第三节 QuEChERS技术改进
目前，QuEChERS已经成为模板，分析人员可根据具体实验情况灵活应用该样品前处理技术。但由于不同待分析物的物理化学性质差异较大，而且不同基质对同一种待分析物有不同的影响，因此在多残留分析中要实现对所有分析物都同时得到最优的回收率是比较困难的。为了得到更好的分析效果，研究工作者们依据待测的样品基质和实验室条件等灵活调整，对QuEChERS技术进行了多种改进，下面将从基于样品基质的调整、基于萃取体系pH的调整以及基于净化过程的调整等QuEChERS技术改进方面的内容进行详细阐述。
1.基于样品基质的调整
原始的QuEChERS方法是针对高含水量的蔬菜和水果的，因此对于其他类型的样品则需要进行相应的改进。
对于含水率低于80%的样品，需要适当减少取样量并添加一定量的水，以弱化待分析物与样品基质之间的相互作用，确保待分析物在萃取/分配过程中更容易被提取出来。Pareja等在测定稻米中42种农药（包括除草剂、杀真菌剂和杀虫剂等）的残留时，比较了取样量分别为5g、7.5g和10g时的结果。研究发现：在添加水平为0.01mg/kg时，得到的回收率（70%～120%）都能满足实验要求；但取样量为5g和7.5g时的回收率整体上要优于10g的；当取样量为7.5g时的回收率最优。因此该方法最终确定稻米的取样量为7.5g。此外，Wiest等在测定蜂蜜、蜜蜂以及花粉中的80种有机磷、有机氯和拟除虫菊酯类农药残留时，根据基质的不同分别确定了此三种样品的取样量和加水量。结果表明，当蜂蜜的取样量为5g，添加水量为 10mL，蜜蜂的取样量为5g，添加水量为3mL，花粉的取样量为2g，添加水量为8mL时得到的结果最好。由此可见，针对不同的基质，取样量并不是固定为10g，而需要根据实验条件适当调整，以得到更好的满足实验要求的实验结果。欧洲标准化委员会制定的EN15662标准方法中建议的不同样品的加水量如表1－3所示。
表1-3 EN15662标准方法中建议的不同样品的加水量
此外，对于高脂肪含量的样品（如橄榄、油籽、坚果、牛乳、鱼肉等）的分析也是具有挑战性的。因为此类物质在用乙腈萃取时，一方面一些脂类化合物会被同时萃取出来而对下一步的分析带来困难；另一方面一些脂溶的非极性化合物会保留在样品基质中而降低萃取效率。因此，对于高脂肪含量的样品需进行过夜冷冻的处理。对于含有硫化物的样品如大蒜、洋葱及韭菜等，建议在微波炉中加热几分钟后再进行萃取。
2.基于萃取体系pH的调整
在Lehotay等人验证QuEChERS技术在气相/液相色谱－质谱法检测果蔬中229种农药残留方面的应用的研究中，几乎所有的农药的回收率都在70%～120%，其中206种农药的回收率为90%～110%。然而，结果表明，PSA净化过程会截留一些羧酸类农药（如daminozide，比久），而在净化后的碱性（pH8～9）体系中，一些对碱敏感的农药（如磺草灵、达草特、开乐散、福美双、百菌清、克菌丹、灭菌丹等）的稳定性会受到很大影响而发生降解，原始的QuEChERS技术对上述农药的回收率不尽理想，甚至会低于50%。鉴于此，为了提高pH敏感化合物的萃取效率、扩展该技术在不同基质中的应用，对原始的QuEChERS技术进行改进是非常有必要的。
Lehotay和Anastassiades等人发现引入缓冲盐能有效地提高pH敏感分析物的回收率。不论样品基质是水果还是蔬菜，当采用pH为5～5.5的缓冲体系萃取时，对于pH敏感分析物均能够获得最优的平衡和足够高（大于70%）的回收率。其中，Lehotay采用含1%醋酸的乙腈作萃取剂，并在盐析过程中加入MgSO4和NaAc，该方法对绝大多数的残留农药，甚至是一些棘手的农药都得到了较高（95%±10%）的回收率。这种基于醋酸盐的缓冲体系仅额外加入醋酸钠一种固体盐，整个过程比较简单。此外，醋酸盐能部分分配在有机相中，使乙腈相的pH保持恒定（pH＝4.8），从而使其具有很强的缓冲能力。该方法虽然有利于稳定碱性敏感农药，但另一方面也会影响到PSA净化过程的净化效率，与传统的QuEChERS方法相比，醋酸盐的强缓冲体系显示了较差的净化效果。为了不影响PSA净化过程，Anastassiades等人提出了基于柠檬酸氢二钠和柠檬酸三钠两种盐的弱缓冲体系的改进QuEChERS方法。该方法在盐析分配中同时加入MgSO4、NaCl、Na2HCit和Na3Cit来调节体系的pH。
