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方法論記事

水中の農薬のモニタリングのための特性とパッシブサンプラーの応用

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DOI：

10.3791/54053

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2016年8月3日

 ,  ,  , 
1Department of Aquatic Sciences and Assessment, Swedish University of Agricultural Sciences, 2Center for Chemical Pesticides, Swedish University of Agricultural Sciences

この記事について

サマリー

5つの異なるパッシブサンプリングデバイスの特性評価と適用に関するプロトコルが提示されます。

要約

五つの異なる水パッシブサンプラー124レガシーおよび現在の使用農薬の測定のために実験室条件下​​で較正しました。この研究は、パッシブサンプラーの準備、キャリブレーション、抽出方法および機器分析のためのプロトコルを提供します。サンプリングレート（R S）とパッシブサンプラー-水分配係数（K PW）は 、シリコーンゴム、極性有機化学統合サンプラーPOCIS-A、POCIS-B、SDB-RPSとC 18のディスクについて計算しました。選択された化合物の取り込みは、それらの物理化学的性質に依存し、 すなわち 、シリコーンゴムはPOCIS-A、POCIS-B及びSDB-一方、より疎水性の化合物（オクタノール-水分配係数（K OW）のログ> 5.3）のためのより良好な取り込みを示しRPSディスクは、親水性化合物（K OW <0.70を記録）のために、より適していました。

概要

農薬は継続的に水生環境に導入され、水生生物1へのリスクをもたらす可能性があります。水性環境中の農薬のモニタリングは、典型的には、グラブサンプリングを使用して実行される、しかし、このサンプリング技術は、完全に起因する流れの変動やエピソード入力（ 例えば 、沈殿、合流式下水道のオーバーフロー、下水ラグーンリリース）2に濃度の時間変動を考慮していません、3。このように、モニタリング方法は、殺虫剤に伴う環境リスクのより良い推定のために改善する必要があります。パッシブサンプリングは、最小限のインフラと低汚染物質の濃度が4,5と、長期間にわたって継続的に監視することができます。

パッシブサンプラー地下6におけるモニタリングのための貴重なツールであることが示されている、新鮮な水7-10、廃水11と海水12。監視目的のほかに 13,14は、パッシブサンプラーは、非標的分析15、毒性試験16,17のために使用されている、代替としてsediment-及び18をバイオモニタリングします。パッシブサンプラーを水から連続的に化学物質を蓄積し、時間加重平均（TWA）濃度14を提供します 。汚染物質の取り込みは、サンプリング・レート（R S）とパッシブサンプラーデザイン、サンプラー材料、汚染物質の物理化学的特性、および環境条件（ 例えば 、水に依存するパッシブサンプラー-水分配係数（K PW）、に依存します乱流、温度）13,14,19,20。

詳細なビデオは、水中での農薬のためのパッシブサンプラーを校正し、適用する方法を示すことを目指しています。具体的な目的は、i）は 、受動的sampl 5つの異なるタイプを使用して、124個々の農薬の準備のため、抽出および機器分析を実行するために含まシリコーンゴム、極性有機化学統合サンプラー（POCIS）-A、POCIS-B、SDB-RPSとC 18ディスク、ⅱ）研究室取り込み研究中の農薬のためのR SとK PWを評価するため、及びiii）を含む、ERS関心とどのようにそれぞれのパッシブサンプラーのためのTWA濃度を計算するための標的化合物の適切なパッシブサンプラーを選択する方法を実証します。

参照標準とパッシブサンプラーデバイス

標的化合物は、124レガシーや除草剤、殺虫剤や殺菌剤（ 表1）を含め、現在使用農薬が含まれていました。内部標準混合物は、（混合物である）フェノプロップ（2,4,5-TP）、クロチアニジン-D 3、エチオン及びテルブチ ​​ラジン-D 5が含まれていました 。他の使用される化学物質は、メタノール（MeOH）で、アセトニトリル（ACN）、アセトン（ACE）、ジクロロメタン（DCM）、シクロヘキサン（CH）、酢酸エチル（EA）、石油等が含まれ彼女の（PE）、2-プロパノール、25％アンモニア溶液、酢酸（HAC）およびギ酸（FA）。五つの異なる受動サンプリング装置は、シリコーンゴム、POCIS-A及 ​​びPOCIS-B、SDB-RPS、およびC 18ディスク1,21を含む、特徴づけました。

