChERS с последующей очисткой дисперсной твердофазной экстракцией (dSPE). Основываясь на нем, ISO EN 15662:2018 описывает модульный метод пробоподготовки и анализа продуктов питания растительного происхождения методом ГХ, ГХ-МС или ВЭЖХ-МС. Сравнение классического метода пробоподготовки и одного из вариантов метода QuEChERS представлено на Рис. 2.

Рис. 2 Сравнение этапов пробоподготовки зерновых для анализа на содержание пестицидов.

Да, метод QuEChERS лишен таких недостатков как длительность процедуры, использование опасных растворителей и радикально упрощает анализ остаточных количеств пестицидов в пищевых продуктах. Однако он не является универсальным. Метод не обеспечивает достаточной чистоты конечного экстракта, поэтому в большинстве случаев пригоден для дальнейшего определения аналитов только с помощью масс-спектрометрических детекторов. На начальных этапах разработки были проблемы с пробоподготовкой образцов с высоким содержанием жира или пигментированных образцов. Сейчас существует множество рекомендаций и модификаций метода в зависимости от объекта анализа. Например, LipiFiltr эффективно удаляет жиры из матрицы и идеально подходит для образцов орехов, растительных масел и продуктов животного происхождения. Компания АЛТ Украина предлагает эти и другие готовые смеси для экстракции QuEChERS и дисперсионной ТФЭ для различных матриц от ведущих мировых производителей.

Итак, ключевые слова, лежащие в аббревиатуре QuEChERS – скорость, легкость, дешевизна, эффективность, надежность и безопасность – делают данный метод широко распространенным для анализа не только пестицидов, но и других опасных соединений, в частности микотоксинов, ветеринарных препаратов, полициклических ароматических углеводородов в различных матрицах, включая почву, продукты питания растительного и животного происхождения, биоматериалы и т.д.

Газовая хроматография (ГХ)

Сущность метода хроматографии заключается в разделении экстракта на специальной колонке и последующем измерении интенсивности сигнала разделенных компонентов на детекторе. Единственным параметром, по которому вы определяете, что вещество, которое вы детектировали, является именно тем веществом, которое вы искали – это время, за которое этот компонент достигает детектора. Вы сравниваете время содержания стандарта вашего вещества с временем содержания вещества в вашем образце.

Первым и наиболее экономичным решением является газовая хроматография с селективными детекторами. Селективными являются детекторы, которые «видят» лишь определенные химические элементы. Традиционно используются следующие типы:

• азотнофосфорные (NPD) – для пестицидов, которые содержат в составе молекулы Нитроген или Фосфор;
• электронозахватные  (ECD) – для хлорорганичных пестицидов;
• пламенно-фотометрический (FPD) – для пестицидов, которые содержат Фосфор и Сульфур.

Газовый хроматограф Trace 1610

Компания Thermo Fisher Scientific предлагает доступное по цене решение для определения пестицидов на базе газового хроматографа Trace 1610. Возможность комбинации двух детекторов на одном приборе позволяет значительно расширить круг определяемых соединений.

Так, данное решение полностью отвечает нормативным документам по определению в пищевых продуктах и ​​объектах окружающей среды хлорорганических пестицидов: гептахлора, линдана, ДДТ и производных; фосфорорганичных: метафоса, карбофоса, фозалона, фосфамида, этафоса, хлорпирифоса и т.д. Селективность детектора является большим преимуществом, поскольку при определении не будут мешать соединения матрицы, которые физически не может «увидеть» детектор. Пестициды, не содержащие в строении молекулы атом Хлора или Нитроген, не подлежат анализу на таком оборудовании.

Однако это является оптимальным решением для лаборатории, перед которой стоит задача контроля содержания небольшого количества популярных пестицидов, например хлорпирифоса и хлорпирифос-метила в зерне.

Газовая хроматография с масс-спектрометрическим детектированием (ГХ-МС)

Вторым вариантом является газовая хроматография с масс-спектрометрическим детектированием (ГХ-МС). Масс-спектрометр – универсальный детектор, позволяющий более точно определять компоненты. Кроме уже известного времени удержания компонента добавляется информация о соотношении массы к заряду соединения, то есть его масс-спектр. Сравнение библиотечных и экспериментальных масс-спектров обеспечивает дополнительное доказательство идентичности пестицида.

Универсальность этого детектора позволяет легко настраивать его для широкого перечня других задач. Поэтому ГХ-МС прекрасно подходит для лабораторий, стремящихся определять не только несколько компонентов, но и быть готовым к возможным будущим изменениям.

Хроматография с тандемной масс-спектрометрией (ГХ-МС-МС, ВЭЖХ-МС-МС, ИХ-МС-МС)

Третьим методом анализа остатков пестицидов в пищевой продукции и объектах окружающей среды является тандемная квадрупольная масс-спектрометрия. Именно такое оборудование используют ведущие государственные научно-исследовательские институты и контрактные лаборатории.