基于乙酸/乙酸钠缓冲体系的改进QuEChERS方法在7个国家的13个权威实验室得到了验证，并在2007年成为美国农业化学家协会（AOAC）的官方方法AOAC 2007.01。而基于柠檬酸钠盐的缓冲体系的改进QuEChERS方法也在德国多个实验室进行验证，并于2008年成为欧洲标准化委员会的标准方法EN 15662。这两种改进QuEChERS方法的具体操作流程如图1－2所示。
3.基于净化过程的调整
（1）新型净化材料为了提高对于复杂基质样品的净化效率、有效去除干扰、克服传统QuEChERS技术净化过程中存在的问题，近年来发展了很多新型的净化材料，基于净化剂的改进QuEChERS方法也成为研究热点。
因叶绿素具有不挥发的特性，当用气相色谱对含有叶绿素的样品进行分析时，叶绿素会积累在GC的进样口和色谱柱中，从而影响GC的分析效果。因而叶绿素经常被认为是农药残留分析中最棘手的基质共萃物之一。传统QuEChERS中，石墨化炭黑（GCB）经常被用来有效地去除叶绿素，但同时GC B也易于吸附具有平面结构的化合物，从而严重影响此类化合物的回收率。为了解决这一问题，美国UCT（United Chemical Technologies）公司研发了一种新型的ChloroFiltr®吸附剂，测试结果表明，ChloroFiltr®可在不损失平面性化合物的前提下去除82%甚至更多的叶绿素干扰物。Wang等人的研究证明，与GCB相比，ChloroFiltr®的净化过程对于平面性农药残留（如多菌灵、涕必灵、息疟定、赛普洛等）具有很好的回收率。值得一提的是，当用GC B作净化剂时，涕必灵的回收率仅为55.9%，而采用ChloroFiltr®作净化剂时的回收率则高达93.2%。因此，在QuEChERS技术中可用ChloroFiltr®净化剂来替代传统GC B以去除叶绿素。
其他新型的商品化净化剂，如美国Supleco公司开发的Z－Sep和Z－Sep+，经证明，与传统的PSA和C18净化剂相比，它们能萃取更多的脂肪和色素，表现出更高的回收率和更好的重复性。其中Z－Sep净化剂是经氧化锆改性的硅胶，而Z－Sep+净化剂是经氧化锆和C18共同改性的硅胶（图1－3）。Sapozhnikova和Lehotay用C18+PSA、Z－Sep和Z－Sep+三组净化剂对1mL的鲶鱼萃取物进行净化，结果表明：尽管C18+PSA能去除最多的共萃物，但以Z－Sep作净化剂的色谱分析结果显示了最少的背景干扰；Z－Sep作净化剂时得到的回收率最高（70%～120%）、重复性最好（标准偏差13%）。Geis－Asteggiante等人比较了不同净化剂以及它们的不同组合在UHPLC－MS/MS法检测牛肉中127种药物残留中的应用。结果证明，Z－Sep和Z－Sep+能够实现干扰共萃物的有效去除，但它们作净化剂时得到的残留药物的回收率却不够理想。Z－Sep和Z－Sep+对四环素类、氟喹诺酮类以及大环内酯类药物具有明显的截留作用，因此需要注意，对于此三类药物的分析不宜采用Z－Sep和Z－Sep+作净化剂。此外，Tuzimski和Rejczak在高效液相色谱法检测葵花籽中的农药残留的实验中发现：相比于C18，Z－Sep+具有更高的净化效率。
图1－3 Z－Sep和Z－Sep+净化剂
除了上述的商品化净化材料外，随着纳米科技的新兴和发展，新型的碳纳米材料如碳纳米管和石墨烯等也常被用作一些改进QuEChERS技术中的净化剂。其中，碳纳米管是由具有准圆管结构的管身部分和包含五边形或七边形碳环的端帽部分组成的多壁、中空与螺旋形的管状结构碳材料，由于其结构可能存在的缺陷（拓扑缺陷、杂化缺陷和不完全键合缺陷），从而使得碳纳米管具有了一系列新颖独特的物理化学性质。其表面原子周围缺少相邻的原子，具有不饱和性，易与其他原子相结合而趋于稳定，是一种较为理想的吸附材料。Hou等提出的改进QuEChERS方法中，以6mg多壁碳纳米管（multi－walled carbon nanotubes，MWCNTs）作为分散固相萃取步骤中的净化剂，用GC－MS/MS方法对茶叶中78种残留农药进行了分析。