表1パッシブサンプラーサンプリングレート（R 'S、Lの1日目 ）、サンプラ-水分配係数（K' PW、Lキログラム-1）式は（式）は、個々のフィールドのサンプル中の濃度の計算に使用殺虫剤。 （エルゼビアから許可を得て、水、1月11日、著作権（2015年）中の農薬のモニタリングのためのクロマトグラフィーAのジャーナル、1405年、ルッツアーレンス、Atlasi Daneshvar、アンナ・E.・ラウ、ジェニークルーガー、5パッシブサンプリング装置の特性より転載。）22 このファイルをダウンロードするにはこちらをクリックしてください。

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プロトコル

1.パッシブサンプラーのデザインと準備

  1. シリコーンゴムシート
    1. （3.2ミリメートル×10ミリメートルのステンレス鋼製のカッターを使用して、ステンレスブラインドリベットを使用してそれらを接続するのx 600ミリメートル2.5ミリメートル、2.5ミリメートル×314ミリメートルのストライプへのシリコーンゴムシートをカット（600ミリメートル×600ミリメートル、厚さ0.5mm） ）のx 914ミリメートル2.5ミリメートル（表面積= 457センチメートル2、吸着剤の質量= 15.6グラム、ボリュームの合計サンプラーストライプサイズを取得するためにリベットガン=と22.9センチメートル3）。
  2. ソックスレー装置の抽出チャンバ内にシリコーンゴムを配置します。抽出チャンバーに50ミリリットルのEAを追加し、250ミリリットルのEAと500ミリリットルの丸底フラスコ中で3沸騰石を追加します。
    1. ボトルフラスコとコンデンサーを抽出チャンバを接続します。約80℃で96時間、ソックスレー抽出によりシリコーンゴムを清掃し、穏やかな窒素ガス下で、その後、それらを乾燥させます。
  3. シリコーンゴムSTRIを取り付けホルダーのロッドの周囲にシリコーンゴムストライプ（ 図1）をラップすることにより、ステンレス鋼クモ試料ホルダーにPE。ケーブルタイを使用して、ホルダーのロッドにシリコーンゴムストライプの両端を接続します。

figure-protocol-1
シリコーンゴムの図1の回路図。上部およびB）は側面図からステンレス鋼クモ試料ホルダーAにシリコーンゴムストライプの添付ファイル）を示すシリコーンゴム用のパッシブサンプラー概略図。 の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。この図。

  1. POCIS-AとPOCIS-B
    1. POCIS-Aについては、センチsquar 9.0により2 9.0 cmの間のHLBバルク吸着剤（表面積= 1.78×10 6 cm 2）で220 mgの配置Eポリエーテルスルホン（PES）膜（ 図2）。
    2. POCIS-Bについては、吸着剤の混合物の220 mgの配置（ すなわち 、ヒドロキシル化ポリスチレン-ジビニルベンゼン樹脂（80％）およびスチレンジビニルベンゼン共重合体に分散させた炭素質吸着剤（20％））（表面積= 2.82×10 6 cm 2）で両者のPES膜（ 図2）。
    3. 手動で吸着剤と2つのステンレス鋼リングの間に2つのPESを圧縮（インナーØ= 5.4センチメートル）と（ 図2）ステンレス鋼製の試料ホルダーに固定します。

figure-protocol-2
パッシブサンプラーディスクの図2の回路図。POCIS A、POCIS B、SDB-RPSディスクとAを示すC 18ディスク）ステンレス鋼リングを用いたパッシブサンプラーの組立のためのパッシブサンプラーの概略、ポリエーテルスルホン（PES）membranES、および受容相、およびB）のステンレス鋼試料ホルダーの組み立て。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