Благодаря наличию двух квадруполей метод имеет чрезвычайное преимущество: выборочно контролирует каждый пестицид, когда он попадает в масс-спектрометр, одновременно отфильтровывая вещества, которые могут мешать измерению. Это особенно важно, когда имеете дело со сложной матрицей. Результатом является отличное обнаружение остатков пестицидов на низких уровнях. Кроме отличной чувствительности, преимуществами таких приборов является также чрезвычайная мультизадачность (пример хроматограммы на Рис.3), короткая продолжительность анализа и более простые требования к подготовке образцов.

Итак, благодаря использованию более дорогого оборудования вы получаете более дешевый и быстрый анализ. При этом затраты на его содержание не сильно отличаются от расходов на содержание обычного хроматографа.

Рис. 3 Определение 200 пестицидов за 7 мин с помощью  ВЭЖХ-МС-МС.

Thermo Fisher Scientific предлагает пакетное решение Pesticide Explorer для определения остаточных количеств пестицидов, чтобы помочь лабораториям по мониторингу пищевых продуктов и контрактным лабораториям сократить время и затраты на запуск оборудования и соответствовать требованиям, таким как рекомендации Европейского Союза SANTE для остатков пестицидов в продуктах питания.

В зависимости от физико-химических свойств пестицидов, компания предлагает три готовых решения (см. Табл.1), уже включающие оборудование, программное обеспечение, стандарты, наборы для пробоподготовки QuEChERS, а также методические материалы, стандарты, наборы для пробоподготовки QuEChERS и методические материалы.

Табл 1. Пакетные решения Thermo Scientific для определения остатков пестицидов.

Так, пакеты GC и LC Pesticides Explorer обеспечивают надежное определение нескольких сотен пестицидов разных классов в кратчайшие сроки. Anionic Pesticides Explorer позволяет определять полярные пестициды, такие как глифосат, глюфосинат, фосетил и их метаболиты. Они обычно являются сложными аналитами: соединения имеют очень низкое извлечение из матрицы при использовании методов QuEChERS и плохо содержатся в жидкой хроматографии.

Поэтому пакет также включает в себя модифицированную пробоподготовку QuPPe, позволяющую повысить степень извлечения соединений из матрицы. Пределы определения полярных пестицидов соответствуют требованиям европейских регламентов, а методика Anionic Pesticides Explorer, как и методики других пакетов, полностью согласована с руководством EU SANTE/11813/2017 по валидации методик для определения остаточных количеств пестицидов.

Высокораздельная хроматография тандемная масс-спектрометрия (HRAM LC-MS, HRAM GC-MS)

Масс-спектрометры высокого разрешения (HRAM) Thermo Scientific являются эффективным инструментом для скрининга сотен пестицидов за один анализ, даже при концентрациях ниже 10 мкг/кг, что особенно актуально в анализе содержания пестицидов в детском питании. Инструменты HRAM обеспечивают высокие уровни чувствительности и селективности, широкий линейный динамический диапазон, воспроизводимый анализ и информацию о фрагментах ионов, достаточную для соответствия требованиям Европейского Союза (ЕС) по идентификации пестицидов.

Система Orbitrap Exploris™ 480

Узнать больше о масс-спектрометре Orbitrap Exploris™ 480 LC-MS можна на нашем сайте.

Благодаря технологии Orbitrap, точность установления соотношения массы к заряду составляет обычно ниже 5 ppm и минимизирует помехи от совместно элюированных аналитов и матричных веществ, и таким образом уменьшает вероятность ложноположительных и отрицательных результатов. Сравнение хроматограмм, полученных с помощью приборов низкого и высокого разрешения, показано ниже.

Компания Thermo Fisher Scientific предлагает готовые пакетные решения на базе масс-спектрометров Orbitrap Exploris для определения остатков пестицидов в продуктах питания газовой и жидкостной хроматографией. Эти решения характеризуются чрезвычайной точностью установки масс и превосходят потребности аналитических испытательных и исследовательских лабораторий в области безопасности пищевых продуктов.

Заключение

Сравнение хроматографических методов определения пестицидов в продуктах питания и объектах окружающей среды приведено ниже. В свою очередь, наши специалисты готовы предложить решение, оптимальное именно для вашего бизнеса. Подбирая методы и оборудование для каждого клиента индивидуально, мы учитываем особенности производства, рабочих процессов и ориентируемся исключительно на потребности предприятия.

Тетяна Скарвінко

Cпеціаліст департаменту хроматографії та спектроскопії

Спеціалізація: аналітичне обладнання, хроматографія, мас-спектрометрія.