结果表明，对目标残留农药的回收率为70%～120%，与以PSA为净化剂的传统QuEChERS方法的分析结果相当，且当采用PSA和MWCNTs的混合型净化剂时，可进一步提高净化效率。Zhao等在用GC－MS检测蔬菜和水果中的农药残留时，采用QuEChERS前处理方法，用MWCNTs替代PSA作净化材料，结果显示：30种农药的回收率在71%～110%，相对标准偏差小于15%。此外，Deng等报道了一种以氨基修饰的磁性纳米粒子（magnetic nanoparticles，MNPs）和MWCNTs的复合材料作净化剂，用GC－MS法快速检测茶叶中8种农药残留。其中，氨基修饰的MNPs具有弱的阴离子交换能力，可增强其与各种极性有机酸的相互作用；MWCNTs则可吸附高含量的色素和固醇类干扰化合物。结果表明，相比于C18，该MNPs/MWCNTs复合材料表现出了更好的净化效率。Su等对QuEChERS方法进行优化，以中性氧化铝和MWC N Ts的混合型净化剂共同净化，结合GC－MS对花生中的9种有机磷农药残留进行分析，得到的回收率为85.9%～114.3%，相对标准偏差小于8.48%。
图1－4 基于片层石墨烯的碳材料
石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维材料，是构成其他石墨材料（富勒烯、碳纳米管和石墨）的基本单元（图1－4）。由于其新颖独特的物理化学性质，自发现以来，石墨烯在基础科学和应用研究领域引发了科学家们的广泛关注。Guan等人研究了氨基修饰的石墨烯在净化油料作物的乙腈萃取物中的应用。作者同时比较了氨基修饰的石墨烯、石墨烯、PSA、MWCNTs和GCB的净化效率，结果表明，氨基修饰的石墨烯净化剂能最大限度地去除脂肪酸，对绝大多数农药的回收率为70.5%～100%，相对标准偏差小于13%。
（2）省去净化过程除了上述基于新型净化材料的改进QuEChERS技术之外，一些其他的改进QuEChERS技术甚至直接省去了净化过程，从而使处理过程更为简便、快速、经济。通常在以下两种情况下可以省去净化过程：①液相微萃取技术是在液液分配基础上发展起来的新型样品前处理技术，具有消耗溶剂少、富集倍数及提取效率高、操作简便快速等优点，当其与QuEChERS前处理技术相结合时，可以省去净化过程；②当基质本身干扰相对较少，且采用了精确度及灵敏度较高的串联质谱与气相或液相色谱联用等分析仪器进行检测时，可以省去净化过程。
Melo等采用QuEChERS方法，用乙腈萃取，无水硫酸镁和氯化钠盐析离心分层，结合分散液相微萃取，省去净化过程，应用GC－MS对番茄中30种农药残留进行了检测。结果显示，除烯菌酮的回收率为61.6%、噻虫嗪的为58.9%外，其余 28种农药的回收率在 70%～120%，RSD≤20%，检测限（LOD）为0.0027～0.25mg/kg，定量限（LOQ）为0.0089～0.84mg/kg。Romero－Gonzlez等对小麦、黄瓜和葡萄酒中90多种生物杀虫剂和真菌毒素的残留进行了检测，样品采用QuEChERS方法前处理，以用醋酸酸化的乙腈为萃取溶剂，硫酸镁和醋酸钠盐析离心分层，无需净化，提取液经Millex－GN尼龙滤膜过滤后直接进LC－MS/MS分析。结果显示，除毒莠定和喹草酸外，大部分农药的回收率在70%～120%，RSD＜20%，LOQ＜10μg/kg。Cajka等比较了无缓冲溶液和分别采用醋酸、柠檬酸缓冲溶液的3种QuEChERS提取方法，对红茶和绿茶中的164种残留农药进行分析，省略净化步骤，液液分配萃取后取1mL上清液加1mL正己烷和5mL 20%的氯化钠溶液，振荡离心，采用GC－MS/MS检测分析。结果发现，无论是否有缓冲溶液存在，当添加水平为0.1mg/kg时，125种农药的回收率均在可接受的范围内（70%～120%），其中包括不易检测的农药如百菌清（84%～88%）、对甲抑菌灵（81%～89%）等。Cunha等在分析玉米中的41种农药残留时，采用QuEChERS前处理技术，以乙腈为萃取溶剂，以MgSO4和NaCl盐析离心，以CCl4为分散剂做固相微萃取，最后经GC－MS检测。结果显示，82%的被分析物的回收率在70%～120%，RSD小于20%，63%的被分析物的检出限低于19mg/kg。