  1. SDB-RPSディスクおよびC 18ディスク
    1. SDB-RPS（表面積= 35 cm 2で、吸着剤の質量= 0.34 gの体積= 1.7 cm 3）とし、C 18ディスク（面積= 35 cm 2で、吸着剤の質量= 0.58 gの体積= 1.7 cm 3）との間に配置2PEsの膜（ 図2）。手動でディスクと2つのステンレス鋼リングの間に2つのPESを圧縮（インナーØ= 5.4センチメートル）と（ 図2）ステンレス鋼製の試料ホルダーに固定します。

2.実験取り込み実験

注：実験取り込み実験を定量的取り込みkを特徴付けるために実施しました制御された条件下で5異なるパッシブサンプラーデバイスのための124の個々の農薬のinetics。

  1. タンク1）シリコーンゴム（N = 16）、タンク2）POCIS-A（N = 16）、POCIS-B（N = 16）、及びタンク3：取り込み長方形のガラス容器（各〜95 L）で研究を行います）SDB-RPSディスク（N = 16）、C 18ディスク（N = 16）。 3タンクに天然水を記入してください。
  2. 一定の水の温度（〜20℃）で、それぞれの側の壁に取り付けられた2つの電気ポンプを使用して、乱流条件の水（約10センチ秒-1）の下ですべての実験を行います。光劣化の影響を最小限に抑えるために暗闇の中で実験を行います。
  3. ガラスシリンジを使用して124農薬を含む農薬標準混合物を用いて、各ガラス容器をスパイク（C 400 ngののL≈-1水タンク内の個々の農薬のために）。時間の5の間隔、11、20、および26 Dで、タンクから手動でパッシブサンプラーを取り出しAYSは、農薬のサンプリングレートを決定します。
  4. 他の箇所21に記載のように水試料の分析を0日目、5、11、20で、100 mlの水サンプルを収集することにより、各タンク中の農薬の濃度を監視し、及び26が実行されます。
    1. 品質管理のために、0日目で1時間、室内の空気に空白のサンプルを公開してから保存し、実際のサンプルとして扱います。すべての抽出物だけでなく、さらなる分析まで-18℃でタンクから収集した100ミリリットルの水のサンプルを保管してください。

3.サンプル抽出

  1. シリコーンゴム
    1. 抽出に先立って、高純度の窒素ガス気流下でシリコーンゴムストライプを乾燥。
    2. ガスクロマトグラフィー-質量分析（GC-MS）分析のために、ソックスレー抽出22を用いて固液抽出を行います。
      1. ソックスレー抽出にシリコーンゴムを配置します。 250ミリリットルPE / ACEを追加（50/50、v / v）の3 BOI丸底フラスコに玲石。
      2. ガラスシリンジを使用して混合物（C = 5のNG ml -1の）100μlのシリコーンゴムスパイク。ソックスレー抽出器に50ミリリットルPE / ACEを（50/50、v / v）を追加します。ヒーターのスイッチをオンにし、19時間ソックスレー抽出を実行した後、ヒーターのスイッチを切ります。
      3. 1ミリリットルに優しい窒素ブローダウンが続く回転蒸発によって抽出物を濃縮します。 1ミリリットルに窒素ブローダウン中に3回に1ミリリットルのCH / ACE（90/10、v / v）を添加することにより、/ ACEを（90/10、v / v）のCHに溶媒交換。
    3. 液体クロマトグラフィー-タンデム質量分析（LC-MS / MS）分析のために、ソックスレー抽出22を使用して抽出を行います。
      1. ソックスレー抽出にシリコーンゴムを配置します。ソックスレー抽出器に丸底フラスコに250ミリリットルのMeOHおよび3沸騰石を追加し、50ミリリットルのMeOH。ガラスSYRを使用している混合物（C = 5 ngのmlで-1）100μlとシリコーンゴムスパイクインゲ。
      2. ヒーターのスイッチをオンにし、19時間ソックスレー抽出を実行した後、ヒーターのスイッチを切ります。 1ミリリットルに優しい窒素ブローダウンが続く回転蒸発によって抽出物を濃縮します。 1ミリリットルに窒素ブローダウン中に1ミリリットルACNを追加することにより、ACNへの溶媒を交換します。
  2. POCIS-AとPOCIS-B
    1. 慎重POCISサンプラーを開き、2ポリエチレン（PE）フリットを含む予備洗浄空ポリプロピレン固相抽出（SPE）カートリッジ（6ミリリットル）に漏斗を使用して、超純水で吸着剤を移します。水を除去するために真空により吸着剤を乾燥させます。吸着剤材料の量を制御するために、空とパックされたSPEカートリッジの重量を記録します。異なるカートリッジはGC-MS及びLC-MS / MS分析のために使用されていることに注意してください。
    2. 溶出の前に、ガラスシリンジを使用して混合物（C = 5のNG ml -1の）100μlで吸着剤をスパイク。 5を使用して溶出POCIS-AとPOCIS-B吸着剤GC-MS 22 mlのEA。
      1. 穏やかな窒素ブローダウンにより1ミリリットルの抽出液を濃縮します。 1ミリリットルに窒素ブローダウン中に3回に1ミリリットルのCH / ACE（90/10、v / v）を添加することにより、/ ACEを（90/10、v / v）のCHに溶媒交換。
    3. 溶出POCIS-Aおよび8 mlのDCM / MeOHを続いを1.5mLのMeOHを用いPOCIS-Bカートリッジ（80/20、v / v）のLC-MS / MS分析のために22。穏やかな窒素ブローダウンにより1ミリリットルの抽出液を濃縮します。 1ミリリットルに窒素ブローダウン中に1ミリリットルACNを追加することにより、ACNへの溶媒を交換します。
  3. SDB-RPSとC 18のディスク
    1. ガラスビーカーにSDB-RPSとC 18ディスクの個々のディスクを移し、窒素ガス下で、それらを乾燥させます。 3mlで、次いで10分間EA 5mlで最初、混合物は、（C = 5のNGミリリットル-1）ガラスシリンジを使用して、室温でガラスビーカー中で、それらを2回超音波処理IS100μlのディスクスパイクとEAの10分間。
    2. 転送BO一方のガラス管に第抽出物を、ダウン穏やかな窒素ブローによって2mlまで、それらを濃縮し、（GC-MSおよびLC-MS / MS分析を、それぞれのために）は、2つの1mlの画分にそれらを分割します。
    3. 穏やかな窒素ブローダウンにより0.5ミリリットルに抽出物を濃縮し、GC-MS分析22のために（90/10、v / v）のCH / ACEに溶剤を交換します。穏やかな窒素ブローダウンにより0.5ミリリットルの抽出液を濃縮し、LC-MS / MS分析のために22 ACNに溶剤を交換します。

4.水試料

  1. ガラスシリンジを使用している混合物（C = 5 ngのmlの-1）を100μlと20ミリリットルの水のサンプルをスパイク、DCMの3ミリリットルを追加し、3分間ボルテックスし、GC-MS分析22のための相分離器にデカント。
    1. 二相を分離した後、ガラス管にDCM相を浸透。 3ミリリットルのDCMを用いた抽出を繰り返し、2ミリリットルのDCMでチューブをすすいでください。最後に、穏やかな窒素ブローダウンとexchanにより0.5ミリリットルに抽出物を集中CH / ACEへのGEの溶媒（90/10、v / v）でした。
  2. LC-MS / MS 21で他の場所に記載された方法と同様の大容量注入を用いて、水試料を分析します。

5.機器分析

  1. GC-MS分析
    1. 電子イオン化（EI）と負化学イオン化（NCI）モード、それぞれ22にGC-MSシステムを使用してCH / ACE抽出物の機器分析を実行します。
    2. EIを使用して、GC-MS法については、HP-5MS UIカラム（30メートル、0.25ミリメートル、内径、0.25μmのフィルム）上スプリットレス注入法で1μlのアリコートを注入します。
    3. CIを使用して、GC-MS法については、HP-5MS UIカラムで3μL（30メートル、0.25ミリメートル、内径、0.25μmのフィルム）のアリコートを注入します。
  2. HPLC-MS / MS分析
    1. （ - ）ESI（）と正イオンM ACNの機器分析を行う用い抽出物のHPLC-MS / MSは、エレクトロスプレー負イオン化源とインターフェース頌歌（（+）ESI）22。
    2. （+）ESIについては、ACNを100μlを希釈すると、FAを用いてpHを5に調整900μlの超純水で抽出します。
    3. （ - ）の場合はESI、ACN100μlの超純水で1％FAの900μlの溶液を用いて抽出し希釈します。
    4. （+）ESIために0.3 mlの分-1の流速で2-プロパノール/メタノール/ 10mMのギ酸アンモニウム（6/2/92、V / V / V）およびMeOHからなる二元勾配を使用します。
    5. （ - ）の場合ESI 0.3 mlの分の流速でのHAcおよびACN + 0.1％のHAc ACN /超純水、0.1％からなる二元勾配を使用-1。
    6. 2つのオンラインSPEカラム（20×2mmのIDと20〜25ミクロンの粒子サイズの両方）、および分析カラム（C 18、100×3ミリメートル、3.5μm）の21を使用して、500μlの大量の注入を使用して、すべてのサンプルを注入します。

パッシブサンプリング6.論

注：パッシブサンプラーmediuへの化学物質の取り込みプロフィールリニア、曲線状及び平衡（ 図3）：メートル（PSM）は、3つのセクションに分かれています。

figure-protocol-3
3.パッシブサンプラー取り込み曲線図。 A）およびC）の取り込み絶対ngのパッシブサンプラー（N tの ）中で、それぞれアセタミプリドおよびジメトエートの蓄積量の曲線、およびB）およびD）ngのLのそれぞれアセタミプリドおよびジメトエート、、の水タンクの濃度- 1。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

  1. （露出のトン日後にパッシブサンプラーにN ' トンを標的化合物の蓄積量を分割することにより、パッシブサンプラーの等価水量（V 当量の L）を計算-1、 ワット Cグラブと時間統合アクティブサンプリングを使用して、水相中の濃度によりp>、NG）。
    figure-protocol-4 （1）
  2. 展開時間に対するV 当量の勾配を取ることによって、吸収特性の線形吸収相からサ ​​ンプリング・レート（R S、Lの1日目）を導出します。
  3. K PW式を使用して、個々の農薬の（-1 Lのキロ）を計算します。 2。
    figure-protocol-5 （2）
    ここで、m pはサンプラー（NG）あたりの吸着剤の質量です。
  4. リニア取り込みフェーズでは、パッシブサンプラー（TWA C、NGのL -1）式を用いて導出水中の検体のTWA濃度を算出。 3。
    figure-protocol-6 （3）
    ここで、R Sは SAでありますmpling率（L日-1）、tはデプロイメント時（日）です。
  5. 曲線的な段階では、式を使用してTWA cを計算します。 4。
    figure-protocol-7 （4）
  6. 平衡相では、式を使用してTWA cを計算します。 5。
    figure-protocol-8 （5）

7.統計的データ解析

  1. シャピロ-ウィルク検定23を使用して、データの非正規分布をテストします。試験された殺虫剤の物理化学的特性24（-1から1までの範囲スピアマンのrho） 対 K PWとR Sのためのノンパラメトリックスピアマンの順位相関を使用してください。

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結果

五つの異なるパッシブサンプラー技術が124レガシーの取り込みとシリコーンゴム（ 図1）、およびPOCIS A、POCIS B、SDB-RPSとC 18ディスク（ 図2）を含む、現在の使用農薬について比較しました。抽出方法および機器分析の性能を最適化しました。実験室での取り込み実験の結果は、PW値個々の農薬（ 図3）のための吸収プロファイルに基づいて（ 表1）R 'K Sおよび ログ」を計算するために使用することができます。結果は、シリコーンゴム」（OW <0.70良いPOCIS A、POCIS Bにより取り込まれたより極性の高い化合物がKをログ）に対し、（OW）>

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ディスカッション

品質管理のために、標準的な手順、実験用ブランクとして、検出（LOD）、回収、および再現性の限界は23を調べました。いくつかの殺虫剤は、低濃度レベルでブランク試料において検出されました。 LODの平均のLODは、シリコーンゴム、POCIS-A 1.7 pgの絶対、1.6用のカラムに注入8.0 pgの絶対的だった3の信号対雑音比の基準を満たしている較正曲線上の最低点の値として設定しました。 PG POCIS-B、SDB-RPSディスクの3.0 pgの絶対的、およびC 18ディスクの絶対1.6 pgのための絶対。すべての濃度は、スパイクによって補正された混合物です。平均法の回収率は、ネイティブ農薬のスパイクされた受動的なサンプルに基づいて（n = 3） を 68％、110％、92％、89％およびシリコーンゴム、POCIS-A、POCIS-B、SDB-RPSディスクとCのために70％でしたそれぞれ18ディスク。個々の殺虫剤（N = 10）の平均再現性は19％、20％、16％、33％シリコーンこする36％でしたBER、POCIS...

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開示事項

著者らは開示するものは何もない。

謝辞

スウェーデンのEPA(Naturvårdsverket)(協定2208-13-001)と化学農薬センター(CKB)は、このプロジェクトへの資金提供に感謝しています。SLUのOMKラボのMärit Peterson氏、Henrik Jernstedt氏、Emma Gurnell氏、Elin Paulsson氏には、分析サポートと農薬標準器の供給に巧みに協力していただいたことに感謝します。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
メタノールメルク ミリポア1.06035.2500
アセトニトリルメルク ミリポア1.00029.2500 
アセトンメルクミリポア1.00012.2500
2-プロパノールメルクミリポア1.00272.2500
ジクロロメタンメルクミリポア1.06054.2500
アンモニアメルクミリポア1.05428.1000純度 25%
ギ酸シグマ・アルドリッチ94318-50ML-F純度 ~98%
エチルアセテート Sigma-Aldrich31063-2.5L残留農薬分析用
石油エーテル Sigma-Aldrich34491-4X2.5L残留農薬分析用
酢酸 Sigma-Aldrich320099-500ML純度 &;99.7%
シクロヘキサン 残留物分析用のフィッシャーケミカルズC / 8933 / 17PE
フリット付き空のポリプロピレンSPEチューブ、20 μm気孔率、体積6 mlSupelco57026
Empore SPE ディスク、C18、直径 47 mmSupelco66883-Uパッシブサンプラー
Empore SPE ディスク、SDB-RPS (逆相スルホン酸)、直径 47 mmスペルコ66886-U パッシブサンプラー
ポシス-A ESTPOCIS-HLBパッシブサンプラー
POCIS-BESTPOCIS-農薬 パッシブサンプラー
ポリエーテルスルホン(PES)膜ESTPES
シリコーンゴムシートアルテック03-65-4516パッシブサンプラー
アジレント 5975Cアジレントテクノロジーズ 5975CGC-MS
HP-5MS UIJ&W ScientificHP-5MSGC-MS 分析カラム
Agilent 6460Agilent Technologies6460HPLC-MS/MS
Strata C18–E、20 x 2 mm IDおよび20–25 μm粒径フェノメネックス層C18–ELC-MS/MS Strata X用オンラインSPEカラム
、内径20 x 2 mmおよび20インチ。25 μm 粒度PhenomenexStrata Xオンライン SPE カラム LC-MS/MS
Zorbax Eclipse Plus C18Agilent TechnologiesZorbax Eclipse Plus C18LC-MS/MS
アイソリュート位相セパレーター用分析カラム、25 mlBiotage120-1907-E
ステンレススチールブラインドリベット、3.2x10 mmエジョット &アヴデル951222

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水中の農薬のモニタリングのための特性とパッシブサンプラーの応用
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